基于谐波反馈的太赫兹雷达信号发射机及发射方法

基于谐波反馈的太赫兹雷达信号发射机及发射方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于太赫兹雷达技术领域，更进一步涉及太赫兹雷达技术领域中的一种 基于谐波反馈的太赫兹雷达信号发射机及发射方法。本发明采用高速现场可编程门阵列 (FieldProgrammableGateArray，FPGA)实现谐波反馈的数字预失真技术，对太赫兹雷达 发射信号进行非线性失真补偿，以解决太赫兹雷达信号发射机中功率放大器的线性放大范 围受约束的问题，并提高太赫兹雷达信号发射机的性能。
【背景技术】
[0002] 在太赫兹雷达通信系统中，由于要获得足够的作用距离，需要增加发射机的发射 功率，从而引起功率放大器的工作点接近饱和区，这就使得功率放大器的输出信号产生了 非线性失真，会导致太赫兹雷达信号带内失真和带外谱扩展，降低发射机的性能。
[0003]太赫兹雷达信号发射机中的功率放大器一般采用耿氏二极管，耿氏二极管的输出 功率可达到50毫瓦，但其输出效率只能达到15%左右。现有的太赫兹雷达信号发射机的发 射功率至少为10毫瓦，在经过多级倍频放大之后很难达到发射机的发射功率，并且容易使 发射机产生的线性调频信号产生非线性失真，对后续的信号处理带来一定程度的影响。在 此背景下，对太赫兹雷达信号发射机中功率放大器的非线性补偿技术的研宄也备受关注， 已成为太赫兹雷达信号发射机的关键技术之一。
[0004] 富士通株式会社申请的专利"失真补偿装置和功率放大器装置"（专利申请号 200910002658. 5,公开号CN101499781A)中公开了一种失真补偿装置和功率放大器装置。 该专利申请的主要装置有：自适应失真补偿单元、自适应均衡器、存储器以及控制单元，该 装置利用自适应的算法对非线性失真电路信号进行非线性补偿。该专利申请公开的设备和 方法存在的不足是，对信号进行非线性补偿的范围较小，其自适应均衡器是通过数字滤波 器实现的，而太赫兹雷达信号是高频率大带宽的信号，普通数字滤波器很难达到要求，由此 导致基于普通数字电路的数字预失真系统在太赫兹雷达这种高频率、大带宽信号处理的场 合难以广泛应用。
[0005] 电子科技大学申请的专利"一种预失真处理方法和装置"（专利申请号 201110075953. 0,公开号CN102271106A)中公开了一种基于反馈回路的数字预失真方法和 装置。该专利申请的装置包括预处理单元、主预失真单元、下行调制链路、功率放大器、反馈 回路，还包括主预失真单元切换开关、功率放大器切换开关、控制单元，主预失真单元切换 开关和主预失真单元并联，功率放大器切换开关与功率放大器并联，反馈回路由上行解调 链路和副预失真单元串联而成。该专利申请的方法通过在反馈回路中加入预失真处理，使 反馈信号得到补偿，消除反馈回路造成的失真。该专利申请公开的设备和方法存在的不足 是，与功率放大器相连硬件电路实现相对较复杂，不能达到太赫兹雷达信号发射机的发射 功率要求，能处理的信号带宽不够大，且对雷达线性调频信号进行非线性补偿的效果不明 显，在太赫兹雷达信号发射机中所引起的非线性失真对后续的信号处理依然明显。

【发明内容】

[0006] 针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出基于谐波反馈的太赫兹雷达 信号发射机及发射方法，本发明采用高速现场可编程门阵列（FieldProgrammableGate Array，FPGA)实现谐波反馈的数字预失真技术，能够实现对太赫兹雷达信号发射机中功率 放大器的非线性补偿。
[0007] 为达到上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
[0008] 技术方案一：
[0009] -种基于谐波反馈的太赫兹雷达信号发射机，其特征在于，包括：雷达信号生成模 块、时钟控制模块、数字预失真模块、数字上变频模块、数模转换模块、混频模块、太赫兹倍 频功率放大模块、谐波反馈模块以及雷达天线；各模块之间通过总线连接；其中，
[0010] 所述雷达信号生成模块，用于产生基带数字线性调频信号，对其进行数据低通滤 波；并产生本振信号；
[0011] 所述时钟控制模块，用于产生固定的时钟周期，控制基带数字线性调频信号的输 入和输出；
[0012] 所述数字预失真模块，用于对低通滤波后的基带数字线性调频信号进行非线性补 偿，获得非线性补偿信号；
[0013] 所述数字上变频模块，用于将非线性补偿信号的频率上调到高一级频段的信号， 得到数字雷达中频信号；
