基于分段线性函数的双频功放数字预失真装置及方法与流程

本发明涉及多频段功放的数字预失真领域，特别是涉及基于分段线性函数的双频功放数字预失真装置及方法。

背景技术：

近年来，移动通信技术飞速发展，第五代移动通信(5g)即将到来。5g时代，同时支持多标准、多频段的通信系统是研究的热点之一。功率放大器是通信系统最重要的组成部分，对于支持双频带或多频带的功率放大器的研究是通信技术领域的重要课题之一。在5g中，由于高达gbps量级的数据传输速率要求，功率放大器同样面临着功率效率的问题。为了提高功率放大器的传输效率，功率放大器需要工作在饱和区。然而，传统的功率放大器的效率和线性度相互矛盾，工作在饱和区的功率放大器会产生严重的非线性失真，具体表现为带内的失真、带外的频谱泄露和记忆效应。对于双频带或多频带的功率放大器，这种非线性还表现为不同频带的互调失真。在现代通信系统中，通常采用数字预失真技术解决功率放大器的效率和线性度间的矛盾。

高效的数字预失真方案需要合适的功率放大器模型。现有的功率放大器模型大多采用有记忆的volterra级数。对于双频段或多频段的功率放大器，由于不同频段的互调失真，需要将原有的单频带功率放大器模型加以改进，引入可以描述这种互调失真的交叉项，才能准确描述功率放大器的行为。现有的双频段的功率放大器模型大多基于简化的volterra多项式——记忆多项式(mp),这种模型有着可靠的建模精度，可以改善双频段功率放大器各频带的邻道功率泄露。但是，这种模型在描述互调失真时，引入了高阶乘方项，增加了模型的运算复杂度，使得模型在fpga上实现时，会占用大量的运算资源。因此，如何简化现有的双频段的功率放大器模型是当前研究的重要内容。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种基于分段线性函数的双频功放数字预失真装置及方法，能够极大地减少现有的双频段功率放大器行为模型运算复杂度，降低双频段功率放大器数字预失真系统的实现难度和消耗的运算资源。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的基于分段线性函数的双频功放数字预失真装置，包括：

第一数字预失真器：第一数字预失真器包含基于分段线性函数的预失真模型，第一频段的数字基带输入信号x1(n)输入第一数字预失真器，第一数字预失真器将自身的模型参数和第一频段的数字基带输入信号x1(n)输入到自身的预失真模型中，预失真模型输出第一预失真输出信号x1-pre(n)，第一预失真输出信号x1-pre(n)也作为第一数字预失真器的输出信号；

第二数字预失真器：第二数字预失真器包含基于分段线性函数的预失真模型，第二频段的数字基带输入信号x2(n)输入第二数字预失真器，第二数字预失真器将自身的模型参数和第二频段的数字基带输入信号x2(n)输入到自身的预失真模型中，预失真模型输出第二预失真输出信号x2-pre(n)，第二预失真输出信号x2-pre(n)也作为第二数字预失真器的输出信号；

