一种基于数字预失真平台的推进算法研究

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引言
　　在巨大的市场压力之下，高功率无线电设计似乎显得比以往任何时候都更具成本效益。其中，最重要组成部分便是发射机效率。简单看一下功率放大器（PA）的传递函数，就会发现线性度与电源效率之间存在根本的对立关系。在饱和状态下工作时，PA晶体管的电源效率最高，但线性度不佳。非线性会使频谱扩展到信号带宽以外，从而干扰相邻通道，降低邻道泄漏比（ACLR）性能。在信号带宽内，放大器非线性也会导致失真增加，从而降低接收机的误差矢量幅度（EVM）性能，使误码率（BER）增大。
　　为了满足空中接口的线性度和频谱要求，降低功率放大器的输入信号电平，使其在传递曲线的线性部分工作，但这会导致电源效率不佳。这种方法虽然简单，但会增加系统成本；为了实现所需的功率输出，必须使用更大、更昂贵的PA。在典型的3G移动基站收发台（BTS）中，发射效率低于10%，这意味着90%以上的直流功率转化成了热量而没有得到利用。
　　1 数字预失真技术
　　对于这个两难问题，更具成本效益的解决方案是采用设计巧妙的DSP。利用数字预失真（DPD）这种技术，可以通过使发射信号预失真来满足频谱要求，同时让工作在高效率饱和区的PA晶体管有效线性化。DPD需要一个观测接收机，通过其中的高带宽ADC，对PA输出的耦合版本进行下变频处理。发射波形的数字版本与接收波形相比较，由自适应算法计算或更新一系列参数，以便预加载下一个发射波形。当自适应算法收敛时，即使PA工作在传递函数的高度非线性部分，发射机输出也实现了线性化。DPD可将发射机效率从10%以下提高到35%以上，具体取决于所用的算法和功率放大器拓扑结构。
　　包含DPD等复杂闭环算法的无线电系统设计不能孤立地进行。针对信号链的模拟行为和PA的电气与热记忆效应进行建模也不是一件容易的事。失真机制的数量会随着非线性阶数的提高而迅速增加，这意味着PA的输入驱动电平可能会显着改变失真行为。一款完整的闭环估算平台对于优化给定PA的DPD算法可谓无价之宝。
　　ADI公司已开发出3G/4G兼容发射无线电平台，支持无线基础设施设备的设计人员利用功率放大器和数字预失真技术估算闭环性能结果。这款混合信号数字预失真平台（MSDPD）如图1所示，它将高性能线性和混合信号器件组合成先进的发射机和DPD观测接收机。



　　图1：混合信号数字预失真（MSDPD）开发板
　　2 DPD平台的FPGA优势
　　当今许多DPD用户使用的解决方案要么基于固定功能ASIC，要么基于FPGA。FPGA具有可编程能力，因此用户能够灵活地优化解决方案，并能够适应数据转换器和功率晶体管技术的未来发展。固定功能ASIC则不允许设计人员轻易改变算法或支持不同版本的标准。可编程器件的好处是可以加速产品上市，灵活且经济有效地适应新标准和发展中的标准，而不必像ASIC那样需要重新设计。
　　随着FPGA技术的进步，现在使用一个FPGA器件就能实现整个无线电调制解调器，并支持多种标准和多天线，因此可以省去许多信号处理和连接IC，电路板空间得以缩小，BOM成本得以降低。此外，这种集成度让业界离软件无线电（SDR）又近了一步，有助于设备制造商快速响应网络提供商的需求。
　　MSDPD开发平台是市场上仅有的一款为无线基础设施设备的设计人员提供FPGA功能的解决方案。MSDPD板能够与多种FPGA开发套件无缝连接：通过HSMC接口使用Altera Stratix IV，以及通过FMC接口使用Xilinx Virtex 6。直接与FPGA接口为设计人员提供了一个即时便捷框架，可以快速估算第三方DPD算法，或者通过简单的FPGA重新编程，在一个闭环环境中设计并优化自己的算法。
                          
                       
                          
                               
　　3 DPD平台的架构
　　MSDPD板的发射链和观测接收路径均提供同类最佳的性能。无线电采用宽带设计，可在装配时进行配置，以支持800MHz至2.7GHz的RF频段。目前支持125MHz的发射带宽。根据所用的DPD方法，校正后的发射带宽在20MHz至40MHz之间。
　　MSDPD板的输入包括FPGA的基带数字数据、参考时钟、观测到的RF输出和功率。其输出包括所需RF载波中心频率的RF预放大输出和发射机输出的IF采样版本。该板设计为可与外部PA和RF耦合网络一起工作。MSDPD上使用的发射机和观测接收机信号链如图2所示



