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数字预失真（DPD）技术：从静态设计到自适应设计的演变

创作时间:

作者:

@小白创作中心

数字预失真（DPD）技术：从静态设计到自适应设计的演变

引用

CSDN

https://blog.csdn.net/qq_59747472/article/details/146769602

随着无线通信技术的快速发展，射频功率放大器（PA）的效率和线性度成为影响通信系统性能的关键因素。数字预失真（DPD）技术作为一种经济高效的线性化技术，通过在数字基带对输入信号进行预处理，补偿PA的非线性特性，从而改善其线性度，提高系统效率。本文将围绕DPD从静态设计向自适应设计扩展展开讨论，并着重研究两种自适应DPD设计方案：基于最小均方（LMS）算法的自适应DPD以及基于递归预测误差方法（RPEM）算法的自适应DPD。

一、DPD基本原理与静态DPD设计局限性

DPD技术的核心思想是建立PA的逆模型，预先对输入信号进行非线性失真处理，使得经过PA放大后，信号能够恢复到原始状态，从而实现整体系统的线性化。通常，DPD系统由DPD模块、PA模块和反馈回路构成。DPD模块利用预失真模型生成预失真信号，PA模块对预失真信号进行功率放大，反馈回路则用于采集PA的输出信号，并将信号反馈到DPD模块，用于更新预失真模型参数。

静态DPD设计通常包括两个阶段：建模阶段和应用阶段。在建模阶段，通过向PA输入一系列训练信号，采集PA的输入和输出数据，利用特定的模型结构（如记忆多项式模型、Volterra级数模型等）和参数估计方法（如最小二乘法）建立DPD模型，并确定模型参数。在应用阶段，将训练好的DPD模型加载到系统中，对输入信号进行预失真处理，以实现PA的线性化。

然而，静态DPD设计存在以下局限性：

无法适应PA的动态变化：
PA的非线性特性会受到温度、电压、信号频率等因素的影响而发生漂移。静态DPD模型在设计时仅考虑了特定工作条件下的PA特性，无法适应这些动态变化，导致其线性化效果随时间推移而下降。
对建模精度要求高：
静态DPD模型的性能直接依赖于建模的精度。如果建模过程中引入误差，或者模型结构无法准确描述PA的非线性特性，将会影响DPD的线性化效果。
需要离线训练：
静态DPD模型需要离线训练，这意味着系统在训练过程中无法正常工作，限制了系统的可用性。

二、自适应DPD设计的必要性与挑战

为了克服静态DPD设计的局限性，自适应DPD设计应运而生。自适应DPD设计能够实时跟踪PA的非线性特性变化，动态调整DPD模型参数，从而保持DPD的线性化效果。自适应DPD的关键在于利用反馈回路采集到的PA输出信号，通过自适应算法不断更新DPD模型参数，使其能够适应PA的动态变化。

自适应DPD设计的必要性体现在以下几个方面：

提升线性化性能：
自适应DPD能够实时跟踪PA的非线性特性变化，动态调整DPD模型参数，从而提升DPD的线性化性能，降低信号失真和频谱泄露。
提高系统鲁棒性：
自适应DPD能够适应PA的温度漂移、电压波动、频率变化等因素的影响，提高系统的鲁棒性，保证系统的稳定运行。
降低建模难度：
自适应DPD不需要精确的PA模型，能够自动学习PA的非线性特性，降低建模难度，简化DPD系统的设计过程。

然而，自适应DPD设计也面临着一些挑战：

自适应算法的选择：
如何选择合适的自适应算法，能够在保证收敛速度的同时，保持算法的稳定性，是自适应DPD设计的重要挑战。
算法的计算复杂度：
自适应算法的计算复杂度直接影响DPD系统的实时性。如何降低算法的计算复杂度，满足实时性要求，是自适应DPD设计的关键问题。
反馈回路的设计：
反馈回路的噪声和延迟会影响自适应算法的性能。如何设计高质量的反馈回路，降低噪声和延迟的影响，是自适应DPD设计的重要考虑因素。
算法的稳定性：
自适应算法的稳定性是自适应DPD系统稳定运行的关键。需要采取合适的措施，保证算法的稳定性，避免算法发散。

