CN102437821A - 一种合成孔径雷达发射机的线性化装置及方法 - Google Patents

一种合成孔径雷达发射机的线性化装置及方法 Download PDF

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CN102437821A CN2011103897674A CN201110389767A CN102437821A CN 102437821 A CN102437821 A CN 102437821A CN 2011103897674 A CN2011103897674 A CN 2011103897674A CN 201110389767 A CN201110389767 A CN 201110389767A CN 102437821 A CN102437821 A CN 102437821A
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吕海飞
韩非
蔡猛
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Shanghai Radio Equipment Research Institute
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Abstract

本发明涉及一种合成孔径雷达发射机的线性化装置及方法，在合成孔径雷达发射机***的前端设置一个数字预失真器，预先对待发射的数字信号进行非线性扰动，产生一个失真信号；该失真信号经过功率放大器后与功放的非线性特性进行互补，从而得到一个线性放大的发射信号。本发明能够实现对合成孔径雷达发射信号的非线性校正，提高雷达发射机功放的线性度，提高合成孔径雷达***的分辨率性能，实现高线性度的合成孔径雷达***。

Description

一种合成孔径雷达发射机的线性化装置及方法
技术领域
本发明涉及一种采用数字预失真的线性化装置及方法，具体涉及一种适用于合成孔径雷达发射机的线性化装置及方法，属于合成孔径雷达发射机***的线性化领域。
背景技术
所述的合成孔径雷达具体是指：利用雷达与目标物的相对运动将尺寸较小的真实天线孔径用数据处理的方法合成为一较大的等效天线孔径的雷达，其特点是具有较高的分辨率。合成孔径雷达主要用于航空测量、航空遥感、卫星海洋观测、航天侦察、雷达制导等领域。
实现合成孔径雷达高分辨率的关键在于雷达回波信号的脉冲压缩，雷达***线性度下降将会对脉冲压缩产生直接的影响，导致分辨率降低。由于合成孔径雷达普遍具有较宽的***带宽，为了保证雷达***的分辨率，因此对雷达发射机功放提出了很高的线性度要求。
因此，必须提供一种线性化装置及方法，用于可提高雷达发射机功放线性度。
发明内容
本发明的目的是提供一种合成孔径雷达发射机的线性化装置及方法，能够实现对合成孔径雷达发射信号的非线性校正，提高雷达发射机功放的线性度，提高合成孔径雷达***的分辨率性能，实现高线性度的合成孔径雷达***。
为实现上述目的，本发明提供一种合成孔径雷达发射机的线性化装置，其与合成孔径雷达发射机的功率放大器通过电路连接，该线性化装置具体包含通过电路连接的数字信号发生器、数字预失真器、信号转换模块、变频模块和反馈模块。
所述数字信号发生器生成数字中频宽带雷达信号。
所述数字预失真器连接数字信号发生器的输出端，其根据设定的预失真参数对数字中频宽带雷达信号进行预失真处理；并与接收到的功率放大器输出的反馈数字中频信号进行比较，通过预失真自适应算法得到数字预失真器的实时预失真参数，并对数字预失真器进行参数更新。
所述的数字预失真器包含结构相同的复制预失真器和训练预失真器。
所述的训练预失真器中设置一维查询表，该一维查询表中对应每个表地址分别设置预失真参数。
所述的信号转换模块包含数模转换器和模数转换器；所述数模转换器连接复制预失真器的输出端，其对经过预失真处理的数字中频宽带雷达信号进行数模转换，形成并输出模拟中频宽带雷达信号。
所述的变频模块连接在数模转换器的输出端和功率放大器的输入端之间，其由混频器和第一滤波器组成；所述变频模块的混频器将接收到的模拟中频宽带雷达信号转换成射频信号，再经过第一滤波器滤波后传输至功率放大器。
所述反馈模块连接功率放大器的输出端，其由耦合器、下变频器和第二滤波器组成；所述反馈模块的耦合器接收功率放大器输出的反馈射频信号，并对其进行耦合衰减，再通过下变频器形成反馈中频信号，最后经第二滤波器滤波后输出。
