阅读说明：本技术 一种信号失真预校正方法及装置、系统及复合系统 (Signal distortion pre-correction method, device, system and composite system ) 是由 李运华 张哲远 杜文豪 宁东方 张作锋 戴征坚 于 2019-04-30 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种信号失真预校正装置及方法、系统及复合系统。该信号失真预校正方法包括：对功放模块的多个通道的输出信号进行分时采集,获得多个模拟反馈信号；将所述多个模拟反馈信号转换为多个数字反馈信号；根据所述多个数字反馈信号和输入的前向信号确定校正参数；基于所述校正参数对所述前向信号进行校正得到预校正信号。本实施例提供的方案,基于多个反馈信号进行校正参数估计,降低了对系统中各个功放的特性一致性要求,可很好地解决模拟波束赋形应用场景下非线性系统的信号失真预校正问题。(The application discloses a signal distortion pre-correction device, a method, a system and a composite system. The signal distortion pre-correction method comprises the following steps: the method comprises the steps of performing time-sharing acquisition on output signals of a plurality of channels of a power amplification module to obtain a plurality of analog feedback signals; converting the plurality of analog feedback signals into a plurality of digital feedback signals; determining correction parameters from the plurality of digital feedback signals and an input forward signal; and correcting the forward signal based on the correction parameter to obtain a pre-correction signal. According to the scheme provided by the embodiment, the correction parameter estimation is carried out based on a plurality of feedback signals, the requirement on the characteristic consistency of each power amplifier in the system is lowered, and the signal distortion pre-correction problem of the nonlinear system in the application scene of analog beam forming can be well solved.)

一种信号失真预校正方法及装置、系统及复合系统

技术领域

本发明实施例涉及但不限于一种信号失真预校正方法及装置、系统及复合系统。

背景技术

在现代移动通信系统中，多载波传输技术和高阶数字调制方式会导致系统的峰均比更高、信号传输带宽更大。当功率放大器(Power Amplifier，PA)工作在接近饱和区时，此种情况会导致PA产生严重的非线性失真和记忆效应。一种避免PA非线性失真的有效方法就是对输入信号的功率进行回退，但这会极大地降低PA的效率，也会增加其功耗。目前，因其具有代价较小、失真改善效果明显等优点，数字预失真技术已成为非线性系统失真预校正的首选方法。

在5G(5^th Generation，第5代)毫米波通信中，为了获得更大的系统容量、更高的频谱利用率和更高的波束赋形增益，采用大规模多输入多输出(Massive Multiple InMultiple Out，Massive MIMO)技术和模拟波束赋形技术。而采用模拟波束赋形技术，会导致一个数字通道与多个模拟射频通道相连接。在此种情况下，若利用数字预失真技术，则需要设计一个预失真器对多个PA的非线性失真同时进行校正。而且在该系统中，因PA与天线阵子之间不存在环形器，则输出负载失配和天线间耦合干扰会对功放特性造成很大的影响，这也对预失真器的设计提出了更大的挑战。传统预失真算法较适用于一个数字通道对应一个模拟射频通道的场景。在多输入多输出(Multiple In Multiple Out，MIMO)模拟波束赋形系统中，若采用传统预失真方法，则会极大地增加发射机的结构复杂度和体积，也会增大其功耗。

发明内容

本发明至少一实施例提供了一种信号失真预校正方法及装置，系统及复合系统，实现信号失真的预校正。

本发明一实施例提供一种信号失真预校正装置，包括：信号失真校正网络模块、校正参数训练器、数据采集模块和第一转换模块，所述数据采集模块连接外部的功放模块，其中：

所述数据采集模块用于，对所述功放模块的多个通道的输出信号进行分时采集，输出模拟反馈信号至所述第一转换模块；

所述第一转换模块用于，将所述多个模拟反馈信号转换为多个数字反馈信号，发送给所述校正参数训练器；

所述校正参数训练器用于，根据所述多个数字反馈信号和输入的前向信号确定校正参数，将所述校正参数输出给所述信号失真校正网络模块；

所述信号失真校正网络模块用于，基于所述校正参数对所述前向信号进行校正后，输出预校正信号。

与相关技术相比，本发明一实施例包括对功放模块的多个通道的输出信号进行分时采集，获得多个模拟反馈信号；将所述多个模拟反馈信号转换为多个数字反馈信号；根据所述多个数字反馈信号和输入的前向信号确定校正参数；基于所述校正参数对所述前向信号进行校正得到预校正信号。本实施例提供的方案，基于多个反馈信号进行校正参数估计，降低了对系统中各个功放的特性一致性要求。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为一种传统的适用于MIMO毫米波通信系统的信号失真预装置架构图；

图2为本发明一实施例提供的一种信号失真预校正装置架构图；

图3为本发明另一实施例提供的一种信号失真预校正装置架构图；

图4为本发明一实施例提供的校正参数训练器的基本结构图；

图5为本发明一实施例提供的信号失真校正网络模块的基本结构图；

图6为本发明另一实施例提供的信号失真校正网络模块的基本结构图；

图7为本发明一实施例提供的一种信号失真预校正方法流程图；

图8为本发明另一实施例提供的一种信号失真预校正方法流程图；

图9为本发明一实施例提供的一种信号失真预校正复合系统框图；

图10为本发明一具体实施例提供的一种信号失真预校正复合系统框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