第一数模转换器：第一预失真输出信号x1-pre(n)通过第一数模转换器进行数模转换，转换后的信号输入第一低通滤波器滤波处理；

第二数模转换器：第二预失真输出信号x2-pre(n)通过第二数模转换器进行数模转换，转换后的信号输入第二低通滤波器滤波处理；

第一低通滤波器：对第一数模转换器输出的信号进行滤波处理；

第二低通滤波器：对第二数模转换器输出的信号进行滤波处理；

第一调制器：第一低通滤波器输出的信号通过第一调制器进行调制；

第二调制器：第二低通滤波器输出的信号通过第一调制器进行调制；

第一功分器：第一调制器输出的信号与第二调制器输出的信号通过第一功分器合路为一个信号；

功率放大器：第一功分器合路后的信号通过功率放大器进行放大；

衰减耦合器：功率放大器放大后的信号输入衰减耦合器；

第二功分器：衰减耦合器的输出信号通过第二功分器分成两路信号，分别至第一带通滤波器和第二带通滤波器；

第一带通滤波器：第二功分器输出的第一路信号通过第一带通滤波器进行滤波；

第二带通滤波器：第二功分器输出的第二路信号通过第二带通滤波器进行滤波；

第一解调器：第一带通滤波器输出的信号通过第一解调器进行解调；

第二解调器：第二带通滤波器输出的信号通过第二解调器进行解调；

第三带通滤波器：第一解调器输出的信号通过第三带通滤波器进行滤波；

第四带通滤波器：第二解调器输出的信号通过第四带通滤波器进行滤波；

第一模数转换器：第三带通滤波器输出的信号通过第一模数转换器进行模数转换后得到第一路数字基带输出信号y1(n)；

第二模数转换器：第四带通滤波器输出的信号通过第二模数转换器进行模数转换后得到第二路数字基带输出信号y2(n)；

预失真训练模块：第一频段的数字基带输入信号x1(n)、第二频段的数字基带输入信号x2(n)、第一路数字基带输出信号y1(n)和第二路数字基带输出信号y2(n)均输入预失真训练模块，预失真训练模块对第一数字预失真器的模型参数和第二预失真器的模型参数进行训练，并将训练后的第一数字预失真器的模型参数复制到第一数字预失真器，将训练后的第二预失真器的模型参数复制到第二数字预失真器。

本发明所述的基于分段线性函数的双频功放数字预失真方法，包括以下步骤：

s1：第一数字预失真器包含基于分段线性函数的预失真模型，第一频段的数字基带输入信号x1(n)输入第一数字预失真器，第一数字预失真器将自身的模型参数和第一频段的数字基带输入信号x1(n)输入到自身的预失真模型中，预失真模型输出第一预失真输出信号x1-pre(n)，第一预失真输出信号x1-pre(n)也作为第一数字预失真器的输出信号；第二数字预失真器包含基于分段线性函数的预失真模型，第二频段的数字基带输入信号x2(n)输入第二数字预失真器，第二数字预失真器将自身的模型参数和第二频段的数字基带输入信号x2(n)输入到自身的预失真模型中，预失真模型输出第二预失真输出信号x2-pre(n)，第二预失真输出信号x2-pre(n)也作为第二数字预失真器的输出信号；

s2：第一预失真输出信号x1-pre(n)通过第一数模转换器进行数模转换，转换后的信号分别通过第一低通滤波器和第一调制器；第二预失真输出信号x2-pre(n)通过第二数模转换器进行数模转换，转换后的信号分别通过第二低通滤波器和第二调制器；

s3：第一调制器输出的信号与第二调制器输出的信号通过第一功分器合路为一个信号；

s4：第一功分器合路后的信号通过功率放大器进行放大；

s5：功率放大器放大后的信号输入衰减耦合器，衰减耦合器通过第二功分器输出两路信号分别至第一带通滤波器和第二带通滤波器；

s6：第二功分器输出的第一路信号通过第一带通滤波器进行滤波；第二功分器输出的第二路信号通过第二带通滤波器进行滤波；

s7：第一带通滤波器输出的信号通过第一解调器进行解调；第二带通滤波器输出的信号通过第二解调器进行解调；

s8：第一解调器输出的信号通过第三带通滤波器进行滤波；第二解调器输出的信号通过第四带通滤波器进行滤波；

s9：第三带通滤波器输出的信号通过第一模数转换器进行模数转换后得到第一路数字基带输出信号y1(n)；第四带通滤波器输出的信号通过第二模数转换器进行模数转换后得到第二路数字基带输出信号y2(n)；

s10：第一频段的数字基带输入信号x1(n)、第二频段的数字基带输入信号x2(n)、第一路数字基带输出信号y1(n)和第二路数字基带输出信号y2(n)均输入预失真训练模块，预失真训练模块对第一数字预失真器的模型参数和第二预失真器的模型参数进行训练，并将训练后的第一数字预失真器的模型参数复制到第一数字预失真器，将训练后的第二预失真器的模型参数复制到第二数字预失真器。

进一步，所述步骤s10中，预失真训练模块利用最小二乘法对第一数字预失真器的模型参数和第二预失真器的模型参数进行训练，计算不同模型参数下数字基带输入信号与数字基带输出信号的归一化均方误差，利用二分查找的方法获得归一化均方误差最小的交叉调制系数，从而得到训练后的第一数字预失真器的模型参数和训练后的第二预失真器的模型参数。

进一步，所述步骤s10中，预失真训练模块包含基于分段线性函数的双频预失真模型，基于分段线性函数的双频预失真模型如式(1)所示：

式(1)中，表示当功放记忆深度为m时，第k个第一数字预失真器的模型参数；表示当记忆深度为m时，第k个第二数字预失真器的模型参数；βk⁽¹⁾表示第一频段的门限的第k个分段点；βk⁽²⁾表示第二频段的门限的第k个分段点；表示第k+1个第一频段和第k+1个第二频段间的第一交叉调制系数；表示第k+1个第一频段和第k+1个第二频段间的第二交叉调制系数；m表示功放总记忆深度，k表示分段线性函数的门限总数，y1(n-m)表示n-m时刻的第一路数字基带输出信号，y2(n-m)表示n-m时刻的第二路数字基带输出信号。