所述模数转换器连接在反馈模块的输出端和数字预失真器的反馈输入端之间，其接收由反馈模块输出的反馈中频信号，并进行模数转换为反馈数字中频信号后，传输至数字预失真器的反馈输入端。
本发明提供一种合成孔径雷达发射机的线性化方法，具体包含以下步骤：
步骤1、所述的复制预失真器根据预失真参数对其输入信号                                                
Figure 2011103897674100002DEST_PATH_IMAGE001
，即数字中频宽带雷达信号进行预失真处理得到
Figure 724911DEST_PATH_IMAGE002
；
步骤2、所述的训练预失真器接收由功率放大器输出的反馈数字中频信号
Figure 2011103897674100002DEST_PATH_IMAGE003
，并根据其幅度值
Figure 579734DEST_PATH_IMAGE004
获取一维查询表中对应的预失真参数；
步骤3、所述的训练预失真器通过自适应LMS算法获得当前训练预失真器的实时预失真参数更新；
步骤4、所述的训练预失真器完成一次自适应更新，将所获得的当前训练预失真器的实时预失真参数以及更新后的一维查询表复制到复制预失真器；
步骤5、重复进行步骤1～步骤4的操作，直至复制预失真器和训练预失真器的输出相同，即复制预失真器和训练预失真器的输入也相同，从而实现功率放大器输出的线性化过程。
所述的步骤2具体包含以下步骤：训练预失真器根据功率放大器输出的反馈数字中频信号
Figure 359472DEST_PATH_IMAGE003
的幅度值，计算得到其映射在一维查询表中的表地址和
Figure 945884DEST_PATH_IMAGE006
之间的点
Figure 2011103897674100002DEST_PATH_IMAGE007
上，且点
Figure 768347DEST_PATH_IMAGE007
更靠近；其中，x=1，2，……，X；X表示一维查询表的表长；
根据当前一维查询表中
Figure 171963DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 778525DEST_PATH_IMAGE006
所对应表项值
Figure 771889DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 2011103897674100002DEST_PATH_IMAGE009
，利用线性插值法即可得到与输入信号
Figure 463901DEST_PATH_IMAGE003
所对应的预扰动分量：
Figure 2011103897674100002DEST_PATH_IMAGE011
；
根据预扰动分量
Figure 98200DEST_PATH_IMAGE010
，计算得到训练预失真器（22）预失真处理的输出信号：
Figure 528044DEST_PATH_IMAGE012
。
所述的步骤3具体包含以下步骤：
Figure 2011103897674100002DEST_PATH_IMAGE013
；
Figure 707353DEST_PATH_IMAGE014
Figure 2011103897674100002DEST_PATH_IMAGE015
；
；
其中，
Figure 2778DEST_PATH_IMAGE016
为迭代步长，是一个非负常数；
Figure 2011103897674100002DEST_PATH_IMAGE017
为训练预失真器的输入信号，即功率放大器输出的反馈数字中频信号；
Figure 275628DEST_PATH_IMAGE002
为复制预失真器输出的期望响应信号，也就是经过复制预失真器预失真处理的数字中频宽带雷达信号；
Figure 4549DEST_PATH_IMAGE018
为经过训练预失真器预失真处理的输出信号；
Figure 2011103897674100002DEST_PATH_IMAGE019
则为与
Figure 456707DEST_PATH_IMAGE018
的误差值；
Figure 228354DEST_PATH_IMAGE020
为训练预失真器查询表系数，即为通过输入信号幅度计算得到的一维查询表地址所对应的表项值；即为当前训练预失真器的实时预失真参数的更新值。
