數(shù)字預(yù)失真(DPD)算法研發(fā)工具和驗(yàn)證方案

1、安捷倫數(shù)字預(yù)失真(DPD)算法研發(fā)工具和驗(yàn)證方案-不依賴于特定廠商芯片組的方案技術(shù)背景：多載波LTE-A DPD算法的驗(yàn)證 在無線通信系統(tǒng)全面進(jìn)入3G并開始邁向 4G的過程中，使用數(shù)字預(yù)失真技術(shù)（Digital Pre-distortion，以下簡(jiǎn)稱DPD）對(duì)發(fā)射機(jī)的功放進(jìn)行線性化是一門關(guān)鍵技術(shù)。功率放大器是通信系統(tǒng)中影響系統(tǒng)性能和覆蓋范圍的關(guān)鍵部件，非線性是功放的固有特性。非線性會(huì)引起頻譜增長(zhǎng)(spectral re-growth)，從而造成鄰道干擾，使帶外雜散達(dá)不到協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。非線性也會(huì)造成帶內(nèi)失真，帶來系統(tǒng)誤碼率增大的問題。為了降低非線性，功放可以工作在較低的輸入工作條件下(或稱

2、為回退)，即功放工作曲線的線性部分。但是，對(duì)于新的傳輸體制，諸如寬帶碼分復(fù)用(WCDMA)以及正交頻分復(fù)用(OFDM，3GPP LTE)等，具有非常高的峰值功率和平均功率比(PAPR)，也就是說信號(hào)包絡(luò)的起伏非常大。這意味著功放要從其飽和區(qū)回退很多才能滿足對(duì)信號(hào)峰值的線性放大，而峰值信號(hào)并不經(jīng)常出現(xiàn)，從而導(dǎo)致功放的效率非常低，通常會(huì)低于10%。90% 的功放直流功率被丟掉了，或被轉(zhuǎn)換為了熱量。 穩(wěn)定性和持續(xù)運(yùn)行能力都會(huì)下降。 為了保證功放的線性性和效率，可以使用多種方法對(duì)功放進(jìn)行線性化處理，如反饋，前饋及數(shù)字預(yù)失真等方法。 在所有這些線性化技術(shù)中，數(shù)字預(yù)失真是性價(jià)比最高的一種技術(shù)。同反饋法和前

3、饋法相比，數(shù)字預(yù)失真技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)：優(yōu)異的線性化能力，保證總體效率以及充分利用數(shù)字信號(hào)處理器/變換器的優(yōu)勢(shì)。數(shù)字預(yù)失真在基帶上加入預(yù)失真器，將輸入信號(hào)擴(kuò)展為非線性信號(hào)，而這種非線性特性正好和功放的壓縮特性互補(bǔ) (見圖1)。 理論上講，預(yù)失真器和功放級(jí)聯(lián)后成為線性系統(tǒng)，原有的輸入信號(hào)被恒增益地放大。加入預(yù)失真器之后，功放可以工作到近飽和點(diǎn)而同時(shí)仍然保持良好的線性，從而大大提升了功放的效率。從圖1中可以看出，DPD(數(shù)字預(yù)失真器)可以看作是功放響應(yīng)的”反”響應(yīng)， 數(shù)字預(yù)失真算法需要對(duì)功放的特性進(jìn)行高效和精確地建模以保證成功地開發(fā)數(shù)字預(yù)失真器算法。 針對(duì)2G和3G移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，市場(chǎng)上已有一些較成熟

4、芯片組技術(shù)。工程師可以可以選擇既有芯片組、對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化、驗(yàn)證來完成自己的DPD設(shè)計(jì)。但隨著LTE、LTE-Advance、微波寬帶接入（如ODU等）、802.11ac以及專用通信系統(tǒng)的不斷涌現(xiàn)，要求DPD方案具有更高的帶寬、及在新通信制式或客戶化信號(hào)上完成功放建模和算法實(shí)現(xiàn)的能力。另外有一些用戶僅作算法研究而不希望進(jìn)行費(fèi)用高昂、設(shè)計(jì)復(fù)雜的電路實(shí)現(xiàn)；或者需要開發(fā)自有的DPD方案以降低BOM成本。這些新需求都需要研發(fā)工程師擁有不同的研發(fā)和驗(yàn)證工具。DPD方案概述： 一個(gè)好的研發(fā)和驗(yàn)證工具必須具備的性能包括：（1）性能指標(biāo)如頻率、調(diào)制帶寬等滿足系統(tǒng)要求（2）信號(hào)制式要具有靈活性，既可以滿足標(biāo)準(zhǔn)制式

