超宽带数字预失真技术简介

简介

电缆系统于20世纪50年代初在美国首次问世。即使技术和分配方式在迅速发生变化，电缆作为数据分配通道却始终保持着重要地位。新技术在现有电缆网络上已实现分层。本文重点介绍这一技术演进的其中一方面——功率放大器(PA)数字预失真(DPD)。这是许多从事蜂窝系统网络研发工作的人士将会熟悉的一个术语。将该技术迁移到电缆能够带来明显的功效和性能提升，同时也带来了巨大的挑战。本文深入探究其中的一些挑战并概述相应的解决方案。

了解要求

功率放大器在非线性区域工作时，其输出将失真。这一失真可能会影响带内性能，还可能导致无用信号溢出到邻道。溢出效应在无线蜂窝应用中特别重要，因此对邻道泄漏比(ACLR)有严格的规定和控制。突出的控制技术之一是在信号到达功率放大器之前对其进行数字整形或预失真，从而消除功率放大器中的非线性。

电缆环境则完全不同。首先，可将其视为封闭环境。电缆中发生的情况不会扩展到电缆外！运营商拥有并控制整个频谱。带外(OOB)失真并不是关注重点，带内失真才是至关重要的。服务提供商必须确保最高质量的带内传输通道，以便能够利用最大的数据吞吐量。其中一个方法是使电缆功率放大器严格运行在线性区域内。采用这种工作模式的代价是功效极差。

图1.电缆功率放大器驱动器的功效。

图1概要显示了典型的电缆应用。尽管该系统功耗近80 W，但仅传送了2.8W信号功率。功率放大器是功效极低的A类架构。最大瞬时峰值效率可以计算为50％（当信号包络最大时，假定为电感负载）。如果功率放大器完全在线性区域工作，则考虑电缆信号的极高峰均比（通常为14 dB）意味着放大器需要比信号压缩开始时平均低14 dB的工作条件，从而确保即使在信号的峰值处也不会发生信号压缩。回退与放大器工作效率直接相关。当放大器回退14 dB以适应各种电缆信号时，工作效率将降低10–14/10。因此，工作效率从理论上的最大值50％降低到10–14/10× 50% = 2%。图2概要显示了上述情况。

图2.高峰均比推动回退工作模式并使效率大幅降低。

总而言之，功效是主要问题。损失功率会影响成本，但同样重要的是，它还消耗了电缆分配系统中的稀缺资源。电缆运营商增加了更多功能和服务，因此需要进行更多的处理，而处理所需的功率可能会受现有功率预算的限制。如果能从低效功率放大器中设法获取浪费的功耗，那么可以将其重新分配给这些新功能。

针对功率放大器低效提出的解决方案是数字预失真。这是整个无线蜂窝行业普遍采用的一种方法。数字预失真允许用户在更高效但非线性更明显的区域中运行功率放大器，然后先预先校正数字域中的失真，再将数据发送到功率放大器。数字预失真的本质是在数据到达功率放大器之前对其进行整形，以抵消功率放大器产生的失真，从而扩大功率放大器的线性范围，如图3所示。这一扩大后的线性范围可用于支持更高质量的处理，提供较低的调制误差率(MER)，1或者允许功率放大器以更低偏置设置运行，从而节省功耗。尽管数字预失真已广泛应用于无线蜂窝基础设施，但在电缆环境中实施数字预失真有独特而又有挑战性的要求。

如图4所示，电缆应用的实际工作效率约为3.5％！实施数字预失真可以降低系统的功率要求，由原来的80 W降低到61 W，节约19 W，节电率达到24％。每个功率放大器以前的功率要求为17.5 W，现在则下降到12.8 W。

图3.数字预失真概述

图4.通过数字预失真方案实现节能概述

实施挑战

数字预失真的价值不言而喻，但在电缆应用中实施时会面对许多独特挑战。因此，必须在现有资源范围内应对这些技术挑战。例如，解决方案本身必须是高效节能的，因为如果节省的电能转化为该解决方案的电源，则在优化功率放大器效率方面没有什么价值。同样地，数字处理资源需要适当，以便可以高效地驻留在当前的FPGA架构中。具有非标准硬件要求和广泛架构变化的超大型/复杂算法不太可能适应。

超宽带宽

电缆应用环境与无线蜂窝环境之间最显著的区别也许是操作带宽。在电缆中，约1.2 GHz的带宽要进行线性化。宽带宽挑战复杂的原因在于频谱从直流开始仅为54 MHz且信号带宽大于信道中心频率。必须牢记的是，功率放大器经驱动进入非线性工作区域后即可实现省电，这样虽然提高了效率，但代价是非线性产物也随之而来。数字预失真必须消除由功率放大器产生的非线性，尤其是那些折回带内的非线性成分。这就在电缆应用中构成了独特挑战。

图5.传统