Применение нелинейности без памяти к комплексному сигналу основной полосы частот
comm.MemorylessNonlinearity Система object™ применяет нелинейные нарушения без памяти к сигналу основной полосы частот. Используйте этот объект System для моделирования нелинейных нарушений памяти, вызванных усилением сигнала в радиочастотном передатчике или приемнике. Дополнительные сведения см. в разделе Нелинейные нарушения без запоминания.
Чтобы применить нелинейные нарушения без памяти к сложному сигналу основной полосы частот:
Создать comm.MemorylessNonlinearity и задайте его свойства.
Вызовите объект с аргументами, как если бы это была функция.
Дополнительные сведения о работе системных объектов см. в разделе Что такое системные объекты?.
mnl = comm.MemorylessNonlinearity
mnl = comm.MemorylessNonlinearity(Name,Value)'Method','Saleh model' устанавливает метод моделирования как метод Салеха.
Чтобы использовать функцию объекта, укажите объект System в качестве первого входного аргумента. Например, для освобождения системных ресурсов объекта System с именем obj, используйте следующий синтаксис:
release(obj)
Примените кубическую полиномиальную нелинейность к двум 16-QAM сигналам. Первый уровень мощности входного сигнала находится в линейной области кривой характеристики мощности усилителя. Второй уровень мощности входного сигнала находится в нелинейной области характеристической кривой мощности усилителя. Отображение характеристической кривой мощности усилителя и диаграммы созвездий для усиленных 16-QAM сигналов.
Инициализация моделирования
Инициализируйте переменные для моделирования и создайте системные объекты для ослабления нелинейного усилителя без памяти и диаграммы созвездия. Чтобы в совокупности отображалось только сжатие мощности (без фазового вращения), сконфигурируйте ослабление нелинейного усилителя без памяти с искажением AM-PM, установленным на ноль.
M = 16; % Modulation order sps = 4; % Samples per symbol pindBm = [12 25]; % Input power gain = 10; % Amplifier gain amplifier = comm.MemorylessNonlinearity("Method","Cubic polynomial", ... "LinearGain",gain,"AMPMConversion",0,"ReferenceImpedance",50); refConst = qammod([0:M-1],M); axisLimits = [-gain gain]; constdiag = comm.ConstellationDiagram("NumInputPorts",2, ... "ChannelNames",["Linear" "Nonlinear"],"ShowLegend",true, ... "ReferenceConstellation",refConst, ... "XLimits",axisLimits,"YLimits",axisLimits);
Усиление и печать сигнала
Применить 16-QAM к входному сигналу случайных данных. Усиливать сигнал и использовать plot функции comm.MemorylessNonlinearity Объект системы для отображения кривых выходной мощности и фазовой характеристики. Первый уровень мощности входного сигнала составляет 12 дБм и находится в линейной области кривой характеристики мощности усилителя. Второй уровень мощности входного сигнала составляет 25 дБм и находится в нелинейной области характеристической кривой мощности усилителя.
pin = 10.^((pindBm-30)/10); % Convert dBm to linear Watts data = randi([0 M-1],1000,1); modOut = qammod(data,M,"UnitAveragePower",true)*sqrt(pin*amplifier.ReferenceImpedance); ampOut = amplifier(modOut); plot(amplifier);
Добавьте AWGN к двум усиленным сигналам и отобразите диаграмму созвездия для сигналов.
snr = 25; noisyLinOut = awgn(ampOut(:,1),snr,"measured"); noisyNonLinOut = awgn(ampOut(:,2),snr,"measured"); constdiag(noisyLinOut,noisyNonLinOut);
Генерируйте 16-QAM данные со средней мощностью 10 мВт и опорным импедансом 1 Ом. Передача данных через нелинейный усилитель мощности (PA).