三、基于LMS算法的自适应DPD设计

最小均方（LMS）算法是一种简单而有效的自适应算法，被广泛应用于自适应信号处理领域。LMS算法通过迭代的方式，不断调整模型参数，使得模型输出与期望输出之间的均方误差最小。基于LMS算法的自适应DPD设计，利用PA的输入和输出信号作为训练数据，通过LMS算法不断更新DPD模型参数，从而实现自适应线性化。

基于LMS算法的自适应DPD设计的优点在于：

算法简单易实现：
LMS算法的计算复杂度较低，易于在硬件平台上实现。
收敛速度快：
LMS算法的收敛速度较快，能够快速跟踪PA的非线性特性变化。

然而，基于LMS算法的自适应DPD设计也存在一些缺点：

对步长因子敏感：
LMS算法的收敛速度和稳定性受到步长因子的影响。步长因子过大可能导致算法发散，步长因子过小可能导致收敛速度过慢。
收敛精度有限：
LMS算法的收敛精度受到输入信号的统计特性影响，当输入信号的自相关矩阵条件数较大时，收敛精度会降低。

为了克服LMS算法的缺点，可以采用一些改进的LMS算法，例如归一化LMS（NLMS）算法、变步长LMS算法等，以提高算法的收敛速度和稳定性。

四、基于RPEM算法的自适应DPD设计

递归预测误差方法（RPEM）算法是一种基于预测误差的自适应算法，它通过建立PA的预测模型，利用预测误差不断更新模型参数，从而实现自适应线性化。RPEM算法相比于LMS算法，具有更快的收敛速度和更高的收敛精度，但其计算复杂度也相对较高。

RPEM算法的核心思想是：

建立PA的预测模型：
利用PA的输入和输出信号建立一个预测模型，用于预测PA的输出。
计算预测误差：
计算PA的实际输出与预测模型输出之间的预测误差。
更新模型参数：
利用预测误差和遗忘因子，递归地更新预测模型参数。

基于RPEM算法的自适应DPD设计的优点在于：

收敛速度快：
RPEM算法的收敛速度比LMS算法快，能够更快地跟踪PA的非线性特性变化。
收敛精度高：
RPEM算法的收敛精度比LMS算法高，能够更好地消除PA的非线性失真。
鲁棒性强：
RPEM算法对噪声和干扰具有一定的鲁棒性。

然而，基于RPEM算法的自适应DPD设计也存在一些缺点：

计算复杂度高：
RPEM算法的计算复杂度较高，需要更多的计算资源。
对模型结构敏感：
RPEM算法的性能受到预测模型结构的影响，需要选择合适的模型结构才能获得良好的性能。
算法实现复杂：
RPEM算法的实现较为复杂，需要仔细设计算法流程，避免出现计算错误。

五、未来发展趋势

随着无线通信技术的不断发展，对DPD技术的要求也越来越高。未来DPD技术的发展趋势主要体现在以下几个方面：

深度学习DPD：
利用深度学习技术，建立更复杂的PA模型，提高DPD的线性化性能。深度学习模型能够学习PA的复杂非线性特性，并能够更好地适应PA的动态变化。
宽带DPD：
针对宽带PA的非线性特性，设计更有效的宽带DPD算法。宽带DPD需要考虑PA的频率依赖性，并需要采用更复杂的模型结构。
多带DPD：
针对多带PA的非线性特性，设计多带DPD算法。多带DPD需要同时处理多个频带的信号，并需要考虑不同频带之间的相互影响。
云DPD：
将DPD算法部署在云端，利用云计算的强大计算能力，实现大规模DPD部署。云DPD可以降低DPD系统的成本，并可以实现更灵活的DPD配置。
混合DPD：
将数字DPD与模拟DPD相结合，充分利用两种技术的优点，提高DPD的线性化性能。

六、总结

本文对数字预失真（DPD）技术从静态设计向自适应设计扩展进行了深入探讨，并着重研究了两种自适应DPD设计方案：基于最小均方（LMS）算法的自适应DPD以及基于递归预测误差方法（RPEM）算法的自适应DPD。通过对两种算法的原理、优缺点进行详细分析和比较，可以得出结论：LMS算法适用于资源受限的场景，而RPEM算法适用于对性能要求较高的场景。未来，随着无线通信技术的不断发展，DPD技术将朝着深度学习、宽带、多带、云DPD以及混合DPD等方向发展，以满足日益增长的通信需求。