针对MIMO模拟波束赋形系统的失真预校正问题，业界也提出了一些解决方案。这些方案都可在一定程度上预校正多天线模拟波束赋形系统中的非线性信号失真，但存在很大的不足。

在一种方案中，只利用一个反馈链路通道对其中一路功放的输出信号进行采集反馈、数据预处理及模型参数提取，并用于对所有功放的整体非线性失真进行校正，这对所有功放特性的一致性要求非常高。如图1所示，提供了一种传统的适用于MIMO毫米波通信系统的信号失真预装置架构图，该装置包括：基带信号010、通用DPD(Digital Pre-distortion，数字预失真)模块011、DAC(Digital to Analog Converter，数字模拟转换器)模块012、上变频模块013、模拟波束赋形模块014、功放组015、下变频模块016、ADC(Analog to DigitalConverter，模拟数字转换器)模块017和数据校准处理模块018。该装置只对一路功放的输出进行反馈采集、数据校准处理，并基于通用DPD架构进行DPD参数的提取，且用于对所有功放的非线性失真进行校正及补偿。

在另一方案中，需在模拟域中对多个功放的反馈采集信号进行去波束赋形处理并合路，这对功放特性的一致性、各个功放输出口到合路器之前的传输链路一致性要求非常高；需在模拟域中对所有功放的输出信号进行分类，若分类标准选择不恰当，则会极大地影响信号失真预算法的性能；而且需利用一个功放控制模块对各个功放的供电电压或电流进行实时调整，这不利于功放特性的稳定，且会增加系统复杂度。

此外，上述两个方案都没有考虑输出负载失配、天线耦合干扰等因素对信号失真预校正性能的影响。

本发明至少一实施例中提出了一种适用于MIMO毫米波通信系统的信号失真预校正方法及装置，对各个功放的输出信号进行分时采集，然后进行多路数据并行线性处理、校正模型的建立、信号矩阵的构造及加权处理，并提取校正参数，最后对失真校正网路中的校正参数进行实时更新，从而达到对非线性系统失真进行预校正的目的。

本发明一实施例提供一种信号失真预校正装置，如图2所示，包括：信号失真校正网络模块100、第一转换模块170、校正参数训练器180和数据采集模块190，该装置与外部的第二转换模块110、模拟波束赋形处理器120、功放模块130和天线阵列模块150相连，所述的天线阵列模块150包括多个天线阵子，所述数据采集模块190连接功放模块130，信号失真校正网络模块100连接所述第二转换模块110，所述第二转换模块110连接模拟波束赋形处理器120，功放模块130包括多路通道(模拟通道)，一个通道比如包括一个功放，其中：

所述数据采集模块190用于，对所述功放模块130的多个通道的输出信号进行分时采集，输出模拟反馈信号至所述第一转换模块170；

所述第一转换模块170用于，将所述模拟反馈信号转换为数字反馈信号，发送给所述校正参数训练器180；其中，第一转换模块170比如为模数转换模块；另外，第一转换模块170还可具有变频功能，比如为集成了变频功能的ADC。

所述校正参数训练器180用于，根据所述数字反馈信号和输入的前向信号确定校正参数，将所述校正参数输出给所述信号失真校正网络模块100；具体的，包括：对前向信号和数字反馈信号进行数据线性处理，并对信号失真预校正模型参数进行求解及迭代训练。信号失真预补偿模型可以是多组低阶滤波器、Volterra级数、记忆交叉多项式、神经网络(如BP网络、ART网络等)、小波网络和支持向量基等等。

所述信号失真校正网络模块100用于，基于所述校正参数对输入的前向信号进行校正(或称失真预补偿处理)后，输出预校正信号至所述第二转换模块110。

本实施例提供的方案，分时采集多个通道的信号，并基于多通道的反馈信号进行校正，对系统中各个通道的功放的特性一致性要求较低。

在一实施例中，如图3所示，所述数据采集模块190包括：信号耦合网络模块140和信号取样控制器160，所述信号耦合网络模块140连接外部的功放模块130，其中：

所述信号取样控制器160用于，控制所述信号耦合网络模块140，实现对所述功放模块130的多个通道的输出信号的分时采集，具体的，控制信号耦合网络模块140使得功放模块130的某一通道的输出与反馈链路相连，实现对该通道的输出信号的采集。需要说明的是，分时采集的多个通道可以包括功放模块130的全部通道，也可以是其中的部分通道。

所述信号耦合网络模块140用于，根据所述信号取样控制器160的控制，对所述功放模块130的通道的输出信号进行分时耦合，输出模拟反馈信号至所述第一转换模块170；各通道的输出信号比如是功放模块的各功放的输出信号。

在一实施例中，所述校正参数训练器180包括数据线性处理模块181和校正参数计算模块182，其中：

所述数据线性处理模块181用于，对所述前向信号和所述数字反馈信号进行线性处理，得到线性处理后的前向信号和线性处理后的数字反馈信号；其中，线性处理包括但不限于以下至少之一：时延对齐、镜像校准、频点对齐、反馈不平坦度补偿、复增益补偿。在一实施例中，所述线性处理为并行线性处理。

