基于神经网络的射频功放非线性模型研究(本科毕设)感悟篇

基于神经网络的射频功放非线性模型研究

研究内容:

(1)理论分析功率放大器的非线性和记忆效应,分析几种最常见的功放行为模型的结构与适用情况,并用Matlab和ADS软件进行仿真;
(2)针对基于Volterra级数的这一大类功放行为模型,研究Saleh模型的改进模型,简化原模型的参数求解过程,降低模型复杂度与系数数量。
(3)研究BP、RBF和支持向量机,并利用其进行功放的建模,并利用Matlab和ADS软件进行验证。

具体要求

(1)构建至少三种放大器模型;
(2)构建至少三种神经网络模型;
(3)预测误差小于10%。

摘要:

随着无线通信系统的发展,射频功率放大器的研究越来越受到重视,而功率放大器的行为模型一向是功率放大器研究的热门话题之一。解决功率放大器的建模问题能够在功率放大器预失真、功率放大器设计与评估以及射频辐射源细微特征识别等领域提供更方便的研究手段和更高效的指导作用。本课题在这一背景下从人工神经网络技术的角度对功率放大器的非线性行为模型进行研究。本文从功率放大器的非线性特性和记忆效应出发,首先研究了传统的放大器行为模型以及其改进模型的结构和原理。然后使用ADS软件对三种功率放大器进行完整的电路设计,并进行各种仿真和测试,以对功率放大器的非线性特性进行验证以及对建模所需输入输出数据进行采集。利用MATLAB软件构建三种人工神经网络模型,并且使用仿真测试数据对神经网络进行训练和测试,建立出九个和具体功放类型对应的行为模型,使用三种标准对功率放大器模型的准确性进行评估。从模型拟合结果可以得出,利用人工神经网络技术能够准确有效的构建功率放大器的非线性行为模型。

研究方案:

首先根据成本、频段、功率以及是否具有稳定的ADS模型,选择功放芯片型号,在此我选择了 BFP780(433MHz公用频段) MRF8P9040(960MHz的GSM频段) MW6S004(1980MHz的CDMA频段)三款功率放大器芯片,然后使用ADS软件,设计了功放的外围电路,构建了三种功放的ADS电路模型,然后通过包络仿真,获得三种功率放大器在各自的中心频率下,输入信号和输出信号包络的幅度和相位,在此各采样了300组数据,然后将数据导出,再导入到matlab软件中,将前200组数据作为神经网络模型的训练数据,后100组作为神经网络的预测数据,构建了BP、RBF以及Elman三种神经网络模型,然后使用均方根误差(RMSE)、归一化均方误差(NRMS)和“相对误差小于10%的预测样本数/总预测数据样本数”,来评价模型。
我打算从方案确定,ADS建模注意事项,以及神经网络建模注意事项三个方面对我的毕设进行讲解。
首先是方案的确定以及实施过程中遇到的问题、以及克服问题或者修改方案的过程。
研究对象: 功率放大器;
研究手段: 神经网络;
研究目的: 构建非线性模型。

