基于自適應基帶預失真的高效率發射技術?

鄭金秀

（中國西南電子技術研究所，成都610036）

基于自適應基帶預失真的高效率發射技術?

鄭金秀

（中國西南電子技術研究所，成都610036）

在Volterra級數系統理論框架下，闡述并分析了自適應基帶預失真系統的間接學習結構、記憶多項式行為模型與遞歸最小二乘算法，針對衛星通信提出了一種基于自適應基帶預失真的高功率高效率發射技術。仿真驗證了該方法的有效性。

衛星通信；高效率發射；基帶預失真

1 引言

航天測控中，通常采用MSK、OQPSK等恒包絡調制方式。但是，這些調制方式頻率利用率低，隨著對數傳速率的要求越來越高，這一缺陷將日漸突出，如第二代跟蹤與數據中繼衛星系統（TDRSS），其傳輸速率要求達到800Mbit／s。所以，在帶寬受限系統中采用16QAM等高維調制以及OFDM等寬帶傳輸體制構成的高效傳輸波形逐漸成為衛星通信的候選。

高效傳輸波形往往失去了恒包絡特性，具有較高的峰值平均功率比，如：單載波16QAM信號，峰值平均功率比大約為6.3 dB；OFDM信號則與載波數有關，載波數越多，峰值平均功率比越大，其最大峰均比為載波數目。從OFDM信號歸一化功率的累積分布（CDF）曲線［1］來看，一般情況下，需要考慮的峰均比為8～10 dB。然而，在衛星通信中，相較于頻譜效率，功率效率常常是更為重要的要求。為提高功率效率，功率放大器往往工作在臨近飽和區。在這種情況下，具有較大峰值平均功率比的信號在發射中會產生嚴重的非線性失真，造成帶內畸變和帶外頻譜再生。若回退到功放的線性區，則可能導致80%～90%的功率轉化為熱耗。還需指出的是，對于寬帶信號，功放還表現出記憶效應，即功放當前輸出不僅與當前輸入有關，還與以前的輸入有關。記憶效應也會惡化傳輸性能。所以，若采用高效傳輸波形進行寬帶傳輸，則需針對功放的非線性特性，進行發射的線性化處理，同時抑制功放的記憶效應。

線性化發射技術主要有EE＆R（包絡消除與恢復）法［2］、負反饋法［3］、前饋法［4］、LINC（非線性器件的線性放大）法［5］、Doherty技術［6］和預失真［7］法等。EE＆R法存在限幅器非理想、調制性能不穩定、包絡帶寬受限以及包絡與相位的同步等問題；負反饋法同樣帶寬受限，且容易產生系統穩定性問題；前饋法存在射頻通道之間的同步問題；LINC技術對兩條通道的幅相不平衡敏感，且在功率合成時的損耗對整個功放的增益有較大影響；Doherty技術則受限于工作頻段較窄。在預失真技術中，又可分為基帶預失真、中頻預失真和射頻預失真，其中的基帶預失真可借助高性能的數字信號處理，自適應地補償功放的非線性及其變化，并抑制記憶效應。因而，可采用自適應基帶預失真技術進行線性化處理。

2 自適應基帶預失真

2.1 系統架構

功放的基帶預失真線性化是指求出功放等效基帶系統的逆系統，在基帶對信號進行與功放非線性特性互補的預失真，從而使得信號通過功放后，表現為線性放大。由于非線性系統的級聯一般不滿足交換律，所以，在給出自適應基礎預失真系統體系架構之前，針對非線性系統的逆，先給出前逆與后逆兩個定義。

前逆系統：作用于非線性系統之前的逆系統，即信號通過非線性系統的前逆系統作用后，再通過非線系統本身的作用，輸出為信號本身。

后逆系統：作用于非線性系統之后的逆系統，即信號通過非線性系統本身的作用后，再通過其后逆系統作用，輸出為信號本身。

作為泰勒級數的擴展，Volterra級數［8］是描述功率放大器非線性的典型工具，同時還可表征功放的記憶效應。文獻［9］指出，對于通常的Volterra系統，可用P階Volterra系統去逼近其逆，且前逆與后逆相同。由此，可得出如圖1所示的基于間接學習結構的基帶預失真高效發射系統。

圖1 基帶預失真高效率發射系統Fig.1 Schematic diagram of a high efficient transmitting system based on baseband predistortion

