CN104363191B - 一种跳频通信系统的数字预失真方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于跳频通信系统可靠性技术领域，公开了一种跳频通信系统的数字预失真方法。其具体步骤为：得出数字预失真器功能函数的表达式中与第i个频点第j个温度值对应的多项式系数，用x(n)表示数字预失真器n时刻的输入信号；得出简化后的数字预失真器功能函数的表达式，数字预失真器根据当前时刻接收的信号、以及当前时刻的前Q‑1时刻接收的信号，在所述查找表中获取每个信号多项式的取值；然后计算出数字预失真器功能函数F[x(n)]的值，根据数字预失真器功能函数F[x(n)]的值，完成跳频通信系统中射频功率放大器的线性化处理。

Description

一种跳频通信系统的数字预失真方法

技术领域

本发明属于跳频通信系统可靠性技术领域，特别涉及一种跳频通信系统的数字预失真方法，解决了跳频通信系统的线性问题，旨在通过自适应调整多项式预失真器的系数来减少非线性失真，降低误码率。

背景技术

在跳频通信系统中，为了提高输出功率和效率，射频功率放大器(简称射频功放)通常工作在非线性区，不可避免地会产生三阶以及五阶互调分量，出现较强的非线性。线性化技术是解决射频功率放大器非线性问题的一种有效途径，线性化技术主要分为两大类：模拟法和数字法。模拟法有模拟预失真方法、反馈方法、非线性部件实现线性化(LINC)等；数字法有数字基带预失真方法。模拟法尽管能够实现捷变频(频率捷变)功能，但由于受到器件带宽的限制，很难实现宽带线性化，因而不适用于宽带跳频通信系统；具体来说，在现有的模拟线性化技术中，由于主要依靠硬件如二极管、电桥、电阻、电容、电感等实现，在跳频时，能够实现预失真功能，但线性化的效果不好；且这些器件本身的工作带宽有限，无法实现宽带通信。现有的数字基带预失真法对硬件需求简单，能够实现宽带性能，但由于算法复杂且收敛时间较长，不易实现捷变频功能。具体地说，现有的数字预失真技术如查表法、记忆多项式法采用实时处理，需要足够多的训练样本和足够长的训练处理时间才能达到较好的训练效果。虽然可以通过采用高性能的FPGA、DSP等处理芯片来减少训练和处理时间，但在宽带跳频通信系统中，这个训练时间相对于跳频通信时间来说也相当长，在通信结束时，可能预失真效果还没有达到，因此无法满足宽频带跳频通信系统需求。

在跳频通信系统中，发射机的频率按照一定规则在不断变化，同时由于跳频通信系统的射频功放为了提高效率和功率而产生因三阶、五阶互调导致的信号失真，模拟的线性化技术和常见的数字预失真技术无法完成跳频通信系统的线性化。

发明内容

本发明的目的在于提出一种跳频通信系统的数字预失真方法，本发明将预失真训练所得的基于频点和温度信息的预失真多项式的系数以表的方式存储起来；实际使用时不进行实时预失真训练，在指定频点和温度信息时，以输入信号的幅度采用查找表的方式找出对应的多项式系数，将输入信号和多项式系数进行乘法累加和作为预失真信号，从完成线性化；有效节省了乘法器资源、减少预失真处理的时间、降低布局布线的难度，满足宽带跳频系统的线性化需要。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种跳频通信系统的数字预失真方法包括以下步骤：

步骤1，利用数字预失真器接收外部的信号，得出数字预失真器功能函数的表达式，得出数字预失真器功能函数的表达式中与第i个频点第j个温度值对应的多项式系数，i＝1,2…I,I为频点总数，j＝1,2…m，m为温度值的总数；将得出的每个多项式系数存入查找表中；

步骤2，用x(n)表示数字预失真器n时刻的输入信号，n表示离散时间变量；对数字预失真器功能函数F[x(n)]的表达式进行简化，得出简化后的数字预失真器功能函数F[x(n)]的表达式：

