数字预失真(DPD)算法研发工具和验证方案

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安捷伦数字预失真(DPD)算法研发工具和验证方案
-不依赖于特定厂商芯片组的方案
技术背景：
在无线通信系统全面进入3G 并开始迈向 4G 的过程中，使用数字预失真技术（Digital Pre-distortion ，以下简称DPD ）对发射机的功放进行线性化是一门关键技术。

功率放大器是通信系统中影响系统性能和覆盖范围的关键部件，非线性是功放的固有特性。

非线性会引起频谱增长
(spectral re-growth)，从而造成邻道干扰，使带外杂散达不到协议标准规定的要求。

非线性也会造成带内失真，带来系统误码率增大的问题。

为了降低非线性，功放可以工作在较低的输入工作条件下(或称为回退)，即功放工作曲线的线性部分。

但是，对于新的传输体制，诸如宽带码分复用(WCDMA)以及正交频分复用(OFDM ，3GPP LTE)等，具有非常高的峰值功率和平均功率比(PAPR)，也就是说信号包络的起伏非常大。

这意味着功放要从其饱和区回退很多才能满足对信号峰值的线
性放大，而峰值信号并不经常出现，从而导致功
放的效率非常低，通常会低于10%。

90% 的功放直
流功率被丢掉了，或被转换为了热量。

稳定性和持续运行能力都会下降。

为了保证功放的线性性和效率，可以使用多种方法对功放进行线性化处理，如反馈，前馈及数字预失真等方法。

在所有这些线性化技术中，数字预失真是性价比最高的一种技术。

同反馈法和前馈法相比，数字预失真技术具有诸多优势：优异的线性化能力，保证总体效率以及充分利用数字信号处理器/变换器的优势。

数字预失真在基带上加入预失真器，将输入信号扩展为非线性信号，而这种非线性特性正好和功放的压缩特性互补 (见图1)。

理论上讲，预失真器和功放级联后成为线性系统，原有的输入信号被恒增益地放大。

加入预失真器之后，功放可以工作到近饱和点而同时仍然保持良好的线性，从而大大提升了功放的效率。

从图1中可以看出，DPD(数字预失真器)可以看作是功放响应的”反”响应， 数字预失真算法需要对功放的特性进行高效和精确地建模以保证成功地开发数字预失真器算法。

针对2G 和3G 移动通信标准，市场上已有一些较成熟芯片组技术。

工程师可以可以选择既有芯片组、对算法进行优化、验证来完成自己的DPD 设计。

但随着LTE 、LTE-Advance 、微波宽带接入（如ODU 等）、802.11ac 以及专用通信系统的不断涌现，要求DPD 方案具有更高的带宽、及在新通信制式或客户化信号上完成功放建模和算法实现的能力。

另外有一些用户仅作算法研究而不希望进行费用高昂、设计复杂的电路实现；或者需要开发自有的DPD 方案以降低BOM 成本。

这些新需求都需要研发工程师拥有不同的研发和验证工具。

DPD 方案概述：
一个好的研发和验证工具必须具备的性能包括：（1）性能指标如频率、调制带宽等满足系统要求（2）信号制式要具有灵活性，既可以满足标准制式系统（如2G/3G ）要求，还要可以满足客户定制化系统的要求（3）精确性（4）功放初始建模不依赖于某个特定厂商的芯片组或硬件实施方案（5）可以将开发好的数字预失真方案和其它的基带设计如CFR 或均衡等集成在一起（6）易于使用。

安捷伦的数字预失真研发和验证工具包括 SystemVue W1716 DPD 预失真工具及超宽带矢量信号分析仪和矢量信号源。

这套系统的主要特点包括：
（1） 性能高：调制带宽<=140MHz 时，频率高达50GHz ；调制带宽<=800MHz 时，频率高达26.5GHz
多载波LTE-A DPD 算法的验证
（2）信号灵活性强：矢量信号源可以产生和真实信号一致的满足2G、3G、LTE、LTE-Advance、Wimax、雷达及各种数字电视标准及客户定制信号（如有CFR 的LTE-A或用户自定义OFDMA等）；信号分析仪可以完成复杂
的信号调制分析和频谱分析；SystemVue软件可以控制信号源和分析仪完成各种标准制式或客户定制系统
的功放模型参数提取和DPD算法实现。

