本發(fā)明涉及飛行器測控系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其是一種基于分段多項式的功放非線性自適應(yīng)模擬方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：近年來，全球通信技術(shù)發(fā)展日新月異，尤其是無線通信呈現(xiàn)如火如荼的發(fā)展態(tài)勢，而射頻功率放大器是無線通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，也是實現(xiàn)難度最大、價格最昂貴的部分。它用于對已調(diào)制信號進(jìn)行功率放大，使其獲得較高的信號功率值，滿足遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男枨?，一般而言，?dāng)輸入信號功率較小時，功放具有良好的線性度。但在實際工程中，某些特殊場合下，例如中繼衛(wèi)星通信系統(tǒng)，為提高工作效率，常要求功放工作在飽和點(diǎn)附近，其非線性較為嚴(yán)重，能夠引起信號非線性失真。此外，隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，線性數(shù)字、多載波調(diào)制方式，例如寬帶碼分多址(WCDMA)、多載波碼分多址(MC-CDMA)和正交頻分復(fù)用(OFDM)等獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，這些調(diào)制方式產(chǎn)生的信號具有較大波動的包絡(luò)和較高的峰均功率比，通過射頻功放時將會產(chǎn)生新的頻率分量，引起嚴(yán)重的帶內(nèi)和帶外失真，導(dǎo)致接收系統(tǒng)誤碼率增加，造成鄰信道干擾等，影響整個通信系統(tǒng)質(zhì)量。信道模擬器能夠模擬真實信道場景，包括時延、多普勒、衰落、色散和噪聲等特性。在測控和中繼衛(wèi)星通信等系統(tǒng)中，常被用來進(jìn)行基帶和衛(wèi)星設(shè)備入網(wǎng)前的驗證試驗、系統(tǒng)對接試驗等，以檢測設(shè)備性能和整個系統(tǒng)的通信質(zhì)量，成為無線通信發(fā)展中必不可少的設(shè)備之一?？紤]射頻功放非線性特性對無線信道通信質(zhì)量產(chǎn)生的影響不容忽略，因此信道模擬器要準(zhǔn)確模擬信道特性、正確評估通信系統(tǒng)質(zhì)量，則需對功放的非線性特性進(jìn)行模擬。傳統(tǒng)的功放非線性模擬方法一般采用前置法，即事先對要模擬的非線性功放進(jìn)行離線建模，然后將模型放置在射頻線性功放前端即可。這種方法存在局限性，僅能模擬某一種功放非線性特性，同時由于功放非線性容易受到溫度和信號等因素的影響，傳統(tǒng)模擬方法不具備適應(yīng)環(huán)境變化的能力。對功放特性進(jìn)行建模是模擬功放非線性的基礎(chǔ)。目前較為常用的建模方法主要有：查找表法和多項式法。查找表法能夠逼近各種功放特性曲線，查找表越大，量化誤差越少，但收斂速度越慢。多項式法收斂速度快，節(jié)約存儲空間，其階數(shù)和記憶深度越大，精度就越高，但會導(dǎo)致計算量急劇增加，系統(tǒng)實現(xiàn)困難。兩種方法都存在一定的局限性，至今還沒出現(xiàn)一種能夠被廣泛接受的建模方法。