所述校正参数计算模块182用于，基于预设信号失真预校正模型、线性处理后的前向信号、线性处理后的数字反馈信号以及所述预校正信号构造多个信号矩阵，其中，信号矩阵与所采集的通道存在对应关系，将该多个信号矩阵分别使用加权因子进行加权处理后，使用加权后的信号矩阵生成组合矩阵，基于所述组合矩阵获取非线性失真预补偿参数，基于所述线性处理后的前向信号和线性处理后的数字反馈信号确定链路失衡校准参数，所述信号矩阵的加权因子与该信号矩阵对应的通道的性能正相关。在一实施例中，加权因子为信号矩阵对应的通道的邻信道功率比(Adjacent Channel Power Ratio，简称ACPR)。需要说明的是，加权因子不限于ACPR，也可以通过其他方式得到。

本实施例提供的方案，在校正参数提取过程中，对所构造信号矩阵进行加权处理，可使波束赋形方向上的性能指标最佳；对各个功放的反馈信号进行并行线性处理，可消除耦合反馈链路的时延、相位及幅度差异等对失真校正算法的性能影响；因可对各个功放的反馈信号进行线性处理，则在提取校正参数时波束角度为任意角，不局限于0°波束，且可保证远场波束方向上的失真预校正性能。

在一实施例中，所述校正参数计算模块182用于，根据所述功放模块的功放模型、线性处理后的前向信号和线性处理后的数字反馈信号确定失配滤波系数和互耦滤波系数，基于预设信号失真预校正模型、失配滤波系数、互耦滤波系数、线性处理后的前向信号、线性处理后的数字反馈信号以及所述预校正信号构造多个信号矩阵，其中，信号矩阵与所采集的通道存在对应关系，将该多个信号矩阵分别使用加权因子进行加权处理后，使用加权后的信号矩阵生成组合矩阵，基于所述组合矩阵获取非线性失真预补偿参数、失配补偿参数、互耦补偿参数，以及，基于所述线性处理后的前向信号和线性处理后的数字反馈信号确定链路失衡校准参数，所述信号矩阵的加权因子与该信号矩阵对应的通道的性能正相关。失配滤波系数、互耦滤波系数、失配补偿参数和互耦补偿参数可用于进行对负载失配造成的失真进行校正和对天线间互耦干扰造成的失真进行校正，可减弱输出负载失配及天线间互耦干扰对系统性能的影响。

需要说明的是，在另一实施例中，也可以不计算失配滤波系数、互耦滤波系数、失配补偿参数和互耦补偿参数。

在一实施例中，第j个通道对应的信号矩阵为：

其中，x_j为线性处理后的前向信号，z_j为所述预校正信号，y′_j为线性处理后的数字反馈信号，h_a为失配滤波系数，h_b为互耦滤波系数，L、Q分别为信号失真预校正模型的记忆深度和非线性阶数；N+1为构造信号矩阵所用的数据长度。

在一实施例中，将该多个信号矩阵分别使用加权因子进行加权处理后，使用加权后的信号矩阵生成组合矩阵包括：

W＝[α₁W₁,α₂W₂,…,α_KW_K]

V＝[α₁V₁ ^T,α₂V₂ ^T,…,α_KV_K ^T]^T

其中，α₁,α₂,....,α_K为加权因子。

图4所示为本发明一实施例提供的校正参数训练器180的基本结构图，其包括：数据线性处理模块181和校正参数计算模块182，数据线性处理模块181包括多个并行的数据线性处理子模块181(1)、181(2)、...181(K)，校正参数计算模块182包括失配和互耦系数估计模块1821、矩阵生成模块1822、矩阵加权处理模块1823和参数估计模块1824。其中，

数据线性处理子模块181(1)、181(2)、...181(K)基于前向信号x_j(j＝1,2,...,K)，同时对各个功放输出的反馈信号y_j并行地进行时延对齐、镜像校准、复增益补偿、频点对齐和反馈链路不平坦均衡等线性处理操作，从而得到线性处理后的反馈信号。各个功放输出信号的数学表达式如下：

其中，y_i(t)和x_i(t)分别为第i个功放的模拟输入信号和输出信号；G[x_i(t)]和Φ[x_i(t)]分别为第i个功放的幅度失真和相位失真；ω_i和τ_i分别为第i个模拟通道的频率偏移和传输时延。因经链路传输后各个反馈信号的传输时延、幅度值和相位值不相同，且差别可能较大，则各路反馈信号分别进行线性处理可以消除传输链路间的差异，有利于后续校正模型参数的提取及训练。

失配和互耦系数估计模块1821，用于对失配滤波系数和互耦滤波系数进行估计。其中，失配滤波系数为失配滤波模块进行滤波时使用的系数；互耦滤波系数为互耦滤波模块进行滤波时使用的系数。

当考虑功放输出负载失配和天线间耦合干扰的影响时，前向信号x_j和反馈信号y′_j之间的关系表达式如下所示：

y′_j＝f(x_j,x′_j,x″_j)

x′_j＝h_a*x_j,x″_j＝h_b*x_j

式中，j＝1,2,…,K，f(·)为描述功放特性的函数；*为线性卷积运算符；x′_j为基于前向信号而拟合的驻波信号；x″_j为基于前向信号而拟合的天线间互耦干扰信号；h_a为失配滤波系数；h_b为互耦滤波系数。

