基于非線性實(shí)時(shí)消除的超外差式信號(hào)接收系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于非線性實(shí)時(shí)消除的超外差式信號(hào)接收系統(tǒng)，能夠?qū)邮諜C(jī)接收到的信號(hào)進(jìn)行非線性實(shí)時(shí)消除，同時(shí)其接收靈敏度高且對(duì)所有類型的輸入信號(hào)均有效。該信號(hào)接收系統(tǒng)在傳統(tǒng)的超外差式數(shù)字接收機(jī)中增加了非線性實(shí)時(shí)消除單元，非線性實(shí)時(shí)消除單元包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)緩存模塊、非線性補(bǔ)償模型核系數(shù)計(jì)算模塊和非線性失真消除運(yùn)算模塊。其中數(shù)據(jù)緩存模塊對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行短時(shí)存儲(chǔ)，為非線性消除算法提供樣本數(shù)據(jù)，非線性補(bǔ)償模型核系數(shù)計(jì)算模塊根據(jù)待補(bǔ)償數(shù)字信號(hào)的特征，計(jì)算得到非線性補(bǔ)償模型核系數(shù)；非線性失真消除運(yùn)算模塊使用非線性補(bǔ)償模型核系數(shù)，對(duì)待補(bǔ)償數(shù)字信號(hào)進(jìn)行非線性失真實(shí)時(shí)消除運(yùn)算，得到補(bǔ)償后的數(shù)字信號(hào)。
【專利說明】基于非線性實(shí)時(shí)消除的超外差式信號(hào)接收系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種信號(hào)接收系統(tǒng)，具體涉及一種基于非線性實(shí)時(shí)消除的超外差式信號(hào)接收系統(tǒng)，屬于通信信號(hào)處理【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)字信號(hào)處理是無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著人們對(duì)頻譜帶寬需求的不斷增大，窄帶數(shù)字處理方式無法滿足越來越高的技術(shù)需求，寬帶數(shù)字接收機(jī)技術(shù)開始受到重視，并被廣泛應(yīng)用于深空探測(cè)、電子戰(zhàn)、無線電頻率管制等【技術(shù)領(lǐng)域】。這些應(yīng)用需求都要求所使用的超外差式數(shù)字接收機(jī)具備寬的輸入帶寬覆蓋范圍和大的動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)。
[0003]既能改善接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍，又能兼顧功率效率和帶寬的方法是采用某種線性化技術(shù)，例如，在發(fā)射機(jī)中已廣泛使用的前饋技術(shù)、反饋技術(shù)等?！皵?shù)字自適應(yīng)前饋功放線性化研究”(微波學(xué)報(bào)，19(1):80-84，2003年3月)通過增加額外的電路提取待補(bǔ)償系統(tǒng)輸出信號(hào)中的失真分量，將其放大后從輸出信號(hào)中扣除，以獲得高線性度的輸出信號(hào)，但該技術(shù)使得電路結(jié)構(gòu)變得很復(fù)雜，而且載波抵消環(huán)路上的幅度、相位和時(shí)延失陪誤差導(dǎo)致失真分量難以被完全抵消?！盎跔顟B(tài)反饋的功率放大器線性化方法”(微波學(xué)報(bào)，27 (4) =329-332,2010年4月)將系統(tǒng)的射頻輸出信號(hào)直接反饋到輸入端，通過反饋以達(dá)到對(duì)非線性失真的抑制的目的，但由于反饋回路增加的延時(shí)惡化了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，使得射頻直接反饋技術(shù)僅適用于窄帶系統(tǒng)的線性化。