在不影響分析的情況下，圖1省去了模數與數模變換以及射頻通道的作用過程。相應地，功率放大器模塊是真實功率放大器的等效基帶模型，僅表征功放的記憶效應與非線性行為特性。參數估計模塊對預失真器1和預失真器2進行相同的調節，預失真器1與預失真器2分別是前逆系統和后逆系統，具有相同的結構。若功率放大器沒有造成信號畸變，則y( n)=u( n)，從而x＾( n)=x( n)。所以，利用參數估計模塊調節預失真器1與預失真器2，使得e( n)趨于零，則完成了對功放記憶效應和非線性的校正。同樣地，當由于器件老化、環境等因素的變化導致功放行為特性發生變化時，參數估計模塊會自動調節預失真器1和預失真器2的參數，使得e（n）趨于零，從而實現對功放特性變化的自動跟蹤。

2.2 預失真器模型

本文中的預失真器與功放模型都源于Volterra級數。Volterra級數由多維卷積的和構成［10］。對于具有輸入信號為v( n)、M個記憶抽頭的Volterra級數z( n)，其離散時間形式可寫成：

式中，zk(n)是輸入信號v( n)與核函數hk的k維卷積。

式中，2P+1為考慮的非線性階數，Q為記憶長度。P、Q取值越大，對功放的建模或預失真器性能越高，但對系統處理能力要求也越高。

本文中預失真器采用記憶多項式模型，取P= 2、Q=2。圖1中的參數估計模塊則是估計記憶多項式系數。

2.3 參數估計算法

令對Volterra級數進行變形［11］，并截取主要影響項［12］，可得記憶多項式模型：

則由式（3）可知：

當完成校正后，x＾(n)=x(n)，所以有x(n)= wHY(n)，求解則可得預失真器系數

在實際應用中，由于存在熱噪聲、測量誤差等噪聲源，同時考慮矩陣直接求逆的可實現性，常常采用RLS［13］算法來遞歸地求解此類問題。相對于LMS［10］算法，RLS算法收斂快，殘差小。本文采用的RLS算法流程及相關初始值或變量設置如下。

3 仿真

仿真中，采用Wiener-Hammerstein（W-H）［14］模型模擬功放行為。W-H模型是Volterra級數模型的特例，也是衛星通信中常用的功放模型，結構如圖2所示。

圖2 Wiener-Hammerstein模型Fig.2Wiener-Hammersteinmodel

圖2 中：

仿真信號為8 MHz帶寬的16QAM信號。仿真結果如圖3和圖4所示。

圖3 預失真對頻譜再生的抑制作用Fig.3 Suppression function of predistortion on spectrum regeneration

圖4 星座圖比較Fig.4 Comparison of constellation

由圖3可以看出，接入預失真器后，相對無預失真處理來說，鄰道功率比（ACPR）明顯好轉，約有15 dB的提升。無預失真處理時，EVM約為23%，經預失真處理后，EVM約為1.2%，也得到了大大改善。圖4的星座圖也直觀地反應了預失真處理提高了EVM指標。由圖4（a）可以看出，無預失真處理時，星座圖發生了扭曲和旋轉，信號明顯畸變。圖4（b）和圖4（c）分別給出了有預失真處理和理想信號的星座圖，可以看出，兩者幾乎一致。

可見，預失真處理有效地抑制了信號的帶外頻譜再生和帶內失真，可支持在功放不回退的情況下進行有效發射。

4 結論

本文提出的基帶預失真高效率發射方法，可支持衛星通信中的高效率發射。該方法采用間接學習結構避免了對復雜系統的直接求逆，結合遞歸最小二乘算法，解決了可實現性問題，采用的多項式模型簡單有效，使得該方法易于實現。仿真驗證了該方法的有效性。

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High Efficient Transm itting Technology Based on Baseband Predistortion for Satellite Communication

ZHENG Jin-xiu
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

Within the framework of Volterra systems，the indirect learning architecture，memory polynomial behaviormodel and recursive least square（RLS）algorithm are discussed and analysed.Consequently，based on adaptive basedband predistotion，a high power and high efficient transmittingmethod for satellite communication is presented.Simulation demonstrates the effectiveness of thismethod.

satellite communication；high efficient transmitting；baseband predistortion

the B.S.degree from Sichuan University in 2000.Her research direction is aerospace TT＆C.

1001-893X（2011）07-0170-04

2011-04-14；

2011-06-03

TN927；TN911

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.07.035

鄭金秀（1976—），女，四川羅江人，2000年于四川大學獲學士學位，現為工程師，主要研究方向為航天測控。

Email：zjx1xiu＠sina.com

ZHENG Jin-xiu was born in Luojiang，Sichuan Province，in 1976.She