根据具体的功放模型(功放模型可以根据功放模块中的功放特性进行选取，例如使用记忆交叉多项式模型，当然，此处仅为示例，可以根据需要选择其他功放模型)，选取线性处理之后的前向信号和反馈信号(x_j和y′_j)，利用最小平方算法(Least Square，LS)对模型系数和失配滤波系数及互耦滤波系数进行交叉估计，直至获得满足精度要求的系数h_a和h_b；然后，选取其他多组的线性处理后数据进行上述相同的操作，得到多组失配滤波系数和互耦滤波系数，并对它们分别进行求平均运算，获得最终的失配滤波系数及互耦滤波系数。

矩阵生成模块1822，用于根据信号失真预校正模型，利用前向信号x_j(j＝1,2，...，K)、反馈信号y_j’(j＝1,2，...，K)、预校正信号z_j(i＝1,2，...，K)、失配滤波系数h_a及互耦滤波系数h_b，并行构造信号矩阵为W₁,W₂,...,W_K和V₁,V₂,...,V_K。具体的，矩阵生成模块1822包括多个矩阵生成子模块1822(1)、1822(2)、...1822(K)矩阵生成子模块1822(1)构造信号矩阵W₁和V₁，矩阵生成子模块1822(2)构造信号矩阵W₂和V₂，矩阵生成子模块1822(K)构造信号矩阵W_K和V_K，其中，矩阵W_j和V_j的具体形式取决于所采用的信号失真预补偿模型。若采用记忆多项式模型，则矩阵W_j和V_j为：

式中，

L、Q分别为信号失真预补偿模型的记忆深度和非线性阶数；N+1为构造信号矩阵所用的数据长度。

需要说明的是，上述W_j和V_j矩阵的构造仅为示例，可以根据需要采用其他方式构造。

在另一实施例中，不对负载失衡和互耦造成的非线性失真进行补偿时，

矩阵加权处理模块1823，用于利用加权因子α₁,α₂,....,α_K分别对矩阵W₁,W₂,...,W_K和V₁,V₂,...,V_K进行加权处理后，使用加权后的矩阵生成组合矩阵W和V，即：

W＝[α₁W₁,α₂W₂,…,α_KW_K]

V＝[α₁V₁ ^T,α₂V₂ ^T,…,α_KV_K ^T]^T

其中，对矩阵进行加权处理的目的是为了保证MIMO波束赋形系统能在远场方向获得较优的性能指标；其中加权因子α₁,α₂,....,α_K与其对应的通道的性能正相关，即通道的性能越好，其对应的信号矩阵的加权因子越大。

加权因子的一种确定方法如下，第j个通道对应的信号矩阵的加权因子α_j为：

其中，K为通道数(即进行分时采集的通道数)，ACPR_j为第j个通道的邻信道功率比，是根据第j路的反馈信号y_j’计算出来的，即主信道的信号功率与邻信道的信号功率之比。需要说明的是，该计算加权因子的方法仅为示例，可以根据需要使用其他方式计算。

参数估计模块1824，基于矩阵W和V，V＝W*c，建立误差目标函数，采用参数求解方法进行校正参数提取，并进行多次迭代，得到最优的校正参数值c，校正参数包括非线性失真预补偿参数、失配补偿参数和互耦补偿参数，基于线性处理后的前向信号和线性处理后的反馈信号确定链路失衡校准参数。链路失衡校准参数用于消除IQ不平衡、本振泄露和链路的不平坦度，确定链路失衡校准参数的方法可参考相关技术。

其中，所采用的参数求解迭代算法包括但不限于下述方式：

c(n)＝μ(n)·x(n)·e^H(n)

上式中，μ、λ为迭代算法的调节因子；c(n)为第n次迭代的参数估计值；x(n)为失真预校正模型的输入信号；(·)^H为复数矢量的共轭转置运算；e(n)为预校正模型所得当前时刻的拟合误差值；h(n)为误差信号e(n)的加权系数。

在一实施例中，如图5所示，所述信号失真校正网络模块100包括：第一滤波器组101、非线性失真校正模块102、链路失衡校正模块108和第二滤波器组109，其中：

所述第一滤波器组101用于，对前向信号进行速率变换处理，输出变换后的前向信号至非线性失真校正模块102；所述第一滤波器组101比如包括多个FIR(Finite ImpulseResponse，有限冲击响应)滤波器，并行对前向信号x进行滤波处理，并将各个滤波器的输出信号s₁,s₂,...,s_M按时间顺序排列得到信号x^a，从而完成前向信号x的速率变换处理。

