[4G&5G专题-3]:RRU 数字预失真DPD详解
前言:数字预失真技术DPD是RU中一个非常重要的功能,它在不改变放大器特性的情况下,扩大了射频放大器的线性区间,对于提升功率放大器的的放大效率,起到极其关键的作用。
目录
1. 什么是数字预失真DPD(digital Pre-Distortion)
2. DPD在O-RU中的位置
3. 为什么需要数字预失真?
3.1 射频功率放大器的困境:非线性区
3.2 数字预失真DPD的解决之道
4. 谁可以做DPD?
4.1 设备厂家
4.2 芯片厂家
5. DPD支持的无线制式
6. DPD实现的几个难点
7. 功率放大器的数学模型
7.1 “宽带”功放特性的线性区数学模型
7.2 “宽带”功放特性的非线性区数学模型
7.3 “带限“系统的Volterra级数模型
8 “带限”系统的DPD算法
1. 什么是数字预失真DPD(digital Pre-Distortion)
数字预失真就是使得一个正常的数字信号预先失真的意思。这里有几个关键词。
[*]"数字":这说明,信号的预失真处理是在数字域,而不是模拟域,是数字信号处理的一部分。
[*]"预":“预”是预先的意思,超前的意思,就是在个信号环节的信号处理“之前”的意思。那相对于谁而言的呢? 这里相对的是射频功率放大器。也就是说,从信号处理的环节来看,数字预失真DPD应该是在射频功率放大器之前的一个环节。
[*]“失真”:失真又称“畸变, 指信号在传输或处理过程中与原有信号或标准相比所发生的偏差。 在理想的功率放大器中,输出波形除放大外,应与输入波形完全相同,但实际上,不能做到输出与输入的波形完全一样,这种现象叫失真。数字预失真DPD是指“人为”地使一个原始信号发生“失真”。
2. DPD在O-RU中的位置
3. 为什么需要数字预失真?
为什么好端端的,要通过数字预失真技术,使一个正常的信号失真呢?
这需要从射频功率放大器说起。
3.1 射频功率放大器的困境:非线性区
当功率放大器的输入功率加大到某一值后,输入和输出之间不再是线性关系。
此时再增加输入信号的功率,虽然可以增大输出功率,输出功率的增加远低于输入功率的增加,即输出功率效率下降。
更重要的是,在非线性区,输出信号与输入信号不再是线性放大的关系,导致信号失真!
信号失真是一个很严重的问题,接收端收到信号后,会对失真信号进一步线性放大,失真加剧。
避免信号失真的技术手段:
[*]降低输入信号的功率,尽量避免信号工作在非线性区。
[*]在非线性区,增加输入信号的功率,通过牺牲一部分能量换取信号不失真。预失真DPD就是这种增加信号发送功率,而避免信号不失真的一种技术手段。
3.2 数字预失真DPD的解决之道
数字预失真:使原先的信号朝着功率放大器相反的方向失真,从而对冲功率放大器的非线性特征,如下图所示,得到两个效果
[*]输出信号与输入信号之间的线性关系的区间变宽,从而提升了功率放大器的效率。
[*]数字预失真DPD通过大幅提升非线性区的功率,来提升射频放大器的线性区域,增加了系统的功耗。
数字预失真(DPD)是目前无线通信系统中最基本的构建块之一。
其用于提高功率放大器的效率(DPD+PA整体上增加了输入与输出的线性放大的区域)。
通过预先使信号与射频功率放大器反方向的失真,来对冲功率放大器在其非线性区运行时产生的失真,最终使得功率放大器的效率可得到大幅提升,起到一种“负“+”负”得“正”的效果。
不使用 CFR 或 DPD 算法的无线基站通常效率较低,运营资金和设备成本也较高。一个输出 WCDMA 波形的典型 AB 类 LDMOS 功率放大器的效率约为 8%~15%。
利用 CFR 和 DPD 算法,效率可提升至 30%~40%,从而大幅降低网络运营商的资本支出和运营支出。
4. 谁可以做DPD?
4.1 设备厂家
(1)一般传统大型设备厂家
大厂都有自己的DPD技术,包括华为、中兴、爱立信、诺基亚、三星等。
(2)小型公司
小厂一般都没有自己的DPD技术,因为没有相应技术积累,无法实现DPD硬件化,一般找学校或者直接购买FPGA公司的提供IP core。
4.2 芯片厂家
FPGA芯片厂家能够提供了高性能 DPD 解决方案,并且这是IP核的参数是可调的,无需手动定制,从而缩短了实现时间。
能够提供DPD IP核的FPGA厂家,还会针对 FPGA 的实现进行了优化,提供了一个 FPGA 占位面积非常小、成本最低的现成 FPGA 解决方案。
5. DPD支持的无线制式
[*]5G....