[0014] 所述数模转换模块，用于将数字雷达中频信号转换成模拟线性调频信号；
[0015] 所述混频模块，用于调制模拟线性调频信号的中心频率，得到射频信号；
[0016] 所述太赫兹倍频功率放大模块，用于将射频信号进行多级倍频和功率放大，得到 功率放大后的太赫兹雷达信号；
[0017] 所述谐波反馈模块，用于提取功率放大后的太赫兹雷达信号中的谐波信号，并将 谐波信号功率反馈给数字预失真模块；
[0018] 所述雷达天线，用于发射功率放大后的太赫兹雷达信号。
[0019] 技术方案二：
[0020] 一种基于谐波反馈的太赫兹雷达信号发射方法，基于上述基于谐波反馈的太赫兹 雷达信号发射机，其特征在于，包括以下步骤：
[0021] (1)产生信号：
[0022] la)将雷达信号生成模块生成的基带数字线性调频信号进行数字低通滤波，得到 低通滤波后的基带数字线性调频信号；
[0023] lb)在时钟控制模块的控制下，数字预失真模块接收低通滤波后的基带数字线性 调频信号，对低通滤波后的基带数字线性调频信号的基带频谱数据，即基带正交数字信号， 进行两倍抽取，分别得到基带正交数字信号的实部信号和基带正交数字信号的虚部信号。
[0024] (2)初始化非线性补偿权系数：
[0025] 2a)计算初始化的非线性补偿权系数，将其送入权系数更新模块；
[0026]2b)权系数更新模块将初始化的非线性补偿权系数传输到数字预失真计算模块。
[0027] (3)获得非线性补偿信号：
[0028] 3a)数据预失真计算模块将已接收到基带正交数字信号的实部信号和基带正交数 字信号的虚部信号作为第一个通道的数据；
[0029] 3b)在时钟控制模块的控制下，将第一个通道的数据经过一个时钟周期延时得到 第二个通道的数据，第二个通道的数据经过一个时钟周期延时得到第三个通道的数据，第 三个通道的数据经过一个时钟周期延时得到第四个通道的数据，第四个通道的数据经过一 个时钟周期延时得到第五个通道的数据；
[0030] 3c)在时钟控制模块的控制下，按照下式，获得5个通道预补偿的数据：
[0031]
[0032] 其中，xm(n)表示五个通道中第m个通道预补偿的数据，n表示雷达信号生成模块 生成的基带数字线性调频信号的采样点数，x (n-m+1)表示五个通道中第m个通道的数据，K 表示对第m个通道数据进行补偿的总次数，K为大于等于3的正整数，wmk表示对五个通道 中第m个通道进行第k次补偿的权系数，k取值范围为1~K之间的正整数，| *|表示对数 据进行求模操作；
[0033] 3d)在时钟控制模块的控制下，按照下式，获得5个通道的补偿数据：
[0034] ym(n) = x (n-m+1) xm(n)
[0035] 其中，ym(n)表示五个通道中第m个通道的补偿数据，n表示雷达信号生成模块 生成的基带数字线性调频信号的采样点数，x (n-m+1)表示五个通道中第m个通道的数据， xm(n)表示五个通道中第m个通道预补偿的数据；
[0036] 3e)在时钟控制模块的控制下，按照下式，获得非线性补偿信号：
[0037]
[0038] 其中，y(n)表示非线性补偿信号，n表示雷达信号生成模块生成的基带数字线性 调频信号的采样点数，M表示通道总个数。
[0039] (4)获得数字雷达中频信号：
[0040]4a)在时钟控制模块的控制下，数字预失真模块将非线性补偿信号送到多相滤波 模块；多相滤波模块对接收到的非线性补偿信号，进行多相滤波操作，得到高速率信号；再 对高速率信号进行两倍抽取，得到高速率信号的虚部信号和实部信号；
[0041] 4b)在时钟控制模块的控制下，半相滤波模块接收高速率信号的虚部信号，对它进 行低通滤波，得到滤波后的高速率信号的虚部信号；
[0042] 4c)在时钟控制模块的控制下，移位模块接收高速率信号的实部信号，将其进行向 右移位，移位的位数为高速率信号的虚部信号的位数，得到移位后的高速率信号的实部信 号；
[0043] 4d)在时钟控制|旲块的控制下，将滤波后的尚速率彳目号的虚部彳目号和移位后的尚 速率信号的实部信号，传输给数字正交变换逆过程模块；数字正交变换逆过程模块将移位 后的高速率信号的实部信号乘以-1，与滤波后的高速率信号的虚部信号相加，得到高速率 的雷达数字线性调频信号；
[0044] 4e)在时钟控制模块的控制下，将高速率的雷达数字线性调频信号送到二进制码 转换模块，得到数字雷达中频信号。
[0045] (5)获得射频信号：
[0046] 5a)数模转换模块将数字雷达中频信号，经过D/A转换器转化为模拟线性调频信 号；
[0047] 5b)混频模块将模拟线性调频信号与本振信号进行混频，得到射频信号。
