基于带限的简化非线性滤波器的数字预失真装置及方法与流程

本发明涉及无线通信技术领域，尤其是一种基于带限的简化非线性滤波器的数字预失真装置及方法。

背景技术：

随着第四代移动通信系统的广泛应用，第五代移动通信技术的研究深入，通信系统的数据流量日益增加，为了提高频谱利用率，系统中传输的基带信号的带宽在变大，复杂的调制方式导致信号峰均比在变高。宽带的高峰均比基带信号对射频功率放大器的线性度要求很高。

高速DAC和ADC会增加系统功耗和成本，这已经成为目前数字预失真技术发展的瓶颈。而如何采用低速DAC和ADC来实现更宽信号带宽的数字预失真，也正成为当前数字预失真技术的研究热点和发展趋势。

2012年，Chao Yu在IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques上发表的《Band-Limited Volterra Series-Based Digital Predistortion for Wideband RF Power Amplifiers》，介绍了带限的方法去降低ADC的采样率，并用2阶DDR的Volterra级数模型作为功率放大器的行为模型进行仿真，但本方法存在2阶DDR模型含高阶项复杂的缺点。

射频功放的输出一般用一个模拟带通滤波器将输出信号的带宽限制在有用的频带范围内，以降低ADC的采样率。但经过滤波器产生的不完整的反馈信号会降低传统数字预失真的线性化能力。为了解决这个问题，带限数字预失真是一个有效实用的方法，又因为数字预失真处理的是基带信号的特点，所以射频带通滤波器一般用在模数转换后加低通滤波器替代。

非线性滤波模型是一种描述非线性系统的非线性传递函数模型，是由一组线性滤波器和一系列非线性参数组成的一个滤波网络。Batruni R G.在专利Model Based Distortion for Power Amplifiers.US，12/218032，2008中提出了对非线性滤波函数的简化。简化后的函数没有高阶项，适合用FPGA实现。但函数本身并不适合宽带信号下处理功放线性化问题。

技术实现要素：

发明目的：针对宽带信号造成模数转换器采样频率过高的问题，以及Volterra级数模型行为模型复杂的不足，本发明提供了基于带限的简化非线性滤波器的数字预失真装置及方法，本发明利用带限的方法，有效降低了模数转换器的采样频率。同时低通FIR滤波器和简化的非线性滤波函数组合成的模型结构简单，复杂度低，能很好的补偿功率放大器的复杂的非线性特性和记忆效应。

为解实现上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

基于带限的简化非线性滤波器的数字预失真装置，该装置包括：由数字预失真器、数模转换器、宽带正交调制器、功率放大器、模拟带通滤波器、衰减耦合器、宽带正交解调器、模数转换器、数字低通滤波器和预失真模型训练模块依次串联形成的环路；其中：

数字预失真器基于带限的简化非线性滤波函数的预失真模型对输入的数字基带输入信号和预失真模型训练模块输出的模型参数进行预失真处理，向数模转换器输出预失真处理后的信号；预失真处理后的信号依次经过数模转换器进行数模转换、宽带正交调制器进行正交调制、功率放大器进行功率放大后得到模拟射频信号；

模拟射频信号依次经过模拟带通滤波器进行带通滤波、衰减耦合器进行功率耦合、宽带正交解调器进行正交解调、模数转换器进行低采样频率的模数转换、低通滤波器进行低通滤波后，得到带限的数字基带信号并传递给预失真模型训练模块；

预失真模型训练模块根据数字基带信号和带限的数字基带信号对预失真模型的参数进行训练，并将训练得到的模型参数传递给数字预失真器；

衰减耦合器的输出信号即为所述基于带限的简化非线性滤波器的数字预失真装置的输出信号；

所述预失真模型为：

其中，表示为数字基带输入信号在采样时刻n的复数包络数据；表示衰减耦合器的输出信号经宽带正交解调器、模数转换器和数字低通滤波器后在采样时刻n的带限的复数包络数据；表示数字低通滤波器的系数矢量；M表示预失真模型的记忆深度；J表示预失真模型的门限数；K表示数字低通滤波器的阶数；β_j表示第j个门限的分段点值；c_m，j表示预失真模型的参数，m∈[0，1，…，M]。

本发明还提出基于带限的简化非线性滤波器的数字预失真方法，该方法包括步骤：

(1)构建如权利要求1所述的基于带限的简化非线性滤波器的数字预失真装置；

(2)在当前采样时刻n，通过数字预失真器基于带限的简化非线性滤波函数的预失真模型对数字基带输入信号进行数字预失真处理，得到处理后的信号

(3)通过数模转换器、宽带正交调制器和功率放大器对依次进行数模转换、正交调制和功率放大处理后，得到模拟射频信号；

(4)通过模拟带通滤波器、衰减耦合器、宽带正交解调器、模数转换器和数字低通滤波器对模拟射频信号依次进行模拟带通滤波、功率耦合、正交解调、低采样频率的模数转换和低通滤波处理后，得到带限的数字基带信号