F[x(n)]＝x(n)f₀(|x(n)|)+x(n-1)f₁(|x(n-1)|)+…x(n-Q+1)f_Q-1(|x(n-Q+1)|)其中，x(n-q)表示数字预失真器n-q时刻的输入信号，q＝0,1,2,…,Q-1，Q表示跳频通信系统中射频功率放大器记忆的深度； f_q(|x(n-q)|)＝[a_ij1q+a_ij3q|x(n-q)|¹+…a_ijKq|x(n-q)|^K-1]，a_ijkq表示与k、q、第i个频点以及第j个温度值对应的多项式系数，k＝1,3,…K，K为奇数且K表示跳频通信系统中射频功率放大器的非线性阶数；

数字预失真器根据当前时刻接收的信号、以及当前时刻的前Q-1时刻接收的信号，在所述查找表中获取每个信号多项式的取值；然后根据每个信号多项式的取值，计算出数字预失真器功能函数F[x(n)]的值，根据数字预失真器功能函数F[x(n)]的值，完成跳频通信系统中射频功率放大器的线性化处理。

本发明的有益效果为：1)能够快速实现跳频通信系统的线性化；2).由于采用了查找表，需要硬件资源少，快速实时地得到预失真。

附图说明

图1为现有技术中直接自适应数字预失真方法的原理框图；

图2为现有技术中间接自适应数字预失真方法的原理框图；

图3为本发明采用的自适应预失真方案的原理框图；

图4为本发明的数字预失真结构算法的原理图；

图5为通过查找表得出数字预失真器功能函数的原理示意图。

具体实施方式

为了清楚的阐述本发明的技术方案，这里对自适应数字预失真进行说明。在实际应用过程中，预失真技术存在着下列不稳定因素：由于温度变化、器件老化等引起功放特性变化以及偏压、信道改变、输入功率变化和元件参数漂移等，使预期的非线性产生很大的变化；器件的微波参数产生变化，引起主链路相位的变化，使预失真失效。这些影响在宽频带(频率带宽大于1个倍频程)工作时表现特别明显，原因在于激励功率的随机性和信号峰均比的随机变化对补偿产生影响；激励信号频谱分布的随机变化会引起补偿产生变化。以上诸多因素的建模和分析比较困难，导致预失真技术的应用受到限制， 因此自适应预失真技术就显得更为实用。

自适应是指在环境统计特性未知或变化的情况下调整系统参数，使之保持“最佳”工作，自适应和最优化有密切的关系。目前主要存在以下两种自适应数字预失真方法：直接自适应数字预失真方法和间接自适应数字预失真方法。

参照图1，为直接自适应数字预失真方法的原理框图。对于直接自适应数字预失真方法，预失真器n时刻的输入信号表示为x(n)，n表示离散时间变量。预失真器的传递函数表示为F(·)，预失真器n时刻的输出信号表示为u(n)，预失真器的输出信号经射频功率放大器(PA)进行放大后向外输出，射频功率放大器n时刻的输出信号表示为y₀(n)，射频功率放大器的功放增益表示为G，射频功率放大器n时刻的期望响应表示为d(n)。e(n)＝d(n)-y₀(n)，e(n)用于自适应调整预失真器系数。如果直接自适应数字预失真方法/算法收敛于e(n)＝0，则射频功率放大器n时刻的输出信号y₀(n)为y₀(n)＝G·x(n)。

参照图2，为间接自适应数字预失真方法的原理框图。对于间接自适应数字预失真方法，预失真器n时刻的输入信号表示为x(n)，n表示离散时间变量。预失真器n时刻的输出信号表示为u(n)，预失真器的输出信号经射频功率放大器(PA)进行放大后向外输出。射频功率放大器n时刻的输出信号表示为y₀(n)，射频功率放大器n时刻的输出信号y₀(n)经尺度变换后输入至预失真器训练网络中，射频功率放大器n时刻的输出信号y₀(n)经尺度变换变为y(n)， y(n)＝y₀(n)/G，G表示尺度变换系数。预失真器训练网络n时刻的输出信号表示为预失真器训练网络n时刻的输出信号与预失真器n时刻的输出信号u(n)作比较后，得到误差e(n)，误差e(n)输入至预失真器训练网络中，用于自适应调整预失真器训练网络。如果算法收敛，则预失真器训练网络n时刻的输出信号与预失真器n时刻的输出信号趋近相同，即那么预失真器n时刻的输入信号与对射频功率放大器n时刻的输出信号作尺度变换后的信号也将一致，有x(n)＝y₀(n)/G，此时，射频功率放大器的非线性被消除掉。在本发明实施例中，采用间接自适应数字预失真方法。

