基于RLS-LMS混合算法的Wiener-Hammerstein数字预失真系统

资 源 简 介

本系统是一个针对无线通信领域功率放大器（PA）线性化需求而设计的仿真与验证平台。系统核心目标是解决功率放大器在宽带信号传输过程中由于物理器件限制而产生的非线性失真和记忆效应。 系统通过Wiener-Hammerstein模型对功率放大器进行高精度建模，该模型通过两个线性动态子系统（LTI滤波器）与中间的静态非线性模块级联，能够完美重现PA在实际射频环境中的动态特性。 预失真补偿模块采用记忆多项式（Memory Polynomial）模型作为核心架构，通过产生与PA特性相反的畸变来预先补偿信号。 系统在自适

详 情 说 明

基于RLS-LMS混合自适应算法的Wiener-Hammerstein模型数字预失真系统

项目介绍

本系统是一个针对无线通信领域功率放大器（PA）线性化需求而设计的仿真与验证平台。系统核心目标是解决功率放大器在宽带信号传输过程中由于物理器件限制而产生的非线性失真和记忆效应。系统通过Wiener-Hammerstein模型对功率放大器进行高精度建模，并采用记忆多项式模型作为预失真补偿架构。在参数估计环节，系统创新性地采用了RLS-LMS混合算法，结合了RLS算法的收敛速度与LMS算法的稳态性能，实现了高效的数字预失真处理。

功能特性

1. 混合自适应算法：融合了递推最小二乘（RLS）的高速初期收敛能力与最小均方（LMS）的低复杂度追踪特性。
2. 复杂PA建模：利用Wiener-Hammerstein结构（线性子系统-静态非线性-线性子系统）模拟真实射频环境下的动态非线性。
3. 记忆多项式架构：支持多阶非线性与深层记忆效应补偿。
4. 全闭环仿真流：涵盖信号调制、成形、失真注入、参数辨识、预失真补偿及量化评估。
5. 综合性能评价：自动计算ACPR、EVM等核心指标，并输出AM-AM、星座图及功率谱对比。

使用方法

1. 启动MATLAB环境。
2. 将主程序代码文件放置在当前工作目录。
3. 运行该程序。
4. 观察命令行窗口输出的性能报告以及自动生成的四个可视化图表。

系统要求

1. 软件环境：MATLAB R2020a 或更高版本。
2. 基础工具箱：信号处理工具箱（Signal Processing Toolbox）、通信工具箱（Communications Toolbox）。
3. 硬件建议：4GB RAM及以上，以支持高样本量的FFT运算。

系统功能实现逻辑

1. 信号源产生阶段

系统首先生成随机的16QAM数字基带信号，并采用UnitAveragePower进行幅度归一化。随后通过根升余弦滤波器（RRC）进行4倍过采样脉冲成形。为保证时域对齐，系统会自动剔除滤波产生的起始延迟。

1. Wiener-Hammerstein PA模型实现

该模块由三部分串联而成。首先是前置线性滤波器H1，模拟PA输入端的阻抗不匹配等频率选择性特性。中间层为Saleh类型多项式模型，模拟静态非线性压缩特性。最后是后置线性滤波器H2，模拟PA输出端的频率响应。最后系统向输出信号注入加性高斯白噪声以模拟工程噪声底。

1. 数字预失真器（DPD）参数辨识

系统采用间接学习结构（Indirect Learning Architecture），即通过建立PA输出到PA输入的逆映射模型来确定预失真系数。系统会根据设定的预失真阶数和记忆深度，构造复杂的记忆多项式基函数矩阵。

1. RLS-LMS混合算法迭代

这是系统的核心逻辑： 在训练的初始阶段（前2000个样本），系统激活RLS算法。通过计算协方差矩阵P和增益矢量K，以极高的收敛速率确定系数大体范围，有效压缩稳态误差。 当越过切换点后，系统自动转入LMS算法。利用其梯度下降原理，以较低的计算成本对系数进行微调和实时追踪。

1. 补偿与评估

识别出的系数被应用到原始输入信号上产生预失真信号。预失真信号经过功率放大器模型后，理论上其总传输函数应趋于线性。系统最后通过下采样同步、幅度归一化和指标计算，评估补偿前后的ACPR（邻道功率比）改善程度和EVM（误差矢量幅度）。

关键算法与技术细节分析

1. 记忆多项式基函数构造

系统通过嵌套循环，结合时间延迟算子与幅度乘方算子，构建了非线性基函数。对于每一个奇数阶数k和每一个延迟量m，生成的基项为：输入信号受m点延迟后，再与其自身的k-1次方模值相乘。

1. RLS自适应更新

RLS部分使用了遗忘因子（rho），允许算法在处理过程中逐步减少旧数据的权重。其核心在于通过矩阵求逆引理（Matrix Inversion Lemma）更新协方差矩阵，从而在保证收敛速度的同时避免了直接求逆的大型运算。

1. LMS参数调整

LMS部分采用固定步长（mu）更新权重，权重更新方向与当前误差矢量和输入矢量的共轭乘积成正比。这种方法保证了系统在参数粗调完成后的稳定性。

1. ACPR计算逻辑

系统利用Welch法估算功率谱密度（PSD）。通过定义主信道带宽和邻道偏移量，分别积分计算信号功率与干扰功率，对比预失真前后邻道泄露的功率分贝差值。

1. EVM量化评价

EVM的计算考虑了信号在复数平面的位移。系统选取信号中间稳定段，计算实际接收星座点与理想参考星座点之间的均方根误差，并以百分比形式直观展示PA的线性度修复水平。