[0048] (6)倍频放大： [0049] 6a)将射频信号送到倍频器模块，得到太赫兹雷达信号；
[0050] 6b)将太赫兹雷达信号送到太赫兹倍频功率放大模块中的功率放大器模块，得到 功率放大后的太赫兹雷达信号z(t)。
[0051] (7)获得谐波信号功率：
[0052] 7a)将功率放大后的太赫兹雷达信号z(t)送到谐波滤波器模块，得到谐波信号；
[0053] 7b)将谐波信号送到谐波反馈模块中的功率放大器模块，得到功率放大后的谐波 信号；
[0054] 7c)将功率放大后的谐波信号送到积分器模块，得到谐波信号功率。
[0055] (8)更新非线性补偿权系数：
[0056] 8a)将谐波信号功率反馈到权系数更新模块，根据谐波信号功率计算更新的非线 性补偿权系数；
[0057] 8b)权系数更新模块将计算得到的更新的非线性补偿权系数送到数字预失真计算 丰旲块。
[0058] (9)发射功率放大后的太赫兹雷达信号：
[0059] 雷达天线发射功率放大后的太赫兹雷达信号。
[0060] 本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0061] 第一，本发明将谐波反馈模块引入到太赫兹雷达信号发射机中，提高了数字预失 真模块对太赫兹雷达发射信号的非线性度补偿精度，大大增加了太赫兹雷达信号发射机的 输出信号的功率。
[0062] 第三，本发明的方法采用高速现场可编程门阵列实现谐波反馈的数字预失真技 术，对基带数字线性调频信号进行非线性补偿，提高了基带数字线性调频信号的有效带宽， 克服了现有技术中处理基带数字线性调频信号时存在的带宽低的缺点。
【附图说明】
[0063] 下面结合【附图说明】和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0064]图1为本发明的太赫兹雷达信号发射机框图；
[0065] 图2为本发明的太赫兹雷达信号发射方法的流程图；
[0066] 图3为本发明的太赫兹雷达信号发射方法中的数字预失真步骤的示意图；
[0067] 图4为本发明的太赫兹雷达信号发射方法中的多相滤波操作步骤的示意图。
【具体实施方式】
[0068] 参照附图1，本发明的基于谐波反馈的太赫兹雷达信号发射机，包括雷达信号生成 模块、时钟控制模块、数字预失真模块、数字上变频模块、数模转换模块、混频模块、太赫兹 倍频功率放大模块、谐波反馈模块以及雷达天线；其中，
[0069] 雷达信号生成模块，用于通过频率源信号生成器生成基带数字线性调频信号，并 将基带数字线性调频信号进行数字低通滤波，得到低通滤波后的基带数字线性调频信号； 将基带数字线性调频信号经过数模转换和倍频处理，得到本振信号。本发明实例中，频率源 信号生成器采用直接数字式频率合成器OirectDigitalSynthesizer，DDS);本振信号的 中心频率为20GHz。
[0070] 时钟控制模块，用于设计时钟周期，控制基带数字线性调频信号的输入和输出。本 发明实例中，时钟控制模块在FPGA芯片中实现。
[0071] 数字预失真模块，用于对低通滤波后的基带数字线性调频信号进行非线性补偿； 包括权系数更新模块和数字预失真计算模块；权系数更新模块给低通滤波后的基带数字线 性调频信号提供非线性补偿权系数，用于动态实时更新非线性补偿权系数；数字预失真计 算模块用于接收、处理低通滤波后的基带数字线性调频信号以及权系数更新模块产生的数 据，得到非线性补偿信号，实现对低通滤波后的基带数字线性调频信号的非线性补偿。本发 明实例中，数字预失真模块在FRGA芯片中实现。
[0072] 数字上变频模块，用于将非线性补偿信号的频率上调到高一级频段的信号，得到 数字雷达中频信号；包括多相滤波模块、半相滤波模块、移位模块、数字正交变换逆过程模 块和二进制码转换模块；多相滤波模块用于对非线性补偿信号进行多相滤波操作，得到高 速率信号，并对高速率信号进行两倍抽取，得到高速率信号的实部信号和高速率信号的虚 部信号；半相滤波模块用于将高速率信号的虚部信号进行低通滤波，得到滤波后的高速率 信号的虚部信号；移位模块用于将高速率信号的实部信号向右移动，移动的位数为高速率 信号的虚部信号的位数，得到移位后的高速率信号的实部信号；数字正交变换逆过程模块 用于将移位后的高速率信号的实部信号乘以-1，与滤波后的高速率信号的虚部信号相加， 得到高速率的雷达数字线性调频信号；二进制码转换模块用于将高速率的雷达数字线性调 频信号转化为无符号数据，得到数字雷达中频信号。本发明实例中，二进制码转换模块采用 转换芯片8192来实现。
