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数字预失真技术对行波管发射机信号质量的影响研究

杨瑜 曾辉 朱维 唐佳 陈国斌 来晋明

杨瑜, 曾辉, 朱维, 唐佳, 陈国斌, 来晋明. 数字预失真技术对行波管发射机信号质量的影响研究[J]. 电子科技大学学报, 2021, 50(5): 697-702. doi: 10.12178/1001-0548.2020352
引用本文: 杨瑜, 曾辉, 朱维, 唐佳, 陈国斌, 来晋明. 数字预失真技术对行波管发射机信号质量的影响研究[J]. 电子科技大学学报, 2021, 50(5): 697-702. doi: 10.12178/1001-0548.2020352
YANG Yu, ZENG Hui, ZHU Wei, TANG Jia, CHEN Guobin, LAI Jinming. Study on the Effect of Digital Predistortion on Signal Quality of Travelling-Wave Tube Transmitter[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2021, 50(5): 697-702. doi: 10.12178/1001-0548.2020352
Citation: YANG Yu, ZENG Hui, ZHU Wei, TANG Jia, CHEN Guobin, LAI Jinming. Study on the Effect of Digital Predistortion on Signal Quality of Travelling-Wave Tube Transmitter[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2021, 50(5): 697-702. doi: 10.12178/1001-0548.2020352

数字预失真技术对行波管发射机信号质量的影响研究

doi: 10.12178/1001-0548.2020352
详细信息
    作者简介:

    杨瑜(1979-),男,高级工程师,主要从事功率发射技术方面的研究.

    通讯作者: 杨瑜,E-mail:19053123@qq.com
  • 中图分类号: TN92

Study on the Effect of Digital Predistortion on Signal Quality of Travelling-Wave Tube Transmitter

  • 摘要: 以数字预失真为代表的线性化技术,是提高大功率发射信号质量的重要手段。该文设计了一种数字预失真方案,研制了样机,并在X波段100 W行波管发射机上进行了实验验证,取得了对发射信号质量改善的效果:矢量误差模(EVM)从8%下降到5%,三阶交调降低约10 dB,变功率输入时通道间相位一致性改善约10°,时域峰值−3 dB宽度改善了1.33 μs。在此基础上,该文从时域、频域等角度分析了数字预失真技术对发射信号质量的改善作用。
  • 图  1  预失真器的间接学习结构

    图  2  预失真方案框图

    图  3  预失真处理板硬件框图

    图  4  无预失真发射机输出频谱

    图  5  有预失真发射机输出频谱

    图  6  发射机预失真前后AM-AM效应对比

    图  7  发射机预失真前后AM-PM效应对比

    图  8  发射机预失真前后AM-PM效应局部放大

    图  9  发射机预失真前后两通道相位一致性比较

    图  10  发射机预失真前后时域波形对比

    表  1  时域峰值−3 dB宽度对比

    采样率/
    Sa·s−1
    输入信号−3 dB
    宽度(采样点数)
    无DPD时输出信号
    −3 dB宽度(采样点数)
    有DPD时输出信号
    −3 dB宽度(采样点数)
    输入信号
    −3 dB宽度/μs
    无DPD时输出信号
    −3 dB宽度/μs
    有DPD时输出信号
    −3 dB宽度/μs
    3.13×10988501407599102.834.503.17
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-09-14
  • 修回日期:  2021-05-26
  • 网络出版日期:  2021-09-28
  • 刊出日期:  2021-09-28

数字预失真技术对行波管发射机信号质量的影响研究

doi: 10.12178/1001-0548.2020352
    作者简介:

    杨瑜(1979-),男,高级工程师,主要从事功率发射技术方面的研究.

