CN117729078B - 一种用于mimo发射机的双重串扰消除数字预失真系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于MIMO发射机的双重串扰消除数字预失真系统，其包括线性串扰消除模块、单输入单输出数字预失真模块、非线性串扰消除模块、MIMO发射机和系数离线求取模块。本发明在考虑非线性串扰的同时引入了线性串扰，从而构建出了新的数字预失真系统，该数字预失真系统输入的信号在送入MIMO发射机之前依次经过线性串扰消除模块、单输入单输出数字预失真模块、非线性串扰消除模块，从而提高了数字预失真处理的性能和效果。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种用于MIMO发射机的双重串扰消除数字预失真系统。
背景技术
在5G和未来的通信系统中，多输入多输出（MIMO）拓扑结构的高集成度导致多个支路间存在着强串扰，导致发射机的非线性失真进一步增强。在MIMO背景下，已有多种数字预失真(DPD)模型用于线性化MIMO发射机，如交叉数字预失真模型、串扰抵消预失真模型、以及交叉和串扰抵消组合成的预失真模型。然而上述模型及其后续研究只考虑了各支路功放（PA）输入端信号之间的耦合效应(即非线性串扰)，没有讨论发射天线输入端之间的线性串扰的影响，这一点使得现有的这些数字预失真模型性能和效果不佳。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于MIMO发射机的双重串扰消除数字预失真系统，其能够消除非线性串扰和线性串扰，提高数字预失真系统的性能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种用于MIMO发射机的双重串扰消除数字预失真系统，其包括线性串扰消除模块、单输入单输出数字预失真模块、非线性串扰消除模块、MIMO发射机和系数离线求取模块；所述线性串扰消除模块的输出连接单输入单输出数字预失真模块，所述单输入单输出数字预失真模块的输出连接非线性串扰消除模块的输入，所述非线性串扰消除模块的输出连接MIMO发射机的输入；所述系数离线求取模块用于估计预失真系数和串扰系数，并供线性串扰消除模块、单输入单输出数字预失真模块、非线性串扰消除模块使用；所述MIMO发射机内设有PA1和PA2；
原始信号输入输入线性串扰消除模块中，得到消除线性串扰后的信号/>：
其中，为线性串扰系数估计值；
消除线性串扰后的信号输入单输入单输出数字预失真模块中，得到预失真处理后的信号/>：
其中，是PA1的预失真系数，是PA2的预失真系数，/>是DPD记忆深度，/>是DPD非线性阶数；
预失真处理后的信号输入非线性串扰消除模块中，得到消除非线性串扰后的信号/>：
其中，为非线性串扰系数估计值；
消除非线性串扰后的信号输入MIMO发射机中，MIMO发射机输出端输入的信号为/>；
所述系数离线求取模块获取预失真系数和串扰系数的估计值/>、/>、、/>的过程具体如下：
步骤1、MIMO发射机建模；
在进行数字预失真补偿前，MIMO发射机的输入初始值为原始信号，天线发射信号即输出为/>，中间经历了非线性串扰、功放非线性和线性串扰三个部分的影响；
构建非线性串扰模型如下：
(1)
其中，为功放输入信号，/>为非线性串扰耦合系数；
构建功放行为模型：
其中，是功放输入信号，/>是功放输出信号，/>是功放模型系数，/>是PA记忆深度，/>是PA非线性阶数；功放输出信号只受本支路输入信号的影响；
构建线性串扰模型：
其中，是线性串扰耦合系数，/>、/>表示电路板的热噪声；
步骤2、求解预失真系数和串扰系数的估计值/>、/>、/>、/>；
（1）输入信号至MIMO发射机，并单独激励各个功放，得到对应的离线输出信号/>、/>，然后使用LS算法计算预失真系数，如下：
其中，，/>是PA1的预失真系数，/>是核函数矩阵，其中，/>是DPD记忆深度，/>是DPD非线性阶数，/>为信号个数，/>表示共轭转置，/>表示求逆；
其中，，/>是PA2的预失真系数，/>是核函数矩阵，其中；
（2）在MIMO发射机正常工作状态下，输入信号至MIMO发射机，得到功放的输出信号/>和天线发射信号/>；
（3）根据功放输出信号和天线发射信号/>并利用LMS算法估计线性串扰系数/>、/>；
