数字预失真关键技术
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充分的利用频带,没有防护频带. 低结合功率损耗. 高的传输量. 多载波功放对线性的要求更高 低的传输量情况下多载波功放的成本更高
11
引言: 频谱利用率和效率
频谱利用率 ¾ 运用高效的方式来利用有限的频带 ¾ 在同一个频带内进行多用户和多通道传输 ¾3 G 系统的频谱利用率 (1- 3 bits/Hz) ¾4 G系统的频谱利用率 ( 5-10 bits/Hz)
20
10
0
45 dBc
28.8 dB 37 dB 56 dB
Δ = 8.2 dB
-10 L = -9.2 dBm
1
-20
L = -28.2 dBm
2
-30
-3
-2
-1
ffcc
1
2
3
Frequency relative to Carrier (MHz)
31
误差矢量幅度 (EVM)
* N表示星座图中符号的个数.
MRF 21045
MRF 21085
RFout
3G 高功率放大器可以通过如下的方法表示 : 1. 传统的基于连续波测量的矢量网络分析仪 2. 基于多音的非线性特性描述方法 3. 基于实际调制信号的非线性特性描述方法
17
不同信号对静态非线性的影响
1. 功放多音测试信号是由载频为2140MHz的8个单音信号 组成，单音间隔为500KHz，合计3.5MHz带宽。
第五节 非线性建模及预失真性能快速评估软件介绍
第六节 结束语
第一章 数字预失真技术基础
第一节 引言 第二节 射频功放非线性特性 第三节 衡量非线性的技术参数（IMD3, IP3, ACPR, EVM） 第四节 功放非线性特性提取实验系统 第五节 功放非线性特性的行为模型 第六节 记忆效应鉴别和强度估算 第七节 功放的种类及性能评估
D o ub le-C h ann el Vector Signal Analyzer
(Agilent 89610B)
Local Oscillator
功放测试平台
36
第一章 数字预失真技术基础
第一节 引言 第二节 射频功放非线性特性 第三节 衡量非线性的技术参数（IMD3, IP3, ACPR, EVM） 第四节 功放非线性特性提取实验系统 第五节 功放非线性特性的行为模型 第六节 记忆效应鉴别和强度估算 第七节 功放的种类及性能评估
EVM 是在信号受损时对解调器性能 的度量，它揭示了理想和实际测试信 号之间的矢量差
32
第一章 数字预失真技术基础
第一节 引言 第二节 射频功放非线性特性 第三节 衡量非线性的技术参数（IMD3, IP3, ACPR, EVM） 第四节 功放非线性特性提取实验系统 第五节 功放非线性特性的行为模型 第六节 记忆效应鉴别和强度估算 第七节 功放的种类及性能评估
25
第一章 数字预失真技术基础
第一节 引言 第二节 射频功放非线性特性 第三节 衡量非线性的技术参数（IMD3, IP3, ACPR, EVM） 第四节 功放非线性特性提取实验系统 第五节 功放非线性特性的行为模型 第六节 记忆效应鉴别和强度估算 第七节 功放的种类及性能评估
三阶截取点(IP3/TOI)
效率 ¾延长电池供电的移动终端的使用时间 ¾ 基站的功率消耗低 ¾高可靠性和长无故障时间 ¾降低成本 ¾适合集成
12
第一章 数字预失真技术基础
第一节 引言 第二节 射频功放非线性特性 第三节 衡量非线性的技术参数（IMD3, IP3, ACPR, EVM） 第四节 功放非线性特性提取实验系统 第五节 功放非线性特性的行为模型 第六节 记忆效应鉴别和强度估算 第七节 功放的种类及性能评估
功率放大器的非线性特性
AM-AM 特性
AM-PM特性
14
2载波WCDMA信号的AM/AM 和AM/PM特性
15
静态非线性的去耦合
16
静态非线性特性
功放的静态非线性很大程度上依赖于施加到其上的信号， 几乎不存在对于同一个功放施加不同信号会产生完全相同 的功放特性的情况
RFin MHPA
21010
数字预失真关键技术
宁波大学信息科学与工程学院
刘太君 教授 博士 博导
IEEE高级会员 电子邮箱: taijun@ 电话：15858461089
2009年3月27日至29日
授课大纲
第一章 数字预失真技术基础
第一节 引言 第二节 射频功放非线性特性 第三节 衡量非线性的技术参数（IMD3, IP3, ACPR, EVM） 第四节 功放非线性特性提取实验系统 第五节 功放非线性特性的行为模型 第六节 记忆效应鉴别和强度估算 第七节 功放的种类及性能评估