本发明所述的合成孔径雷达发射机的线性化装置及方法，能够实现对合成孔径雷达发射信号的非线性校正，使雷达发射信号失真更小，提高雷达发射机功放的线性度，从而提高合成孔径雷达***的分辨率性能，实现高线性度的合成孔径雷达***。并且能够实时跟踪雷达发射机的功放变化，使整个雷达***能够动态适应外部环境、温度及功放老化所带来的性能变化，始终保持高线性度。
附图说明
图1为本发明中的合成孔径雷达发射机的线性化装置的原理框图；
图2为本发明中的合成孔径雷达发射机的线性化装置的电路结构图；
图3为本发明中的数字预失真器的结构示意框图；
图4为本发明中的一维查询表的预失真参数更新过程框图。
具体实施方式
以下结合图1～图4，详细说明本发明的一个优选实施例。
如图1所示，为本发明所提供的合成孔径雷达发射机的线性化装置的原理框图。所述线性化装置通过在数字信号发生器和功率放大器之间设置数字预失真器，对输入信号进行预扰动，使得经过该数字预失真器处理后的预失真信号具有与功率放大器的非线性特性相反的特性曲线，该预失真信号再经过功率放大器的非线性放大后，得到与输入信号呈线性放大的输出信号。
如图2所示，本发明所提供的合成孔径雷达发射机的线性化装置与合成孔径雷达发射机的功率放大器5通过电路连接，该线性化装置具体包含通过电路连接的数字信号发生器1、数字预失真器2、信号转换模块3、变频模块4和反馈模块6。本实施例中，所述的合成孔径雷达发射机的功率放大器5采用triquint公司的tga2517型号的功放。
其中，所述数字信号发生器1产生数字中频宽带雷达信号，以作为整个线性化装置的输入信号。
所述数字预失真器2连接数字信号发生器1的输出端，其根据设定的预失真参数对数字中频宽带雷达信号进行预失真处理，该数字预失真器2是非线性器件，其设定的预失真参数具有与功率放大器5相逆的特性，用于补偿和抵消功率放大器5的非线性失真。
本实施例中，所述的数字信号发生器1和数字预失真器2集成在一起由FPGA（现场可编程门阵列，Field Programmable Gata Array）实现，该FPGA可采用EP2S90F1020型号实现。
所述的数字预失真器2包含结构相同的复制预失真器21和训练预失真器22。所述的训练预失真器22中设置一维查询表23，该一维查询表23中对应每个表地址x设置有不同的预失真参数。本实施例中，该一维查询表23的表长为1024，即表地址x=1，2，……，1024。
所述的信号转换模块3包含数模（D/A）转换器31（如采用Ti DAC5682Z的型号实现）和模数（A/D）转换器32（如采用Ti ADS61B49的型号实现）。
所述D/A转换器31连接复制预失真器21的输出端，其对经过预失真处理的数字中频宽带雷达信号进行数模转换，形成并输出模拟中频宽带雷达信号。
所述的变频模块4（如采用HMC220MS8的型号实现）连接在D/A转换器31的输出端和功率放大器5的输入端之间，其由混频器和第一滤波器（图中未示）组成；所述变频模块4的混频器将接收到的模拟中频宽带雷达信号转换成射频信号，再经过第一滤波器滤波后传输至功率放大器5。
所述功率放大器5将接收到的射频信号放大后通过天线向外发射。由于之前已经通过数字预失真器2对输入信号进行了与功率放大器5相逆的非线性处理，再经过功率放大器5的非线性放大后，最终通过天线向外发射的射频信号与由数字信号发生器1生成的输入信号相比，是线性放大的（如图1所示）。
所述反馈模块6连接功率放大器5的输出端，其由耦合器、下变频器和第二滤波器（图中未示）组成；所述反馈模块6的耦合器接收功率放大器5输出的反馈射频信号，并对其进行耦合衰减，再通过下变频器形成反馈中频信号，最后经第二滤波器滤波后输出。
所述A/D转换器32连接在反馈模块6的输出端和数字预失真器2的反馈输入端之间，其接收由反馈模块6输出的反馈中频信号，并进行模数转换为反馈数字中频信号后，传输至数字预失真器2的反馈输入端。
如图3和图4所示，所述的数字预失真器2根据功率放大器5输出的反馈数字中频信号
Figure 497716DEST_PATH_IMAGE003
和经过预失真处理的数字中频宽带雷达信号
Figure 787883DEST_PATH_IMAGE022
进行比较，通过预失真自适应算法得到数字预失真器2的实时预失真参数，并对数字预失真器2进行参数更新。
以下详细描述本发明所述的合成孔径雷达发射机的线性化方法。首先根据训练预失真器22的输入信号，也就是功率放大器5输出的反馈数字中频信号