（4）重复以下步骤；
（5）根据功放输出、预失真系数/>和功放输出/>、预失真系数/>，并利用下述公式得到功放输入信号/>；
其中，是PA1的预失真系数，是PA2的预失真系数；
（6）利用LMS算法根据输入信号，以及步骤（5）得到的功放输入信号估计非线性串扰系数/>、/>；
（7）使用公式（1）更新功放输入，根据该更新后的功放输入以及测得的功放输出/>，并利用步骤（1）的公式更新预失真系数/>；
（8）循环停止直至误差小于设定阈值；
（9）输出串扰系数估计值、/>、/>、/>和预失真系数/>。
所述步骤（3），利用LMS算法估计线性串扰系数、/>具体如下：
（a）输入、/>，/>取值为1或2；当/>取值为1时，下述j取值为2，求取的是/>；当/>取值为2时，下述j取值为1，求取的是/>；
（b）设置初值、/>、/>，其中，/>是步长参量，/>是循环次数，/>表示第/>次迭代的线性串扰系数的估计值；
（c）重复以下步骤；
（d）更新循环次数；
（e）计算第n次迭代的误差参量，其中，，/>，/>，；
（f）更新；
（g）循环停止直至误差小于设定阈值；
（h）输出。
所述步骤（6）中，利用LMS算法估计非线性串扰系数、/>具体如下：
（a）输入、/>，/>取值为1或2；当/>取值为1时，下述j取值为2，求取的是/>；当/>取值为2时，下述j取值为1，求取的是/>；
（b）设置初值、/>、/>，其中，/>是步长参量，/>是循环次数，/>表示第/>次迭代的线性串扰系数的估计值；
（c）重复以下步骤；
（d）更新循环次数；
（e）计算第n次迭代的误差参量，其中，，/>，/>，；
（f）更新；
（g）循环停止直至误差小于设定阈值；
（h）输出。
采用上述方案后，本发明在考虑非线性串扰的同时引入了线性串扰，从而构建出了新的数字预失真系统，该数字预失真系统输入的信号在送入MIMO发射机之前依次经过线性串扰消除模块、单输入单输出数字预失真模块、非线性串扰消除模块，从而提高了数字预失真处理的性能和效果。而且本发明将一个复杂的系统拆分为三个较为独立且简单的模块进行处理，实现更加简单。
此外，本发明在求解串扰系数和预失真系数的过程中提出了一种新的离线方法去设置初值，并结合LMS算法降低估计误差，提高了所求解的串扰系数和预失真系数的准确度，使得构建的数字预失真系统具备更好的线性化性能和更低的复杂度。
附图说明
图1为本发明的数字预失真系统的结构图；
图2为系数离线求取模块的系数估计过程示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本公开的各方面。
如图1所示，本发明揭示了一种用于MIMO发射机的双重串扰消除数字预失真系统，其包括线性串扰消除模块、单输入单输出数字预失真模块、非线性串扰消除模块和MIMO发射机，线性串扰消除模块的输出连接单输入单输出数字预失真模块，单输入单输出数字预失真模块的输出连接非线性串扰消除模块的输入，非线性串扰消除模块的输出连接MIMO发射机的输入；MIMO发射机内设有PA1和PA2；。
原始信号输入输入线性串扰消除模块中，得到消除线性串扰后的信号/>；
其中，为线性串扰系数估计值。
消除线性串扰后的信号输入单输入单输出数字预失真模块中，得到预失真处理后的信号/>；
其中，是PA1（第一功放）的预失真系数，是PA2（第二功放）的预失真系数；
预失真处理后的信号输入非线性串扰消除模块中，得到消除非线性串扰后的信号/>；
其中，为非线性串扰系数估计值。
消除非线性串扰后的信号输入MIMO发射机中，MIMO发射机输出端输入的信号为/>。
上述预失真系数和串扰系数的估计值/>、/>、/>、/>利用系数离线求取模块进行获取。所以，用于MIMO发射机的双重串扰消除数字预失真系统还包括系数离线求取模块，结合图1和图2所示，该系数离线求取模块获取预失真系数/>和串扰系数的估计值/>、/>、/>、/>的过程具体如下：
步骤1、MIMO发射机建模；
在进行数字预失真补偿前，MIMO发射机的输入初始值为原始信号，天线发射信号即输出为/>，中间经历了非线性串扰、功放非线性和线性串扰三个部分的影响。
构建非线性串扰模型如下：
（1）
其中，为功放输入信号，/>为非线性串扰耦合系数。
构建功放行为模型(MP模型)：