Spectrum Analyzer (Agilent E4446A PSA)
GPIB
10MHz Ext Ref Out
GPIB
Bypass
Vector Signal Generator (ESG E4438C)
Power Amplifier
Varible Attenuator
Fixed Attenuator
2. 调整单音的相位使其与WCDMA信号具有相同的峰均 值比（PAPR）。
3. WCDMA信号是根据WCDMA 3GPP测试模式1合成的， 具有64 DPCH信道，信号带宽为3.84MHz， 峰均值比 （PAPR） 为10.2dB。
18
Gain (dB)
不同信号对静态非线性的影响 （AM/AM 特性）
1G Analog
Cellular
30kHz BW @ 800MHz
1980
AMPS/ D-AMPS
1985
1990
1995
2000
2005
2010
2015
• 可是，当功放工作在接近饱和区域时功放却有很高的效率
6
引言
许多应用要求高的数据传输(3G, IEEE 802.11)
频谱利用效率的重要性增加
ACPR(dB) = Poffset (dB) − Pmean (dB)
29
邻通道功率比(ACPR)
30
对44dBm功放的 30kHz归一化CDMA标准要求的图形表示
Power (dBm)
50
P = 44 dBm/1.23 MHz
40
PA
16.2 dB
30
P = 27.8 dBm/30 kHz
PA
50 Load
Directional Coupler 50 Load
35
时域特性提取系统
Vector Signal Generator
GP IB
(ESG E4438C)
Power Amplifier
D irectio n al C o up ler
10MHz Ext Ref Out Event 1 Out
具有高峰值因子的扩频接入和数字调制技术产生 ( CDMA, nQAM, OFDM) 要求功放线性化
功率放大器线性度要求：高回退的A类功放
高功耗 低效率
7
引言
低效率
基站运行成本增加 手持设备电池使用寿命变短
限制通信范围 高硬件成本
低回退功放的运用 ⇓
非线性产生
频谱和效率的折中迫切要求线性化功放
第二节 基于FPGA电路的预失真电路设计
第三节 预失真器参数的实时提取及实现
第四节 基于ASIC电路的数字预失真器设计及实现
1.
Intersil数字预失真线性化解决方案介绍
2.
PMC-Sierra数字预失真线性化解决方案介绍
3.
TI数字预失真线性化解决方案介绍
4.
Optichron数字预失真线性化解决方案介绍
33
时域特性提取系统
34
时域特性提取系统
External Trigger
10MHz Ext Ref In
70MHz IF Out
10MHz Ext Ref In
IEEE1394
Laptop Event 1 Out
GPIB Vector Signal Analyzer (Agilent 89610)
AM/PM 曲线
这些结果证实了在输入相同信号时不同平均功率对功放静态非线性 特性的影响
22
功放的多项式模型
• 运用多项式可以准确的描述功放非线性特性： • 这里系数描述了功放线性，二次和三次非线性
增益
23
基于双音测试的无记忆非线性系统的频谱再生
24
基于双音测试的无记忆非线性系统的频谱再生
• 理论上，带内失真是有由奇数阶非线性引起的 • 简单的多项式模型表示如下：
3G – Digital
Wideband
Cellular
2G Digital Cellular
5MHz BW @ 2.1GHz
WCDMA
1.25MHz BW CDMA @ 1.9GHz 2000
200kHz BW EDGE/ @ 800MHz CDMA
<=200kHz BW TDMA/ @ 8-900MHz GSM
Basic Concept
27
三阶交调干扰(IMD3)
Pin1 Pin2 f1 f2
Pout1 Pout2
IMD3
P3imd1
P3imd2
2f1-f2 f1 f2 2f2-f1
28
CDMA
邻通道功率比(ACPR)
W-CDMA
cdma2000
ACPR: the ratio between the outof-band power spectral density at the specified offset channels and the in-band spectral density.
