淺談數(shù)字預(yù)失真技術(shù)

數(shù)字預(yù)失真(DPD)技術(shù)隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展迅速登上歷史舞臺(tái)。我們?yōu)槭裁匆肈PD技術(shù)？DPD原理本質(zhì)是什么？什么是DPD的模型和算法，有什么區(qū)別？DPD對(duì)通信系統(tǒng)帶來(lái)什么樣的效果？本文將帶領(lǐng)您進(jìn)入這個(gè)神秘的DPD世界進(jìn)行探索。同時(shí)在文章最后，作者拋磚引玉的暢想DPD技術(shù)在通信領(lǐng)域外的一些展望供大家思考。

1. 為什么要用數(shù)字預(yù)失真

移動(dòng)通信的技術(shù)發(fā)展主要圍繞提高信號(hào)傳輸速率這一目標(biāo)進(jìn)行展開(kāi)，這是用戶端需求；而商業(yè)運(yùn)作需要圍繞著降本增效的目標(biāo)進(jìn)行展開(kāi)，這是供應(yīng)端需求。用戶端和供應(yīng)端的博弈共同決定了最終的技術(shù)路線。

提高信息傳輸速率有兩種方式，其一是采用更高階的信號(hào)調(diào)制方式，使得相同帶寬下比特率增加；另一種是采用更寬的瞬時(shí)帶寬。當(dāng)信號(hào)端做出更加適用于用戶端需求的更改后，進(jìn)入系統(tǒng)的信號(hào)峰均比也跟著變高。

在理想情況下，功放呈現(xiàn)出線性特性，此時(shí)僅需計(jì)算出信號(hào)的峰均比，將功放從飽和狀態(tài)下調(diào)一個(gè)峰均比即可無(wú)失真放大。然而實(shí)際情況下，功放本身具有非線性，會(huì)存在增益壓縮和相位失真，此時(shí)放大器便會(huì)使信號(hào)嚴(yán)重失真，EVM惡化。如圖中采用60 MHz帶寬，7.8 dB峰均比，64-QAM信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器的星座圖，其收發(fā)回環(huán)EVM惡化到了5.1%，大大提高解調(diào)難度，無(wú)法采用更高階的調(diào)制信號(hào)。

并會(huì)產(chǎn)生頻譜再生，測(cè)試結(jié)果中鄰信道抑制比惡化到了-29 dBc，會(huì)影響其他頻帶的正常通信。

在這種情況下，要想直接的改善功放的失真，只能使用能輸出峰值功率更高的功放，讓放大器工作在線性區(qū)。在調(diào)制更復(fù)雜的場(chǎng)景下，很有可能會(huì)出現(xiàn)需求輸出5 W平均功率，但功放峰值輸出能力需要達(dá)到100 W的情況。除了物料成本外，低效帶來(lái)的散熱和穩(wěn)定度也無(wú)法保障。這與供應(yīng)端降本增效的需求相違背。

此時(shí)DPD技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，可在功放達(dá)到線性度需求的情況下，顯著提升其平均輸出功率。當(dāng)然功放部分也有眾多學(xué)者和從業(yè)人員研究高峰均比下的能效，我們將在之后的專欄進(jìn)行討論，本文便不再展開(kāi)。

2. 數(shù)字預(yù)失真原理和實(shí)現(xiàn)框圖

功放的輸出不是“直”的，而是隨著功率的變化逐漸變“彎”。這彎的部分便是非線性產(chǎn)物的罪魁禍?zhǔn)?，DPD技術(shù)本質(zhì)是產(chǎn)生一個(gè)反向彎曲線，兩模塊一拍即合，信號(hào)便被拉直了。原理是不是很簡(jiǎn)單？但事實(shí)是眾多學(xué)者和從業(yè)人員在這個(gè)技術(shù)點(diǎn)上研究了大半生。

這一條簡(jiǎn)單的曲線糾結(jié)有什么魔力呢？因?yàn)槲覀兊妮敵銮€希望的是一條很細(xì)且直的線，但由于帶寬的增加，功放的線會(huì)發(fā)生分散而變粗；由于功放技術(shù)的演化如負(fù)載調(diào)制等，該線不再是簡(jiǎn)單的先直后彎，而是如波濤般上下起伏；由于預(yù)失真器是FPGA例化所得，硬件是否能在有限的資源滿足。這一系列問(wèn)題便使得DPD技術(shù)在大帶寬的實(shí)際應(yīng)用中（400 MHz帶寬以上）困難重重。

