CN109617842B - 一种全数字多波束发射机的数字预失真***及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全数字多波束发射机的数字预失真***及其方法，所述数字预失真***包括全数字波束成形网络、数字预失真模块、系数提取模块、功率放大器、发射天线阵、反馈回路接收天线和信号分解模块。本发明还基于该***提供一种全数字多波束发射机的数字预失真方法。本发明结合了全数字波束成形技术和数字预失真技术，解决了全数字多波束场景下波束合成和非线性问题，能够以较低的代价产生目标波束并实现线性化。

Description

一种全数字多波束发射机的数字预失真***及其方法
技术领域
本发明属于数字预失真技术，尤其涉及一种针对全数字多波束发射机的数字预失真***及方法。
背景技术
多用户场景是未来第五代移动通信(5G)***的一个重要问题，基于大规模多输入多输出技术的全数字多波束***受到了广泛关注，其通过放置大量的天线单元形成高增益的波束来提高数据传输速率，并且由于波束成形在数字域实现，因而可以实现非常灵活的波束扫描。像传统的而通信***一样，为了保证***的工作效率，射频功率放大器必须工作在非线性区域，会带来严重的带内失真和带外失真。
近年来，数字预失真技术凭借其成本低以及高精度等优点得到了长足的发展，被广泛应用于通信***的线性化中。然而，在全数字多波束***中，传统数字预失真技术将会遭到重大挑战。因为波束成形在数字域实现，功率放大器的非线性引入的各个波束的交叉信号会导致波束无法形成，同时也难以分离出对应于各个波束的输出信号用于提取数字预失真参数。因此，直接将传统的数字预失真技术应用于全数字多波束***是不可行的。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的是提供一种全数字多波束发射机的数字预失真***，同时还提供一种全数字多波束发射机的数字预失真方法，旨在解决波束无法形成的问题并实现波束的线性化。
技术方案：一种全数字多波束发射机的数字预失真***，所述***包括全数字波束成形网络、数字预失真模块、系数提取模块、功率放大器、发射天线阵、反馈回路接收天线和信号分解模块，若干个波束信号在全数字波束成形网络中进行移相并对应相加，产生若干个输出信号，然后分别输入到对应的数字预失真模块中产生数字预失真信号，接着将数字预失真信号传输到对应的功率放大器中，所述功率放大器的输出馈入发射天线阵并辐射，在空间中的目标位置产生相应的波束；放置在空间中任意位置的反馈回路接收天线将接收到的信号送入信号分解模块，通过信号分解模型分解得到K个功率放大器对应的输出信号并送入对应的系数提取模块，所述系数提取模块用于提取数字预失真系数，然后将输出的系数送入对应的数字预失真模块中进行系数更新。
进一步的，所述全数字波束成形网络包括波束成形模型，所述波束成形模型数学表达式如下：
Figure BDA0001976962920000021
式中，zk(n)为全数字波束成形网络生成的第k个输出信号的第n个样本，n的取值范围由具体的采样时间决定，xm(n)为第m个波束输入信号的第n个样本，M为波束信号的个数，αkm是数字波束成形网络中赋予第k个输出的对应的第m个波束输入信号的相位。
所述数字预失真模块搭载数字预失真模型，数字预失真模型表达式如下所示：
Figure BDA0001976962920000022
式中，u(n)为数字预失真模块生成的数字预失真信号的第n个样本，n的取值范围由具体的采样时间决定，Q为记忆深度，P为系数提取模型的阶数，aq为线性项中记忆深度为q的相应项的系数，cpq,1为一阶项中阶数为p且记忆深度为q的相应项的系数，cpq,21为第一种二阶项中阶数为p且记忆深度为q的相应项的系数，cpq,22为第二种二阶项中阶数为p且记忆深度为q的相应项的系数，cpq,23为第三种二阶项中阶数为p且记忆深度为q的相应项的系数，cpq,24为第四种二阶项中阶数为p且记忆深度为q的相应项的系数，z(n-q)为输入信号的第n-q个样本，z(n)为输入信号的第n个样本，βp为p阶项对应的门限，βp＝p/P，θ(n-q)为z(n-q)的相位。
所述信号分解模块搭载信号分解模型，所述信号分解模型的数学表达式如下所示：
Figure BDA0001976962920000031
