如何實(shí)現(xiàn)實(shí)用且有效的數(shù)字預(yù)失真解決方案

摘要

根據(jù)許多推廣材料對(duì)數(shù)字預(yù)失真(DPD)的介紹，其性能是基于靜態(tài)定量數(shù)據(jù)。通常，這些材料會(huì)顯示DPD頻譜并引用鄰道泄漏比(ACLR)數(shù)字。這種方法雖然解決了基本需求，但卻沒(méi)有抓住實(shí)際部署中出現(xiàn)的諸多挑戰(zhàn)、風(fēng)險(xiǎn)和性能權(quán)衡。向5G的快速過(guò)渡帶來(lái)了大量新的挑戰(zhàn)和場(chǎng)景，算法開(kāi)發(fā)人員和設(shè)備供應(yīng)商需要給予更多關(guān)注。要支撐靜態(tài)性能，必須具備在有許多元素處于變化狀態(tài)的復(fù)雜環(huán)境中保持性能和穩(wěn)定性的能力。

簡(jiǎn)介

在理想世界中，功率放大器的輸出是輸入的比例放大，除此之外與輸入完全相同，放大器使用的大部分功率貢獻(xiàn)在輸出信號(hào)中。因此，其效率最大且沒(méi)有失真。但現(xiàn)實(shí)世界卻并非如此：實(shí)際的線性放大器的效率往往非常差。例如，電纜分配系統(tǒng)中使用的放大器具有優(yōu)異的線性度，但這是以效率為代價(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在大多數(shù)情況下，效率勉強(qiáng)能超過(guò)6％，其余功率(94％)則被浪費(fèi)。浪費(fèi)的功率涉及經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和應(yīng)用方面的成本。在蜂窩基站中，電力成本占運(yùn)營(yíng)成本(OPEX)的50％以上。浪費(fèi)的功率會(huì)增加電力使用并產(chǎn)生溫室氣體，而未作為無(wú)線電波發(fā)射出去的大部分功率必須作為熱量消散，需要主動(dòng)和被動(dòng)的熱管理。

在過(guò)去的數(shù)十年間，蜂窩行業(yè)已將PA的效率提升至超過(guò)50％的性能水平。這是通過(guò)采用智能架構(gòu)（如Doherty）和高級(jí)工藝技術(shù)（如GaN）而實(shí)現(xiàn)的。獲得效率的同時(shí)也付出了一定的代價(jià)——線性度。在蜂窩系統(tǒng)中，線性度很差有兩個(gè)主要后果：帶內(nèi)失真和帶外輻射。帶內(nèi)失真會(huì)破壞所發(fā)射信號(hào)的保真度，可以通過(guò)誤差矢量調(diào)制(EVM)性能的降幅來(lái)表示。帶外輻射會(huì)打破3GPP輻射屏蔽，可能對(duì)占用鄰道頻率分配的運(yùn)營(yíng)商造成不希望的干擾。我們通常用ACLR來(lái)衡量這方面的性能。除此之外，GaN PA帶來(lái)了額外的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗碾姾刹东@效應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生帶內(nèi)失真，而這些失真是動(dòng)態(tài)的，與ACLR隱含的SNR無(wú)關(guān)。

圖1 具有記憶效應(yīng)的PA動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)

校正PA非線性至關(guān)重要。如果知道PA的轉(zhuǎn)換函數(shù)，則對(duì)數(shù)據(jù)運(yùn)用其反函數(shù)將能消除非線性，這是一個(gè)合理的假設(shè)。然而，PA的轉(zhuǎn)換函數(shù)是動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)，其輸出至輸入特性可以被認(rèn)為處于連續(xù)變化之中。此外，該動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)與一系列PA特性（包括電源、電壓和溫度）、提供給PA的輸入信號(hào)以及PA已處理的先前信號(hào)（記憶效應(yīng)）有關(guān)。PA的動(dòng)態(tài)非線性行為需要先建模，然后才能校正，因此需要數(shù)字預(yù)失真(DPD)，而DPD需要適應(yīng)環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化。

圖2 數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)的概念表示

圖2顯示了許多DPD系統(tǒng)的核心元素：觀測(cè)、估算和驅(qū)動(dòng)。圖2中的概念生成了一個(gè)跟蹤PA預(yù)期響應(yīng)的模型，這樣便可產(chǎn)生適當(dāng)?shù)牡窒盘?hào)來(lái)消除預(yù)測(cè)的PA非線性行為。模型有很多，例如十分普遍的廣義記憶多項(xiàng)式(GMP)。