[0073] 数模转换模块，用于将数字雷达中频信号转换成模拟线性调频信号，实现数模转 换。
[0074] 混频模块，用于调制模拟线性调频信号的中心频率，得到射频信号。
[0075] 太赫兹倍频功率放大模块，用于将射频信号进行多级倍频和功率放大，得到功率 放大后的太赫兹雷达信号；包括倍频器模块和功率放大器模块；倍频器模块用于将射频信 号的频率进行六倍放大，得到太赫兹雷达信号；太赫兹倍频功率放大模块的功率放大器模 块用于增大太赫兹雷达信号的功率，得到功率放大后的太赫兹雷达信号。
[0076] 谐波反馈模块，用于从功率放大后的太赫兹雷达信号中提取谐波信号，并将谐波 信号功率反馈给数字预失真模块；包括谐波滤波器模块、功率放大器模块和积分器模块； 谐波滤波器模块用于从太赫兹雷达信号中提取谐波信号；谐波反馈模块的功率放大器模块 用于增大谐波信号的功率，得到功率放大后的谐波信号；积分器模块用于得到谐波信号的 功率。本发明实例中，谐波反馈模块在FRGA芯片中实现。
[0077] 雷达天线，用于发射功率放大后的太赫兹雷达信号。
[0078] 参照附图2,本发明的基于谐波反馈的太赫兹雷达信号发射方法，其具体步骤如 下：
[0079] 步骤1，产生信号。
[0080] 雷达信号生成模块通过频率源信号生成器调制并产生基带数字线性调频信号，并 将基带数字线性调频信号进行数字低通滤波，得到低通滤波后的基带数字线性调频信号。 本发明实例中，基带数字线性调频信号的频率为360MHz。
[0081] 数字预失真模块接收低通滤波后的基带数字线性调频信号，在时钟控制模块的控 制下对低通滤波后的基带数字线性调频信号的基带频谱数据进行两倍抽取，分别得到基带 正交数字信号的实部信号和基带正交数字信号的虚部信号。
[0082] 步骤2,初始化非线性补偿权系数。
[0083] 通过最优化的方法，计算得到与基带正交数字信号相匹配的初始化的非线性补偿 权系数，传递到权系数更新模块，初始化权系数更新模块中的数据；权系数更新模块通过数 据总线将初始化的非线性补偿权系数传输到数字预失真计算模块。
[0084] 步骤3,获得非线性补偿信号。
[0085] 参照图3,图3中的?符号表示非线性补偿权系数与通道数据相乘，?符号表示不 同通道数据相加。获得非线性补偿信号的具体步骤如下：
[0086] 第一步，数据预失真计算模块将已接收到的基带正交数字信号的实部信号和基带 正交数字信号的虚部信号作为第一个通道的数据x(n)。
[0087] 第二步，在时钟控制模块的控制下，将第一个通道的数据经过一个时钟周期延时 得到第二个通道的数据x(n-1)，第二个通道的数据经过一个时钟周期延时得到第三个通道 的数据x(n-2)，第三个通道的数据经过一个时钟周期延时得到第四个通道的数据x(n-3)， 第四个通道的数据经过一个时钟周期延时得到第五个通道的数据x(n-4)。
[0088] 第三步，在时钟控制模块的控制下，按照下式，获得5个通道预补偿的数据：
[0089]
[0090] 其中，Xm(n)表示五个通道中第m个通道预补偿的数据，n表示雷达信号生成模块 生成的基带数字线性调频信号的采样点数，x(n-m+l)表示五个通道中第m个通道的数据；K 表示对第m个通道数据进行补偿的总次数，K为大于等于3的正整数，本发明实例中K取值 为5 表示对五个通道中第m个通道进行第k次补偿的权系数，k取值范围为1~K之间 的正整数，本发明实例中，k取1~5之间的正整数；| ? |表示对数据进行求模操作。
[0091] 第四步，在时钟控制模块的控制下，按照下式，获得5个通道的补偿数据：
[0092] ym(n) =x(n_m+l)xm(n)
[0093] 其中，ym(n)表示五个通道中第m个通道的补偿数据，n表示雷达信号生成模块 生成的基带数字线性调频信号的采样点数，x(n-m+l)表示五个通道中第m个通道的数据， xm(n)表示五个通道中第m个通道预补偿的数据。
[0094] 具体地，在本发明实例中，以第一个通道的数据x(n)为例，将第一个通道的数据 x(n)与该通道数据第一次补偿的权系数wn相乘，得到第一个通道的第一个单元的数据；将 第一个通道的数据取模并求平方得|x(n) |2,与该通道数据第二次补偿的权系数w12相乘， 得到第一个通道的第二个单元的数据；将第一个通道的数据取模并求四次方得|x(n) |4,与 该通道数据第三次补偿的权系数w13相乘，得到第一个通道的第三个单元的数据；将第一个 通道的数据取模并求六次方得|x(n) |6,与该通道数据第四次补偿的权系数w14相乘，得到 第一个通道的第四个单元的数据；将第一个通道的数据取模并求八次方得|x(n) |8,与该通 道数据第四次补偿的权系数W15相乘，得到第一 个通道的第五个单元的数据；将上述第一个 通道的五个单元的数据求和，得到第一个通道预补偿的数据yi (n)。将另外四个通道的数据 分别进行上述对应操作，得到另外四个通道预补偿的数据。
