電纜系統(有線系統)於20世紀50年代初在美國首次問世,即使技術和分配方式在迅速發生變化,電纜作為資料分配通道卻始終保持著重要地位,且新技術在現有電纜網路上已實現分層。本文重點介紹此技術演進的其中一面——功率放大器(PA)數位預失真(DPD),這是許多從事蜂巢系統網路研發工作人士熟悉的一個術語。將該技術轉移到電纜能夠帶來明顯的功效和性能提升,同時也帶來了巨大的挑戰,因此本文將探究其中的一些挑戰並概述相應的解決方案。

了解需求

功率放大器在非線性區域工作時,其輸出將失真。這一失真可能會影響頻段內性能,還可能導致無用訊號溢出到鄰道。溢出效應在無線蜂巢應用中特別重要,因此對相鄰頻道洩漏功率比(ACLR)有嚴格的規定和控制。突出的控制技術之一是在訊號到達功率放大器之前對其進行數位整形或預失真,從而消除功率放大器中的非線性。

電纜環境則完全不同。首先,可將其視為封閉迴路,電纜中發生的情況不會擴展到電纜外,營運商擁有並控制整個頻譜。頻段外(OOB)失真並不是關注重點,頻段內失真才是至關重要,服務提供者必須確保最高品質的頻段內傳輸通道,以便能夠利用最大的資料輸送量,其中一個方法是使電纜功率放大器嚴格運行在線性區域內,但採用這種工作模式的代價是功效極差。

圖1概要顯示了典型的電纜應用。儘管該系統功耗近80W,但僅傳送了2.8W訊號功率。功率放大器是功效極低的A類架構,最大暫態峰值效率可以計算為50%(當訊號包絡最大時,假定為電感負載)。如果功率放大器完全在線性區域工作,則考慮電纜訊號的極高峰均比(通常為14dB),意味著放大器需要比訊號壓縮開始時平均低14dB的工作條件,從而確保即使在訊號的峰值處也不會發生訊號壓縮。補償與放大器工作效率直接相關,當放大器被補償14dB以適應各種電纜訊號時,工作效率將降低10-14/10。因此,工作效率從理論上的最大值50%降低到10-14/10×50%=2%。圖2概要顯示了上述情況。

20180213TA01P1 圖1 在有線系統功率放大器驅動器中的功率效率。

20180213TA01P2 圖2 高平均峰值比推動補償工作模式並使效率大幅降低。

總而言之,功效是主要問題,損失功率會影響成本,但同樣重要的是,它還消耗了電纜分配系統中的稀缺資源。有線系統業者增加了更多功能和服務,因此需要進行更多的處理,而處理所需的功率可能會受現有功率預算的限制,如果能從功率放大器的低效能狀況中設法獲取浪費的功耗,那麼可以將其重新分配給這些新功能。

針對功率放大器低效能情況的解決方案是數位預失真。這是整個無線蜂巢產業普遍採用的一種方法。數位預失真允許使用者在更高效、但非線性更明顯的區域中運行功率放大器,然後先預先校正數位域中的失真,再將數據發送到功率放大器。數位預失真的本質是在資料到達功率放大器之前對其進行整形,以抵消功率放大器產生的失真,從而擴大功率放大器的線性範圍,如圖3所示。這一擴大後的線性範圍可用於支援更高品質的處理,提供較低的調變誤差率(MER),或者允許功率放大器以更低偏置設置運行,從而節省功耗。儘管數位預失真已廣泛應用於無線蜂巢基礎設施,但在電纜環境中實作數位預失真將遭遇獨特而又有挑戰性的要求。