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的首要目的在于提供一種利用自適應(yīng)學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)，使其能夠模擬不同的功放非線性特性并能適應(yīng)環(huán)境變化，同時采用多個低階多項式對功放非線性進(jìn)行分段建模，提高模擬精度，滿足信道模擬器對功放非線性特性模擬需求的基于分段多項式的功放非線性自適應(yīng)模擬方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：一種基于分段多項式的功放非線性自適應(yīng)模擬方法，該方法包括下列順序的步驟：(1)根據(jù)輸入的數(shù)字基帶信號xI(n)和xQ(n)，獲得輸入信號的幅度|x(n)|；(2)根據(jù)輸入信號幅度|x(n)|，將功放非線性特性分為三段，每一段采用一個低階奇次多項式表示，如公式(2)所示：z(n)=Σm=0MΣk=1(K+1)/2a2k-1,m|x(n-m)|2(k-1)x(n-m)---(2)]]>其中，a稱為多項式系數(shù)，K為非線性階數(shù)，M為記憶深度，k為當(dāng)前非線性階數(shù)，n是輸入信號的離散化采樣時刻，z(n)是當(dāng)前輸出信號，x(n-m)是輸入信號的第m個延遲分量；(3)將三段多項式系數(shù)的初值存入ROM查找表中；(4)根據(jù)輸入信號幅值|x(n)|，查表得到對應(yīng)段的多項式系數(shù)；(5)輸入信號經(jīng)被模擬非線性功放模塊，根據(jù)輸入信號幅值|x(n)|進(jìn)行查表，獲得輸出信號的幅度和相位，然后將幅度和相位合成獲得期望輸出信號(6)比較期望輸出信號和反饋的部分模擬輸出信號獲得誤差信號自適應(yīng)訓(xùn)練模塊根據(jù)誤差信號利用基于LMS最小均方誤差的自適應(yīng)更新算法不斷更新查找表中的多項式系數(shù)，最終使模擬輸出信號逼近期望輸出信號在步驟(1)中，所述輸入信號的幅度|x(n)|的計算公式如下：|x(n)|=xI(n)2+xQ(n)2---(1).]]>在步驟(2)中，將功放非線性特性分為三段的分段方法取決于功放非線性特性曲線的形狀，即AM-AM和AM-PM曲線；AM-AM曲線中橫坐標(biāo)為輸入信號幅度，縱坐標(biāo)為輸出信號幅度；AM-PM曲線中縱坐標(biāo)為輸出信號與輸入信號的相位差；輸入信號幅度較小時，AM-AM曲線近似于線性，AM-PM曲線縱坐標(biāo)值近似常量，曲線斜率變化慢，分段區(qū)間較大，多項式階數(shù)??；當(dāng)輸入信號幅度較大時，AM-AM和AM-PM曲線斜率變化劇烈，分段區(qū)間較小，多項式階數(shù)高。在步驟(3)中，所述多項式系數(shù)為復(fù)系數(shù)，分為實部和虛部，建立ROM查找表的方法如下：對公式(2)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到公式(3)：z(n)=Σm=0MBm*x(n-m)---(3)]]>其中，m當(dāng)前記憶深度，M是最大記憶深度，x(n-m)是輸入信號第m個延遲分量，Bm為FIR濾波器的系數(shù)：Bm＝LUTm(|x(n-m)|)＝a1m+a3m|x(n-m)|2+…+a2K-1,m|x(n-m)|2(K-1)(4)。在步驟(4)中，按照公式(2)對輸入信號進(jìn)行擬合得到信號數(shù)字信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換和正交調(diào)制為射頻信號，然后經(jīng)射頻線性功放放大獲得實際模擬輸出信號，由衰減耦合器耦合部分信號給自適應(yīng)訓(xùn)練模塊，然后根據(jù)輸入信號幅度查表獲得多項式系數(shù)，輸入信號與多項式系數(shù)進(jìn)行擬合獲得模擬輸出信號在步驟(6)中，自適應(yīng)更新算法的實現(xiàn)方法如下：當(dāng)輸入信號為實信號時，LMS最小均方誤差算法的遞推公式為：A(n+1)＝A(n)+2ue(n)X(n)(5)其中，A(n)為多項式系數(shù)向量，X(n)為實輸入信號向量，e(n)為瞬時誤差，u為自適應(yīng)收斂步長；當(dāng)輸入信號為復(fù)信號時，瞬時誤差為通過分別求解瞬時平方誤差對AI(n)和AQ(n)的偏導(dǎo)數(shù)和獲得遞推公式如下：AI(