《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種基于數(shù)字預(yù)失真平臺的推進(jìn)算法研究
摘要: 為了滿足空中接口的線性度和頻譜要求,降低功率放大器的輸入信號電平,使其在傳遞曲線的線性部分工作,但這會導(dǎo)致電源效率不佳。這種方法雖然簡單,但會增加系統(tǒng)成本;為了實(shí)現(xiàn)所需的功率輸出,必須使用更大、更昂貴的PA。在典型的3G移動基站收發(fā)臺(BTS)中,發(fā)射效率低于10%,這意味著90%以上的直流功率轉(zhuǎn)化成了熱量而沒有得到利用。
Abstract:
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引言

  在巨大的市場壓力之下,高功率無線電設(shè)計(jì)似乎顯得比以往任何時(shí)候都更具成本效益。其中,最重要組成部分便是發(fā)射機(jī)效率。簡單看一下功率放大器(PA)的傳遞函數(shù),就會發(fā)現(xiàn)線性度電源效率之間存在根本的對立關(guān)系。在飽和狀態(tài)下工作時(shí),PA晶體管的電源效率最高,但線性度不佳。非線性會使頻譜擴(kuò)展到信號帶寬以外,從而干擾相鄰?fù)ǖ溃档袜彽佬孤┍龋ˋCLR)性能。在信號帶寬內(nèi),放大器非線性也會導(dǎo)致失真增加,從而降低接收機(jī)的誤差矢量幅度(EVM)性能,使誤碼率(BER)增大。

  為了滿足空中接口的線性度和頻譜要求,降低功率放大器的輸入信號電平,使其在傳遞曲線的線性部分工作,但這會導(dǎo)致電源效率不佳。這種方法雖然簡單,但會增加系統(tǒng)成本;為了實(shí)現(xiàn)所需的功率輸出,必須使用更大、更昂貴的PA。在典型的3G移動基站收發(fā)臺(BTS)中,發(fā)射效率低于10%,這意味著90%以上的直流功率轉(zhuǎn)化成了熱量而沒有得到利用。

  1 數(shù)字預(yù)失真技術(shù)

  對于這個(gè)兩難問題,更具成本效益的解決方案是采用設(shè)計(jì)巧妙的DSP。利用數(shù)字預(yù)失真(DPD)這種技術(shù),可以通過使發(fā)射信號預(yù)失真來滿足頻譜要求,同時(shí)讓工作在高效率飽和區(qū)的PA晶體管有效線性化。DPD需要一個(gè)觀測接收機(jī),通過其中的高帶寬ADC,對PA輸出的耦合版本進(jìn)行下變頻處理。發(fā)射波形的數(shù)字版本與接收波形相比較,由自適應(yīng)算法計(jì)算或更新一系列參數(shù),以便預(yù)加載下一個(gè)發(fā)射波形。當(dāng)自適應(yīng)算法收斂時(shí),即使PA工作在傳遞函數(shù)的高度非線性部分,發(fā)射機(jī)輸出也實(shí)現(xiàn)了線性化。DPD可將發(fā)射機(jī)效率從10%以下提高到35%以上,具體取決于所用的算法和功率放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

  包含DPD等復(fù)雜閉環(huán)算法的無線電系統(tǒng)設(shè)計(jì)不能孤立地進(jìn)行。針對信號鏈的模擬行為和PA的電氣與熱記憶效應(yīng)進(jìn)行建模也不是一件容易的事。失真機(jī)制的數(shù)量會隨著非線性階數(shù)的提高而迅速增加,這意味著PA的輸入驅(qū)動電平可能會顯著改變失真行為。一款完整的閉環(huán)估算平臺對于優(yōu)化給定PA的DPD算法可謂無價(jià)之寶。

  ADI公司已開發(fā)出3G/4G兼容發(fā)射無線電平臺,支持無線基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的設(shè)計(jì)人員利用功率放大器和數(shù)字預(yù)失真技術(shù)估算閉環(huán)性能結(jié)果。這款混合信號數(shù)字預(yù)失真平臺(MSDPD)如圖1所示,它將高性能線性和混合信號器件組合成先進(jìn)的發(fā)射機(jī)和DPD觀測接收機(jī)。

混合信號數(shù)字預(yù)失真(MSDPD)開發(fā)板

  圖1:混合信號數(shù)字預(yù)失真(MSDPD)開發(fā)板

  2 DPD平臺的FPGA優(yōu)勢

  當(dāng)今許多DPD用戶使用的解決方案要么基于固定功能ASIC,要么基于FPGA。FPGA具有可編程能力,因此用戶能夠靈活地優(yōu)化解決方案,并能夠適應(yīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和功率晶體管技術(shù)的未來發(fā)展。固定功能ASIC則不允許設(shè)計(jì)人員輕易改變算法或支持不同版本的標(biāo)準(zhǔn)??删幊唐骷暮锰幨强梢约铀佼a(chǎn)品上市,靈活且經(jīng)濟(jì)有效地適應(yīng)新標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)展中的標(biāo)準(zhǔn),而不必像ASIC那樣需要重新設(shè)計(jì)。

