一种并发多波段非线性系统的互耦建模方法及线性化装置

摘要

本发明公开了一种并发多波段非线性系统的互耦建模方法及线性化装置，通过互耦型多输入数字预失真器将并发多波段信号分成各个波段的基带数据序列后进行数字预失真，然后同步输入到相应的基带变射频模块中，另外，通过并发多波段非线性特性提取装置捕获并发多波段非线性系统输出端的并发多波段失真射频信号中各个波段的失真基带数据，并将各个波段的失真基带数据和并发多波段信号中各个波段的原始基带数据直接输入到多输入互耦数字预失真参数训练器中进行预失真参数提取；优点是降低了对基带变射频模块中的数模转换器（DA）速率的要求，减少了数字信号处理设备，节省了数字信号处理器件资源开销。

说明书

技术领域

本发明涉及非线性系统的建模方法和数字预失真技术，尤其是涉及一种并发多波段 非线性系统的互耦建模方法及线性化装置。

背景技术

非线性器件无处不在，可以说大多数有源器件和设备都存在非线性，只是非线性的 强弱不同。若器件的非线性比较弱，称其为准线性器件，可以将其存在的非线性忽略。 而对于强非线性器件而言（如功率放大器，低噪声放大器和光探测器等），其非线性成 为不可忽视的问题。强非线性器件的这种非线性特性会导致谐波和交调成分的引入，这 样不仅降低了信噪比，而且会使信道之间相互干扰，引起信号的畸变失真。然而无论是 通信系统还是雷达系统中的大多数设备都是非线性设备，其中部分有源设备的非线性非 常强，必须考虑整个系统的非线性特性，因此对于这些存在非线性的系统，我们将其称 为非线性系统。然而传统的非线性系统一般是窄带的非线性系统，为了能够兼容多频段， 提高系统的整体利用率，并发多波段系统备受关注。以无线通信系统为例，它是一个典 型的非线性系统，由于无线通信系统标准众多，并且这些标准将长期共存。然而，不同 的标准使用不同的频段，另外3G和4G网络中一些标准，一个标准使用多个不同频段。 标准越多，频段越多，而目前不同频段需要不同的非线性设备（如射频收发模块），使 得一个基站存在多套设备，最终造成基站体积过大，选址困难，能耗过高，运营成本大 大增加等诸多问题。为了解决这些问题，支持多种标准和多种频段的并发多波段通信设 备备受关注，目前支持至少两个频段的应用于通信系统的多波段多模式射频功率放大器 已经被成功设计。然而射频功率放大器的非线性是造成通信系统信号失真的主要来源， 当并发多波段射频功率放大器应用于多种网络共存的通信系统时，多个频段信号同时加 载到射频功率放大器上，通信系统的信号失真将会更为复杂和严重，因此对并发多波段 通信系统的建模和线性化提出了更为苛刻的要求。由于并发多波段信号中包括多个波段 的信号，如果采用传统方法对并发多波段射频功放进行建模和线性化，将对模数转换器 和数模转换器的转换速率和实现预失真器的数字信号处理（FPGA或者DSP）器件的处 理能力提出非常高的要求，有的情况下所提出的速率和计算能力方面的要求是现阶段、 甚至今后相当一段时间内都根本无法得到满足的。即使有时勉强能够满足所提出的要 求，也会造成系统成本大大上升，系统功耗大大增加，设备制造和运营成本急剧上升。 此外，对并发多波段信号的基带数据进行非线性建模和预失真参数提取时，采用传统方 法将需要信号处理设备具有很强的数字信号处理能力，占用大量的数字信号处理器件资 源，设计复杂，处理速度较慢。因此，迫切需要寻找新的方法和非线性模型对并发多波 段非线性系统进行建模和实现数字预失真线性化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以采用转化速率较低的模数转换器和数 模转换器，且占用数字信号处理器件资源较少，运算速度较快的并发多波段非线性系统 的互耦建模方法及线性化装置。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种并发多波段非线性系统的互耦 建模方法，包括以下步骤：

（1）将并发多波段原始信号中各个波段的原始基带数据序列各输入一个基带变射 频模块中，每个基带变射频模块将相应波段的原始基带数据序列转换为射频信号后输 出，且各个波段的射频信号同步输出；

