适用于带宽限制反馈数字预失真系统的非线性特性预学习方法
本发明涉及射频功率放大器数字预失真领域，特别是涉及带宽限制反馈数字预失真场景，是一种使用预学习方法降低反馈带宽的数字预失真系统。
背景技术：
1、现代无线通信系统中广泛使用功率放大器对空间发射的射频信号进行放大，受物理材料和工艺限制，其高效工作点处于功放非线性输出特性区间。数字预失真技术对功放的输出信号进行反馈采集，依据反馈对功放特性进行建模，以此对基带数字信号进行预失真处理，调整低功率功放输入信号，可以有效解决功放的非线性失真问题。
2、然而，无线通信系统由4g向5g及6g，wi-fi 6向wi-fi 7发展，其通信容量不断扩充，信号的调制带宽也随之扩展。数字预失真系统反馈采样带宽由于功放非线性频谱扩展，需要信号调制带宽至少5倍以上。所以预失真反馈链路adc的硬件成本及功耗开销也因超高的带宽成为先进通信系统部署落地的负担，而使用带宽限制反馈情况下传统数字预失真方法又存在线性化性能显著下降的问题，基于传统数字预失真的正则化改进方法的性能提升有限。传统带限数字预失真技术又存在需要功放输出滤波器、带宽限制反馈的采样率要求必须大于信号调制带宽等技术限制。因此，开发适用带宽限制反馈链路的数字预失真系统成为业界亟待解决的需求。
技术实现思路
1、发明目的：本发明的目的是提供一种适用于带宽限制反馈数字预失真系统的非线性特性预学习方法，以解决反馈带宽限制带来的性能劣化与超宽带调制系统超宽反馈带宽需求之间的矛盾。
2、为达到此目的，本发明采用了以下技术方案：
3、一种适用于带宽限制反馈数字预失真系统的非线性特性预学习方法，包括如下步骤：
4、步骤1：对数字预失真系统进行离线测试，应用迭代学习控制算法进行功放的线性化，获取功率放大器在多种条件下的理想预失真信号集合；
5、步骤2：基于传统多项式非线性模型对理想预失真信号集合进行处理，对采用不同原始信号的目标信号矩阵进行先验信息的统一提取；
6、步骤3：数字预失真系统在功放进行正常工作时，使用用户数据，通过带宽限制反馈进行在线系数更新，基于先验信息实现对数字预失真效果的频谱外推，以此产生完整频谱的预失真信号；此时的数字预失真系统使用采样带宽低于调制带宽的adc和与adc采样率匹配的低通滤波器进行功放输出信号反馈。
7、优选的，步骤3具体包括：
8、步骤3.1：利用由先验信息构成的特征变换矩阵对传统多项式非线性模型进行变换产生符合功放非线性特征的非线性模型及其对应的带宽限制非线性模型；
9、步骤3.2：数字预失真器处于在线预失真系数更新迭代工作场景时，使用带宽限制非线性模型进行系数提取，然后使用更新的系数应用非线性模型进行频谱外推，产生完整频谱的预失真信号。
10、优选的，所述adc的低采样反馈信号经升采样至与输入信号匹配的采样率，参与后续的系数提取计算。
11、优选的，所述低通滤波器的截至频率低至功放输入信号调制带宽10％以下。
12、优选的，在进行离线测试时，对改变功放非线性特性的各工作条件进行均匀地采样选点测试，测试使用基于信号的迭代控制学习算法对各状态的理想预失真信号进行计算和记录；使用qr分解和svd分解，对记录信息进行处理降维。
13、优选的，迭代控制学习算法根据误差信号对预失真信号进行修正。
14、优选的，非线性模型对其系数保持线性性质，采用最小二乘法进行系数提取。
15、优选的，在线系数更新使用直接学习的数字预失真系数提取架构。
16、本发明还提供一种实现上述预学习方法的带宽限制反馈数字预失真系统，该系统具有两种工作状态，分别为对功放特性进行离线预学习状态和数字预失真器系数在线更新状态。