[0095] 第五步，在时钟控制模块的控制下，按照下式，获得非线性补偿信号：
[0096]
[0097] 其中，y(n)表示非线性补偿信号，本发明实例中，y(n)的频率为360MHz;n表示雷 达信号生成模块生成的基带数字线性调频信号的采样点数，M表示通道总个数。
[0098] 步骤4,获得数字雷达中频信号。
[0099] 在时钟控制模块的控制下，数字预失真模块将非线性补偿信号传递到多相滤波模 块，进行多相滤波操作，得到高速率信号。参照图4,图4中的?符号表示数据相加，丨2符 号表示对非线性补偿信号进行2倍数据抽取，丨3符号表示对非线性补偿信号进行3倍数 据内插，有限长单位冲激响应（FiniteImpulseResponse，FIR)表示对非线性补偿信号进 行低通滤波。所述多相滤波操作的具体步骤如下：
[0100] 第一步，将非线性补偿信号的均匀分成采样点数相同的六组子信号；
[0101] 第二步，在时钟控制模块的控制下进行如下操作：
[0102] 对第一组、第四组和第六组非线性补偿子信号依次进行延时一个时钟周期即z'2 倍数据抽取、FIR低通滤波和3倍数据内插操作，得到第一组、第四组和第六组高速率的信 号；
[0103] 对第二组、第三组非线性补偿子信号依次进行2倍数据抽取、FIR低通滤波及3倍 数据内插操作，得到第二组、第三组高速率的信号；
[0104] 对第五组非线性补偿子信号依次进行2倍数据抽取、FIR低通滤波、3倍数据内插 及延时三个时钟周期即厂3的操作，得到第五组高速率的信号。
[0105] 第三步，将第一组高速率的信号和第二组高速率的信号求和，将求和后的信号延 迟一个时钟周期即z'得到第一路高速率线性调频信号；
[0106] 第四步，将第三组高速率的信号和第四组高速率的信号求和，将求和后的信号延 迟两个时钟周期即z'得到第二路高速率线性调频信号；
[0107] 第五步，将第五组高速率的信号和第六组高速率的信号求和，得到第三路高速率 线性调频信号；
[0108] 第六步，将得到的三路高速率线性调频信号求和，得到高速率信号，本发明实例 中，高速率信号的频率为540MHz。
[0109] 对高速率信号进行两倍抽取，得到高速率信号的虚部信号和高速率信号的实部信 号。
[0110] 在时钟控制模块的控制下，半相滤波模块接收高速率信号的虚部信号，对其进行 低通滤波，得到滤波后的高速率信号的虚部信号。移位模块接收高速率信号的实部信号，将 其进行向右移位，移位的位数为高速率信号的虚部信号的位数，得到移位后的高速率信号 的实部信号。
[0111] 在时钟控制t旲块的控制下，将滤波后的尚速率彳目号的虚部彳目号和移位后的尚速率 信号的实部信号，传输给数字正交变换逆过程模块，该模块将将移位后的高速率信号的实 部信号乘以-1，与滤波后的高速率信号的虚部信号相加，得到高速率的雷达数字线性调频 信号，本发明实例中，高速率的雷达数字线性调频信号的频率为1080MHz;二进制码转换模 块将高速率的雷达数字线性调频信号转化为无符号数据，得到数字雷达中频信号，本发明 实例中，二进制码转换模块采用转换芯片8192来实现。
[0112] 步骤5,获得射频{目号。
[0113] 数模转换模块将数字雷达中频信号经过D/A转换器转化为模拟线性调频信号；混 频模块将其与雷达信号生成模块产生的本振信号进行混频，得到射频信号。
[0114]步骤6，倍频放大。
[0115] 将射频信号依次送到太赫兹倍频功率放大模块中的三倍倍频器模块、功率放大器 模块的耿式二极管，得到中频雷达信号；中频雷达信号依次送到太赫兹倍频功率放大模块 中的两倍倍频器模块和功率放大器模块的耿式二极管，对射频信号的频率进行六倍放大， 得到功率放大后的太赫兹雷达信号z(t)。
[0116] 步骤7,获得谐波信号功率。
[0117] 将功率放大后的太赫兹雷达信号z(t)送到谐波滤波器模块，得到谐波信号；由于 谐波信号功率较弱，因此先将谐波信号送到谐波反馈模块中的功率放大器模块，得到功率 放大后的谐波信号；再将功率放大后的谐波信号送到积分器模块，得到谐波信号功率。
[0118] 步骤8,更新非线性补偿权系数。
[0119] 将谐波信号功率反馈到权系数更新模块，根据谐波信号功率计算更新的非线性补 偿权系数；权系数更新模块将计算得到的更新的非线性补偿权系数送到数字预失真计算模 块。
