毫米波倍频器的宽带信号传输特性及线性化研究

With rapid evolution of wireless communications in conjunction with the ever increasing of signal bandwidth and data rate, the spectrum resources below 4GHz band have become increasingly crowded, which cannot support the stringent requirement of transmitting large bandwidth signals for the next generation of mobile networks. In this regard, researchers around the world are focusing on the research of transmitting wideband signals at millimeter wave band. Due to the difficulties of analog modulation or power amplifier design at millimeter wave band, this project will study a potential transmitter architecture based on millimeter wave frequency multipliers, using which the wideband modulated signals can be translated from lower frequency band to the millimeter wave band directly. To solve the critical nonlinearity problem and to restore a linear M-QAM signal at the multiplier output, extensive research on its memory nonlinearity and noise performance degradation, memory nonlinear models, and multiplier digital predistortion techniques will be carried out. Specifically, due to the strong nonlinearity and memory effects of the millimeter wave frequency multiplier, this project will focus on the digital predistortion model complexity reduction, and the predistortion methods under limited sampling rate DAC/ADC. These techniques will help establish a practical multiplier based transmitter architecture, providing a candidate for future millimeter wave transmitters.

随着无线通信系统数据量的不断增长和信号传输速率的不断提升，通信信号带宽的增加成为必然趋势，而4GHz以下较低频段的射频频段已经十分拥挤，无法提供足够的频谱资源来满足大带宽信号的传输，因此，人们越来越关注利用更高频段的毫米波频谱资源作为宽带调制信号的传输载波。由于在毫米波频段直接进行信号调制或设计高效功率放大器较困难，本课题研究具有效率和功率优势的基于毫米波倍频器的新型宽带调制信号传输架构，包括其记忆非线性和噪声恶化机理分析、记忆非线性模型建立、数字预失真线性化技术等，以期直接利用倍频器传输M-QAM调制信号。特别地，由于毫米波倍频器在非恒包络的宽带调制信号激励下将表现出强非线性和记忆效应，本课题将着重进行倍频器数字预失真模型简化研究，以及基于有限采样率DAC/ADC的数字预失真方法研究，促进该架构的实际应用，为毫米波发射机设计提供潜在的备选架构。

本项目的提出是基于无线通信或无线数据传输应用（如5G、卫星通信等）中对毫米波、太赫兹波频段的迫切需求，因而对在毫米波、太赫兹波段产生有效功率的宽带调制信号提出了现实要求，尽管传统电路结构能够为毫米波或太赫兹波发射机提供解决思路，但是探索在毫米波或太赫兹波频段的新型信号生成与发射架构，仍然是有意义的探索方向。为此，本项目通过研究基于毫米波倍频器电路直接传输宽带调制信号的方式，并结合基带数字信号处理的新型算法模型，给出了一种全新的用于直接生成和发射宽带调制信号的毫米波倍频发射机架构。项目研究涉及了毫米波倍频器的基带等效非线性行为特性研究、毫米波倍频器的数字预失真线性化方法研究、毫米波倍频器的输出信号噪声恶化机理研究等，并通过对典型毫米波倍频器的实验研究对提出的思路和方法进行了有效的验证。取得的主要成果包括：提出了几种有效的毫米波倍频器非线性行为模型N次简化类记忆多项式模型（N-MP）、N次类广义记忆多项式模型（N-GMP）和N次多级类GMP级联模型（N-CGMP），基于此提出了相应的数字预失真（Digital Predistortion, DPD）线性化方法N-GMP DPD、N-CGMP DPD和BD-N-CGMP DPD，并揭示了毫米波倍频器的噪声恶化机理。在主要实验验证中，针对一款48.6GHz四倍频器搭建的倍频发射机，采用24MHz带宽的16QAM信号，以输入频率12.15GHz输入至该四倍频器，得到输出信号频率为48.6GHz，经过BD-N-CGMP DPD线性化后，输出信号得以恢复为期望的16QAM信号，线性度为-47.2dBc ACPR和1.9% EVM，证明了研究中提出的方法和模型的有效性；在毫米波倍频器的输出信号噪声恶化机理研究中，由于倍频电路的物理本质会导致输出信号噪声的增加，从而影响输出信号的质量，为此通过理论推导得到了倍频器输出信号噪声恶化、ACPR恶化的数学公式，并在实验中证明了理论推导与实测结果的较好一致性，该研究为从系统上设计毫米波倍频发射机提供了指标分解的指导。总体而言，本项目的研究为构建新型的毫米波发射机架构提供了一种新思路，相关电路架构、模型算法、理论分析对于实现这种架构提供了较全面的方法和思路。