詳解功率放大器 (PA) 數(shù)字預(yù)失真 (DPD)資料下載

即使技術(shù)和分配方式在迅速發(fā)生變化，但是，電纜作為數(shù)據(jù)分配通道，始終保持著重要地位。 新技術(shù)在現(xiàn)有電纜網(wǎng)絡(luò)上已實(shí)現(xiàn)分層，今天我們重點(diǎn)介紹這一技術(shù)演進(jìn)的其中一方面——功率放大器 (PA) 數(shù)字預(yù)失真 (DPD)。 功率放大器 (PA) 數(shù)字預(yù)失真 (DPD)，這是許多從事蜂窩系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)研發(fā)工作的人士將會(huì)熟悉的一個(gè)術(shù)語(yǔ)。將該技術(shù)遷移到電纜能夠帶來(lái)明顯的功效和性能提升，同時(shí)也帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。 了解要求 功率放大器在非線性區(qū)域工作時(shí)，其輸出將失真。這一失真可能會(huì)影響帶內(nèi)性能，還可能導(dǎo)致無(wú)用信號(hào)溢出到鄰道。溢出效應(yīng)在無(wú)線蜂窩應(yīng)用中特別重要，因此對(duì)鄰道泄漏比 (ACLR) 有嚴(yán)格的規(guī)定和控制。突出的控制技術(shù)之一是在信號(hào)到達(dá)功率放大器之前對(duì)其進(jìn)行數(shù)字整形或預(yù)失真，從而消除功率放大器中的非線性。 電纜環(huán)境則完全不同。首先，可將其視為封閉環(huán)境。電纜中發(fā)生的情況不會(huì)擴(kuò)展到電纜外！運(yùn)營(yíng)商擁有并控制整個(gè)頻譜。帶外 (OOB)失真并不是關(guān)注重點(diǎn)，帶內(nèi)失真才是至關(guān)重要的。服務(wù)提供商必須確保最高質(zhì)量的帶內(nèi)傳輸通道，以便能夠利用最大的數(shù)據(jù)吞吐量。其中一個(gè)方法是使電纜功率放大器嚴(yán)格運(yùn)行在線性區(qū)域內(nèi)。采用這種工作模式的代價(jià)是功效極差。 圖1. 電纜功率放大器驅(qū)動(dòng)器的功效 圖1概要顯示了典型的電纜應(yīng)用。盡管該系統(tǒng)功耗近80 W，但僅傳送了2.8W信號(hào)功率。功率放大器是功效極低的A類架構(gòu)。最大瞬時(shí)峰值效率可以計(jì)算為50%（當(dāng)信號(hào)包絡(luò)最大時(shí)，假定為電感負(fù)載）。如果功率放大器完全在線性區(qū)域工作，則考慮電纜信號(hào)的極高峰均比（通常為14 dB）意味著放大器需要比信號(hào)壓縮開(kāi)始時(shí)平均低14 dB的工作條件，從而確保即使在信號(hào)的峰值處也不會(huì)發(fā)生信號(hào)壓縮。回退與放大器工作效率直接相關(guān)。當(dāng)放大器回退14 dB以適應(yīng)各種電纜信號(hào)時(shí)，工作效率將降低10–14/10。因此，工作效率從理論上的最大值50%降低到10–14/10 × 50% = 2%。圖2概要顯示了上述情況。 圖2. 高峰均比推動(dòng)回退工作模式并使效率大幅降低 總而言之，功效是主要問(wèn)題。損失功率會(huì)影響成本，但同樣重要的是，它還消耗了電纜分配系統(tǒng)中的稀缺資源。電纜運(yùn)營(yíng)商增加了更多功能和服務(wù)，因此需要進(jìn)行更多的處理，而處理所需的功率可能會(huì)受現(xiàn)有功率預(yù)算的限制。