n+1)=AI(n)-u×∂(eI2(n)+eQ2(n))∂AI(n)AQ(n+1)=AQ(n)-u×∂(eI2(n)+eQ2(n))∂AQ(n)---(6)]]>其中，AI(n)為多項式系數(shù)向量A(n)的實部分量，AQ(n)為多項式系數(shù)向量A(n)的虛部分量，u為自適應(yīng)收斂步長，eI(n)為瞬時誤差的實部分量，eQ(n)為瞬時誤差的虛部分量，化簡得到：AI(n+1)=AI(n)-2u×(eI(n)XI(n)+eQ(n)XQ(n))AQ(n+1)=AQ(n)-2u×(eQ(n)XI(n)-eI(n)XQ(n))---(7)]]>其中，XI(n)和XQ(n)分別為輸入信號向量的同相和正交分量，AI(n)為多項式系數(shù)向量A(n)的實部分量，AQ(n)為多項式系數(shù)向量A(n)的虛部分量，u為自適應(yīng)收斂步長，eI(n)為瞬時誤差的實部分量，eQ(n)為瞬時誤差的虛部分量，收斂的充分條件為：0≤u＜(λmax)-1(8)其中，λmax為輸入信號向量自相關(guān)矩陣的最大特征值。本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于分段多項式的功放非線性自適應(yīng)模擬系統(tǒng)，包括非線性預(yù)處理模塊，其輸入端接收輸入的數(shù)字基帶信號xI(n)和xQ(n)，其輸出端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A的輸入端相連，數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A的輸出端與正交調(diào)制器的輸入端相連，正交調(diào)制器的輸出端與線性射頻功放的輸入端相連，線性射頻功放的輸出端與衰減耦合器的輸入端相連，衰減耦合器的輸出端與正交解調(diào)器的輸入端相連，正交解調(diào)器的輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D的輸入端相連，模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D的輸出端通過加法器與自適應(yīng)訓(xùn)練模塊的輸入端相連，自適應(yīng)訓(xùn)練模塊的輸出端與ROM查找表的第一輸入端相連，ROM查找表輸出AI和AQ信號至非線性預(yù)處理模塊；第一地址計算模塊、第一地址計算模塊的輸入端均接收輸入的數(shù)字基帶信號xI(n)和xQ(n)，第一地址計算模塊的輸出端與ROM查找表的第二輸入端相連，第二地址計算模塊的輸出端與被模擬非線性功放模塊的輸入端相連，被模擬非線性功放模塊的輸出端與時延模塊的輸入端相連，時延模塊的輸出端通過加法器與自適應(yīng)訓(xùn)練模塊相連。由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：第一，本發(fā)明采用基于分段多項式的模擬方法，根據(jù)輸入信號幅度，將功放非線性特性進(jìn)行分段描述，每一段僅需采用一個低階多項式進(jìn)行逼近，這不僅提高了模擬精度，還降低了運(yùn)算復(fù)雜度；第二，本發(fā)明結(jié)合ROM查找表，將多項式系數(shù)存儲在ROM查找表中，進(jìn)一步減少了復(fù)乘、復(fù)加運(yùn)算量，提高了收斂速度，硬件實現(xiàn)時有效節(jié)約邏輯資源；第三，本發(fā)明利用自適應(yīng)學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)對任何功放非線性特性曲線進(jìn)行逼近，提高了系統(tǒng)的普適性，同時能夠適應(yīng)功放非線性特性因溫度、環(huán)境和信號等不定因素的影響而產(chǎn)生的變化，具有很高的穩(wěn)定性。