17、1.状态1用于数字预失真及功放系统的出厂测试阶段，可以使用采样带宽较高功耗较高的adc进行功放输出信号反馈，以实现传统的数字预失真系数迭代提取收敛的以下步骤：
18、首先在数字端直通预失真器，即不使用非线性模型，使功放输入为原始输入信号。在功放的信号输出端之后，天线输入之前使用耦合器反馈功放输出信号，通过下变频和低通滤波器，进入adc，在数字端获取功放输出的完整等效基带信号。
19、在此链路基础上，在短时间(一般是指功放特性维持不明显改变的时间，该时间随应用和硬件的不同可能会不一样)内，认为功放的非线性特性相对时间不发生变化，可以对功放的非线性特性进行记录。记录的方式为使用同一信号进行迭代学习控制(ilc)算法。如使用标记序号为s的原始输入信号xs作为迭代的初始信号x，将迭代收敛后得到的理想预失真信号记录为目标信号ts1、信号ts2等等，其中序号1、2……为功放测试其他条件的状态标记。进一步的，将使用同一原始信号xs进行所得到的多个目标信号集合为目标信号矩阵ts。
20、在ilc迭代过程中，第i次迭代的误差信号e(i)为功放输出信号y(i)与初始信号x之差，即e(i)＝x-y(i)。第i+1次迭代的功放输入信号为误差信号e(i)经过迭代学习控制加权到x(i)上，即x(i+1)＝x(i)+γe(i)，其中γ为小于1的学习率。
21、在预学习的过程中，需要基于传统的多项式非线性模型对目标信号矩阵ts进行处理，以统一对采用不同原始信号的目标信号矩阵进行先验信息的提取。对于输出序列y(n)，其多项式非线性模型记为由q项非线性多项式线性组合而成
22、y(n)＝α1γ1(n)+…+αqγq(n)
23、将模型中时间序列集合为列向量，模型记为矩阵形式
24、y＝α1γ1+…+αqγq＝xα
25、进一步将多个原始输入信号的回归矩阵x沿列方向组合为综合回归矩阵
26、
27、进一步对综合回归矩阵进行如下的qr分解
28、
29、其中为正交矩阵，为上三角变换矩阵。可以按综合回归矩阵的构成分割为多个与原始输入信号对应的准正交矩阵
30、
31、进一步使用其中对应原始输入信号xs的qs和目标信号矩阵ts进行系数提取，使用最小二乘法得到系数矩阵并将多个ds沿行方向组成为综合系数矩阵d＝[d1…ds]。
32、对综合系数矩阵d进行svd分解
33、d＝uσvh
34、进一步截取矩阵u的前f列主充分列向量记为矩阵u(f)，可得预学习阶段的特征提取目标：特征变换矩阵a为
35、
36、2.状态2用于数字预失真系统在功放使用用户数据进行正常工作时在线系数更新，仅使用采样带宽较低功耗较低的adc进行功放输出信号反馈ybl，以实现带宽限制反馈数字预失真系数迭代提取收敛，执行以下步骤：
37、首先采用预学习得到特征变换矩阵a及和传统多项式非线性模型x，通过简单变换产生新模型
38、z＝xa
39、及其对应的新带宽限制数字预失真模型
40、zbl＝xbla
41、其中下标bl表示对每列信号进行滤波，其滤波特性匹配所述反馈带宽限制中的低通滤波器。
42、进一步使用模型z及模型zbl，可以实现对预失真系数的在线更新，采用直接学习的数字预失真提取架构，根据带宽限制误差信号ebl＝ybl-xbl，进行新预失真系数w的迭代提取，如下
43、
44、其中μ为直接学习过程中的学习率。
45、基于迭代提取更新后的预失真系数w，预失真信号u由模型z产生
46、u＝zw
47、有益效果：本发明公开了适用于带宽限制反馈的数字预失真方法，相较于传统数字预失真系统，实现了显著更高的反馈频谱效率。并且，相较于其他带宽限制反馈数字预失真系统的架构，本发明只需要增加功放出厂的预学习过程，在阵列系统中，预学习过程也可以采用时分复用的方式，共用一套高采样反馈对全体功放进行预学习过程，实现所需先验知识的长期替换更新。