8
引言
增益, 输出功率和效率相对于输入功率图 9
引言
幅度干扰
频谱再生
功放非线性问题介绍: 频谱再生（带外干扰）引起ACPR恶化 ⇒ 功放指标达不到 要求 信号失真(带内干扰) ⇒ 差EVM
10
利用单载波功放的基站架构(SCPA)
引言
利用多载波功放的基站架构(MCPA)
多载波功放与单载波功放的比较
52
51
50
49
CW
48
WCDMA
8-Tones 47
46
-25 -20 -15 -10 -5
0
5
Pin (dBm)
19
Phase (degree)
不同信号对静态非线性的影响 （AM/PM 特性）
-55
-60
-65
-70
CW
WCDMA
-75
8-Tones
-80
-25 -20 -15 -10 -5
0
其中
K : 多项式的阶数 A(|x(n)|): AM-AM变换 φ(|x(n)|) : AM-PM变换
39
x(n)
y(n)
Saleh模型
输入信号: x(t) = r(t)cos[ω0t+ψ(t)]
47
46
-25 -20 -15 -10 -5
0
5
Pin (dBm)
AM/AM 曲线
21
平均功率的变化对静态非线性的影响
-55
-60
Phase (degree)
-65
-70
Pmean = -7.7dBm
Pmean = -10.8dBm
-75
-80
-25 -20 -15 -10 -5
0
5
Pin (dBm)
无记忆/准记忆非线性系统
• 多项式模型 • Saleh模型
38
x(n)
y(n)
多项式模型
∑ y (n ) = bk x (n ) x (n ) k −1 = e jϕ (n ) F ( x (n ) ) k∈K
x (n ) = x (n ) e jϕ (n )
∑ F ( x (n ) ) = bk x (n ) k = A( x (n ) )e jφ ( x (n ) ) k∈K
第二章 数字预失真技术理论
第一节 引言 第二节 线性化技术概述 第二节 数字预失真基本原理 第三节 数字预失真线性化系统 第四节 数字预失真器及其参数辨识 第五节 数字预失真器参数辨识算法 第六节 峰均值比及削峰技术简介 第七节 数字预失真器的ADS仿真
第三章 数字预失真电路设计及实现
第一节 引言
5
Pin (dBm)
20
平均功率变化对静态非线性的影响
输 入 平 均 功 率 分 别 为 7.7dBm 和 -10.8dBm ， PAPR 为 11.2dB 的2载波W-CDMA信号施加到被测器件（DUT）测得 的非线性 特性
51
50
Gain (dB)
49
48
Pmean = -7.7dBm
Pmean = -10.8dBm
引言
• 现代通信系统急需一些高效率的调制方式；然而这些调制方式在 功放工作在接近饱和区时却产生了严重的交调干扰(IMD)。
4G Cellular
& WiMAX
20MHz BW Super 3G @ 2.1GHz & 4G
10-40MHz BW WiMAX @ 2.5, 3.5 & 5GHz .16a/d/e
External Trigger
PC
IEEE1394
50 Load
10MHz Ext Ref In
50 RF1
Load
Fixed A tte n u a to r
IF 2 IF 1
DoubleChannel
DownConverter
RF2
50 Load
V a rib le Attenuator
GP IB
11
引言: 频谱利用率和效率
频谱利用率 ¾ 运用高效的方式来利用有限的频带 ¾ 在同一个频带内进行多用户和多通道传输 ¾3 G 系统的频谱利用率 (1- 3 bits/Hz) ¾4 G系统的频谱利用率 ( 5-10 bits/Hz)
20
10
0
45 dBc
28.8 dB 37 dB 56 dB
Δ = 8.2 dB
-10 L = -9.2 dBm
1
-20
L = -28.2 dBm
2
-30
-3
-2
-1
ffcc
1
2
3
Frequency relative to Carrier (MHz)
31
误差矢量幅度 (EVM)
* N表示星座图中符号的个数.
MRF 21045
MRF 21085
RFout
3G 高功率放大器可以通过如下的方法表示 : 1. 传统的基于连续波测量的矢量网络分析仪 2. 基于多音的非线性特性描述方法 3. 基于实际调制信号的非线性特性描述方法
17
不同信号对静态非线性的影响
1. 功放多音测试信号是由载频为2140MHz的8个单音信号 组成，单音间隔为500KHz，合计3.5MHz带宽。
第五节 非线性建模及预失真性能快速评估软件介绍
第六节 结束语
第一章 数字预失真技术基础
第一节 引言 第二节 射频功放非线性特性 第三节 衡量非线性的技术参数（IMD3, IP3, ACPR, EVM） 第四节 功放非线性特性提取实验系统 第五节 功放非线性特性的行为模型 第六节 记忆效应鉴别和强度估算 第七节 功放的种类及性能评估
D o ub le-C h ann el Vector Signal Analyzer
(Agilent 89610B)
Local Oscillator