M = 16; data = randi([0 (M - 1)]',1000,1); avgPow = 1e-2; minD = avgPow2MinD(avgPow,M);
Создайте нелинейный объект System без памяти, задав метод модели Салеха.
saleh = comm.MemorylessNonlinearity('Method','Saleh model');
Создайте модулированные символы и передайте их через модель нелинейности PA.
modData = (minD/2).*qammod(data,M); y = saleh(modData);
Создайте график рассеяния результатов.
scatterplot(y)
Нормализация средней мощности входного сигнала.
function minD = avgPow2MinD(avgPow,M) % Average power to minimum distance nBits = log2(M); if (mod(nBits,2)==0) % Square QAM sf = (M - 1)/6; else % Cross QAM if (nBits>4) sf = ((31*M/32) - 1)/6; else sf = ((5*M/4) - 1)/6; end end minD = sqrt(avgPow/sf); end
Постройте график сжатия усиления нелинейного усилителя для 16-QAM сигнала.
Укажите порядок модуляции и выборки для параметров символа.
M = 16; sps = 4;
Моделирование нелинейного усилителя путем создания объекта системы без памяти с точкой перехвата ввода третьего порядка 30 дБ. Создание объекта System с увеличенным косинусным фильтром передачи.
amplifier = comm.MemorylessNonlinearity('IIP3',30); txfilter = comm.RaisedCosineTransmitFilter( ... 'RolloffFactor',0.3,'FilterSpanInSymbols',6, ... 'OutputSamplesPerSymbol',sps,'Gain',sqrt(sps));
Задайте входную мощность в дБм и опорный импеданс 1 Ом. Преобразуйте входную мощность в W и инициализируйте вектор усиления.
pindBm = -5:25; pin = 10.^((pindBm-30)/10); gain = zeros(length(pindBm),1);
Выполните основной цикл обработки, включающий эти шаги.
Создание случайных символов данных.
Модулировать символы данных и регулировать среднюю мощность сигнала.
Фильтрация модулированного сигнала.
Усиливайте сигнал.
Измерьте коэффициент усиления.
for k = 1:length(pin) data = randi([0 (M - 1)],1000,1); modSig = qammod(data,M,'UnitAveragePower',true)*sqrt(pin(k)); filtSig = txfilter(modSig); ampSig = amplifier(filtSig); gain(k) = 10*log10(mean(abs(ampSig).^2) / mean(abs(filtSig).^2)); end
Постройте график усиления усилителя как функции мощности входного сигнала. Точка сжатия усиления 1 дБ возникает при входной мощности 18,5 дБм. Чтобы увеличить точку, в которой наблюдается сжатие 1 дБ, увеличьте точку перехвата третьего порядка, amplifier.IIP3.
arrayplot = dsp.ArrayPlot('PlotType','Line','XLabel','Power In (dBm)', ... 'XOffset',-5,'YLimits',[-5 5]); arrayplot(gain)
Применить характеристики нелинейного усилителя мощности (PA) с импедансом 50 Ом к 16-QAM сигналу. Загрузить характеристики PA путем установки Method свойство для 'Lookup table'. pa_performance_characteristics вспомогательная функция выводит таблицу поиска характеристик рабочих характеристик усилителя.
Определите параметры для порядка модуляции, выборок на символ и входной мощности. Создание случайных данных.
M = 16; % Modulation order sps = 4; % Samples per symbol pindBm = -8; % Input power pin = 10.^((pindBm-30)/10); % power in Watts data = randi([0 (M - 1)],1000,1); refdata = 0:M-1; refconst = qammod(refdata,M,'UnitAveragePower',true); paChar = pa_performance_characteristics();
Создайте нелинейный системный объект без памяти, системный объект фильтра передачи и системный объект диаграммы созвездий. Значения таблицы подстановки по умолчанию используются для объекта системы без нелинейности памяти.