對於功率放大器無效率情形提出的解決方案就是數位預失真。這是一種在無線蜂巢式工業網路中普遍適用與採行的方法。數位預失真讓使用者能夠以更有效率但更多非線性區域的方式操作功率放大器,然後在資料被傳送至功率放大器之前優先修正數位域當中的失真。數位預失真是在資料被送到功率放大器之前予以實質上的塑形,藉以抵銷功率放大器所將會產生的失真,進而延伸功率放大器的線性區域,如圖3中所示。其所延伸出來的線性範圍可以被用來支援更高品質的處理,提供更低的調變誤差率,或是允許功率放大器以較低的偏壓設定運作,因此得以節省功率。同樣地,要在有線系統環境中實現數位預失真仍然有其極具挑戰性的需求。

20180213TA01P3 圖3 數位預失真的概觀。

如圖4所示,電纜應用的實際工作效率約為3.5%。實施數位預失真可以降低系統的功率要求,由原來的80W降低到61W,節約19W,且節電率達24%。每個功率放大器以前的功率要求為17.5W,現在則下降到12.8W。

20180213TA01P4 圖4 透過數位預失真方案實現節能概述。

實施的挑戰

數位預失真的價值不言而喻,但在電纜應用中實作時會遭遇許多獨特挑戰。因此,必須在現有資源範圍內因應這些技術挑戰。例如,解決方案本身必須是高效節能,因為如果節省的電能轉化為該解決方案的電源,則在最佳化功率放大器效率方面沒有什麼價值。同樣地,數位處理資源需適當,以便可以高效地駐留在當前的FPGA架構中,然而具有非標準硬體要求和廣泛架構變化的超大型/複雜演算法可能不太適合。

超寬廣的頻寬

電纜應用環境與無線蜂巢環境之間最顯著的區別也許是操作頻寬,在電纜中,約1.2GHz的頻寬要進行線性化。寬頻寬挑戰複雜的原因在於頻譜從直流開始僅為54MHz,且訊號頻寬大於通道中心頻率。必須牢記的是,功率放大器經驅動進入非線性工作區域後即可實現省電,這樣雖然提高了效率,但代價是非線性產物也隨之而來。數位預失真必須消除由功率放大器產生的非線性,尤其是那些折回頻段內的非線性成分,這就在電纜應用中形成了獨特挑戰。

圖5概要顯示能期望的經過非線性放大級傳統窄頻段升頻轉換基頻訊號的寬頻諧波失真。非線性功率放大器輸出通常以冪級數運算式描述,例如具有以下形式的Volterra級數:

20180213TA01P5-1

20180213TA01P5 圖5 傳統窄頻中諧波失真的說明。

可將其理解為有記憶效應的Taylor冪級數的擴展。值得注意的是,每個非線性項(k=1,2,…,K)都會產生多個諧波失真產物,例如,五階有3個諧波項:一次諧波、三次諧波和五次諧波。另外需要注意的是,諧波頻寬是其階次的倍數,如三階諧波項的寬度是激勵頻寬的3倍。

在電纜系統中,諧波在頻譜(從直流開始僅為54MHz)上的位置對數位預失真造成了特殊挑戰,而這一挑戰與大訊號頻寬的關係並不大。所有非線性系統都會發生諧波失真,電纜數位預失真的重點是落在頻段內的諧波失真。從圖5可以看出,在傳統窄頻應用中,重點是三階諧波和五階諧波。儘管形成了其他諧波,但它們在目標頻段外,可透過傳統濾波消除,因此可以依照分數頻寬來定義寬頻應用和窄頻應用,其中分數頻寬的定義公式如下:

(fn-fl)/fc

其中,fn=最高頻率、f1=最低頻率、fc=中心頻率。分數頻寬超過1時,可將應用視為寬頻應用。大多數蜂巢應用的分數頻寬不超過0.5,因此,它們的諧波失真行為符合圖6所示的特性。

20180213TA01P6 圖6 窄波段簡化,只需考慮一次諧波周圍的產物。

對於這樣的窄頻系統,只有一次諧波周圍的頻段內失真需要透過數位預失真消除,因為採用帶通濾波器可去除所有其他產物。另外還需注意的是,由於頻段內沒有偶數階產物,數位預失真只需處理奇數階項。

