一种针对跳频通信的数字预失真校正方法与装置
阅读说明：本技术 一种针对跳频通信的数字预失真校正方法与装置 (Digital predistortion correction method and device for frequency hopping communication ) 是由 刘颖 夏翔杰 潘文生 徐强 邵士海 马万治 沈莹 唐友喜 于 2021-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种针对跳频通信的数字预失真校正方法与装置,所述方法包括以下步骤：S1.根据跳频系统的工作频率范围f-(1)～f-(2),将工作频率范围划分为K个不同的频段,每个频段都采用一组数字预失真系数：S2.对K组数字预失真系数向量c-(1),c-(2),…,c-(K)进行初始化的系数提取；S3.初始化系数提取完成后,对跳频基带信号进行数字预失真处理；S4.对跳频基带信号进行数字预失真处理后,送入功放中进行放大,检测功放输出信号的频谱,在数字预失真性能出现恶化,超出设定的指标需求时,进入步骤S5；S5.对K组数字预失真系数向量c-(1),c-(2),…,c-(K)进行更新。本发明采用的预失真系数的组数可以调整为少于跳频频点数,从而有效降低了降低数字预失真校正的复杂度。(The invention discloses a digital predistortion correction method and a digital predistortion correction device for frequency hopping communication, wherein the method comprises the following steps: s1, according to the working frequency range f of the frequency hopping system 1 ～f 2 The working frequency range is divided into K different frequency bands, and each frequency band adopts a group of digital predistortion coefficients: s2, for K groups of digital predistortion coefficient vectors c 1 ，c 2 ，…，c K Performing initialized coefficient extraction; s3, after the extraction of the initialization coefficient is completed, carrying out digital pre-distortion processing on the frequency hopping baseband signal; s4, after carrying out digital pre-distortion processing on the frequency hopping baseband signal, sending the frequency hopping baseband signal into a power amplifier for amplification, detecting the frequency spectrum of the output signal of the power amplifier, and carrying out digital pre-distortion processingIf the true performance is deteriorated and exceeds the set index requirement, the process proceeds to step S5; s5, for K groups of digital predistortion coefficient vectors c 1 ，c 2 ,…,c K And (6) updating. The group number of the predistortion coefficients adopted by the invention can be adjusted to be less than the frequency hopping frequency point number, thereby effectively reducing the complexity of digital predistortion correction.)