式中，y(n)为接受天线接收到的信号的第n个样本，n的取值范围由具体的采样时间决定，Q为记忆深度，P为非线性的阶数，K为发射机中通道的个数，akq为第k个通道的输出信号对应的线性项中记忆深度为q的相应项的系数，ckpq,1为第k个通道的输出信号对应的一阶项中阶数为p且记忆深度为q的相应项的系数，ckpq,21为第k个通道的输出信号对应的第一种二阶项中阶数为p且记忆深度为q的相应项的系数，ckpq,22为第k个通道的输出信号对应的第二种二阶项中阶数为p且记忆深度为q的相应项的系数，ckpq,23为第k个通道的输出信号对应的第三种二阶项中阶数为p且记忆深度为q的相应项的系数，ckpq,24为第k个通道的输出信号对应的第四种二阶项中阶数为p且记忆深度为q的相应项的系数，uk(n-q)为第k个通道的输入信号的第n-q个样本，uk(n)为第k个通道的输入信号的第n个样本，zk(n)为第k个通道的输出信号的第n个样本，βp为p阶项对应的门限，βp＝p/P，θk(n-q)为uk(n-q)的相位。
所述***中数字预失真模块和系数提取模块的个数K与实际发射机中通道个数保持一致。
一种全数字多波束发射机的数字预失真***的数字预失真方法，包括以下步骤：
(1)M个波束信号进入数字波束成形网络利用波束成形模型产生K个输出信号，M为实际***中的波束的个数，K为发射机中通道的个数；
(2)K个输出信号分别依次送到对应的数字预失真模块中，对应的数字预失真模块产生对应的数字预失真信号；
(3)K个数字预失真信号送到对应的系数提取模块，同时送到对应的功率放大器产生输出信号；
(4)K个功率放大器的输出信号馈入发射天线阵列并辐射出去，在空间中的目标位置产生M个波束；
(5)放置在空间中任意位置的反馈回路接收天线将接收到的信号送入信号分解模块，利用信号分解模型分解得到K个功率放大器对应的输出信号并送入对应的系数提取模块；
(6)由系数提取模块中提取对应的数字预失真系数，然后将输出送入对应的数字预失真模块中更新系数；
(7)迭代步骤(1)-步骤(6)，直至满足线性化要求后停止迭代。
本发明与现有技术相比，具有如下的有益效果：
1)在数字域实现波束成形，大大增加了波束扫描的灵活度；
2)基于传统的数字预失真技术和信号分解，解决了波束无法形成和非线性失真的问题，能以较低的代价产生波束并实现线性化；
3)继承了传统数字预失真技术的优点，通过将数字预失真模块放置在全数字波束成形网络之后，以较低的复杂度实现线性化。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中的***的框图；
图2为实施例中数字预失真在波束1方向上的输出信号的功率谱图；
图3为实施例中数字预失真在波束2方向上的输出信号的功率谱图；
图4为实施例中数字预失真在波束3方向上的输出信号的功率谱图。
具体实施方式
为了详细的说明本发明所公开的技术方案，下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步的介绍。
本发明提供的是一种全数字多波束发射机的数字预失真***及方法。对于全数字多波束发射机的数字预失真***，如图1所示，包括全数字波束成形网络，M个波束信号在波束成形网络里移相并对应相加产生K个输出，然后分别送到对应的第一数字预失真模块、第二数字预失真模块、……、第K数字预失真模块产生对应的数字预失真信号；接着K个数字预失真信号送到对应的第一系数提取模块、第二系数提取模块、……、第K系数提取模块，同时送到对应的功率放大器；下一步K个功率放大器的输出馈入发射天线阵列并辐射出去，从而在空间中的目标位置产生M个波束；放置在空间中任意位置的反馈回路接收天线将接收到的信号送入信号分解模块，利用信号分解模型分解得到K个功率放大器对应的输出信号并送入对应的第一系数提取模块、第二系数提取模块、……、第K系数提取模块用于提取数字预失真系数，然后将输出的系数送入对应的第一数字预失真模块、第二数字预失真模块、……、第K数字预失真模块用于更新系数。
其中，全数字波束成形网络包括波束成形模型，波束成形模型如式(1)所示：
Figure BDA0001976962920000051
式(1)中，zk(n)为全数字波束成形网络生成的第k个输出信号的第n个样本，n的取值范围由具体的采样时间决定，xm(n)为第m个波束输入信号的第n个样本，M为波束信号的个数，αkm是数字波束成形网络中赋予第k个输出的对应的第m个波束输入信号的相位。
其中，数字预失真模块包括数字预失真模型，数字预失真模型如式(2)所示：
Figure BDA0001976962920000052
