一种基于带限预失真的全数字多波束系统及方法

本发明属于数字预失真技术，尤其涉及一种基于带限预失真的全数字多波束系统和方法。

背景技术：

1、面对毫米波严重路径衰减的问题，波束成形技术是克服这个问题的关键方案之一。通过大规模的天线阵列，可以实现波束的高增益，这帮助提高了通信速率且节约了能量。一般的，波束成形技术有三种选择：全数字波束成形技术，模拟波束成形技术，混合波束成形技术。其中，因为全数字波束成形技术可以灵活控制多个波束的转向，轻松构造波束成形网络，因此它在多波束场景中得到了广泛应用。

2、跟传统的通信系统一样，大规模阵列中的功率放大器为了节约能量，同样工作在高效率模式下，这就导致了波束的非线性，记忆效应，以及带内带外畸变。尤其是在大规模天线阵中，每个通道上信号的失真会导致最终发射的波束失真更为严重。因此，在大规模天线阵中，引入适当的数字预失真技术是有必要的。近年来，数字预失真技术在多波束系统中的应用引起了许多关注。但是，目前为止还没有人考虑到mimo系统带宽有限的问题。传统的数字预失真技术一般需要通信系统带宽数倍于输入信号带宽。当下常用的5gnr信号带宽高达400mhz，按照传统的dpd技术，这意味这需要2ghz的线性化带宽，这大大增加了mimo系统的设计难度。它所需要的高速的数据转换器以及超宽带的发送和接受链路，大大增加了dpd的成本。此外，即使系统带宽足够，我们也不必要将pa线性化到2g的带宽下，我们完全可以只消除输入信号中心频段内的一部分失真。超出该频带的部分可以通过滤波器消除掉。因此，在mimo系统中使用带限技术是有意义的。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种基于带限预失真的全数字多波束系统，旨在以一种原理简单，可解释性强且易于实现的算法实现对全数字多波束系统的数字预失真。

2、技术方案：为达到上述发明目的，本发明一种基于带限预失真的全数字多波束系统采用如下技术方案：

3、该系统包括数字波束成形网络、预失真模块、全数字多波束阵列发射机，天线阵列，ota接收链路；全数字多波束系统中，最终接收到的波束因为通道上功率放大器的非线性和其他波束的干扰会产生最终接收到的波束的失真；在全数字多波束系统中，有多个通道，对于单通道，原始信号经过数字波束成形网络、预失真模块、全数字多波束阵列发射机，通过天线阵列辐射到空间中，再经ota接收链路接收信号，形成反馈回路，构造了单通道的预失真；在依次完成所有通道的预失真以后，开启所有通道，将数字波束成形后的信号且已经预失真的信号以基带信号形式把基带信号发射进入各自通道，经过全数字多波束阵列发射机和天线阵列，将多个波束辐射到空间；最终通过ota接收链路接收波束，经过分离算法，分解得到线性化后的目标波束；其中，预失真模块中的单通道预失真使用了带限模型。

4、所述全数字多波束系统，其波束成形完全在数字域实现，原始的n个波束为x1,x2,…xn，通过数字波束成形网络的输出信号为u1,u2,…uk,其中，

5、u1＝x1+x2+…xn,

6、

7、其中，d表示天线单元的距离，λ表示波长，θi表示第i个波束发射的方向，令此时

8、

9、所述数字波束成形网络的输出信号u1,u2,…uk经过全数字多波束系统中的功率放大器会产生非线性失真，在全数字多波束系统中，由功率放大器产生的失真为：当信号uk通过第k个通道上的功率放大器之后，信号uk会被放大，放大后的信号为

10、

11、其中，hk表示第k个通道上功率放大器的特性，即非线性增益。

12、所述带限预失真是在传统的volterra模型中，在volterra算子中加入了一个数字滤波器以灵活控制预失真带宽，

13、在一个广义记忆多项式模型中，传统的广义记忆多项式模型为：

14、

15、其中，x(n)、y(n)表示输入、输出，ka，la是对齐项记忆多项式的非线性阶数和记忆深度，kb，lb，mb分别为滞后项的非线性阶数，记忆深度以及滞后阶数；lc，lc，mc分别为超前项的非线性阶数，记忆深度，超前阶数。akl，bklm，cklm分别是对齐项记忆多项式，滞后项，超前项的系数；引入带限滤波器的频率相应ω(n)，*为卷积运算，于是有带限-广义记忆多项式模型：

16、

17、有了带限-广义记忆多项式模型，就能在有限的带宽下实现对全数字多波束系统每个通道的预失真。

18、所述最终接收到的波束的失真不仅仅因为通道上的功率放大器，还存在除该波束以外的其他所有波束的干扰，放大后的信号为记为uk；最终，u1,u2,…uk经过各自的天线单元辐射到空间上，因此，在远场方向角度α上接收到的信号为：