(5)预失真模型训练模块据门限值β_j、模型的记忆深度M、数字低通滤波器的阶数K，利用最小二乘算法对数字基带输入信号和带限的数字基带信号进行参数训练，计算在下一采样时刻n+1的预失真模型参数，并将计算得到的n+1的预失真模型参数上传给数字预失真器；

(6)判断是否满足n≥n_max，n_max为预设的最大迭代次数；若满足n≥n_max，则停止迭代；否则，令n＝n+1，返回步骤(2)。

进一步的，所述各门限的分段点值在0到1之间均匀分布，β_j＝(j-1)/J。

进一步的，所述预失真模型的记忆深度M和预失真模型的门限数J满足：M≤3，J≤10。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)通过将输出信号经过低通滤波器，实现带限的功能，可以起到降低模拟数字转换器采样频率的作用，降低系统的实现难度。

2)避免了Volterra级数模型的复杂高阶运算，减少了乘法器的使用数量，降低了数字信号处理的复杂度。

3)由于使用带限的方法将模拟数字转换器的采样频率降低，从而也减少了实现预失真时数据的处理量，减少了建模时间。

附图说明

图1是本发明基于带限的简化非线性滤波器的数字预失真装置的结构示意图；

图2是本发明的数字预失真模型建模的流程图；

图3是本发明的在模数转换器采样频率200MHz，带限的简化非线性滤波方法下，数字预失真后的功率谱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1所示为本发明提出的基于带限的简化非线性滤波器的数字预失真装置的结构示意图，包括基于带限的简化非线性滤波函数的预失真模型的数字预失真器、模拟带通滤波器、低通滤波器、低采样频率模数转换器、数模转换器、宽带正交调制器、功率放大器、衰减耦合器、宽带正交解调器和预失真模型训练模块，其中：

所述数字预失真器输入端外接数字基带输入信号和预失真模型训练模块训练得到的模型参数；所述数字预失真器将数字基带信号和模型参数输入到带限的简化非线性滤波函数的预失真模型得到预失真处理后的输出信号信号依次经过数模转换器后生成输入基带I/Q信号，输入基带I/Q信号通过宽带正交调制器正交调制后输入功率放大器，功率放大器输出功放输出模拟射频信号经模拟带通滤波器、衰减耦合器功率耦合和宽带正交解调器正交解调成输出基带I/Q信号，输出基带I/Q信号通过低采样频率的模数转换器和低通滤波器后生成带限的数字基带输出信号。

所述预失真模型训练模块根据数字基带输入信号和带限的数字基带输出信号对带限的简化非线性滤波模型的参数进行训练，并将训练得到的模型参数推送给数字预失真器。

本发明还提出基于带限的简化非线性滤波器的数字预失真方法，该方法包括步骤：

(1)构建如权利要求1所述的基于带限的简化非线性滤波器的数字预失真装置；

(2)在当前采样时刻n，通过数字预失真器基于带限的简化非线性滤波函数的预失真模型对数字基带输入信号进行数字预失真处理，得到处理后的信号

(3)通过数模转换器、宽带正交调制器和功率放大器对依次进行数模转换、正交调制和功率放大处理后，得到模拟射频信号；

(4)通过模拟带通滤波器、衰减耦合器、宽带正交解调器、模数转换器和数字低通滤波器对模拟射频信号依次进行模拟带通滤波、功率耦合、正交解调、低采样频率的模数转换和低通滤波处理后，得到带限的数字基带信号

(5)预失真模型训练模块据门限值β_j、模型的记忆深度M、数字低通滤波器的阶数K，利用最小二乘算法对数字基带输入信号和带限的数字基带信号进行参数训练，计算在下一采样时刻n+1的预失真模型参数，并将计算得到的n+1的预失真模型参数上传给数字预失真器；

(6)判断是否满足n≥n_max，n_max为预设的最大迭代次数；若满足n≥n_max，则停止迭代；否则，令n＝n+1，返回步骤(2)。

上述技术方案中基于带限的简化非线性滤波函数的模型的建模具体流程如图2所示，具体步骤如下：

1)获取模型训练的输入和输出数据，通常做归一化处理；

2)选择门限数J，门限值各点β_i，模型的记忆深度M，数字低通滤波器的阶数K。门限值β_j可以在0到1之间均匀分布，本实施例中取β_j＝(j-1)/J。

3)利用最小二乘法获得未知模型参数c_m，j。

下面以100MHz带宽的LTE-A信号输入一个2.55GHz射频功率放大器为例，功放输入输出数据同步采集后归一化处理。

模数转换器的采样频率为200MHz，简化的非线性滤波函数参数为J＝6，M＝3，β_j＝(j-1)/J时，带限的简化非线性滤波函数为模型的数字预失真信号经过功放后的频谱如图3所示，可以看出在采样频率只有信号带宽2倍的情况下，功放的线性度和记忆效应仍得到了很好的补偿。

由上述可知，本发明的功放数字预失真方法将带限的方法运用在简化的非线性滤波模型上，减少了模数转换器的采样频率，降低了数字预失真的实现成本与难度；同时避免了Volterra级数等模型中的复杂建模，降低数字信号处理的难度和复杂度，能很好的补偿功率放大器的复杂的非线性特性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。