所述非线性失真校正模块102用于，根据所述校正参数中的非线性失真预补偿参数对所述变换后的前向信号进行校正生成第一校正信号并输出所述第一校正信号至所述链路失衡校正模块108；具体的，对第一滤波器组101的输出信号进行非线性基函数的构造以及各基函数与非线性失真预补偿参数的相乘运算，从而校正由功放非线性特性引入的信号失真。一种实现方式为：利用第一滤波器组101的输出信号x^a来构造非线性基函数T₁,T₂,T₃,...,T_N，N为非线性基函数的个数；然后，这些非线性基函数与对应的模型系数(即非线性失真预补偿参数)相乘后得到第一校正信号x^d，用于抵消由前向信号激励功放所产生的非线性信号失真。其中，非线性基函数的具体呈现形式取决于所采用的信号失真预补偿模型，该信号失真预补偿模型可以是多组低阶滤波器、Volterra级数、记忆交叉多项式、神经网络(如BP网络、ART网络等)、小波网络和支持向量基等等，本发明的信号失真预补偿模型不限于上述模型。

所述链路失衡校正模块108用于，根据所述校正参数中的链路失衡校准参数对所述第一校正信号x^d进行处理，输出第五校正信号x^h至所述第二滤波器组109；以实现对I/Q不平衡、本振泄露、以及链路的不平坦度的校正处理。

所述第二滤波器组109用于，对所述第五校正信号x^h进行速率变换处理得到预校正信号，输出所述预校正信号。第二滤波器组109比如包括多个FIR滤波器，对信号x^h进行并行滤波处理，完成传输信号的速率变换，以满足后续第二转换模块110的速率要求。

在另一实施例中，如图6所示，所述信号失真校正网络模块100包括：第一滤波器组101、非线性失真校正模块102、合并模块107、链路失衡校正模块108和第二滤波器组109，还包括，失配滤波模块103和失配误差补偿模块105组成的失配校正单元、互耦滤波模块104和互耦误差补偿模块106组成的互耦校正单元至少之一，即，可以只包括失配滤波模块103和失配误差补偿模块105，也可以只包括互耦滤波模块104和互耦误差补偿模块106，或者，同时包括失配滤波模块103和失配误差补偿模块105，互耦滤波模块104和互耦误差补偿模块106，即可以只进行失配校正，只进行互耦校正，或者，失配校正和互耦校正均进行，第一滤波器组101、非线性失真校正模块102和第二滤波器组109的功能参考前一实施例，此处不再赘述，需要说明的是，本实施例中，非线性失真校正模块102输出的第一校正信号不输入到链路失衡校正模块108，而是输入到合并模块107。其中：

所述失配滤波模块103用于，根据所述校正参数中的失配滤波系数对所述变换后的前向信号进行滤波(因果滤波或者非因果滤波)生成第一中间信号x^b，其中，x^b用于模拟所述功放模块的输出端负载失配所产生的驻波信号，输出所述第一中间信号x^b至所述失配误差补偿模块105；即失配滤波模块103用于模拟所述功放模块的输出端负载失配所产生的驻波信号；

所述失配误差补偿模块105用于，根据所述校正参数中的失配补偿参数对所述第一中间信号x^b进行校正得到第二校正信号x^e，输出所述第二校正信号x^e至所述合并模块107；具体的，对失配滤波模块和第一滤波器组的输出信号进行非线性基函数的构造以及各基函数与失配滤波系数的相乘运算，从而校正由负载失配引入的信号失真。首先利用第一滤波器组101的输出信号x^a和失配滤波模块103的输出信号x^b，来构造非线性基函数S₁,S₂,S₃,...,S_K，K为非线性基函数的个数；然后，这些非线性基函数与对应的系数相乘后得到误差补偿信号x^e；用于抵消由输出负载失配导致的驻波信号激励功放所产生的非线性信号失真。其中，非线性基函数的具体呈现形式取决于所采用的失配误差预补偿模型，该失配误差预补偿模型可以是多组低阶滤波器、Volterra级数、记忆交叉多项式、神经网络(如BP网络、ART网络等)、小波网络和支持向量基等等，本发明的失配误差预补偿模型不限于上述模型。本实施例中，对负载失配造成的失真进行校正，可减弱输出负载失配对系统性能的影响。

所述互耦滤波模块104用于，根据所述校正参数中的互耦滤波系数对所述变换后的前向信号进行滤波(因果滤波或者非因果滤波)生成第二中间信号x^c，其中，x^c用于模拟所述功放模块的输出端天线间的互耦干扰信号，输出所述第二中间信号x^c至所述互耦误差补偿模块106；该互耦滤波模块104用于模拟所述功放模块的输出端天线间的互耦干扰信号；

所述互耦误差补偿模块106用于，根据所述校正参数中的互耦补偿参数对所述第二中间信号x^c进行校正得到第三校正信号x^f，输出所述第三校正信号x^f至所述合并模块107；具体地，对互耦滤波模块和第一滤波器组的输出信号进行非线性基函数的构造以及各基函数与互耦滤波系数的相乘运算，从而校正由天线间互相耦合引入的信号失真。具体的，首先利用第一滤波器组101的输出信号x^a和互耦滤波模块104的输出信号x^c，来构造非线性基函数R₁,R₂,R₃,...,R_M，M为非线性基函数的个数；然后，这些非线性基函数与对应的系数值相乘后得到互耦误差补偿信号x^f；用于抵消由天线间互耦干扰信号激励功放所产生的非线性失真。其中，非线性基函数的具体呈现形式取决于所采用的互耦误差预补偿模型，该互耦误差预补偿模型可以是多组低阶滤波器、Volterra级数、记忆交叉多项式、神经网络(如BP网络、ART网络等)、小波网络和支持向量基等等，本发明的互耦误差预补偿模型不限于上述模型。本实施例中，对天线间互耦干扰造成的失真进行校正，可减弱天线间互耦干扰对系统性能的影响。

