自適應數字預失真技術(shù)可提高無(wú)線(xiàn)回傳通道中的頻譜效率

Strategy Analytics公司在最近發(fā)表的調查報告中指出，到2017年回傳投資尚缺少920萬(wàn)美元的資金缺口。這個(gè)數字表明為了維持由于移動(dòng)智能設備的普及而呈指數增長(cháng)的數字業(yè)務(wù)所計劃的投資和實(shí)際要求投資之間的差異。鑒于成千上萬(wàn)的小蜂窩正被連接到宏網(wǎng)絡(luò )從而進(jìn)一步提高對帶寬的要求，回傳對提高用戶(hù)滿(mǎn)意度而言將顯得越來(lái)越重要。

在無(wú)線(xiàn)回傳領(lǐng)域，為了實(shí)現最高的頻譜效率，人們競相提高調制速率。然而，提高調制速率不是一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案，問(wèn)題的根源還在于現有的網(wǎng)絡(luò )架構，而且必須以最友好的運營(yíng)成本(OpEx)和資本支出(CaPex)方式持續演進(jìn)。如果基礎系統沒(méi)有作好準備，從工業(yè)標準的256QAM過(guò)渡到1024QAM甚至更高階的調制是不可行的。每一代調制的升級都需要鏈路預算額外改善3dB。在模擬領(lǐng)域，這個(gè)3dB可以來(lái)自倍增發(fā)射機的輸出功率或提高天線(xiàn)增益來(lái)實(shí)現。

由于運營(yíng)商的運營(yíng)成本與天線(xiàn)尺寸和重量緊密關(guān)聯(lián)，因此更高天線(xiàn)增益并不是一個(gè)理想的路線(xiàn)。更大的天線(xiàn)通常意味著(zhù)更高的購買(mǎi)和安裝成本。提高發(fā)射功率也許是一個(gè)值得考慮的解決方案，但同樣需要在成本和功率放大器線(xiàn)性度、相位噪聲和散熱等方面的改進(jìn)之間做出權衡。

這些挑戰可以在數字領(lǐng)域得到有效解決。使用功能更強的前向糾錯技術(shù)、進(jìn)而實(shí)現更高的接收信號電平是迄今支持向更高階調制發(fā)展的方法之一。在點(diǎn)到點(diǎn)無(wú)線(xiàn)回傳中較少使用的另外一種方法是數字預失真，它的主要目的是線(xiàn)性化功放(PA)的特性。線(xiàn)性化可以通過(guò)功率回退(back-off)增加操作某級QAM所需的增益，從而有效提升調制電平。

功放具有非線(xiàn)性屬性，而這種屬性在近飽和區域更加明顯。功放的非線(xiàn)性可以用許多參數表征，其中重要的一些參數有：

● 三階截取點(diǎn)：三階截取點(diǎn)定義為三階互調產(chǎn)物超過(guò)有用的一階分量時(shí)的那個(gè)點(diǎn)。

● 1dB壓縮點(diǎn)：1dB壓縮點(diǎn)定義為放大器輸出下降至低于理想線(xiàn)性輸出1dB的那個(gè)點(diǎn)。

● 飽和點(diǎn)：飽和點(diǎn)是指最大輸入功率被超過(guò)的點(diǎn)。這個(gè)點(diǎn)的輸出被鉗制為最大電壓，從而導致增益壓縮，直到達到最大功率。

平均輸入功率和飽和輸入功率之差(單位為分貝)被稱(chēng)為回退。這個(gè)點(diǎn)的位置取決于放大器特征和調制特性。由功放非線(xiàn)性造成的失真可以分成兩大類(lèi)型：

● AM/AM失真：AM/AM失真是由于不同輸入功率時(shí)放大器的增益變化所引起的。

● AM/PM失真：AM/PM失真是指放大器輸入信號和輸出信號之間的相位變化。

為了使預失真算法生效，關(guān)鍵是要有一個(gè)好的模型來(lái)捕獲功放中的非線(xiàn)性效應。放大器的線(xiàn)性化通常是應用被稱(chēng)為預失真的非線(xiàn)性傳輸函數反函數實(shí)現的。這些非線(xiàn)性傳輸函數可以被測量或近似。也可以用自適應算法會(huì )聚到合適非線(xiàn)性系數，并做多項式近似。舉例來(lái)說(shuō)，如果不能設計多項式的精確反函數，可以設計一個(gè)不同的多項式作為近似反函數。

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在基于賽靈思現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)的點(diǎn)到點(diǎn)無(wú)線(xiàn)回傳調制解調器中實(shí)現的數字預失真(DPD)算法被稱(chēng)為硬件嵌入式自適應數字預失真。調制解調器的接收部分包含殘留AM/AM和AM/PM估算器，而發(fā)射部分包含處理和校正模塊，非線(xiàn)性傳輸反函數的計算在這里完成，并應用于輸出信號。

閉環(huán)自適應數字預失真算法如圖1所示。在數字預失真算法方案中，信號在經(jīng)過(guò)功放之前必須先經(jīng)過(guò)預失真器。

圖1：預失真環(huán)路包括兩個(gè)部分——發(fā)送部分和接收部分，如上圖所示。

失真檢測模塊接收來(lái)自判決模塊的數據/信息，并使用私有算法連續計算接收符號中的殘留AM/AM和AM/PM電平。接收部分的ACM模塊接收估算的AM/AM和AM/PM值，然后通過(guò)受高度保護的服務(wù)通道將它們發(fā)送給發(fā)送部分的ACM模塊。接收部分的ACM模塊將解碼后的AM/AM和AM/PM值傳送給處理模塊，由處理模塊逐個(gè)計算非線(xiàn)性失真反函數中的自變量。

自適應數字預失真性能可以在測量不同射頻系統中的直接鏈路衰落余量的基礎上進(jìn)行評估。為了實(shí)現更高階的調制，高效的功放設計可以填充3dB互調步距來(lái)提升到下個(gè)調制等級，從而允許更高的頻譜效率和數據吞吐量。如果不想轉到更高的調制階數，那么這個(gè)增益可以用來(lái)降低功耗以?xún)?yōu)化功放成本。

自適應數字預失真的其它優(yōu)勢表現在：減少相鄰通道輻射或帶外失真，減少帶內失真，提高功率效率，進(jìn)而增加直接鏈路衰落余量。

作為背景介紹，賽靈思在1024QAM點(diǎn)到點(diǎn)微波調制解調器IP解決方案中使用了自適應數字預失真算法。這種解決方案獨立于所使用的任何特殊類(lèi)型的功放。設計采用完全硬件嵌入式，因此不需要基于軟件的CPU子系統參與處理。Xilinx Artix-7、Kintex-7 FPGA和Zynq-7000所有可編程SoC都能提供大容量的千兆位級微波調制解調器IP。