CN104716918B - 多载波无人机数据链发射***增益控制方法 - Google Patents

多载波无人机数据链发射***增益控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种多载波无人机数据链发射***增益控制方法，能够提高频谱利用率和发射效率。本发明采取的技术方案包括：将多载波作为无人机数据链发射***的波形；并针对多载波的高峰均比在基带对多载波进行时域的削峰处理；然后在射频前端采集功放反馈信号在基带进行数字预失真运算。

Description

多载波无人机数据链发射***增益控制方法
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，更具体地说，是一种数据链发射***增益控制方法。
背景技术
无人机(UAV)是一种以无线电遥控或自身程序控制为主的无人驾驶飞行器，诞生于20世纪初期。经过近百年的发展，无人机在军事、国民经济与科学研究等领域得到了广泛的应用。当代无人机肩负着目标跟踪、地面监测等任务，因其自身具备体积小、灵活性强等优点，在军事、民用领域扮演着极为重要的角色。
无人机数据链的性能直接决定了无人机执行任务的安全性和飞行效能，是无人机的大脑和眼睛。无人机数据链按数据传输方向的不同可分为上行（遥控）链路和下行（遥测、遥感）链路。上行链路主要完成地面站至无人机的遥控指令的发送，实现飞行姿态实时控制和指挥自动化；下行链路主要完成无人机至地面站的遥测数据和红外遥感或电视侦察等图像、视频的发送以及飞行姿态、GPS跟踪定位等信息的传输。下行链路主要的性能要求是更高的保密性、更快的数据传输速率和更强抗干扰能力。而现阶段无人机下行链路主要采用基于单载波的各类调制技术，其频带利用率不高，数据传输速率低，且保密性和抗干扰能力较差。
为了提高数据链发射***的频谱利用率和发射效率引入多载波技术，本文将多载波技术引入无人机数据链的下行链路，需要说明的是，多载波技术相较于跳频技术都能带来频带利用率的提高，却多载波技术因为摒弃了跳频图案等相关技术，从而降低了实现难度和实现复杂度。
但是，伴随着一个相应的问题是由于多载波信号在时域上产生的较大的峰均比，为了保证的相应的发射功率此时需要采用更大功率的功放管，使得功耗增加，效率降低，也提高了生产成本。另外，在频谱资源日益紧张的今天，现代通信***更趋向于采用比恒定包络调制方式具有更高频谱效率的非恒定包络的线性调制方式，而这种调制方式对高功率放大器的线性度要求较高，所以采用这种调制方式需要采用线性化技术来改善功率放大器的线性度。
预失真技术是线性化技术发展中最重要的一步，它最初应用于模拟通信***中的射频部分，随着DSP技术的发展，亦可在数字域内实现，形成数字预失真技术。数字预失真技术既可以应用在数字通信***的基带部分，也可以应用在射频部分，而且预失真技术还可以利用自适应原理来跟踪补偿功率放大器由于温度、湿度等环境因素改变而造成的误差。总之，预失真技术不但可以提升发射机的效率，降低成本与缩小体积，亦能有效增加发射机的线性度以提升***效能与通信质量，是一种适应现代数字通信发展的线性化技术。
所以，为了应对多载波信号时域中较高的峰均比，针对低功耗、高效率数据链发射***研制，进一步将削峰和数字预失真等技术在数据链发射***的设计中予以引入整合。
需要强调的是，削峰和削峰的架构和求解计算方法很多，诸如分别对应的峰值抵消法和查找表方法等等，本文不限于其中特定一种。
然后，针对多载波功率不平衡在时域中进行采集功放主链路和反馈链路的信号，并进行时延、相位幅度对齐等预处理，同时包括通过基带模块引入频点-增益修正表格的频域处理方法。
关于这一领域的专利文献没有检索到。
发明内容
本发明的目的是提出一种多载波无人机数据链发射***增益控制方法，能够提高频谱利用率和发射效率。
本发明采取的技术方案为，一种多载波无人机数据链发射***增益控制方法，包括：
将多载波作为无人机数据链发射***的波形；并针对多载波的高峰均比在基带对多载波进行时域的削峰处理；
然后在射频前端采集功放反馈信号在基带进行数字预失真运算。
进一步地，所述数字预失真运算包括：
步骤201、削峰处理后的多载波主链路信号经过第一次数字预失真后得到预失真信号；
步骤202、用所述预失真信号取代削峰处理后的多载波主链路信号与反馈信号做数字预失真处理，提取预失真表格增益；
步骤203、将预失真信号和反馈链路信号进行时延、相位幅度对齐处理，然后用步骤202得到的预失真表格增益对反馈信号进行修正；
步骤204、将修正后的反馈信号与多载波主链路信号进行数字预失真处理。
本发明具有的优点和有益效果：本发明将多载波作为无人机数据链发射***的波形，提高了频谱利用率和发射效率；同时，为了抑制多载波信号较高的峰均比进一步将削峰对主链路基带信号进行处理；为了使数据链发射***满足低功耗、高效率，在射频前端采集功放反馈信号在基带进行数字预失真运算，将第一次数字预失真后得到预失真信号与反馈信号计算得到数字预失真增益对反馈信号进行补偿后，与多载波主链路信号进行数字预失真处理，解决了数字预失真在迭代过程中由于功放失真特性的嵌套性而引起的表格失真累积现象。
附图说明
图1为常规预失真结构框图。
图2为常规提取预失真表格结构图。
图3为常规数据链发射***中整合削峰和数字预失真等技术的***框图。