（2）将同步输出的各个波段的射频信号进行功率合成，得到并发多波段原始射频 信号；

（3）将并发多波段原始射频信号输入并发多波段非线性系统中，驱动并发多波段 非线性系统，并发多波段非线性系统输出并发多波段失真射频信号；

（4）提取并发多波段非线性系统输出端的并发多波段失真射频信号在各个波段的 失真基带数据序列；

（5）将并发多波段原始信号中各个波段的原始基带数据序列的实部和虚部作为互 耦型多输入非线性模型的输入，将并发多波段失真射频信号在各个波段的失真基带数据 序列的实部和虚部作为互耦型多输入非线性模型的输出，在参数训练器中利用参数提取 算法求解得到互耦型多输入非线性模型参数；

（6）将互耦型多输入非线性模型参数传递到互耦型多输入非线性模型中；

（7）将并发多波段原始信号中各个波段的原始基带数据序列的实部和虚部输入到 互耦型多输入非线性模型中，互耦型多输入非线性模型将输出并发多波段失真信号中各 个波段的仿真基带数据序列的实部和虚部；

（8）将并发多波段失真信号中各个波段的仿真基带数据序列各输入一个基带变射 频模块中，每个基带变射频模块将相应波段的仿真基带数据序列转换为仿真射频信号后 输出，且各个波段的仿真射频信号同步输出；

（9）将同步输出的各个波段的仿真射频信号进行功率合成，得到并发多波段仿真 射频信号；

（10）将并发多波段仿真射频信号与并发多波段失真射频信号进行比较，验证互耦 型多输入非线性模型的准确性，如果该并发多波段仿真射频信号达到预定的仿真准确 度，则步骤（5）得到的互耦型多输入非线性模型参数即为有效的非线性模型参数，建 模过程结束；如果该并发多波段仿真射频信号不能满足模型精度要求，则返回步骤（1） 重复进行互耦型多输入非线性模型参数的提取。

一种并发多波段非线性系统的互耦线性化装置，包括互耦型多输入数字预失真器， 多个基带变射频模块、合路器、并发多波段非线性特性提取装置和互耦型多输入数字预 失真参数训练器，所述的基带变射频模块的数量与并发多波段信号的波段数量匹配，所 述的互耦型多输入数字预失真器设置有多对输入输出端，所述的互耦型多输入数字预失 真器的每对输入输出端用于接入并发多波段信号中一个波段的原始信号并输出该波段 的预矫正基带数据，每个基带变射频模块的输入端各接入并发多波段信号中一个波段的 预矫正基带数据，每个基带变射频模块的输出端均与所述的合路器的输入端连接，所述 的合路器的输出端用于与并发多波段非线性系统的输入端连接，所述的并发多波段非线 性特性提取装置的输入端用于连接并发多波段非线性系统的输出端，所述的并发多波段 非线性特性提取装置的输出端与所述的互耦型多输入数字预失真参数训练器连接，所述 的互耦型多输入数字预失真参数训练器接入并发多波段原始信号各个波段的原始基带 数据序列，所述的互耦型多输入数字预失真参数训练器将提取得到的预失真参数传递给 所述的互耦型多输入数字预失真器。

所述的互耦型多输入数字预失真参数训练器为神经网络数字预失真参数训练器、基 于奇异值分解的预失真参数训练器或递归式最小均方预失真参数训练器，所述的互耦型 多输入数字预失真参数训练器的类型与所述的互耦型多输入数字预失真器匹配。

与现有技术相比，本发明的优点在于互耦建模方法将各个波段的原始基带数据序列 输入相应的同步基带变射频模块中，而互耦线性化装置通过互耦型多输入数字预失真器 对并发多波段原始信号进行预矫正，并将各个波段的预矫正基带数据序列输入相应的同 步基带变射频模块，这样降低了对基带变射频模块中的数模转换器（DA）速率的要求， 另外，通过并发多波段非线性特性提取装置捕获并发多波段非线性系统输出端的并发多 波段失真射频信号中各个波段的基带数据，并将各个波段的失真基带数据和各个波段的 原始基带数据直接输入到多输入互耦模型参数训练器或预失真参数训练器中进行参数 提取，不仅大大降低了对捕获失真基带数据的模数转换器(AD)的采样率的要求，而且显 著降低了对数字信号处理能力的需求，节省了数字信号处理器件资源开销。

