一種聯合補償iq不平衡和pa非線性的數字預失真方法
【技術領域】
[0001]本發明針對存在IQ不平衡條件下的功放非線性失真問題，提供了一種聯合補償IQ 不平衡和PA非線性的數字預失真方法。
【背景技術】
[0002] 隨著移動通信技術的飛速發展，為在有限的頻譜資源上承載更高的數據流量，現 代無線通信中更多地采用的是諸如正交幅度調制（QAM, Quadrature Amplitude Modulation)或者正交頻分復用（OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 等非恒定包絡的調制技術。然而，這些技術產生的信號具有較高的峰均比（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生非線性失真問題。信號的非線性失真不僅會引起帶外擴展，干 擾鄰近信道正常的通信業務，從而降低系統的頻譜使用效率，而且還會導致帶內失真，影響 接收端的判決檢測性能，從而惡化系統的誤碼性能。
[0003] 針對功率放大器的非線性問題，相關學者提出了一系列的功放線性化方法:功率 回退技術、前饋技術、包絡消除與恢復技術、非線性器件線性化技術和數字預失真技術。其 中，功率回退技術具有實現簡單的優點，但是電源效率較差;前饋線性化技術適合寬帶通信 且具有較好的線性化性能，但是存在著結構復雜、成本高的缺點；對于包絡消除和恢復技 術，盡管具有較高的效率和線性化能力，但存在著延時匹配困難和復雜度較高的問題;類 似，非線性器件線性化技術也存在著準確匹配難、自適應差、代價成本高的缺點。而數字預 失真技術因其適用帶寬寬、補償精度高、自適應性好和實現成本低的優勢，其前景最為看 好。
[0004] 事實上，發射機的非線性來源不僅是功率放大器，還包括正交調制器。在實際系統 中，發射機中的正交調制器在進行變頻過程中，存在著幅度和相位不匹配的問題，即I/Q不 平衡的問題，使得同相信號與正交信號之間出現相互干擾。此時，如果僅僅使用傳統的數字 預失真來改善功放的非線性，其性能是受限的。針對存在I/Q不平衡下的功放非線性失真， 傳統的解決方法是一種分級的策略:首先對I/Q不平衡進行補償;然后再對功放的非線性進 行數字預失真補償。這種方法需要在數字預失真模塊的前端設計一個I/Q不平衡補償的模 塊，因而增加了射頻設計的硬件開銷。此外這種方法，在第一階段對I/Q不平衡進行補償時， 盡管對PA進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，會影響I/Q不平衡 補償模塊參數訓練的準確性，并導致第二階段的數字預失真的參數辨識過程中存在較大的 誤差，最終影響著射頻段非線性的補償能力。

【發明內容】

[0005] 本發明要解決的技術問題是:克服來自I/Q不平衡的非線性對數字預失真的干擾， 提供一種聯合補償I/Q不平衡和PA非線性的數字預失真方法。該方法通過綜合考慮同時補 償I/Q不平衡和PA非線性的要求，在傳統的基于一般性記憶多項式（GMP，General ized Memory Polynomial)的數字預失真模型上進一步考慮I/Q不平衡的影響，使之能夠同時完 成對I/Q不平衡非線性和功放非線性的補償，從而達到消除發射機中主要非線性的目的。
[0006] 本發明的技術方案是:首先，根據I/Q不平衡的特點，推導出對應的I/Q不平衡補償 模塊的數學表達;其次，將I/Q不平衡補償模塊的數學關系帶入傳統的GMP模型中，得到聯合 補償的初步表達式;第三，通過對獲得的聯合表達式進行適當的數學變換，得到便于實現的 聯合補償I/Q不平衡和PA非線性的數字預失真模型。
[0007] 技術方案包括以下步驟： 第一步:分析I/Q不平衡的特點，推導出對應的補償模塊。
[0008] 設原始信號為六《) = /(?)+義1>)，其中，J = P，沖)和分別為信號的實部與 虛部。其對應的受I/Q不平衡影響而發生失真的信號為^^^, (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不平衡補償模塊的目的是從失真信號心^._(?)中恢復出原始信號辦），對式 (1)進行變換可以得到：
其中，表示共輒運算，
[0010] 根據式(2)可知，I/Q不平衡的補償模塊具有如下形式：
其中，〃K)和分別為補償模塊的輸入和輸出，和Λ分別為I/Q不平衡補償模塊中 待求解的系數。
[0011]第二步:將Ι/Q不平衡補償模塊帶入傳統的數字預失真模型中。
[0012] 相比Volterra級數模型和記憶多項式(ΜΡ, Memory Polynomial)模型，一般性的 記憶多項式(GMP, Generalized Memory Polynomial)模型在復雜度和建模精度上進行了 折中考慮，因而得到廣泛的應用，其數學表達式為：