[0004]隨著體積小、高速、低功耗數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的出現(xiàn)和進(jìn)步，自適應(yīng)基帶預(yù)失真技術(shù)成為克服非線性失真的一項(xiàng)很有前途的技術(shù)?！耙环N新的用于有記憶功放的查找表預(yù)失真器”(電子學(xué)報(bào)，36 (9): 1728-1732，2008年9月)采用查找表的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無記憶非線性系統(tǒng)的補(bǔ)償。但是，隨著傳輸信號(hào)帶寬的不斷增大，數(shù)字接收前端非線性失真所具有的記憶效應(yīng)越來越明顯，在這種情況下查找表法是無能為力的。隨機(jī)抖動(dòng)注入技術(shù)可以打亂誤差項(xiàng)與輸入信號(hào)的相關(guān)性，“用隨機(jī)起伏信號(hào)方法改善ADC的SFDR指標(biāo)”(核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，21 (2): 110-114，2001年3月)運(yùn)用該技術(shù)使誤差以類似白噪聲的方式均勻地分布到所有的頻率分量中以達(dá)到抑制非線性失真的目的。但目前該方向的研究?jī)H僅只考慮了模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的線性化補(bǔ)償，沒有考慮數(shù)字接收機(jī)其它部分的非線性失真。
[0005]綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)如下:
[0006]a、無法保證對(duì)所有類型的信號(hào)均有效。上述技術(shù)均要求已知待處理信號(hào)的某些特征，而根據(jù)接收機(jī)的特點(diǎn)以及應(yīng)用背景，接收信號(hào)的特征往往是未知而亟待破解的。
[0007]b、對(duì)于工作頻率高，信號(hào)帶寬大的接收機(jī)系統(tǒng)，上述技術(shù)無法實(shí)時(shí)的對(duì)非線性進(jìn)行消除。
[0008]C、上述技術(shù)只適用于射頻前端或ADC，不能保證對(duì)包含數(shù)字接收前端和ADC在內(nèi)的整個(gè)數(shù)字接收機(jī)的非線性失真有補(bǔ)償效果。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]有鑒于此，本發(fā)明提供一種基于非線性實(shí)時(shí)消除的超外差式信號(hào)接收系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)所有類型的信號(hào)均有效，且能夠非線性失真進(jìn)行實(shí)時(shí)消除，對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)能力強(qiáng)。
[0010]該超外差式信號(hào)接收系統(tǒng)，包括由超外差式射頻接收前端和模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成的接收機(jī)；所述外差式射頻接收前端接收輸入的射頻信號(hào)，并對(duì)接收到的射頻信號(hào)進(jìn)行放大、下變頻及濾波處理后以模擬信號(hào)的形式傳輸給模數(shù)轉(zhuǎn)換器；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器將接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
[0011]此外，還包括由數(shù)據(jù)緩存模塊、非線性補(bǔ)償模型核系數(shù)計(jì)算模塊和非線性失真消除運(yùn)算模塊組成的非線性實(shí)時(shí)消除單元；
[0012]所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)發(fā)送給非線性實(shí)時(shí)消除單元，該數(shù)字信號(hào)即為待補(bǔ)償?shù)臄?shù)字信號(hào)；所述非線性實(shí)時(shí)單元對(duì)待補(bǔ)償?shù)臄?shù)字信號(hào)進(jìn)行非線性實(shí)時(shí)消除的過程為:
[0013](I)所述數(shù)據(jù)緩存模塊對(duì)待補(bǔ)償?shù)臄?shù)字信號(hào)進(jìn)行暫時(shí)存儲(chǔ)，為非線性補(bǔ)償模型核系數(shù)計(jì)算模塊提供設(shè)定長(zhǎng)度的樣本數(shù)據(jù)；
[0014](2)所述非線性補(bǔ)償模型核系數(shù)計(jì)算模塊進(jìn)行非線性補(bǔ)償核系數(shù)的計(jì)算，具體為:
[0015](201)依次對(duì)高速數(shù)據(jù)緩存模塊中的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行離散傅立葉變換，然后搜索出位于第一奈奎斯特頻帶內(nèi)且功率譜大于預(yù)先設(shè)定的功率譜閾值的信號(hào)，該信號(hào)即為過門限信號(hào)，記錄過門限信號(hào)的個(gè)數(shù)及其中心頻率；
[0016](202)依據(jù)過門限信號(hào)的個(gè)數(shù)及其中心頻率，計(jì)算過門限信號(hào)的諧波或互調(diào)頻率值，計(jì)算得到的諧波或互調(diào)頻率值即為接收機(jī)非線性失真分量的頻率信息；計(jì)算到的諧波或互調(diào)頻率值的最高階數(shù)與非線性補(bǔ)償模型的階數(shù)相等；