附图说明

图1为本发明的互耦建模方法的原理框图；

图2为本发明的互耦建模方法实施例的原理框图；

图3为本发明的互耦建模方法实施例中并发双波段仿真射频信号与并发双波段失真 射频信号中低频波段的1001型CDMA2000调制射频信号的频谱比较图；

图4为本发明的互耦建模方法的实施例中并发双波段仿真射频信号与并发双波段失 真射频信号中高频波段的单载波WCDMA调制射频信号的频谱比较图；

图5为本发明的互耦线性化装置原理框图；

图6为本发明的互耦线性化装置实施例的原理框图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本发明提供了一种并发多波段非线性系统的互耦建模方法，包括以下 步骤：

（1）将并发多波段原始信号中各个波段的原始基带数据序列各输入一个基带变射 频模块中，每个基带变射频模块将相应波段的原始基带数据序列转换为射频信号后输 出，且各个波段的射频信号同步输出；

（2）将同步输出的各个波段的射频信号进行功率合成，得到并发多波段原始射频 信号；

（3）将并发多波段射频信号输入并发多波段非线性系统中，驱动并发多波段非线 性系统，并发多波段非线性系统输出并发多波段失真射频信号；

（4）提取并发多波段非线性系统输出端的并发多波段失真射频信号在各个波段的 失真基带数据序列；

（5）将并发多波段原始信号中各个波段的原始基带数据序列的实部和虚部和并发 多波段失真射频信号在各个波段的失真基带数据序列的实部和虚部输入到互耦型多输 入非线性模型参数训练器中进行模型参数训练，利用参数提取算法求解得到互耦型多输 入非线性模型参数；

（6）将互耦型多输入非线性模型参数传递到互耦型多输入非线性模型中；

（7）将并发多波段原始信号中各个波段的原始基带数据序列的实部和虚部输入到 互耦型多输入非线性模型中，互耦型多输入非线性模型将输出并发多波段失真信号中各 个波段的仿真基带数据序列的实部和虚部；

（8）将并发多波段失真信号中各个波段的仿真基带数据序列各输入一个基带变射 频模块中，每个基带变射频模块将相应波段的仿真基带数据序列转换为模型射频信号后 输出，且各个波段的模型射频信号同步输出；

（9）将同步输出的各个波段的模型射频信号进行功率合成，得到并发多波段仿真 射频信号；

（10）将并发多波段仿真射频信号与并发多波段失真射频信号进行比较，验证互耦 型多输入非线性模型的准确性，如果该并发多波段仿真射频信号达到预定的仿真准确 度，则步骤（5）得到的互耦型多输入非线性模型参数即为有效的非线性模型参数，建 模过程结束；如果该并发多波段仿真射频信号不能满足模型精度要求，则返回步骤（1） 重复进行互耦型多输入非线性模型参数的提取。

本发明的建模方法中，由于并发多波段原始信号中的各个波段的原始基带数据序列 各输入一个基带变射频模块中，每个基带变射频模块将相应波段的原始基带数据序列转 换为射频信号后输出，因为对并发多波段原始信号中的各个波段分别处理，由此，对基 带变射频模块中数模转换器（DA）的要求较低，可以采用速率较低和成本较低的数模 转换器实现本方案。另外本发明中，将并发多波段原始信号中各个波段的原始基带数据 序列和并发多波段失真射频信号在各个波段的失真基带数据序列的实部和虚部直接输 入到互耦型多输入非线性模型参数训练器中进行模型参数训练来得到互耦型多输入非 线性模型参数；不用通过数字信号处理设备对各个波段基带数据进行处理得到等效并发 多波段基带数据，节省了数字信号处理器件资源开销。

实施例：选取并发双波段非线性系统验证来本发明的互耦建模方法，其中并发双波 段原始信号中第1个波段为1900MHz的1001CDMA2000信号(4个载波的CDMA2000 信号，而中间两个载波空缺)，第2个波段为1960MHz的单载波WCDMA信号，并发 双波段非线性系统为功率频段为输出峰值功率为51dBm的Doherty功放，该功放的功率 频段为1880-1980MHz。