其中，;t(_m)和分別為模型的輸入與輸出，1?為記憶多項式分支的系數，sw和e" 分別為滯后交叉項分支和提前交叉項分支的系數，Za和^分別為記憶多項式分支的非線 性階數和記憶深度，瑪、4和』4分別為滯后交叉部分的非線性階數、記憶深度和滯后效應深 度，·^ :?和分別為提前交叉部分的非線性階數、記憶深度和提前效應深度。
[0013] 將式(4)帶入式(3)，可得：
第三步:對聯合表達式進行適當數學變換。
則式(5)可以寫為：
即為所求的聯合補償I/Q不平衡和PA非線性的數字預失真模型，其中為 和為待定求解的系數。
[0015]從式(7)可以看出，提出的聯合模型系數與模型輸出是線性關系的，因此可以類似 于傳統的GMP模型，使用LS類算法進行系數求解。
那么，式(7)改寫成矩陣的形式即為：
其中，覽表示信號樣點數目，Z為模型系數數目，即
備為所有待求解的系數的矢量表示，BP:
其中，(^表示轉置運算。E為苽個輸出信號樣點的矩陣形式：
而Ii表不輸入序列生成的輸入偏置項對應的矩陣：
利用LS(Least Squares)算法，系數矢量或可以通過下式進行估計：
這里，M表示共輒轉置運算，(曠表示矩陣求逆運算。
[0017] 特別地，仿真中功率放大器模型選擇記憶多項式模型(MP, Memory Polynomial)， 其數學表達式為：
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，為模型的系數，取值如下：
為有效補償PA的非線性，數字預失真模型選擇基于(4)式的GMP模型和基于(7)式的聯 合模型，且相關參數設置為::?"=?、4^A =2、1、叫:4和私。t。
[0018] 本發明的有益效果是： 本發明克服了 I/Q不平衡對數字預失真的非線性補償性能的限制，提供了一種聯合補 償I/Q不平衡和PA非線性的數字預失真方案。相比傳統的分級方法，該方案不需要預先單獨 完成對I/Q不平衡的準確補償，因而減少了射頻硬件模塊的開銷。由于通過綜合考慮I/Q不 平衡和PA非線性的影響，使得參數辨識過程中具有更高的準確度，同時增強了對射頻非線 性補償的自適應能力。
【附圖說明】
[0019] 圖1是數字預失真的基本框圖， 圖2是考慮I/Q不平衡，傳統的分級數字預失真的基本框圖， 圖3是在較弱I/Q不平衡條件下，不考慮I/Q不平衡補償的數字預失真與傳統的分級數 字預失真性能， 圖4是在中等I/Q不平衡條件下，不考慮I/Q不平衡補償的數字預失真與傳統的分級數 字預失真性能， 圖5是在較強I/Q不平衡條件下，不考慮I/Q不平衡補償的數字預失真與傳統的分級數 字預失真性能， 圖6是在較弱I/Q不平衡條件下，傳統的分級數字預失真與提出的聯合數字預失真性能 對比， 圖7是在中等I/Q不平衡條件下，傳統的分級數字預失真與提出的聯合數字預失真性能 對比， 圖8是在較強I/Q不平衡條件下，傳統的分級數字預失真與提出的聯合數字預失真性能 對比。
【具體實施方式】
[0020] 下面結合附圖對本發明進行詳細說明。
[0021] 圖1是射頻端的數字預失真的基本框圖。如圖所示，數字預失真的參數的辨識是通 過比較前向信號與反饋信號進行的。由于上下變頻導致的I/Q不平衡，將會使得反饋信號出 現額外的失真。如果不考慮I/Q不平衡的影響，僅僅使用數字預失真進行PA非線性的補償， 那么數字預失真模塊參數辨識的準確性將會受到影響，從而會顯著降低整個系統的非線性 補償性能。而如果采用傳統的分級處理策略，如圖2所示，首先對PA進行較大的功率退避，使 用I/Q不平衡補償模塊補償鏈路中的I/Q不平衡，再接著使PA工作在合適的工作點，使用數 字預失真對PA的非線性進行補償。在這種分級方案中，第一階段對I/Q不平衡補償模塊訓練 時，其參數估計的準確度易受到PA非線性的影響，造成較大的誤差，進一步影響著DPD系數 訓練的準確性，最終降低了對射頻非線性的補償能力。
[0022] 由于聯合形式的數字預失真與不考慮I/Q不平衡傳統的數字預失真具有相同的系 統結構，下面結合根據圖1的內容，來詳細說明聯合數字預失真的實現方式： 第一，初始化該聯合的數字預失真模型的系數，使模型輸出等于模型輸入； 第二，采集功放模型的輸出信號并進行衰減； 第三，將上述反饋失真信號與前向發送信號進行對齊； 第四，根據式(13)來辨識該聯合數字預失真模型的參數。
[0023] 圖3是在較弱的I/Q不平衡條件下（I/Q不平衡參數設置玄= 0.02、設= 2°)，不考慮 I/Q不平衡補償的數字預失真與傳統的分級數字預失真性能對比。以信號通過功放預失真 前后的帶寬擴展為指標:橫坐標表示歸一化的頻率，縱坐標表示功率譜密度。可以看到，由 于I/Q不平衡影響較弱，一方面其對數字預失真系統的影響相對較小，同時另外一方面兩個 補償模塊參數提取過程中存在著相互影響，即傳統的分級處理補償的匹配性有限，因而傳 統的分級數字預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不平衡參數設置g = 〇.〇5不考慮 I/Q不平衡補償的數字預失真與傳統的分級數字預失真性能對比。可以看到，當中等的I/Q