[0017](203)根據(jù)非線性失真分量的頻率信息配置生成多通帶頻域?yàn)V波器，該多通帶頻域?yàn)V波器為列向量g，其維數(shù)為BX I ;其中B/2的數(shù)值大于或等于非線性失真分量的頻率個(gè)數(shù)；
[0018](204)采用步驟(203)生成的多通帶頻域?yàn)V波器在對(duì)頻域內(nèi)對(duì)離散傅立葉變換后的待補(bǔ)償數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波，并計(jì)算得到非線性失真分量的功率；所述非線性失真分量的功率為多通帶頻域?yàn)V波器輸出數(shù)據(jù)的平方和；
[0019](205)將非線性失真功率的均方值作為迭代目標(biāo)函數(shù)，以“非線性失真功率最小”為準(zhǔn)則，采用最速下降法進(jìn)行非線性補(bǔ)償核系數(shù)的自適應(yīng)迭代計(jì)算，得到非線性補(bǔ)償模型核系數(shù)向量；
[0020](3)所述非線性失真消除運(yùn)算模塊使用步驟(2)得到的非線性補(bǔ)償模型核系數(shù)向量，對(duì)待補(bǔ)償?shù)臄?shù)字信號(hào)進(jìn)行非線性失真實(shí)時(shí)消除，得到補(bǔ)償后的數(shù)字信號(hào)。
[0021]采用非對(duì)稱離散Volterra級(jí)數(shù)作為非線性補(bǔ)償模型對(duì)待補(bǔ)償?shù)臄?shù)字信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，則所述步驟(204)中，非線性失真分量的功率為:
sj{kM)= y (Ir) - Vr I jJt I c*> T sgr r{k)-Tr
[0022]= 7T (k)giy_-yr <X丨g#vr (k)m

__Γ VI k I g|rT \k) + mTY {k I ggrV r < ^) ?(丄)
[0023]其中:Sf(k，ω)為多通帶頻域?yàn)V波器的輸出數(shù)據(jù)；ω為非線性補(bǔ)償模型核系數(shù)向量；Τ代表矩陣轉(zhuǎn)置運(yùn)算；k為離散的時(shí)間點(diǎn)；
[0024]y (k) = [y (k-B+1) y(k_B+2)...y(k_l) y(k)]T,
[0025]V (k) = [v (k-B+1) v(k_B+2)...v(k_l) v (k) ]T,
[0026]V (k)表示用y (k)根據(jù)非線性補(bǔ)償模型構(gòu)造的各階次的記憶非線性列向量，
[0027]v(k) = [y2 (k) y (k)y (k~l)...y2 (k-Nd+l) y3 (k) y2(k)y(k_l)…yD (k_Nd+l) ]τ,
[0028]Nd為d階Volterra核所對(duì)應(yīng)的記憶深度，2彡d彡D ;D為非線性補(bǔ)償模型的階數(shù)；
[0029]所述步驟(205)中目標(biāo)函數(shù)J(?)為:
J (?I = Eisl (k,m)
In--?W
[0030]= Ε?Yr Ik)ggrj 1^)1- Vr I k)gsrVr Ik |1 m
[0031]非線性補(bǔ)償模型核系數(shù)的最速下降迭代公式:
[0032]ω (i) = ω (1-1) - Γ X {E [V (k) ggTVT (k) ] ω (1-1) -E [V (k) ggTy (k) ]} (3)
[0033]式(3)中，Γ為NXN維對(duì)角矩陣，用于更新非線性補(bǔ)償模型核系數(shù)的固定迭代步長(zhǎng)μ d:
A3 0...0 O I γ λ η λ I

I/ / j.V < ■ ■ V %β 1-m -m *<*<*?■? w **99* * * II


INb*NNPN N NN * NNdN I
[0034]Γ— O …Arf …O Ag = O …β產(chǎn) _ O

** * * * * * * * *..* * * I*.....* * * aa p ** * I
O 0...0 AdJO 0...0 iid\




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[0035]其中，人(1表示用于更新第d階非線性補(bǔ)償模型核系數(shù)的固定迭代步長(zhǎng)，Aj
{N.+ d+tn
維對(duì)角方陣；
[0036]將求數(shù)學(xué)期望轉(zhuǎn)換為對(duì)長(zhǎng)度為K的有限長(zhǎng)序列平均，則公式(3)為:
[0037]
丨.「轉(zhuǎn)-DI務(wù)(卜I)I
?⑴卜1?-Γ..V Yik)mrYT(k) 一卜l'h V ￥|^)ggry(lH
