一种针对无源多波束发射机的数字预失真系统及方法与流程

本发明属于数字预失真技术，具体涉及一种针对无源多波束发射机的数字预失真系统及方法。
背景技术：
：在未来的第五代移动通信(5g)系统的多用户场景中，多波束技术将成为一种较为理想的方法来实现低干扰的高速数据传输，由于结构简单、功耗小和价格相对较低，无源多波束系统被广泛研究。和目前的移动通信系统面临的困境一样，为了保证系统的工作效率，射频功率放大器必须工作在非线性区域，由此带来的非线性失真将会影响信号的质量。伴随着数字信号处理技术的快速发展，数字预失真技术凭借其成本低以及高精度等优点，成为目前消除功率放大器非线性失真的主流技术。通常来说，采用无源波束成形网络可以使一个功率放大器对应一个波束，则线性化功率放大器就可以线性化对应的波束。然而，由于同时产生多个波束，必定会面临多个波束之间的干扰问题，即使实现了波束的线性化，波束之间的干扰依旧会严重降低通信质量。因此，直接将传统的数字预失真技术应用于无源多波束系统是不可行的。技术实现要素：发明目的：本发明的第一目的是提供一种针对无源多波束发射机的数字预失真系统，本发明的另一个目的是提供一种针对无源多波束发射机的数字预失真方法，旨在解决目标波束的非线性失真和波束的干扰问题。技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：本发明所述的针对无源多波束发射机的数字预失真系统，包括逆信号生成模块，目标波束的输入信号经过逆信号生成模块产生目标波束的逆信号，各个干扰波束的输入信号同时经过补偿信号生成模块产生补偿信号，补偿信号和逆信号叠加之后送入逆信号系数提取模块和目标功率放大器；同时，各个干扰波束的输入信号送到补偿信号系数提取模块和对应的功率放大器；所有功率放大器的输出同时送入无源波束成形网络并通过发射天线阵列辐射出去；目标波束位置上的反馈回路接收天线接收到信号，在信号分解模块里分解得到目标波束的输出信号和各个干扰波束的输出信号后送入到逆信号系数提取模块和反向计算模块，一方面，在逆信号系数提取模块中提取系数送入逆信号生成模块用于更新系数，另一方面，在反向计算模块计算得到输出值送入补偿信号系数提取模块计算得到系数然后送入补偿信号生成模块用于更新系数。进一步，所述逆信号生成模块包括逆信号生成模型，逆信号生成模型如式(1)所示：其中，m表示记忆深度，k为非线性阶数，x(n-m)为输入信号的第n-m个样本，n的取值范围由具体的采样时间决定，y(n)表示逆信号生成模块产生的逆信号，akm代表非线性阶数取k记忆深度取m的项的系数。进一步，所述补偿信号生成模块包括补偿信号生成模型，补偿信号生成模型如式(2)所示：其中，ql表示第l个输入信号的记忆深度，pl为第l个输入信号的非线性阶数，l表示输入信号的个数，xl(n-q)为第l个输入信号的第n-q个样本，n的取值范围由具体的采样时间决定，z(n)表示补偿信号生成模块产生的补偿信号，blpq是第l个信号对应的非线性阶数取p记忆深度取q的项的系数。进一步，所述信号分解模块包括信号分解模型，信号分解模型如式(3)所示：其中，kl表示第l个信号的非线性阶数，ml表示第l个信号的记忆深度，l为信号的个数，xl(n-m)代表第l个功率放大器的输入信号的第n-m个样本，n的取值范围由具体的采样时间决定，yr(n)表示反馈回路接收天线接收到的信号，ul(n)代表第l个功率放大器的输出信号,clkm是第l个信号对应的非线性阶数取k记忆深度取m的项的系数。进一步，所述反向计算模块包括反向计算算法，具体步骤如下：s1、根据信号分解模块得到的目标波束的输出信号和对应的输入信号计算目标功率放大器的逆模型；s2、以信号分解得到的各个干扰波束的输出信号作为输入，通过目标功率放大器的逆模型计算对应的输出；s3、每个输出值乘上负1后作为反向计算模块最后的输出。