进一步，所述第一交叉调制系数和第二交叉调制系数的取值范围为[0.8,2]。

进一步，所述基于分段线性函数的双频预失真模型的建立过程包括以下步骤：

1)获取第一频段的数字基带输入信号x1(n)、第二频段的数字基带输入信号x2(n)、第一路数字基带输出信号y1(n)和第二路数字基带输出信号y2(n)，并作归一化处理；

2)按照以下范围选择记忆深度m和门限个数k：m≤5，k≤10；

3)根据第一频段的门限的第k个分段点βk⁽¹⁾、第二频段的门限的第k个分段点βk⁽²⁾、模型记忆深度m和门限数k，在第一交叉调制系数和第二交叉调制系数的取值范围[0.8,2]内用二分查找法进行搜索，每一次搜索都利用最小二乘法根据第一频段的数字基带输入信号x1(n)、第二频段的数字基带输入信号x2(n)、第一路数字基带输出信号y1(n)和第二路数字基带输出信号y2(n)对第一数字预失真器的模型参数和第二预失真器的模型参数进行训练，利用第一数字预失真器的模型参数和第二预失真器的模型参数计算数字基带输入信号与数字基带输出信号的归一化均方误差，归一化均方误差最小时对应的第一数字预失真器的模型参数和第二预失真器的模型参数作为训练后的第一数字预失真器的模型参数和第二预失真器的模型参数。

有益效果：本发明公开了一种基于分段线性函数的双频功放数字预失真装置及方法，相比于现有技术，具有以下有益效果：

1)减少了现有的2d-dpd双频段功放预失真模型中的参数个数；

2)使用绝对值运算取代现有的双频模型中的高阶乘方项运算，降低了模型在fpga上的实现难度与消耗的运算资源；

3)模型采用最小二乘和二分查找的方法，加速了最优模型参数的计算时间。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中数字预失真装置的示意图；

图2为本发明具体实施方式中预失真前后的两个频段的功率谱比较图；

图2(a)为1.5ghz的功率谱比较图；

图2(b)为1.7ghz的功率谱比较图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。

本专利具体实施方式公开了一种基于分段线性函数的双频功放数字预失真装置，如图1所示，包括：

第一数字预失真器：第一数字预失真器包含基于分段线性函数的预失真模型，第一频段的数字基带输入信号x1(n)输入第一数字预失真器，第一数字预失真器将自身的模型参数和第一频段的数字基带输入信号x1(n)输入到自身的预失真模型中，预失真模型输出第一预失真输出信号x1-pre(n)，第一预失真输出信号x1-pre(n)也作为第一数字预失真器的输出信号；

第二数字预失真器：第二数字预失真器包含基于分段线性函数的预失真模型，第二频段的数字基带输入信号x2(n)输入第二数字预失真器，第二数字预失真器将自身的模型参数和第二频段的数字基带输入信号x2(n)输入到自身的预失真模型中，预失真模型输出第二预失真输出信号x2-pre(n)，第二预失真输出信号x2-pre(n)也作为第二数字预失真器的输出信号；