技术领域
本发明涉及数字预失真技术，特别是涉及一种针对跳频通信的数字预失真校正方法与装置。
背景技术
跳频系统具有良好的抗干扰、抗多径、抗衰落特性。跳频系统的射频前端非线性器件，例如功放，会引入非线性失真，造成邻道干扰以及本信道通信的质量恶化。因此通常采用工作在数字基带的数字预失真(DPD)技术对功放的非线性失真进行抑制。但是在跳频通信系统中，功放工作在不同的跳频频点，对应的非线性失真特性也不同。一个跳频频点需要提取一组预失真系数，多个跳频也就需要提取多组预失真系数。当跳频系统的跳频频点增多时，需要提取的数字预失真系数组数也相应增加，这会提高系统复杂度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种针对跳频通信的数字预失真校正方法与装置，采用的预失真系数的组数可以调整为少于跳频频点数，从而降低复杂度。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种针对跳频通信的数字预失真校正方法，包括以下步骤：
S1.根据跳频系统的工作频率范围f1～f2，将工作频率范围划分为K个不同的频段，每个频段都采用一组数字预失真系数：
设第k个频段占据的频率范围为fk-1～fk，对应的数字预失真系数向量为ck，k＝1,2,…,K，则K个频段对应K组系数向量c1,c2,…,cK；
S2.对K组数字预失真系数向量c1,c2,…,cK进行初始化的系数提取；
S3.初始化系数提取完成后，对跳频基带信号进行数字预失真处理；
S4.对跳频基带信号进行数字预失真处理后，送入功放中进行放大，检测功放输出信号的频谱，在数字预失真性能出现恶化，超出设定的指标需求时，进入步骤S5；
S5.对K组数字预失真系数向量c1,c2,…,cK进行更新。
进一步地，所述步骤S1中划分频率的方式包括：
方式一、将工作频率范围f1～f2进行K等分的频段划分，即：
频段1的频率范围为频段2的频率范围为频段k的频率范围为频段K的频率范围为
方式二、根据功放的频率响应变化的程度大小进行划分：
将工作频率范围f1～f2划分为K个连续的频段，并保证每个频段内，功放的频率响应中的幅度响应差异小于BdB。
进一步地，所述步骤S2包括：
S201.对第k组系数ck的初始化提取：
A1、根据第k组系数对应的频段范围fk-1～fk，构建一个带宽为fk-fk-1的宽带基带信号，将这个宽带基带信号记为记为x＝[x(1),x(2),...,x(N)]T；
A2、将带宽为fk-fk-1的宽带基带信号x上变频到载波频率为的射频频段，上变频后的射频信号的频率范围为fk-1～fk；
A3、将频率范围为fk-1～fk的射频信号通过功放，激发fk-1～fk内的非线性。
A4、将功放输出信号通过耦合器，再下变频到基带，再采集功放输出的基带信号yk＝[yk(1),yk(2),...,yk(N)]T；
A5、根据基带功放输入数据x，以及采集的第k组基带功放输出数据yk，采用LS算法提取第k组DPD系数ck；其中，DPD系数即数字预失真系数，为了提高鲁棒性，对LS算法进行正则化：
其中I为单位矩阵，γ为岭回归系数，Yk为采用yk中的数据，根据DPD模型基函数构建的数据矩阵：若DPD系数有L个，即ck＝[ck1,ck2,…,ckL]T,则Yk包含L个列向量，记为Yk＝[yk1,yk2,yk3,…,ykL]；每个列向量对应一个基函数：第l个列向量ykl，采用如下所示的DPD模型，
其中x(n)是模型输入，z(n)是输出，ul(x(n))代表基函数，典型的基函数为ul(x(n))＝x(n-m)|x(n-m)|p，其中p为非线性阶数，m为记忆深度，此时，ykl＝[ul(yk(1)),ul(yk(2)),…,ul(yk(N))]T；