如果能從低效功率放大器中設(shè)法獲取浪費(fèi)的功耗，那么可以將其重新分配給這些新功能。 針對(duì)功率放大器低效提出的解決方案是數(shù)字預(yù)失真。這是整個(gè)無(wú)線蜂窩行業(yè)普遍采用的一種方法。數(shù)字預(yù)失真允許用戶在更高效但非線性更明顯的區(qū)域中運(yùn)行功率放大器，然后先預(yù)先校正數(shù)字域中的失真，再將數(shù)據(jù)發(fā)送到功率放大器。數(shù)字預(yù)失真的本質(zhì)是在數(shù)據(jù)到達(dá)功率放大器之前對(duì)其進(jìn)行整形，以抵消功率放大器產(chǎn)生的失真，從而擴(kuò)大功率放大器的線性范圍，如圖3所示。這一擴(kuò)大后的線性范圍可用于支持更高質(zhì)量的處理，提供較低的調(diào)制誤差率 (MER)，1或者允許功率放大器以更低偏置設(shè)置運(yùn)行，從而節(jié)省功耗。盡管數(shù)字預(yù)失真已廣泛應(yīng)用于無(wú)線蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施，但在電纜環(huán)境中實(shí)施數(shù)字預(yù)失真有獨(dú)特而又有挑戰(zhàn)性的要求。 圖3. 數(shù)字預(yù)失真概述 如圖4所示，電纜應(yīng)用的實(shí)際工作效率約為3.5%！實(shí)施數(shù)字預(yù)失真可以降低系統(tǒng)的功率要求，由原來(lái)的80 W降低到61 W，節(jié)約19 W，節(jié)電率達(dá)到24%。每個(gè)功率放大器以前的功率要求為17.5 W，現(xiàn)在則下降到12.8 W。 圖4. 通過(guò)數(shù)字預(yù)失真方案實(shí)現(xiàn)節(jié)能概述 實(shí)施挑戰(zhàn) 數(shù)字預(yù)失真的價(jià)值不言而喻，但在電纜應(yīng)用中實(shí)施時(shí)會(huì)面對(duì)許多獨(dú)特挑戰(zhàn)。因此，必須在現(xiàn)有資源范圍內(nèi)應(yīng)對(duì)這些技術(shù)挑戰(zhàn)。例如，解決方案本身必須是高效節(jié)能的，因?yàn)槿绻?jié)省的電能轉(zhuǎn)化為該解決方案的電源，則在優(yōu)化功率放大器效率方面沒(méi)有什么價(jià)值。同樣地，數(shù)字處理資源需要適當(dāng)，以便可以高效地駐留在當(dāng)前的FPGA架構(gòu)中。具有非標(biāo)準(zhǔn)硬件要求和廣泛架構(gòu)變化的超大型/復(fù)雜算法不太可能適應(yīng)。 超寬帶寬 電纜應(yīng)用環(huán)境與無(wú)線蜂窩環(huán)境之間最顯著的區(qū)別也許是操作帶寬。在電纜中，約1.2 GHz的帶寬要進(jìn)行線性化。寬帶寬挑戰(zhàn)復(fù)雜的原因在于頻譜從直流開(kāi)始僅為54 MHz且信號(hào)帶寬大于信道中心頻率。必須牢記的是，功率放大器經(jīng)驅(qū)動(dòng)進(jìn)入非線性工作區(qū)域后即可實(shí)現(xiàn)省電，這樣雖然提高了效率，但代價(jià)是非線性產(chǎn)物也隨之而來(lái)。數(shù)字預(yù)失真必須消除由功率放大器產(chǎn)生的非線性，尤其是那些折回帶內(nèi)的非線性成分。這就在電纜應(yīng)用中構(gòu)成了獨(dú)特挑戰(zhàn)。 圖5.傳統(tǒng)窄帶中諧波失真項(xiàng)的說(shuō)明 圖5概要顯示了我們可能期望的經(jīng)過(guò)非線性放大級(jí)的傳統(tǒng)窄帶（本節(jié)稍后部分給出窄帶的定義）上變頻基帶信號(hào)的寬帶諧波失真項(xiàng)。