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利用数字预失真线性化宽带功率
来源:武华科技   发布时间:2012-08-20  浏览数:2153    【收藏本页】

无线应用中的功率放大器有望通过提供优良的线性和效率,来处理现代通信系统中所采用的复杂波形。而这并非通过构建具有更纯净性能的射频功率放大器,因为这样做会增加成本、降低效率并产生可靠性问题,今天的设计师而是选择通过采用数字预失真(DPD)技术来增加数字处理能力,该技术有助于将功率放大器(PA)的效率最大化,增加可靠性,并降低操作成本。

 

与模拟方式相比,数字技术在成本、功耗和可靠性方面提供了诸多优势。由于这些优点,老式的窄带、单载波、三重转换系统正在被数字信号处理(DSP)和DAC控制的宽带、多载波发射机所取代,DSP和DAC产生直接IF,甚至直接RF输出到RF放大器。

 

无线系统正向用户提供一系列的服务和益处。不幸地是,先进无线技术的优势往往不惜牺牲增加功耗和操作成本。现代蜂窝和无线技术,特别是数字射频通信网络,比以往任何时候发送和接收更多的数据、更多的视频以及更多的音频。如HSDPA、HSUPA、1xEVDO、WiMAX等新标准,以及长期演进(LTE)需要更大的功耗,产生更多和更大的射频波形峰值,并允许更大的数据脉冲。因此,现代无线设备所生产的射频信号具有空前的峰值平均值比(PAR),并在一个已经拥挤的射频频谱内存在失真的可能性。

 

由于采用空前的高功耗与现代PAR,功率放大器正在被推向之前从未有过的极限,并导致瞬变现象以及低效成本。更大的放大器可以消耗更多的功耗,从而使得短期资本支出以及长期经营费用急速膨胀。更大、更昂贵的电池需要同样的后备能力。此外,更大的功耗和生产加剧了散热和电气条件,这可能产生可靠性问题。

 

当支持先进无线技术的功放工作时,设计师和网络运营商可能选择两条路径中的一条:增加“腕力”(即功耗)或者增加“头脑”(即性能)。其中,前者有效增加了对上述成本和可靠性的关注,而后者是在功放效率最大化与严格控制频谱之前推动数字失真波形的新策略。通过采用适当的测试设备,数字预失真(DPD)技术可以实现更小、更具效率的功放,从而减少开发和运营成本,并同时提升网络与设备的可靠性。

 

无论高功率卫星地面站、多载波蜂窝基站,甚至是低功耗移动通信系统,现代发射机采用多种预失真技术来减少信道外干扰,并优化运行效率。其中最流行和最有效降低失真的方法之一就是自适应DPD。

 

这种方法对发射机的输出进行采样来计算误差向量并生成校正系数,然后将其用来预校正输入信号。为了减少模拟电路失真,链路中的信号尽可能采用数字格式保存。

 

图1表示了如何提取放大器输出信号的一部分,然后进行下变频以及数字化。将该数字信号提供给DSP电路,该电路实现了目前信号中的非线性分析并产生非线性校正系数。这些非线性系数用于调整传输链路中输入的同相(I)和正交(Q)信号。正如在传输链路中所看到的,目前采用将预失真以及减少PAR的信号在经DAC转换回模拟域之后提供给放大器。所得到的输出信号与没有采用预失真技术的信号相比,减少了频谱失真并改善了邻道泄漏比(ACLR)的性能。

 

通过数字预失真改善功率放大器的效率

 

数字预校正放大器与先前的前馈式结构相比,提供了具有更高功率附加效率(PAE)的优良频谱效率,极大减少了发热,提高了可靠性并降低了运营成本。该方法已经超越了作为蜂窝基站支路的作用,并且目前作为手机、卫星,甚至是自适应相控阵雷达的反馈线性化。

 

然而,这一情况产生了传统模拟系统中所见不到的各种各样的故障诊断挑战。可能会由ADC和DAC,或者通过传输链路中模拟转换之前的对信号进行处理的DSP将数字失真引入到传输链路中。这些失真往往特性短暂,而且利用传统的频谱分析仪难以或无法进行捕捉。其可能仅仅是极少发生,并可能在邻近的和替代的信道对频域的产生影响。对瞬态频域信号进行有效地故障诊断不仅需要检测出问题,而且还要有能力对其进行定位并捕获记录用于进行分析。