Figure 730432DEST_PATH_IMAGE003
，更新一维查询表23中的预失真参数。根据训练预失真器22的输入信号
Figure 2011103897674100002DEST_PATH_IMAGE023
的幅度值
Figure 106049DEST_PATH_IMAGE004
，获取一维查询表23中对应的预失真参数。若输入信号的幅度值
Figure 464350DEST_PATH_IMAGE004
映射在表地址
Figure 936919DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 477798DEST_PATH_IMAGE006
之间的点
Figure 403029DEST_PATH_IMAGE007
上，且点
Figure 565020DEST_PATH_IMAGE007
更靠近
Figure 626517DEST_PATH_IMAGE005
，则可以设为待更新的表地址，其所对应的表项值
Figure 261077DEST_PATH_IMAGE008
为待更新的预失真参数。根据当前一维查询表23中
Figure 289076DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 408342DEST_PATH_IMAGE006
所对应表项值
Figure 598015DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 934056DEST_PATH_IMAGE009
，利用线性插值法即可得到与输入信号所对应的预扰动分量：
Figure 100092DEST_PATH_IMAGE011
；
根据预扰动分量
Figure 424894DEST_PATH_IMAGE010
，计算得到训练预失真器（22）预失真处理的输出信号：
Figure 794696DEST_PATH_IMAGE012
。
如图3所示，根据预扰动分量
Figure 622974DEST_PATH_IMAGE010
，通过自适应LMS（最小均方差）算法来获得当前训练预失真器22的实时预失真参数更新值，具体步骤如下：
；
Figure 468013DEST_PATH_IMAGE014
Figure 579188DEST_PATH_IMAGE015
；
Figure 589870DEST_PATH_IMAGE012
；
其中，
Figure 495509DEST_PATH_IMAGE016
为迭代步长，是一个非负常数，影响着自适应LMS算法的收敛速度和稳定性（一般情况下0＜＜1）；
Figure 240928DEST_PATH_IMAGE017
为训练预失真器22的输入信号，即功率放大器5输出的反馈数字中频信号；
Figure 106116DEST_PATH_IMAGE002
为复制预失真器21输出的期望响应信号，也就是经过复制预失真器21预失真处理的数字中频宽带雷达信号；为经过训练预失真器22预失真处理的输出信号；
Figure 264619DEST_PATH_IMAGE019
则为
Figure 452018DEST_PATH_IMAGE002
与
Figure 437292DEST_PATH_IMAGE018
的误差值；
Figure 684734DEST_PATH_IMAGE020
为训练预失真器查询表系数，即为通过输入信号幅度计算得到的一维查询表地址所对应的表项值
Figure 755458DEST_PATH_IMAGE008
；
Figure 746547DEST_PATH_IMAGE021
即为当前训练预失真器的实时预失真参数的更新值。
当在训练预失真器22中完成一次自适应更新过程后，将所获得的当前训练预失真器22的实时预失真参数以及更新后的一维查询表23复制到复制预失真器21，并对复制预失真器的输入信号
Figure 586327DEST_PATH_IMAGE024
进行预失真处理得到
Figure 2011103897674100002DEST_PATH_IMAGE025
；随后再次根据反馈信号
Figure 506135DEST_PATH_IMAGE026
对训练预失真器22进行一维查询表23的预失真参数更新，以及获得当前训练预失真器22的实时预失真参数。
以此类推，反复进行训练、更新、复制的自适应算法，直至复制预失真器21和训练预失真器22的输出趋近相同，即