5、系統(tǒng)（如2G/3G）要求，還要可以滿足客戶定制化系統(tǒng)的要求（3）精確性（4）功放初始建模不依賴于某個(gè)特定廠商的芯片組或硬件實(shí)施方案（5）可以將開發(fā)好的數(shù)字預(yù)失真方案和其它的基帶設(shè)計(jì)如CFR或均衡等集成在一起（6）易于使用。 安捷倫的數(shù)字預(yù)失真研發(fā)和驗(yàn)證工具包括 SystemVue W1716 DPD 預(yù)失真工具及超寬帶矢量信號(hào)分析儀和矢量信號(hào)源。這套系統(tǒng)的主要特點(diǎn)包括：（1） 性能高：調(diào)制帶寬<=140MHz時(shí)，頻率高達(dá)50GHz；調(diào)制帶寬<=800MHz時(shí)，頻率高達(dá)26.5GHz（2） 信號(hào)靈活性強(qiáng)：矢量信號(hào)源可以產(chǎn)生和真實(shí)信號(hào)一致的滿足2G、3G、LTE、LTE-Advance

6、、Wimax、雷達(dá)及各種數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)及客戶定制信號(hào)（如有CFR 的LTE-A或用戶自定義OFDMA等）；信號(hào)分析儀可以完成復(fù)雜的信號(hào)調(diào)制分析和頻譜分析；SystemVue軟件可以控制信號(hào)源和分析儀完成各種標(biāo)準(zhǔn)制式或客戶定制系統(tǒng)的功放模型參數(shù)提取和DPD算法實(shí)現(xiàn)。（3） 精確性高：矢量信號(hào)源可以在輸出寬帶信號(hào)時(shí)（內(nèi)部IQ調(diào)制帶寬100MHz和外部IQ調(diào)制帶寬1.6GHz）保持幅度和頻響平坦度，并且具有業(yè)內(nèi)最高的輸出功率將功放驅(qū)動(dòng)到非線性區(qū)。頻譜和矢量信號(hào)分析儀在140MHz分析帶寬下可以保持幅度和頻響平坦度和75dB的無雜散動(dòng)態(tài)范圍。這些高精度保證了模型參數(shù)的精確提取及失真的有效抑制。（4） 無

7、芯片組或硬件依賴：依靠通用儀器和SystemVue DPD軟件工具，功放建模和DPD算法實(shí)現(xiàn)不依賴于特定廠商的芯片組或硬件方案。（5） 可集成性：可以將提取的模型參數(shù)、算法和用戶的其它基帶設(shè)計(jì)如CFR或均衡等集成在一起。（6） 易于使用：SystemVue軟件友好的圖形化用戶界面可以指引即使是缺乏經(jīng)驗(yàn)的工程師在幾分鐘內(nèi)完成功放模型提取和DPD算法驗(yàn)證。安捷倫典型方案：250MHz<調(diào)制/解調(diào)帶寬800MHz分析儀: M9392A + M9362AD01信號(hào)源: E8267D + N5181A任意波發(fā)生器：M9330ASystemVue DPD: W1716EPVSA系統(tǒng)軟件: 89601

8、B分析儀: M9392A + M9362AD01信號(hào)源: E8267D + E8257D任意波發(fā)生器：M9330ASystemVue DPD: W1716EPVSA系統(tǒng)軟件: 89601B140MHz<調(diào)制/解調(diào)帶寬250MHz分析儀: M9392A信號(hào)源: E8267D 或 N5182A任意波發(fā)生器：M9330ASystemVue DPD: W1716EPVSA系統(tǒng)軟件: 89601B分析儀: M9392A信號(hào)源: E8267D任意波發(fā)生器：M9330ASystemVue DPD: W1716EPVSA系統(tǒng)軟件: 89601B分析儀: M9392A信號(hào)源: E8267D (44GHz)

9、任意波發(fā)生器：M9330ASystemVue DPD: W1716EPVSA系統(tǒng)軟件: 89601B調(diào)制/解調(diào)寬140MHz分析儀: N9030A信號(hào)源: N5182A任意波發(fā)生器：M9330A(帶寬>100MHz時(shí))SystemVue DPD: W1716EPVSA系統(tǒng)軟件: 89601B分析儀: N9030A信號(hào)源: E8267D任意波發(fā)生器：M9330A(帶寬>80MHz時(shí))SystemVue DPD: W1716EPVSA系統(tǒng)軟件: 89601B分析儀: N9030A信號(hào)源: E8267D任意波發(fā)生器：M9330A(帶寬>80MHz時(shí))SystemVue DPD: W