式(1)中，u(n)为数字预失真模块生成的数字预失真信号的第n个样本，n的取值范围由具体的采样时间决定，Q为记忆深度，P为系数提取模型的阶数，aq为线性项中记忆深度为q的相应项的系数，cpq,1为一阶项中阶数为p且记忆深度为q的相应项的系数，cpq,21为第一种二阶项中阶数为p且记忆深度为q的相应项的系数，cpq,22为第二种二阶项中阶数为p且记忆深度为q的相应项的系数，cpq,23为第三种二阶项中阶数为p且记忆深度为q的相应项的系数，cpq,24为第四种二阶项中阶数为p且记忆深度为q的相应项的系数，z(n-q)为输入信号的第n-q个样本，z(n)为输入信号的第n个样本，βp为p阶项对应的门限，βp＝p/P，θ(n-q)为z(n-q)的相位。
其中，信号分解模块包括信号分解模型，信号分解模型如式(3)所示：
Figure BDA0001976962920000061
式(1)中，y(n)为接受天线接收到的信号的第n个样本，n的取值范围由具体的采样时间决定，Q为记忆深度，P为非线性的阶数，K为发射机中通道的个数，akq为第k个通道的输出信号对应的线性项中记忆深度为q的相应项的系数，ckpq,1为第k个通道的输出信号对应的一阶项中阶数为p且记忆深度为q的相应项的系数，ckpq,21为第k个通道的输出信号对应的第一种二阶项中阶数为p且记忆深度为q的相应项的系数，ckpq,22为第k个通道的输出信号对应的第二种二阶项中阶数为p且记忆深度为q的相应项的系数，ckpq,23为第k个通道的输出信号对应的第三种二阶项中阶数为p且记忆深度为q的相应项的系数，ckpq,24为第k个通道的输出信号对应的第四种二阶项中阶数为p且记忆深度为q的相应项的系数，uk(n-q)为第k个通道的输入信号的第n-q个样本，uk(n)为第k个通道的输入信号的第n个样本，zk(n)为第k个通道的输出信号的第n个样本，βp为p阶项对应的门限，βp＝p/P，θk(n-q)为uk(n-q)相位。
本发明所提供的一种全数字多波束发射机的数字预失真方法，包括以下步骤：
S1：M个波束信号进入数字波束成形网络利用波束成形模型产生K个输出信号，M为实际***中的波束的个数，K为发射机中通道的个数；
S2：K个输出信号依次送到对应的第一数字预失真模块、第二数字预失真模块、……、第K数字预失真模块产生对应的数字预失真信号；
S3：K个数字预失真信号送到对应的第一系数提取模块、第二系数提取模块、……、第K系数提取模块，同时送到对应的功率放大器产生输出信号；
S4：K个功率放大器的输出信号馈入发射天线阵列并辐射出去，在空间中的目标位置产生M个波束；
S5：放置在空间中任意位置的反馈回路接收天线将接收到的信号送入信号分解模块，利用信号分解模型分解得到K个功率放大器对应的输出信号并送入对应的第一系数提取模块、第二系数提取模块、……、第K系数提取模块；
S6：在第一系数提取模块、第二系数提取模块、……、第K系数提取模块中提取对应的数字预失真系数，然后将输出送入对应的第一数字预失真模块、第二数字预失真模块、……、第K数字预失真模块用于更新系数；
S7：迭代S1-S6，直至满足线性化要求后停止迭代。
上述的数字预失真模块和系数提取模块的个数K与实际发射机中通道个数保持一致，可以根据实际需要增加。
以三个带宽为20MHz的输入信号，具有三个波束的两通道全数字多波束发射机为例，其中非线性阶数和记忆深度取为8和4，全数字波束成形网络赋予三个波束信号的相位差分别为-45度、0度和45度。在三个目标波束方向上，采用本发明提出的数字预失真技术前后的输出信号的功率谱图如图2-图4，相邻信道泄露比(ACLR)如表1所示。从中可以看到，相比于未采用数字预失真技术，采用本发明提出的数字预失真技术很好地补偿了非线性失真，相邻信道泄露比可以提升超过10dB。同时，将采用本发明提出的数字预失真技术后的输出信号进行分解得到三个波束的信号，并与原始波束输入信号计算归一化均方根误差如表2所示，由于采用本发明提出的数字预失真技术前无法形成波束，这时候计算归一化均方根误差没有意义，所以没有列出。从表2可以看到，采用本发明提出的数字预失真技术后，解决了波束无法形成的问题，三个波束方向上的归一化均方根误差均小于-40dB，表明带内失真和带外失真都得到了很好地补偿。
表1相邻信道泄露功率(dBc)
Figure BDA0001976962920000071
表2归一化均方根误差(dB)
Figure BDA0001976962920000072

Claims (6)

