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        新型Hammerstein動態(tài)非線性功放模型及其預失真應用

        2015-01-01 01:45:38王振霞南敬昌
        計算機工程 2015年12期
        關鍵詞:記憶效應線性化子系統(tǒng)

        王振霞,南敬昌

        (遼寧工程技術大學電子與信息工程學院,遼寧 葫蘆島125105)

        1 概述

        射頻功率放大器作為通信系統(tǒng)的核心器件,其性能好壞將直接決定整個系統(tǒng)的優(yōu)劣。隨著無線通信系統(tǒng)的快速發(fā)展,更大程度的追求高效率和高線性度,對功率放大器無疑提出了更大的挑戰(zhàn)[1]。尤其是非恒定包絡、寬頻帶、高均峰比(如OFDM)調制方案的廣泛應用,使得功率放大器出現(xiàn)了嚴重的非線性失真。因此,研究如何消除功放非線性失真,提高功放線性度具有重要的現(xiàn)實意義。不同于常見的線性化技術(如功率回退技術、前饋技術、包絡消除與恢復技術),預失真技術可以在不降低效率的同時獲得良好的線性度,這種優(yōu)良的特性使其成為最有前景的線性化技術之一。預失真技術包括射頻預失真、中頻預失真、基帶預失真[2]。其中,基帶預失真技術(也叫數(shù)字預失真)因為不使用非線性射頻器件,不涉及高難度的信號處理問題而倍受關注[3]。

        為了更好地將數(shù)字預失真線性化技術應用于功放,首先需要為功放建立行為模型。常見的功放行為級模型,包括神經網(wǎng)絡模型、Volterra級數(shù)模型[4]。神經網(wǎng)絡對非線性函數(shù)的描述具有好的逼近能力,但容易陷入局部極小,泛化能力不強。Volterra級數(shù)雖然可以清晰地描述非線性系統(tǒng)的物理意義,但它的模型參數(shù)數(shù)量隨系統(tǒng)的非線性和記憶長度的增加呈指數(shù)形式增長,辨識過程非常復雜。為了解決這個難題,提出利用簡化的Volterra級數(shù)模型為功放建模。常見的模型有記憶多項式、包絡記憶多項式、Wiener、Hammerstein、并聯(lián) Wiener、Hammerstein等模型。這些模型通過去除Volterra級數(shù)模型中的冗余項,保留對功放建模有影響的項,降低了模型復雜度[5-7]。Hammerstein模型[8]在建模精度和降低復雜度上都要優(yōu)于其余模型。其建模思想是將功率放大器的非線性和記憶效應分離,然后將兩者進行串聯(lián)。在此模型基礎上,文獻[8]提出了增強的Hammerstein模型,相比傳統(tǒng)的Hammerstein模型,建模精度有了一定的提高。但是仍然無法達到設計要求,建模精度有待進一步提高。

        針對以上問題,本文在Hammerstein模型的基礎上,重點考慮功放中出現(xiàn)的難以解決的記憶效應問題,分別構建弱記憶效應子系統(tǒng)和強記憶效應子系統(tǒng),提出改進的Hammerstein動態(tài)非線性模型,并利用這種模型建立功放的預失真模型。

        2 Hammerstein模型預失真

        2.1 傳統(tǒng)的Hammerstein模型

        如圖1所示,傳統(tǒng)的Hammerstein模型是由非線性子系統(tǒng)(NL)級聯(lián)線性因果子系統(tǒng)(LTI)構成的模型。

        圖1 Hammerstein模型結構

        Hammerstein模型的數(shù)學表達式表示為:

        其中,cl為LTI模塊的系數(shù);bk為奇數(shù)階NL模塊的系數(shù);K,L分別表示行為模型的非線性階數(shù)和記憶深度。

        2.2 增強的Hammerstein模型

        如圖2所示為增強的Hammerstein模型,模型結構通過多項式的疊加而得到的。在模型中使用了并行的FIR濾波器來表達整個模型的記憶效應。

        圖2 增強的Hammerstein模型結構

        3 功放中的記憶效應

        功率放大器中記憶效應[9]的產生有多方面的原因,按照產生的位置,將記憶效應分為短期記憶效應和長期記憶效應[10]。將匹配網(wǎng)絡引起的記憶效應稱為短期記憶效應(STM),由偏置網(wǎng)絡、自熱現(xiàn)象引起的記憶效應稱為長期記憶效應[11](LTM)。STM的存在導致功放的輸出產生帶內失真,而對于LTM則主要產生的是帶外失真。為了更加準確地構建出記憶效應模型,采取對短期記憶效應和長期記憶效應分別建模的方案。使用線性的FIR濾波器來補償由于匹配網(wǎng)絡產生的非恒定頻率響應所引起的短期記憶效應[12]。使用FIR動態(tài)濾波器來補償由于偏置網(wǎng)絡和自熱產生的長期記憶效應。