在電纜應用中,可認為近似fn~1,200MHz、fl~50MHz、fc~575MHz,從而得出分數頻寬為2。要確定需要校正的最低諧波失真階次,可以使用以下公式:

flKmin < fn

其中,Kmin是要考慮的最低非線性階次,或者用數位表示就是50MHz×2=100MHz,由於其小於1,200MHz,因此二階諧波失真正好在工作頻段內並且必須被校正。因此,如果決定在安全性和線性度極高的操作範圍之外操作電纜功率放大器,則所得到的諧波失真將如圖7所示。

20180213TA01P7 圖7 寬頻有線應用中寬頻諧波失真的影響。

相比只需要考慮奇數階諧波的無線蜂巢應用,電纜應用中的偶數階項和奇數階項均在頻段內,可產生多個重疊的失真區域。這在一定程度上會對任何數位預失真解決方案的複雜性和精密度產生嚴重影響,因為演算法必須利用簡單的窄頻假設。數位預失真解決方案必須適應諧波失真每個階次。

在窄頻系統中,偶數階可以被忽略,奇數階在每個目標頻段內產生1個項。電纜應用中的數位預失真必須考慮奇數階和偶數階諧波失真,並且還必須考慮到每個階可能有多個重疊的頻段內元素。

諧波失真校正定位

考慮到傳統窄頻數位預失真解決方案的處理是在複雜的基頻處完成,本文主要關注對稱位於載波周圍的諧波失真。在寬頻電纜系統中,儘管保持了位於一次諧波周圍的那些項的對稱性,但是這一對稱性不再適用於更高階次的諧波產物。

如圖8所示,傳統窄頻數位預失真在複雜基頻處完成。在這些實例中,僅一次諧波產物在頻段範圍內,因此其基頻產物直接轉換為RF。考慮寬頻電纜數位預失真時,較高階次的諧波失真必須是頻率偏移,才能使升頻轉換後的基頻產物正確位於實際RF頻譜中。

20180213TA01P8 圖8 寬頻數位預失真複雜基頻處理中頻率偏移要求的注解。

迴路頻寬限制

封閉式迴路數位預失真系統採用傳輸和觀測路徑。在理想化的模型中,兩條路徑都不會受到頻寬限制,並且兩者的寬度都足以通過所有數位預失真。也就是說,它們足以通過頻段內和頻段外。

圖9概要顯示了數位預失真的實現方案。在理想情況下,從數位升頻轉換器(DUC)經由數位預失真到DAC,乃至通過功率放大器的路徑將沒有頻寬限制。同樣地,觀測路徑上的ADC將對全頻寬進行數位化(請注意,為了進行說明,本文顯示2倍頻寬的訊號路徑。在某些無線蜂巢應用中,可擴展到3~5倍的頻寬)。理想方案是透過數位預失真產生頻段內和頻段外,從而完全消除功率放大器導致的失真。需要注意的是,為了準確消除失真,需要在目標訊號的頻寬之外創建,這一點非常重要。在實際方案中,訊號路徑具有頻寬限制,數位預失真性能無法達到理想方案要求。

20180213TA01P9 圖9 無頻寬限制的理想化數位預失真方案。

在電纜應用中,頻寬限制可能有多種來源:FPGA與DAC之間的JESD鏈路、DAC鏡像抑制濾波器、功率放大器輸入匹配。這些限制最顯著的影響是頻段外性能。從圖10所示的模擬可以看出,數位預失真無法校正頻段外失真。在電纜中,頻段外失真會造成頻段內性能下降,這一點特別重要,是需要考慮的。訊號路徑中的頻寬限制可以並的確會影響頻段內性能。

20180213TA01P10 圖10 由於訊號路徑頻寬限制所導致的數位預失真性能下降,限制了頻段外項目。

電纜環境比較獨特,因為營運商擁有整個頻譜。感興趣頻段(54M~1,218MHz)外的輻射位於未被他人使用的一段頻譜中,也會由於高頻時固有的電纜損耗而導致衰減。觀測路徑只需監測工作頻頻段內發生的情況。

