一種聯(lián)合補(bǔ)償iq不平衡和pa非線性的數(shù)字預(yù)失真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明針對(duì)存在IQ不平衡條件下的功放非線性失真問(wèn)題，提供了一種聯(lián)合補(bǔ)償IQ 不平衡和PA非線性的數(shù)字預(yù)失真方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著移動(dòng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，為在有限的頻譜資源上承載更高的數(shù)據(jù)流量，現(xiàn) 代無(wú)線通信中更多地采用的是諸如正交幅度調(diào)制（QAM, Quadrature Amplitude Modulation)或者正交頻分復(fù)用（OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 等非恒定包絡(luò)的調(diào)制技術(shù)。然而，這些技術(shù)產(chǎn)生的信號(hào)具有較高的峰均比（PAPR，Peak to Average Power Ratio),要求射頻端的功率放大器具有很寬的線性放大范圍，否則容易因 功放固有的非線性特性產(chǎn)生非線性失真問(wèn)題。信號(hào)的非線性失真不僅會(huì)引起帶外擴(kuò)展，干 擾鄰近信道正常的通信業(yè)務(wù)，從而降低系統(tǒng)的頻譜使用效率，而且還會(huì)導(dǎo)致帶內(nèi)失真，影響 接收端的判決檢測(cè)性能，從而惡化系統(tǒng)的誤碼性能。
[0003] 針對(duì)功率放大器的非線性問(wèn)題，相關(guān)學(xué)者提出了一系列的功放線性化方法:功率 回退技術(shù)、前饋技術(shù)、包絡(luò)消除與恢復(fù)技術(shù)、非線性器件線性化技術(shù)和數(shù)字預(yù)失真技術(shù)。其 中，功率回退技術(shù)具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是電源效率較差;前饋線性化技術(shù)適合寬帶通信 且具有較好的線性化性能，但是存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高的缺點(diǎn)；對(duì)于包絡(luò)消除和恢復(fù)技 術(shù)，盡管具有較高的效率和線性化能力，但存在著延時(shí)匹配困難和復(fù)雜度較高的問(wèn)題;類(lèi) 似，非線性器件線性化技術(shù)也存在著準(zhǔn)確匹配難、自適應(yīng)差、代價(jià)成本高的缺點(diǎn)。而數(shù)字預(yù) 失真技術(shù)因其適用帶寬寬、補(bǔ)償精度高、自適應(yīng)性好和實(shí)現(xiàn)成本低的優(yōu)勢(shì)，其前景最為看 好。
[0004] 事實(shí)上，發(fā)射機(jī)的非線性來(lái)源不僅是功率放大器，還包括正交調(diào)制器。在實(shí)際系統(tǒng) 中，發(fā)射機(jī)中的正交調(diào)制器在進(jìn)行變頻過(guò)程中，存在著幅度和相位不匹配的問(wèn)題，即I/Q不 平衡的問(wèn)題，使得同相信號(hào)與正交信號(hào)之間出現(xiàn)相互干擾。此時(shí)，如果僅僅使用傳統(tǒng)的數(shù)字 預(yù)失真來(lái)改善功放的非線性，其性能是受限的。針對(duì)存在I/Q不平衡下的功放非線性失真， 傳統(tǒng)的解決方法是一種分級(jí)的策略:首先對(duì)I/Q不平衡進(jìn)行補(bǔ)償;然后再對(duì)功放的非線性進(jìn) 行數(shù)字預(yù)失真補(bǔ)償。這種方法需要在數(shù)字預(yù)失真模塊的前端設(shè)計(jì)一個(gè)I/Q不平衡補(bǔ)償?shù)哪?塊，因而增加了射頻設(shè)計(jì)的硬件開(kāi)銷(xiāo)。