Figure 2011103897674100002DEST_PATH_IMAGE027
=
Figure 736260DEST_PATH_IMAGE022
，此时误差
Figure 531040DEST_PATH_IMAGE019
=0，则复制预失真器21和训练预失真器22的输入也将一致，即有
Figure 225327DEST_PATH_IMAGE028
，从而实现功率放大器5输出的线性化过程。
本发明所述的合成孔径雷达发射机的线性化装置及方法，能够实现对合成孔径雷达发射信号的非线性校正，使雷达发射信号失真更小，提高雷达发射机功放的线性度，从而提高合成孔径雷达***的分辨率性能，实现高线性度的合成孔径雷达***。并且能够实时跟踪雷达发射机的功放变化，使整个雷达***能够动态适应外部环境、温度及功放老化所带来的性能变化，始终保持高线性度。
另外，由于本发明中的数字预失真器与数字信号发生器集成在一起，由FPGA实现，因此数字预失真器的参数更新是在数字信号发生器发射数字脉冲的间隔时间进行的，因此有效降低了对FPGA处理速度的需求。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种合成孔径雷达发射机的线性化装置，与合成孔径雷达发射机的功率放大器（5）通过电路连接，其特征在于，该线性化装置具体包含通过电路连接的数字信号发生器（1）、数字预失真器（2）、信号转换模块（3）、变频模块（4）和反馈模块（6）；
所述数字信号发生器（1）生成数字中频宽带雷达信号；
所述数字预失真器（2）连接数字信号发生器（1）的输出端，其根据设定的预失真参数对数字中频宽带雷达信号进行预失真处理；并与接收到的功率放大器（5）输出的反馈数字中频信号进行比较，通过预失真自适应算法得到数字预失真器（2）的实时预失真参数，并对数字预失真器（2）进行参数更新。
2.如权利要求1所述的合成孔径雷达发射机的线性化装置，其特征在于，所述的数字预失真器（2）包含结构相同的复制预失真器（21）和训练预失真器（22）。
3.如权利要求2所述的合成孔径雷达发射机的线性化装置，其特征在于，所述的训练预失真器（22）中设置一维查询表（23）；该一维查询表（23）中对应每个表地址分别设置预失真参数。
4.如权利要求2所述的合成孔径雷达发射机的线性化装置，其特征在于，所述的信号转换模块（3）包含数模转换器（31）和模数转换器（32）；
所述数模转换器（31）连接复制预失真器（21）的输出端，其对经过预失真处理的数字中频宽带雷达信号进行数模转换，形成并输出模拟中频宽带雷达信号。
5.如权利要求4所述的合成孔径雷达发射机的线性化装置，其特征在于，所述的变频模块（4）连接在数模转换器（31）的输出端和功率放大器（5）的输入端之间，其由混频器和第一滤波器组成；
所述变频模块（4）的混频器将接收到的模拟中频宽带雷达信号转换成射频信号，再经过第一滤波器滤波后传输至功率放大器（5）。
6.如权利要求5所述的合成孔径雷达发射机的线性化装置，其特征在于，所述反馈模块（6）连接功率放大器（5）的输出端，其由耦合器、下变频器和第二滤波器组成；
所述反馈模块（6）的耦合器接收功率放大器（5）输出的反馈射频信号，并对其进行耦合衰减，再通过下变频器形成反馈中频信号，最后经第二滤波器滤波后输出。
7.如权利要求6所述的合成孔径雷达发射机的线性化装置，其特征在于，所述模数转换器（32）连接在反馈模块（6）的输出端和数字预失真器（2）的反馈输入端之间，其接收由反馈模块（6）输出的反馈中频信号，并进行模数转换为反馈数字中频信号后，传输至数字预失真器（2）的反馈输入端。
8.一种合成孔径雷达发射机的线性化方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1、所述的复制预失真器（21）根据预失真参数对其输入信号                                               
Figure 2011103897674100001DEST_PATH_IMAGE002
，即数字中频宽带雷达信号进行预失真处理得到
Figure 2011103897674100001DEST_PATH_IMAGE004
；
步骤2、所述的训练预失真器（22）接收由功率放大器（5）输出的反馈数字中频信号
Figure 2011103897674100001DEST_PATH_IMAGE006
，并根据其幅度值