這裡需做出一個重要區分:頻段外輻射無需考慮,在頻段外生成並延伸到頻頻段內的輻射則需要考量,因此,儘管頻段外輻射無需考慮,但需要考量形成這些輻射的原因。此種方案與無線蜂巢應用大為不同,因為其觀測頻寬要求通常為工作頻段的3~5倍。電纜中的重點是頻段內性能,因此僅需考慮頻段外項目對頻段內性能的影響。

電纜數位預失真只需要針對頻段內產物進行校正:對於DOCSIS 3,頻率範圍為54M~1,218MHz,數位預失真生成二次、三次、…、消除。儘管只需在電纜頻寬上進行校正,但在數位預失真致動器中,這些項將會擴展到更寬的頻寬(例如,三階頻寬擴展到1,218MHz的3倍)。為了保持傳統數位預失真自我調整演算法的穩定性,應將這些頻段外項目保留在迴路周圍。對數位預失真進行的任何濾波往往會造成自我調整演算法不穩定,而在電纜系統中存在頻段限制,因此常規演算法可能失效。

數位預失真和電纜傾斜補償

與所有其他傳輸介質一樣,電纜會導致衰減。通常認為這種衰減與電纜品質、電纜敷設距離和傳輸頻率有關。如果要在電纜的接收端,即工作頻譜上實現相對均勻的接收訊號強度,則必須在發送端增加預加重(傾斜)。傾斜可被視為電纜的反向傳遞函數,它採用與傳輸頻率成比例的預加重或整形。

透過被稱為傾斜補償器(位於功率放大器之前)的低功耗被動類比等化器即可實現整形。在高頻下衰減少或不衰減,而在低頻下衰減大。傾斜補償器輸出端的訊號在整個工作頻譜範圍內可具有高達22dB的均衡增益變化。

傾斜補償器對訊號進行整形,並且在透過功率放大器處理訊號時保持整形輪廓。傳統數位預失真方案會將整形視為減損並嘗試針對其進行校正,因為數位預失真是(非線性)等化器。似乎合理的是,如果將傾斜的倒數添加到觀測路徑中,就可以減輕其影響,但事實並非如此。功率放大器是非線性的,因此交換性不適用,也就是說:

PA{T}≠T{PA}

其中,PA代表功率放大器,T代表傾斜補償器。

為了實現最佳操作,數位預失真處理模組需要明確瞭解在功率放大器輸入端處顯示的訊號。在電纜數位預失真應用中,利用數位預失真演算法為功率放大器建模的同時,必須保持傾斜補償,這就會面臨一些獨特和極具難度的挑戰。我們需要一個穩定的低成本解決方案,不會使傾斜均衡,雖然無法在本文中披露該解決方案的性質,但ADI已經找到一個創新的解決方案。

數位預失真和電纜功率放大器架構

如圖4所示,典型的電纜應用將把一個DAC的輸出分成四路,並提供給四個獨立的功率放大器。為了最大程度節省功率,需要在所有這些功率放大器上實施數位預失真。可行的解決方案可能是建構四個獨立的數位預失真模組和DAC模組。該解決方案有效,但會使效率降低,系統建立的成本增加,因額外的硬體需要資金和功率成本。

20180213TA01P11 圖11 傾斜補償實現方案。

並非所有功率放大器都是一樣的,儘管製程匹配(製造過程中)可以提供具有相似個性的單元,但差異仍會存在,並且隨著老化、溫度和供電波動而變大。然而,將一個功率放大器用作主機並為其開發最佳化的數位預失真,然後將其應用於其他功率放大器,確實可提供系統性能優勢,如圖12中的模擬結果所示。

