Cum să faci o soluție de predistorsionare digitală (DPD) practică și relevantă

Introducere
Într-o lume ideală, ieșirea unui amplificator de putere ar trebui să fie o copie identică, scalată, a semnalului de intrare, iar cea mai mare parte a puterii utilizate de amplificator ar trebui să se regăsească în semnalul de ieșire. Prin urmare, am avea o eficiență maximă și nicio distorsiune. În lumea reală, nu reușim: amplificatoarele liniare reale tind să aibă o eficiență foarte slabă. Amplificatoarele utilizate în sistemele de distribuție prin cablu, de exemplu, au o liniaritate excelentă, dar acest lucru se face cu prețul eficienței. În cele mai multe cazuri, eficiența se străduiește să atingă mai mult de 6%, restul puterii (94%) fiind irosită. Puterea irosită are costuri economice, de mediu și de aplicație. În cazul stațiilor de bază celulare, energia electrică reprezintă peste 50% din costurile OPEX (Operating expenses – Cheltuieli de exploatare). Puterea irosită crește consumul de energie electrică și produce gaze cu efect de seră, în timp ce o mare parte din energia care nu este emisă sub formă de unde radio trebuie să fie disipată sub formă de căldură, ceea ce necesită un management termic activ și pasiv.

Figura 1: Funcția de transfer dinamic a PA cu efecte de memorie.

În ultimele câteva decenii, industria celulară a împins eficiența PA (power amplifier – amplificator de putere) la un nivel de performanță de peste 50%. Acest lucru a fost realizat prin adoptarea unor arhitecturi inteligente, cum ar fi Doherty și a unor tehnologii de procesare avansate, precum GaN. Acest nivel de eficiență presupune un raport cost-liniaritate. O liniaritate slabă în sistemele celulare are două consecințe principale: distorsiuni în bandă și emisii în afara benzii. Distorsiunile în bandă perturbă fidelitatea semnalului transmis și pot fi reprezentate printr-o degradare a performanței EVM (error vector modulation). Emisiile în afara benzii încalcă masca de emisie 3GPP și pot cauza interferențe nedorite operatorilor care ocupă alocări de frecvențe pe canale adiacente. De obicei, măsurăm acest aspect al performanței în termeni de ACLR. Amplificatoarele de putere GaN oferă o provocare suplimentară prin faptul că distorsiunile în bandă sunt, de asemenea, produse de efectul de captare a sarcinilor. Acestea sunt de natură dinamică și nu au nicio legătură cu SNR-ul implicat de ACLR.

Figura 2: Reprezentarea conceptuală a unui sistem de predistorsionare digitală.

Corectarea neliniarității PA este esențială. Este o presupunere rezonabilă că, dacă se cunoaște funcția de transfer a PA, utilizarea inversă a acesteia pe date ar anula neliniaritățile. Totuși, PA are ceea ce poate fi considerat o funcție de transfer dinamică; caracteristicile sale de ieșire față de intrare pot fi considerate ca fiind în continuă schimbare. Mai mult, funcția de transfer dinamic depinde de o combinație de caracteristici ale PA-ului (inclusiv puterea, tensiunea și temperatura), de semnalul de intrare aplicat PA-ului și de semnalele anterioare pe care PA-ul le-a procesat (efecte de memorie). Comportamentul dinamic neliniar al amplificatorului de putere trebuie să fie modelat înainte de a putea fi corectat, de unde și cerința de predistorsionare digitală, iar DPD trebuie să se adapteze la dinamica mediului.

Figura 3: Scurgerea canalului adiacent cu și fără predistorsionare digitală.

Figura 2 prezintă elementele de bază pentru multe sisteme DPD: observare, estimare și acționare. Conceptul din figura 2 generează un model care urmărește răspunsul așteptat al PA-ului, astfel încât poate fi generat un semnal de anulare adecvat pentru a anula comportamentul neliniar prezis al amplificatorului. Există multe modele, precum omniprezentul GMP (Generalized Memory Polynomial).

Un PA care funcționează în regiunea sa liniară generează mai puține distorsiuni în afara benzii și, după cum se observă în figura 3, are o reducere notabilă a nivelului de zgomot care se scurge în canalele adiacente. Figura 3 prezintă o captură de ecran de la un analizor de spectru de pe un banc de testare tipic DPD utilizat pentru a demonstra performanța statică a DPD care îndeplinește standardele cerute de multe teste de conformitate ACLR.