（3）精确性高：矢量信号源可以在输出宽带信号时（内部IQ调制带宽100MHz和外部IQ调制带宽1.6GHz）保持幅度和频响平坦度，并且具有业内最高的输出功率将功放驱动到非线性区。

频谱和矢量信号分析仪在140MHz
分析带宽下可以保持幅度和频响平坦度和75dB的无杂散动态范围。

这些高精度保证了模型参数的精确提取
及失真的有效抑制。

（4）无芯片组或硬件依赖：依靠通用仪器和SystemVue DPD软件工具，功放建模和DPD算法实现不依赖于特定厂商的芯片组或硬件方案。

（5）可集成性：可以将提取的模型参数、算法和用户的其它基带设计如CFR或均衡等集成在一起。

（6）易于使用：SystemVue软件友好的图形化用户界面可以指引即使是缺乏经验的工程师在几分钟内完成功放模型提取和DPD算法验证。

安捷伦典型方案：
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安捷伦方案主要特点：
1． SystemVue 软件 W1716EP DPD 预失真模块采用记忆多项式算法修正具有记忆效应的非线性部件。

可以使用软件仿真以及基于测试仪表的提取和验证两种方式评估预失真的效果。

W1716EP 控制安捷伦的测试仪表，包括矢量信号源
如左图所示，硬件提取和研制流程包含5个步骤。

在测试仪表配置好之后，只需要几分钟就可以完成。

1. 创建DPD 激励 -- 下载波形(LTE, WCDMA 或用户自定义波形)到ESG/MXG/PSG 信号源中。

2. 捕捉被测功放响应 -- 使用安捷伦89601B 矢量信号分析软件(VSA)控制PXA/PXI VSA 信号分析仪，捕捉被测功放输入和输出的信号波形。

3.
提取被测功放模型 -- 根据捕捉到的波形提取DPD 模型。

4. 测量DPD+功放响应 –应用提取的DPD 模型计算预失真波形并将新的波形下载到安捷伦信号源中。

使用89601B 软件控制安捷伦信号分析仪捕捉经过线性化的功放输出。

5.
检验DPD 响应数据 --显示使用DPD 之后的性能提升。

2. 信号分析仪
在作DPD 算法研究或方案设计时，工程师通常需要使用矢量信号分析仪采集3倍到5倍的信号带宽以提取功放模型。

对于工作在LTE/LTE-A 等4G 制式下的多载波功放来说，4载波的信道内带宽高达80MHz ，3阶信号采集就需要矢量信号分析仪的解调带宽大于240MHz ，要作5阶信号采集则需要大于400MHz 的解调带宽。

同时对于功放建模来说，分析仪的数字化动态范围非常重要，直接影响建模精度和线性化效果。

2.1 PXI 总线超模块化微波宽带矢量信号分析仪 M9392A 。

M9392A 矢量信号分析仪由预选器模块、下变频器模块、数字化仪模块和本振模块等构成。

分析带宽高于250MHz 时还需要增加M9362AD01超宽带下变频模块和外置本振。

外置本振根据被测信号频率范围可以选择N5181A （6GHz ）或E8257D （20/31.8/40/67GHz ）。

该分析仪主要用于解调带宽>140MHz 的应用。

它的组成模块还可以灵活配置用以解决工程师的其它测试需求。

M9392A 的主要指标:
• 频率范围：50MHz - 26.5GHz
•
解调带宽：250MHz （不含M9362AD01） 800MHz (含M9362AD01和外置本振) • 数字化仪动态范围：60dBc(基本数字化仪模式下)；84dBc(DDC 模式下) • 模块占PXI 插槽数量：7-11
•
丰富分析功能：2G/3G 、LTE/LTE-A 、Wimax 、数字电视、雷达等
M9392A
M9362AD01
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2.2 PXA 系列频谱和矢量信号分析仪 N9030A 。

N9030A 是安捷伦信号分析仪中的高性能旗舰产品。

通过突破性创新技术与传统技术优势的结合，PXA 拥有卓越的性能指标。

它可以在更宽的带宽内进行信号分析、降低测量不确定度及发现之前隐藏的信号。

同时它具有X 平台产品的共有优点：具有业界最广泛的测量应用软件，可以全面深入分析2G/3G/4G 、各种数字电视、雷达等复杂信号。

工程师在DPD 的研发工作中，不但可以利用PXA 的卓越指标完成功放的精确建模而且可以准确测量信号通过预失真器和功放后的信号调制质量、频率、相位等各种关键指标变化，不管使用的信号制式是标准制式2G/3G/LTE/LTE-A/Wimax/802.11ac/数字电视如CMMB ，DVB-H/T 还是微波宽带接入、复杂调制雷达或专用通信。