 

对这些系统特性进行描述是新的挑战。在开发阶段,整个传输链路具备有效性之前,可对各种预失真和减少PAR的方法进行测试和优化。必须采用测试设备对反馈链路信号经常进行捕捉,并在有效完成硬件(ASIC或FPGA)之前的离线软件中实现对新非线性失真系数的计算。然后,通过利用这些系数,将校正算法应用到最初的I和Q信号并将结果载入到任意波形发生器(AWG)中来对其性能进行测试。

 

信号速率以及功率的变化也是问题。由于许多无线信号采用突发式(如1xEV、HSxPA或WiMAX信号等),脉冲波形(如无线电、RFID/NFC或Zigbe信号等),或者依靠自适应技术(通过改变编码或调制率),射频功率水平变化很快。通常,这些变化的发生比反馈回路可以响应的更快。不同于先前的线性结构,如前馈放大器,放大器是盲目快速变化的,而反馈回路感应并适应这些变化。这可能会导致意想不到的信号性能,而这可能破坏网络的可靠性及其操作。

 

实施、测试并简化DPD并不是新鲜。传统扫频频谱分析仪和矢量信号分析仪(VSA)实现了某种程度的DPD测试,甚至足以通过大部分标准的要求。但瞬变和其他看不见的影响不可避免地存在,因为这些残余成分只能显示RF频谱的扫描或瞬象。
 

为了真正看到整个RF环境,设计师必须利用先进的实时频谱分析仪(RTSA)来评估数字预失真波形如何进行操作,并确定哪些瞬变泄漏到频谱中。这种独特而灵活的测试设备已迅速成为对DPD进行有效故障诊断及表征的重要工具。

 

RTSA是能够显示时间、频率和调制测量等多域的设备。这使得RTSA可以取代一些同一领域的传统设备。由于每个测量领域是源自同一无缝的时间记录,测量与时间紧密相关。用户可以通过在频谱或调制异常的位置放置一个标记,并采用产生它的准确信号对它进行校准。时间相关显示器通过提供关键的因果关系成分大大提高了诊断的洞察力以及表征的准确性。传统上,这种精确的时间相关显示器很难获得,需要对多种设备进行同步。

 

不像扫频频谱分析仪和VSA,RTSA可以实时地将时域数据转化到频域。这使得RTSA在触发和捕捉数据之前通过采用输入信号的实时数字傅立叶变换(DFT)不断分析其输入频谱。反过来说,其他分析仪随机捕获数据或触发时域水平,然后分析哪些离线的已经被捕获,在扫描或捕获之间留下大部分未分析的信号。RTSA在频域连续分析信号并仅对感兴趣的事件进行触发的能力对许多RF应用而言是非常理想的。

 

当测试DPD和功放性能的时候,为了仿真RF条件,AWG往往与RTSA结合使用。现代AWG可以近似为真实的RF信号,并仿真现代信号条件。它可以让用户建立并直接将复杂的调制I/Q和RF信号插入到无线系统与网络中,这对功放的线性测试是至关重要的。

 

图2是DPD开发系统。 AWG被用于代替I和Q信号,并且DAC和RTSA被用于代替校正环路下变频器和ADC。然后,来自RTSA的I和Q向量被发送给离线处理器,在那里采用了DPD和减小PAR的技术。

 

通过数字预失真改善功率放大器的效率

 

在这一系统中的AWG必须有足够的分辨率、带宽以及存储深度来代替数字系统中所使用的传输链路。RTSA必须有足够的频率范围、捕获带宽、捕获准确度以及用于该应用的存储深度。此外,捕获带宽必须至少为传输带宽的三倍,以确保将三阶失真数字化。事实上,目前许多系统在计算预失真系数中采用五阶失真,需要捕捉带宽至少为传输信号的五倍。

 