附圖說明圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖2為功放的AM-AM特性曲線；圖3為功放的AM-PM特性曲線；圖4為ROM查找表的技術(shù)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖；圖5為輸出信號的功率譜密度曲線對比示意圖；圖6為收斂速度曲線對比示意圖；圖7為本發(fā)明的方法流程圖。具體實施方式如圖7所示，一種基于分段多項式的功放非線性自適應(yīng)模擬方法，該方法包括下列順序的步驟：(1)根據(jù)輸入的數(shù)字基帶信號xI(n)和xQ(n)，獲得輸入信號的幅度|x(n)|；(2)根據(jù)輸入信號幅度|x(n)|，將功放非線性特性分為三段，每一段采用一個低階奇次多項式表示，如公式(2)所示：z(n)=Σm=0MΣk=1(K+1)/2a2k-1,m|x(n-m)|2(k-1)x(n-m)---(2)]]>其中，a稱為多項式系數(shù)，K為非線性階數(shù)，M為記憶深度，k為當(dāng)前非線性階數(shù)，n是輸入信號的離散化采樣時刻，z(n)是當(dāng)前輸出信號，x(n-m)是輸入信號的第m個延遲分量；(3)將三段多項式系數(shù)的初值存入ROM查找表中；(4)根據(jù)輸入信號幅值|x(n)|，查表得到對應(yīng)段的多項式系數(shù)；(5)輸入信號經(jīng)被模擬非線性功放模塊，根據(jù)輸入信號幅值|x(n)|進(jìn)行查表，獲得輸出信號的幅度和相位，然后將幅度和相位合成獲得期望輸出信號(6)比較期望輸出信號和反饋的部分模擬輸出信號獲得誤差信號自適應(yīng)訓(xùn)練模塊根據(jù)誤差信號利用基于LMS最小均方誤差的自適應(yīng)更新算法不斷更新查找表中的多項式系數(shù)，最終使模擬輸出信號逼近期望輸出信號在步驟(1)中，所述輸入信號的幅度|x(n)|的計算公式如下：|x(n)|=xI(n)2+xQ(n)2---(1).]]>在步驟(2)中，將功放非線性特性分為三段的分段方法取決于功放非線性特性曲線的形狀，即AM-AM和AM-PM曲線，如圖2和圖3所示；AM-AM曲線中橫坐標(biāo)為輸入信號幅度，縱坐標(biāo)為輸出信號幅度；AM-PM曲線中縱坐標(biāo)為輸出信號與輸入信號的相位差；輸入信號幅度較小時，AM-AM曲線近似于線性，AM-PM曲線縱坐標(biāo)值近似常量，曲線斜率變化慢，分段區(qū)間較大即分段區(qū)間可以大一些，多項式階數(shù)??；當(dāng)輸入信號幅度較大時，AM-AM和AM-PM曲線斜率變化劇烈，分段區(qū)間較小即分段區(qū)間應(yīng)當(dāng)小一些，多項式階數(shù)高。在步驟(3)中，所述多項式系數(shù)為復(fù)系數(shù)，分為實部和虛部，建立ROM查找表的方法如下：對公式(2)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到公式(3)：z(n)=Σm=0MBm*x(n-m)---(3)]]>其中，m當(dāng)前記憶深度，M是最大記憶深度，x(n-m)是輸入信號第m個延遲分量，Bm為FIR濾波器的系數(shù)：Bm＝LUTm(|x(n-m)|)＝a1m+a3m|x(n-m)|2+…+a2K-1,m|x(n-m)|2(K-1)(4)。由此可見，Bm的值與輸入信號幅度|x(n-m)|有關(guān)，因此可建立查找表，輸入信號幅度作為查找表索引地址。如圖4所示，式(3)可以由多個查找表的級聯(lián)擴(kuò)展實現(xiàn)，對記憶多項式中每個輸入延遲分量都構(gòu)建一個相應(yīng)的查找表，然后根據(jù)輸入信號的幅度，查表得到多項式系數(shù)，進(jìn)行擬合。