    通讯作者: 杨瑜,E-mail:19053123@qq.com
  • 中图分类号: TN92

摘要: 以数字预失真为代表的线性化技术,是提高大功率发射信号质量的重要手段。该文设计了一种数字预失真方案,研制了样机,并在X波段100 W行波管发射机上进行了实验验证,取得了对发射信号质量改善的效果:矢量误差模(EVM)从8%下降到5%,三阶交调降低约10 dB,变功率输入时通道间相位一致性改善约10°,时域峰值−3 dB宽度改善了1.33 μs。在此基础上,该文从时域、频域等角度分析了数字预失真技术对发射信号质量的改善作用。

English Abstract

杨瑜, 曾辉, 朱维, 唐佳, 陈国斌, 来晋明. 数字预失真技术对行波管发射机信号质量的影响研究[J]. 电子科技大学学报, 2021, 50(5): 697-702. doi: 10.12178/1001-0548.2020352
引用本文: 杨瑜, 曾辉, 朱维, 唐佳, 陈国斌, 来晋明. 数字预失真技术对行波管发射机信号质量的影响研究[J]. 电子科技大学学报, 2021, 50(5): 697-702. doi: 10.12178/1001-0548.2020352
YANG Yu, ZENG Hui, ZHU Wei, TANG Jia, CHEN Guobin, LAI Jinming. Study on the Effect of Digital Predistortion on Signal Quality of Travelling-Wave Tube Transmitter[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2021, 50(5): 697-702. doi: 10.12178/1001-0548.2020352
Citation: YANG Yu, ZENG Hui, ZHU Wei, TANG Jia, CHEN Guobin, LAI Jinming. Study on the Effect of Digital Predistortion on Signal Quality of Travelling-Wave Tube Transmitter[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2021, 50(5): 697-702. doi: 10.12178/1001-0548.2020352
  • 在大功率发射领域,由于微波功率放大器(发射机)的非线性特性,发射机的输出信号质量相对于输入信号有恶化的表现,具体体现为AM-AM效应、AM-PM效应、三阶交调、谐波、多通道间的幅相一致性恶化、时域削峰现象等。为改善发射信号的失真,需采用线性化技术来提高发射信号的质量。常用的线性化技术主要有[1]:功率回退、模拟预失真、数字预失真(digital predistortion, DPD)、前馈、动态偏置、包络消除与恢复(envelope elimination and restoration, EER)、非线性元件实现线性放大(linear amplifier using nonlinear components, LINC)、笛卡尔反馈(Cartesian feedback)等。在这些方案中,数字预失真方案虽然较复杂、带宽较窄,但其效率高、非线性产物抑制能力强且自适应,应用较为普遍[2-8]

    微波功率放大器中,行波管体制的发射机具有工作带宽宽、效率高、对环境温度变化不敏感等特点,因此,在电子对抗等领域获得了广泛的应用。但其在饱和放大区具有较强的非线性特性,因此,提高行波管发射机的线性化水平成为工程应用中的迫切需求。传统的数字预失真设计主要针对固态微波功率放大器,针对行波管体制的微波功率放大器数字预失真设计较为少见。本文设计了一种数字预失真方案,研制了数字预失真样机,并在X波段100 W行波管发射机上进行实验验证。

    • 本文对功放的建模采用了记忆多项式模型[9-13],在该模型中,预失真器与功放的位置可以交换而不影响输出结果。图1所示的间接学习结构得到较广泛的应用。图中Predistorter A和Predistorter B是两个相同的预失真器,其结构、参数完全相同。该预失真器采用和功放同样的记忆多项式模型,该记忆多项式模型见式(1),模拟功放对输入信号的非线性变换过程,如功放三阶交调的产生、功放的记忆效应等,且通过参数配置的差异,产生和功放相反的非线性特性,从而抵消功放带来的非线性产物。x(n)是系统输入信号,z(n)是系统输入信号经过Predistorter B处理后的输出,同时也是功放的输入信号,y(n)是功放放大后的输出信号,Gain是包含了Predistorter B和功放的整个链路的增益,功放输出y(n),经过定向耦合器和可调衰减器共1/Gain的衰减,再经过Predistorter A处理后,输出为Z(n)。在理想状态下,Predistorter A和Predistorter B的输出z(n)和Z(n)相等,此时误差信号e(n)为0,由于两个预失真器Predistorter A和Predistorter B相等,它们的输入y(n)/Gain和x(n)也相等,考虑系统的增益Gain后,y(n)对x(n)进行了线性放大。