非線性功率放大器輸出通常通過(guò)冪級(jí)數(shù)表達(dá)式描述，比如具有以下形式的Volterra級(jí)數(shù)： 可將其理解為有記憶效應(yīng)的Taylor冪級(jí)數(shù)的推廣。值得注意的是，每個(gè)非線性項(xiàng)(k = 1,2, … , K)都會(huì)產(chǎn)生多個(gè)諧波失真(HD)產(chǎn)物。例如，五階有3個(gè)諧波項(xiàng)：一次諧波、三次諧波和五次諧波。另外需要注意的是，諧波帶寬是其階次的倍數(shù)。例如，三階諧波項(xiàng)的寬度是激勵(lì)帶寬的3倍。 在電纜中，諧波在頻譜（從直流開(kāi)始僅為54 MHz）上的位置對(duì)數(shù)字預(yù)失真構(gòu)成了特殊挑戰(zhàn)，而這一挑戰(zhàn)與大信號(hào)帶寬的關(guān)系并不大。所有非線性系統(tǒng)都會(huì)發(fā)生諧波失真。電纜數(shù)字預(yù)失真的重點(diǎn)是落在帶內(nèi)的諧波失真。從圖5可以看出，在傳統(tǒng)窄帶應(yīng)用中，重點(diǎn)將是三階諧波和五階諧波。盡管形成了其他諧波，但它們?cè)谀繕?biāo)頻帶外，可通過(guò)傳統(tǒng)濾波消除。我們可以按照分?jǐn)?shù)帶寬來(lái)定義寬帶應(yīng)用和窄帶應(yīng)用，其中分?jǐn)?shù)帶寬的定義公式如下： （fn = 最高頻率，f1 = 最低頻率，fc = 中心頻率）。分?jǐn)?shù)帶寬超過(guò)1時(shí)，可將應(yīng)用視為寬帶應(yīng)用。大多數(shù)蜂窩應(yīng)用的分?jǐn)?shù)帶寬不超過(guò)0.5。因此，它們的諧波失真行為符合圖6所示的特性。 圖6.窄帶簡(jiǎn)化；只需考慮一次諧波周圍的產(chǎn)物 對(duì)于這樣的窄帶系統(tǒng)，只有一次諧波周圍的帶內(nèi)失真需要通過(guò)數(shù)字預(yù)失真消除，因?yàn)椴捎脦?a href='http://www.ttokpm.com/tags/濾波器/' target='_blank' class='arckwlink_none'>濾波器可去除所有其他產(chǎn)物。另外還需注意的是，由于帶內(nèi)沒(méi)有偶數(shù)階產(chǎn)物，數(shù)字預(yù)失真只需處理奇數(shù)階項(xiàng)。 在電纜應(yīng)用中，我們近似認(rèn)為fn ~1200 MHz，fl ~50 MHz，fc ~575 MHz，從而得出分?jǐn)?shù)帶寬為2。要確定需要校正的最低諧波失真階次，可以使用以下公式： （Kmin是要考慮的最低非線性階次），或者用數(shù)字表示就是50 MHz×2 = 100Mhz，由于其小于1200 MHz，因此二階諧波失真正好在工作頻帶內(nèi)并且必須被校正。因此，如果決定在安全性和線性度極高的操作范圍之外操作電纜功率放大器，則所得到的諧波失真將如圖7所示。 圖7.寬帶電纜應(yīng)用中寬帶諧波失真的影響 相比只需要考慮奇數(shù)階諧波的無(wú)線蜂窩應(yīng)用，電纜應(yīng)用中的偶數(shù)階項(xiàng)和奇數(shù)階項(xiàng)均在頻帶內(nèi)，可產(chǎn)生多個(gè)重疊的失真區(qū)域。這在一定程度上會(huì)對(duì)任何數(shù)字預(yù)失真解決方案的復(fù)雜性和精密度 產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因?yàn)樗惴ū仨毻ㄟ^(guò)簡(jiǎn)單的窄帶假設(shè)。