所述合并模块107用于，对输入信号进行合并得到第四校正信号x^g，输出第四校正信号x^g至所述链路失衡校正模块108；其中，输入信号可能是第一校正信号和第二校正信号，也可能是第一校正信号和第三校正信号，也可能是第一校正信号、第二校正信号和第三校正信号。合并方式为各输入信号相加。

所述链路失衡校正模块108用于，根据所述校正参数中的链路失衡校准参数对所述第四校正信号x^g进行处理，输出第五校正信号x^h至所述第二滤波器组109；具体的，进行滤波处理(线性处理)，以校正系统发射链路的I/Q不平衡、带内不平坦度、本振泄露等。

本实施例提供的信号失真校正网络模块，可以实现校正由非线性模拟器件、输出负载失配及天线间耦合干扰而引入的信号失真。

针对采用模拟波束赋形技术的MIMO毫米波通信系统，本发明一实施例提出了一种非线性系统信号失真预校正装置。在该校正装置中，利用信号取样控制器对信号耦合网络进行控制，收集并反馈各路功放的输出信号，经过多路数据线性处理操作、失配因子与互耦因子的计算、信号失真预校正模型建立、模型参数的提取，有效地对MIMO系统的信号失真进行预补偿，并可对天线间互耦干扰进行抵消处理，这样可进一步保证MIMO波束赋形系统的性能优势发挥。与传统预失真技术相比，该装置可较好地解决一个预失真器对应多个功放的应用场景中非线性系统信号失真的预补偿问题。

本发明实施例提供的信号失真预校正装置具有以下优势：

1)信号取样控制器控制耦合网络可对各个功放的输出信号进行分时采集反馈，这对系统中各个功放的特性一致性要求较低；

2)在校正参数提取过程中，对所构造信号矩阵进行加权处理，可使波束赋形方向上的性能指标最佳；

3)对各个功放的反馈信号进行并行线性处理，可消除耦合反馈链路的时延、相位及幅度差异等对失真校正算法的性能影响；

4)因可对各个功放的反馈信号进行线性处理，则在提取校正参数时波束角度为任意角，不局限于0°波束，且可保证远场波束方向上的失真预校正性能。

5)可减弱输出负载失配及天线间互耦干扰对系统性能的影响。

与相关技术中的失真校正装置相比，本实施例提供的校正装置提出了一种新的信号失真预校正算法，可实现对多个并行功放的整体非线性失真的校正，同时也可减弱输出负载失配、天线间耦合干扰等因素的影响；它是采用一条反馈链路通道，完成各个通道输出信号的分时采集。本实施例提供的方案，既可应用于采用模拟波束赋形技术的无线通信系统中，例如毫米波通信系统，也可应用在功放特性受驻波影响较大的通信系统中。

在本发明实施例提供的校正装置中，输入的数据信号(即前向信号)既可以是业务信号又可以是训练序列，且对各路功放特性的一致性要求较低。而且当各路功放特性的一致性较好时，可将信号耦合网络模块中的反馈链路选择开关固定到某一个通道上，采集反馈信号并进行后续的操作处理。

本发明一实施例提供一种信号失真预校正方法，如图7所示，包括：

步骤701，对功放模块的多个通道的输出信号进行分时采集，获得多个模拟反馈信号；

步骤702，将所述多个模拟反馈信号转换为多个数字反馈信号；

步骤703，根据所述多个数字反馈信号和输入的前向信号确定校正参数；

步骤704，基于所述校正参数对所述前向信号进行校正得到预校正信号；

在另一实施例中，还包括：

步骤705，将所述预校正信号转换为模拟信号，输出所述模拟信号至模拟波束赋形处理器。

在一实施例中，根据所述多个数字反馈信号和输入的前向信号确定校正参数包括：

对所述前向信号和所述数字反馈信号进行线性处理，得到线性处理后的前向信号和线性处理后的数字反馈信号，基于信号失真预校正模型，基于线性处理后的前向信号、线性处理后的数字反馈信号以及所述预校正信号构造多个信号矩阵，其中，信号矩阵与所采集的通道对应，将该多个信号矩阵分别使用加权因子进行加权处理，使用加权处理后的信号矩阵生成组合矩阵，基于所述组合矩阵获取非线性失真预补偿参数、失配补偿参数、互耦补偿参数，以及，基于所述线性处理后的前向信号和线性处理后的数字反馈信号确定链路失衡校准参数，所述信号矩阵的加权因子与该信号矩阵对应的通道的性能正相关。

在一实施例中，第j个通道对应的信号矩阵的加权因子α_j为：

其中K为通道数，ACPR_j是第j个通道的ACPR，即第j个模拟通道的邻信道与主信道的信号功率之比。

在一实施例中，根据所述多个数字反馈信号和输入的前向信号确定校正参数包括：

对输入的前向信号和所述数字反馈信号进行线性处理，得到线性处理后的前向信号和线性处理后的数字反馈信号；

根据所述功放模块的功放模型、线性处理后的前向信号和线性处理后的数字反馈信号确定失配滤波系数和互耦滤波系数；

基于信号失真预校正模型、失配滤波系数、互耦滤波系数、线性处理后的前向信号、线性处理后的数字反馈信号以及所述预校正信号构造多个信号矩阵，其中，信号矩阵与所采集的通道存在对应关系；