[0120] 其中，根据谐波信号功率计算更新的非线性补偿权系数的过程为：根据太赫兹倍 频功率放大模块中的功率放大器的理想输入输出信号功率曲线，如果谐波信号功率小于额 定值，说明功率放大后的太赫兹雷达信号z(t)存在非线性失真，则进行下面的操作：
[0121] 第一步，将功率放大后的太赫兹雷达信号z(t)离散化得到太赫兹雷达数字信号 z(n)；
[0122] 第二步，定义权系数更新模块的非线性补偿权系数向量W及其训练向量W分别为
[0123]
[0124]
[0125] 其中，M表示通道总个数，K表示对第m个通道数据进行补偿的总次数，K为大于等 于3的正整数；
[0126] 第三步，定义第一个通道的数据x(n)及其延时信号组成的矩阵为Xn，定义太赫兹 雷达数字信号z(n)及其延时信号所组成的矩阵为Zn，
[0129] 第四步，定义误差信号e(n)为
[0130]
[0131] 其中，非线性补偿信号y(n)及其训练信号外"；)分别为
[0132]
[0133]
[0134] 第五步，通过递归最小二乘自适应算法进行迭代，计算出权系数更新模块的训练 向量认当误差信号e(n)满足要求时迭代终止，并将W赋值给W，得到更新的非线性补偿 权系数；
[0135]P(n)为第一个通道的数据x(n)自相关矩阵的逆矩阵，设定其初始值为P°(n);设 定权系数更新模块的训练非线性权系数向量W的初始值为Wn;
[0136] 令为1为迭代次数，将W;赋值给W1，迭代公式为
[0141]其中，K(n)表示增益矢量，（*)H表示求厄米矩阵，（?）#表示求共轭矩阵，常数入 是遗忘因子，且0 <A< 1。
[0142] 步骤9,发射功率放大后的太赫兹信号。
[0143] 雷达天线发射功率放大后的太赫兹雷达信号。
[0144] 本发明的基于谐波反馈的太赫兹雷达信号发射机及发射方法，采用高速现场可编 程门阵列（FieldProgrammableGateArray，FPGA)实现谐波反馈的数字预失真技术，能够 实现对太赫兹雷达信号发射机中功率放大器的非线性补偿。
【主权项】
1. 一种基于谐波反馈的太赫兹雷达信号发射机，包括雷达信号生成模块、时钟控制模 块、数字预失真模块、数字上变频模块、数模转换模块、混频模块、太赫兹倍频功率放大模 块、谐波反馈模块以及雷达天线；各模块之间通过总线连接； 所述雷达信号生成模块，用于产生基带数字线性调频信号，对其进行数据低通滤波；并 产生本振信号； 所述时钟控制模块，用于产生固定的时钟周期，控制基带数字线性调频信号的输入和 输出； 所述数字预失真模块，用于对低通滤波后的基带数字线性调频信号进行非线性补偿， 获得非线性补偿信号； 所述数字上变频模块，用于将非线性补偿信号的频率上调到高一级频段的信号，得到 数字雷达中频信号； 所述数模转换模块，用于将数字雷达中频信号转换成模拟线性调频信号； 所述混频模块，用于调制模拟线性调频信号的中心频率，得到射频信号； 所述太赫兹倍频功率放大模块，用于将射频信号进行多级倍频和功率放大，得到功率 放大后的太赫兹雷达信号； 所述谐波反馈模块，用于提取功率放大后的太赫兹雷达信号中的谐波信号，并将谐波 信号功率反馈给数字预失真模块； 所述雷达天线，用于发射功率放大后的太赫兹雷达信号。2. 根据权利要求1所述的基于谐波反馈的太赫兹雷达信号发射机，其特征在于，所述 数字预失真模块包括权系数更新模块和数字预失真计算模块；其中， 所述权系数更新模块，用于接收谐波反馈模块反馈的谐波信号功率，并根据谐波信号 功率实时更新非线性补偿权系数，为低通滤波后的基带数字线性调频信号提供最优的非线 性补偿权系数； 所述数字预失真计算模块，用于接收、处理低通滤波后的基带数字线性调频信号以及 权系数更新模块产生的数据，得到非线性补偿信号，实现对基带数字线性调频信号的非线 性补偿。3. 根据权利要求1所述的基于谐波反馈的太赫兹雷达信号发射机，其特征在于，所述 数字上变频模块包括多相滤波模块、半相滤波模块、移位模块、数字正交变换逆过程模块和 二进制码转换模块；其中， 所述多相滤波模块，用于对非线性补偿信号进行多相滤波操作，得到高速率信号，并对 高速率信号进行两倍抽取，得到高速率信号的实部信号和高速率信号的虚部信号； 所述的半相滤波模块，用于将高速率信号的虚部信号进行低通滤波，得到滤波后的高 速率信号的虚部信号； 所述移位模块，用于将高速率信号的实部信号向右移动，移动的位数为高速率信号的 虚部信号的位数，得到移位后的高速率信号的实部信号； 所述数字正交变换逆过程模块，用于将移位后的高速率信号的实部信号乘以 -1，与滤 波后的高速率信号的虚部信号相加，得到高速率的雷达数字线性调频信号； 所述二进制码转换模块，用于将高速率的雷达数字线性调频信号转化为无符号数据， 得到数字雷达中频信号。