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数字预失真技术赋能有记忆功放线性化的深度剖析与实践

一、引言

1.1研究背景与意义

随着现代通信技术的飞速发展，无线通信系统对频谱效率和数据传输速率的要求不断提高。为了满足这些需求，各种复杂的调制技术，如正交幅度调制（QAM）、正交频分复用（OFDM）等被广泛应用。这些调制技术能够有效提高频谱利用率，但同时也带来了信号峰均比高、带宽宽的问题。当这些信号通过功率放大器（PA）进行放大时，功放的非线性特性会导致信号产生严重的失真，包括带内失真和带外频谱再生，这不仅会降低通信系统的性能，还会对相邻信道产生干扰。

在现代通信系统中，功放作为发射机的关键部件，其线性度对系统性能起着至关重要的作用。线性度不佳的功放会使信号产生失真，导致误码率增加，降低通信质量。此外，为了满足日益严格的频谱规范，对功放的线性度要求也越来越高。例如，在5G通信系统中，由于采用了更高的频段和更复杂的调制方式，对功放线性度的要求更加苛刻。因此，提高功放的线性度成为现代通信系统研究的重要课题之一。

数字预失真（DPD）技术作为一种有效的功放线性化方法，近年来受到了广泛的关注和研究。该技术通过在信号输入功放之前，对信号进行预先的数字处理，使其产生与功放非线性失真相反的失真，从而在功放输出端得到线性化的信号。数字预失真技术具有诸多优点，如不存在稳定性问题、适用带宽较宽、精度高、成本低等，使其成为解决有记忆功放非线性问题的重要手段。

有记忆功放的非线性特性比无记忆功放更为复杂，其输出不仅取决于当前的输入信号，还与过去的输入信号有关。这种记忆效应使得功放的建模和线性化更加困难。传统的无记忆预失真方法难以有效补偿有记忆功放的非线性失真，因此需要研究适用于有记忆功放的数字预失真技术。通过深入研究数字预失真技术，能够有效改善有记忆功放的线性度，提高通信系统的性能，具有重要的理论意义和实际应用价值。

1.2国内外研究现状

在数字预失真技术和有记忆功放线性化方面，国内外学者进行了大量的研究工作，并取得了一系列的成果。

在国外，许多研究机构和高校一直致力于数字预失真技术的研究。早期的研究主要集中在无记忆功放的数字预失真，提出了如查找表（LUT）、多项式模型等预失真方法。随着宽带通信技术的发展，有记忆功放的线性化问题逐渐受到关注。Volterra级数模型被广泛用于描述有记忆功放的非线性特性，基于Volterra级数的预失真技术也得到了深入研究。该技术通过对Volterra级数模型求逆来获得预失真器的模型，能够较好地补偿有记忆功放的非线性失真，但计算复杂度较高。为了降低计算复杂度，研究人员提出了截短的Volterra级数模型，如记忆多项式模型，该模型在一定程度上简化了计算，同时保持了较好的性能，在有记忆功放的预失真处理中得到了广泛应用。

此外，自适应数字预失真技术也是研究的热点之一。自适应算法能够根据功放的工作状态实时调整预失真器的参数，以适应功放特性的变化。常见的自适应算法包括最小均方（LMS）算法、递归最小二乘（RLS）算法等，这些算法在数字预失真系统中得到了广泛应用，并不断得到改进和优化。

在国内，对于数字预失真技术和有记忆功放线性化的研究也取得了显著的进展。一些高校和科研机构在该领域开展了深入的研究工作，提出了许多具有创新性的方法和技术。例如，有研究提出了基于坐标变换的射频功放预失真参数估计方法，通过坐标变换来简化功放模型的参数估计过程，提高了预失真的效果；还有研究基于动态有理函数构建功放模型及进行预失真应用，取得了较好的线性化效果。

尽管国内外在数字预失真技术和有记忆功放线性化方面取得了很多成果，但仍然存在一些不足之处。一方面，现有的预失真模型和算法在处理复杂的有记忆功放特性时，性能还有待进一步提高，特别是在深度记忆效应和宽频带信号的情况下；另一方面，数字预失真系统的实时性和稳定性还需要进一步加强，以满足实际通信系统的需求。

本文将针对当前研究的不足，深入研究数字预失真技术原理，对有记忆功放特性进行详细分析，提出更有效的数字预失真方法，以提高有记忆功放的线性度和通信系统的性能。

1.3研究内容与方法

本文主要研究基于数字预失真技术的有记忆功放线性化，具体研究内容包括以下几个方面：

数字预失真技术原理研究：深入分析数字预失真的基本原理，包括预失真的概念、工作机制以及实现方式。研究不同的预失真模型，如多项式模型、Volterra级数模型、记忆多项式模型等，比较它们的优缺点和适用范围，为后续的研究奠定理论基础。

有记忆功放特性分析：详细分析有记忆功放的非线性特性和记忆效应产生的原因。通过理论推导和实验测试，研究有记忆功放的输入输出特性，包括幅度-幅度（AM-AM）特性和幅度-相位（AM-PM）特性，以及记忆效应在这些特性中的表现形式。建立有