N9030A 的主要指标:
• 频率：3Hz-3.6GHz/8.4GHz/13.6GHz/26.5GHz/50 GHz ，利用外混频可达 325 GHz 以上
• 最低的本底噪声 (DANL) : -172 dBm ，专利的本底噪声扩展技术
•
最佳的幅度精度 : ± 0.19 dB
• 50GHz 频率下最宽的分析带宽 : 140 MHz • 最佳动态范围：75 dB 无杂散动态范围
•
丰富强大的分析能力：模拟解调、灵活数字解调、2G/3G 、HSDPA/HSUPA/HSPA+、LTE （FDD 和TDD ）、Wimax 、EMC 预兼容、噪声系数、相位噪声、脉冲分析、蓝牙、数字电视、Matlab 、89601B 连接等。

3．矢量信号源和任意波形发生器。

在作DPD 算法研究或方案设计时，工程师通常使用矢量信号源或专用发射机产生功放的输入信号。

和用户专用发射机相比，安捷伦矢量信号源的频率范围更宽、功率精度更高、信号种类更全面。

当信号调制带宽<100MHz 时，可以直接使用信号源的内部基带信号发生器。

当信号调制带宽>100MHz 时，需要使用任意波形发生器配合矢量信号源一起使用。

安捷伦最常用的矢量信号源包括MXG 系列射频矢量信号源N5182A 和PSG 系列微波矢量信号源E8267D 。

任意波形发生器包括15bit 、1.25GSa/s PXI 总线模块化M9330A 和14 bit 、8 GSa/s 任意波形发生器M8190A 等。

3.1 PSG 一体化微波矢量信号源E8267D 无论工作涉及无线通信、雷达系统、卫星通信还是微波宽带接入系统，PSG 都是理想选择。

E8267D 主要性能指标:
• 频率：250kHz-20GHz/31.8GHz/44 GHz •
调制带宽：内部基带发生器 80MHz 外部I/Q 输入 1.6GHz •
业界领先的输出功率：24 dBm
• 卓越相位噪声：-136 dBc/Hz 、（3.2GHz 10kHz 偏置） • 灵活的信号生成和校正软件
• 信号种类更全面（2G/3G/4G/DTV/Wifi/复杂雷达脉冲、用户自定义等）
N9030A 频谱和矢量信号分析仪
PSG 微波矢量信号源 E8267D
•窄脉冲调制（20ns）
•兼容安捷伦ADS软件、Matlab
3.2 MXG射频矢量信号源N5182A 采用2U高的紧凑设计，具有针对频率、幅度和波形的快速切换能力。

是无线通信测试的最佳选择。

N5182A主要性能指标:
•频率：250kHz-3GHz/6GHz
•调制带宽：内部基带发生器 100MHz
外部I/Q输入 160MHz
•最大输出功率：23 dBm
•卓越ACPR
3.3 PXI 模块化函数和任意波形发生器M9330A安捷伦模块化任意波形发生器同时具备高采样率和高比特分辨率，使设计人员可以在宽带无线通信、雷达、卫星和捷变频系统的精确测试中生成理想的波形。

M9330A主要性能指标:
•支持生成复杂宽带波形
•调制带宽：1GHz
•无杂散动态范围超过 65 dBc
3.4 AXIe任意波形发生器M8190A专利DAC技术保证了M8190A可以同时实现高带宽和高分辨率。

M8190A主要性能指标:
•支持两种不同的 DAC 设置，
》分辨率 14 bit 时，采样率为 8 GSa/s
》分辨率 12 bit 时，采样率为12GSa/s
•采样率调整范围: 125 MSa/s ~ 8/12 GSa/s
•无杂散动态范围 (SFDR)：80 dBc(典型值)
•谐波失真 (HD) 可达-72 dBc (典型值)
•每通道内存: 2 G采样，支持高级序列功能
MXG矢量信号源 N5182A
PXI 任意波形发生器M9330A 超宽带任意波形发生器M8190A
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