4. 根据权利要求1所述的基于谐波反馈的太赫兹雷达信号发射机，其特征在于，所述 太赫兹倍频功率放大模块包括倍频器模块和功率放大器模块；其中， 所述倍频器模块，用于将射频信号的频率进行六倍放大，得到太赫兹雷达信号； 所述功率放大器模块，用于增大太赫兹雷达信号的功率，得到功率放大后的太赫兹雷 达信号。5. 根据权利要求1所述的基于谐波反馈的太赫兹雷达信号发射机，其特征在于，所述 谐波反馈模块包括谐波滤波器模块、功率放大器模块和积分器模块；其中， 所述谐波滤波器模块，用于从功率放大后的太赫兹雷达信号中提取谐波信号； 所述功率放大器模块，用于增大谐波信号的功率，得到功率放大后的谐波信号； 所述积分器模块，用于得到谐波信号功率。6. -种基于谐波反馈的太赫兹雷达信号发射方法，包括如下步骤： (1) 产生信号： la) 将雷达信号生成模块生成的基带数字线性调频信号进行数字低通滤波，得到低通 滤波后的基带数字线性调频信号； lb) 在时钟控制模块的控制下，数字预失真模块接收低通滤波后的基带数字线性调频 信号，对低通滤波后的基带数字线性调频信号的基带频谱数据，即基带正交数字信号，进行 两倍抽取，分别得到基带正交数字信号的实部信号和基带正交数字信号的虚部信号； (2) 初始化非线性补偿权系数： 2a)计算初始化的非线性补偿权系数，将其送入权系数更新模块； 2b)权系数更新模块将初始化的非线性补偿权系数传输到数字预失真计算模块； (3) 获得非线性补偿信号： 3a)数据预失真计算模块将已接收到基带正交数字信号的实部信号和基带正交数字信 号的虚部信号作为第一个通道的数据； 3b)在时钟控制模块的控制下，将第一个通道的数据经过一个时钟周期延时得到第二 个通道的数据，第二个通道的数据经过一个时钟周期延时得到第三个通道的数据，第三个 通道的数据经过一个时钟周期延时得到第四个通道的数据，第四个通道的数据经过一个时 钟周期延时得到第五个通道的数据； 3c)在时钟控制模块的控制下，按照下式，获得5个通道预补偿的数据：其中，Xm(Ii)表示五个通道中第m个通道预补偿的数据，η表示雷达信号生成模块生成 的基带数字线性调频信号的采样点数，x(n-m+l)表示五个通道中第m个通道的数据，K表示 对第m个通道数据进行补偿的总次数，K为大于等于3的正整数，W mk表示对五个通道中第 m个通道进行第k次补偿的权系数，k取值范围为1~K之间的正整数，I · I表示对数据进 行求模操作； 3d)在时钟控制模块的控制下，按照下式，获得5个通道的补偿数据： ym(n) = x(n-m+l)xm(n) 其中，ym(n)表示五个通道中第m个通道的补偿数据，η表示雷达信号生成模块生成的 基带数字线性调频信号的采样点数，x(n-m+l)表示五个通道中第m个通道的数据，xm(n)表 示五个通道中第m个通道预补偿的数据； 3e)在时钟控制模块的控制下，按照下式，获得非线性补偿信号：其中，y (η)表示非线性补偿信号，η表示雷达信号生成模块生成的基带数字线性调频 信号的采样点数，M表示通道总个数； (4) 获得数字雷达中频信号： 4a)在时钟控制模块的控制下，数字预失真模块将非线性补偿信号送到多相滤波模块； 多相滤波模块对接收到的非线性补偿信号，进行多相滤波操作，得到高速率信号；再对高速 率信号进行两倍抽取，得到高速率信号的虚部信号和实部信号； 4b)在时钟控制模块的控制下，半相滤波模块接收高速率信号的虚部信号，对它进行低 通滤波，得到滤波后的高速率信号的虚部信号； 4c)在时钟控制模块的控制下，移位模块接收高速率信号的实部信号，将其进行向右移 位，移位的位数为高速率信号的虚部信号的位数，得到移位后的高速率信号的实部信号； 4d)在时钟控制模块的控制下，将滤波后的高速率信号的虚部信号和移位后的高速率 信号的实部信号，传输给数字正交变换逆过程模块；数字正交变换逆过程模块将移位后的 高速率信号的实部信号乘以-1，与滤波后的高速率信号的虚部信号相加，得到高速率的雷 达数字线性调频信号； 4e)在时钟控制模块的控制下，将高速率的雷达数字线性调频信号送到二进制码转换 模块，得到数字雷达中频信号； (5) 获得射频信号： 5a)数模转换模块将数字雷达中频信号，经过D/A转换器转化为模拟线性调频信号； 5b)混频模块将模拟线性调频信号与本振信号进行混频，得到射频信号； (6) 倍频放大： 6a)将射频信号送到倍频器模块，得到太赫兹雷达信号； 6b)将太赫兹雷达信号送到太赫兹倍频功率放大模块中的功率放大器模块，得到功率 放大后的太赫兹雷达信号z (t); (7) 获得谐波信号功率： 7a)将功率放大后的太赫兹雷达信号z (t)送到谐波滤波器模块，得到谐波信号； 7b)将谐波信号送到谐波反馈模块中的功率放大器模块，得到功率放大后的谐波信 号； 7c)将功率放大后的谐波信号送到积分器模块，得到谐波信号功率； (8) 更新非线性补偿权系数： 8a)将谐波信号功率反馈到权系数更新模块，根据谐波信号功率计算更新的非线性补 偿权系数； 8b)权系数更新模块将计算得到的更新的非线性补偿权系数送到数字预失真计算模 块； (9) 发射功率放大后的太赫兹雷达信号： 雷达天线发射功率放大后的太赫兹雷达信号。