Figure 2011103897674100001DEST_PATH_IMAGE008
获取一维查询表（23）中对应的预失真参数；
步骤3、所述的训练预失真器（22）通过自适应LMS算法获得当前训练预失真器（22）的实时预失真参数更新；
步骤4、所述的训练预失真器（22）完成一次自适应更新，将所获得的当前训练预失真器（22）的实时预失真参数以及更新后的一维查询表（23）复制到复制预失真器（21）；
步骤5、重复进行步骤1～步骤4，直至复制预失真器（21）和训练预失真器（22）的输出相同，即复制预失真器（21）和训练预失真器（22）的输入也相同，从而实现功率放大器（5）输出的线性化过程。
9.如权利要求8所述的合成孔径雷达发射机的线性化方法，其特征在于，所述的步骤2具体包含以下步骤：
训练预失真器（22）根据功率放大器（5）输出的反馈数字中频信号
Figure 2011103897674100001DEST_PATH_IMAGE010
的幅度值，得到其映射在一维查询表（23）中的表地址
Figure 2011103897674100001DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 2011103897674100001DEST_PATH_IMAGE014
之间的点
Figure 2011103897674100001DEST_PATH_IMAGE016
上，且点
Figure 806862DEST_PATH_IMAGE016
更靠近
Figure 524282DEST_PATH_IMAGE012
；其中，x=1，2，……，X；X表示一维查询表（23）的表长；
根据当前一维查询表（23）中、
Figure 858497DEST_PATH_IMAGE014
所对应表项值
Figure 2011103897674100001DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 2011103897674100001DEST_PATH_IMAGE020
，利用线性插值法即可得到与输入信号所对应的预扰动分量
Figure 2011103897674100001DEST_PATH_IMAGE022
：
Figure 2011103897674100001DEST_PATH_IMAGE024
；
根据预扰动分量
Figure 197260DEST_PATH_IMAGE022
，计算得到训练预失真器（22）预失真处理的输出信号：
Figure 2011103897674100001DEST_PATH_IMAGE026
。
10.如权利要求8所述的合成孔径雷达发射机的线性化方法，其特征在于，所述的步骤3具体包含以下步骤：
Figure 2011103897674100001DEST_PATH_IMAGE028
；
Figure 2011103897674100001DEST_PATH_IMAGE030
Figure 2011103897674100001DEST_PATH_IMAGE032
；
；
其中，
Figure 2011103897674100001DEST_PATH_IMAGE034
为迭代步长，是一个非负常数；
Figure 2011103897674100001DEST_PATH_IMAGE036
为训练预失真器（22）的输入信号，即功率放大器（5）输出的反馈数字中频信号；为复制预失真器（21）输出的期望响应信号，也就是经过复制预失真器（21）预失真处理的数字中频宽带雷达信号；
Figure 2011103897674100001DEST_PATH_IMAGE040
为经过训练预失真器（22）预失真处理的输出信号；
Figure 2011103897674100001DEST_PATH_IMAGE042
则为
Figure 563574DEST_PATH_IMAGE038
与
Figure 743889DEST_PATH_IMAGE040
的误差值；
Figure 2011103897674100001DEST_PATH_IMAGE044
为训练预失真器查询表系数，即为通过输入信号幅度计算得到的一维查询表地址所对应的表项值
Figure 435901DEST_PATH_IMAGE018
；即为当前训练预失真器（22）的实时预失真参数的更新值。
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