圖3 有和無(wú)數(shù)字預(yù)失真兩種情況下的鄰道泄漏

在線性區(qū)域中工作的PA產(chǎn)生的帶外失真較少，而且泄漏到相鄰?fù)ǖ赖脑肼暶黠@降低，如圖3所示。圖3顯示了典型DPD測(cè)試臺(tái)上的頻譜分析儀的屏幕截圖，該測(cè)試臺(tái)用來(lái)演示靜態(tài)DPD性能是否達(dá)到許多ACLR合規(guī)性測(cè)試所要求的標(biāo)準(zhǔn)。

市場(chǎng)演變、性能增強(qiáng)和移動(dòng)目標(biāo)

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，DPD便已在蜂窩基站中商用，部署量超過(guò)800萬(wàn)臺(tái)。蜂窩市場(chǎng)的技術(shù)和代次需求不斷變化（2G、3G、4G，現(xiàn)在是5G），對(duì)DPD的要求也在與時(shí)俱進(jìn)。這些挑戰(zhàn)包括但不限于：更寬的帶寬、更高的功率、載波數(shù)量、更高的峰均比，以及更多的基站數(shù)量和密集化。

設(shè)備供應(yīng)商急于差異化其產(chǎn)品，不斷增強(qiáng)效率方面（相對(duì)于相關(guān)3GPP規(guī)范）的性能，其中PA效率仍然是挑戰(zhàn)。驅(qū)動(dòng)變革的傳統(tǒng)因素是運(yùn)營(yíng)成本和熱管理（包括與之相關(guān)的硬件/重量成本），但現(xiàn)在，環(huán)境考慮加速了這種變化。

PA和DPD具有某種共生關(guān)系。在有些情況下，這種關(guān)系很和諧，但在另一些情況下，這種關(guān)系很棘手。與某家供應(yīng)商的DPD友好相處的PA，可能與另一家供應(yīng)商的DPD水火不容。通常，當(dāng)DPD和PA經(jīng)配置和調(diào)整后與特定應(yīng)用匹配時(shí)，性能最優(yōu)。然而，為了滿足5G及后續(xù)技術(shù)的激進(jìn)要求，PA設(shè)計(jì)在不斷發(fā)展。因此，DPD也必須不斷演進(jìn)以滿足額外的需求。隨著寬帶和雙頻應(yīng)用成為常態(tài)，PA開(kāi)發(fā)人員面臨著在更高頻率下實(shí)現(xiàn)更寬帶寬，同時(shí)滿足性能期望的挑戰(zhàn)。開(kāi)發(fā)帶寬能力為200 MHz及以上的PA是一個(gè)挑戰(zhàn)，同時(shí)要確保其也能滿足3GPP規(guī)范和效率，這帶來(lái)了進(jìn)一步的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)最終都落在DPD開(kāi)發(fā)人員肩上。

了解挑戰(zhàn)

量化DPD性能不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)。有許多情況和場(chǎng)景需要考慮——除PA外，還有其他一些影響因素?？紤]性能時(shí)，需要清楚地定義測(cè)試條件的細(xì)節(jié)：在200 MHz的帶寬實(shí)現(xiàn)>50％的效率比在20 MHz的工作帶寬實(shí)現(xiàn)相同效率的挑戰(zhàn)要大得多。當(dāng)考慮所分配頻譜內(nèi)的載波放置時(shí)，情況變得更加復(fù)雜：它可能是連續(xù)的信號(hào)，也可能是分段的載波分配，即部分頻譜被占用。

在較高層次上，DPD性能有幾個(gè)定量指標(biāo)——主要由3GPP規(guī)范或運(yùn)營(yíng)商要求所定義的數(shù)據(jù)點(diǎn)：ACLR、EVM和效率。滿足這些要求僅僅是DPD性能冰山的一角。將穩(wěn)定性和魯棒性添加到需求矩陣中后，挑戰(zhàn)之巨大開(kāi)始顯現(xiàn)。DPD性能有兩個(gè)關(guān)鍵方面：靜態(tài)基準(zhǔn)性能和實(shí)際的運(yùn)行動(dòng)態(tài)性能。

為了刻畫(huà)動(dòng)態(tài)特性的挑戰(zhàn)，圖4顯示了動(dòng)態(tài)環(huán)境中的信號(hào)演變，并展示了ACLR如何用連續(xù)適應(yīng)的DPD加以響應(yīng)。圖中的數(shù)字是名義上的。曲線提供了信號(hào)突然變化的影響的例子，雖然極端但合法。隨著信號(hào)變化，DPD模型要適應(yīng)變化。適應(yīng)事件用點(diǎn)表示。在信號(hào)變化與下一自適應(yīng)之間的過(guò)渡時(shí)間中，模型和信號(hào)存在不匹配，因此ACLR值可能上升，在瞬態(tài)期間內(nèi)超過(guò)輻射規(guī)范的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)增加。