      图  1  预失真器的间接学习结构

      由于预失真器A和B完全相同,因此,下面以预失真器B为例介绍其输出表达式。预失真器Predistorter B的输出信号表达式见式(1)。其中,x(n)是系统输入信号,z(n)是预失真器的输出信号,n是时间采样序列,q是采样序列在时间上的延迟值,akq是表达式的系数,因此,要求解预失真器Predistorter B,就需要求出系数akq

      $$\textit{z} (n) = \sum\limits_{k = 1}^K {\sum\limits_{q = 0}^Q {{a_{kq}}x(n - q){{\left| {x(n - q)} \right|}^{k - 1}}} } $$ (1)

      为求得系数akq,令:

      $${u_{kq}}(n) = x(n - q){\left| {x(n - q)} \right|^{k - 1}} = \frac{{y(n - q)}}{G}{\left| {\frac{{y(n - q)}}{G}} \right|^{k - 1}}$$ (2)

      将式(2)代入式(1),可将式(1)改写为矩阵形式:

      $${{\textit{z} }} = {\boldsymbol{Ua}}$$ (3)

      其中,

      $${\boldsymbol{z}} = {[z(0),z(1), \cdots ,z(N - 1)]^{\rm{T}}}$$
      $${\boldsymbol{U}} = [{{\boldsymbol{u}}_{10}},\; \cdots ,{{\boldsymbol{u}}_{K0}}, \cdots ,{{\boldsymbol{u}}_{1Q}}, \cdots ,{{\boldsymbol{u}}_{KQ}}]$$
      $${{\boldsymbol{u}}_{kq}} = {[{u_{kq}}(0), \cdots ,{u_{kq}}(N - 1)]^{\rm{T}}}$$
      $${\boldsymbol{a}} = {[{a_{10}}, \cdots ,{a_{K0}}, \cdots ,{a_{1Q}}, \cdots ,{a_{KQ}}]^{\rm{T}}}$$

      式中,N是信号点数;K是非线性阶数;Q则代表了记忆深度。式(3)的最小二乘解为:

      $$\hat {\boldsymbol{a}} = {({{\boldsymbol{U}}^{\rm{H}}}{\boldsymbol{U}})^{ - 1}}{{\boldsymbol{U}}^{\rm{H}}}{\boldsymbol{z}}$$ (4)

      求出系数a后,预失真器可按照式(1)构建。功放自身的非线性模型也可按照式(1)构建,其非线性特性随环境温度、电路老化漂移等因素影响,变化较为缓慢,因此预失真系数akq的求解速度不是关键指标。但是在akq的求解完成后,为求得z(n),式(1)的处理需要实时性,通常采用FPGA硬件电路实现。

    • 预失真方案如图2所示。图中100 W发射机是行波管体制,行波管由中国电子科技集团公司第12研究所研制,其工作频率范围为6~18 GHz,输入输出驻波小于2.5,输入信号功率28~30 dBm,在X波段典型输出功率100 W。预失真处理板由FPGA、高速双AD、高速D/A以及一些外围电路组成[14],详见图3

      图  2  预失真方案框图

      图  3  预失真处理板硬件框图

      具体实现上,通过信号源E8267D产生中心频率125 MHz的基带信号,输入到预失真处理板,经过预失真处理后,输出到上变频模块,变换为X波段信号,再送入100 W发射机,发射机的输出经过定向耦合器、下变频模块后反馈送入预失真处理板。此外,还需要给预失真处理板外供1 GHz时钟信号。

    • 为分析预失真对信号质量的改善效果,在具体微波信号样式上,本文采用了如QPSK、LFM等多种信号样式,将分别讨论信号质量的改善效果。

    • 在通信领域中,QPSK调制是关键技术之一,矢量误差模(error vector magnitude, EVM)是所有影响调制精度的综合指标,且能够最好地以图形化方式反映调制的精度[15]

      为验证DPD对EVM的改善作用,将主信号设置为带宽10 MHz的QPSK调制信号,上变频器的输出频率设置为8.375 GHz。调整发射机的输入功率,使其处于饱和工作状态,同时用频谱仪记录无DPD和有DPD时的EVM测试结果,见图4图5