數(shù)字預(yù)失真解決方案必須適應(yīng)諧波失真每個(gè)階次的項(xiàng)。 在窄帶系統(tǒng)中，偶數(shù)階項(xiàng)可以被忽略，奇數(shù)階在每個(gè)目標(biāo)頻帶內(nèi)產(chǎn)生1個(gè)項(xiàng)。電纜應(yīng)用中的數(shù)字預(yù)失真必須考慮奇數(shù)階和偶數(shù)階諧波失真，并且還必須考慮到每個(gè)階可能有多個(gè)重疊的帶內(nèi)元素。 諧波失真校正定位 考慮到傳統(tǒng)窄帶數(shù)字預(yù)失真解決方案的處理在復(fù)雜的基帶處完成，我們主要關(guān)注對(duì)稱位于載波周圍的諧波失真。在寬帶電纜系統(tǒng)中，盡管保持了位于一次諧波周圍的那些項(xiàng)的對(duì)稱性，但是這一對(duì)稱性不再適用于更高階次的諧波產(chǎn)物。 圖8.寬帶數(shù)字預(yù)失真復(fù)雜基帶處理中頻率偏移要求的注解 如圖8所示，傳統(tǒng)窄帶數(shù)字預(yù)失真在復(fù)雜基帶處完成。在這些實(shí)例中，僅一次諧波產(chǎn)物在頻帶范圍內(nèi)，因此其基帶產(chǎn)物直接轉(zhuǎn)換為RF?？紤]寬帶電纜數(shù)字預(yù)失真時(shí)，較高階次的諧波失真必須是頻率偏移，才能使上變頻后的基帶產(chǎn)物正確位于實(shí)際RF頻譜中。 環(huán)路帶寬限制 閉環(huán)數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)采用傳輸和觀測(cè)路徑。在理想化的模型中，兩條路徑都不會(huì)受到帶寬限制，并且兩者的寬度都足以通過(guò)所有數(shù)字預(yù)失真項(xiàng)。也就是說(shuō)，它們足以通過(guò)帶內(nèi)項(xiàng)和帶外項(xiàng)。 圖9.無(wú)帶寬限制的理想化數(shù)字預(yù)失真方案 圖9概要顯示了數(shù)字預(yù)失真一種數(shù)字預(yù)失真的實(shí)現(xiàn)。在理想情況下，從數(shù)字上變頻器 (DUC)（通過(guò)數(shù)字預(yù)失真）到DAC乃至通過(guò)功率放大器的路徑將沒(méi)有帶寬限制。同樣地，觀測(cè)路徑上的ADC將對(duì)全帶寬進(jìn)行數(shù)字化（請(qǐng)注意，為了進(jìn)行說(shuō)明，我們展示2倍帶寬的信號(hào)路徑。在某些無(wú)線蜂窩應(yīng)用中，可擴(kuò)展到3至5倍的帶寬）。理想方案是通過(guò)數(shù)字預(yù)失真產(chǎn)生帶內(nèi)項(xiàng)和帶外項(xiàng)，從而完全消除功率放大器引入的失真。需要注意的是，為了準(zhǔn)確消除失真，需要在目標(biāo)信號(hào)的帶寬之外創(chuàng)建項(xiàng)，這一點(diǎn)非常重要。 在實(shí)際方案中，信號(hào)路徑具有帶寬限制，數(shù)字預(yù)失真性能無(wú)法達(dá)到理想方案要求。 電纜應(yīng)用中，帶寬限制可能有多種來(lái)源 FPGA與DAC之間的JESD鏈路、DAC鏡像抑制濾波器、功率放大器輸入匹配。這些限制最顯著的影響是帶外性能。從圖10所示的仿真可以看出，數(shù)字預(yù)失真無(wú)法校正帶外失真。在電纜中，帶外失真會(huì)造成帶內(nèi)性能下降，這一點(diǎn)特別重要，是我們需要考慮到的。信號(hào)路徑中的帶寬限制可以并且的確會(huì)影響帶內(nèi)性能。 電纜環(huán)境比較獨(dú)特，運(yùn)營(yíng)商擁有整個(gè)頻譜