S202.对于每一个频段，重复步骤S201提取DPD系数，得到K组DPD系数c1,c2,…,cK。
进一步地，所述步骤S3包括：
S301.判断当前跳频频点所处的频段范围；若当前跳频频点落在fk-1～fk的频率范围内，则当前跳频频段处在第k个频段；
S302.采用第k组DPD系数ck＝[ck1,ck2,…,ckL]T对当前跳频频点对应的跳频基带信号进行数字预失真；将跳频基带信号记为v(n)，则用ck通过下式计算预失真后的信号：
S303.将预失真后的信号z(n)上变频到当前跳频频点所在的位置，并发送给功放进行放大。
进一步地，所述步骤S5中对K组DPD系数c1,c2,…,cK进行更新的方式包括如下两种：
第一种：第k组系数ck＝[ck1,ck2,…,ckL]T更新过程如下：
B1、产生带宽为fk-fk-1的宽带基带信号x＝[x(1),x(2),...,x(N)]T；
B2、将宽带基带信号x通过DPD得到预失真后的信号，即
其中ckl(l＝1,2,…,L)是还没有更新的DPD系数。将预失真信号z(n)记为z＝[z(1),z(2),...,z(N)]T；
B3、将z上变频到载波频率为的射频频段；
B4、将z上变频后的射频信号通过功放，将功放输出信号通过耦合器，再下变频到基带，再采集功放输出的基带信号yk＝[yk(1),yk(2),...,yk(N)]T；
B5、采用下式的岭回归更新第k组DPD系数ck
其中Yk是数据矩阵，包含L个列向量，记为Yk＝[yk1,yk2,yk3,…,ykL]，第l个列向量ykl为ykl＝[ul(yk(1)),ul(yk(2)),…,ul(yk(N))]T，yk(1),yk(2),...,yk(N)是新采集的数据，对应z的功放输出数据；
B6、重复以上步骤，对所有K组DPD系数c1,c2,…,cK进行更新；
第二种：根据跳频信号对DPD系数进行逐渐更新，步骤如下：
C1、判断当前跳频频点所处的频段范围，若当前跳频频段处在第k个频段，则第k组DPD系数ck＝[ck1,ck2,…,ckL]T进行更新；
C2、首先对采用未更新的第k组DPD系数ck＝[ck1,ck2,…,ckL]T对跳频基带信号进行数字预失真，将跳频基带信号记为v(n)，则用ck通过下式计算预失真后的信号：
其中ckl(l＝1,2,…,L)是还没有更新的DPD系数。将预失真信号z(n)记为z＝[z(1),z(2),...,z(N)]T；
C3、将预失真后的信号z(n)上变频到当前跳频频点所在的位置，并发送给功放，将功放输出信号通过耦合器，再下变频到基带，再采集功放输出的基带信号tk＝[yk(1),yk(2),...,yk(N)]T；
C4、采用下式的对第k组系数ck进行更新：
其中是更新后第k组系数，μ表示更新步长，μ的取值为0≤μ≤1；Yk是数据矩阵，包含L个列向量，记为Yk＝[yk1,yk2,yk3,…,ykL]，第l个列向量ykl为ykl＝[ul(yk(1)),ul(yk(2)),…,ul(yk(N))]T，其中yk(1),yk(2),...,yk(N)是新采集的功放输出基带数据。
C5、通过以上步骤，当跳频频点的位置在所有的K个频段都存在过后，即能够对所有的K组DPD系数c1,c2，…，cK进行更新。
一种针对跳频通信的数字预失真校正装置，包括：
频段划分模块，用于根据跳频系统的工作频率范围，将工作频率范围划分为K个不同的频段，每个频段都采用一组数字预失真系数：
初始化系数提取模块，用于对对K组预失真系数向量进行初始化的系数提取；
数字预失真处理模块，用于在初始化系数提取完成后，对跳频基带信号进行数字预失真处理；
性能检测模块，用于在对跳频基带信号进行数字预失真处理后，对包含了DPD的跳频系统进行性能检测，检测功放输出信号的频谱，在DPD性能出现恶化超出指标需求时，通知系数更新模块；
系数更新模块，用于对K组DPD系数c1，c2，…，cK进行更新。
本发明的有益效果是：本发明通过设计宽带信号激发功放在一个宽带频率范围内的非线性，并用一组DPD系数来矫正该宽带频率范围内的非线性。这样，只要跳频频点处在该宽带频率范围内，都可以采用提取的那一组系数进行DPD矫正。对于跳频频点很多的跳频系统，本发明只需要提取K组DPD系数。其中K可以根据复杂度进行调整。K可以设置的比较小以保证较低的复杂度。本发明采用了岭回归方法计算DPD系数，可以提高DPD系数提取的鲁棒性。所提取的DPD系数可以更好的适应对应频率范围内的不同跳频频点。本发明包含了DPD系数的初始化计算过程以及DPD系数的更新过程，有利于持续优化预失真系数，提高预失真处理的准确性。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为实施例中的频段划分示意图；