下面结合附图对本发明作进一步说明：

参照图3，为本发明采用的自适应预失真方案的原理框图。参照图4，为本发明的数字预失真结构算法的原理图。本发明的一种跳频通信系统的数字预失真方法包括以下步骤：

步骤1，利用数字预失真器接收外部的信号，得出数字预失真器功能函数的表达式，得出数字预失真器功能函数的表达式中与第i个频点第j个温度值对应的多项式系数，i＝1,2…I,I为频点总数，j＝1,2…m，m为温度值的总数；将得出的每个多项式系数存入查找表中。

具体地说，数字预失真器功能函数的表达式为：

其中，a_ijkq表示与k、q、第i个频点以及第j个温度值对应的多项式系数；i＝1,2…I，I为频点总数；j＝1,2…m，m为温度值的总数；k＝1,3,…K，K为奇数且K表示跳频通信系统中射频功率放大器(在图3中以功放表示，在图4中以PA表示)的非线性阶数；q＝0,1,2,…,Q-1，Q表示跳频通信系统中射频功率放大器记忆的深度。x(n)表示数字预失真器(在图3中表现为数字基带预失真器)n时刻的输入信号，n表示离散时间变量；|·|表示取模值。

本发明实施例中，得出与k、q、第i个频点以及第j个温度值对应的多项式系数a_ijkq的过程包括如下子步骤：

(1.1)用z(n)表示跳频通信系统的射频功率放大器n时刻的输入信号，z(n)＝F[x(n)]，F[x(n)]为数字预失真器n时刻的功能函数；例如，将数字预失真器n时刻的输出信号表示为u(n)，u(n)依次经数模转换和数字上变频处理后转变为z(n)(在图3中通过射频处理模块实现)。

射频功率放大器对z(n)进行放大处理，射频功率放大器n时刻的输出信号表示为y₀(n)；对射频功率放大器n时刻的输出信号y₀(n)依次进行耦合、下变频和模数转换(在图3中通过耦合器和射频处理模块实现，在图4中通过延时调整实现)，得出n时刻基带信号y(n)；在图3中，y(n)作为预失真训练网络的输入信号，在图4中，y(n)作为参数估计的输入信号，图4中，参数估计模块用于得出多项式系数。

建立使跳频通信系统中射频功率放大器达到线性放大的预失真器训练网络模型， 跳频通信系统中射频功率放大器达到线性放大时，应满足F[x(n)]＝F[y(n)]，则所述使跳频通信系统中射频功率放大 器达到线性放大的预失真训练网络模型为：

F[x(n)]＝F[y(n)]

其中，

其中，F[x(n)]表示数字预失真器功能函数；

(1.2)分别将u_ijkq(n)、U、A以及Z定义如下：

u_ijkq(n)＝y(n-q)|y(n-q)|^k-1

U＝[u_ijkq(0),u_ijkq(1),u_ijkq(2)…u_ijkq(L-1)]^H

A＝[a₁₁₁₀,a₁₁₃₀...a_11K0,a₁₁₁₁,a₁₁₃₁...a_11K1...

a_11K(Q-1),a₁₂₁₀...a_12K(Q-1)...a_1mK(Q-1),a₂₁₁₀...a_2mK(Q-1)...a_ImK(Q-1)]

Z＝[z(0),z(1),z(2),…,z(L-1)]

其中，上标H表示共轭转置，L为整数且L表示对y₀(n)进行耦合时的抽样点数；U为L×1维的列向量，A为维的行向量。

则所述使跳频通信系统中射频功率放大器达到线性放大的预失真训练网络模型变为：

Z＝UA

在上式的两边乘以U^H，得：

U^HZ＝U^HUA

其中，上标H表示共轭转置，上式的左右两边都表示阶的线性系统，因此，本发明实施例中，采用最小均方误差算法(LMS算法)得出数字预失真器功能函数中的每个多项式系数，每个多项式系数可以实时更新，根据非线性阶数以及记忆深度确定乘法运算的次数；对于一个考虑五阶非线性和记忆深度为2的记忆多项式需要做3次乘法运算。