本发明所述的针对无源多波束发射机的数字预失真方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)目标波束的输入信号通过逆信号生成模块产生逆信号，各个干扰波束的输入信号通过补偿信号生成模块产生补偿信号，逆信号和补偿信号相加后送入逆信号系数提取模块和目标功率放大器；同时，各个干扰波束的输入信号进入对应的功率放大器并送到补偿信号系数提取模块；(2)所有功率放大器的输出同时送到无源波束成形网络并通过发射天线阵列辐射出去，在固定的方向上产生波束；(3)放置在目标波束上的反馈回路接收天线将接收到的信号送入信号分解模块，得到目标波束的输出信号和各个干扰波束的输出信号并送入到逆信号系数提取模块和反向计算模块；(4)在逆信号系数提取模块中，根据逆信号与补偿信号的和信号以及目标波束的输出信号提取系数并送入到逆信号生成模块用于更新系数；(5)在反向计算模块中，根据反向计算算法得到最后的输出送入到补偿信号系数提取模块；在补偿信号系数提取模块中，以各个干扰波束的输入信号和反向计算模块的输出信号提取系数并送入补偿信号生成模块用于更新系数；(6)迭代步骤(1)-(5)，进行3次或者4次迭代，其中，第一次迭代时，逆信号生成模块直通，补偿信号生成模块断开，即目标功率放大器的输入为原始的目标波束信号。与现有技术相比，本发明具有如下显著效果：1)基于传统的数字预失真技术，在逆信号的上添加补偿信号构成新的数字预失真信号，解决了目标波束的非线性问题和波束干扰问题，能够以较低的代价实现目标波束的完全线性化；2)继承了传统数字预失真技术的优点，并将数字补偿的概念用于波束干扰问题，能够以较高的精度实现目标波束的线性化并消除其他波束的干扰信号；3)可以根据干扰波束的个数，灵活更新补偿信号，使得系统设计更加可行。附图说明图1为本发明所述系统的结构框图；图2为未采用数字预失真技术和采用本发明提出的数字预失真技术的目标波束输出信号功率谱的对比图；图3为未采用数字预失真技术和采用本发明提出的数字预失真技术的目标波束输出信号归一化输入-输出幅度特性的对比图；图4为未采用数字预失真技术和采用本发明提出的数字预失真技术的目标波束输出信号归一化输入-输出相位特性的对比图；图5为采用传统的数字预失真技术和采用本发明提出的数字预失真技术的目标波束输出信号归一化输入-输出幅度特性的对比图；图6为采用传统的数字预失真技术和采用本发明提出的数字预失真技术的目标波束输出信号归一化输入-输出相位特性的对比图。具体实施方式为了详细的说明本发明所公开的技术方案，下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。本发明提供一种针对无源多波束发射机的数字预失真系统，如图1，包括逆信号生成模块，目标波束的输入信号经过逆信号生成模块产生目标波束的逆信号，各个干扰波束的输入信号同时经过补偿信号生成模块产生补偿信号，补偿信号和逆信号叠加之后送入逆信号系数提取模块和目标功率放大器；同时，各个干扰波束的输入信号送到补偿信号系数提取模块和对应的功率放大器；所有功率放大器的输出同时送入无源波束成形网络并通过发射天线阵列辐射出去；目标波束位置上的反馈回路接收天线接收到信号，在信号分解模块里分解得到目标波束的输出信号和各个干扰波束的输出信号后送入到逆信号系数提取模块和反向计算模块，一方面，在逆信号系数提取模块中提取系数送入逆信号生成模块用于更新系数，另一方面，在反向计算模块计算得到输出值送入补偿信号系数提取模块计算得到系数然后送入补偿信号生成模块用于更新系数。其中，所述逆信号生成模块包括逆信号生成模型，逆信号生成模型如式(1)所示：其中，m表示记忆深度，k为非线性阶数，x(n-m)为输入信号的第n-m个样本，n的取值范围由具体的采样时间决定，y(n)表示逆信号生成模块产生的逆信号，akm代表非线性阶数取k记忆深度取m的项的系数。