功放测试平台
36
第一章 数字预失真技术基础
第一节 引言 第二节 射频功放非线性特性 第三节 衡量非线性的技术参数（IMD3, IP3, ACPR, EVM） 第四节 功放非线性特性提取实验系统 第五节 功放非线性特性的行为模型 第六节 记忆效应鉴别和强度估算 第七节 功放的种类及性能评估
EVM 是在信号受损时对解调器性能 的度量，它揭示了理想和实际测试信 号之间的矢量差
32
第一章 数字预失真技术基础
第一节 引言 第二节 射频功放非线性特性 第三节 衡量非线性的技术参数（IMD3, IP3, ACPR, EVM） 第四节 功放非线性特性提取实验系统 第五节 功放非线性特性的行为模型 第六节 记忆效应鉴别和强度估算 第七节 功放的种类及性能评估
25
第一章 数字预失真技术基础
第一节 引言 第二节 射频功放非线性特性 第三节 衡量非线性的技术参数（IMD3, IP3, ACPR, EVM） 第四节 功放非线性特性提取实验系统 第五节 功放非线性特性的行为模型 第六节 记忆效应鉴别和强度估算 第七节 功放的种类及性能评估
三阶截取点(IP3/TOI)
效率 ¾延长电池供电的移动终端的使用时间 ¾ 基站的功率消耗低 ¾高可靠性和长无故障时间 ¾降低成本 ¾适合集成
12
第一章 数字预失真技术基础
第一节 引言 第二节 射频功放非线性特性 第三节 衡量非线性的技术参数（IMD3, IP3, ACPR, EVM） 第四节 功放非线性特性提取实验系统 第五节 功放非线性特性的行为模型 第六节 记忆效应鉴别和强度估算 第七节 功放的种类及性能评估
功率放大器的非线性特性
AM-AM 特性
AM-PM特性
14
2载波WCDMA信号的AM/AM 和AM/PM特性
15
静态非线性的去耦合
16
静态非线性特性
功放的静态非线性很大程度上依赖于施加到其上的信号， 几乎不存在对于同一个功放施加不同信号会产生完全相同 的功放特性的情况
RFin MHPA
21010
数字预失真关键技术
宁波大学信息科学与工程学院
刘太君 教授 博士 博导
IEEE高级会员 电子邮箱: taijun@ 电话：15858461089
2009年3月27日至29日
授课大纲
第一章 数字预失真技术基础
第一节 引言 第二节 射频功放非线性特性 第三节 衡量非线性的技术参数（IMD3, IP3, ACPR, EVM） 第四节 功放非线性特性提取实验系统 第五节 功放非线性特性的行为模型 第六节 记忆效应鉴别和强度估算 第七节 功放的种类及性能评估
Spectrum Analyzer (Agilent E4446A PSA)
GPIB
10MHz Ext Ref Out
GPIB
Bypass
Vector Signal Generator (ESG E4438C)
Power Amplifier
Varible Attenuator
Fixed Attenuator
2. 调整单音的相位使其与WCDMA信号具有相同的峰均 值比（PAPR）。
3. WCDMA信号是根据WCDMA 3GPP测试模式1合成的， 具有64 DPCH信道，信号带宽为3.84MHz， 峰均值比 （PAPR） 为10.2dB。
18
Gain (dB)
不同信号对静态非线性的影响 （AM/AM 特性）
1G Analog
Cellular
30kHz BW @ 800MHz
1980
AMPS/ D-AMPS
1985
1990
1995
2000
2005
2010
2015
• 可是，当功放工作在接近饱和区域时功放却有很高的效率
6
引言
许多应用要求高的数据传输(3G, IEEE 802.11)
频谱利用效率的重要性增加
ACPR(dB) = Poffset (dB) − Pmean (dB)
29
邻通道功率比(ACPR)
30
对44dBm功放的 30kHz归一化CDMA标准要求的图形表示
Power (dBm)
50
P = 44 dBm/1.23 MHz
40
PA
16.2 dB
30
P = 27.8 dBm/30 kHz
PA
50 Load
Directional Coupler 50 Load
35
时域特性提取系统
Vector Signal Generator
GP IB
(ESG E4438C)
Power Amplifier
D irectio n al C o up ler
10MHz Ext Ref Out Event 1 Out
具有高峰值因子的扩频接入和数字调制技术产生 ( CDMA, nQAM, OFDM) 要求功放线性化
功率放大器线性度要求：高回退的A类功放
高功耗 低效率
7
引言
低效率
基站运行成本增加 手持设备电池使用寿命变短
限制通信范围 高硬件成本
低回退功放的运用 ⇓
非线性产生
频谱和效率的折中迫切要求线性化功放
第二节 基于FPGA电路的预失真电路设计
第三节 预失真器参数的实时提取及实现
第四节 基于ASIC电路的数字预失真器设计及实现
1.
Intersil数字预失真线性化解决方案介绍
2.
PMC-Sierra数字预失真线性化解决方案介绍
3.
TI数字预失真线性化解决方案介绍
4.