图4为本发明链路反馈链路调节增益框图。
具体实施方式
本发明采取的技术方案为，一种多载波无人机数据链发射***增益控制方法，包括：
将多载波作为无人机数据链发射***的波形；并针对多载波的高峰均比在基带对多载波进行时域的削峰处理；
然后在射频前端采集功放反馈信号在基带进行数字预失真运算。
进一步地，所述数字预失真运算包括：
步骤201、削峰处理后的多载波主链路信号经过第一次数字预失真后得到预失真信号；
步骤202、用所述预失真信号取代削峰处理后的多载波主链路信号与反馈信号做数字预失真处理，提取预失真表格增益；
步骤203、将预失真信号和反馈链路信号进行时延、相位幅度对齐处理，然后用步骤202得到的预失真表格增益对反馈信号进行修正；
步骤204、将修正后的反馈信号与多载波主链路信号进行数字预失真处理。
为了提高数据链发射***的频谱利用率和发射效率，将多载波作为无人机数据链发射***的波形。针对由此引入的多载波信号较高的峰均比，进一步将削峰对主链路基带信号进行处理；同时，面向低功耗、高效率数据链发射***研制，在射频前端采集功放反馈信号在基带进行数字预失真运算。将第一次数字预失真后得到预失真信号与反馈信号计算得到数字预失真增益对反馈信号进行补偿后，与多载波主链路信号进行数字预失真处理，解决了数字预失真在迭代过程中由于功放失真特性的嵌套性而引起的表格失真累积现象。
需要说明的是，削峰和数字预失真的架构和求解计算方法很多，诸如分别对应的峰值抵消法和查找表方法等等，本文不限于其中特定一种。
削峰的算法本文采用的是简单的阈值法，并在后面通过采用一定的成型滤波器进行。
为了便于实现，本方法采用的预失真结构是常规的查找表（Look-Up Table，LUT）方法，如图1所示。图1中的预失真***结构包含两个通道：训练通道和预失真通道。训练通道是一个环路结构，其核心部分为预失真算法模块，该模块对经功放后的反馈信号和主链路输入信号进行处理，得到功放的失真特性，然后得到功放失真反特性的LUT参数。当功放特性随着时间或外界环境变化发生改变时，可以通过自适应的预失真算法来更新LUT参数。
图2给出了一种常规的基本提取预失真表格结构。其中，削峰后的主链路输入信号为X，反馈信号为Y，预失真信号为X’，预失真反馈信号为Y’。第一次运行时，***直通，X'=X，将主链路输入信号通过功放之后得到的反馈进行数字预失真运算，通过求解min|Y'-X'|得到LUT参数，在迭代过程中不断修正LUT参数，直到输出信号得到满意的效果。提取此时LUT参数作为这一输出功率下的预失真LUT供***使用。
在数据链发射***中整合削峰和数字预失真技术的常规***框图为图3所示。
增益是链路的一个重要参数，对于数字预失真子***，链路增益调节需要非常慎重，这是因为数字预失真在表格更新迭代的过程中会因为功放失真特性的嵌套性而引起表格失真累积现象。如果此时增益调整不当或者出现偏差将导致输出信号异常，造成输出信号过大甚至烧毁功放。
本发明***中数字预失真***反馈调节的链路增益如图4所示。
我们定义：预失真表格增益表示为GDPD(X)；链路和功放线性增益表示为Glinear(X)；功放的非线性增益表示为：Gnonlinear(X)。由此可以得到预失真前和预失真后的链路增益公式分别为：
Y=Glinear(X)Gnonlinear(X)X
YDPD=Glinear(X)Gnonlinear(X')X'=Glinear(X)Gnonlinear(X')GDPD(X)X
忽略Glinear(X)、Gnonlinear(X)分别与Glinear(X')、Gnonlinear(X')之间的误差，要使得Y=YDPD则必须使得GDPD(X)=1。
显然，预失真表格存在增益，每次预失真迭代处理都进行预失真表格增益补偿。在迭代过程中，由于功放失真特性的嵌套性，计算得到的预失真表格增益显然不等于功放非线性失真的特性。
根据上文的分析，采用一种修正增益补偿方案，其实现步骤如下：
1、用X'取代X，与Y做数字预失真处理（索引也为X'），其目的是提取的预失真表格增益GDPD(X')；
2、再对Y做与X'的幅度、相位对齐时，幅度上使得Y=X'*GDPD(X')
3、将采用上式相位幅度对齐得到的反馈信号Y，用原来的预失真迭代方法做处理得到的预失真表格无需再进行表格增益补偿。
需要特别说明是，计算两个信号的能量差补偿到幅度对齐增益的倍数需要开根号；能量检测可以时域和频域进行。

Claims (1)

1.一种多载波无人机数据链发射***增益控制方法，其特征在于，包括：
将多载波作为无人机数据链发射***的波形；并针对多载波的高峰均比在基带对多载波进行时域的削峰处理；
在射频前端采集功放反馈信号在基带进行数字预失真运算；
所述数字预失真运算包括：
步骤201、削峰处理后的多载波主链路信号经过第一次数字预失真后得到预失真信号；
步骤202、用所述预失真信号取代削峰处理后的多载波主链路信号，与反馈信号做数字预失真处理，提取预失真表格增益；
步骤203、将预失真信号和反馈链路信号进行时延、相位幅度对齐处理，然后用步骤202得到的预失真表格增益对反馈信号进行修正；
步骤204、将修正后的反馈信号与多载波主链路信号进行数字预失真处理。
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