其中，是功放输入信号，/>是功放输出信号，/>是功放模型系数，/>是PA记忆深度，/>是PA非线性阶数。功放输出信号只受本支路输入信号的影响。
构建线性串扰模型：
其中，是线性串扰耦合系数，/>、/>表示电路板的热噪声，一般被认为是加性高斯白噪声(AWGN)。
步骤2、求解预失真系数和串扰系数的估计值/>、/>、/>、/>；
（1）输入信号至MIMO发射机，并单独激励各个功放，得到对应的离线输出信号/>、/>，然后使用最小二乘（LS）算法计算预失真系数，如下：
其中，，/>是PA1的DPD系数，/>是核函数矩阵，其中，/>是DPD记忆深度，/>是DPD非线性阶数，/>为信号个数，/>表示共轭转置，/>表示求逆；
其中，，/>是PA2的DPD系数，/>是核函数矩阵，其中；
该步骤（1）中，先用单独激励PA1，同时保持PA2处于关闭状态，这样就可以得到训练信号/>，并根据上式计算预失真系数/>。预失真系数/>类似可得。
（2）在MIMO发射机正常工作状态下，输入信号至MIMO发射机，得到功放的输出信号/>和天线发射信号（MIMO输出端信号）/>。
该步骤（2）中，用同时激励两个功放，利用反馈抽头测量可得到和/>。
（3）根据功放输出信号和天线发射信号/>并利用最小均方（LMS）算法估计线性串扰系数/>、/>。具体如下：
（a）输入、/>，/>取值为1或2；当/>取值为1时，下述j取值为2，求取的是/>；当/>取值为2时，下述j取值为1，求取的是/>；
（b）设置初值、/>、/>，其中，/>是步长参量，/>是循环次数，/>表示第/>次迭代的线性串扰系数的估计值；
（c）重复以下步骤；
（d）更新循环次数；
（e）计算第n次迭代的误差参量，其中，，/>，/>，；
（f）更新；
（g）循环停止直至误差小于设定阈值；
（h）输出。
（4）重复以下步骤。
（5）根据功放输出、预失真系数/>和功放输出/>、预失真系数/>，并利用下述公式得到功放输入信号/>；
其中，是PA1的预失真系数，是PA2的预失真系数。
（6）利用LMS算法根据输入信号，以及步骤（5）得到的功放输入信号估计非线性串扰系数/>、/>。具体如下：
（a）输入、/>，/>取值为1或2；当/>取值为1时，下述j取值为2，求取的是/>；当/>取值为2时，下述j取值为1，求取的是/>；
（b）设置初值、/>、/>，其中，/>是步长参量，/>是循环次数，/>表示第/>次迭代的线性串扰系数的估计值；
（c）重复以下步骤；
（d）更新循环次数；
（e）计算第n次迭代的误差参量，其中，，/>，/>，；
（f）更新；
（g）循环停止直至误差小于设定阈值；
（h）输出。
（7）使用公式（1）更新功放输入，根据该更新后的功放输入以及测得的功放输出/>，并利用步骤（1）中的公式更新预失真系数/>、/>。
（8）循环停止直至误差小于设定阈值。
（9）输出串扰系数、/>、/>、/>和预失真系数/>、/>。
已有的预失真模型忽略掉功放的非线性，使用输出信号代替功放的输入信号/>进行非线性串扰估计。由于功放的非线性，此串扰系数显然具有较大的系统误差。本发明通过/>、/>和/>、/>去估计/>，然后/>用LMS算法进行求解。此外，迭代并更新/>和/>、/>，这样前向过程的矩阵乘法和后向过程的LMS的过程可以减小误差。最终输出的串扰系数足够精确，表明此时的串扰消除模块可以近乎完全的消除串扰。
综上，本发明的关键在于，本发明在考虑非线性串扰的同时引入了线性串扰，从而构建出了新的数字预失真系统，该数字预失真系统输入的信号在送入MIMO发射机之前依次经过线性串扰消除模块、单输入单输出数字预失真模块、非线性串扰消除模块，从而提高了数字预失真处理的性能和效果。而且本发明将一个复杂的系统拆分为三个较为独立且简单的模块进行处理，实现更加简单。此外，本发明在求解串扰系数和预失真系数的过程中提出了一种新的离线方法去设置初值，并结合LMS算法降低估计误差，提高了所求解的串扰系数和预失真系数的准确度，使得构建的数字预失真系统具备更好的线性化性能和更低的复杂度。
以上所述，仅是本发明实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (1)