7. 根据权利要求6所述的基于谐波反馈的太赫兹雷达信号发射方法，其特征在于，步 骤4a)所述的多相滤波操作的步骤如下： 第一步，将非线性补偿信号的均匀分成采样点数相同的六组子信号； 第二步，在时钟控制模块的控制下进行如下操作： 对第一组、第四组和第六组非线性补偿子信号依次进行延时一个时钟周期即z'2倍 数据抽取、FIR低通滤波和3倍数据内插操作，得到第一组、第四组和第六组高速率的信号； 对第二组、第三组非线性补偿子信号依次进行2倍数据抽取、FIR低通滤波及3倍数据 内插操作，得到第二组、第三组高速率的信号； 对第五组非线性补偿子信号依次进行2倍数据抽取、FIR低通滤波、3倍数据内插及延 时三个时钟周期即厂3的操作，得到第五组高速率的信号； 第三步，将第一组高速率的信号和第二组高速率的信号求和，将求和后的信号延迟一 个时钟周期即ζΛ得到第一路高速率线性调频信号； 第四步，将第三组高速率的信号和第四组高速率的信号求和，将求和后的信号延迟两 个时钟周期即ζΛ得到第二路高速率线性调频信号； 第五步，将第五组高速率的信号和第六组高速率的信号求和，得到第三路高速率线性 调频信号； 第六步，将得到的三路高速率线性调频信号求和，得到高速率信号ζ (η)。8. 根据权利要求6所述的基于谐波反馈的太赫兹雷达信号发射方法，其特征在于，步 骤8a)所述的根据谐波信号功率计算更新的非线性补偿权系数，其过程为： 根据谐波信号功率计算更新的非线性补偿权系数的过程为：根据太赫兹倍频功率放大 模块中的功率放大器的理想输入输出信号功率曲线，如果谐波信号功率小于额定值，说明 功率放大后的太赫兹雷达信号z (t)存在非线性失真，则进行下面的操作： 第一步，将功率放大后的太赫兹雷达信号z(t)离散化得到太赫兹雷达数字信号z(n); 第二步，定义权系数更新模块的非线性补偿权系数向量W及其训练向量访:分别为 W = [W11, W12，…W1K，W21，…Wmk] W二[?η，…兩a-，，…命服] 其中，M表示通道总个数，K表示对第m个通道数据进行补偿的总次数，K为大于等于3 的正整数； 第三步，定义第一个通道的数据X (η)及其延时信号组成的矩阵为Xn，定义太赫兹雷达 数字信号ζ (η)及其延时信号所组成的矩阵为Ζη，第四步，定义误差信号e (η)为 e(?)=v(//)-v(//) = WX"-VVZ" 其中，非线性补偿信号y(n)及其训练信号分别为 y (n) = WXn >O〇 = wzh； 第五步，通过递归最小二乘自适应算法进行迭代，计算出权系数更新模块的训练向量 \V ,当误差信号e (η)满足要求时迭代终止，并将W赋值给W，得到更新的非线性补偿权系 数； POO为第一个通道的数据X(η)自相关矩阵的逆矩阵，设定其初始值为Ρ°(η);设定权 系数更新模块的训练非线性权系数向量W的初始值为Wij; 令为1为迭代次数，将Wi赋值给W1，迭代公式为其中，Κ(η)表示增益矢量，（·）Η表示求厄米矩阵，（·）#表示求共轭矩阵，常数λ是遗 忘因子，且O < λ < 1。
【专利摘要】本发明公开了一种基于谐波反馈的太赫兹雷达信号发射机及发射方法，本发明的发射机包括雷达信号生成模块、时钟控制模块、数字预失真模块、数字上变频模块、数模转换模块、混频模块、太赫兹倍频功率放大模块、谐波反馈模块以及雷达天线。本发明的发射方法的步骤为：产生信号、初始化非线性补偿权系数、获得非线性补偿信号、获得数字雷达中频信号、获得射频信号、倍频放大、获得谐波信号功率、更新非线性补偿权系数、发射功率放大后的太赫兹信号。本发明采用谐波反馈模块和数字预失真模块对基带数字线性调频信号进行非线性补偿，提高了太赫兹雷达信号发射机的性能。本发明中谐波反馈的数字预失真技术采用高速现场可编程门阵列实现。
【IPC分类】H04L25/49, H04B1/04
【公开号】CN104883195
【申请号】CN201510305813
【发明人】王敏, 邱于保
【申请人】苏州闻捷传感技术有限公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年6月5日