将该多个信号矩阵分别使用加权因子进行加权处理，使用加权处理后的信号矩阵生成组合矩阵，基于所述组合矩阵获取非线性失真预补偿参数、失配补偿参数、互耦补偿参数，基于所述线性处理后的前向信号和线性处理后的数字反馈信号确定链路失衡校准参数，所述信号矩阵的加权因子与该信号矩阵对应的通道的性能正相关。

在一实施例中，第j个通道对应的信号矩阵为：

其中，其中，x_j为线性处理后的前向信号，z_j为所述预校正信号，y′_j为线性处理后的数字反馈信号，h_a为失配滤波系数，h_b为互耦滤波系数，L、Q分别为信号失真预校正模型的记忆深度和非线性阶数；N+1为构造信号矩阵所用的数据长度。

在一实施例中，所述基于所述校正参数对输入的前向信号进行校正得到预校正信号包括：

对前向信号进行速率变换处理得到变换后的前向信号；

根据所述校正参数中非线性失真预补偿参数对所述变换后的前向信号进行校正生成第一校正信号；

根据所述校正参数中的链路失衡校准参数对所述第一校正信号进行处理，得到第五校正信号；

对所述第五校正信号进行速率变换处理得到所述预校正信号，输出所述预校正信号。

在一实施例中，所述基于所述校正参数对输入的前向信号进行校正得到预校正信号包括：

对前向信号进行速率变换处理得到变换后的前向信号；

根据所述校正参数中的非线性失真预补偿参数对所述变换后的前向信号进行校正生成第一校正信号；

根据所述校正参数中的失配滤波系数对所述变换后的前向信号进行滤波生成第一中间信号，根据所述校正参数中的失配补偿参数对所述第一中间信号进行校正得到第二校正信号；

根据所述校正参数中的互耦滤波系数对所述变换后的前向信号进行滤波生成第二中间信号，根据所述校正参数中的互耦补偿参数对所述第二中间信号进行校正得到第三校正信号；

将所述第一校正信号和第二校正信号，或者，第一校正信号和第三校正信号，或者，第一校正信号、第二校正信号和第三校正信号进行合并得到第四校正信号；

根据所述校正参数中的链路失衡校准参数对所述第四校正信号进行处理生成第五校正信号；

对所述第五校正信号进行速率变换处理得到所述预校正信号，输出所述预校正信号。

本发明一实施例提供一种信号失真预校正系统，参考图1，包括任一实施例中的信号失真预校正装置，还包括第二转换模块110、模拟波束赋形处理器120和功放模块130，其中：

所述信号失真预校正装置还用于，输出所述预校正信号至所述第二转换模块110；

所述第二转换模块110用于，将所述预校正信号转换为模拟信号，输出至所述模拟波束赋形处理器120；

所述模拟波束赋形处理器120用于，对输入的模拟信号进行幅度和相位的加权处理，生成加权处理后的模拟信号输出至所述功放模块；该加权处理是便于后续天线阵列的输出信号形成预设方向的波束；

所述功放模块130用于，对所述加权处理后的模拟信号进行放大处理后输出。

下面结合附图和应用于5G毫米波通信系统的实施例对本发明装置进行详细描述。

如图8所示，本发明一实施例提供一种信号失真预校正方法，应用于本发明实施例提供的信号失真预校正装置，包括：

步骤801：信号取样控制器160通过控制信号耦合网络模块140，实现对各个功放输出信号的分时采集反馈，输出模拟反馈信号至所述第一转换模块170；

步骤802：第一转换模块170将模拟反馈信号转换为数字反馈信号，发送给校正参数训练器180；

步骤803：校正参数训练器180根据所述数字反馈信号和输入的前向信号获得校正参数；校正参数包括：非线性失真预补偿参数、失配补偿参数、互耦补偿参数和链路失衡校准参数。

具体的，首先基于前向信号x＝[x₁,x₂,...,x_K]，对第一转换模块170的输出信号y＝[y₁,y₂,...,y_K]进行多路数据线性处理操作，得到预处理后信号；

然后，利用所得的预处理后信号对失配滤波系数和互耦滤波系数进行求解；

最后，构造信号失真校正模型的目标函数，并利用参数求解迭代算法获得最终的校正参数c，其中，K为进行分时采集的通道数量，一个通道包括一个功放时，即为并行功放的个数。需要说明的是，K小于等于功放模块130的通道的数量。

另外，还根据所述数字反馈信号和输入的前向信号获得链路失衡校准参数。

步骤804：根据校正参数训练器180所提供的校正参数c，对信号失真校正网络模块100中的校正参数进行实时更新；信号失真校正网络模块100根据前向信号x及其幅值信息，在高采样速率条件下对信号x进行非线性失真和线性失真的预校正处理，所得预校正信号z发送给第二转换模块110；第二转换模块110将预校正信号(为数字信号)转换为模拟信号发送给模拟波束赋形处理器120；