10、1716EPVSA系統(tǒng)軟件: 89601B載波頻率6GHz6GHz<載波頻率26.5GHz26.5GHz<載波頻率50GHz安捷倫方案主要特點(diǎn)：1 SystemVue 軟件 W1716EP DPD 預(yù)失真模塊采用記憶多項(xiàng)式算法修正具有記憶效應(yīng)的非線性部件?？梢允褂密浖抡嬉约盎跍y(cè)試儀表的提取和驗(yàn)證兩種方式評(píng)估預(yù)失真的效果。W1716EP控制安捷倫的測(cè)試儀表，包括矢量信號(hào)源 ESG/MXG/PSG 系列和信號(hào)分析儀表 PXA/PXI VSA系列，進(jìn)行預(yù)失真算法的驗(yàn)證。如左圖所示，硬件提取和研制流程包含5個(gè)步驟。在測(cè)試儀表配置好之后，只需要幾分鐘就可以完成。1. 創(chuàng)建DPD激勵(lì) -

11、下載波形(LTE, WCDMA或用戶自定義波形)到ESG/MXG/PSG信號(hào)源中。2. 捕捉被測(cè)功放響應(yīng) - 使用安捷倫89601B矢量信號(hào)分析軟件(VSA)控制PXA/PXI VSA信號(hào)分析儀，捕捉被測(cè)功放輸入和輸出的信號(hào)波形。 3. 提取被測(cè)功放模型 - 根據(jù)捕捉到的波形提取DPD模型。 4. 測(cè)量DPD+功放響應(yīng) 應(yīng)用提取的DPD模型計(jì)算預(yù)失真波形并將新的波形下載到安捷倫信號(hào)源中。使用89601B軟件控制安捷倫信號(hào)分析儀捕捉經(jīng)過線性化的功放輸出。 5. 檢驗(yàn)DPD響應(yīng)數(shù)據(jù) -顯示使用DPD之后的性能提升。2. 信號(hào)分析儀 在作DPD算法研究或方案設(shè)計(jì)時(shí)，工程師通常需要使用矢量信號(hào)分析儀采

12、集3倍到5倍的信號(hào)帶寬以提取功放模型。對(duì)于工作在LTE/LTE-A等4G制式下的多載波功放來說，4載波的信道內(nèi)帶寬高達(dá)80MHz，3階信號(hào)采集就需要矢量信號(hào)分析儀的解調(diào)帶寬大于240MHz，要作5階信號(hào)采集則需要大于400MHz的解調(diào)帶寬。同時(shí)對(duì)于功放建模來說，分析儀的數(shù)字化動(dòng)態(tài)范圍非常重要，直接影響建模精度和線性化效果。2.1 PXI總線超模塊化微波寬帶矢量信號(hào)分析儀 M9392A。M9392A矢量信號(hào)分析儀由預(yù)選器模塊、下變頻器模塊、數(shù)字化儀模塊和本振模塊等構(gòu)成。分析帶寬高于250MHz時(shí)還需要增加M9362AD01超寬帶下變頻模塊和外置本振。外置本振根據(jù)被測(cè)信號(hào)頻率范圍可以選擇N5181

13、A（6GHz）或E8257D（20/31.8/40/67GHz）。該分析儀主要用于解調(diào)帶寬>140MHz的應(yīng)用。它的組成模塊還可以靈活配置用以解決工程師的其它測(cè)試需求。M9392AM9362AD01M9392A 的主要指標(biāo): 頻率范圍：50MHz - 26.5GHz 解調(diào)帶寬：250MHz（不含M9362AD01） 800MHz (含M9362AD01和外置本振) 數(shù)字化儀動(dòng)態(tài)范圍：60dBc(基本數(shù)字化儀模式下)；84dBc(DDC模式下) 模塊占PXI插槽數(shù)量：7-11 豐富分析功能：2G/3G、LTE/LTE-A、Wimax、數(shù)字電視、雷達(dá)等2.2 PXA 系列頻譜和矢量信號(hào)分析儀

14、 N9030A。N9030A 是安捷倫信號(hào)分析儀中的高性能旗艦產(chǎn)品。通過突破性創(chuàng)新技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的結(jié)合，PXA擁有卓越的性能指標(biāo)。它可以在更寬的帶寬內(nèi)進(jìn)行信號(hào)分析、降低測(cè)量不確定度及發(fā)現(xiàn)之前隱藏的信號(hào)。同時(shí)它具有X平臺(tái)產(chǎn)品的共有優(yōu)點(diǎn)：具有業(yè)界最廣泛的測(cè)量應(yīng)用軟件，可以全面深入分析2G/3G/4G、各種數(shù)字電視、雷達(dá)等復(fù)雜信號(hào)。工程師在DPD的研發(fā)工作中，不但可以利用PXA的卓越指標(biāo)完成功放的精確建模而且可以準(zhǔn)確測(cè)量信號(hào)通過預(yù)失真器和功放后的信號(hào)調(diào)制質(zhì)量、頻率、相位等各種關(guān)鍵指標(biāo)變化，不管使用的信號(hào)制式是標(biāo)準(zhǔn)制式2G/3G/LTE/LTE-A/Wimax/802.11ac/數(shù)字電視如CMMB

