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為了實現 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)、空時編碼和高階正交頻分復用(OFDM)調制制式，這對無線元器件的線性、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 技術標準之上建立起來的，并主要在以下四個方面做出了改進：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 MIMO(最多 4 個用戶);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 發射機的設計和驗證需要對多通道 MIMO 空間復用信號進行誤差矢量幅度(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 應超過這些要求。隨著設備的演進，測試解決方案也應該逐步改進，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了新的挑戰。設計人員必須確定現有 3G 設計和未來 4G 運行環境的性能差異，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)，同時滿足內部產品設計目標要求。由于智能手機和其他先進無線器件對電池的依賴程度極高，如何通過設計獲得最高的效率十分關鍵。射頻功率放大器具有特別重要的作用。選擇和設計滿足設計目標的適合功率放大器是一個巨大的挑戰。 面臨的挑戰 功率放大器是無線通信系統中決定整體性能和吞吐量的關鍵元件，并且具有固有的非線性。非線性產生的頻譜再生會導致相鄰信道干擾和違反監管機構標準的帶外輻射，還會引發帶內失真，降低通信系統的誤碼率(BER)質量和數據吞吐量。 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、通過混頻器后但在功率放大器之前或者通過功率放大器之后)。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。偶發的較高峰值功率電平導致功率放大器嚴重鉗位、影響整個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性的一個方法。 但是，這意味著功率放大器需要在長期飽和功率以下回退很多。換句話說，功率放大器在大多數時間都處于資源浪費的狀態。這導致極低的效率，通常低于 10%。(超過 90% 的直流功率轉化為熱能并流失)。對于基站來說，這會限制服務區域范圍，增加服務提供商的資本和運營支出。同時，這還會降低手機的服務質量(QoS)和電池壽命，導致客戶不滿和收入下滑。線性化可以讓功率放大器在高功率附加效率(PAE)區間運行，接近飽和點且不會出現嚴重的信號失真，從而降低了成本。 數字預失真(DPD)是一個經濟高效的線性化方法。目前，市場可提供 2G/3G 制式的全套商用現貨(COTS)芯片組和 IP 來滿足此需求。但是，很多情況下這些商用數字預失真方法無法滿足 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 過渡需要一個快速可行的解決方案，以實現 4G 通信系統的數字預失真。各個知識層面的工程師都可以使用這個解決方案，并且方案的設備要求極低。工具套件必須精確、避免依賴某一特定廠商的芯片組或硬件方案來實現初期建模，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單易用型用戶界面，能夠讓用戶對大功率和小功率功率放大器、收發機集成電路甚至自動增益控制模塊的 4G記憶 效應進行快速建模和校正。 W1716 DPD 旨在幫助無線系統架構師使用實驗室現有的通用商用測試設備進行早期的體系架構和元件分析。專有數字預失真解決方案需要工程師僅僅為了進行4G可行性研究就要在方案成熟前做出一系實施決定。使用 W1716 DPD，無線架構師可以在數分鐘內評測一個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性化。安捷倫實現上述目標憑借了以下關鍵優勢：強大且易用的安捷倫數字預失真算法、開放、不依賴于特定廠商或技術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、真實且符合標準的波形(例如 LTE 和 LTE-Advanced，帶有 CFR)進行表征。 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，同時不會引發嚴重的信號失真。通過降低峰均功率比，CFR 支持功率放大器在更高的功率電平下更高效率地工作，并且不會引發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性，支持信號功率的進一步提升。 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，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性。使用 SystemVue 以及 M9330A 和 M9392A 可以控制并實現整個數字預失真設計流程的自動化。 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非線性和記憶效應。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，進而生成預失真器。算法在誤差能量 ║e(n)║2 最低時收斂。
使用 SystemVue W1716 DPD 功能表征真實的功率放大器硬件是一個簡單直接的、只需幾分鐘的過程。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 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 任意波形發生器。基帶任意波形發生器輸出 I 和 Q 模擬電壓，來驅動 Agilent N5182A MXG 信號源的基帶輸入。之后，MXG 輸出一個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驅動至 1 dB 壓縮點。 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 89600 VSA 軟件傳回 SystemVue。注意，功率放大器輸出信號進入 M9392A 前可能需要衰減，以避免損環或造成分析儀過載，或降低其校準性能。 3. W1716 DPD 工具可以根據時間對應并比較捕獲的輸出波形與線性標度的輸入波形，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，然后通過仿真進行驗證。此時，您可以獲得一個在斷開測量儀器后仍可使用的“臟(dirty)功率放大器”模型。 4. 為了在硬件中進行驗證，對原始激勵信號進行預失真并再次下載到信號發生器上，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 任意波形發生器與 M9392A 集成于同一個機箱。外部 N5182 MXG 射頻信號源(圖 8 中部)將 M9330A 任意波形發生器輸出的基帶信號上變頻為調制載波。 |