在子步骤(1.2)中，最小均方误差算法采用的基本公式为：

其中，W(n)＝A，上标T表示矩阵或向量的转置，W(n)为维的行向量；μ为设定的系数，表示平方误差的瞬时梯度，上标2表示取平方运算。e(n)表示z(n)期望信号之间的误差信号，e(n)的表达式为：

e(n)＝z(n)-W^T(n)Y(n)

其中，

Y(n)＝[y(n),y(n-1),…,y(n-Q),

y(n)³,y(n-1)³,…,y(n-Q)³,…,y(n)^K,y(n-1)^K,…,y(n-Q)^K]

则平方误差的瞬时梯度为：

则有：W(n+1)＝W(n)-μ[Y(n)e(n)]。

在子步骤(1.2)中，采用LMS算法得出多项式系数a_ijkq的过程包括如下子步骤：

a)初始化设置W(n)，设n＝0,1,2...N-1，N为设定的大于1的自然数；设W(n)中每个元素为任意值，例如，将W(n)中的每个元素设为0,；

b)令i'为小于或等于n的整数，计算跳频通信系统的射频功率放大器n时刻的输入信号z(n)：

c)计算误差信号e(n)：

e(n)＝z(n)-y(n)

d)判断e(n)的模值是否大于设定阈值，如果e(n)的模值小于或等于设定阈值(即e(n)的模值在可接受范围之内)，则根据W(n)中的每个元素，得出数字预失真器功能函数中的每个多项式系数；反之，如果e(n)的模值大于设定阈值，则计算出W(n+1)：

W(n+1)＝W(n)+μe(n)x(n)

在计算出W(n+1)之后，令n的值自增1，返回至子步骤b)。

在得出数字预失真器功能函数中的每个多项式系数之后，将得出的每个多项式系数存入查找表中。

步骤2，如果根据数字预失真器功能函数中的每个多项式系数、以及数字预失真器功能函数的表达式，来直接计算数字预失真器功能函数F[x(n)]，则需要耗费较多的硬件资源，且不能实时快速得到预失真值。

因此把数字预失真器功能函数F[x(n)]的表达式展开，得出

令f_q(|x(n-q)|)＝[a_ij1q+a_ij3q|x(n-q)|¹+…a_ijKq|x(n-q)|^K-1]，q＝0,1,2,…,Q-1，Q表示跳频通信系统中射频功率放大器记忆的深度。f_q(|x(n-q)|)表示第q个 信号多项式；然后根据f_q(|x(n-q)|)的表达式，对数字预失真器功能函数F[x(n)]的表达式进行简化，得出简化后的数字预失真器功能函数F[x(n)]的表达式：

F[x(n)]＝x(n)f₀(|x(n)|)+x(n-1)f₁(|x(n-1)|)+…x(n-Q+1)f_Q-1(|x(n-Q+1)|)

对于每个n的取值和每个q的取值，得出f_q(|x(n-q)|)的值，将f_q(|x(n-q)|)的值、以及f_q(|x(n-q)|)与x(n-q)的对应关系存入查找表中。

数字预失真器根据当前时刻接收的信号、以及当前时刻的前Q-1时刻接收的信号，以当前时刻接收的信号前Q-1时刻接收的信号的幅度为索引(地址索引)，在所述查找表中获取每个信号多项式的取值，并更新查找表中的所有内容；然后根据每个信号多项式的取值，计算出数字预失真器功能函数F[x(n)]的值(预失真值)，根据数字预失真器功能函数F[x(n)]的值，完成跳频通信系统中射频功率放大器的线性化处理。参照图5，为通过查找表得出数字预失真器功能函数的原理示意图。在完成跳频通信系统中射频功率放大器的线性化处理之后，射频功率放大器n时刻的输出信号y₀(n)应为数字预失真器n时刻的输入信号x(n)的整数倍。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种跳频通信系统的数字预失真方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，利用数字预失真器接收外部的信号，得出数字预失真器功能函数的表达式，得出数字预失真器功能函数的表达式中与第i个频点第j个温度值对应的多项式系数，i＝1，2…I，I为频点总数，j＝1，2…m，m为温度值的总数；将得出的每个多项式系数存入查找表中；