  隨著FPGA技術(shù)的進(jìn)步,現(xiàn)在使用一個(gè)FPGA器件就能實(shí)現(xiàn)整個(gè)無線電調(diào)制解調(diào)器,并支持多種標(biāo)準(zhǔn)和多天線,因此可以省去許多信號處理和連接IC,電路板空間得以縮小,BOM成本得以降低。此外,這種集成度讓業(yè)界離軟件無線電(SDR)又近了一步,有助于設(shè)備制造商快速響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)提供商的需求。

  MSDPD開發(fā)平臺是市場上僅有的一款為無線基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的設(shè)計(jì)人員提供FPGA功能的解決方案。MSDPD板能夠與多種FPGA開發(fā)套件無縫連接:通過HSMC接口使用Altera Stratix IV,以及通過FMC接口使用Xilinx Virtex 6。直接與FPGA接口為設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)即時(shí)便捷框架,可以快速估算第三方DPD算法,或者通過簡單的FPGA重新編程,在一個(gè)閉環(huán)環(huán)境中設(shè)計(jì)并優(yōu)化自己的算法。

  3 DPD平臺的架構(gòu)

  MSDPD板的發(fā)射鏈和觀測接收路徑均提供同類最佳的性能。無線電采用寬帶設(shè)計(jì),可在裝配時(shí)進(jìn)行配置,以支持800MHz至2.7GHz的RF頻段。目前支持125MHz的發(fā)射帶寬。根據(jù)所用的DPD方法,校正后的發(fā)射帶寬在20MHz至40MHz之間。

  MSDPD板的輸入包括FPGA的基帶數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)、參考時(shí)鐘、觀測到的RF輸出和功率。其輸出包括所需RF載波中心頻率的RF預(yù)放大輸出和發(fā)射機(jī)輸出的IF采樣版本。該板設(shè)計(jì)為可與外部PA和RF耦合網(wǎng)絡(luò)一起工作。MSDPD上使用的發(fā)射機(jī)和觀測接收機(jī)信號鏈如圖2所示

MSDPD發(fā)射與觀測路徑框圖

  圖2:MSDPD發(fā)射與觀測路徑框圖

  4 ZIF/CIF發(fā)射機(jī)

  MSDPD板利用16位1.2GSPS雙通道DAC對來自數(shù)字處理器的基帶I和Q數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣,然后調(diào)制到所需的RF輸出頻率并放大,產(chǎn)生最高+19dBm的峰值輸出功率,這樣就能傳送到外部PA進(jìn)行發(fā)射。MSDPD板支持零中頻(ZIF)和復(fù)中頻(CIF)兩種發(fā)射架構(gòu)。

  DAC選用1.2GSPS 16位雙通道DAC AD9122,它具有同類最佳的性能,可滿足MC-GSM 1類要求。高輸入LVDS數(shù)據(jù)速率支持第一代MSDPD平臺的200MHz輸入帶寬。AD9122的片內(nèi)32位NCO(數(shù)字控制振蕩器)支持以小于1Hz的步長靈活地產(chǎn)生IF頻率,有助于設(shè)計(jì)人員滿足信道柵要求。如果沒有NCO,則需要使用RF PLL中的分頻器,這種方法可能會降低雜散性能。片內(nèi)還集成了數(shù)字增益、相位和失調(diào)補(bǔ)償功能,幫助減少LO饋通及模擬正交調(diào)制器引入的無用邊帶,從而將RF濾波要求降至最低。

  雙通道DAC后接一個(gè)五階低通濾波器,用以消除無用的DAC鏡像或時(shí)鐘相關(guān)雜散。濾波器截止頻率按照高要求設(shè)計(jì),以便在整個(gè)發(fā)射帶寬內(nèi)保持平坦的頻率響應(yīng)和低群延遲變化。濾波之后,ADL5375正交調(diào)制器將模擬IF上變頻為最終RF,選擇ADL5375的原因是它具有寬頻帶和極低的噪底(-159dBm/Hz)。ADL5375支持禁用功能,在TDD突發(fā)脈沖的Rx部分,可以禁用輸出。

  發(fā)射路徑的本振(LO)利用ADF4150 PLL和外部VCO在片上產(chǎn)生,以提供出色的相位噪聲性能。復(fù)中頻發(fā)射架構(gòu)還有一個(gè)好處,因?yàn)橛^測接收機(jī)采用高中頻采樣架構(gòu),所以發(fā)射和觀測接收路徑可以共用LO。