图3为本发明的装置原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种针对跳频通信的数字预失真校正方法，包括以下步骤：
S1.根据跳频系统的工作频率范围f1～f2，将工作频率范围划分为K个不同的频段，每个频段都采用一组数字预失真系数：只要是落在该频段内的频点，都采用该频段的对应的DPD系数进行矫正，频段划分如下图2所示
设第k个频段占据的频率范围为fk-1～fk，对应的数字预失真系数向量为ck，k＝1,2,…,K，则K个频段对应K组系数向量c1,c2,…,cK；
划分频率的方式包括：
方式一、将工作频率范围f1～f2进行K等分的频段划分，即：
频段1的频率范围为频段2的频率范围为频段k的频率范围为频段K的频率范围为
例如，架设跳频系统的工作频率范围为f1＝1900MHz到f2＝2100MHz，即所有的跳频频点都在1900MHz到2100MHz内。此时，可以将跳频频段划分为K＝4个等分的频段，分别是1900MHz～1950MHz，1950MHz～2000MHz，2000MHz～2050MHz，2050MHz～2010MHz。
方式二、根据功放的频率响应变化的程度大小进行划分：
将工作频率范围f1～f2划分为K个连续的频段，并保证每个频段内，功放的频率响应中的幅度响应差异小于BdB。其中BdB可以根据实际需要进行调整，典型的BdB可以选择为0.5dB和1dB。
S2.对K组数字预失真系数向量c1,c2,…,cK进行初始化的系数提取；
所述步骤S2包括：
S201.对第k组系数ck的初始化提取：
A1、根据第k组系数对应的频段范围fk-1～fk，构建一个带宽为fk-fk-1的宽带基带信号，将这个宽带基带信号记为记为x＝[x(1),x(2),...,x(N)]T；
例如，当第k＝1个频段范围为1900MHz～1950MHz时，此时构建一个带宽为50MHz的宽带信号。
A2、将带宽为fk-fk-1的宽带基带信号x上变频到载波频率为的射频频段，上变频后的射频信号的频率范围为fk-1～fk；
A3、将频率范围为fk-1～fk的射频信号通过功放，激发fk-1～fk内的非线性。
A4、将功放输出信号通过耦合器，再下变频到基带，再采集功放输出的基带信号yk＝[yk(1),yk(2),...,yk(N)]T；
A5、根据基带功放输入数据x，以及采集的第k组基带功放输出数据yk，采用LS算法提取第k组DPD系数ck；其中，DPD系数即数字预失真系数，为了提高鲁棒性，对LS算法进行正则化：
其中I为单位矩阵，γ为岭回归系数，(γ也可以被称为正则化因子)。γ的典型值可以从0.1,0.01,0.001,0.0001,0.00001中选择；Yk为采用yk中的数据，根据DPD模型基函数构建的数据矩阵：若DPD系数有L个，即ck＝[ck1,ck2,…,ckL]T,则Yk包含L个列向量，记为Yk＝[yk1,yk2,yk3,…,ykL]；每个列向量对应一个基函数：第l个列向量ykl，采用如下所示的DPD模型，
其中x(n)是模型输入，z(n)是输出，ul(x(n))代表基函数，典型的基函数为ul(x(n))＝x(n-m)|x(n-m)|p，其中p为非线性阶数，m为记忆深度，此时，ykl＝[ul(yk(1)),ul(yk(2)),…,ul(yk(N))]T；
S202.对于每一个频段，重复步骤S201提取DPD系数，得到K组DPD系数c1,c2,…,cK。
S3.初始化系数提取完成后，对跳频基带信号进行数字预失真处理；
S4.对跳频基带信号进行数字预失真处理后，送入功放中进行放大，检测功放输出信号的频谱，在数字预失真性能出现恶化，超出设定的指标需求时，进入步骤S5；
若数字预失真性能未超出设定的指标需求，则无需更新系数，继续利用当前的系数向量进行预失真处理。