      图  4  无预失真发射机输出频谱

      在加入数字预失真后,对发射机输出交调的抑制约为10 dB,而EVM从8%改善到了5%。

      图  5  有预失真发射机输出频谱

    • 从发射机自身的AM-AM、AM-PM效应来进一步对预失真效果进行分析比较,将发射机的输入、输出信号分别用高速采样示波器采样,并导入计算机分析,绘制AM-AM、AM-PM曲线,如图6图7所示。该点状图代表了在某一个瞬时输入幅度的条件下,所对应的不同输出幅度或相位瞬时值。

      图  6  发射机预失真前后AM-AM效应对比

      图  7  发射机预失真前后AM-PM效应对比

      图6可见,当无预失真时,随着输入功率的提高,输出功率逐级趋向饱和,呈现饱和曲线形状,而有预失真时,随着输入功率的提高,输出功率基本保持线性变化,接近理想曲线。

      图8中,纵轴是发射机输出信号相对输入信号的相位差,从图中可见,随着输入信号的功率增大,两条曲线均接近0,即相位差变小。但有预失真发射机的输出信号相位差更接近0,即其对输入信号相位失真更小。具体数值上,在接近饱和输出时,相位差从0.15 rad提高到−0.05 rad。

      图  8  发射机预失真前后AM-PM效应局部放大

    • 为比较两个发射机在不同输入功率条件下,有无DPD时的相位一致性,本实验将信号源E8267D更换为任意波发生器,中心频率仍设置为125 MHz,3个带宽为5 MHz的LFM信号合成输出。详细实验步骤如下:

      1)将发射机A按照图2接入系统,调整输入功率,使其处于饱和工作状态,用示波器记录发射机输出经过下变频后的信号;

      2)将发射机B按照图2接入系统,调整输入功率,使其比步骤1)降低10 dB,用示波器记录发射机输出经过下变频后的信号;

      3)去掉DPD板,让发射机A和B分别在饱和输出和降低10 dB输入功率条件下工作,用示波器记录发射机输出经过下变频后的信号;

      4)将示波器采集到的波形分别进行滤波、FFT后,计算发射机A和B之间的相位差。

      实验结果见图9。可以看到,由于DPD对发射机AM-PM效应的改善作用,在3个LFM线调信号带内,有DPD时两个不同输入功率发射机之间的相位差较无DPD时改善约10°。

    • 发射机的非线性在时域上会表现为削峰效应,且对峰均比高的信号(如幅度调制信号等)更为明显。

      图  9  发射机预失真前后两通道相位一致性比较

      本实验中主信号的设置同3.3节,其在时域上表现为一个包络幅度调制信号,经过无DPD和有DPD两种发射机后,采用高速示波器记录输出信号。为对比无DPD和有DPD对时域削峰效应的差异,用时域峰值−3 dB的宽度来进行比较,如表1所示。

      表 1  时域峰值−3 dB宽度对比

      采样率/
      Sa·s−1
      输入信号−3 dB
      宽度(采样点数)
      无DPD时输出信号
      −3 dB宽度(采样点数)
      有DPD时输出信号
      −3 dB宽度(采样点数)
      输入信号
      −3 dB宽度/μs
      无DPD时输出信号
      −3 dB宽度/μs
      有DPD时输出信号
      −3 dB宽度/μs
      3.13×10988501407599102.834.503.17

      图10表1可见,无DPD时功放饱和输出有较为明显的削峰现象,时域峰值−3 dB宽度从输入信号的2.83 μs变到了4.50 μs;而有DPD时功放饱和输出的削峰现象得到了改善,时域峰值−3 dB宽度从输入信号的2.83 μs变到了3.17 μs,改善了1.33 μs。

      图  10  发射机预失真前后时域波形对比

    • 从频域上来看,数字预失真对交调有抑制作用,从而带来邻道干扰的改善。从时域上来看,数字预失真对波形有保真作用,即改善了调幅信号在经过功放饱和输出后的削峰、限幅现象。从本质上来看,数字预失真对发射信号的幅度和相位失真具有校正作用,随着对发射机输出信号质量要求的提高,如要求幅相一致性更高、非线性产物更少,具有预校正功能的发射机预计会得到广泛的应用。

参考文献 (15)

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