宽带接收前端的非线性辨识补偿处理与应用

发布时间：2020-06-12 19:17

【摘要】：软件无线电(Software Defined Radio,SDR)技术的出现满足了复杂电磁环境下不断增长的无线通信需求。要想发挥SDR后端软件灵活配置的技术优势,接收前端必须是宽带大动态系统,实现全频带范围内信号的全概率接收。然而,宽带接收前端的一些非线性器件(如放大器、滤波器、混频器、模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)等)级联产生的非线性失真分量严重制约了接收系统的无杂散失真动态范围(Spurs-Free-Dynamic-Range,SFDR),影响频带内微弱信号的接收性能。因此,提高宽带接收前端SFDR是发挥SDR技术优势的一个关键所在。目前,提高接收前端SFDR的主要手段是通过数字后补偿方式减小或消除非线性器件产生的非线性失真。然而研究较为成熟的频域盲辨识补偿方法不仅只适用于窄带接收前端,并且计算复杂度高,不能在线实时补偿。因此,本文提出了两种时域数字后补偿算法用于宽带接收前端线性度的改善,并提出了单通道辨识-多通道同步补偿的方法用于提升多通道阵列接收前端的线性度。另外,提出并通过仿真与实验验证了一种基于主动非线性变换的新型信道加密技术。该物理层信道加密技术利用主动加入的非线性失真对非合作方的信息接收、判决环节制造障碍,增强加密信号的抗截获能力。本论文的主要贡献可归纳为以下四个方面:1、在对单通道宽带射频接收前端的非线性失真机制进行定性、定量分析的基础上,提出了一种旨在消除其非线性失真的基于参数化模型的非线性盲辨识补偿算法。该算法首先采用基于减谱法原理的减谱-时频变换(Spectrum Reduction Algorithm based on Time-Frequency Conversion,SRA-TFC)方法分别在时域提取接收前端输出信号的大信号成分(大功率基波信号)和小信号成分(主要包含非线性失真信号);然后以大信号的非线性逆模型(补偿模型)与小信号的残差平方和最小作为系统逆模型参数的辨识准则,并利用改进的加权迭代改善算法实现逆模型参数的自适应提取和更新;最后在线实时地对接收机输出信号进行非线性失真补偿处理。最后,仿真结果和实验结果均表明,该时域非线性盲辨识补偿算法能消除绝大部分的非线性失真分量,能使宽带射频接收前端的SFDR提高15-20 dB,增强了在强干扰存在时对微弱信号接收与检测的能力。2、本文通过数字后补偿的方式来消除阵列接收前端输出信号的非线性失真分量,提高了被非线性失真分量所掩盖的微弱目标信号的信干噪比(Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio,SINR),相当于从根本上减少导致阵列信号参数估计精度过低和不稳定的重要因素。针对多通道阵列接收前端非线性失真的补偿,提出了单通道辨识—多通道同步补偿的盲辨识补偿方法,并对该方法的可行性进行详细数学推导和仿真验证。通过实采均匀圆阵(Uniform Circular Array,UCA)天线阵列信号的试验结果表明:该算法可以使宽带阵列接收前端的各通道SFDR在全频带内均增加5-15 dB,并且提高了微弱目标信号的二维波达方向(Two-Dimensional Direction Of Arrival,2-D DOA)估计精度。3、提出了一种基于最小二乘支持向量机(Least Squares Support Vector Machine,LS-SVM)的宽带数字射频前端非线性补偿技术。该技术利用LS-SVM超强的拟合能力对非线性逆系统进行辨识与建模,以使整个射频接收前端的输入输出趋于线性映射,从而提升其动态范围。该技术首先要构建合适的训练样本集,然后通过LS-SVM回归算法进行训练学习,得到射频接收前端的LS-SVM逆模型,接着对逆模型的超参数进行优化,并求解逆模型的最优参数。最后以射频接收前端的输出信号为测试样本进行数字域后补偿处理。仿真结果和实验结果均表明,该技术可使接收前端的SFDR提高20 dB左右,增强了在强干扰存在时接收前端对微弱信号接收与检测的能力。4、提出了一种基于主动记忆非线性变换的物理层信道加密技术。区别于信源加密等传统安全通信技术,该技术在加密信息发送前通过非线性模型而主动加入强非线性失真分量,使得非合作方难以截获、恢复、破译原始信息。而合作接收方则根据已知的非线性模型进行逆变换,从而消除主动加入的非线性失真分量,并恢复出加密信息,最后利用解密密钥破译出原始信息。首先详细描述了该信道加密技术的原理与步骤。然后设计了三种非线性模型,并详细地理论推导出它们在强非线性的情况下是可逆的。并基于这三种非线性模型的循环变换,设计了一种增强该信道保密技术抗截获能力的优化机制。最后仿真与实验结果验证了该保密技术的有效性和安全性。
【图文】：

前馈技术,原理框图,预失真,非线性失真

图 1-1 前馈技术原理框图预失真技术是过去 20 年来一个富有研究成果的技术，成为商用无线通信系统中应用最广泛的线性化技术[26-29]。如图 1-2 所示，预失真技术预先对系统的输入信号进行非线性变换，如果主动附加的非线性失真分量恰好与射频电路的非线性失真分量

框图,预失真,技术原理,框图

化技术[26-29]。如图 1-2 所示，，预失真技术预先对果主动附加的非线性失真分量恰好与射频电路消除功率放大器输出信号中的非线性失真分量。预失真技术更多的应用于提升功率放大器的
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN92

【参考文献】