如图2所示，采用本发明的互耦建模方法对并发双波段非线性系统进行建模，具体 包括以下步骤：

（1）将并发双波段原始信号中第1个波段的原始基带数据序列输入第1个基带变 射频模块中，将并发双波段原始信号中第2个波段的原始基带数据序列输入第2个基带 变射频模块中，第1个基带变射频模块将第1个波段的原始射频信号输出，第2个基带 变射频模块将第2个波段的原始射频信号输出，且第1个波段的原始射频信号和第2个 波段的原始射频信号保持同步；

（2）将第1个波段的原始射频信号和第2个波段的原始射频信号同步输入到第1 个合路器中进行功率合成，第1个合路器输出并发双波段原始信号对应的并发双波段原 始射频信号；

（3）将并发双波段原始射频信号输入并发双波段非线性系统中，驱动并发双波段非 线性系统，并发双波段非线性系统输出并发双波段失真射频信号；并发双波段失真射频 信号为并发双波段原始射频信号通过并发双波段非线性系统后产生失真后的信号；

（4）采用并发多波段非线性提取装置提取并发双波段非线性系统输出端的并发双 波段失真射频信号在第1个波段的失真基带数据序列和第2个波段的失真基带数据序 列，其中并发多波段非线性提取装置采用发明人提出的名称为一种多波段多模式射频功 率放大器非线性特性提取装置，其已申请发明专利，申请日为2012年4月27日，申请 号为201210129607.0；

（5）将并发双波段原始信号中第1个波段的原始基带数据序列的实部I_{in_1}(n)和虚 部Q_{in_1}(n)、并发双波段原始信号中第2个波段的原始基带数据序列的实部I_{in_2}(n)和虚 部Q_{in_2}(n)、并发双波段失真射频信号在第1个波段的失真基带数据序列的实部I_{out_}1(n) 和虚部Q_{out_1}(n)与并发双波段失真射频信号在第2个波段的失真基带数据序列的实部 I_{out_2}(n)和虚部Q_{out_2}(n)输入到互耦型多输入非线性模型参数训练器中进行模型参数训 练，得到互耦型多输入非线性模型参数，其中互耦型多输入非线性模型参数训练器采用 实数时延递归RBF神经网络模型参数训练器，其中n∈[1......N]，这里N为训练数据序 列的长度；

（6）将互耦型多输入非线性模型参数传递到互耦型多输入非线性模型中，其中互 耦型多输入非线性模型采用实数时延递归RBF神经网络模型；

（7）将并发双波段原始信号中第1个波段的原始基带数据序列的实部I_{in_1}(n)和虚 部Q_{in_1}(n)与并发多波段原始信号中第2个波段的原始基带数据序列的实部I_{in_2}(n)和虚 部Q_{in_2}(n)输入到互耦型多输入非线性模型中，互耦型多输入非线性模型输出并发双波 段失真信号中第1个波段的仿真基带数据序列和并发双波段失真信号中第2个波段的仿 真基带数据序列；

（8）将并发双波段失真信号中第1个波段的仿真基带数据序列输入第3个基带变射 频模块中，将并发双波段失真信号中第2个波段的仿真基带数据序列同步输入第4个基 带变射频模块中，第3个基带变射频模块将第1个波段的仿真基带数据序列转换为第1 个波段的模型射频信号后输出，第4个基带变射频模块将第2个波段的仿真基带数据序 列转换为第2个波段的仿真射频信号后输出，第1个波段的仿真射频信号和第2个波段 的仿真射频信号保持同步；

（9）将第1个波段的仿真射频信号和第2个波段的仿真射频信号同步输入第2个 合路器中进行功率合成，第2个合路器输出并发双波段仿真射频信号；

（10）将并发双波段仿真射频信号与并发双波段失真射频信号进行比较，并发双波 段模型射频信号满足模型精度要求，建模过程结束，步骤（5）中得到的互耦型多输入 非线性模型参数即为建模参数。

本实施例中，第1个基带变射频模块、第2个基带变射频模块、第3个基带变射频 模块和第4个基带变射频模块中的数模转换器（DA）可以采用速率为60-110MSa/S（考 虑波段1和波段2最大有用信号的3-11阶交调分量）的数模转换器，降低了对基带变 射频模块中的数模转换器的要求，成本较低。

