基于低采样率数模转换器和模...转换器的太赫兹发射机线性化_肖尚辉.pdf

基于低采样率数模转换器和模数转换器的太赫兹发射机线性化肖尚辉刘简胡波张梦瑶全欣徐强潘文生刘颖*邵士海唐友喜(电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室成都611731)(中国人民解放军96901部队北京100094)(西南交通大学信息科学与技术学院成都611756)摘要：太赫兹(THz)频率高、带宽大，是6G移动通信中极具优势的潜在无线频谱资源。然而太赫兹器件的非线性失真，限制了功率转换效率与通信传输距离。若采用传统数字预失真(DPD)技术对其进行非线性校正，通常要求数模转换器(DAC)和模数转换器(ADC)的采样速率达到信号带宽的5倍，对于太赫兹频段难以应用。因此，该文提出一种低速率DAC和ADC的DPD算法对太赫兹发射机的非线性进行校正。该方法主要分为3个步骤：首先利用低采样率ADC获取的观测数据进行上采样，恢复出带宽受限的高采样率的观测信号，此时信号采样率为信号带宽的5倍，可以有效表征出5阶非线性失真；然后建立带宽受限的DPD模型，采用最小二乘算法提取DPD校正系数；最后对校正后的信号进行下采样送往DAC以校正发射通道的非线性失真。仿真结果表明，当DAC和ADC工作在1.25倍基带信号速率的采样率条件下，对于64-QAM调制信号，该方法可以把误差矢量幅值(EVM)从8.46%降低到2.27%，从而可以支持更高阶的调制方式。关键词：模数转换器；太赫兹通信；功率放大器；数字预失真中图分类号：TN792文献标识码：A文章编号：1009-5896(2023)02-0718-07DOI:10.11999/JEIT211304Linearization of Terahertz Transmitter Based on LowSampling Rate DAC and ADCXIAOShanghuiLIUJianHUBoZHANGMengyaoQUANXinXUQiangPANWenshengLIUYingSHAOShihaiTANGYouxi(National key Laboratory of Science and Technology on Communications,University ofElectronic Science and Technology of China,Chengdu 611731,China)(Unit 96901,PLA,Beijing 100094,China)(School of Information Science and Technology,Southwest Jiaotong University,Chengdu 611756,China)Abstract:TeraHertz(THz)withhighfrequencyandlargebandwidthisanadvantageouspotentialwirelessspectrumresourceinSixthGeneration(6G)mobilecommunication.However,thenonlineardistortionofTHzdeviceslimitsthepowerconversionefficiencyandthecommunicationtransmissiondistance.IftraditionalDigitalPre-Distortion(DPD)technologyisusedfornon-linearcorrection,thesamplingrateoftheDigital-to-AnalogConverter(DAC)andAnalog-to-DigitalConverter(ADC)isusuallyrequiredtoreach5timesthesignalbandwidth,whichisdifficulttoapplytotheTHzfrequencyband.Therefore,inthispaper,adigitalcorrectionmethodisproposedtocorrectthenonlinearityoftheTHztransmitterusingthelow-rateDACandADC.Thismethodismainlydividedintothreesteps:Firstly,theobservationdataobtainedbythelowsamplingrateADCisused,andthehighsamplingrateobservationsignalwithlimitedbandwidthisrecoveredbyup-sampling.Atthistime,thesignalsamplingrateis5timesthesignalbandwidth,whichcaneffectivelycharacterizethe5thordernonlineardistortion;ThentheDPDmodelwithlimitedbandwidthisestablishedto收稿日期：2021-11-22；改回日期：2022-02-23；网络出版：2022-03-07*通信作者：刘颖基金项目：国家自然科学基金(62071094,61901396)FoundationItems:TheNationalNaturalScienceFoundationofChina(62071094,61901396)第45卷第2期电子与信息学报Vol.45No.22023年2月JournalofElectronics&InformationTechnologyFeb.2023extracttheDPDcorrectioncoefficient;Finally,thecorrectedsignalisdown-sampledtotheDACtocorrectthenonlineardistortionofthetransmitterchannel.ThesimulationresultsshowthatwhenDACandADCworkatthesamplingrateof1.25timesthebasebandsignalrate,fora64-QAMmodulatedsignal,theErrorVectorMagnitude(EVM)canbereducedfrom8.46%to2.27%.Therefore,modulationschemeswithhigherspectrumefficiencycanbeadoptedinTHzcommunications.Key