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為了實(shí)現 Gb/s 級鏈路吞吐量，新的制式使用更高帶寬、多路輸入多路輸出(MIMO)、空時(shí)編碼和高階正交頻分復用(OFDM)調制制式，這對無(wú)線(xiàn)元器件的線(xiàn)性、帶寬和功耗提出了新的要求。以802.11 ac為例，該標準構建在 802.11 n 的高吞吐量性能之上，旨在應對新應用模型的挑戰。802.11 ac 繼續在 802.11 a/n 5 GHz 頻段下工作，是在高吞吐量 802.11 n 技術(shù)標準之上建立起來(lái)的，并主要在以下四個(gè)方面做出了改進(jìn)：更寬的信道帶寬(最佳 160 MHz 帶寬);更高階的 MIMO(最高 8*8);多用戶(hù) MIMO(最多 4 個(gè)用戶(hù));更高階的調制(可支持 256 QAM)。 設計驗證工程師必須確保其針對 802.11 ac 的設計能夠在各種條件下運行良好，驗證其設備在要求最嚴格的 MIMO 空間復用模式下仍符合性能要求。驗證MIMO發(fā)射機的工作性能需要一臺多通道信號分析儀，用以解調多流波形并測量 EVM 和其它物理層參數。802.11 ac MIMO 發(fā)射機的設計和驗證需要對多通道 MIMO 空間復用信號進(jìn)行誤差矢量幅度(EVM)測量。測試解決方案應提供快速的測量方法，并保證極高的置信度。802.11 ac 標準更高階的調制形式和更寬的帶寬要求 EVM 測量較以往更為準確，而測試解決方案提供的剩余 EVM 應超過(guò)這些要求。隨著(zhù)設備的演進(jìn)，測試解決方案也應該逐步改進(jìn)，對 MIMO 設備的測試支持能力也要從單、雙通道40 MHz 擴展至三、四通道 160 MHz 的水平。 新制式為通信系統架構師和射頻功率放大器設計人員帶來(lái)了新的挑戰。設計人員必須確定現有 3G 設計和未來(lái) 4G 運行環(huán)境的性能差異，以及 3G 設計是否需要重新設計，或者新的供應商是否合格。硬件也必須滿(mǎn)足或超出性能標準的規定，例如 ACPR、EVM 或吞吐量(如 BLER、BER 和 PER)，同時(shí)滿(mǎn)足內部產(chǎn)品設計目標要求。由于智能手機和其他先進(jìn)無(wú)線(xiàn)器件對電池的依賴(lài)程度極高，如何通過(guò)設計獲得最高的效率十分關(guān)鍵。射頻功率放大器具有特別重要的作用。選擇和設計滿(mǎn)足設計目標的適合功率放大器是一個(gè)巨大的挑戰。 面臨的挑戰 功率放大器是無(wú)線(xiàn)通信系統中決定整體性能和吞吐量的關(guān)鍵元件，并且具有固有的非線(xiàn)性。非線(xiàn)性產(chǎn)生的頻譜再生會(huì )導致相鄰信道干擾和違反監管機構標準的帶外輻射，還會(huì )引發(fā)帶內失真，降低通信系統的誤碼率(BER)質(zhì)量和數據吞吐量。 圖1 至 4 是根據分量載波組合位置劃分的不同傳輸體系結構(例如數字基帶階段、射頻混頻器之前的模擬波形階段、通過(guò)混頻器后但在功率放大器之前或者通過(guò)功率放大器之后)。圖 1-4 顯示，集成 RFIC SoC、CMOS 芯片組和基站體系結構分別以不同的方式實(shí)現了各自的設計目標，但這些體系結構具有共同的挑戰――寬帶功率放大器設計，這也是射頻工程師面臨的最普遍挑戰�！ � 