如图3为本实施例中并发双波段仿真射频信号与并发双波段失真射频信号中低频波 段1001 CDMA2000的频谱比较图；图4为本发明实施例中并发双波段仿真射频信号与 并发双波段失真射频信号中高频波段单载波WCDMA的频谱比较图；从图3和图4我 们可以看出无论在波段1或是波段2，通过该并发多波段非线性系统的建模方法可以准 确的描述并发双波段非线性系统的强非线性特性，从而可知该建模方法在保证建模精度 的同时，大大降低了模数转换器和数模转换器的速率，使成本大大降低，并使模型参数 提取所消耗的计算资源大大降低。

如图5所示，本发明还提供了一种并发多波段非线性系统的互耦线性化装置，包括 互耦型多输入数字预失真器，多个基带变射频模块、合路器、并发多波段非线性特性提 取装置和互耦型多输入数字预失真参数训练器，基带变射频模块的数量与并发多波段信 号的波段数量匹配，互耦型多输入数字预失真器设置有多对输入输出端，互耦型多输入 数字预失真器的每对输入输出端用于接入并发多波段信号中一个波段的原始信号并输 出该波段的预矫正基带数据序列，每个基带变射频模块的输入端各接入并发多波段信号 中一个波段的预矫正基带数据序列，每个基带变射频模块的输出端均与合路器的输入端 连接，合路器的输出端用于与并发多波段非线性系统的输入端连接，并发多波段非线性 特性提取装置的输入端用于连接并发多波段非线性系统的输出端，并发多波段非线性特 性提取装置的输出端与互耦型多输入数字预失真参数训练器连接，互耦型多输入数字预 失真参数训练器接入并发多波段原始信号各个波段的原始基带数据序列，互耦型多输入 数字预失真参数训练器将提取得到的预失真参数传递给所述的互耦型多输入数字预失 真器。

本发明的互耦线性化装置中，由于采用与并发多波段原始信号的数量匹配的基带变 射频模块，每个基带变射频模块只需要转换一个波段的原始信号，由此，对基带变射频 模块中数模转换器（DA）的要求较低，可以采用速率较低和成本较低的数模转换器实 现本方案。另外并发多波段非线性特性提取装置的输出基带数据直接在多输入数字预失 真参数训练器中进行训练，减少了数字信号处理设备，节省了DSP资源开销。

实施例：选取并发双波段非线性系统验证来本发明的互耦线性化装置。如图6所示， 一种并发双波段非线性系统的互耦线性化装置，包括互耦型多输入数字预失真器，两个 基带变射频模块、合路器、并发多波段非线性特性提取装置和互耦型多输入数字预失真 参数训练器，互耦型多输入数字预失真器设置有两对输入输出端，互耦型多输入数字预 失真器的第1对输入输出端接入并行双波段信号中第1个波段的原始信号并输出该波段 的预矫正基带数据序列，互耦型多输入数字预失真器的第2对输入输出端接入并行双波 段信号中底2个波段的预矫正信号并输出该波段的预矫正基带数据序列，第1个基带变 射频模块的输入端接入并发多波段信号中第1个波段的预矫正基带数据序列，第2个基 带变射频模块的输入端接入并发多波段信号中第2个波段的预矫正基带数据序列，第1 个基带变射频模块的输出端和第2个基带变射频模块的输出端均与合路器的输入端连 接，合路器的输出端与并发双波段非线性系统的输入端连接，并发双波段非线性系统的 和输出端与并发多波段非线性特性提取装置的输入端连接，并发多波段非线性特性提取 装置的输出端与互耦型多输入数字预失真参数训练器连接，互耦型多输入数字预失真参 数训练器接入并行双波段信号中第1个波段的原始基带数据序列和第2个波段的原始基 带数据序列，互耦型多输入数字预失真参数训练器将提取得到的预失真参数传递给互耦 型多输入数字预失真器。

本实施例中，互耦型多输入数字预失真参数训练器可以为神经网络预失真参数训练 器，基于奇异值分解（SVD）的预失真参数训练器或递归式最小均方（RLS）预失真参 数训练器，互耦型多输入数字预失真参数训练器的类型与所述的互耦型多输入数字预失 真器匹配，即互耦型多输入数字预失真参数训练器的类型具体取决于互耦型多输入数字 预失真器基于的非线性模型的类型。