I—H)J (4)
[0038]其中，kb(i)與ke(i)分別表示第i次迭代所用到的數(shù)據(jù)的起始點(diǎn)與終止點(diǎn)；通過公式(4)可計(jì)算得到非線性補(bǔ)償模型核系數(shù)向量ω ；
[0039]所述步驟(3)中，使用非對(duì)稱離散Volterra級(jí)數(shù)對(duì)對(duì)待補(bǔ)償?shù)臄?shù)字信號(hào)進(jìn)行非線性失真實(shí)時(shí)消除時(shí)，補(bǔ)償后的數(shù)字信號(hào)s (k)為:
[0040]s (k) = y (k) -vT (k) X ω(5)[0041 ]其中，V (k)和 ω 的維數(shù)均為 NXl,

【權(quán)利要求】
1.基于非線性實(shí)時(shí)消除的超外差式信號(hào)接收系統(tǒng)，包括由超外差式射頻接收前端和模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成的接收機(jī)；所述外差式射頻接收前端接收輸入的射頻信號(hào)，并對(duì)接收到的射頻信號(hào)進(jìn)行放大、下變頻及濾波處理后以模擬信號(hào)的形式傳輸給模數(shù)轉(zhuǎn)換器；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器將接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)； 其特征在于，還包括由數(shù)據(jù)緩存模塊、非線性補(bǔ)償模型核系數(shù)計(jì)算模塊和非線性失真消除運(yùn)算模塊組成的非線性實(shí)時(shí)消除單元； 所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)發(fā)送給非線性實(shí)時(shí)消除單元，該數(shù)字信號(hào)即為待補(bǔ)償?shù)臄?shù)字信號(hào)；所述非線性實(shí)時(shí)單元對(duì)待補(bǔ)償?shù)臄?shù)字信號(hào)進(jìn)行非線性實(shí)時(shí)消除的過程為: (1)所述數(shù)據(jù)緩存模塊對(duì)待補(bǔ)償?shù)臄?shù)字信號(hào)進(jìn)行暫時(shí)存儲(chǔ)，為非線性補(bǔ)償模型核系數(shù)計(jì)算模塊提供設(shè)定長(zhǎng)度的樣本數(shù)據(jù)； (2)所述非線性補(bǔ)償模型核系數(shù)計(jì)算模塊進(jìn)行非線性補(bǔ)償核系數(shù)的計(jì)算，具體為: (201)依次對(duì)高速數(shù)據(jù)緩存模塊中的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行離散傅立葉變換，然后搜索出位于第一奈奎斯特頻帶內(nèi)且功率譜大于預(yù)先設(shè)定的功率譜閾值的信號(hào)，該信號(hào)即為過門限信號(hào)，記錄過門限信號(hào)的個(gè)數(shù)及其中心頻率； (202)依據(jù)過門限信號(hào)的個(gè)數(shù)及其中心頻率，計(jì)算過門限信號(hào)的諧波或互調(diào)頻率值，計(jì)算得到的諧波或互調(diào)頻率值即為接收機(jī)非線性失真分量的頻率信息；計(jì)算到的諧波或互調(diào)頻率值的最高階數(shù)與非線性補(bǔ)償模型的階數(shù)相等； (203)根據(jù)非線性 失真分量的頻率信息配置生成多通帶頻域?yàn)V波器，該多通帶頻域?yàn)V波器為列向量g，其維數(shù)為BXl ;其中B/2的數(shù)值大于或等于非線性失真分量的頻率個(gè)數(shù)； (204)采用步驟(203)生成的多通帶頻域?yàn)V波器在對(duì)頻域內(nèi)對(duì)離散傅立葉變換后的待補(bǔ)償數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波，并計(jì)算得到非線性失真分量的功率；所述非線性失真分量的功率為多通帶頻域?yàn)V波器輸出數(shù)據(jù)的平方和； (205)將非線性失真功率的均方值作為迭代目標(biāo)函數(shù)，以“非線性失真功率最小”為準(zhǔn)貝U，采用最速下降法進(jìn)行非線性補(bǔ)償核系數(shù)的自適應(yīng)迭代計(jì)算，得到非線性補(bǔ)償模型核系數(shù)向量； (3)所述非線性失真消除運(yùn)算模塊使用步驟(2)得到的非線性補(bǔ)償模型核系數(shù)向量，對(duì)待補(bǔ)償?shù)臄?shù)字信號(hào)進(jìn)行非線性失真實(shí)時(shí)消除，得到補(bǔ)償后的數(shù)字信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的基于非線性實(shí)時(shí)消除的超外差式信號(hào)接收系統(tǒng)，其特征在于，采用非對(duì)稱離散Volterra級(jí)數(shù)作為非線性補(bǔ)償模型對(duì)待補(bǔ)償?shù)臄?shù)字信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，則所述步驟(204)中，非線性失真分量的功率為:
其中:sf(k，ω)為多通帶頻域?yàn)V波器的輸出數(shù)據(jù)；ω為非線性補(bǔ)償模型核系數(shù)向量；Τ代表矩陣轉(zhuǎn)置運(yùn)算冰為離散的時(shí)間點(diǎn)；
y (k) = [y (k-B+1) y(k-B+2)…y(k_l) y(k)]T,V (k) = [v (k-B+1) V (k-B+2)…v(k_l) v (k) ]T, v(k)表示用y(k)根據(jù)非線性補(bǔ)償模型構(gòu)造的各階次的記憶非線性列向量， v(k) = [y2 (k) y (k)y (k-1)…y2(k-Nd+l) y3 (k) y2 (k)y (k-1)…yD (k-Nd+l)]T, Nd為d階Volterra核所對(duì)應(yīng)的記憶深度，2≤d≤D ;D為非線性補(bǔ)償模型的階數(shù)； 所述步驟(205)中目標(biāo)函數(shù)J (ω)為:
非線性補(bǔ)償模型核系數(shù)的最速下降迭代公式:
ω (i) = ω (1-1) - I' X {E [V (k) ggTVT (k) ] ω (i_l) -E [V (k) ggTy (k) ]} (3) 式(3)中，I'為NXN維對(duì)角矩陣，用于更新非線性補(bǔ)償模型核系數(shù)的固定迭代步長(zhǎng)y d:
其中，八(1表示用于更新第d階非線性補(bǔ)償模型核系數(shù)的固定迭代步長(zhǎng)，AdS
維對(duì)角方陣； 將求數(shù)學(xué)期望轉(zhuǎn)換為對(duì)長(zhǎng)度為K的有限長(zhǎng)序列平均，則公式(3)
其中，kb(i)與ke(i)分別表示第i次迭代所用到的數(shù)據(jù)的起始點(diǎn)與終止點(diǎn)；通過公式(4)可計(jì)算得到非線性補(bǔ)償模型核系數(shù)向量ω ； 所述步驟(3)中，使用非對(duì)稱離散Volterra級(jí)數(shù)對(duì)對(duì)待補(bǔ)償?shù)臄?shù)字信號(hào)進(jìn)行非線性失真實(shí)時(shí)消除時(shí)，補(bǔ)償后的數(shù)字信號(hào)s (k)為:s (k) = y (k) -vT (k) X ω(5) 其中，v(k)和ω的維數(shù)均為NXl,
3.如權(quán)利要求1所述的基于非線性實(shí)時(shí)消除的超外差式信號(hào)接收系統(tǒng)，其特征在于，所述非線性補(bǔ)償模型核系數(shù)計(jì)算模塊對(duì)待補(bǔ)償?shù)臄?shù)字信號(hào)中的帶通調(diào)制信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換和解調(diào)運(yùn)算，得到待補(bǔ)償?shù)臄?shù)字信號(hào)的功率譜數(shù)據(jù)和星座圖數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)接口模塊發(fā)送給上位機(jī)；所述非線性失真消除運(yùn)算模塊對(duì)補(bǔ)償后的數(shù)字信號(hào)中的帶通調(diào)制信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換和解調(diào)運(yùn)算，得到補(bǔ)償后的數(shù)字信號(hào)的功率譜數(shù)據(jù)和星座圖數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)接口模塊發(fā)送給上位機(jī)。
4.如權(quán)利要求2所述的基于非線性實(shí)時(shí)消除的超外差式信號(hào)接收系統(tǒng)，其特征在于，所述迭代步長(zhǎng)Ud應(yīng)滿足:
其中，tr[R(k)]為自相關(guān)矩陣的跡，Pin為信號(hào)V(k)g的功率。
【文檔編號(hào)】H04B1/10GK104168038SQ201410375396
【公開日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2014年7月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月31日
【發(fā)明者】彭亮, 孫國(guó)倉(cāng), 鄧海華, 董梁, 王建勛, 李紅鋼 申請(qǐng)人:中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一九研究所