Evoluția pieței, îmbunătățirea performanțelor și o țintă în mișcare

DPD a fost utilizat comercial în stațiile de bază celulare încă din anii 1990, cu o utilizare calculată la peste 8 milioane de implementări. Pe măsură ce tehnologia și cerințele legate de generațiile de pe piața celulară s-au schimbat (2G, 3G, 4G și acum 5G), la fel au evoluat și cerințele impuse DPD-ului. Aceste provocări includ, fără a se limita la acestea, lățimi de bandă mai mari, puteri mai mari, plasarea purtătoarelor, rapoarte de semnal mai mari între vârf și medie și densificarea numărului și proximității stațiilor de bază.

Furnizorii de echipamente sunt nerăbdători să își diferențieze ofertele de produse și continuă să facă presiuni pentru îmbunătățirea performanțelor în ceea ce privește eficiența în raport cu specificațiile 3GPP relevante. Eficiența PA continuă să reprezinte o provocare. În timp ce vectorii tradiționali ai schimbării ar fi fost costurile OPEX și managementul termic (inclusiv costurile hardware/greutate asociate), considerentele legate de mediu reprezintă acum un factor de accelerare a acestei schimbări.

PA-urile și DPD au o relație parțial simbiotică. În unele cazuri, această relație poate fi armonioasă, iar în altele mai dificilă. Un PA care este prietenos cu un DPD de la un furnizor poate avea probleme cu DPD-ul de la un alt furnizor. Adesea, performanța optimă este obținută atunci când atât DPD-ul, cât și PA-ul sunt configurate și reglate pentru a se potrivi cu aplicația specifică. Cu toate acestea, designul PA evoluează continuu pentru a îndeplini cerințele agresive ale tehnologiei 5G și ale celor ulterioare. În tandem cu acest lucru, DPD trebuie să evolueze pentru a răspunde cerințelor suplimentare. Pe măsură ce aplicațiile în bandă largă și în bandă dublă devin aplicații standard, dezvoltatorii de amplificatoare de putere (PA) sunt provocați cu privire la modul de a obține lățimi de bandă mai mari la frecvențe mai mari, menținând în același timp așteptările de performanță. Dezvoltarea unui PA cu capabilități de lățime de bandă de 200 MHz și mai mult reprezintă o provocare, în timp ce asigurarea că acesta poate respecta și specificațiile 3GPP și eficiența creează provocări suplimentare. Provocări care, la rândul lor, revin dezvoltatorilor DPD.

Înțelegerea provocării

Cuantificarea performanței DPD nu este o sarcină simplă. Există o matrice de condiții și scenarii care trebuie luate în considerare – pe lângă PA, există, de asemenea, o mulțime de alte dependențe atenuante. Atunci când luăm în considerare performanța, specificul condițiilor de testare trebuie să fie clar definit: atingerea unei eficiențe de peste 50% la o lățime de bandă de 200 MHz reprezintă o provocare mult mai mare decât același nivel de eficiență la o lățime de bandă de funcționare de 20 MHz. Situația devine și mai complexă atunci când luăm în considerare plasarea purtătoarei în spectrul alocat; poate fi vorba de un semnal contiguu, dar poate fi vorba și de o alocare segmentată a purtătoarei, în care sunt ocupate porțiuni de spectru.

Figura 4: Încărcarea dinamică a celulei, adaptarea DPD și tranziții ACLR

La un nivel înalt, există indicatori cantitativi ai performanței DPD – punctele de date care sunt definite în principal de specificațiile 3GPP sau de cerințele operatorului: ACLR, EVM și eficiența. Respectarea acestora reprezintă doar vârful icebergului performanței DPD. Atunci când stabilitatea și robustețea sunt incluse în combinație, începe să se vadă dimensiunea enormă a provocării. Există două aspecte critice ale performanței DPD: performanța statică la nivel de laborator și performanța dinamică operațională în lumea reală.

Pentru a caracteriza provocarea reprezentată de dinamică, figura 4 ilustrează evoluția semnalului într-un mediu dinamic și arată modul în care ACLR ar putea răspunde cu un DPD care se adaptează continuu. Cifrele sunt fictive. Graficul oferă un exemplu al efectului schimbărilor bruște de semnal, care sunt extreme, dar legitime. Pe măsură ce semnalul se modifică, modelul DPD se adaptează la acesta. Evenimentele de adaptare sunt indicate prin puncte. În timpul de tranziție dintre o schimbare de semnal și următoarea adaptare, există o nepotrivire între model și semnal și, prin urmare, valoarea ACLR poate crește, sporind riscul de depășire a specificațiilor privind emisiile pe durata tranziției.

