一种可抑制谐波和互调失真的短波发射机

1.本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种可抑制谐波和互调失真的短波发射机。


背景技术：

2.现代社会中，高频已广泛的被应用于远距离通信中。高频也称为短波，是指频率为2～30mhz的频段，它是以天波的形式传播，在电离层和大地的反射下可以进行很远距离的传播，因用高频传播信号不需要昂贵的基础设施，因此被广泛应用。
3.对于短波发射机而言，为了使其获得更好的输出性能，功率放大器产生了包含有互调和谐波的非线性失真。为了确保通信的可靠性，则需要对谐波进行抑制，传统的办法是采用模拟滤波器组进行高次谐波的滤除，但是该方法需要占用很大的体积且有损耗，数字域的研究却很好的克服了这一缺点，因此传统的模拟滤波器将逐渐被数字器件所替代。
4.数字预失真技术的研究主要是在针对功放的线性化中提出的。近些年来数字预失真技术也逐步应用于谐波消除的研究，数字预失真技术的效率高低主要是被表征功放特性的预失真模型所决定的，但是随着模型精度的提高，其实现的复杂度也会增大。为了抑制这些低频带产生的高次谐波和互调，传统的办法是在功放输出端和天线之间直接增加模拟滤波器组，而这种方案不可避免的会带来插损和增大系统的体积，不利于系统实现小型化，在数字域上的研究，就可以很好的克服这一缺点，但是传统的数字预失真模型对谐波和互调的消除能力却是有一定的局限性。
5.中国专利cn211981855u，专利名称为：一种短波发射机，通过数字谐波消除模块在功放前端预先注入与失真谐波幅度相同、相位相反的谐波分量，使得功放输出的谐波被抵消，由此避免滤波器的插损，提升整机效率，减小系统的体积还有重量，实现系统小型化。在经过数字谐波消除模块补偿后，功放输出的各次失真谐波功率相对基波功率的比值均满足系统需求。但是只是对输出信号的谐波失真进行了消除，却忽略了互调失真，因此研究一种可以同时抑制或改善互调和谐波失真，且复杂度低的高效的短波发射机是非常必要的。


技术实现要素：

6.本发明的目的是解决现有短波发射机不能同时抑制或改善互调和谐波失真，且系统效率低复杂度高的问题，而提供了一种可抑制谐波和互调失真的短波发射机。
7.为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
8.一种可抑制谐波和互调失真的短波发射机，其特殊之处在于：包括数字预失真处理模块、输出信号处理模块、数模转换器(dac)、功率放大器(pa)、滤波器、模数转换器(adc)和天线；
9.所述数字预失真处理模块的第一输入端和输出信号处理模块的第一输入端均与基带信号连接；
10.所述数字预失真处理模块用于对输入的基带信号进行预失真处理，其输出端与数
模转换器(dac)的输入端连接；
11.所述数模转换器(dac)用于将所述数字预失真处理模块的输出信号转换为模拟信号，其输出端与功率放大器(pa)的输入端连接；
12.所述功率放大器(pa)用于对所述数模转换器的输出信号的功率进行放大，其输出端与天线连接，将输出信号通过天线输出，同时输出端还与滤波器的输入端连接；
13.所述滤波器用于滤除掉输出信号中的干扰信号，其输出端与模数转换器(adc)的输入端连接；
14.所述模数转换器(adc)用于将所述滤波器的输出信号转换为数字信号，其输出端与输出信号处理模块的第二输入端连接；
15.所述输出信号处理模块的输出端与数字预失真处理模块的第二输入端连接，用于培养出放大了干扰信号的新输出信号送入数字预失真处理模块，进而使得在数字预失真处理模块中培养出可以消除谐波和互调的预失真模型系数。
16.进一步地，所述的数字预失真处理模块包括数字预失真功能单元和数字预失真系数培养单元；
