浅谈数字预失真技术

2024-10-12

数字预失真(DPD)技术随着通信技术的飞速发展迅速登上历史舞台。我们为什么要用DPD技术?DPD原理本质是什么?什么是DPD的模型和算法,有什么区别?DPD对通信系统带来什么样的效果?本文将带领您进入这个神秘的DPD世界进行探索。同时在文章最后,作者抛砖引玉的畅想DPD技术在通信领域外的一些展望供大家思考。

1. 为什么要用数字预失真

移动通信的技术发展主要围绕提高信号传输速率这一目标进行展开,这是用户端需求;而商业运作需要围绕着降本增效的目标进行展开,这是供应端需求。用户端和供应端的博弈共同决定了最终的技术路线。

提高信息传输速率有两种方式,其一是采用更高阶的信号调制方式,使得相同带宽下比特率增加;另一种是采用更宽的瞬时带宽。当信号端做出更加适用于用户端需求的更改后,进入系统的信号峰均比也跟着变高。

在理想情况下,功放呈现出线性特性,此时仅需计算出信号的峰均比,将功放从饱和状态下调一个峰均比即可无失真放大。然而实际情况下,功放本身具有非线性,会存在增益压缩和相位失真,此时放大器便会使信号严重失真,EVM恶化。如图中采用60 MHz带宽,7.8 dB峰均比,64-QAM信号经过功率放大器的星座图,其收发回环EVM恶化到了5.1%,大大提高解调难度,无法采用更高阶的调制信号。

浅谈数字预失真技术 (https://ic.work/) 技术资料 第1张

并会产生频谱再生,测试结果中邻信道抑制比恶化到了-29 dBc,会影响其他频带的正常通信。

浅谈数字预失真技术 (https://ic.work/) 技术资料 第2张

在这种情况下,要想直接的改善功放的失真,只能使用能输出峰值功率更高的功放,让放大器工作在线性区。在调制更复杂的场景下,很有可能会出现需求输出5 W平均功率,但功放峰值输出能力需要达到100 W的情况。除了物料成本外,低效带来的散热和稳定度也无法保障。这与供应端降本增效的需求相违背。

此时DPD技术应运而生,可在功放达到线性度需求的情况下,显著提升其平均输出功率。当然功放部分也有众多学者和从业人员研究高峰均比下的能效,我们将在之后的专栏进行讨论,本文便不再展开。

2. 数字预失真原理和实现框图

功放的输出不是“直”的,而是随着功率的变化逐渐变“弯”。这弯的部分便是非线性产物的罪魁祸首,DPD技术本质是产生一个反向弯曲线,两模块一拍即合,信号便被拉直了。原理是不是很简单?但事实是众多学者和从业人员在这个技术点上研究了大半生。

浅谈数字预失真技术 (https://ic.work/) 技术资料 第3张

这一条简单的曲线纠结有什么魔力呢?因为我们的输出曲线希望的是一条很细且直的线,但由于带宽的增加,功放的线会发生分散而变粗;由于功放技术的演化如负载调制等,该线不再是简单的先直后弯,而是如波涛般上下起伏;由于预失真器是FPGA例化所得,硬件是否能在有限的资源满足。这一系列问题便使得DPD技术在大带宽的实际应用中(400 MHz带宽以上)困难重重。

实际系统中,DPD需要构建一个完整的反馈通道。对一个功率放大器进行数字预失真处理可分为特征提取、参数辨识和信号预失真三个阶段,整个过程均在基带进行处理,一般以IP核的形式实现。

浅谈数字预失真技术 (https://ic.work/) 技术资料 第4张

3. 什么是数字预失真的模型和算法

翻开文献,什么Saleh模型、Volterra模型、LUT模型、多盒模型、神经网络模型、AI模型等等引入眼帘;什么多项式LMS算法、贝叶斯算法等等让人眼花缭乱。

那什么是模型,什么是算法,以及怎么实现他们呢?

对于发射机来说,基带输入—DAC—上变频—功放—天线是标准的架构,也是信号流的主干道,DPD器便是插入这条主干道的关卡,信号实时流过预失真器,处理了之后通过DAC进行输出。DPD器的实现就是模型,模型的本质是能够物理实现的“基”,由于其主干道的信息流速大,通常这部分使用FPGA实现,当然也可以设计专用芯片来进行实现。使用Matlab、Python等工具也可以在脱离硬件的情况下进行仿真预测。

实现了基,还需要针对不同使用条件下,对每个基的“权重”也就是DPD系数进行调整。这时需要算法来计算系数,计算核心同时抓取输入信号和输出反馈信号进行对比与处理,便计算出系数值,送到FPGA例化的预失真器进行调整。从框图可以看出参数估计模块并不在信号流主干道上,而是一条小水渠。其对于实时性要求不高,那么实现便可以根据实际使用场景来选择。

可以在FPGA里进行计算,可以在系统搭载的CPU中进行计算,亦可以通过外部服务器进行计算之后将数据传入内部。

4. 数字预失真效果展示

本文将使用双通道矢量信号收发器进行DPD实验,FPGA实现的预失真器采用普遍的广义记忆多项式模型,参数计算由内部ARM进行计算。

浅谈数字预失真技术 (https://ic.work/) 技术资料 第5张

运行数字预失真,EVM改善到0.8%,此时使用1024-QAM信号也在星座图上清晰可见。

浅谈数字预失真技术 (https://ic.work/) 技术资料 第6张

频谱也得到改善

浅谈数字预失真技术 (https://ic.work/) 技术资料 第7张

同时观测DPD前后的AM-AM和AM-PM曲线也可以看到增益和相位都得到较大的改善

浅谈数字预失真技术 (https://ic.work/) 技术资料 第8张

5. 数字预失真技术的展望

从20世纪90年代至今,DPD技术已在通信基站中进行商用且数量超过800万台,似乎该项技术生来就是为移动通信服务的。

那么是DPD潜力仅限于此?还是移动通信的皓月光辉掩盖了其繁星光芒? 笔者从事射频系统、数字预失真、功率放大器多年,个人感觉DPD在应用端的潜力似乎被低估了。

DPD技术是一个系统化的技术,对于整个射频系统都有改善性能的能力,不论是移动通信,还是雷达探测、卫星通信、跳频抗干扰等涉及到射频收发的系统均有能力改善。不仅是大功率功率放大器,包括低噪放、混频器、滤波器、开关等均能提高信号质量和输出功率。

当然技术迁移时,核心技术研究方向会发生很大的改变。笔者这里仅是抛砖引玉,希望引起大家的思考。

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审核编辑 黄宇





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