此外這種方法，在第一階段對(duì)I/Q不平衡進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)， 盡管對(duì)PA進(jìn)行了較大的功率回退，但是PA仍然存在著一定的非線性失真，會(huì)影響I/Q不平衡 補(bǔ)償模塊參數(shù)訓(xùn)練的準(zhǔn)確性，并導(dǎo)致第二階段的數(shù)字預(yù)失真的參數(shù)辨識(shí)過(guò)程中存在較大的 誤差，最終影響著射頻段非線性的補(bǔ)償能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是:克服來(lái)自I/Q不平衡的非線性對(duì)數(shù)字預(yù)失真的干擾， 提供一種聯(lián)合補(bǔ)償I/Q不平衡和PA非線性的數(shù)字預(yù)失真方法。該方法通過(guò)綜合考慮同時(shí)補(bǔ) 償I/Q不平衡和PA非線性的要求，在傳統(tǒng)的基于一般性記憶多項(xiàng)式（GMP，General ized Memory Polynomial)的數(shù)字預(yù)失真模型上進(jìn)一步考慮I/Q不平衡的影響，使之能夠同時(shí)完 成對(duì)I/Q不平衡非線性和功放非線性的補(bǔ)償，從而達(dá)到消除發(fā)射機(jī)中主要非線性的目的。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是:首先，根據(jù)I/Q不平衡的特點(diǎn)，推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的I/Q不平衡補(bǔ)償 模塊的數(shù)學(xué)表達(dá);其次，將I/Q不平衡補(bǔ)償模塊的數(shù)學(xué)關(guān)系帶入傳統(tǒng)的GMP模型中，得到聯(lián)合 補(bǔ)償?shù)某醪奖磉_(dá)式;第三，通過(guò)對(duì)獲得的聯(lián)合表達(dá)式進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)變換，得到便于實(shí)現(xiàn)的 聯(lián)合補(bǔ)償I/Q不平衡和PA非線性的數(shù)字預(yù)失真模型。
[0007] 技術(shù)方案包括以下步驟： 第一步:分析I/Q不平衡的特點(diǎn)，推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償模塊。
[0008] 設(shè)原始信號(hào)為六《) = /(?)+義1>)，其中，J = P，沖)和分別為信號(hào)的實(shí)部與 虛部。其對(duì)應(yīng)的受I/Q不平衡影響而發(fā)生失真的信號(hào)為^^^, (64，即：
式中，g表示增益不平衡因子4為相位不平衡因子。
[0009] I/Q不平衡補(bǔ)償模塊的目的是從失真信號(hào)心^._(?)中恢復(fù)出原始信號(hào)辦），對(duì)式 (1)進(jìn)行變換可以得到：
其中，表示共輒運(yùn)算，
[0010] 根據(jù)式(2)可知，I/Q不平衡的補(bǔ)償模塊具有如下形式：
其中，〃K)和分別為補(bǔ)償模塊的輸入和輸出，和Λ分別為I/Q不平衡補(bǔ)償模塊中 待求解的系數(shù)。
[0011]第二步:將Ι/Q不平衡補(bǔ)償模塊帶入傳統(tǒng)的數(shù)字預(yù)失真模型中。
[0012] 相比Volterra級(jí)數(shù)模型和記憶多項(xiàng)式(ΜΡ, Memory Polynomial)模型，一般性的 記憶多項(xiàng)式(GMP, Generalized Memory Polynomial)模型在復(fù)雜度和建模精度上進(jìn)行了 折中考慮，因而得到廣泛的應(yīng)用，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