48、需要注意的是，本发明提出的对功放多状态的预学习过程不限于在带宽限制反馈数字预失真场景提高频谱反馈效率。在跳频系统中，类似的预学习过程也同样可以适用于调频系统中。例如，通过对跳频频点功放特性的扫描及预学习，得到的基于特征的预失真模型可以极大提高跳频系统数字预失真系数查找表的存储效率。如数字预失真系统设计中包含对于在线实时反馈的响应，基于预学习提取非线性特征的预失真模型也可以极大提高系数提取收敛速度，缩短预失真响应跟随的时间。
技术特征：
1.一种适用于带宽限制反馈数字预失真系统的非线性特性预学习方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种适用于带宽限制反馈数字预失真系统的非线性特性预学习方法，其特征在于，步骤3具体包括：
3.根据权利要求1所述的一种适用于带宽限制反馈数字预失真系统的非线性特性预学习方法，其特征在于，所述adc的低采样反馈信号经升采样至与输入信号匹配的采样率，参与后续的系数提取计算。
4.根据权利要求1所述的一种适用于带宽限制反馈数字预失真系统的非线性特性预学习方法，其特征在于，所述低通滤波器的截至频率低至功放输入信号调制带宽10％以下。
5.根据权利要求1所述的一种适用于带宽限制反馈数字预失真系统的非线性特性预学习方法，其特征在于，在进行离线测试时，对改变功放非线性特性的各工作条件进行均匀地采样选点测试，测试使用基于信号的迭代控制学习算法对各状态的理想预失真信号进行计算和记录；使用qr分解和svd分解，对记录信息进行处理降维。
6.根据权利要求5所述的一种适用于带宽限制反馈数字预失真系统的非线性特性预学习方法，其特征在于，迭代控制学习算法根据误差信号对预失真信号进行修正。
7.根据权利要求2所述的一种适用于带宽限制反馈数字预失真系统的非线性特性预学习方法，其特征在于，非线性模型对其系数保持线性性质，采用最小二乘法进行系数提取。
8.根据权利要求2所述的一种适用于带宽限制反馈数字预失真系统的非线性特性预学习方法，其特征在于，在线系数更新使用直接学习的数字预失真系数提取架构。
9.一种实现权利要求1-8任一所述预学习方法的带宽限制反馈数字预失真系统，其特征在于，包括两种工作状态，分别为对功放特性进行离线预学习状态和数字预失真器系数在线更新状态；
10.根据权利要求9所述的一种带宽限制反馈数字预失真系统，其特征在于，在数字端直通数字预失真器，使功放输入为原始输入信号；在功放的信号输出端之后，天线输入之前使用耦合器反馈功放输出信号，通过下变频和低通滤波器，进入adc，在数字端获取功放输出的完整等效基带信号。
技术总结
本发明公开一种适用于带宽限制反馈数字预失真系统的非线性特性预学习方法。该方法先采用离线测试，应用迭代学习控制算法进行功放的线性化，获取功率放大器在多种条件下的理想预失真信号集合。然后基于理想预失真信号集合，及传统多项式非线性模型，提取特征变换矩阵，进一步产生一对符合功放非线性特征的非线性模型Z及对应的带宽限制非线性模型Z<subgt;bl</subgt;。预失真装置处于在线预失真系数更新迭代工作场景时，使用基于特征的宽限制非线性模型Z<subgt;bl</subgt;进行系数提取，然后使用更新的系数应用基于特征的非线性模型Z进行频谱外推，产生完整频谱的预失真信号。本发明可降低超宽带功放数字预失真系统的反馈带宽要求，在降低反馈回路ADC硬件成本及功耗方面有明显优势。
技术研发人员：朱晓维,罗清
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23