Adaptarea durează un timp finit, astfel încât va exista întotdeauna o tranziție. Provocarea pentru DPD de înaltă performanță este de a reduce la minimum timpul de nepotrivire a modelului, asigurând în același timp o tranziție lină între cele două stări. Procesul trebuie să fie gestionat astfel încât să se țină seama atât de viteza de adaptare, cât și de perturbarea ACLR. Este important să se înțeleagă modul în care nepotrivirea modelului depinde de natura tranzițiilor de semnal. Atunci când nepotrivirea este mare, DPD riscă să degradeze performanța sau, chiar mai rău, stabilitatea dispozitivului radio. În cazul în care apare o instabilitate, algoritmul DPD poate scăpa de sub control, aruncând în aer măștile de emisie și, în cel mai rău caz, deteriorând hardware-ul radio. Între performanță și stabilitate, stabilitatea va fi întotdeauna cel mai important considerent de proiectare. Un proiect DPD trebuie să fie robust pentru a asigura stabilitatea și recuperarea erorilor în condiții normale și anormale de funcționare.

Provocarea pentru o soluție DPD practică de înaltă performanță poate fi rezumată în aceste cerințe:

Performanță statică (teste de conformitate sau în cazul în care sarcina de trafic BTS este aproximativ constantă)
- ACLR
- EVM (inclusiv GaN ca un caz special)
Dinamică
Robustețe

În plus, deoarece Analog Devices este un furnizor terț de DPD, trebuie să se ia în considerare și următoarele:

Întreținere
- Rezolvarea problemelor de performanță care apar atunci când clientul nostru (OEM-ul) implementează la clientul său (operatorul)
Evoluție
- Pe parcursul duratei sale de viață din teren, tehnologia PA și aplicația semnal-spațiu se pot schimba.
Generalitate

Un OEM își poate regla cu precizie DPD pentru fiecare produs. Noi nu ne permitem acest lux. Trebuie să răspundem nevoilor mai multor aplicații, minimizând în același timp configurabilitatea și redundanța.

Figura 5: Implementarea DPD cu un sistem mai extins de captare/observare a datelor.

Îmbunătățirea performanțelor DPD pentru a face față provocărilor

Luând în considerare doar performanța statică, există un element de progresie liniară în dezvoltarea DPD. Dacă oferim mai multe resurse, atunci îmbunătățim performanța. De exemplu, mai mulți coeficienți GMP ajută la modelarea mai precisă a comportamentelor PA. Astfel, pe măsură ce lățimile de bandă se lărgesc, acesta devine un element al unei strategii de menținere, dacă nu de îmbunătățire a performanței.

Totuși, această abordare are limitele sale. Se va ajunge la un punct de randament descrescător, în care resursele suplimentare vor aduce beneficii reduse sau chiar inexistente. Dezvoltatorii de algoritmi DPD trebuie să adopte abordări mai creative pentru a obține îmbunătățiri suplimentare. Abordarea ADI este de a mări algoritmul de bază GMP (Generalized Memory Polynomial) cu funcții de bază mai generale și produse Volterra de ordin superior. Pe măsură ce dezvoltatorii încearcă să creeze un model care să anticipeze cu exactitate comportamentul PA, acumularea și manipularea datelor sunt elemente esențiale de bază.

Captarea datelor la niveluri succesive de timp și de putere permite dezvoltatorilor un rezervor sau un arsenal mai complet pe baza căruia să își facă evaluările și să configureze comportamentul modelului. Figura 5 oferă o prezentare conceptuală a unui sistem care adoptă o astfel de abordare. Observați nodurile de captare/observare a datelor mai extinse, cuplate cu monitorizarea puterii digitale. Monitorizarea puterii ajută la dinamică. Modelele stocate anterior pot fi puse în joc într-o varietate de căi pentru a atenua tranzițiile dinamice discutate mai sus.

Figura 6: Erorile de câștig pe termen lung introduse de captarea sarcinii GaN PA.

În ultimii ani, tehnologia GaN PA a adus o provocare suplimentară pentru dezvoltatorii DPD: efectele de memorie pe termen lung. Tehnologia de procesare GaN aduce cu ea multe avantaje distincte în ceea ce privește eficiența, lățimea de bandă și frecvența de operare. Cu toate acestea, ea prezintă ceea ce este cunoscut sub numele de efect de captare a sarcinilor. Captarea de sarcină în GaN este un efect de memorie pe termen lung, în care există o captare și apoi o de-captare termică. DPD bazată pe GMP corectează o parte din eroare. Cu toate acestea, există o eroare reziduală care continuă să afecteze calitatea semnalului. Această distorsiune induce o creștere corespunzătoare a EVM. Figura 6 oferă o reprezentare grafică a fenomenului. Observați fluctuațiile de câștig ale PA-ului și natura temporală a acestor fluctuații. De asemenea, observați stările de captare și de-captare și faptul că de-captarea are loc la niveluri mai mici de putere.