第一数模转换器：第一预失真输出信号x1-pre(n)通过第一数模转换器进行数模转换，转换后的信号输入第一低通滤波器滤波处理；

第二数模转换器：第二预失真输出信号x2-pre(n)通过第二数模转换器进行数模转换，转换后的信号输入第二低通滤波器滤波处理；

第一低通滤波器：对第一数模转换器输出的信号进行滤波处理；

第二低通滤波器：对第二数模转换器输出的信号进行滤波处理；

第一调制器：第一低通滤波器输出的信号通过第一调制器进行调制；

第二调制器：第二低通滤波器输出的信号通过第一调制器进行调制；

第一功分器：第一调制器输出的信号与第二调制器输出的信号通过第一功分器合路为一个信号；

功率放大器：第一功分器合路后的信号通过功率放大器进行放大；

衰减耦合器：功率放大器放大后的信号输入衰减耦合器；

第二功分器：衰减耦合器的输出信号通过第二功分器分成两路信号，分别至第一带通滤波器和第二带通滤波器；

第一带通滤波器：第二功分器输出的第一路信号通过第一带通滤波器进行滤波；

第二带通滤波器：第二功分器输出的第二路信号通过第二带通滤波器进行滤波；

第一解调器：第一带通滤波器输出的信号通过第一解调器进行解调；

第二解调器：第二带通滤波器输出的信号通过第二解调器进行解调；

第三带通滤波器：第一解调器输出的信号通过第三带通滤波器进行滤波；

第四带通滤波器：第二解调器输出的信号通过第四带通滤波器进行滤波；

第一模数转换器：第三带通滤波器输出的信号通过第一模数转换器进行模数转换后得到第一路数字基带输出信号y1(n)；

第二模数转换器：第四带通滤波器输出的信号通过第二模数转换器进行模数转换后得到第二路数字基带输出信号y2(n)；

预失真训练模块：第一频段的数字基带输入信号x1(n)、第二频段的数字基带输入信号x2(n)、第一路数字基带输出信号y1(n)和第二路数字基带输出信号y2(n)均输入预失真训练模块，预失真训练模块对第一数字预失真器的模型参数和第二预失真器的模型参数进行训练，并将训练后的第一数字预失真器的模型参数复制到第一数字预失真器，将训练后的第二预失真器的模型参数复制到第二数字预失真器。

基于分段线性函数的双频功放数字预失真方法包括以下步骤：

s1：第一数字预失真器包含基于分段线性函数的预失真模型，第一频段的数字基带输入信号x1(n)输入第一数字预失真器，第一数字预失真器将自身的模型参数和第一频段的数字基带输入信号x1(n)输入到自身的预失真模型中，预失真模型输出第一预失真输出信号x1-pre(n)，第一预失真输出信号x1-pre(n)也作为第一数字预失真器的输出信号；第二数字预失真器包含基于分段线性函数的预失真模型，第二频段的数字基带输入信号x2(n)输入第二数字预失真器，第二数字预失真器将自身的模型参数和第二频段的数字基带输入信号x2(n)输入到自身的预失真模型中，预失真模型输出第二预失真输出信号x2-pre(n)，第二预失真输出信号x2-pre(n)也作为第二数字预失真器的输出信号；

s2：第一预失真输出信号x1-pre(n)通过第一数模转换器进行数模转换，转换后的信号分别通过第一低通滤波器和第一调制器；第二预失真输出信号x2-pre(n)通过第二数模转换器进行数模转换，转换后的信号分别通过第二低通滤波器和第二调制器；

s3：第一调制器输出的信号与第二调制器输出的信号通过第一功分器合路为一个信号；

s4：第一功分器合路后的信号通过功率放大器进行放大；

s5：功率放大器放大后的信号输入衰减耦合器，衰减耦合器通过第二功分器输出两路信号分别至第一带通滤波器和第二带通滤波器；

s6：第二功分器输出的第一路信号通过第一带通滤波器进行滤波；第二功分器输出的第二路信号通过第二带通滤波器进行滤波；

s7：第一带通滤波器输出的信号通过第一解调器进行解调；第二带通滤波器输出的信号通过第二解调器进行解调；

s8：第一解调器输出的信号通过第三带通滤波器进行滤波；第二解调器输出的信号通过第四带通滤波器进行滤波；

s9：第三带通滤波器输出的信号通过第一模数转换器进行模数转换后得到第一路数字基带输出信号y1(n)；第四带通滤波器输出的信号通过第二模数转换器进行模数转换后得到第二路数字基带输出信号y2(n)；

s10：第一频段的数字基带输入信号x1(n)、第二频段的数字基带输入信号x2(n)、第一路数字基带输出信号y1(n)和第二路数字基带输出信号y2(n)均输入预失真训练模块，预失真训练模块对第一数字预失真器的模型参数和第二预失真器的模型参数进行训练，并将训练后的第一数字预失真器的模型参数复制到第一数字预失真器，将训练后的第二预失真器的模型参数复制到第二数字预失真器。

步骤s10中，预失真训练模块利用最小二乘法对第一数字预失真器的模型参数和第二预失真器的模型参数进行训练，计算不同模型参数下数字基带输入信号与数字基带输出信号的归一化均方误差，利用二分查找的方法获得归一化均方误差最小的交叉调制系数，从而得到训练后的第一数字预失真器的模型参数和训练后的第二预失真器的模型参数。