20180213TA01P12 圖12 具有多重功率放大器的單一數位預失真模擬結果。

圖12左側的曲線表示未採用數位預失真情況下的功率放大器性能。非線性工作模式導致失真,這實現在MER1性能(範圍為3dBc~42dBc)中,封閉迴路數位預失真應用於觀測主功率放大器的輸出,圖12曲線圖右側的綠色曲線表示的是增強性能。數位預失真已針對功率放大器失真進行了校正,結果是總體性能經過轉變後可提供65dBc~67dBc的MER。圖12中間剩餘的曲線表示的是從功率放大器的性能,即根據主功率放大器進行校正的功率放大器。可以看出,只觀測一個功率放大器來實作封閉迴路數位預失真可使所有功率放大器的性能受益,然而,功率放大器仍然存在會失效的工作點,即功率放大器38dBc~67dBc的性能範圍。寬範圍本身不是問題,但該範圍的一部分低於可接受的工作臨界值(電纜通常為45dBc)。

電纜中獨特的系統架構為數位預失真提供了額外挑戰。最佳化性能需要採用封閉迴路數位預失真方案。但根據慣性思維,在電纜中這樣做需要在每個功率放大器路徑中附加硬體。最佳解決方案需要為每個功率放大器提供封閉迴路數位預失真的增強功能,但不需要額外的硬體成本。

以SMART演算法解決挑戰

如本文之前所述,電纜數位預失真為設計人員帶來獨特和具難度的挑戰。如果在功率和硬體的限制範圍內解決這些挑戰,那麼優勢就不會被削弱;如果把功率放大器中節省下來的功率用於額外的DAC或FPGA,則對於功率放大器省電幾乎沒有任何價值。同樣地,省電必須與硬體成本平衡。ADI藉由結合高性能類比訊號處理與先進演算法方案解決了該挑戰。

ADI方案如圖13所示。該解決方案可以被認為具有三個關鍵要素:使用高階轉換器和定時產品、採用支援全面訊號鏈監控/控制的架構、可利用已有知識實現最佳性能的數位預失真先進演算法。

20180213TA01P13 圖13 使用先進轉換器與SMART演算法的電纜數位預失真實作方案。

該演算法是解決方案的核心。它使用廣泛的訊號處理知識,以及訊號路徑的傳遞功能來形成輸出,同時調整訊號路徑某些方面的動態控制。動態系統解決方案不僅意味著系統設計人員能夠大幅省電,而且這些節省的電能可以直接轉化為性能提升。利用演算法,使用者定義了系統必須運行的MER1性能級別後,就會進行系統調整,以便在所有輸出端實現該性能。需要注意的是,該演算法還確保在保持每個功率放大器最佳用電效率的同時滿足性能閾值,這一點非常重要,從而使功率放大器的功耗都低於實現目標性能所需的功耗。

SMART演算法具有學習系統路徑的能力,然後改變透過路徑傳輸的資料性質,以及路徑本身的特性以提供最佳結果。本文將最佳結果定義為:維持MER品質的同時降低功率要求。

路徑特性及傳輸訊號的性質都在不斷變化,因此演算法具有處理動態適應性的自學習能力。更重要的是,適應發生在系統運行期間,不會使傳輸的流中斷或失真。

結論

電纜環境仍舊是提供數據服務的重要基礎設施。隨著技術繼續發展,對頻譜和功效的要求也越來越高,新一代技術的發展使需求日益增長,並推動實現更高階調變方案及更好的功效。這些增強功能必須不影響系統性能,儘管數位預失真提供了一個可能的實現途徑,但其在電纜應用中形成極具難度的挑戰。ADI解決方案涵蓋基於矽的晶片(DAC、ADC和時脈)、功率放大器控制及演算法。這三種技術的結合為用戶提供一個適應性強的解決方案,並讓用戶可輕鬆地以最小的妥協來達到功率與性能要求。此外,該軟體定義解決方案還支援原有電纜技術到新一代電纜技術的輕鬆過渡,新一代電纜技術中預計將包含全雙工(FD)和包絡跟蹤(ET)。