Deoarece efectul temporal se manifestă pe termen lung, abordările tradiționale ar sugera achiziționarea unui număr foarte mare de puncte de eșantionare și, prin urmare, o cantitate mare de date care trebuie stocate și prelucrate.

Figura 7: Balansarea tuturor elementelor de performanță DPD cu provocările.

Costurile de memorie, suprafața de siliciu și costurile de procesare înseamnă că această abordare nu este o opțiune fezabilă pentru implementările DPD comerciale. Dezvoltatorii DPD trebuie să anuleze efectele captării de sarcină, dar să facă acest lucru într-un mod care să se preteze la o implementare și o funcționare eficientă. Corecția captării de sarcină (CTC) este o caracteristică suportată la un cost redus în termeni de putere și timp de calcul în transceiverul nostru ADRV9029. S-a demonstrat că aceasta recuperează EVM la un nivel care se încadrează în specificațiile EVM 3GPP. Transceiverul de ultimă generație, ADRV9040, se mândrește cu o soluție mai elaborată care oferă performanțe îmbunătățite în scenarii dinamice și o acoperire mai pentru un număr din ce în ce mai mare de PA-uri GaN cu personalități unice de captare a sarcinilor.

După cum s-a menționat, stabilitatea implementării unui DPD este extrem de importantă. Robustețea este abordată prin monitorizarea continuă a stării interne și prin furnizarea de răspunsuri rapide la condiții neobișnuite.

Caracterul general al soluțiilor ADI este asigurat prin testarea pe un eșantion larg de AP-uri de la mai mulți furnizori cu care s-a stabilit o relație tehnică simbiotică.

Concluzie

Atunci când sunt prezentate performanțele DPD, se pune prea des accentul pe elementele statice ale performanței. În timp ce etalonul de măsurare în ceea ce privește EVM și ACLR rămâne valabil, trebuie acordată mai multă atenție matricei de condiții de funcționare și cerințelor care încadrează aceste măsurători. Cerințele 5G NR continuă să împingă cerințele aplicațiilor. Acest lucru, coroborat cu dorința de a obține randamente mai mari ale PA, agravează provocarea dezvoltării algoritmilor DPD.

Pe măsură ce începem să calificăm performanța DPD, avem nevoie de o abordare holistică care să se ocupe de:

Performanța statică
Performanța dinamică
Robustețe
Stabilitate

DPD, care are o marjă îngustă față de specificații, poate să nu fie bine primită, iar când DPD provoacă depășiri temporare ale specificațiilor, operatorii pot fi neliniștiți, în vreme ce un DPD instabil, care duce la emisii ilegale și la o posibilă defecțiune a sistemului PA este dezastruos. Un algoritm DPD nu ar trebui să fie considerat un element gata de utilizare; performanța optimă este obținută atunci când DPD este adaptat la specificul PA și al aplicației – de aceea, agilitatea algoritmului și dezvoltarea/susținerea pe teren sunt, de asemenea, considerente importante. Un algoritm DPD eficient poate aduce beneficii substanțiale sistemului. Complexitatea cerințelor și a evaluării performanțelor nu trebuie subestimată.

Despre autori
Steve Summerfield este director la Analog Devices, conducând dezvoltarea de algoritmi și arhitecturi pentru aplicații de infrastructură wireless. S-a alăturat ADI în 2017, după ce anterior a ocupat poziții de conducere în diverse companii de telecomunicații și semiconductori. Steve a avut, de asemenea, o carieră îndelungată în domeniul universitar. A publicat numeroase articole, deține multe brevete și are un doctorat în fizică teoretică. El poate fi contactat la adresa steve.summerfield@analog.com.

Frank Kearney s-a alăturat companiei Analog Devices după absolvire, în 1988. În timpul petrecut în cadrul companiei, a deținut o serie de funcții în inginerie și management. În prezent, conduce o echipă de arhitecți și dezvoltatori de algoritmi în cadrul departamentului Wireless Systems Group. Activitatea grupului se concentrează pe eficiența căii de transmisie și pe îmbunătățiri la nivel de sistem pentru arhitecturi radio O-RAN. Frank deține un doctorat de la University College Dublin. Poate fi contactat la frank.kearney@analog.com.