19、

20、其中pk(α)代表由天线阵引起的相移，表示为：此时：

21、

22、经过上述的带限预失真之后：

23、

24、其中g表示线性化之后的功放特性，即线性增益；

25、假设此时接收信号的角度α是波束x1的发射方向。即：

26、

27、此时

28、

29、从上式中，可以发现尽管此时是在波束x1的方向接收信号，接收的信号不仅仅只有波束x1的主瓣，还包含了其他波束的旁瓣信号。

30、接收波束信号时，在一个目标波束的主瓣方向上，接收到的不仅仅是该目标波束的主瓣信号，还有除该目标波束以外的其他所有波束的旁瓣信号，这种目标波束会受到除它本身以外的其他所有波束的干扰，可以通过线性的方式去除：为了分解得到独立的波束，在两个波束的场景中，

31、在波束1的主瓣方向上接收到的信号：

32、

33、在波束2的主瓣方向上接收到的信号：

34、

35、其中，α1，α2是两个波束的接收角度。

36、令y＝[yrx1 yrx2]

37、x＝[x1 x2]

38、

39、把上式写为yt＝fxt，其中，t表示转置，

40、为了分解出想要的波束，需要一个矩阵c:

41、

42、即

43、所以

44、根据公式，矩阵f可以用ls算法求得:

45、f＝((xhx)-1xhy)t

46、h表示共轭转置操作；基于以上，分离出线性化之后的波束。

47、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

48、1)基于带限预失真的全数字多波束系统，针对于全数字阵列，其波束成形自由灵活；

49、2)对全数字阵列的每个通道都进行线性化，可以实现多波束的全角度的线性化；

50、3)使用了带限预失真模型，可以在mimo系统带宽不足的情况下实现一定带宽内的线性化，也可以自由灵活控制线性化带宽。

技术特征：

1.一种基于带限预失真的全数字多波束系统，其特征在于，该系统包括数字波束成形网络(1)、预失真模块(2)、全数字多波束阵列发射机(3)，天线阵列(4)，ota接收链路(5)；全数字多波束系统中，最终接收到的波束因为通道上功率放大器的非线性和其他波束的干扰会产生最终接收到的波束的失真；在全数字多波束系统中，有多个通道，对于单通道，原始信号经过数字波束成形网络(1)、预失真模块(2)、全数字多波束阵列发射机(3)，通过天线阵列(4)辐射到空间中，再经ota接收链路(5)接收信号，形成反馈回路，构造了单通道的预失真；在依次完成所有通道的预失真以后，开启所有通道，将数字波束成形后的信号且已经预失真的信号以基带信号形式把基带信号发射进入各自通道，经过全数字多波束阵列发射机(3)和天线阵列(4)，将多个波束辐射到空间；最终通过ota接收链路(5)接收波束，经过分离算法，分解得到线性化后的目标波束；其中，预失真模块(2)中的单通道预失真使用了带限模型。

2.根据权利要求1所述的一种基于带限预失真的全数字多波束系统，其特征在于，所述全数字多波束系统，其波束成形完全在数字域实现，原始的n个波束为x1,x2,…xn，通过数字波束成形网络的输出信号为u1,u2,…uk,其中，

3.根据权利要求2所述的一种基于带限预失真的全数字多波束系统，其特征在于，所述数字波束成形网络的输出信号u1,u2,…uk经过全数字多波束系统中的功率放大器会产生非线性失真，在全数字多波束系统中，由功率放大器产生的失真为：当信号uk通过第k个通道上的功率放大器之后，信号uk会被放大，放大后的信号为

4.根据权利要求3所述的一种基于带限预失真的全数字多波束系统，其特征在于，所述带限预失真是在传统的volterra模型中，在volterra算子中加入了一个数字滤波器以灵活控制预失真带宽，

5.根据权利要求3所述的一种基于带限预失真的全数字多波束系统，其特征在于，所述最终接收到的波束的失真不仅仅因为通道上的功率放大器，还存在除该波束以外的其他所有波束的干扰，放大后的信号记为uk；最终，u1,u2,…uk经过各自的天线单元辐射到空间上，因此，在远场方向角度α上接收到的信号为：

6.根据权利要求5所述的一种基于带限预失真的全数字多波束系统，其特征在于，接收波束信号时，在一个目标波束的主瓣方向上，接收到的不仅仅是该目标波束的主瓣信号，还有除该目标波束以外的其他所有波束的旁瓣信号，这种目标波束会受到除它本身以外的其他所有波束的干扰，通过线性的方式去除：为了分解得到独立的波束，在两个波束的场景中，

技术总结
本发明公开了一种基于带限预失真的全数字多波束系统，该系统包括数字波束成形网络(1)、预失真模块(2)、全数字多波束阵列发射机(3)，天线阵列(4)，OTA接收链路(5)；本发明通过带限数字预失真模型对阵列中的通道依次进行预失真处理，使每个通道波束成形后的信号具有与该通道功率放大器的输入输出特性相反的非线性特征，再开启所有通道，将预处理后的信号通过全数字阵列发射机，天线阵辐射到空间中去，并能通过分解算法分解出不受其他波束干扰且线性化后的目标波束。本发明能够构建一种原理简单、容易实现、可以灵活控制预失真带宽、计算复杂度较低的带限数字预失真模型来实现全数字多波束系统的线性化。

技术研发人员：余超,杨龙安,洪伟
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16