对模型参数的分析

我首先就是先相信神经网络是万能的,即先不考虑怎样用神经网络构建模型的问题,这个基本可以肯定是可行的。那么首要问题是,功率放大器具有怎样的非线性,如果要把它看作一个黑盒子,只研究它的输入输出特性,那首先你要知道,用什么来测试它的输入输出特性,一个电信号系统的参数其实有很多,它有电压电流频率幅度相位,有I/Q信号,你首先需要选择一组正确的参数,它唯一的和功率放大器的特性有关。
我们需要对功率放大器的电学性质有一些了解,查阅资料,对他一些基本的线性和非线性,工作性质有一些了解。根据我已有的知识,一个功率放大器本身的性质,首先受到供电和输入的刺激:
供电: 供电肯定是一个稳定的直流,当供电过高时,能提高输入信号的最大幅度,也会使效率降低,温度上升。
问题:是否应该把供电电压作为模型的参数? 我当时天真的想实现一个完全建模,就是把所有因素考虑进去,觉得供电应该作为一个模型的参数,当供电改变时,在输入不变的情况下,输出应该会有些变化,但是这个过程之后看时很复杂的,所以之后觉得,功率放大器制造商本身测试会给你一个典型的额定供电,应该为一个额定供电电压下的功率放大器建模 。
输入频率 基本上所有电路系统电子元件都具有频率特性,在一定条件下都表现出容性或者感性。功率放大器具有不平坦的频率响应,有窄带的有宽带的,即在中心频率保持最大增益,和最小相位差,在两边增益降低。
问题:是否应该把频率作为模型的参数? 这个问题困扰了我很长一段时间,并且我至今认为作为一个功率放大器或者是其他系统,只要你不工作在一个频率点上,做频率响应建模都是很有必要的,但是,传统功放的行为模型忽略了这个问题,我之前看别的论文都看不太明白,为什么他们建模就是两条线就ok了,这里就先不管了,你就认为是应该在一个额定供电电压下的功率放大器工作在中心频率下建模 。
其实我觉得搞清楚上面两个问题,很多疑惑就释然了,不是你解决了,而是你不管了,有时候我觉得自己太较真了,这玩意儿我整了很久,总觉得他们这样搞我觉得没啥意义(现在意义也没那么明显)
输入幅度 其实看了看论文,发现输入幅度才是建模的关键,输入幅度是功率放大器产生非线性的主要原因,功放管工作在饱和区,其本身物理性质包含了随输入电压改变产生的非线性,另外当功放输入增大温度升高时,也会导致功放参数变化,由传统的saleh参数模型可见,输入幅度的增大,即对增益有影响,也对相位延迟有影响,因此,传统saleh模型是输入电压与输出增益和相位延迟的模型,(重点是:这里造成的非线性相偏是基带信号的相偏,作者才疏学浅,至今不明白为什么)
输入相位 很显然我一直认为这种无需同步类器件都是相位不敏感的,输入相位主要用于和器件造成的相位差叠加作为输出相位输出。
小结:
  在打算对功放的输入输出建模的时候要知道针对什么参数建模,此时你不能希求做到跟仿真软件中的模型那一样,随便给一个什么参数,都能得到实际中这个器件应该有的反应,实际上软件中的模型也无法做到这一点。要有针对性建模,在本课题中,显然我们应该明白的是:我们所说的输入和输出是指信号的包络,是带通采样的结果,而不是低通的。 原因是:1.带通信号的建模比较简单,实际应用中没有必要任何输入都给功放;2.带通信号是有用信号,其载波级别的内容往往是为了调制,已经失真;3.在制作功放的过程中往往是有针对性的,比如制作了一个中心频率为1.8G的功放,那么他的载波和信号中心频率往往就是1.8G,如果二者不同甚至差别很大,则要么不会制作这样的功放,要么不会使用这个频率的载波,否则就显得很智障,所以频率参数是固定的,这个可以理解;4.低通采样速度太高了,数据采集过于困难,比如1.8G的信号,想要得到功放的低通采样数据,就需要至少3.6G的采样率,这样对AD或者仪器要求太高了;5.低通信号基本不能进行采到同时的瞬时信号进行对比,即便是将输入和输出同时输出到一个示波器的两个通道,也会由于频率过高,波长过短,器件路程和 高频线长短不一致 也会使两路产生多个周期的误差。
  很巧的是,包络幅度和相位,也正是通信中最主要的信息表达,无论是GMS还是CDMA,从QAM到OFDM,I/Q信号包含在幅度和相位中。因此,我们可以确定模型的参数为输入和输出的包络幅度和相位,或者是 I/Q信号。

(未完待续。。。)
由于作者比较懒。。。没想到这文章的浏览量一百多,你们是有多少人做这个玩意儿。。。我其实觉得到这个程度很窄了吧。。这个文章更不动。。。我先把主要内容先选主要部分弄出来,感悟和教训之后慢慢写吧。。。如有疑惑,可以联系作者邮箱。
主要内容见:https://blog.csdn.net/ChijinLoujue/article/details/86564616
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