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利用數字預失真線性化寬帶功率
來源:黄瓜视频app下载官方污科技   發布時間:2012-08-20  瀏覽數:2201    【收藏本頁】

無線應用中的功率放大器有望通過提供優良的線性和效率,來處理現代通信係統中所采用的複雜波形。而這並非通過構建具有更純淨性能的射頻功率放大器,因為這樣做會增加成本、降低效率並產生可靠性問題,今天的設計師而是選擇通過采用數字預失真(DPD)技術來增加數字處理能力,該技術有助於將功率放大器(PA)的效率最大化,增加可靠性,並降低操作成本。

 

與模擬方式相比,數字技術在成本、功耗和可靠性方麵提供了諸多優勢。由於這些優點,老式的窄帶、單載波、三重轉換係統正在被數字信號處理(DSP)和DAC控製的寬帶、多載波發射機所取代,DSP和DAC產生直接IF,甚至直接RF輸出到RF放大器。

 

無線係統正向用戶提供一係列的服務和益處。不幸地是,先進無線技術的優勢往往不惜犧牲增加功耗和操作成本。現代蜂窩和無線技術,特別是數字射頻通信網絡,比以往任何時候發送和接收更多的數據、更多的視頻以及更多的音頻。如HSDPA、HSUPA、1xEVDO、WiMAX等新標準,以及長期演進(LTE)需要更大的功耗,產生更多和更大的射頻波形峰值,並允許更大的數據脈衝。因此,現代無線設備所生產的射頻信號具有空前的峰值平均值比(PAR),並在一個已經擁擠的射頻頻譜內存在失真的可能性。

 

由於采用空前的高功耗與現代PAR,功率放大器正在被推向之前從未有過的極限,並導致瞬變現象以及低效成本。更大的放大器可以消耗更多的功耗,從而使得短期資本支出以及長期經營費用急速膨脹。更大、更昂貴的電池需要同樣的後備能力。此外,更大的功耗和生產加劇了散熱和電氣條件,這可能產生可靠性問題。

 

當支持先進無線技術的功放工作時,設計師和網絡運營商可能選擇兩條路徑中的一條:增加“腕力”(即功耗)或者增加“頭腦”(即性能)。其中,前者有效增加了對上述成本和可靠性的關注,而後者是在功放效率最大化與嚴格控製頻譜之前推動數字失真波形的新策略。通過采用適當的測試設備,數字預失真(DPD)技術可以實現更小、更具效率的功放,從而減少開發和運營成本,並同時提升網絡與設備的可靠性。

 

無論高功率衛星地麵站、多載波蜂窩基站,甚至是低功耗移動通信係統,現代發射機采用多種預失真技術來減少信道外幹擾,並優化運行效率。其中最流行和最有效降低失真的方法之一就是自適應DPD。

 

這種方法對發射機的輸出進行采樣來計算誤差向量並生成校正係數,然後將其用來預校正輸入信號。為了減少模擬電路失真,鏈路中的信號盡可能采用數字格式保存。

 

圖1表示了如何提取放大器輸出信號的一部分,然後進行下變頻以及數字化。將該數字信號提供給DSP電路,該電路實現了目前信號中的非線性分析並產生非線性校正係數。這些非線性係數用於調整傳輸鏈路中輸入的同相(I)和正交(Q)信號。正如在傳輸鏈路中所看到的,目前采用將預失真以及減少PAR的信號在經DAC轉換回模擬域之後提供給放大器。所得到的輸出信號與沒有采用預失真技術的信號相比,減少了頻譜失真並改善了鄰道泄漏比(ACLR)的性能。

 

通過數字預失真改善功率放大器的效率

 

數字預校正放大器與先前的前饋式結構相比,提供了具有更高功率附加效率(PAE)的優良頻譜效率,極大減少了發熱,提高了可靠性並降低了運營成本。該方法已經超越了作為蜂窩基站支路的作用,並且目前作為手機、衛星,甚至是自適應相控陣雷達的反饋線性化。

 

然而,這一情況產生了傳統模擬係統中所見不到的各種各樣的故障診斷挑戰。可能會由ADC和DAC,或者通過傳輸鏈路中模擬轉換之前的對信號進行處理的DSP將數字失真引入到傳輸鏈路中。這些失真往往特性短暫,而且利用傳統的頻譜分析儀難以或無法進行捕捉。其可能僅僅是極少發生,並可能在鄰近的和替代的信道對頻域的產生影響。對瞬態頻域信號進行有效地故障診斷不僅需要檢測出問題,而且還要有能力對其進行定位並捕獲記錄用於進行分析。