1.一种全数字多波束发射机的数字预失真***，其特征在于：所述***包括全数字波束成形网络、数字预失真模块、系数提取模块、功率放大器、发射天线阵、反馈回路接收天线和信号分解模块，若干个波束信号在全数字波束成形网络中进行移相并对应相加，产生若干个输出信号，然后分别输入到对应的数字预失真模块中产生数字预失真信号，接着将数字预失真信号同时传输到对应的功率放大器和系数提取模块中，所述功率放大器的输出馈入发射天线阵并辐射，在空间中的目标位置产生相应的波束；放置在空间中任意位置的反馈回路接收天线将接收到的信号送入信号分解模块，通过信号分解模型分解得到K个功率放大器对应的输出信号并送入对应的系数提取模块，所述系数提取模块用于提取数字预失真系数，然后将输出的系数送入对应的数字预失真模块中进行系数更新。
2.根据权利要求1所述的全数字多波束发射机的数字预失真***，其特征在于：所述全数字波束成形网络包括波束成形模型，所述波束成形模型数学表达式如下：
Figure FDA0002885251170000011
式中，zk(n)为全数字波束成形网络生成的第k个输出信号的第n个样本，n的取值范围由具体的采样时间决定，xm(n)为第m个波束输入信号的第n个样本，M为波束信号的个数，αkm是数字波束成形网络中赋予第k个输出的对应的第m个波束输入信号的相位。
3.根据权利要求1所述的全数字多波束发射机的数字预失真***，其特征在于：所述数字预失真模块搭载数字预失真模型，数字预失真模型表达式如下所示：
Figure FDA0002885251170000012
式中，u(n)为数字预失真模块生成的数字预失真信号的第n个样本，n的取值范围由具体的采样时间决定，Q为记忆深度，P为系数提取模型的阶数，aq为线性项中记忆深度为q的相应项的系数，cpq,1为一阶项中阶数为p且记忆深度为q的相应项的系数，cpq,21为第一种二阶项中阶数为p且记忆深度为q的相应项的系数，cpq,22为第二种二阶项中阶数为p且记忆深度为q的相应项的系数，cpq,23为第三种二阶项中阶数为p且记忆深度为q的相应项的系数，cpq,24为第四种二阶项中阶数为p且记忆深度为q的相应项的系数，z(n-q)为输入信号的第n-q个样本，z(n)为输入信号的第n个样本，βp为p阶项对应的门限，βp＝p/P，θ(n-q)为z(n-q)的相位。
4.根据权利要求1所述的全数字多波束发射机的数字预失真***，其特征在于：所述信号分解模块搭载信号分解模型，所述信号分解模型的数学表达式如下所示：
Figure FDA0002885251170000021
式中，y(n)为接受天线接收到的信号的第n个样本，n的取值范围由具体的采样时间决定，Q为记忆深度，P为非线性的阶数，K为发射机中通道的个数，akq为第k个通道的输出信号对应的线性项中记忆深度为q的相应项的系数，ckpq,1为第k个通道的输出信号对应的一阶项中阶数为p且记忆深度为q的相应项的系数，ckpq,21为第k个通道的输出信号对应的第一种二阶项中阶数为p且记忆深度为q的相应项的系数，ckpq,22为第k个通道的输出信号对应的第二种二阶项中阶数为p且记忆深度为q的相应项的系数，ckpq,23为第k个通道的输出信号对应的第三种二阶项中阶数为p且记忆深度为q的相应项的系数，ckpq,24为第k个通道的输出信号对应的第四种二阶项中阶数为p且记忆深度为q的相应项的系数，uk(n-q)为第k个通道的输入信号的第n-q个样本，uk(n)为第k个通道的输入信号的第n个样本，zk(n)为第k个通道的输出信号的第n个样本，βp为p阶项对应的门限，βp＝p/P，θk(n-q)为uk(n-q)的相位。
5.根据权利要求1所述的全数字多波束发射机的数字预失真***，其特征在于：所述***中数字预失真模块和系数提取模块的个数K与实际发射机中通道个数保持一致。
6.如权利要求1所述的全数字多波束发射机的数字预失真***的数字预失真方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)M个波束信号进入数字波束成形网络利用波束成形模型产生K个输出信号，M为实际***中的波束的个数，K为发射机中通道的个数；
(2)K个输出信号分别依次送到对应的数字预失真模块中，对应的数字预失真模块产生对应的数字预失真信号；
(3)K个数字预失真信号送到对应的系数提取模块，同时送到对应的功率放大器产生输出信号；
(4)K个功率放大器的输出信号馈入发射天线阵列并辐射出去，在空间中的目标位置产生M个波束；
(5)放置在空间中任意位置的反馈回路接收天线将接收到的信号送入信号分解模块，利用信号分解模型分解得到K个功率放大器对应的输出信号并送入对应的系数提取模块；
(6)由系数提取模块中提取对应的数字预失真系数，然后将输出送入对应的数字预失真模块中更新系数；
(7)迭代步骤(1)-步骤(6)，直至满足线性化要求后停止迭代。
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