另一個(gè)挑戰是在峰均功率比(PRPR 或波峰因數)與功率附加效率(PAE)之間取得折中。新的正交頻分多路復用傳輸制式，例如 3GPP LTE、LTE-Advanced 和 802.11ac,，具有高峰均功率比。偶發(fā)的較高峰值功率電平導致功率放大器嚴重鉗位、影響整個(gè)波形的頻譜模板一致性、EVM 和 BER。在較低功率下運行功率放大器是降低這種非線(xiàn)性的一個(gè)方法。 但是，這意味著(zhù)功率放大器需要在長(cháng)期飽和功率以下回退很多。換句話(huà)說(shuō)，功率放大器在大多數時(shí)間都處于資源浪費的狀態(tài)。這導致極低的效率，通常低于 10%。(超過(guò) 90% 的直流功率轉化為熱能并流失)。對于基站來(lái)說(shuō)，這會(huì )限制服務(wù)區域范圍，增加服務(wù)提供商的資本和運營(yíng)支出。同時(shí)，這還會(huì )降低手機的服務(wù)質(zhì)量(QoS)和電池壽命，導致客戶(hù)不滿(mǎn)和收入下滑。線(xiàn)性化可以讓功率放大器在高功率附加效率(PAE)區間運行，接近飽和點(diǎn)且不會(huì )出現嚴重的信號失真，從而降低了成本。 數字預失真(DPD)是一個(gè)經(jīng)濟高效的線(xiàn)性化方法。目前，市場(chǎng)可提供 2G/3G 制式的全套商用現貨(COTS)芯片組和 IP 來(lái)滿(mǎn)足此需求。但是，很多情況下這些商用數字預失真方法無(wú)法滿(mǎn)足 4G 要求。以下總結了當今物理層通信設計人員面臨的數字預失真挑戰。 解決方案 工程師向 4G 過(guò)渡需要一個(gè)快速可行的解決方案，以實(shí)現 4G 通信系統的數字預失真。各個(gè)知識層面的工程師都可以使用這個(gè)解決方案，并且方案的設備要求極低。工具套件必須精確、避免依賴(lài)某一特定廠(chǎng)商的芯片組或硬件方案來(lái)實(shí)現初期建模，并且能夠將定制數字預失真融入基帶設計中，從而保持較小的BOM表。此外，它必須能夠與一系列其他工具連接，以進(jìn)行硬件驗證。 增加了數字預失真功能――W1716 DPD Builder 的 Agilent SystemVue 平臺是滿(mǎn)足上述條件的解決方案之一。該軟件提供帶有向導指示的簡(jiǎn)單易用型用戶(hù)界面，能夠讓用戶(hù)對大功率和小功率功率放大器、收發(fā)機集成電路甚至自動(dòng)增益控制模塊的 4G記憶 效應進(jìn)行快速建模和校正。 W1716 DPD 旨在幫助無(wú)線(xiàn)系統架構師使用實(shí)驗室現有的通用商用測試設備進(jìn)行早期的體系架構和元件分析。專(zhuān)有數字預失真解決方案需要工程師僅僅為了進(jìn)行4G可行性研究就要在方案成熟前做出一系實(shí)施決定。使用 W1716 DPD，無(wú)線(xiàn)架構師可以在數分鐘內評測一個(gè)元件在保持硬件靈活性和充分的 4G 測量信心的前提下能夠多大程度被線(xiàn)性化。安捷倫實(shí)現上述目標憑借了以下關(guān)鍵優(yōu)勢：強大且易用的安捷倫數字預失真算法、開(kāi)放、不依賴(lài)于特定廠(chǎng)商或技術(shù)的數字預失真與功率放大器硬件設計方法、高性能且靈活的安捷倫儀器、真實(shí)且符合標準的波形(例如 LTE 和 LTE-Advanced，帶有 CFR)進(jìn)行表征。 CFR 補充并改善了數字預失真的效果。當代通信系統中高頻譜效率的射頻信號具有高達 13 dB 的峰均功率比(PAPR)。CFR 可預處理信號以降低信號峰值，同時(shí)不會(huì )引發(fā)嚴重的信號失真。通過(guò)降低峰均功率比，CFR 支持功率放大器在更高的功率電平下更高效率地工作，并且不會(huì )引發(fā)頻譜模板和誤差矢量幅度標準違規。CFR 直接作用于信號，而數字預失真校正功率放大器的非線(xiàn)性，支持信號功率的進(jìn)一步提升。 Agilent PXI 模塊化數字預失真儀器 與其他數字預失真方法不同，安捷倫的數字預失真方案從設計人員的角度出發(fā)，提供功能靈活的內置寬帶建模工局，可連接至可配置的儀器(例如安捷倫模塊化 PXI 系列)(圖 5)�！ �
此設置中，任意波形發(fā)生器配有用于 LTE-A 和 802.11ac 的 SystemVue，可以提供測試元件所需的標準信號，運行安捷倫矢量信號分析(VSA)軟件的 M9392A 捕獲信號，以測量功率放大器的非線(xiàn)性。使用 SystemVue 以及 M9330A 和 M9392A 可以控制并實(shí)現整個(gè)數字預失真設計流程的自動(dòng)化。 對運行中的模擬功率放大器應用數字預失真 圖 6 顯示的是記憶多項式數字預失真器的結構圖。第一步是理解功率放大器行為背后的物理機制，并提取數字預失真系數。第二步是構建預失真器模型，以便在第一步的基礎上精確捕獲靜態(tài)非線(xiàn)性和記憶效應。標記為“預失真器訓練”的反饋路徑(模塊 A)輸入為 (n)/G，輸出為 zˆ(n)，其中 G 是預期功率放大器小幅信號增益。實(shí)際預失真器是反饋路徑的完全復制(A 的副本)，輸入和輸出分別為 x(n) 和 z(n)。理想狀況下，(n) = Gx(n)，其中 z(n) = zˆ(n)，誤差項 e(n) = 0。根據 y(n) 和 z(n)，該結構可以讓我們直接找出模塊 A 的參數，進(jìn)而生成預失真器。算法在誤差能量 ║e(n)║2 最低時(shí)收斂�！ �
使用 SystemVue W1716 DPD 功能表征真實(shí)的功率放大器硬件是一個(gè)簡(jiǎn)單直接的、只需幾分鐘的過(guò)程。測量設置和步驟如圖 7 所示。注意，基于仿真的數字預失真提取方法也使用相同的流程。本應用指南中暫不討論該方法。 數字預失真建模流程步驟： 1. 通過(guò) W1716 DPD 向導計算并將數字預失真激勵波形(例如 LTE-Advanced、802.11ac 或定制波形)下載至 M9330A 任意波形發(fā)生器�；鶐我獠ㄐ伟l(fā)生器輸出 I 和 Q 模擬電壓，來(lái)驅動(dòng) Agilent N5182A MXG 信號源的基帶輸入。之后，MXG 輸出一個(gè)調制的射頻波形作為功率放大器的激勵，激勵信號帶有之前設定的平坦度和校準。注意，大型基站功率放大器可能需外部前置放大器來(lái)驅動(dòng)至 1 dB 壓縮點(diǎn)。 2. 使用 M9392A 矢量信號分析儀捕獲原始輸入信號和功率放大器放大之后的信號，并通過(guò) 89600 VSA 軟件傳回 SystemVue。注意，功率放大器輸出信號進(jìn)入 M9392A 前可能需要衰減，以避免損環(huán)或造成分析儀過(guò)載，或降低其校準性能。 3. W1716 DPD 工具可以根據時(shí)間對應并比較捕獲的輸出波形與線(xiàn)性標度的輸入波形，以獲得代表被測件特性的 EVM 歷史記錄。根據上述差異可以提取數字預失真模型，然后通過(guò)仿真進(jìn)行驗證。此時(shí)，您可以獲得一個(gè)在斷開(kāi)測量?jì)x器后仍可使用的“臟(dirty)功率放大器”模型。 4. 為了在硬件中進(jìn)行驗證，對原始激勵信號進(jìn)行預失真并再次下載到信號發(fā)生器上，以再次測試功率放大器。使用與步驟 2 相同的物理連接并捕獲線(xiàn)性化后的DPD+功率放大器響應。 5. 分析并繪制捕獲響應的圖形�！ �
圖8顯示的是5步測量法數字預失真建模流程在商用功率放大器中的應用。與圖5的示意圖一致，運行 SystemVue 的筆記本電腦(圖 8 上部)控制安捷倫 PXI 模塊化儀器(圖 8 下部)，M9330A 任意波形發(fā)生器與 M9392A 集成于同一個(gè)機箱。外部 N5182 MXG 射頻信號源(圖 8 中部)將 M9330A 任意波形發(fā)生器輸出的基帶信號上變頻為調制載波。 |