在本申请的实施例中，指标一般采用功放输出信号的频谱的ACLR(相邻信道泄漏比)，设定的指标需求，一般是指功放输出信号的频谱的ACLR(相邻信道泄漏比)指标需要小于-45dBc。此时检测功放输出信号频谱，如果发现ACLR指标如果大于-45dBc，就认为是性能恶化，超出了指标需求。
S5.对K组数字预失真系数向量c1,c2,…,cK进行更新。
进一步地，所述步骤S3包括：
S301.判断当前跳频频点所处的频段范围；若当前跳频频点落在fk-1～fk的频率范围内，则当前跳频频段处在第k个频段；
S302.采用第k组DPD系数ck＝[ck1,ck2,…,ckL]T对当前跳频频点对应的跳频基带信号进行数字预失真；将跳频基带信号记为v(n)，则用ck通过下式计算预失真后的信号：
S303.将预失真后的信号z(n)上变频到当前跳频频点所在的位置，并发送给功放进行放大。
进一步地，所述步骤S5中对K组DPD系数c1,c2,…,cK进行更新的方式包括如下两种：
第一种：第k组系数ck＝[ck1,ck2,…,ckL]T更新过程如下：
B1、产生带宽为fk-fk-1的宽带基带信号x＝[x(1),x(2),...,x(N)]T；
B2、将宽带基带信号x通过DPD得到预失真后的信号，即
其中ckl(l＝1,2,…,L)是还没有更新的DPD系数。将预失真信号z(n)记为z＝[z(1),z(2),...,z(N)]T；
B3、将z上变频到载波频率为的射频频段；
B4、将z上变频后的射频信号通过功放，将功放输出信号通过耦合器，再下变频到基带，再采集功放输出的基带信号yk＝[yk(1),yk(2),...,yk(N)]T；
B5、采用下式的岭回归更新第k组DPD系数ck
其中Yk是数据矩阵，包含L个列向量，记为Yk＝[yk1,yk2,yk3,…,ykL]，第l个列向量ykl为ykl＝[ul(yk(1)),ul(yk(2)),…,ul(yk(N))]T，yk(1),yk(2),...,yk(N)是新采集的数据，对应z的功放输出数据；
B6、重复以上步骤，对所有K组DPD系数c1,c2,…,cK进行更新；
第二种：根据跳频信号对DPD系数进行逐渐更新，步骤如下：
C1、判断当前跳频频点所处的频段范围，若当前跳频频段处在第k个频段，则第k组DPD系数ck＝[ck1,ck2,…,ckL]T进行更新；
C2、首先对采用未更新的第k组DPD系数ck＝[ck1,ck2,…,ckL]T对跳频基带信号进行数字预失真，将跳频基带信号记为v(n)，则用ck通过下式计算预失真后的信号：
其中ckl(l＝1,2,…,L)是还没有更新的DPD系数。将预失真信号z(n)记为z＝[z(1),z(2),...,z(N)]T；
C3、将预失真后的信号z(n)上变频到当前跳频频点所在的位置，并发送给功放，将功放输出信号通过耦合器，再下变频到基带，再采集功放输出的基带信号yk＝[yk(1),yk(2),...,yk(N)]T；
C4、采用下式的对第k组系数ck进行更新：
其中是更新后第k组系数，μ表示更新步长，μ的取值为0≤μ≤1；Yk是数据矩阵，包含L个列向量，记为Yk＝[yk1,yk2,yk3,…,ykL]，第l个列向量ykl为ykl＝[ul(yk(1))，ul(yk(2))，…，ul(yk(N))]T，其中yk(1)，yk(2)，...，yk(N)是新采集的功放输出基带数据。
C5、通过以上步骤，当跳频频点的位置在所有的K个频段都存在过后，即能够对所有的K组DPD系数c1,c2，…，cK进行更新。
如图3所示，一种针对跳频通信的数字预失真校正装置，包括：
频段划分模块，用于根据跳频系统的工作频率范围，将工作频率范围划分为K个不同的频段，每个频段都采用一组数字预失真系数：
初始化系数提取模块，用于对对K组预失真系数向量进行初始化的系数提取；
数字预失真处理模块，用于在初始化系数提取完成后，对跳频基带信号进行数字预失真处理；
性能检测模块，用于在对跳频基带信号进行数字预失真处理后，对包含了DPD的跳频系统进行性能检测，检测功放输出信号的频谱，在DPD性能出现恶化超出指标需求时，通知系数更新模块；
系数更新模块，用于对K组DPD系数c1，c2，…，cK进行更新。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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