其中，;t(_m)和分別為模型的輸入與輸出，1?為記憶多項(xiàng)式分支的系數(shù)，sw和e" 分別為滯后交叉項(xiàng)分支和提前交叉項(xiàng)分支的系數(shù)，Za和^分別為記憶多項(xiàng)式分支的非線 性階數(shù)和記憶深度，瑪、4和』4分別為滯后交叉部分的非線性階數(shù)、記憶深度和滯后效應(yīng)深 度，·^ :?和分別為提前交叉部分的非線性階數(shù)、記憶深度和提前效應(yīng)深度。
[0013] 將式(4)帶入式(3)，可得：
第三步:對(duì)聯(lián)合表達(dá)式進(jìn)行適當(dāng)數(shù)學(xué)變換。
則式(5)可以寫(xiě)為：
即為所求的聯(lián)合補(bǔ)償I/Q不平衡和PA非線性的數(shù)字預(yù)失真模型，其中為 和為待定求解的系數(shù)。
[0015]從式(7)可以看出，提出的聯(lián)合模型系數(shù)與模型輸出是線性關(guān)系的，因此可以類(lèi)似 于傳統(tǒng)的GMP模型，使用LS類(lèi)算法進(jìn)行系數(shù)求解。
那么，式(7)改寫(xiě)成矩陣的形式即為：
其中，覽表示信號(hào)樣點(diǎn)數(shù)目，Z為模型系數(shù)數(shù)目，即
備為所有待求解的系數(shù)的矢量表示，BP:
其中，(^表示轉(zhuǎn)置運(yùn)算。E為苽個(gè)輸出信號(hào)樣點(diǎn)的矩陣形式：
而Ii表不輸入序列生成的輸入偏置項(xiàng)對(duì)應(yīng)的矩陣：
利用LS(Least Squares)算法，系數(shù)矢量或可以通過(guò)下式進(jìn)行估計(jì)：
這里，M表示共輒轉(zhuǎn)置運(yùn)算，(曠表示矩陣求逆運(yùn)算。
[0017] 特別地，仿真中功率放大器模型選擇記憶多項(xiàng)式模型(MP, Memory Polynomial)， 其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
式中，ζ(Λ)和八《)分別為模型的輸入與輸出，這和充分別為模型的記憶深度和非線性 階數(shù)，為模型的系數(shù)，取值如下：
為有效補(bǔ)償PA的非線性，數(shù)字預(yù)失真模型選擇基于(4)式的GMP模型和基于(7)式的聯(lián) 合模型，且相關(guān)參數(shù)設(shè)置為::?"=?、4^A =2、1、叫:4和私。t。
[0018] 本發(fā)明的有益效果是： 本發(fā)明克服了 I/Q不平衡對(duì)數(shù)字預(yù)失真的非線性補(bǔ)償性能的限制，提供了一種聯(lián)合補(bǔ) 償I/Q不平衡和PA非線性的數(shù)字預(yù)失真方案。相比傳統(tǒng)的分級(jí)方法，該方案不需要預(yù)先單獨(dú) 完成對(duì)I/Q不平衡的準(zhǔn)確補(bǔ)償，因而減少了射頻硬件模塊的開(kāi)銷(xiāo)。由于通過(guò)綜合考慮I/Q不 平衡和PA非線性的影響，使得參數(shù)辨識(shí)過(guò)程中具有更高的準(zhǔn)確度，同時(shí)增強(qiáng)了對(duì)射頻非線 性補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng)能力。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1是數(shù)字預(yù)失真的基本框圖， 圖2是考慮I/Q不平衡，傳統(tǒng)的分級(jí)數(shù)字預(yù)失真的基本框圖， 圖3是在較弱I/Q不平衡條件下，不考慮I/Q不平衡補(bǔ)償?shù)臄?shù)字預(yù)失真與傳統(tǒng)的分級(jí)數(shù) 字預(yù)失真性能， 圖4是在中等I/Q不平衡條件下，不考慮I/Q不平衡補(bǔ)償?shù)臄?shù)字預(yù)失真與傳統(tǒng)的分級(jí)數(shù) 字預(yù)失真性能， 圖5是在較強(qiáng)I/Q不平衡條件下，不考慮I/Q不平衡補(bǔ)償?shù)臄?shù)字預(yù)失真與傳統(tǒng)的分級(jí)數(shù) 字預(yù)失真性能， 圖6是在較弱I/Q不平衡條件下，傳統(tǒng)的分級(jí)數(shù)字預(yù)失真與提出的聯(lián)合數(shù)字預(yù)失真性能 對(duì)比， 圖7是在中等I/Q不平衡條件下，傳統(tǒng)的分級(jí)數(shù)字預(yù)失真與提出的聯(lián)合數(shù)字預(yù)失真性能 對(duì)比， 圖8是在較強(qiáng)I/Q不平衡條件下，傳統(tǒng)的分級(jí)數(shù)字預(yù)失真與提出的聯(lián)合數(shù)字預(yù)失真性能 對(duì)比。