數(shù)字預(yù)失真(DPD)技術(shù)隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展迅速登上歷史舞臺。我們?yōu)槭裁匆肈PD技術(shù)？DPD原理本質(zhì)是什么？什么是DPD的模型和算法，有什么區(qū)別？DPD對通信系統(tǒng)帶來什么樣的效果？本文將帶領(lǐng)您進入這個神秘的DPD世界進行探索。同時在文章最后，作者拋磚引玉的暢想DPD技術(shù)在通信領(lǐng)域外的一些展望供大家思考。

1. 為什么要用數(shù)字預(yù)失真

移動通信的技術(shù)發(fā)展主要圍繞提高信號傳輸速率這一目標(biāo)進行展開，這是用戶端需求；而商業(yè)運作需要圍繞著降本增效的目標(biāo)進行展開，這是供應(yīng)端需求。用戶端和供應(yīng)端的博弈共同決定了最終的技術(shù)路線。

提高信息傳輸速率有兩種方式，其一是采用更高階的信號調(diào)制方式，使得相同帶寬下比特率增加；另一種是采用更寬的瞬時帶寬。當(dāng)信號端做出更加適用于用戶端需求的更改后，進入系統(tǒng)的信號峰均比也跟著變高。

在理想情況下，功放呈現(xiàn)出線性特性，此時僅需計算出信號的峰均比，將功放從飽和狀態(tài)下調(diào)一個峰均比即可無失真放大。然而實際情況下，功放本身具有非線性，會存在增益壓縮和相位失真，此時放大器便會使信號嚴(yán)重失真，EVM惡化。如圖中采用60 MHz帶寬，7.8 dB峰均比，64-QAM信號經(jīng)過功率放大器的星座圖，其收發(fā)回環(huán)EVM惡化到了5.1%，大大提高解調(diào)難度，無法采用更高階的調(diào)制信號。

并會產(chǎn)生頻譜再生，測試結(jié)果中鄰信道抑制比惡化到了-29 dBc，會影響其他頻帶的正常通信。

在這種情況下，要想直接的改善功放的失真，只能使用能輸出峰值功率更高的功放，讓放大器工作在線性區(qū)。在調(diào)制更復(fù)雜的場景下，很有可能會出現(xiàn)需求輸出5 W平均功率，但功放峰值輸出能力需要達到100 W的情況。除了物料成本外，低效帶來的散熱和穩(wěn)定度也無法保障。這與供應(yīng)端降本增效的需求相違背。

此時DPD技術(shù)應(yīng)運而生，可在功放達到線性度需求的情況下，顯著提升其平均輸出功率。當(dāng)然功放部分也有眾多學(xué)者和從業(yè)人員研究高峰均比下的能效，我們將在之后的專欄進行討論，本文便不再展開。

2. 數(shù)字預(yù)失真原理和實現(xiàn)框圖

功放的輸出不是“直”的，而是隨著功率的變化逐漸變“彎”。這彎的部分便是非線性產(chǎn)物的罪魁禍?zhǔn)祝珼PD技術(shù)本質(zhì)是產(chǎn)生一個反向彎曲線，兩模塊一拍即合，信號便被拉直了。原理是不是很簡單？但事實是眾多學(xué)者和從業(yè)人員在這個技術(shù)點上研究了大半生。

這一條簡單的曲線糾結(jié)有什么魔力呢？因為我們的輸出曲線希望的是一條很細(xì)且直的線，但由于帶寬的增加，功放的線會發(fā)生分散而變粗；由于功放技術(shù)的演化如負(fù)載調(diào)制等，該線不再是簡單的先直后彎，而是如波濤般上下起伏；由于預(yù)失真器是FPGA例化所得，硬件是否能在有限的資源滿足。這一系列問題便使得DPD技術(shù)在大帶寬的實際應(yīng)用中（400 MHz帶寬以上）困難重重。