1.一种用于MIMO发射机的双重串扰消除数字预失真系统，其特征在于：包括线性串扰消除模块、单输入单输出数字预失真模块、非线性串扰消除模块、MIMO发射机和系数离线求取模块；所述线性串扰消除模块的输出连接单输入单输出数字预失真模块，所述单输入单输出数字预失真模块的输出连接非线性串扰消除模块的输入，所述非线性串扰消除模块的输出连接MIMO发射机的输入；所述系数离线求取模块用于估计预失真系数和串扰系数，并供线性串扰消除模块、单输入单输出数字预失真模块、非线性串扰消除模块使用；
原始信号输入输入线性串扰消除模块中，得到消除线性串扰后的信号：
其中，为线性串扰系数估计值；
消除线性串扰后的信号输入单输入单输出数字预失真模块中，得到预失真处理后的信号/>：
其中，是PA1的预失真系数，是PA2的预失真系数，/>是DPD记忆深度，/>是DPD非线性阶数；
预失真处理后的信号输入非线性串扰消除模块中，得到消除非线性串扰后的信号/>：
其中，为非线性串扰系数估计值；
消除非线性串扰后的信号输入MIMO发射机中，MIMO发射机输出端输出的信号为/>；
所述系数离线求取模块获取预失真系数和串扰系数的估计值/>、/>、/>、/>的过程具体如下：
步骤1、MIMO发射机建模；
在进行数字预失真补偿前，MIMO发射机的输入初始值为原始信号，天线发射信号即输出为/>，中间经历了非线性串扰、功放非线性和线性串扰三个部分的影响；
构建非线性串扰模型如下：
(1)
其中，为功放输入信号，/>为非线性串扰耦合系数；
构建功放行为模型：
其中，是功放输入信号，/>是功放输出信号，/>是功放模型系数，/>是PA记忆深度，/>是PA非线性阶数；功放输出信号只受本支路输入信号的影响；
构建线性串扰模型：
其中，是线性串扰耦合系数，/>、/>表示电路板的热噪声；
步骤2、求解预失真系数和串扰系数的估计值/>、/>、/>、/>；
（1）输入信号至MIMO发射机，并单独激励各个功放，得到对应的离线输出信号/>、/>，然后使用LS算法计算预失真系数，如下：
其中，，/>是PA1的预失真系数，/>是核函数矩阵，其中，/>是DPD记忆深度，/>是DPD非线性阶数，/>为信号个数，/>表示共轭转置，/>表示求逆；
其中，，/>是PA2的预失真系数，/>是核函数矩阵，其中；
（2）在MIMO发射机正常工作状态下，输入信号至MIMO发射机，得到功放的输出信号/>和天线发射信号/>；
（3）根据功放输出信号和天线发射信号/>并利用LMS算法估计线性串扰系数/>、/>；
（4）重复以下步骤；
（5）根据功放输出、预失真系数/>和功放输出/>、预失真系数/>，并利用下述公式得到功放输入信号/>；
其中，是PA1的预失真系数，是PA2的预失真系数；
（6）利用LMS算法根据输入信号，以及步骤（5）得到的功放输入信号估计非线性串扰系数/>、/>；
（7）使用公式（1）更新功放输入，根据该更新后的功放输入以及测得的功放输出/>，并利用步骤（1）的公式更新预失真系数/>；
（8）循环停止直至误差小于设定阈值；
（9）输出串扰系数估计值、/>、/>、/>和预失真系数/>；
所述步骤（3），利用LMS算法估计线性串扰系数、/>具体如下：
（a）输入、/>，/>取值为1或2；当/>取值为1时，下述j取值为2，求取的是/>；当/>取值为2时，下述j取值为1，求取的是/>；
（b）设置初值、/>、/>，其中，/>是步长参量，/>是循环次数，表示第/>次迭代的线性串扰系数的估计值；
（c）重复以下步骤；
（d）更新循环次数；
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（f）更新；
（g）循环停止直至误差小于设定阈值；
（h）输出；
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（a）输入、/>，/>取值为1或2；当/>取值为1时，下述j取值为2，求取的是/>；当/>取值为2时，下述j取值为1，求取的是/>；
（b）设置初值、/>、/>，其中，/>是步长参量，/>是循环次数，表示第/>次迭代的线性串扰系数的估计值；
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（g）循环停止直至误差小于设定阈值；
（h）输出。
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