Optichron数字预失真线性化解决方案介绍
33
时域特性提取系统
34
时域特性提取系统
External Trigger
10MHz Ext Ref In
70MHz IF Out
10MHz Ext Ref In
IEEE1394
Laptop Event 1 Out
GPIB Vector Signal Analyzer (Agilent 89610)
AM/PM 曲线
这些结果证实了在输入相同信号时不同平均功率对功放静态非线性 特性的影响
22
功放的多项式模型
• 运用多项式可以准确的描述功放非线性特性： • 这里系数描述了功放线性，二次和三次非线性
增益
23
基于双音测试的无记忆非线性系统的频谱再生
24
基于双音测试的无记忆非线性系统的频谱再生
• 理论上，带内失真是有由奇数阶非线性引起的 • 简单的多项式模型表示如下：
3G – Digital
Wideband
Cellular
2G Digital Cellular
5MHz BW @ 2.1GHz
WCDMA
1.25MHz BW CDMA @ 1.9GHz 2000
200kHz BW EDGE/ @ 800MHz CDMA
<=200kHz BW TDMA/ @ 8-900MHz GSM
Basic Concept
27
三阶交调干扰(IMD3)
Pin1 Pin2 f1 f2
Pout1 Pout2
IMD3
P3imd1
P3imd2
2f1-f2 f1 f2 2f2-f1
28
CDMA
邻通道功率比(ACPR)
W-CDMA
cdma2000
ACPR: the ratio between the outof-band power spectral density at the specified offset channels and the in-band spectral density.
8
引言
增益, 输出功率和效率相对于输入功率图 9
引言
幅度干扰
频谱再生
功放非线性问题介绍: 频谱再生（带外干扰）引起ACPR恶化 ⇒ 功放指标达不到 要求 信号失真(带内干扰) ⇒ 差EVM
10
利用单载波功放的基站架构(SCPA)
引言
利用多载波功放的基站架构(MCPA)
多载波功放与单载波功放的比较
52
51
50
49
CW
48
WCDMA
8-Tones 47
46
-25 -20 -15 -10 -5
0
5
Pin (dBm)
19
Phase (degree)
不同信号对静态非线性的影响 （AM/PM 特性）
-55
-60
-65
-70
CW
WCDMA
-75
8-Tones
-80
-25 -20 -15 -10 -5
0
其中
K : 多项式的阶数 A(|x(n)|): AM-AM变换 φ(|x(n)|) : AM-PM变换
39
x(n)
y(n)
Saleh模型
输入信号: x(t) = r(t)cos[ω0t+ψ(t)]
47
46
-25 -20 -15 -10 -5
0
5
Pin (dBm)
AM/AM 曲线
21
平均功率的变化对静态非线性的影响
-55
-60
Phase (degree)
-65
-70
Pmean = -7.7dBm
Pmean = -10.8dBm
-75
-80
-25 -20 -15 -10 -5
0
5
Pin (dBm)
无记忆/准记忆非线性系统
• 多项式模型 • Saleh模型
38
x(n)
y(n)
多项式模型
∑ y (n ) = bk x (n ) x (n ) k −1 = e jϕ (n ) F ( x (n ) ) k∈K
x (n ) = x (n ) e jϕ (n )
∑ F ( x (n ) ) = bk x (n ) k = A( x (n ) )e jφ ( x (n ) ) k∈K
第二章 数字预失真技术理论
第一节 引言 第二节 线性化技术概述 第二节 数字预失真基本原理 第三节 数字预失真线性化系统 第四节 数字预失真器及其参数辨识 第五节 数字预失真器参数辨识算法 第六节 峰均值比及削峰技术简介 第七节 数字预失真器的ADS仿真
第三章 数字预失真电路设计及实现
第一节 引言
5
Pin (dBm)
20
平均功率变化对静态非线性的影响
输 入 平 均 功 率 分 别 为 7.7dBm 和 -10.8dBm ， PAPR 为 11.2dB 的2载波W-CDMA信号施加到被测器件（DUT）测得 的非线性 特性
51
50
Gain (dB)
49
48
Pmean = -7.7dBm
Pmean = -10.8dBm
引言
• 现代通信系统急需一些高效率的调制方式；然而这些调制方式在 功放工作在接近饱和区时却产生了严重的交调干扰(IMD)。
4G Cellular
& WiMAX
20MHz BW Super 3G @ 2.1GHz & 4G
10-40MHz BW WiMAX @ 2.5, 3.5 & 5GHz .16a/d/e
External Trigger
PC
IEEE1394
50 Load
10MHz Ext Ref In
50 RF1
Load
Fixed A tte n u a to r
IF 2 IF 1
DoubleChannel
DownConverter
RF2
50 Load
V a rib le Attenuator
GP IB