Digital Pre-Distortion （数字预失真）以及用途
Digital Pre-Distortion （数字预失真）以及用途
2014-04-04 10:09:29| 分类：FPGA | 标签：fpga 数字预失真 通信基础 wcdma 功率放大器 |举报|字号 订阅
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为什么要进行预失真处理？
为了获得更大的输出信号功率，功率放大器一般会工作在接近饱和点的工作范围。这样 功放的非线性失真会使其产生新的频率分量，如对于二阶失真会产生二次谐波和双音拍频， 对于三阶失真会产生三次谐波和多音拍频。这些新的频率分量不论是落在通带内还是落在通带外都会对有用信号带来不利的影响。
这种非线性失真不但会消除由于线性调制方法的应用 而得到的频谱效率高的优点，还会导致波束宽度、旁瓣抑制、零位深度等一系列发射端天线 性能指标变差。再加上各种现代高效频谱调制(如OFDM 和CDMA)信号的高峰均比特性，使得工作于饱和点附近的功放非线性失真更加严重。
而功放是发射机系统中非线性失真的主要来源，因此为了较好的解决功放的这种非线性失真所带来的各种问题。最直接有效的方法就是利用各种线性化方法对射频功率放大器的进行线性化处理。
数字预失真的用处
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。
(
交调干扰——三阶交调失真
)
tips：
- 交调干扰是因为非线性器件转移函数的3次或者3次以上的项，所引起的其他调制频率进入到被干扰频率的一种现象。
- 所以交调不会随着接受滤波器性能的提高而改善，在通信领域危害较大。
- 防止交调的措施是接受变频器件应尽量避免和削弱转移函数的3次或者3次以上的项，比如选用MOS管等。
- 交调干扰主要是指数、模共站的基站，由于模拟基站发射机的影响，而对数字基站产生的干扰。
- 这种干扰的直接后果是时隙分配不出去，造成基站资源的浪费，也会产生掉话。
现代调制技术比如（正交频分复用OFDM），其信号具有很高的峰均功率比（PAPR）和较宽的带宽（如上图），对功率放大器PA的非线性失真就非常敏感。
tips：
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)正交频分复用技术，OFDM是一种MCM(Multi-Carrier Modulation)多载波调制技术。
其核心是将信道分成若干个正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，这样减少了子信道之间的相互干扰。
每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的频率选择性衰落是平坦的，大大消除了符号间干扰。
另外，由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。在
各个子信道中的这种正交调制和解调可以采用IFFT和FFT方法来实现。
在向B3G/4G演进的过程中，OFDM是关键的技术之一，可以结合分集，时空编码，干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术，最大限度的提高了系统性能。
OFDM已经广泛应用于广播信道方式的宽带数据通信系统中，如数字音频电视(DAB)、高清晰度数字电视(HDTV)以及IEEE802.11a和IEEE802.16a无线局域网标准中(WLAN)。勿庸置疑，OFDM将是下一代移动无线系统中空中接口技术研究的热点之一。
介绍功率放大器PA的相关问题
功放的二个物理现象是AM-AM和AM-PM，它们是功放非线性发生的主要原因，特性曲线如图：
AM-PM 转换相当于一个调相信号加到理想的功放上， 它主要影响功放的频谱再生指标邻道功率泄漏比(ACPR)。
载波WCDMA信号的AM-AM和AM-PM特性图：
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。
对于频谱再生的测试与结论：
理论上，带内失真是有奇数阶非线性引起的。
衡量非线性的技术参数
IMD3
IP3（三阶截取点）
IP3 越高表示线性度越好和
更少的失真。从数学的角度看，IP3 是基波在理想线性输出曲线和三阶失真输出曲线交点的理
论输入功率。
若给定一个输入功率 P
in ，其功 放输出功率为P
out ，且三阶互调失真功率P
IM。最终推导得到测试三阶截点功率计算式为
有了OIP
3 ，则IIP
3 = OIP
3/ Gain。
三阶互调系数IM
3，定义为：
其中，A
3 为三阶互调项幅度，A
B 为基本频率项幅度， IM
3 与IP
3 一起用来描述功放非线性失 真程度。
ACPR
ACPR(Adjacent Channel Power Ratio)邻通道功率比，度量了干扰或者说是相邻频率信道功率的大小。
通
常指为相邻频道(或偏移)内平均功率与发射信号频道内的平均功率之比，
通常是在间隔多个
信道的信道之间进行测量(与相邻信道或间隔信道之间)。
当进行ACPR测试的时候，要考虑到
发射信号的统计特性非常重要，因为即使对于同一发射器来说，不同的信号统计会导致不同
的测试结果；
对于不同的标准，该测试通常会具有不同的名字和定义。
一般具体定义为指定
中心频率f
c
偏移f
0
处带宽 B
1
的信号功率与中心频率f
c
带宽B
2
信号功率之比，ACPR描述了由
于发射机硬件非线性造成的失真大小。
计算公式为：
EVM
误差矢量幅度(EVM)是应用最广泛的数字通信系统调制品质参数，它采样发射器的输出 端的输出信号，获得实际信号的轨迹，通常把输出信号解调后得到一个参考信号。矢量误差 是指某个时间理想的参考信号与实际所测的信号的差别，是一个包含幅度分量和相位分量的复数。
通常，EVM 会采用最大的符号幅度分量或者平均符号功率的平方根(%)表示，即平均误差矢量信号功率和平均参考信号功率之比的均方根。
EVM 越大说明信号受干扰越大，恢复出的信号误差越大。EVM只有在一定指标范围内， 接收端才可以实现正确解调。
功放非线性特性的行为模型
模型有两大类：非记忆性模型和记忆性模型。
因为Xilinx DPD 数字预失真算法功放模型选用的是有记忆多项式模型，预失真器功能是对要输入到非线性功放的信号进行与功放特性相反的补偿，以实现功放 线性放大的目的，即y0(n) = k ? x(n)。
则预失真器的功能函数表达式为：
其中，Q 是功放记忆的深度 ，K 是功放的非线性阶数，其算法结构图如下：
xilinx的DPD 核主要就是采用LSM算法，计算出多项式系数akq ,使得 y0(n) = k ? x(n)。
计算算法的数学算式：
如果功放达到了线性放大，则可得F [x(n)] = F [ y(n)]，即
定义：
其中，L是功放耦合回来的信号的抽样点数。则
，两边乘以U的转置得：
。
这此式子是K*Q阶的线性系统，利用LMS算法（
最小均方算法
）即可算出多项式系数a
kq
。
功放的类型总结
数字预失真原理图
DPD数字预失真的优缺点
DPD的优点：
一、基带数字域信号处理算法高性能，可以得到良好的线性化效果。
二、DPD的宽带特性，适应于现代多载波系统。
由于DPD 处理的信号要求是宽带信号，其多项式的功放模型结构能更好的修正三阶互调 和五阶互调失真，这正好适应现代多载波系统。如一个4 载波的WCDMA 信号带宽为 4*5MHz=20MHz，其五阶修正带宽就应该达到5*20MHz=100MHz，这要求处理系统为宽带处理系统。
三、系统的自适应性好。
DPD的缺点是：
DPD 系统为了修正各种失真，要求采样回来的信号至少为原始信号的五倍。而现代通信系统是宽带处理系统，这样的话根据采样定理，为了有效地采集到信号，对于A/D 和 D/A 转换器的性能如采样率提出了很高的要求。但现在各公司的方案中此类芯片几乎用的都是国外的芯片，其中如A/D就很难买到转换位数很高的芯片。