amplifier = comm.MemorylessNonlinearity('Method','Lookup table','Table',paChar,'ReferenceImpedance',50); txfilter = comm.RaisedCosineTransmitFilter('RolloffFactor',0.3, ... 'FilterSpanInSymbols',6,'OutputSamplesPerSymbol',sps,'Gain',sqrt(sps)); constellation = comm.ConstellationDiagram('SamplesPerSymbol',4, ... 'Title','Amplified/Distorted Signal','NumInputPorts',2, ... 'ReferenceConstellation', refconst,'ShowLegend',true, ... 'ChannelNames',{'Filtered signal','Amplified signal'});
Модулировать случайные данные. Фильтрация и применение нелинейных характеристик усилителя к символам модуляции.
modSig = qammod(data,M,'UnitAveragePower',true)*sqrt(pin * amplifier.ReferenceImpedance);
filtSig = txfilter(modSig);
ampSig = amplifier(filtSig);Вычислите уровни входного и выходного сигналов и фазовый сдвиг.
pSig = abs(ampSig).^2 / amplifier.ReferenceImpedance; poutdBm = 10 * log10(pSig) + 30; pfiltSig = abs(filtSig).^2 / amplifier.ReferenceImpedance; simulated_pindBm = 10 * log10(pfiltSig) + 30; phase = rad2deg(angle(ampSig.*conj(filtSig)));
Постройте график характеристик AM/AM, характеристик AM/PM и результатов объединения.
figure set(gcf,'units','normalized','position',[.25 1/3 .5 1/3]) subplot(1,2,1) plot(simulated_pindBm,poutdBm,'.'); hold on plot(amplifier.Table(:,1),amplifier.Table(:,2),'.','Markersize',15); xlabel('Input Power (dBm)') ylabel('Output Power (dBm)'); grid on; title('AM/AM Characteristics'); leglabel = {'Simulated results','Measurement'}; legend (leglabel,'Location','south'); subplot(1,2,2) plot(simulated_pindBm,phase,'.'); hold on plot(amplifier.Table(:,1),amplifier.Table(:,3),'.','Markersize',15); legend (leglabel,'Location','south'); xlabel('Input Power (dBm)'); ylabel('Output Phase Shift (degrees)'); grid on; title('AM/PM Characteristics');
Для сравнения созвездий нормализуйте усиленный сигнал и отфильтрованный сигнал. Формирование диаграммы совокупности отфильтрованного сигнала и усиленного сигнала. Характеристики нелинейного усилителя вызывают сжатие совокупности усиленных сигналов по сравнению с отфильтрованной совокупностью.
filtSig = filtSig/mean(abs(filtSig)); % Normalized filtered signal ampSig = ampSig/mean(abs(ampSig)); % Normalized amplified signal constellation(filtSig,ampSig)
Вспомогательная функция
function paChar = pa_performance_characteristics()Рабочие характеристики усилителя Доэрти на базе LDMOS:
Частота 2110 МГц
Пиковая мощность 300 Вт
Небольшой коэффициент усиления сигнала 61 дБ
Каждая строка в HAV08_Table определяет Pin (дБм), коэффициент усиления (дБ), фазовый сдвиг (градусы), полученный из фигуры 4 Hammi, Oualid и др. «Оценка модели усилителей мощности и количественная оценка интенсивности эффектов памяти с использованием метода посткомпенсации без памяти». Транзакции IEEE по теории и методам микроволн 56.12 (2008): 3170-3179.
HAV08_Table =...