圖4 動(dòng)態(tài)單元加載、DPD適應(yīng)和ACLR瞬態(tài)

適應(yīng)需要一定的時(shí)間，因此始終存在瞬態(tài)。高性能DPD的挑戰(zhàn)在于將該模型不匹配時(shí)間減少到最小，同時(shí)確保兩個(gè)狀態(tài)之間平滑過(guò)渡。需要管理該過(guò)程，使得適應(yīng)速度和對(duì)ACLR的中斷均得到考慮。重要的是要了解模型不匹配與信號(hào)轉(zhuǎn)換的性質(zhì)的相關(guān)性。當(dāng)不匹配度很高時(shí)，DPD存在性能降低的風(fēng)險(xiǎn)，更糟糕的是無(wú)線電的穩(wěn)定性降低。如果發(fā)生不穩(wěn)定，DPD算法可能會(huì)像滾雪球一樣失控，打破輻射屏蔽，在最壞情況下可能損壞無(wú)線電硬件。在性能和穩(wěn)定性的蹺蹺板上，穩(wěn)定性始終是更重要的設(shè)計(jì)考慮因素。DPD設(shè)計(jì)必須魯棒，確保在正常和異常工作條件下都能保持穩(wěn)定，并能從錯(cuò)誤中恢復(fù)。

高性能實(shí)用DPD解決方案的挑戰(zhàn)可以概括為如下要求：

◆   靜態(tài)性能（合規(guī)性測(cè)試或BTS流量負(fù)載接近恒定）

■   ACLR

■   EVM（包括作為特例的GaN）

◆   動(dòng)態(tài)特性

◆   魯棒性

此外，由于ADI公司是DPD的第三方供應(yīng)商，因此還必須考慮以下因素：

◆   維護(hù)

■   我們的客戶(hù)(OEM)將產(chǎn)品交付給其客戶(hù)（運(yùn)營(yíng)商）之后，解決現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的性能問(wèn)題。

◆   進(jìn)化

■   在現(xiàn)場(chǎng)使用期間，PA技術(shù)和信號(hào)空間應(yīng)用可能改變。

◆   泛化

■   OEM可以針對(duì)每個(gè)產(chǎn)品精細(xì)調(diào)整DPD。我們沒(méi)有這種奢侈資源。我們必須滿足許多應(yīng)用的需求，同時(shí)使可配置性和冗余最小化。

提升DPD性能以應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)

僅考慮靜態(tài)性能的話，DPD開(kāi)發(fā)有一個(gè)線性漸進(jìn)的因素。如果提供更多資源，我們就能提高性能。例如，更多GMP系數(shù)有助于更準(zhǔn)確地模擬PA行為。因此，隨著帶寬加寬，這成為維持（如果不能改進(jìn)）性能的一種策略。然而，這種方法有其局限性，最終會(huì)達(dá)到一個(gè)收益遞減點(diǎn)——投入更多資源卻不產(chǎn)生收益或收益很少。DPD算法開(kāi)發(fā)人員需要采取更多創(chuàng)造性方法來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步增強(qiáng)。ADI公司的辦法是用更一般的基礎(chǔ)函數(shù)和更高階Volterra產(chǎn)品來(lái)補(bǔ)充基本算法的廣義記憶多項(xiàng)式。開(kāi)發(fā)人員試圖創(chuàng)建一個(gè)能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)PA行為的模型，因此數(shù)據(jù)累積和數(shù)據(jù)操縱是核心基本要素。在連續(xù)時(shí)間和功率水平下捕獲數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)人員便有更全面的手段來(lái)進(jìn)行評(píng)估和塑造模型行為。圖5是采用這種方法的系統(tǒng)的概念圖。請(qǐng)注意，更廣泛的數(shù)據(jù)捕獲/觀測(cè)節(jié)點(diǎn)與數(shù)字電源監(jiān)控耦合。電源監(jiān)控有助于動(dòng)態(tài)運(yùn)行。先前存儲(chǔ)的模型可以通過(guò)多種方式發(fā)揮作用，以減輕上面討論的動(dòng)態(tài)瞬變。

圖5 使用更廣泛的捕獲/觀測(cè)實(shí)現(xiàn)DPD

近年來(lái)，GaN PA技術(shù)為DPD開(kāi)發(fā)人員帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)：長(zhǎng)期記憶效應(yīng)。GaN工藝技術(shù)在效率、帶寬和工作頻率方面具備許多特有的優(yōu)勢(shì)。然而，它存在所謂的電荷捕獲效應(yīng)。GaN的電荷捕獲是一種長(zhǎng)期記憶效應(yīng)，先有捕獲，然后是熱解除捕獲?；贕MP的DPD糾正了一些誤差，但仍有殘余誤差會(huì)繼續(xù)影響信號(hào)質(zhì)量。這種失真引起EVM的相應(yīng)升高。圖6提供了該現(xiàn)象的圖形表示。注意PA增益波動(dòng)和這些波動(dòng)的時(shí)間性。另請(qǐng)注意捕獲和解除捕獲狀態(tài)，解除捕獲發(fā)生在較低功率符號(hào)上。