15、，DVB-H/T 還是微波寬帶接入、復(fù)雜調(diào)制雷達(dá)或?qū)Ｓ猛ㄐ?。N9030A 頻譜和矢量信號(hào)分析儀N9030A 的主要指標(biāo): 頻率：3Hz-3.6GHz/8.4GHz/13.6GHz/26.5GHz/50 GHz，利用外混頻可達(dá) 325 GHz 以上 最低的本底噪聲 (DANL) : -172 dBm，專利的本底噪聲擴(kuò)展技術(shù) 最佳的幅度精度 : ± 0.19 dB 50GHz頻率下最寬的分析帶寬 : 140 MHz 最佳動(dòng)態(tài)范圍：75 dB 無雜散動(dòng)態(tài)范圍 豐富強(qiáng)大的分析能力：模擬解調(diào)、靈活數(shù)字解調(diào)、2G/3G、HSDPA/HSUPA/HSPA+、LTE（FDD和TDD）、Wimax、E

16、MC預(yù)兼容、噪聲系數(shù)、相位噪聲、脈沖分析、藍(lán)牙、數(shù)字電視、Matlab、89601B連接等。3矢量信號(hào)源和任意波形發(fā)生器。 在作DPD算法研究或方案設(shè)計(jì)時(shí)，工程師通常使用矢量信號(hào)源或?qū)Ｓ冒l(fā)射機(jī)產(chǎn)生功放的輸入信號(hào)。和用戶專用發(fā)射機(jī)相比，安捷倫矢量信號(hào)源的頻率范圍更寬、功率精度更高、信號(hào)種類更全面。當(dāng)信號(hào)調(diào)制帶寬<100MHz 時(shí)，可以直接使用信號(hào)源的內(nèi)部基帶信號(hào)發(fā)生器。當(dāng)信號(hào)調(diào)制帶寬>100MHz 時(shí)，需要使用任意波形發(fā)生器配合矢量信號(hào)源一起使用。安捷倫最常用的矢量信號(hào)源包括MXG系列射頻矢量信號(hào)源N5182A和PSG系列微波矢量信號(hào)源E8267D。任意波形發(fā)生器包括15bit、1.

17、25GSa/s PXI總線模塊化M9330A和14 bit、8 GSa/s 任意波形發(fā)生器M8190A等。PSG微波矢量信號(hào)源 E8267D3.1 PSG一體化微波矢量信號(hào)源E8267D 無論工作涉及無線通信、雷達(dá)系統(tǒng)、衛(wèi)星通信還是微波寬帶接入系統(tǒng)，PSG都是理想選擇。E8267D主要性能指標(biāo): 頻率：250kHz-20GHz/31.8GHz/44 GHz 調(diào)制帶寬：內(nèi)部基帶發(fā)生器 80MHz 外部I/Q輸入 1.6GHz 業(yè)界領(lǐng)先的輸出功率：24 dBm 卓越相位噪聲：-136 dBc/Hz、（3.2GHz 10kHz偏置） 靈活的信號(hào)生成和校正軟件 信號(hào)種類更全面（2G/3G/4G/DTV

18、/Wifi/復(fù)雜雷達(dá)脈沖、用戶自定義等） 窄脈沖調(diào)制（20ns） 兼容安捷倫ADS軟件、MatlabMXG矢量信號(hào)源 N5182A3.2 MXG射頻矢量信號(hào)源N5182A 采用2U高的緊湊設(shè)計(jì)，具有針對(duì)頻率、幅度和波形的快速切換能力。是無線通信測(cè)試的最佳選擇。N5182A主要性能指標(biāo): 頻率：250kHz-3GHz/6GHz 調(diào)制帶寬：內(nèi)部基帶發(fā)生器 100MHz 外部I/Q輸入 160MHz 最大輸出功率：23 dBm 卓越ACPRPXI 任意波形發(fā)生器M9330A3.3 PXI 模塊化函數(shù)和任意波形發(fā)生器M9330A 安捷倫模塊化任意波形發(fā)生器同時(shí)具備高采樣率和高比特分辨率，使設(shè)計(jì)人員可以在寬帶無線通信、雷達(dá)、衛(wèi)星和捷變頻系統(tǒng)的精確測(cè)試中生成理想的波形。M9330A主要性能指標(biāo): 支持生成復(fù)