 

對這些係統特性進行描述是新的挑戰。在開發階段,整個傳輸鏈路具備有效性之前,可對各種預失真和減少PAR的方法進行測試和優化。必須采用測試設備對反饋鏈路信號經常進行捕捉,並在有效完成硬件(ASIC或FPGA)之前的離線軟件中實現對新非線性失真係數的計算。然後,通過利用這些係數,將校正算法應用到最初的I和Q信號並將結果載入到任意波形發生器(AWG)中來對其性能進行測試。

 

信號速率以及功率的變化也是問題。由於許多無線信號采用突發式(如1xEV、HSxPA或WiMAX信號等),脈衝波形(如無線電、RFID/NFC或Zigbe信號等),或者依靠自適應技術(通過改變編碼或調製率),射頻功率水平變化很快。通常,這些變化的發生比反饋回路可以響應的更快。不同於先前的線性結構,如前饋放大器,放大器是盲目快速變化的,而反饋回路感應並適應這些變化。這可能會導致意想不到的信號性能,而這可能破壞網絡的可靠性及其操作。

 

實施、測試並簡化DPD並不是新鮮。傳統掃頻頻譜分析儀和矢量信號分析儀(VSA)實現了某種程度的DPD測試,甚至足以通過大部分標準的要求。但瞬變和其他看不見的影響不可避免地存在,因為這些殘餘成分隻能顯示RF頻譜的掃描或瞬象。
 

為了真正看到整個RF環境,設計師必須利用先進的實時頻譜分析儀(RTSA)來評估數字預失真波形如何進行操作,並確定哪些瞬變泄漏到頻譜中。這種獨特而靈活的測試設備已迅速成為對DPD進行有效故障診斷及表征的重要工具。

 

RTSA是能夠顯示時間、頻率和調製測量等多域的設備。這使得RTSA可以取代一些同一領域的傳統設備。由於每個測量領域是源自同一無縫的時間記錄,測量與時間緊密相關。用戶可以通過在頻譜或調製異常的位置放置一個標記,並采用產生它的準確信號對它進行校準。時間相關顯示器通過提供關鍵的因果關係成分大大提高了診斷的洞察力以及表征的準確性。傳統上,這種精確的時間相關顯示器很難獲得,需要對多種設備進行同步。

 

不像掃頻頻譜分析儀和VSA,RTSA可以實時地將時域數據轉化到頻域。這使得RTSA在觸發和捕捉數據之前通過采用輸入信號的實時數字傅立葉變換(DFT)不斷分析其輸入頻譜。反過來說,其他分析儀隨機捕獲數據或觸發時域水平,然後分析哪些離線的已經被捕獲,在掃描或捕獲之間留下大部分未分析的信號。RTSA在頻域連續分析信號並僅對感興趣的事件進行觸發的能力對許多RF應用而言是非常理想的。

 

當測試DPD和功放性能的時候,為了仿真RF條件,AWG往往與RTSA結合使用。現代AWG可以近似為真實的RF信號,並仿真現代信號條件。它可以讓用戶建立並直接將複雜的調製I/Q和RF信號插入到無線係統與網絡中,這對功放的線性測試是至關重要的。

 

圖2是DPD開發係統。 AWG被用於代替I和Q信號,並且DAC和RTSA被用於代替校正環路下變頻器和ADC。然後,來自RTSA的I和Q向量被發送給離線處理器,在那裏采用了DPD和減小PAR的技術。

 

通過數字預失真改善功率放大器的效率

 

在這一係統中的AWG必須有足夠的分辨率、帶寬以及存儲深度來代替數字係統中所使用的傳輸鏈路。RTSA必須有足夠的頻率範圍、捕獲帶寬、捕獲準確度以及用於該應用的存儲深度。此外,捕獲帶寬必須至少為傳輸帶寬的三倍,以確保將三階失真數字化。事實上,目前許多係統在計算預失真係數中采用五階失真,需要捕捉帶寬至少為傳輸信號的五倍。

 