        4 改進的Hammerstein模型

        構建改進的Hammerstein模型的主路徑,為了提高模型的精確度,增加附加路徑。附加路徑使用模型的輸出信號與輸入信號做差,目的是構建非線性模型。讓所得差值分別經過弱非線性模型和強非線性模型,構建另一部分輸出。如圖3所示為改進的Hammerstein模型的拓撲結構。

        圖3 改進的Hammerstein模型拓撲結構

        改進的Hammerstein模型運算流程如圖4所示。非線性部分采用穩(wěn)定性高的查找表的方法實現(xiàn),而記憶效應部分采用FIR濾波器來實現(xiàn)。

        圖4 改進的Hammerstein模型運算流程

        改進的Hammerstein模型的數(shù)學表達式為:

        其中,GLUT表示查找表的復增益;M1和M2分別代表主路徑中弱記憶效應子系統(tǒng)和強記憶效應子系統(tǒng)的記憶深度;ap和bk分別代表主路徑中弱記憶效應和強記憶效應的系統(tǒng)參數(shù);M3和M4分別代表附加路徑中弱記憶效應子系統(tǒng)和強記憶效應子系統(tǒng)的記憶深度;as和bt則分別代表附加路徑中弱記憶效應和強記憶效應的系統(tǒng)參數(shù)。由于查找表是基于數(shù)據(jù)分析的方法,能很好地表征模擬域不連續(xù)的模型,另外由于具有良好的穩(wěn)定性,易于在基帶實現(xiàn)。因此改進的Hammerstein模型的非線性模塊通過查找表來實現(xiàn)。而對于功放中的記憶效應模塊,則通過弱記憶效應子系統(tǒng)級聯(lián)強記憶效應子系統(tǒng)實現(xiàn)。更加精確地表征了功放中的記憶效應,提高了模型的精度。為了進一步提高模型的精度,加入了附加路徑。與傳統(tǒng)的Hammerstein模型相比,精確度有了顯著提高。

        5 模型仿真與驗證

        選用Nitronex公司的高電子遷移率的GaN制作的NPT1004進行功放的設計,其工作頻段為0~4GHz,靜態(tài)工作點為 VDS=28V,IDS=350mA,VGS=-1.5V,利用電磁仿真軟件 ADS2009(Advanced Design System),使用負載牽引技術設計匹配電路,得到完整的電路原理圖,如圖5、圖6所示。

        圖5 功放模型內部電路原理

        圖6 功放數(shù)據(jù)的測試電路

        使用3載波的WCDMA信號作為測試信號,利用包絡仿真提取出功放的輸入輸出數(shù)據(jù)。共提取10 000組數(shù)據(jù),其中5 000組數(shù)據(jù)用于模型參數(shù)的辨識,另外5 000組數(shù)據(jù)用來驗證模型的精確度。改進的Hammerstein模型中共有4個FIR濾波器,每個濾波器含有3個抽頭。使用預失真器參數(shù)離線辨識的方法得到靜態(tài)的AM/AM和AM/PM特性表,利用最小均方誤差(LMS)來獲取模型參數(shù)。

        圖7所示為使用增強的Hammerstein模型、本文的Hammerstein模型對功放分別進行預失真處理得到的效果圖。可以看出,相比增強的Hammerstein模型,使用本文改進的Hammerstein模型對功放進行線性化不僅補償了由于STM而產生的帶內失真,而且也抑制了由于LTM而產生的帶外的頻譜再生。更接近功放真實的功率譜密度曲線,建模精度更高。

        圖8是分別采用2種模型預失真后的AM/AM和AM/PM特性對比。由仿真結果可以看出,2種模型預失真后,線性化均有了一定的提升,由強記憶效應作用產生的發(fā)散狀態(tài)都得到了改善。但是使用本文改進的Hammerstein模型建立的預失真模型進行預失真,AM/AM特性和AM/PM特性優(yōu)于增強的Hammerstein模型。

        圖7 2種模型預失真后效果圖對比

        圖8 2種模型的AM/AM,AM/PM特性

        6 結束語

        記憶效應是繼非線性之后又一個限制預失真技術發(fā)展的重要領域,對其進行深入的研究具有重要意義。本文延續(xù)了Hammerstein模型的建模思想,著重考慮記憶效應對整個模型建模的影響,將Hammerstein模型中的記憶效應子系統(tǒng)分為弱記憶效應模塊和強記憶效應模塊,對兩者分別建模。同時,構建附加路徑從而保證了模型的精確度,達到了精確建模的目的。仿真結果表明,本文改進的Hammerstein模型在功放建模和預失真應用中都有著優(yōu)越的性能。下一步工作將進一步改善功放行為建模方案,尤其是針對功放中出現(xiàn)的長期記憶效應進行建模,提高模型精度。

        [1]Mkadem F,F(xiàn)ares M C,Boumaiza S.Complexityreduced Volterra Series Model for Power Amplifier Digital Predistortion[J].Analog Integrated Circuits and Signal Processing,2014,79(2):331-343.

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        [4]江 濤.Hammerstein模型辨識算法的研究[D].西安:西安理工大學,2010.

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