　　图2：MSDPD发射与观测路径框图
　　4 ZIF/CIF发射机
　　MSDPD板利用16位1.2GSPS双通道DAC对来自数字处理器的基带I和Q数据进行采样，然后调制到所需的RF输出频率并放大，产生最高+19dBm的峰值输出功率，这样就能传送到外部PA进行发射。MSDPD板支持零中频（ZIF）和复中频（CIF）两种发射架构。
　　DAC选用1.2GSPS 16位双通道DAC AD9122，它具有同类最佳的性能，可满足MC-GSM 1类要求。高输入LVDS数据速率支持第一代MSDPD平台的200MHz输入带宽。AD9122的片内32位NCO（数字控制振荡器）支持以小于1Hz的步长灵活地产生IF频率，有助于设计人员满足信道栅要求。如果没有NCO，则需要使用RF PLL中的分频器，这种方法可能会降低杂散性能。片内还集成了数字增益、相位和失调补偿功能，帮助减少LO馈通及模拟正交调制器引入的无用边带，从而将RF滤波要求降至最低。
　　双通道DAC后接一个五阶低通滤波器，用以消除无用的DAC镜像或时钟相关杂散。滤波器截止频率按照高要求设计，以便在整个发射带宽内保持平坦的频率响应和低群延迟变化。滤波之后，ADL5375正交调制器将模拟IF上变频为最终RF，选择ADL5375的原因是它具有宽频带和极低的噪底（-159dBm/Hz）。ADL5375支持禁用功能，在TDD突发脉冲的Rx部分，可以禁用输出。
　　发射路径的本振（LO）利用ADF4150 PLL和外部VCO在片上产生，以提供出色的相位噪声性能。复中频发射架构还有一个好处，因为观测接收机采用高中频采样架构，所以发射和观测接收路径可以共用LO。
　　正交调制器之后是RF放大链。由于PA的增益会随着频率和温度变化而改变，因此需要某种模拟增益控制来均衡发射机。为使SNR降幅最小并实现最佳OIP3（输出三阶交调点）性能，建议大部增益范围调整在各放大级之间进行。ADL5541 15dB固定增益模块后接一个PIN二极管衰减器，用于模拟增益控制。固定增益模块的线性度和噪声性能通常优于VGA（可变增益放大器）。预驱动器宽带放大器ADL5320是MSDPD板RF放大链的最后一个器件，提供13dB的额外增益和42dBm的OIP3，2.1GHz时的噪声系数（NF）为4.5dB。级联RF放大链提供22dB的增益，最大增益下的OP1dB为24dBm，OIP3为41dBm。
　　整个DPD带宽内的通带平坦度和群延迟变化也是发射机的重要特性参数。数字算法会尝试均衡上变频器的频率响应。这将直接影响发射机的动态范围，其降幅为整个通带内的纹波或衰减量。MSDPD板发射路径的滤波器设计经过优化，整个带宽内的通带平坦度小于1dB，群延迟变化小于0.5ns。
　　5 中频采样观测接收机
　　MSDPD板内置一个完整的实中频采样观测接收机，旨在对PA的耦合输出进行数字化处理，并将其提供给DSP元件。此接收机的作用是观测发射路径的特性，因此其线性度和噪声性能应优于受监控的对象，这样才不会影响整体性能。观测路径导致的PA耦合输出失真增加无法与PA失真区分开来，势必影响DPD算法的有效性。为了获得最佳的DPD性能，滤波器在目标频段内应具有相对平坦的频率响应和低群延迟变化。
                          
                       
                          
                               
　　观测接收机包括一个双平衡无源混频器AD5365/7，它工作在900-2500MHz的RF频段。这个高度线性的混频器具有36dBm的输入IP3，并且集成RF和LO巴伦及SPDT开关，支持在两个LO源中进行选择。混频器将RF信号下变频为184 MHz的典型IF信号，但该IF频率可根据应用要求而改变。混频器之后是数字控制可变增益放大器（DGA） AD8375，它提供24 dB的增益范围，确保ADC的完整动态范围得以维持。接下来是一个抗混叠滤波器，用以消除谐波和宽带噪声，然后由12位250MSPS ADC AD9230对信号进行数字化处理。四载波WCDMA回送结果显示，ADC输出端的实测性能为60dB SNRFS和77dBc无杂散动态范围（SFDR）。
　　6 闭环性能
　　利用MSDPD板进行闭环发射机估算的典型设置如图3所示。有了FPGA开发套件和MSDPD板之后，只需要电源连接、一台带USB接口的计算机和一个PA级就能构成完整的估算系统并运行。



　　图3：带FPGA开发平台的MSDPD设置
　　图4显示使用MSDPD板进行线性化之前和之后的典型闭环DPD性能，测试信号为2.14GHz的20MHz带宽LTE信号。结果令人振奋，预示着可以利用更低廉的PA来实现更高的电源效率和线性度。频谱性能一般可提高至少25dB，具体取决于DPD算法。



　　图4：MSDPD闭环性能
　　7 结语
　　ADI公司的MSDPD板是一款完备的工具，可供无线公司研究DPD技术在其系统中的作用。通过ADI的混合信号数字预失真平台，设计人员可以灵活地设计、估算、优化DPD算法，而不必使用预封装的封闭式解决方案。这款完整的无线电估算平台不仅能帮助无线基础设施设备的设计人员估算DPD，而且也为其它使用高功率放大器的应用快速估算DPD的作用开启了方便之门，如有线广播系统、微波点对点链路和无线中继器等。理论上，它不仅可以补偿高功率PA，也可以补偿发射链本身的非线性。未来将有更多应用能够受惠于DPD技术。