在步骤1中，得出与k、q、第i个频点以及第j个温度值对应的多项式系数a_ijkq的过程包括如下子步骤：

(1.1)用z(n)表示跳频通信系统的射频功率放大器n时刻的输入信号，z(n)＝F[x(n)]；射频功率放大器对z(n)进行放大处理，射频功率放大器n时刻的输出信号表示为y₀(n)；对射频功率放大器n时刻的输出信号y₀(n)依次进行耦合、下变频和模数转换，得出n时刻基带信号y(n)；

建立使跳频通信系统中射频功率放大器达到线性放大的预失真器训练网络模型，所述使跳频通信系统中射频功率放大器达到线性放大的预失真训练网络模型为：

F[x(n)]＝F[y(n)]

其中，

(1.2)分别将u_ijkq(n)、U、A以及Z定义如下：

u_ijkq(n)＝y(n-q)|y(n-q)|^k-1

U＝[u_ijkq(0)，u_ijkq(1)，u_ijkq(2)…u_ijkq(L-1)]^H

A＝[a₁₁₁₀，a₁₁₃₀...a_11K0，a₁₁₁₁，a₁₁₃₁...a_11K1...a_11K(Q-1)，a₁₂₁₀...a_12K(Q-1)...a_1mK(Q-1)，a₂₁₁₀...a_2mK(Q-1)...a_ImK(Q-1)]

Z＝[z(0)，z(1)，z(2)，…，z(L-1)]

其中，上标H表示共轭转置，L为整数且L表示对y₀(n)进行耦合时的抽样点数；U为L×1维的列向量，A为维的行向量；

则所述使跳频通信系统中射频功率放大器达到线性放大的预失真训练网络模型变为：

Z＝UA

在上式的两边乘以U^H，得：

U^HZ＝U^HUA

然后采用最小均方误差算法得出数字预失真器功能函数中与k、q、第i个频点以及第j个温度值对应的多项式系数a_ijkq；

步骤2，用x(n)表示数字预失真器n时刻的输入信号，n表示离散时间变量；对数字预失真器功能函数F[x(n)]的表达式进行简化，得出简化后的数字预失真器功能函数F[x(n)]的表达式：

F[x(n)]＝x(n)f₀(|x(n)|)+x(n-1)f₁(|x(n-1)|)+…x(n-Q+1)f_Q-1(|x(n-Q+1)|)

其中，x(n-q)表示数字预失真器n-q时刻的输入信号，q＝0，1，2，…，Q-1，Q表示跳频通信系统中射频功率放大器记忆的深度；f_q(|x(n-q)|)＝[a_ij1q+a_ij3q|x(n-q)|¹+…a_ijKq|x(n-q)|^K-1]，a_ijkq表示与k、q、第i个频点以及第j个温度值对应的多项式系数，k＝1，3，…K，K为奇数且K表示跳频通信系统中射频功率放大器的非线性阶数；

数字预失真器根据当前时刻接收的信号、以及当前时刻的前Q-1时刻接收的信号，在所述查找表中获取每个信号多项式的取值；然后根据每个信号多项式的取值，计算出数字预失真器功能函数F[x(n)]的值，根据数字预失真器功能函数F[x(n)]的值，完成跳频通信系统中射频功率放大器的线性化处理。

2.如权利要求1所述的一种跳频通信系统的数字预失真方法，其特征在于，在步骤1中，数字预失真器功能函数的表达式为：

3.如权利要求1所述的一种跳频通信系统的数字预失真方法，其特征在于，在步骤1中，在子步骤(1.2)中，采用最小均方误差算法得出多项式系数a_ijkq的过程包括如下子步骤：

a)设n＝0，1，2...N-1，初始化设置W(n)，N为设定的大于1的自然数；设W(n)中每个元素为任意值；

b)令i′为小于或等于n的整数，计算跳频通信系统的射频功率放大器n时刻的输入信号z(n)：

c)计算误差信号e(n)：

e(n)＝z(n)-y(n)

d)判断e(n)的模值是否大于设定阈值，如果e(n)的模值小于或等于设定阈值，则根据W(n)中的每个元素，得出数字预失真器功能函数中的每个多项式系数；反之，如果e(n)的模值大于设定阈值，则计算出W(n+1)：

W(n+1)＝W(n)+μe(n)x(n)

在计算出W(n+1)之后，令n的值自增1，返回至子步骤b)。