步骤805：模拟波束赋形处理器120对输入信号的相位与幅度进行加权处理后输出，模拟波束赋形处理器120的输出信号经过功放模块130的功率放大器的放大处理后，直接传送到天线阵列模块150并辐射到空间中。其中，模拟波束赋形处理器120可以利用可调衰减器、相位偏移器等模拟器件对输入信号进行相位与幅度的加权处理。

图9为本发明一实施例提供的一种信号失真预校正复合系统的示意图。如图9所示，所述信号失真预校正复合系统包括多个信号失真预校正系统，且所述多个信号失真预校正系统复用同一校正参数训练器180，所述校正参数训练器180通过选择开关与各信号失真预校正系统中的相关模块相连。具体的，通过第一选择开关801与各信号失真预校正系统的输入端相连、通过第二选择开关802与信号失真校正网络模块相连，通过第三选择开关803与第一转换模块170相连。

图10所示为本发明一种适用于MIMO毫米波通信系统的信号失真预校正装置的具体实施例。

本实施例中，在采用模拟赋形技术的MIMO下行传输系统中，设定数字通道和模拟射频通道的个数分别为4和32，每1个数字通道对应8个模拟射频通道，1个模拟射频通道输出与2个天线阵子相连。同时假设4个数字通道的发送信号都为含有10个子载波的400MHz基带信号，即分别为x_a、x_b、x_c与x_d。

以数字通道1的信号发送为例，详细说明非线性系统信号失真的校正过程。其余数字通道的信号发送类似，不再赘述。不同数字通道的相关信号以下标a,b,c,d进行区分。

步骤1001：信号取样控制器160a通过控制信号耦合网络模块140a，实现对各个功放输出信号的分时采集，得到反馈信号y_i(t)，(i＝1,2,...,8)，同时，利用反馈VGA200a对反馈信号y_i(t)的增益大小进行调整，保证反馈信号的幅值不至于过小而影响失真校正参数的提取及训练；

步骤1002：210a模块产生频率为fr＝27GHz的本地振荡信号，将射频信号y_i(t)搬移至零中频，并经过ADC模块170a后输出数字反馈信号y_a＝[y₁,y₂,...,y₈]；

步骤1003：校正参数训练器180通过选择开环X、Y分别与数字通道1的前向链路及反馈链路相连，首先分别对前向信号x_i和反馈采集信号y_i，(i＝1,2,...,8)进行时延对齐、镜像校准、复增益补偿等数据线性处理操作，得到预处理后的信号y_i’，(i＝1,2,...,8)；然后，基于功放模型，利用前向信号x_i对信号y_i’进行逼近拟合，采用LS方法计算出失配滤波系数h_a和互耦滤波系数h_b的估计值；其次，根据所采用的信号失真预校正模型构造信号矩阵W₁,W₂,...,W₈和V₁,V₂,...,V₈，确定加权因子值α₁,α₂,…,α₈的大小，并对所构造矩阵进行加权处理得到复合矩阵W和V；最后，使用迭代方法对失真预校正参数进行多次迭代计算，得到校正参数的最优值c；

步骤1004：通过选择开关Z将校正参数训练器180所得的校正参数值c复制给信号失真校正网络模块100a，并对信号失真校正网络模块100a中的校正参数进行相应更新；

步骤1005：根据数字通道1上发送的400MHz基带信号x_a＝[x₁,x₂,...,x_K]及其幅值，信号失真校正网络模块100a在高采样速率条件下进行失配和互耦滤波处理，构造非线性基函数，并与相应的校正参数相乘，从而完成对前向信号x_a的失真预补偿处理操作，得到预校正信号z_a，该信号经110a模块处理后转换成模拟信号；

步骤1006：210a模块提供频率为f_r＝27GHz的本地振荡信号，将DAC模块110a的输出信号搬移到射频端；射频发送信号经过功分器组190a处理后，并行地在8个模拟射频通道上传输，且信号功率变为原来的八分之一；模拟波束赋形处理器120a利用导向矢量[β₀,β₁e^-j2πdsinθ,...,β₇e^{-j7*2πdsinθ}]对8个模拟通道中射频传输信号的幅度及相位进行加权处理，以便于形成特定方向的波束；而功放模块130a采用并行的8个功放对模拟波束赋形处理器120a的输出信号进行放大处理，直接传输到天线阵列模块150a并辐射到空间中。注意，β₀,β₁,...,β₇为各个模拟射频通道上的信号幅度加权值，d为天线阵子间的距离，θ为波束方向夹角。

在该校正装置的具体实施例中，天线阵列模块150a、150b、150c及150d都采用了16个天线阵子，布局形式为4*4天线面阵；4个数字通道共用一个校正参数训练器，该校正参数训练器通过选择开关与各个数字通道的前向发射链路、信号失真校正网络及耦合反馈链路相连，这既可减少发射机的硬件资源需求，也可极大地降低系统的功耗。

在此，已结合具体的实施例，对本发明进行了较详细的描述。提供上述实施例的详细描述的目的是为了使研究本领域的技术人员能够制造或使用本发明。上述实施例的各种修改对于本领域的技术人员来说是易理解的。

本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。