在步驟(4)中，按照公式(2)對輸入信號進(jìn)行擬合得到信號數(shù)字信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換和正交調(diào)制為射頻信號，然后經(jīng)射頻線性功放放大獲得實際模擬輸出信號，由衰減耦合器耦合部分信號給自適應(yīng)訓(xùn)練模塊，然后根據(jù)輸入信號幅度查表獲得多項式系數(shù)，輸入信號與多項式系數(shù)進(jìn)行擬合獲得模擬輸出信號在步驟(6)中，自適應(yīng)更新算法的實現(xiàn)方法如下：當(dāng)輸入信號為實信號時，LMS最小均方誤差算法的遞推公式為：A(n+1)＝A(n)+2ue(n)X(n)(5)其中，A(n)為多項式系數(shù)向量，X(n)為實輸入信號向量，e(n)為瞬時誤差，u為自適應(yīng)收斂步長；當(dāng)輸入信號為復(fù)信號時，則不能簡單地利用式(5)進(jìn)行多項式復(fù)系數(shù)更新，此時多項式復(fù)系數(shù)的實部和虛部具有不同的更新算法。當(dāng)輸入信號為復(fù)信號時，瞬時誤差為通過分別求解瞬時平方誤差對AI(n)和AQ(n)的偏導(dǎo)數(shù)和獲得遞推公式如下：AI(n+1)=AI(n)-u×∂(eI2(n)+eQ2(n))∂AI(n)AQ(n+1)=AQ(n)-u×∂(eI2(n)+eQ2(n))∂AQ(n)---(6)]]>其中，AI(n)為多項式系數(shù)向量A(n)的實部分量，AQ(n)為多項式系數(shù)向量A(n)的虛部分量，u為自適應(yīng)收斂步長，eI(n)為瞬時誤差的實部分量，eQ(n)為瞬時誤差的虛部分量，化簡得到：AI(n+1)=AI(n)-2u×(eI(n)XI(n)+eQ(n)XQ(n))AQ(n+1)=AQ(n)-2u×(eQ(n)XI(n)-eI(n)XQ(n))---(7)]]>其中，XI(n)和XQ(n)分別為輸入信號向量的同相和正交分量，AI(n)為多項式系數(shù)向量A(n)的實部分量，AQ(n)為多項式系數(shù)向量A(n)的虛部分量，u為自適應(yīng)收斂步長，eI(n)為瞬時誤差的實部分量，eQ(n)為瞬時誤差的虛部分量，收斂的充分條件為：0≤u＜(λmax)-1(8)其中，λmax為輸入信號向量自相關(guān)矩陣的最大特征值。如圖1所示，本系統(tǒng)包括非線性預(yù)處理模塊1，其輸入端接收輸入的數(shù)字基帶信號xI(n)和xQ(n)，其輸出端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A的輸入端相連，數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A的輸出端與正交調(diào)制器的輸入端相連，正交調(diào)制器的輸出端與線性射頻功放的輸入端相連，線性射頻功放的輸出端與衰減耦合器的輸入端相連，衰減耦合器的輸出端與正交解調(diào)器的輸入端相連，正交解調(diào)器的輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D的輸入端相連，模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D的輸出端通過加法器與自適應(yīng)訓(xùn)練模塊的輸入端相連，自適應(yīng)訓(xùn)練模塊的輸出端與ROM查找表的第一輸入端相連，ROM查找表輸出AI和AQ信號至非線性預(yù)處理模塊1；第一地址計算模塊、第一地址計算模塊的輸入端均接收輸入的數(shù)字基帶信號xI(n)和xQ(n)，第一地址計算模塊的輸出端與ROM查找表的第二輸入端相連，第二地址計算模塊的輸出端與被模擬非線性功放模塊的輸入端相連，被模擬非線性功放模塊的輸出端與時延模塊的輸入端相連，時延模塊的輸出端通過加法器與自適應(yīng)訓(xùn)練模塊相連?