words:Analog-to-DigitalConverter(ADC);TeraHertz(THz);Poweramplifier;DigitalPre-Distortion(DPD)1 引言目前已步入大量商用的第5代通信(FifthGeneration,5G)无线网络比起长期演进(LongTermEvolution,LTE)有很大的进步，数据速率可以达到几Gbps，但仍不满足未来无线通信数据流量指数级增长的需求1。第6代(SixthGeneration,6G)网络将实现物联网(InternetofThings,IoT)模式，需要以更快的速度传输更多的数据2,3。太赫兹(TeraHertz,THz)波通常指频率为0.110THz的波段。虽然业界对THz波段频率区域之上的红外和区域之下的微波/毫米波进行了广泛探索，但针对THz波段的研究仍然很少。THz波段仍然是射频(RadioFrequency,RF)频谱中为数不多未开发的区域之一4。太赫兹通信具有丰富的频谱资源，可以实现Tb/s的数据传输速率，能满足6G海量带宽需求，是6G移动通信中极具优势的无线宽带接入技术5。但是，太赫兹频段通信仍然存在一些技术挑战，例如太赫兹器件发射功率受限。因此为最大限度提高发射功率，太赫兹发射通道需要工作在非线性区。此时，宽带信号发射会产生强非线性失真6，尤其对高峰均比(PeaktoAveragePowerRatio,PAPR)的调制信号来说，产生的非线性交调会导致严重的码间干扰，恶化接收机误码率指标7。数字预失真(DigitalPre-Distortion,DPD)技术可以有效抑制发射机非线性失真8,9，保持高效率高线性输出，因此目前在移动基站中被广泛采用10。然而，传统的DPD要求观测和发射通道带宽至少为信号带宽的5倍，相应的模数转换器(Analog-to-DigitalConverter,ADC)和数模转换器(Digital-to-AnalogConverter,DAC)采样率至少为信号带宽的5倍。太赫兹频段高，带宽可达几GHz，目前ADC和DAC难以满足在太赫兹频率进行传统DPD非线性信号处理的需求。针对上述问题，本文提出一种基于低采样率数模转换器和模数转换器的DPD方法，以有效补偿太赫兹发射机中的非线性失真。首先，利用低采样率ADC获取的观测数据进行上采样，恢复出带宽受限的高采样率观测信号；然后基于广泛使用的记忆多项式(MemoryPolynomial,MP)11模型，建立带宽受限的DPD模型，采用最小二乘(LeastSquare,LS)算法12从中提取出DPD校正系数；最后，对校正后的信号进行下采样，送往低采样率的DAC以校正发射通道的非线性失真。通过所提方法，在不损失传输功率的情况下，可以采用频谱效率更高的调制方案，如64正交幅度调制(Quadra-tureAmplitudeModulation,QAM)方案，应用于高速远距离太赫兹通信。仿真结果表明，本文的DPD方法能有效改善接收信号的质量。具体来说DAC和ADC的采样率为基带信号速率的1.25倍的情况下，仍然可以通过本文方法产生令人满意的线性化性能，对于恶化误差矢量幅值(ErrorVectorMagnitude,EVM)为8.46%的64-QAM调制信号，本方法可以将其EVM降低到2.27%。本文的结构组织如下：第2节给出系统模型，并描述了新的DPD方案的主要思想；第3节进行太赫兹DPD算法的推导；第4节给出仿真结果；第4节总结本文工作。2 系统模型THz通信链路中通常存在传播损耗、分子吸收衰落、失调衰落、多径衰落以及传播损耗，不同应用场景下损耗的侧重有所不同。THz通道一般被认为是以视距(Line-of-Sight,LoS)为主导和非视距(Non-Line-of-Sight,NLoS)为辅助的通道。目前许多关于THz信道的文章都表明，对THz信道的研究主要集中在LoS路径上13。本文简单考虑一个太赫兹LoS信道传输场景，例如，空间中卫星之间的单向通信太赫兹链路。x(n)Mx(n)X1.25FX1.25基于本文提出的DPD方案的220G太赫兹链路结构如图1所示。在太赫兹链路的发射机端，调制信号首先经过根升余弦(RootRaisedCosine,RRC)滤波器，对高采样率下的信号进行DPD处理。输出信号滤波下采倍，经数字上变频器(DigitalUpConverter,DUC)将数字基带信号转换为数字中频(IntermediateFrequency,IF)信号。同时将滤波下采后的信号进行上采滤波组合为矩阵信号，然后通过低通滤波器变为矩阵信号来进行校正估计。将采样率较低的中频数第2期肖尚辉等：基于低采样率数模转换器和模数转换器的太赫兹发射机线性化719z(t)字信号转换为模拟信号，最后将模拟信号送入功率放大器(PowerAmplifier,PA)，通过天线传输。y(t)yA(Mt)yA(n)yF(n)FX1.25在太赫兹链路的接收机端，模拟信号进行滤波下采变为信号后以低采样率通过ADC模块，送入数字下变频(DigitalDownConverter,DDC)转换为基带信号，再经过上采滤波，最后通过滤波器B得到信号，和矩阵信号一起进行校正估计，提取DPD系数。接收端计算出的DPD系数最后通过维护通道信道、远端管理14等方式离线传送给发射端，