  正交調(diào)制器之后是RF放大鏈。由于PA的增益會隨著頻率和溫度變化而改變,因此需要某種模擬增益控制來均衡發(fā)射機(jī)。為使SNR降幅最小并實(shí)現(xiàn)最佳OIP3(輸出三階交調(diào)點(diǎn))性能,建議大部增益范圍調(diào)整在各放大級之間進(jìn)行。ADL5541 15dB固定增益模塊后接一個(gè)PIN二極管衰減器,用于模擬增益控制。固定增益模塊的線性度和噪聲性能通常優(yōu)于VGA(可變增益放大器)。預(yù)驅(qū)動器寬帶放大器ADL5320是MSDPD板RF放大鏈的最后一個(gè)器件,提供13dB的額外增益和42dBm的OIP3,2.1GHz時(shí)的噪聲系數(shù)(NF)為4.5dB。級聯(lián)RF放大鏈提供22dB的增益,最大增益下的OP1dB為24dBm,OIP3為41dBm。

  整個(gè)DPD帶寬內(nèi)的通帶平坦度和群延遲變化也是發(fā)射機(jī)的重要特性參數(shù)。數(shù)字算法會嘗試均衡上變頻器的頻率響應(yīng)。這將直接影響發(fā)射機(jī)的動態(tài)范圍,其降幅為整個(gè)通帶內(nèi)的紋波或衰減量。MSDPD板發(fā)射路徑的濾波器設(shè)計(jì)經(jīng)過優(yōu)化,整個(gè)帶寬內(nèi)的通帶平坦度小于1dB,群延遲變化小于0.5ns。

  5 中頻采樣觀測接收機(jī)

  MSDPD板內(nèi)置一個(gè)完整的實(shí)中頻采樣觀測接收機(jī),旨在對PA的耦合輸出進(jìn)行數(shù)字化處理,并將其提供給DSP元件。此接收機(jī)的作用是觀測發(fā)射路徑的特性,因此其線性度和噪聲性能應(yīng)優(yōu)于受監(jiān)控的對象,這樣才不會影響整體性能。觀測路徑導(dǎo)致的PA耦合輸出失真增加無法與PA失真區(qū)分開來,勢必影響DPD算法的有效性。為了獲得最佳的DPD性能,濾波器在目標(biāo)頻段內(nèi)應(yīng)具有相對平坦的頻率響應(yīng)和低群延遲變化。

  觀測接收機(jī)包括一個(gè)雙平衡無源混頻器AD5365/7,它工作在900-2500MHz的RF頻段。這個(gè)高度線性的混頻器具有36dBm的輸入IP3,并且集成RF和LO巴倫及SPDT開關(guān),支持在兩個(gè)LO源中進(jìn)行選擇。混頻器將RF信號下變頻為184 MHz的典型IF信號,但該IF頻率可根據(jù)應(yīng)用要求而改變?;祛l器之后是數(shù)字控制可變增益放大器(DGA) AD8375,它提供24 dB的增益范圍,確保ADC的完整動態(tài)范圍得以維持。接下來是一個(gè)抗混疊濾波器,用以消除諧波和寬帶噪聲,然后由12位250MSPS ADC AD9230對信號進(jìn)行數(shù)字化處理。四載波WCDMA回送結(jié)果顯示,ADC輸出端的實(shí)測性能為60dB SNRFS和77dBc無雜散動態(tài)范圍(SFDR)。

  6 閉環(huán)性能

  利用MSDPD板進(jìn)行閉環(huán)發(fā)射機(jī)估算的典型設(shè)置如圖3所示。有了FPGA開發(fā)套件和MSDPD板之后,只需要電源連接、一臺帶USB接口的計(jì)算機(jī)和一個(gè)PA級就能構(gòu)成完整的估算系統(tǒng)并運(yùn)行。

帶FPGA開發(fā)平臺的MSDPD設(shè)置

  圖3:帶FPGA開發(fā)平臺的MSDPD設(shè)置

  圖4顯示使用MSDPD板進(jìn)行線性化之前和之后的典型閉環(huán)DPD性能,測試信號為2.14GHz的20MHz帶寬LTE信號。結(jié)果令人振奮,預(yù)示著可以利用更低廉的PA來實(shí)現(xiàn)更高的電源效率和線性度。頻譜性能一般可提高至少25dB,具體取決于DPD算法。

MSDPD閉環(huán)性能

  圖4:MSDPD閉環(huán)性能

  7 結(jié)語

  ADI公司的MSDPD板是一款完備的工具,可供無線公司研究DPD技術(shù)在其系統(tǒng)中的作用。通過ADI的混合信號數(shù)字預(yù)失真平臺,設(shè)計(jì)人員可以靈活地設(shè)計(jì)、估算、優(yōu)化DPD算法,而不必使用預(yù)封裝的封閉式解決方案。這款完整的無線電估算平臺不僅能幫助無線基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的設(shè)計(jì)人員估算DPD,而且也為其它使用高功率放大器的應(yīng)用快速估算DPD的作用開啟了方便之門,如有線廣播系統(tǒng)、微波點(diǎn)對點(diǎn)鏈路和無線中繼器等。理論上,它不僅可以補(bǔ)償高功率PA,也可以補(bǔ)償發(fā)射鏈本身的非線性。未來將有更多應(yīng)用能夠受惠于DPD技術(shù)。

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