17.所述数字预失真功能单元的第一输入端与基带信号连接，第二输入端与数字预失真系数培养单元的输出端连接，用于将输入信号进行数字预失真处理；所述数字预失真系数培养单元的输入端与输出信号处理模块的输出端连接，用于接收输出信号处理模块培养出的放大了干扰信号的新输出信号，进而培养出可以消除谐波和互调失真的模型系数。
18.进一步地，所述第一最大参考峰值电压查找模块的输入端连接基带信号，用于得到第一最大参考峰值电压，其输出端连接第一增益约束模块；所述第一增益约束模块的另一输入端连接基带信号，用于将基带信号约束到一定范围内；
19.所述第二最大参考峰值电压查找模块的输入端连接模数转换器(adc)的输出端，用于得到第二最大参考峰值电压，其输出端连接第二增益约束模块；所述第二增益约束模块的另一输入端连接模数转换器(adc)的输出端，用于将输出信号约束到一定范围内；
20.所述第一增益约束模块的输出端经第一乘法器反相后，再与第二增益约束模块的输出端经第一加法器求和，得到干扰信号；
21.所述干扰信号在第二乘法器进行n倍放大并与第二最大参考峰值电压相乘后，再与模数转换器(adc)的输出信号经第二加法器求和，获得放大了干扰信号的新输出信号。
22.进一步地，所述第一增益约束模块用于将基带信号的幅值控制在0到1之间；
23.所述第二增益约束模块用于将输出信号的幅值控制在0到1之间。
24.进一步地，所述的数字预失真处理模块中的数字预失真模型采用的是广义记忆多项式(gmp)模型
25.进一步地，所述滤波器为抗混叠滤波器。
26.进一步地，所述第二乘法器的放大倍数n为2.5。
27.本发明相比现有技术的有益效果是：
28.1、本发明可抑制谐波和互调失真的短波发射机结构简单，容易实现，能够有效的消除输出信号中的谐波和互调失真。
29.2、本发明可抑制谐波和互调失真的短波发射机包括输出信号处理模块，连接在功放的输出端和数字预失真处理模块的输入端之间，通过输出信号和输入信号培养出放大了
干扰的新输出信号，利用该新输出信号进行预失真处理时，会使培养出的预失真模型系数在对输入信号处理后，可以更有效的对功放的谐波和互调失真进行消除，提升了整机的效率。
30.3、本发明可抑制谐波和互调失真的短波发射机除去了传统的模拟滤波器组，大大减小了系统的体积和重量，便于系统的实现和小型化。
附图说明
31.图1是现有带有数字预失真处理模块的可抑制谐波和互调失真的短波发射机结构示意图；
32.图2是本发明短波发射机结构示意图；
33.图3是本发明中采用的一种数字预失真模型结构；
34.图4是本发明短波发射机中输出信号处理模块原理示意图；
35.图5是本发明短波发射机中谐波和互调消除前后整体频谱对比图；
36.图6是本发明短波发射机中谐波和互调消除前后基波对比图；
37.图7是本发明短波发射机中谐波和互调消除前后二次谐波对比图；
38.图8是本发明短波发射机中谐波和互调消除前后三次谐波对比图。
39.附图标记：
40.1-第一最大参考峰值电压查找模块，2-第一增益约束模块，3-第一乘法器，4-第一加法器，5-第二增益约束模块，6-第二最大参考峰值电压查找模块，7-第二乘法器，8-第二加法器。
具体实施方式
41.为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种可抑制谐波和互调失真的短波发射机作进一步详细说明。
42.为便于理解，此处先介绍带有预失真处理模块的短波发射机结构。如图1所示，所述短波发射机主要包括：数字预失真处理模块、数模转换器(dac)、模数转换器(adc)、功率放大器(pa)和天线。
43.在短波发射机中，输出信号由模数转换器转换成数字信号，再结合输入信号可以培养出应用于数字预失真处理模块中的模型系数，进而将输入信号经过预失真处理后，由数模转换器转换成模拟信号，利用功率放大器进行放大，最后由天线发射出去。
44.功率放大器的输入射频信号可以用公式(1)表示：
45.x(t)＝a(cos(ω1t)+cos(ω2t))