實(shí)際系統(tǒng)中，DPD需要構(gòu)建一個(gè)完整的反饋通道。對(duì)一個(gè)功率放大器進(jìn)行數(shù)字預(yù)失真處理可分為特征提取、參數(shù)辨識(shí)和信號(hào)預(yù)失真三個(gè)階段，整個(gè)過(guò)程均在基帶進(jìn)行處理，一般以IP核的形式實(shí)現(xiàn)。

3. 什么是數(shù)字預(yù)失真的模型和算法

翻開(kāi)文獻(xiàn)，什么Saleh模型、Volterra模型、LUT模型、多盒模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、AI模型等等引入眼簾；什么多項(xiàng)式LMS算法、貝葉斯算法等等讓人眼花繚亂。

那什么是模型，什么是算法，以及怎么實(shí)現(xiàn)他們呢？

對(duì)于發(fā)射機(jī)來(lái)說(shuō)，基帶輸入—DAC—上變頻—功放—天線是標(biāo)準(zhǔn)的架構(gòu)，也是信號(hào)流的主干道，DPD器便是插入這條主干道的關(guān)卡，信號(hào)實(shí)時(shí)流過(guò)預(yù)失真器，處理了之后通過(guò)DAC進(jìn)行輸出。DPD器的實(shí)現(xiàn)就是模型，模型的本質(zhì)是能夠物理實(shí)現(xiàn)的“基”，由于其主干道的信息流速大，通常這部分使用FPGA實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然也可以設(shè)計(jì)專用芯片來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。使用Matlab、Python等工具也可以在脫離硬件的情況下進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)。

實(shí)現(xiàn)了基，還需要針對(duì)不同使用條件下，對(duì)每個(gè)基的“權(quán)重”也就是DPD系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。這時(shí)需要算法來(lái)計(jì)算系數(shù)，計(jì)算核心同時(shí)抓取輸入信號(hào)和輸出反饋信號(hào)進(jìn)行對(duì)比與處理，便計(jì)算出系數(shù)值，送到FPGA例化的預(yù)失真器進(jìn)行調(diào)整。從框圖可以看出參數(shù)估計(jì)模塊并不在信號(hào)流主干道上，而是一條小水渠。其對(duì)于實(shí)時(shí)性要求不高，那么實(shí)現(xiàn)便可以根據(jù)實(shí)際使用場(chǎng)景來(lái)選擇。

可以在FPGA里進(jìn)行計(jì)算，可以在系統(tǒng)搭載的CPU中進(jìn)行計(jì)算，亦可以通過(guò)外部服務(wù)器進(jìn)行計(jì)算之后將數(shù)據(jù)傳入內(nèi)部。

4. 數(shù)字預(yù)失真效果展示

本文將使用雙通道矢量信號(hào)收發(fā)器進(jìn)行DPD實(shí)驗(yàn)，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)的預(yù)失真器采用普遍的廣義記憶多項(xiàng)式模型，參數(shù)計(jì)算由內(nèi)部ARM進(jìn)行計(jì)算。

運(yùn)行數(shù)字預(yù)失真，EVM改善到0.8%，此時(shí)使用1024-QAM信號(hào)也在星座圖上清晰可見(jiàn)。

頻譜也得到改善

同時(shí)觀測(cè)DPD前后的AM-AM和AM-PM曲線也可以看到增益和相位都得到較大的改善

5. 數(shù)字預(yù)失真技術(shù)的展望

從20世紀(jì)90年代至今，DPD技術(shù)已在通信基站中進(jìn)行商用且數(shù)量超過(guò)800萬(wàn)臺(tái)，似乎該項(xiàng)技術(shù)生來(lái)就是為移動(dòng)通信服務(wù)的。

那么是DPD潛力僅限于此？還是移動(dòng)通信的皓月光輝掩蓋了其繁星光芒？ 筆者從事射頻系統(tǒng)、數(shù)字預(yù)失真、功率放大器多年，個(gè)人感覺(jué)DPD在應(yīng)用端的潛力似乎被低估了。

DPD技術(shù)是一個(gè)系統(tǒng)化的技術(shù)，對(duì)于整個(gè)射頻系統(tǒng)都有改善性能的能力，不論是移動(dòng)通信，還是雷達(dá)探測(cè)、衛(wèi)星通信、跳頻抗干擾等涉及到射頻收發(fā)的系統(tǒng)均有能力改善。不僅是大功率功率放大器，包括低噪放、混頻器、濾波器、開(kāi)關(guān)等均能提高信號(hào)質(zhì)量和輸出功率。

當(dāng)然技術(shù)遷移時(shí)，核心技術(shù)研究方向會(huì)發(fā)生很大的改變。筆者這里僅是拋磚引玉，希望引起大家的思考。

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審核編輯 黃宇