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0021] 圖1是射頻端的數(shù)字預(yù)失真的基本框圖。如圖所示，數(shù)字預(yù)失真的參數(shù)的辨識(shí)是通 過(guò)比較前向信號(hào)與反饋信號(hào)進(jìn)行的。由于上下變頻導(dǎo)致的I/Q不平衡，將會(huì)使得反饋信號(hào)出 現(xiàn)額外的失真。如果不考慮I/Q不平衡的影響，僅僅使用數(shù)字預(yù)失真進(jìn)行PA非線性的補(bǔ)償， 那么數(shù)字預(yù)失真模塊參數(shù)辨識(shí)的準(zhǔn)確性將會(huì)受到影響，從而會(huì)顯著降低整個(gè)系統(tǒng)的非線性 補(bǔ)償性能。而如果采用傳統(tǒng)的分級(jí)處理策略，如圖2所示，首先對(duì)PA進(jìn)行較大的功率退避，使 用I/Q不平衡補(bǔ)償模塊補(bǔ)償鏈路中的I/Q不平衡，再接著使PA工作在合適的工作點(diǎn)，使用數(shù) 字預(yù)失真對(duì)PA的非線性進(jìn)行補(bǔ)償。在這種分級(jí)方案中，第一階段對(duì)I/Q不平衡補(bǔ)償模塊訓(xùn)練 時(shí)，其參數(shù)估計(jì)的準(zhǔn)確度易受到PA非線性的影響，造成較大的誤差，進(jìn)一步影響著DPD系數(shù) 訓(xùn)練的準(zhǔn)確性，最終降低了對(duì)射頻非線性的補(bǔ)償能力。
[0022] 由于聯(lián)合形式的數(shù)字預(yù)失真與不考慮I/Q不平衡傳統(tǒng)的數(shù)字預(yù)失真具有相同的系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)，下面結(jié)合根據(jù)圖1的內(nèi)容，來(lái)詳細(xì)說(shuō)明聯(lián)合數(shù)字預(yù)失真的實(shí)現(xiàn)方式： 第一，初始化該聯(lián)合的數(shù)字預(yù)失真模型的系數(shù)，使模型輸出等于模型輸入； 第二，采集功放模型的輸出信號(hào)并進(jìn)行衰減； 第三，將上述反饋失真信號(hào)與前向發(fā)送信號(hào)進(jìn)行對(duì)齊； 第四，根據(jù)式(13)來(lái)辨識(shí)該聯(lián)合數(shù)字預(yù)失真模型的參數(shù)。
[0023] 圖3是在較弱的I/Q不平衡條件下（I/Q不平衡參數(shù)設(shè)置玄= 0.02、設(shè)= 2°)，不考慮 I/Q不平衡補(bǔ)償?shù)臄?shù)字預(yù)失真與傳統(tǒng)的分級(jí)數(shù)字預(yù)失真性能對(duì)比。以信號(hào)通過(guò)功放預(yù)失真 前后的帶寬擴(kuò)展為指標(biāo):橫坐標(biāo)表示歸一化的頻率，縱坐標(biāo)表示功率譜密度。可以看到，由 于I/Q不平衡影響較弱，一方面其對(duì)數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)的影響相對(duì)較小，同時(shí)另外一方面兩個(gè) 補(bǔ)償模塊參數(shù)提取過(guò)程中存在著相互影響，即傳統(tǒng)的分級(jí)處理補(bǔ)償?shù)钠ヅ湫杂邢?，因而?統(tǒng)的分級(jí)數(shù)字預(yù)失真并未有性能提升。
[0024] 圖4是在中等的I/Q不平衡條件下（I/Q不平衡參數(shù)設(shè)置g = 〇.〇5不考慮 I/Q不平衡補(bǔ)償?shù)臄?shù)字預(yù)失真與傳統(tǒng)的分級(jí)數(shù)字預(yù)失真性能對(duì)比?？梢钥吹剑?dāng)中等的I/Q