[-35,60.53,0.01;
-34,60.53,0.01;
-33,60.53,0.08;
-32,60.54,0.08;
-31,60.55,0.1;
-30,60.56,0.08;
-29,60.57,0.14;
-28,60.59,0.19;
-27,60.6,0.23;
-26,60.64,0.21;
-25,60.69,0.28;
-24,60.76,0.21;
-23,60.85,0.12;
-22,60.97,0.08;
-21,61.12,-0.13;
-20,61.31,-0.44;
-19,61.52,-0.94;
-18,61.76,-1.59;
-17,62.01,-2.73;
-16,62.25,-4.31;
-15,62.47,-6.85;
-14,62.56,-9.82;
-13,62.47,-12.29;
-12,62.31,-13.82;
-11,62.2,-15.03;
-10,62.15,-16.27;
-9,62,-18.05;
-8,61.53,-20.21;
-7,60.93,-23.38;
-6,60.2,-26.64;
-5,59.38,-28.75];Преобразуйте второй столбец HAV08_Table из коэффициента усиления в Pout для использования объектом системы без памяти.
paChar = HAV08_Table;
paChar(:,2) = paChar(:,1) + paChar(:,2);
endНелинейные нарушения без запоминания искажают амплитуду и фазу входного сигнала. Амплитудное искажение представляет собой амплитудно-амплитудную модуляцию (AM/AM), а фазовое искажение представляет собой амплитудно-фазовую модуляцию (AM/PM). Эти методы модели доступны для моделирования моделей нелинейных нарушений без памяти.
| Метод модели | Нелинейные нарушения без памяти |
|---|---|
Кубический многочлен | Применяет AM/AM и AM/PM |
Гиперболическая касательная | |
Модель Салеха | |
Модель Горбани | |
Измененная модель Rapp | |
Таблица подстановки | Применяет ухудшение в соответствии с характеристиками усилителя [Pin, Pout, Δ Table собственность |
Смоделированные нарушения по-разному применяют искажения AM/AM и AM/PM в соответствии с указанным методом модели. Модели применяют нелинейное нарушение памяти к входному сигналу, следуя этим шагам.
Умножьте сигнал на входной коэффициент усиления.
Примечание
Можно нормализовать сигнал до 1, установив коэффициент усиления входного масштабирования на обратную амплитуду входного сигнала.
Разбейте комплексный сигнал на составляющие величины и угла. Для действительных входных сигналов мнимая составляющая устанавливается равной нулю.
Примените искажение AM/AM к величине сигнала в соответствии с выбранным методом модели для получения величины выходного сигнала.
Примените искажение AM/PM к фазе сигнала в соответствии с выбранным методом модели для создания угла выходного сигнала.
Объедините новые компоненты величины и угла в комплексный сигнал. Затем умножьте результат на выходной коэффициент усиления.
Методы модели применяют ослабления AM/AM и AM/PM, как показано на этом рисунке.
Способ таблицы поиска использует таблицу поиска характеристик усилителя мощности (PA), заданную как матрица N-by-3 измеренных характеристик PA. Каждая строка имеет вид [Pin, Pout, ΔStart]. Контакт определяет входной сигнал PA в дБм, Pout - выходной сигнал PA в дБм, ΔΛ - фазовый сдвиг на выходе в градусах. Измеренные характеристики PA, определенные Table используются для вычисления нелинейных характеристик ослабления AM/AM (в дБм/дБм) и AM/PM (в град/дБм). Объект System искажает входной сигнал вычисленными значениями AM/AM (в дБм/дБм) и AM/Pм (в град/дБм).
Примечание
Определение соответствующих значений Pout и ΔStartдля любых значений Pin, выходящих за пределы диапазона значений, указанного в Table объект System применяет линейную экстраполяцию из первых двух или последних двух строк [Pin, Pout, Δ Table.
На этом рисунке показано поведение преобразования AM/PM для методов модели кубического полинома и гиперболической касательной.
Преобразование AM/PM линейно масштабируется со значением входной мощности между нижним и верхним пределами входного уровня мощности. Вне этого диапазона преобразование AM/PM является постоянным при значениях, соответствующих нижнему и верхнему пределам входной мощности, которые равны нулю и (преобразование AM/PM) × (верхний предел входной мощности - нижний предел входной мощности) соответственно.