；鶐?shù)字輸入信號為I和Q兩路正交信號，一方面經(jīng)過非線性預(yù)處理模塊1，根據(jù)輸入信號幅度，查找對應(yīng)段的多項式系數(shù)并進(jìn)行乘加運(yùn)算，然后經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換和正交調(diào)制后輸出給線性射頻功放，放大后獲得模擬輸出信號，經(jīng)過衰減耦合器進(jìn)行功率耦合，耦合回來的部分模擬輸出信號經(jīng)正交解調(diào)、模數(shù)轉(zhuǎn)換后生成數(shù)字基帶信號；另一方面輸入信號經(jīng)過被模擬非線性功放模塊，該功放模塊為用戶事先測量得到被模擬非線性功放的AM-AM和AM-PM曲線，存儲在ROM查找表中，根據(jù)輸入信號幅度查表得到獲得期望輸出信號；期望輸出信號進(jìn)行延時處理，與耦合回來的模擬輸出信號同時進(jìn)入自適應(yīng)訓(xùn)練模塊，比較得到誤差信號，然后根據(jù)誤差信號，利用自適應(yīng)算法不斷更新ROM查找表中的多項式系數(shù)，直至誤差達(dá)到最小，即實現(xiàn)對功放非線性特性的模擬。以下對本發(fā)明進(jìn)行試驗驗證：仿真條件：數(shù)字基帶系統(tǒng)輸入信號為非恒包絡(luò)雙載波寬帶信號，并通過帶通濾波整形處理，其中輸入信號幅度為0.9，采樣率為409MHz，載波頻率為20.5MHz，碼速率為10.25MHz，濾波器為50階帶通濾波器，其工作帶寬為10.25MHz；仿真內(nèi)容：非線性預(yù)處理部分則分別采用無記憶saleh模型、記憶多項式模型，以及本發(fā)明提供的分段多項式法進(jìn)行仿真并對比其模擬性能，分段方法為：根據(jù)輸入信號幅度將功放非線性分為三段，多項式系數(shù)初值存入查找表中：a)幅度區(qū)間，采用M＝3、K＝1記憶多項式，參數(shù)初始化：a10＝0.1+0.1j,a11＝0.01+0.01j,a12＝0.01+0.01ja30＝0,a31＝0,a32＝0a50＝0,a51＝0,a52＝0b)幅度區(qū)間，采用M＝3、K＝5記憶多項式，參數(shù)初始化：a10＝0.1+0.1j,a11＝0.01+0.01j,a12＝0.01+0.01ja30＝0.1+0.1j,a31＝0.001+0.001j,a32＝0.001+0.001ja50＝0.1+0.1j,a51＝0.0001+0.0001j,a52＝0.0001+0.0001jc)幅度區(qū)間，采用M＝3、K＝1記憶多項式，參數(shù)初始化；a10＝0.1+0.1j,a11＝0.01+0.01j,a12＝0.01+0.01ja30＝0,a31＝0,a32＝0a50＝0,a51＝0,a52＝0仿真結(jié)果：圖5給出了收斂后，模擬輸出信號的功率譜密度曲線。所有非線性模型都產(chǎn)生了新的頻率分量，引起頻譜擴(kuò)展。無記憶多項式法因為沒有考慮記憶效應(yīng)，模擬效果最差，記憶多項式法隨著階數(shù)和記憶深度的增加，模擬精度增大。但由圖6的收斂速度曲線可知，記憶多項式法需要200個點(diǎn)才能收斂，收斂速度下降，而本發(fā)明提供的分段多項式法，在保證模擬精度的前提下，因為減少了復(fù)乘復(fù)加運(yùn)算量，很大程度提高了收斂速度，在數(shù)字電路實現(xiàn)時，能夠有效節(jié)約硬件邏輯資源。綜上所述，本發(fā)明采用基于分段多項式的模擬方法，根據(jù)輸入信號幅度，將功放非線性特性進(jìn)行分段描述，每一段僅需采用一個低階多項式進(jìn)行逼近，這不僅提高了模擬精度，還降低了運(yùn)算復(fù)雜度；本發(fā)明結(jié)合ROM查找表，將多項式系數(shù)存儲在ROM查找表中，進(jìn)一步減少了復(fù)乘、復(fù)加運(yùn)算量，提高了收斂速度，硬件實現(xiàn)時有效節(jié)約邏輯資源；本發(fā)明利用自適應(yīng)學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)對任何功放非線性特性曲線進(jìn)行逼近，提高了系統(tǒng)的普適性，同時能夠適應(yīng)功放非線性特性因溫度、環(huán)境和信號等不定因素的影響而產(chǎn)生的變化，具有很高的穩(wěn)定性。當(dāng)前第1頁1 2 3