例如,3GPP WCDMA多载波功率放大器(MCPA)设备采用四载波测试配置来产生失真,这需要极大的测量带宽。注意到20-MHz四载波带宽的第五阶信号要求100 MHz的捕获带宽。幸好,RTSA可提供110MHz的捕获带宽和动态范围,这对许多现代系统的互调信号要求而言是足够的。

 

在DPD开发期间,捕获的信号可能包含很长序列的专门数据,这旨在通过建立最差工作条件来测试放大器限度。这些序列可以是一秒或更大长度,这取决于设计要求。最佳的RTSA在其最大110 MHz捕获带宽下具有捕获高达1.7 s的I和Q数据的能力。更长的捕获时间可能减少捕获带宽。捕获长时间的记录长度允许用户检验响应真实信号设备的性能。捕获许多数据包的能力是非常有用的,特别是因为其涉及到PAR的变化,这包括调制类型、激活代码信道的数量,以及自适应功率水平的变化。

 

除特殊捕获带宽以及深度存储器外,最佳的现代RTSA表现了独特的能力,如数字荧光显示器以及频率掩模触发器(FMT)。传统上一直采用高速数字存储示波器,数字荧光技术最近已经应用到RF领域用于对RF信号行为的无与伦比洞察力。该技术使得RTSA用户可以首次观察到“活动的射频”信号。

 

通过采用并行处理结构,数字荧光活动信号显示技术在频谱捕获率上与扫描频谱分析仪和VSA相比,产生了近3个数量级的提高。具有数码荧光粉技术的RTSA提供了卓越的每秒48,000频谱。通过在这一速率下不断将时域信号转换到频域,数字荧光粉技术提供了一种同时显示频率和非频率事件的手段,提纯实时FFT帧速率要远高于人眼天生的、全动态显示所可以觉察的。可变色阶在超出了人眼反应时间的速度下持续显示瞬态,具有数码荧光粉技术的RTSA可以揭示难以捉摸的故障、异常以及其他瞬态事件。发生的频率以色阶来准确反映发生的概率,在每一个显示像素上发现能量。这给予数字荧光显示类似透明的品质,这使得对频谱信息的观察在频谱包络的峰值幅度以下,如图3所示。

 

通过数字预失真改善功率放大器的效率

 

图4表示了采用传统频谱分析仪显示器以及先进的数字荧光显示器的DPD功率放大器。在校正之前,在两种显示器中都可以看到“肩”瞬变。不过,在校正后,数字荧光显示器显示的快速瞬变没有被频谱分析器监测到。数字荧光技术所提供的识别水平允许更快、更彻底的对DPD功率放大器进行测试与校正,并导致更可靠的设备和网络。

 

通过数字预失真改善功率放大器的效率

 

RTSA还具有一个独特的FMT特性,其允许用户在频域基于特定事件触发捕获。灵活的FMT是一个强大的工具,其可以用于检测和分析动态数字预失真RF信号,捕捉低水平瞬态事件,这些事件存在于更强大的RF信号中,并检测间歇信号和在拥挤频谱中的特定频率。复频掩蔽可以在不感兴趣的信号周围通过点击几下鼠标进行拉伸,并且掩蔽可以设定在略高于噪声水平,来避免误触发。一旦频率掩蔽建立后,任何在掩蔽之外的感兴趣频谱事件都将触发信号捕获。在对RF电路进行故障诊断的同时,FMT对寻找短期或时变信号是必要的。它可以检测零星信号,存在的瞬态互调信号和违背频谱容量的现象。

 

由于其广泛的捕获带宽、深度存储以及内在相关测量,RTSA是一个理想的工具,其可以用于对DPD技术和RF功率放大器的分析和故障诊断。目前领先的RTSA允许实现带宽超过110 MHz具有高动态范围和低剩余EVM的频谱和矢量测量。此外,通过多个领域进行测量校正,数字荧光显示器和FMT大大提高了故障诊断的效果。具备了这些能力,对数字调制和预失真RF信号进行捕获、测量和表征将是快速、高效和准确的(图5)。

 

通过数字预失真改善功率放大器的效率

 

作者:Marcus Dasilva, Steve Stanton,泰克公司