步骤s10中，预失真训练模块包含基于分段线性函数的双频预失真模型，基于分段线性函数的双频预失真模型如式(1)所示：

式(1)中，表示当功放记忆深度为m时，第k个第一数字预失真器的模型参数；表示当记忆深度为m时，第k个第二数字预失真器的模型参数；βk⁽¹⁾表示第一频段的门限的第k个分段点；βk⁽²⁾表示第二频段的门限的第k个分段点；表示第k+1个第一频段和第k+1个第二频段间的第一交叉调制系数；表示第k+1个第一频段和第k+1个第二频段间的第二交叉调制系数；m表示功放总记忆深度，k表示分段线性函数的门限总数，y1(n-m)表示n-m时刻的第一路数字基带输出信号，y2(n-m)表示n-m时刻的第二路数字基带输出信号。βk⁽¹⁾和βk⁽²⁾的取值范围在0到之间均匀分布。和采用二分查找法在[0.8,2]的区间中找到最优的交调系数。具体方法如下：

1)首先定义二分查找法的几个参数：搜索的左右边界、中点分别为cleft，cright，cmiddle＝(cright+cleft)/2。搜索的步长δc＝(cright-cleft)/2。

2)初始化：

cleft＝0.8

cright＝2.0

cmiddle＝(cright+cleft)/2＝1.4

当c⁽ⁱ⁾＝cmiddle，利用最小二乘法计算模型的未知参数并计算在该交调系数下的模型最小归一化均方误差，记作

3)开始迭代：每次迭代开始，先更新

δc＝δc/2

cleft＝cmiddle-δc/2

cright＝cmiddle+δc/2

然后用最小二乘法计算当c⁽ⁱ⁾＝cleft,c⁽ⁱ⁾＝cright模型的未知参数并计算该交调系数下的最小归一化均方误差，记作找到中最小的，记作该最小归一化误差对应的c⁽ⁱ⁾记作

4)判断δc≤δcstop，(δcstop＝0.1)，若不满足，继续执行3)。否则，退出迭代，并返回模型的系数c⁽ⁱ⁾和

基于分段线性函数的双频预失真模型的建立过程包括以下步骤：

1)获取第一频段的数字基带输入信号x1(n)、第二频段的数字基带输入信号x2(n)、第一路数字基带输出信号y1(n)和第二路数字基带输出信号y2(n)，并作归一化处理；

2)按照以下范围选择记忆深度m和门限个数k：m≤5，k≤10；

3)根据第一频段的门限的第k个分段点βk⁽¹⁾、第二频段的门限的第k个分段点βk⁽²⁾、模型记忆深度m和门限数k，在第一交叉调制系数和第二交叉调制系数的取值范围[0.8,2]内用二分查找法进行搜索，每一次搜索都利用最小二乘法根据第一频段的数字基带输入信号x1(n)、第二频段的数字基带输入信号x2(n)、第一路数字基带输出信号y1(n)和第二路数字基带输出信号y2(n)对第一数字预失真器的模型参数和第二预失真器的模型参数进行训练，利用第一数字预失真器的模型参数和第二预失真器的模型参数计算数字基带输入信号与数字基带输出信号的归一化均方误差，归一化均方误差最小时对应的第一数字预失真器的模型参数和第二预失真器的模型参数作为训练后的第一数字预失真器的模型参数和第二预失真器的模型参数。

以40mhz带宽的4载波的lte-a信号输入频段1.5和1.7ghz的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。如图2(a)和图2(b)所示

功率放大器的输出在未进行预失真前，经过基于分段线性函数的双频段功率放大器模型，在1500mhz，1700mhz的左右边带的acpr比较如下：

表1

观察表1，可以看到在使用本模型行双频段的功率放大器建模时，可以取得大于12db的acpr改善效果。这个效果和传统的2d-dpd模型相近，但是对于当前双频预失真中采用的2d-dpd模型：

与本专利中的模型在性能上有着巨大差异。第一，在参数个数上：在选择2d-dpd模型进行建模时，当选取记忆深度为m，模型的非线性阶数为k，此时的模型参数的个数为(m+1)×(k+1)×(k+2)；在选择本专利所述的基于分段线性函数的双频功率放大器模型时，选取记忆深度m，门限个数k，此时的模型的参数的个数为(m+1)×k。两个模型的复杂度分别是o(n³)和o(n²)；第二，在模型的实现难度上：。对于2d-dpd模型，存在高阶的乘方项，在进行fpga实现的时候需要消耗大量的乘法器资源；而分段线性函数模型中将高阶乘方项用绝对值运算代替，在实现上更为容易、更节省计算资源。