[*]LTE FDD/TDD
[*]LTE-Advanced/LTE-Advanced Pro
[*]TD-SCDMA
[*]WCDMA
[*]WiMAX
[*]CDMA2000
6. DPD实现的几个难点
(1)DPD数学模型和参数需要完全匹配当前PA的模型,当PA变化后,DPD数学模型或参数也需要相应的改动,或者提供参数可定制化的DPD数学模型。
(2)随着5G到来,载波带宽越来越宽。载波带宽甚至达到800MHz。原来4G下DPD的数学模型匹配5G基站PA的时候性能肯定不能满足3Gpp要求,所以需要对数学模型进行进一步的研究。
(3)如何硬件实现DPD?既然要用DPD,当然得让DPD运行在RU中,不管是FPGA、CPU还是DSP,需要硬件化DPD。要从实现难以程度、资源消耗、性能匹配、成本控制、研发周期等多方面来综合考虑DPD硬件化,有一定得技术壁垒。
7. 功率放大器的数学模型
要想使用DPD对冲PA的非线性区的曲线,最终得到输出与输入的线性关系,就需要知道功率放大器PA的数学模型。
7.1 “宽带”功放特性的线性区数学模型
所谓“宽带”,是指信号的带宽很宽,任何频率都可以通过功率放大器PA,不受限制,如下图所示。
假设1:输入信号为IQ调制信号(双音正弦信号):
假设2:线性区模型:
则输出为:
经过功率放大器后,对原信号的频谱没有任何影响,且信号的幅度放大了A倍数。
7.2 “宽带”功放特性的非线性区数学模型
描述这样的功率放大器PA的非线性函数如下:
(1)幂指数
(2)幂级数
幂级数函数去模拟非线性特性的数学表达式,适合于无记忆的弱非线性系统。
幂级数函数是指在级数的每一项均为与级数项序号n相对应的以常数倍的(x-a)的n次方(n是从0开始计数的整数,a为常数),n的次数称为阶数。
假设1:输入信号为IQ调制信号(双音正弦信号):
假设2:功率放大器是三阶函数:
则输出信号的频谱为:
基波分量:W
2阶谐波分量:2W
3阶谐波分量:3W,
很显然,经过功率放大器,产生了很多的谐波分量,这就导致信号的失真:
[*]产生的非基波频谱分量(二次、三次谐波分量)分走了本应该全部作用在基波上的功率,造成了能量的损失;
[*]产生的非基波频率分量(二次、三次谐波分量)落在信号通带、邻带和其他有用通带内,如果不用用滤波器难以滤除,对有用信号产生干扰。
[*]信号本身的带宽,谐波分量正好落在带宽内,这就导致无法滤除,产生无法消除的信号干扰。
总之,由于射频功率放大器,放大的信号不是简单的直流信号,而是高频正弦信号,因此,如果功率放大器在非线性区对高频射频信号进行放大,损失信号的能量是小事,最麻烦的问题是,会产生谐波干扰信号!
因此,要尽量避免功率放大器对输入信号进行非线性放大,要尽量对信号进行线性放大。
说到这里,或许有人会有提出疑问:
直接让信号工作在线性区,问题不就解决了吗?
是的,如果输入信号的幅度落在线性区间,确实不会引起问题。实际的通信系统面临如下的问题:
[*]信号的幅度变化较大,特别是LTE的OFDM调制,峰均比(信号峰值与信号均值的比值)比较高,这就意味着即使信号均值落在线性区,信号的峰值也有可能落在非线性区。
[*]如果信号峰值和均值都落在线性区,这功率放大器的利用率就很低,大部分时间工作在低功率区,对功率放大器是很大的浪费,功率放大器的线性区间越宽,价格越贵,并且价格相差很大。
[*]移动通信系统中,要增加信号的覆盖区,需要增大发射功率
因此,无论是从成本考虑,还是实际部署需要都期望尽肯能让输入信号的功率,工作在接近非线性区附件。
能不能在功率放大器前面,增加对原始的输入信号X(t)进行预处理,得到Z(t),使得功率放大器的输入信号Z(t)工作在非线性区,输出信号Y(t)与X(t)之间还是线性关系呢?
有,这就是数字预失真DPD和削峰CFR
DPD: 数字预失真
CFR: 削峰, 降低信号的峰均比 。
这就带来了两个好处:
[*]虽然功率放大器工作在非线性区,但DPD+功率放大器时,整体来看,输出信号Y(t)与X(t)之间还是线性关系,并没有导致输入信号失真。
[*]逻辑山看,在不改变功率放大器的情况下,增大了功率放大器的线性区间。
上述模型是理想模型,即功率放大器是“宽带信号”,实际系统是“带宽”受限制的系统,即“带限”系统。
7.3 “带限“系统的Volterra级数模型
“带限”系统就是带宽有限制的系统,在射频通信系统中个,影响带宽的一个重要的因素就是DAC,即数模转换器。
随着带宽的增加,不仅仅会导致很强的记忆效应,而且对ADC(模数转换器)的要求也会更高。
ADC需要对模拟信号进行数字采样,而采样就涉及到采样频率,采样频率与模拟信号的带宽直接的关系。
举例,假如输入信号带宽为100MHz,5阶模型对应的带宽就是500MHz,根据奈奎斯特采样定理,则ADC采样率需要达到1G。
“带限“系统放弃了对于整体频谱的优化,只关注载带和邻带信号,即着重优化邻道的功率泄露问题。使得数学模型与优化得以简化。
(1)“带限”系统的结构
“带限”系统中,在DPD与功率放大器PA之间,增了一些组件,如DAC功能模块,会导致系统的输入信号的带宽受到了极大的限制,不可能无限带宽。如LTE的带宽为20M, 5G NR的带宽在400M等。
(2)“带限”系统的数学模型:Volterra级数模型
不同阶数的非线性多项式对应不同带宽的信号非线性分量,功放输出信号的频谱可以看作由低到高的非线性分量叠加而成。
若要使得建模精度达到理想值,那么模型的非线性阶数就至少要达到对应频谱扩展的带宽。
为了解决模型误差的问题,使得建模精度能满足 DPD 的需要, 通过将带限函数加入传统模型中,以实现控制模型带宽的同时不降低 Volterra 级数的阶数。
8 “带限”系统的DPD算法
文档来源:51CTO技术博客https://blog.51cto.com/u_11299290/3187901
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