例如,3GPP WCDMA多載波功率放大器(MCPA)設備采用四載波測試配置來產生失真,這需要極大的測量帶寬。注意到20-MHz四載波帶寬的第五階信號要求100 MHz的捕獲帶寬。幸好,RTSA可提供110MHz的捕獲帶寬和動態範圍,這對許多現代係統的互調信號要求而言是足夠的。

 

在DPD開發期間,捕獲的信號可能包含很長序列的專門數據,這旨在通過建立最差工作條件來測試放大器限度。這些序列可以是一秒或更大長度,這取決於設計要求。最佳的RTSA在其最大110 MHz捕獲帶寬下具有捕獲高達1.7 s的I和Q數據的能力。更長的捕獲時間可能減少捕獲帶寬。捕獲長時間的記錄長度允許用戶檢驗響應真實信號設備的性能。捕獲許多數據包的能力是非常有用的,特別是因為其涉及到PAR的變化,這包括調製類型、激活代碼信道的數量,以及自適應功率水平的變化。

 

除特殊捕獲帶寬以及深度存儲器外,最佳的現代RTSA表現了獨特的能力,如數字熒光顯示器以及頻率掩模觸發器(FMT)。傳統上一直采用高速數字存儲示波器,數字熒光技術最近已經應用到RF領域用於對RF信號行為的無與倫比洞察力。該技術使得RTSA用戶可以首次觀察到“活動的射頻”信號。

 

通過采用並行處理結構,數字熒光活動信號顯示技術在頻譜捕獲率上與掃描頻譜分析儀和VSA相比,產生了近3個數量級的提高。具有數碼熒光粉技術的RTSA提供了卓越的每秒48,000頻譜。通過在這一速率下不斷將時域信號轉換到頻域,數字熒光粉技術提供了一種同時顯示頻率和非頻率事件的手段,提純實時FFT幀速率要遠高於人眼天生的、全動態顯示所可以覺察的。可變色階在超出了人眼反應時間的速度下持續顯示瞬態,具有數碼熒光粉技術的RTSA可以揭示難以捉摸的故障、異常以及其他瞬態事件。發生的頻率以色階來準確反映發生的概率,在每一個顯示像素上發現能量。這給予數字熒光顯示類似透明的品質,這使得對頻譜信息的觀察在頻譜包絡的峰值幅度以下,如圖3所示。

 

通過數字預失真改善功率放大器的效率

 

圖4表示了采用傳統頻譜分析儀顯示器以及先進的數字熒光顯示器的DPD功率放大器。在校正之前,在兩種顯示器中都可以看到“肩”瞬變。不過,在校正後,數字熒光顯示器顯示的快速瞬變沒有被頻譜分析器監測到。數字熒光技術所提供的識別水平允許更快、更徹底的對DPD功率放大器進行測試與校正,並導致更可靠的設備和網絡。

 

通過數字預失真改善功率放大器的效率

 

RTSA還具有一個獨特的FMT特性,其允許用戶在頻域基於特定事件觸發捕獲。靈活的FMT是一個強大的工具,其可以用於檢測和分析動態數字預失真RF信號,捕捉低水平瞬態事件,這些事件存在於更強大的RF信號中,並檢測間歇信號和在擁擠頻譜中的特定頻率。複頻掩蔽可以在不感興趣的信號周圍通過點擊幾下鼠標進行拉伸,並且掩蔽可以設定在略高於噪聲水平,來避免誤觸發。一旦頻率掩蔽建立後,任何在掩蔽之外的感興趣頻譜事件都將觸發信號捕獲。在對RF電路進行故障診斷的同時,FMT對尋找短期或時變信號是必要的。它可以檢測零星信號,存在的瞬態互調信號和違背頻譜容量的現象。

 

由於其廣泛的捕獲帶寬、深度存儲以及內在相關測量,RTSA是一個理想的工具,其可以用於對DPD技術和RF功率放大器的分析和故障診斷。目前領先的RTSA允許實現帶寬超過110 MHz具有高動態範圍和低剩餘EVM的頻譜和矢量測量。此外,通過多個領域進行測量校正,數字熒光顯示器和FMT大大提高了故障診斷的效果。具備了這些能力,對數字調製和預失真RF信號進行捕獲、測量和表征將是快速、高效和準確的(圖5)。

 

通過數字預失真改善功率放大器的效率

 

作者:Marcus Dasilva, Steve Stanton,泰克公司