其中，所述补偿信号生成模块包括补偿信号生成模型，补偿信号生成模型如式(2)所示：其中，ql表示第l个输入信号的记忆深度，pl为第l个输入信号的非线性阶数，l表示输入信号的个数，xl(n-q)为第l个输入信号的第n-q个样本，n的取值范围由具体的采样时间决定，z(n)表示补偿信号生成模块产生的补偿信号，blpq是第l个信号对应的非线性阶数取p记忆深度取q的项的系数。其中，所述信号分解模块包括信号分解模型，信号分解模型如式(3)所示：其中，kl表示第l个信号的非线性阶数，ml表示第l个信号的记忆深度，l为信号的个数，xl(n-m)代表第l个功率放大器的输入信号的第n-m个样本，n的取值范围由具体的采样时间决定，yr(n)表示反馈回路接收天线接收到的信号，ul(n)代表第l个功率放大器的输出信号,clkm是第l个信号对应的非线性阶数取k记忆深度取m的项的系数。其中，所述反向计算模块包括反向计算算法，具体步骤如下：s1：根据信号分解模块得到的目标波束的输出信号和对应的输入信号计算目标功率放大器的逆模型；s2：以信号分解得到的各个干扰波束的输出信号作为输入，通过目标功率放大器的逆模型计算对应的输出；s3：每个输出值乘上-1后作为反向计算模块最后的输出。本具体实施方式还公开了针对无源多波束发射机的数字预失真方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)目标波束的输入信号通过逆信号生成模块产生逆信号，各个干扰波束的输入信号通过补偿信号生成模块产生补偿信号，逆信号和补偿信号相加后送入逆信号系数提取模块和目标功率放大器；同时，各个干扰波束的输入信号进入对应的功率放大器并同时送到补偿信号系数提取模块；(2)所有功率放大器的输出同时送到无源波束成形网络并通过发射天线阵列辐射出去，在固定的方向上产生波束；(3)放置在目标波束上的反馈回路接收天线将接收到的信号送入信号分解模块，得到目标波束的输出信号和各个干扰波束的输出信号并送入到逆信号系数提取模块和反向计算模块；(4)在逆信号系数提取模块中，根据逆信号与补偿信号的和信号以及目标波束的输出信号提取系数并送入到逆信号生成模块用于更新系数；(5)在反向计算模块中，根据反向计算算法得到最后的输出送入到补偿信号系数提取模块；在补偿信号系数提取模块中，以各个干扰波束的输入信号和反向计算模块的输出信号提取系数并送入补偿信号生成模块用于更新系数；(6)步骤(1)-(5)进行3次或者4次迭代，其中，第一次迭代时，逆信号生成模块直通，补偿信号生成模块断开，即目标功率放大器的输入为原始的目标波束信号。以两个带宽为20mhz的输入信号，具有两个波束的两通道无源多波束发射机为例。没有采用数字预失真技术和采用本发明提出的数字预失真技术的输出信号功率谱的对比图如图2。图3和图4为没有采用数字预失真技术和采用本发明提出的数字预失真技术后的目标波束的归一化输入-输出幅度特性(am-am)和相位特性(am-pm)对比图。可以看出，采用本发明提出的数字预失真之后，目标波束的非线性失真和其他波束的干扰问题都能够很好地解决。图5和图6为采用传统的数字预失真技术和采用本发明提出的数字预失真技术的目标波束的归一化输入-输出幅度特性(am-am)和相位特性(am-pm)对比图。可以看出，相比于传统的数字预失真技术，本发明提出的线性化技术具备更好的性能，在邻道泄露比基本相同的情况下，归一化均方根误差可以提升近10db。表1为邻道泄露比(aclr)以及归一化均方根误差(nmse)。表1邻道泄露比(aclr)和归一化均方根误差(nmse)aclr(dbc)nmse(db)没有采用数字预失真技术-35.8/-36.2-20.1现有技术中数字预失真技术-51.9/-51.7-26.0本发明中数字预失真技术及系统-51.1/-50.6-35.6当前第1页12