Метод кубической полиномиальной модели использует линейное усиление мощности для определения линейного коэффициента полинома третьего порядка и входной или выходной мощности в дБм для точки пересечения третьего порядка (IP3), точки на дБ ниже выходной мощности (P1 дБ) или мощности насыщения (Psat) для определения коэффициента полинома третьего порядка. На этом рисунке показан пример графика, созданного при установке Method свойство для 'Cubic polynomial'.
Общая форма кубической нелинейности моделирует характеристики AM/AM как
+ 34c3 × | u | 3
где FAM/AM(|u|) - величина выходного сигнала, | u | - величина входного сигнала, c1 - коэффициент линейного члена усиления, c3 - коэффициент кубического члена усиления. Результаты для IIP3, OIP3, IP1dB, OP1dB, IPsat и OPsat взяты из [6]. Значения коэффициента c3 приведены в этой таблице.
| Тип нелинейности | Описание | Уравнение |
|---|---|---|
IIP3 | Входной уровень мощности, при котором мощность от линейного усиления равна мощности от нелинейности третьего порядка | где IIP3 дано в дБм. |
OIP3 | Уровень выходной мощности, при котором мощность от линейного усиления равна мощности от нелинейности третьего порядка | где OIP3 дано в дБм. |
IP1dB | Уровень входной мощности, при котором выходная мощность на один дБ меньше мощности от линейного усиления | где IP1dB дано в дБм. |
OP1dB | Уровень выходной мощности на 1 дБ меньше мощности линейного усиления | − LGdB + 1 )/10] где OP1dB задается в дБм, а LGdB - линейный коэффициент усиления в дБ |
IPsat | Входная мощность, при которой выходная мощность насыщается | 30 )/10] где IPsat дается в дБм. |
OPsat | Мощность насыщения выходного сигнала | 30 )/10] где OPsat дается в д Бм. |
На этом рисунке показано поведение AM/AM (выходное напряжение в зависимости от входного напряжения для искажения AM/AM) и поведение AM/PM (выходная фаза в зависимости от входного напряжения для искажения AM/PM) для метода модели Салеха.
Параметры AM/AM, αAMAM и βAMAM, используются для вычисления амплитудного искажения входного сигнала с помощью
βAMAM × u2,
где u - величина масштабированного сигнала.
Параметры AM/PM, αAMPM и βAMPM, используются для вычисления фазового искажения входного сигнала с помощью
βAMPM × u2,
где u - величина масштабированного сигнала. Параметры α и β для AM/AM и AM/PM названы одинаково, но отличаются друг от друга.
[1] Салех, А.А.М. «Частотно-независимые и частотно-зависимые нелинейные модели усилителей TWT». IEEE Transactions on Communications 29, No. 11 (ноябрь 1981): 1715-20. https://doi.org/10.1109/TCOM.1981.1094911.
[2] Горбани, А. и М. Шейхан. «Влияние нелинейности твердотельных усилителей мощности (SSPA) на передачу сигналов MPSK и M-QAM». В 1991 году шестая Международная конференция по цифровой обработке сигналов в связи, 193-97, 1991 год.
[3] Rapp, Ch. «Влияние HPA-нелинейности на 4-DPSK/OFDM-Signal для цифровой системы звукового вещания». В Proceedings Second European Conf. on Sat. Comm. (ESA SP-332), 179-84. Льеж, Бельгия, 1991 год. https://elib.dlr.de/33776/.
Цой, С., et.al. «Модели ослабления RF для моделирования SYS/PHY диапазона 60 ГГц». IEEE 802.15-06-0477-01-003c. Ноябрь 2006 года.
[5] Перахия, Е. «Методология оценки TGad». IEEE 802.11-09/0296r16. 20 января 2010 года. https://mentor.ieee.org/802.11/dcn/09/11-09-0296-16-00ad-evaluation-methodology.doc.
[6] Кундерт, Кен. «Точное и быстрое измерение IP2 и IP3.» Сообщество «Руководство конструктора». 22 мая 2002 года.