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第五代移动通信系统(5thGeneration,5G)中发射机不仅在频率、带宽、线性度等传输信号特性方面对传统线性化技术的性能提出更高的要求,波束成形（Beamforming）技术和多输入多输入（Multi-Input Multi-Output,MIMO）技术的发展与应用,也对预失真系统构架的适用性构成了挑战。论文在国家自然科学基金重点项目和国家重点研发计划项目的支持下,深入研究MIMO发射机系统的非线性建模及数字预失真（Digital Predistortion,DPD）技术,以满足未来移动通信对于信号传输高线性度、高效率的要求。本文的主要工作和成果如下:一、针对5G移动通信的实时空口（Over-The-Air,OTA）测试中多径时延效应对于传统DPD性能的影响,提出了对空口测试反馈非线性进行建模的多通道记忆多项式（Multi-Chanel Memory Polynomial,MC-MP）模型、MC-Volterra级数模型,以及同步偏移MC-MP模型,改善较强的多径时延场景下传统DPD同步过程中信道冲击响应的截断效应。实验和仿真测试表明,在适中的多通道误差影响下,MC-MP模型可以通过OTA测试反馈结构取得良好的线性化效果;在高信噪比（Signal Noise Ration,SNR）且较强多径时延的OTA测试反馈场景中,同步偏移MC-MP模型可以抑制带外频谱非线性泄露,在仿真中将建模精度归一化均方误差（Normalized Mean Square Error,NMSE）由-49.2 dB提升至-63.6 dB,DPD精度NMSE由-39.9 dB提升至-46.6 dB,其最佳同步偏移量的取值也得到了验证。上述研究成果发表在2018年的IEEE Topical Conference on Power Amplifiers for Wireless and Radio Applications（PAWR）和International Microwave Workshop Series on5G Hardware and System Technologies（IMWS-5G）中。二、提出了通过OTA测试进行反馈的同时考虑天线非线性串扰影响的DPD架构,避免传统DPD中使用多条数字链路耦合反馈,改为使用单条数字链路和单个OTA接收器进行反馈。根据一次OTA接收的数据,即可同时进行阵列串扰估计和DPD参数提取。其应用于大规模MIMO混合构架中时,首先使用综合线性串扰建模模型（Integrated Linear Cross-talk Model,ICTM）提取子阵间互耦系数,产生串扰估计信号。然后使用信号分解模块分解OTA信号,以得到各子阵的反馈,最终通过改进双输入记忆多项式（Dual-Input Memory Polynomial,DI-MP）模型对各链路进行线性化。混合构架的实验和仿真结果显示,DPD仅使用单个OTA接收器取得了同样优异的线性化性能,适用于大规模MIMO混合或全数字波束成形发射机。与现有考虑天线非线性串扰的DI-CTMM DPD技术相比,明显降低了DPD系统的硬件复杂度和成本。上述研究成果已在国际核心期刊IEEE Trans.Microw.Theory Techn.上发表。三、提出了应用于5G MIMO波束成形发射机的增加线性化波束宽度的多目标（Multi-target）DPD技术,使用多个预失真器协同工作同时线性化多方向角以调整空间中的非线性分布模式,达到扩展线性化波束宽度的效果。在研究中以双目标（Two-target）线性化为例,在传统单模型（Single-model）DPD的主预失真器外并行增加辅助预失真器,通过全新的模型提取方法和OTA测试反馈信号后处理（OTA Post-processing）方法对两个预失真模型系数进行提取。仿真和实验结果表明,Two-target DPD可以将线性化波束宽度有效地扩展。在四通道发射机的半实物仿真测试中,可以将达到-50 dBc相邻信道功率比（Adjacent Channel Power Ratio,ACPR）的波束宽度由Single-model DPD的17°扩展为36°。在四通道毫米波发射机的实验测试中,将ACPR-50 dBc以下的波束宽度由Single-model DPD的12°扩展为26°。上述研究成果的稿件已被国际核心期刊IEEE Trans.Microw.Theory Techn.录用。四、提出了一种针对天线MIMO阵列发射机串扰影响的级联DPD技术,使用一个双输入的串扰局域化模块作为第二级预失真模块来补偿功率放大器的非线性串扰失真,其所需的实时串扰反馈信号可以从功放输出端通过简单的耦合结构进行提取,局部消除了MIMO阵列发射机中功放输出端的线性/非线性串扰的影响,使阵列的非线性不受波束旋转带来互耦改变的影响。首次给出了DI-DPD的理论推导,证明了低隔离度耦合反馈的串扰信号可以用于DI-DPD。对不同DPD架构和模型的天线串扰实验测试表明,通过精简双输入双盒结构和模型记忆项,该天线串扰局域化（Cross-talk-localization,CL）DPD技术在天线互耦影响下取得了良好的线性化性能,将传统DI-DPD的246个系数单模型架构的复杂度改进为动态缩减双输入双盒数字预失真（Dynamic Deviation Reduction Dual-Input Dual-Output DPD,DDR DIDB-DPD）的24/20个系数两级模型的复杂度,取得了目前考虑天线串扰的双输入模型中最低的实时复杂度和系数提取复杂度。上述研究成果的稿件即将投稿国际核心期刊IEEE Trans.Circuits Syst.I,Reg.Papers。部分研究成果以共同作者的形式发表在2020年的IEEE International Wireless Symposium（IWS）和International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technolog（ICMMT）中。五、提出了一种基于规范化分段线性（Canonical Piecewise-linear,CPWL）函数的双输入模型,应用于考虑天线非线性串扰的多天线发射机数字预失真技术中,通过对每一链路的功放分别进行预失真可以获得更高的预失真精度和配置灵活性,可以补偿功放输出信号中的更高阶天线非线性串扰。并引入动态偏差缩减（Dynamic Deviation Reduction,DDR）概念进一步精简双输入模型的函数项,以避免更深的记忆深度和更高阶的非线性建模时,模型系数数量出现几何式地增长。测试结果表明,在发射机天线串扰测试中,经DPD后的ACPR优化了3.5-4 dB,归一化均方误差NMSE减小了5 dB,相对于传统基于Volterra级数的DPD模型显示出更好的建模精度和线性化性能。上述研究成果发表在2018年的IEEE MTT-S International Microwave Symposium（IMS）中。