ꢀꢀ
(1)
46.其中，x(t)为输入信号，a为输入信号幅度，ω1和ω2为输入信号的不同频率。
47.考虑功放的非线性特性，可以用一个k阶的泰勒公式来表征，如公式(2)所示。
48.y(t)＝a1x(t)+a2x(t)2+a3x(t)3+a4x(t)4+a5x(t)5…
(2)
49.其中，y(t)为输出信号，a1，a2，a3，a4，a5…
为表征k阶泰勒公式的系数。
50.当k取值为5时，功放的输出信号可以表示为下式(3):
[0051][0052]
从公式(3)中可以看到因为功放的非线性失真，输出伴随有很多的谐波和互调。为了抑制这些低频带产生的高次谐波和互调，传统的办法是在功放输出端和天线之间直接增加模拟滤波器组，而这种方案不可以避免的会带来插损和增大系统的体积，不利于系统实现小型化，在数字域上的研究，就可以很好的克服这一缺点，但是传统的数字预失真模型对谐波和互调的消除能力却是有一定的局限性。
[0053]
因此在数字预失真技术上进一步深入研究，提出了一种短波发射机系统的在数字预失真处理下谐波和互调消除的方案，取代了传统的模拟滤波器组，实现了对输出谐波和互调的消除，可以使发射机系统小型化，提高了系统的精度和效率。
[0054]
如图2所示，本实施例可抑制谐波和互调失真的短波发射机是基于dsp和fpga来实现谐波消除，具体的包括：数字预失真处理模块、输出信号处理模块(output signal processing)、数模转换器(dac)、功率放大器(pa)、滤波器、模数转换器(adc)和天线。
[0055]
数字预失真处理模块的第一输入端和输出信号处理模块的第一输入端均与基带信号连接；数字预失真处理模块的输出端与数模转换器(dac)的输入端连接。数字预失真处理模块用于进行输入信号的预失真处理。
[0056]
数模转换器(dac)的输出端与功率放大器(pa)的输入端连接。数模转换器(dac)用于将所述数字预失真处理模块的输出信号转换为模拟信号。
[0057]
功率放大器(pa)的第一输出端与天线连接，将其中一部分信号通过天线输出，功率放大器(pa)的第二输出端与滤波器的输入端连接；功率放大器(pa)用于对数模转换器的输出信号的功率进行放大。
[0058]
滤波器的输出端与模数转换器(adc)的输入端连接。本实施例中滤波器选用抗混叠滤波器，用于抑制带外的包括干扰信号在内的噪声。
[0059]
模数转换器(adc)的输出端与输出信号处理模块的第二输入端连接；输出信号处理模块的输出端与数字预失真处理模块的第二输入端连接。模数转换器(adc)用于将所述滤波器的输出信号转换为数字信号；
[0060]
输出信号处理模块，用于培养出放大了干扰信号的新输出信号，进而使得在数字预失真处理模块中培养出可以消除谐波和互调的预失真模型系数。
[0061]
数字预失真处理模块包括数字预失真功能单元(dpd function)和数字预失真系数培养单元(dpd-coefficient training)；其中，数字预失真功能单元的第一输入端与基带信号连接，第二输入端与数字预失真系数培养单元的输出端连接，用于将输入信号进行数字预失真处理；数字预失真系数培养单元的输入端与输出信号处理模块的输出端连接，用于培养出可以消除谐波和互调的模型系数。本实施例中，所述的数字预失真处理模块中的数字预失真模型采用的是广义记忆多项式(gmp)模型，简图如图3所示。
[0062]
如图4所示，输出信号处理模块用于培养出能应用于数字预失真处理模块的新输出信号。
[0063]
输出信号处理模块具体数据处理流程为，将模数转换器(adc)的输出信号y(n)和输入信号x(n)的幅值分别控制到0到1之间后做差，得到干扰信号(包括谐波和互调)，对干扰信号放大并与输出的最大参考峰值电压相乘后，再与输出信号相加，得到放大干扰的新输出信号，利用该新输出信号进行预失真模型系数的求取中，会使得关于表征互调和谐波的模型系数变得更小，从而会导致在进行预失真处理后功率放大器(pa)的输出信号的互调和谐波被消除。由此，取代了传统的模拟滤波器组，避免了插损，减小了系统的体积，提高了系统的精度，提升了整机的效率。