圖6 GaN PA電荷捕獲引入的長(zhǎng)期增益誤差

時(shí)間效應(yīng)是長(zhǎng)期的，傳統(tǒng)方法意味著要采集大量的樣本點(diǎn)，因而需要存儲(chǔ)和處理大量數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器成本、硅片面積和處理成本使得這種方法不是商業(yè)DPD部署的可行選擇。DPD開(kāi)發(fā)人員必須以有利于高效實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行的方式消除電荷捕獲的影響。電荷捕獲校正(CTC)是我們的ADRV9029收發(fā)器支持的一項(xiàng)特性，其功耗和計(jì)算時(shí)間成本均很低。已經(jīng)證明，EVM能恢復(fù)到EVM 3GPP規(guī)范內(nèi)的水平。下一代收發(fā)器（即將到來(lái)的ADRV9040）擁有更精密的解決方案，預(yù)計(jì)它能在動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中提供增強(qiáng)的性能，并能更好地覆蓋數(shù)量越來(lái)越多、電荷捕獲特性各不相同的GaN PA應(yīng)用。

圖7 平衡DPD性能的所有要素和挑戰(zhàn)

如上所述，DPD實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。魯棒性通過(guò)不斷監(jiān)測(cè)內(nèi)部狀態(tài)并提供對(duì)異常狀況的快速響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

ADI解決方案的泛化通過(guò)測(cè)試許多供應(yīng)商的廣泛PA樣片來(lái)實(shí)現(xiàn)，我們同很多供應(yīng)商建立了共生的技術(shù)關(guān)系。

結(jié)論

介紹DPD性能時(shí)，重點(diǎn)往往是性能的靜態(tài)方面。雖然EVM和ACLR的衡量標(biāo)準(zhǔn)仍然有效，但必須更多地關(guān)注限定這些測(cè)量的運(yùn)行條件和要求的組合。5G NR的需求繼續(xù)推動(dòng)應(yīng)用要求的提高，再加上對(duì)更高PA效率的渴望，導(dǎo)致DPD算法開(kāi)發(fā)的挑戰(zhàn)進(jìn)一步加大。

當(dāng)我們開(kāi)始評(píng)判DPD性能時(shí)，我們需要一個(gè)整體方法來(lái)處理：

■   靜態(tài)性能

■   動(dòng)態(tài)性能

■   魯棒性

■   穩(wěn)定性

勉強(qiáng)符合規(guī)范的DPD可能不受歡迎，會(huì)造成暫時(shí)不合規(guī)范的情況出現(xiàn)的DPD可能令運(yùn)營(yíng)商不安。更災(zāi)難性的是，DPD會(huì)變得不穩(wěn)定并導(dǎo)致非法輻射和PA的失效。不應(yīng)將DPD算法視為現(xiàn)成的東西。根據(jù)PA和應(yīng)用的具體情況調(diào)整DPD才能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化性能，但算法敏捷性和開(kāi)發(fā)/現(xiàn)場(chǎng)支持也是重要的考慮因素。有效的DPD算法可以給系統(tǒng)帶來(lái)相當(dāng)大的好處。不應(yīng)低估需求和性能評(píng)估的復(fù)雜性。

作者簡(jiǎn)介

Steve Summerfield是ADI公司領(lǐng)導(dǎo)無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的算法和架構(gòu)開(kāi)發(fā)的總監(jiān)。他于2017年加入ADI，此前在多家電信和半導(dǎo)體公司擔(dān)任過(guò)高級(jí)職位。Steve之前長(zhǎng)期在大學(xué)任職。他著述頗豐，持有多項(xiàng)專(zhuān)利，并擁有理論物理學(xué)博士學(xué)位。聯(lián)系方式：steve.summerfield@analog.com。

Frank Kearney于1988年畢業(yè)后即加入ADI公司。在工作期間，他擔(dān)任過(guò)多種工程和管理職位。他目前在無(wú)線系統(tǒng)部門(mén)管理一個(gè)由架構(gòu)師和算法開(kāi)發(fā)人員組成的團(tuán)隊(duì)。該部門(mén)重點(diǎn)關(guān)注O-RAN無(wú)線電架構(gòu)的發(fā)射路徑效率和系統(tǒng)級(jí)增強(qiáng)功能。Frank擁有都柏林大學(xué)博士學(xué)位。聯(lián)系方式：frank.kearney@analog.com。