實際系統(tǒng)中，DPD需要構(gòu)建一個完整的反饋通道。對一個功率放大器進行數(shù)字預(yù)失真處理可分為特征提取、參數(shù)辨識和信號預(yù)失真三個階段，整個過程均在基帶進行處理，一般以IP核的形式實現(xiàn)。

3. 什么是數(shù)字預(yù)失真的模型和算法

翻開文獻，什么Saleh模型、Volterra模型、LUT模型、多盒模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、AI模型等等引入眼簾；什么多項式LMS算法、貝葉斯算法等等讓人眼花繚亂。

那什么是模型，什么是算法，以及怎么實現(xiàn)他們呢？

對于發(fā)射機來說，基帶輸入—DAC—上變頻—功放—天線是標(biāo)準(zhǔn)的架構(gòu)，也是信號流的主干道，DPD器便是插入這條主干道的關(guān)卡，信號實時流過預(yù)失真器，處理了之后通過DAC進行輸出。DPD器的實現(xiàn)就是模型，模型的本質(zhì)是能夠物理實現(xiàn)的“基”，由于其主干道的信息流速大，通常這部分使用FPGA實現(xiàn)，當(dāng)然也可以設(shè)計專用芯片來進行實現(xiàn)。使用Matlab、Python等工具也可以在脫離硬件的情況下進行仿真預(yù)測。

實現(xiàn)了基，還需要針對不同使用條件下，對每個基的“權(quán)重”也就是DPD系數(shù)進行調(diào)整。這時需要算法來計算系數(shù)，計算核心同時抓取輸入信號和輸出反饋信號進行對比與處理，便計算出系數(shù)值，送到FPGA例化的預(yù)失真器進行調(diào)整。從框圖可以看出參數(shù)估計模塊并不在信號流主干道上，而是一條小水渠。其對于實時性要求不高，那么實現(xiàn)便可以根據(jù)實際使用場景來選擇。

可以在FPGA里進行計算，可以在系統(tǒng)搭載的CPU中進行計算，亦可以通過外部服務(wù)器進行計算之后將數(shù)據(jù)傳入內(nèi)部。

4. 數(shù)字預(yù)失真效果展示

本文將使用雙通道矢量信號收發(fā)器進行DPD實驗，F(xiàn)PGA實現(xiàn)的預(yù)失真器采用普遍的廣義記憶多項式模型，參數(shù)計算由內(nèi)部ARM進行計算。

運行數(shù)字預(yù)失真，EVM改善到0.8%，此時使用1024-QAM信號也在星座圖上清晰可見。

頻譜也得到改善

同時觀測DPD前后的AM-AM和AM-PM曲線也可以看到增益和相位都得到較大的改善

5. 數(shù)字預(yù)失真技術(shù)的展望

從20世紀(jì)90年代至今，DPD技術(shù)已在通信基站中進行商用且數(shù)量超過800萬臺，似乎該項技術(shù)生來就是為移動通信服務(wù)的。

那么是DPD潛力僅限于此？還是移動通信的皓月光輝掩蓋了其繁星光芒？ 筆者從事射頻系統(tǒng)、數(shù)字預(yù)失真、功率放大器多年，個人感覺DPD在應(yīng)用端的潛力似乎被低估了。

DPD技術(shù)是一個系統(tǒng)化的技術(shù)，對于整個射頻系統(tǒng)都有改善性能的能力，不論是移動通信，還是雷達探測、衛(wèi)星通信、跳頻抗干擾等涉及到射頻收發(fā)的系統(tǒng)均有能力改善。不僅是大功率功率放大器，包括低噪放、混頻器、濾波器、開關(guān)等均能提高信號質(zhì)量和輸出功率。

當(dāng)然技術(shù)遷移時，核心技術(shù)研究方向會發(fā)生很大的改變。筆者這里僅是拋磚引玉，希望引起大家的思考。

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審核編輯 黃宇