[0064]
输出信号处理模块包括第一最大参考峰值电压查找模块1、第一增益约束模块2、第一乘法器3、第一加法器4、第二增益约束模块5、第二最大参考峰值电压查找模块6、第二乘法器7、第二加法器8。
[0065]
第一增益约束模块2第一输入端与基带信号第一输出连接，第二输入端与第一最大参考峰值电压查找模块1第一输出端连接，输出端与第一乘法器3第一输入端连接。
[0066]
第一最大参考峰值电压查找模块1输入端与基带信号第二输出端连接；利用第一最大参考峰值电压查找模块1找出基带信号的最大峰值电压。
[0067]
第一乘法器3第二输入端与常数m连接，输出端与第一加法器4第一输入端连接；常数m为-1。
[0068]
第一加法器4输出端与第二乘法器7第一输入端连接；
[0069]
第二增益约束模块5第一输入端与模数转换器(adc)的第一输出端连接，第二输入端与第二最大参考峰值电压查找模块6第一输出端连接，其输出端与第一加法器4第二输入端连接。
[0070]
第二最大参考峰值电压查找模块6输入端与模数转换器(adc)第二输出端连接，第二输出端与第二乘法器7第二输入端连接。
[0071]
第二乘法器7第一输入端与放大倍数常数n连接，输出端与第二加法器8第一输入端连接；放大倍数常数n为2.5。
[0072]
第二加法器8第二输入端与模数转换器(adc)第三输出端连接，输出端与数字预失真处理模块的第二输入端连接。
[0073]
概括而言，输出信号处理模块能够产生用于数字预失真处理模块中的消除谐波和互调的新输出信号，其放大了干扰信号，保持基波信号不变，以至于在求取的关于表征谐波和互调的预失真模型系数会变小，进而信号在预失真处理后经过功放，所得的输出信号的谐波和互调会被消除。
[0074]
在实验中，输入信号的生成和谐波消除算法都在matlab中完成，信号被下载到矢量信号发生器(esg4438c)中，以注入功率放大器。功率放大器的输出信号被衰减，然后被频谱分析仪(n9010a)捕获，该分析仪与vsg共享相同的参考时钟和触发信号。
[0075]
图5从宏观的角度展示了输出信号的谐波和互调消除的效果。其中，图中的激励信号是一个间隔为24khz，采样率为40mhz，载波频率为4mhz的双音信号，预失真模型采用广义记忆多项式模型(gmp)。
[0076]
从图5中可以看到，采用培养了的新输出信号进行数字预失真处理后的谐波和互调的消除能力较比于原输出信号进行数字预失真处理有很大程度的提升。
[0077]
将基波、二次谐波、三次谐波放大后可以得到图6、图7和图8。
[0078]
通过观察图6可以发现，采用新的输出信号进行数字预失真处理后的互调消除效果比采用原输出信号进行数字预失真处理效果更好。
[0079]
通过观察图7可以发现，双音信号的二次谐波的改善效果分别提高了5db和5.6db，其二次谐波周围的互调有5db以上的提高。
[0080]
通过观察图8可以发现，双音信号的三次谐波的改善效果分别提高了10.6db和15.6db，其三次谐波周围的互调有10db以上的提高。
[0081]
由此，本实施例可抑制谐波和互调失真的短波发射机利用培养的新输出信号有效的解决了谐波和互调失真的问题。
[0082]
最后应说明的是：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：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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技术方案的范围。