首先，介紹一下什么是RRU。Remote Radio Unit，簡(jiǎn)稱RRU，意為射頻拉遠(yuǎn)單元。

射頻拉遠(yuǎn)單元分成近端機(jī)(即無(wú)線基帶控制（Radio Server）)和遠(yuǎn)端機(jī)(即射頻拉遠(yuǎn)（RRU）)兩部分，二者之間通過(guò)光纖連接，其接口是基于開(kāi)放式的CPRI/eCPRI。

無(wú)線通信系統(tǒng)使用射頻(RF)信號(hào)在基站和移動(dòng)用戶之間傳輸數(shù)據(jù)。射頻功率放大器(PA)位于發(fā)射機(jī)內(nèi)部，是連接基站到移動(dòng)終端的下行鏈路的關(guān)鍵部件。功率放大器往往要么是線性的，要么是高效的，但不是兩者都是。幸運(yùn)的是，如果使用數(shù)字預(yù)失真(DPD)來(lái)補(bǔ)償PA的非線性行為，就可以在數(shù)字發(fā)射機(jī)中使用高效的功率放大器（PA）。因此，我們從以下兩個(gè)方面，初步認(rèn)識(shí)DPD。

PA的非線性

DPD基本原理

在了解DPD之前，先了解一下PA的非線性問(wèn)題。

在數(shù)字信息的射頻傳輸中，將采樣的數(shù)據(jù)序列從數(shù)字轉(zhuǎn)換為射頻并放大，如圖1所示。數(shù)字輸入用x(k)表示，功放輸入端和輸出端射頻信號(hào)分別用xRF(t)和yRF(t)表示。對(duì)于線性系統(tǒng)，基站傳輸?shù)拇蟛糠止β识急幌拗圃谝粋€(gè)分配的帶寬內(nèi)，這個(gè)帶寬被稱為信道。然而，工作在接近飽和狀態(tài)下的高效功率放大器表現(xiàn)出一種不希望的非線性行為，產(chǎn)生比分配的信道寬幾倍的失真頻譜（敲黑板）。這種發(fā)射頻譜的展寬稱為頻譜再生。

圖1 帶功放（PA）的數(shù)字發(fā)射機(jī)

重點(diǎn)來(lái)了：輸入信號(hào)與PA非線性的相互作用會(huì)產(chǎn)生諧波和交調(diào)失真(IMD)。諧波是載波頻率的多項(xiàng)式函數(shù)，而IMD是位于載波頻率附近的數(shù)字調(diào)制的多項(xiàng)式函數(shù)。在大多數(shù)射頻發(fā)射機(jī)中，在功率放大器之后放置一個(gè)濾波器以限制發(fā)射帶寬。通頻帶通?？缭蕉鄠€(gè)信道:例如，在寬帶碼分多址系統(tǒng)(WCDMA)中，發(fā)射頻帶可為60MHz寬，而單個(gè)信道為5MHz寬。因此，只能依靠發(fā)射濾波器去除載波頻率的諧波，而不能去除信號(hào)調(diào)制的交調(diào)產(chǎn)物。后者需要使用線性化方法進(jìn)行補(bǔ)償。一個(gè)流行的選擇是在數(shù)字基帶應(yīng)用預(yù)失真。

帶外和帶內(nèi)失真由與輸入信號(hào)的調(diào)制格式相關(guān)的規(guī)格來(lái)調(diào)節(jié)。帶外失真是通過(guò)進(jìn)入分配信道附近的相鄰信道的失真功率來(lái)測(cè)量的。這可以被描述為相鄰信道的功率或相鄰信道的泄漏。相鄰信道功率與分配信道功率的比值稱為相鄰信道功率比(ACPR)或相鄰信道泄漏比(ACLR)。一般來(lái)說(shuō)，該規(guī)范使帶外失真成為功率放大器線性度的關(guān)鍵測(cè)量指標(biāo)，特別是對(duì)于基于CDMA的調(diào)制格式。

帶內(nèi)失真增加了誤差矢量幅度(EVM)（阿西吧）。EVM是量化前解調(diào)信號(hào)與期望數(shù)字信號(hào)之間的均方根(RMS)差。在正交頻分復(fù)用(OFDM)系統(tǒng)中，它是一個(gè)關(guān)鍵的測(cè)量方法，特別是當(dāng)單個(gè)子載波使用64QAM調(diào)制時(shí)，它會(huì)因功率放大器非線性等缺陷而降低。

為了說(shuō)明IMD失真，考慮PA對(duì)高斯噪聲輸入信號(hào)的響應(yīng)，高斯噪聲輸入信號(hào)是帶限的，以填充分配的信道。輸出頻譜是線性分量和幾種交調(diào)模式的和(三階和五階IMD如圖2所示)。線性分量，也被稱為載波信號(hào)，保持在分配的信道內(nèi)，而失真擴(kuò)展到鄰近的信道。IMD帶寬隨著多項(xiàng)式階數(shù)的增加而增加。然而，很大一部分失真存在于分配的信道內(nèi)。

圖2 輸出頻譜包括線性信號(hào)分量，以及三階和五階交調(diào)失真(IMD)

RF發(fā)射機(jī)可以發(fā)射多個(gè)占用鄰近信道的載波信號(hào)。在這種情況下，交調(diào)失真包括來(lái)自各個(gè)載波內(nèi)部的互調(diào)以及載波之間的交調(diào)分量。后者的效果是將失真擴(kuò)展到更大的帶寬上，如圖3所示。

圖3 兩個(gè)載波信號(hào)x1和x2的線性和三階IMD譜

PA非線性可分為無(wú)記憶非線性和基于記憶非線性。對(duì)于前者，非線性模態(tài)僅是瞬時(shí)輸入的函數(shù)。對(duì)于后者，非線性模態(tài)還受過(guò)去輸入值的影響。PA存儲(chǔ)器改變產(chǎn)生的失真的頻率響應(yīng)，并增加建模IMD所需的系數(shù)的數(shù)量。功率放大器所表現(xiàn)出的記憶效應(yīng)對(duì)于寬帶寬輸入信號(hào)(如包含多個(gè)載波信號(hào)的信號(hào))更容易識(shí)別。特別是，劇烈的記憶效應(yīng)在Doherty放大器配置中很常見(jiàn)，這在蜂窩基站中很流行，因?yàn)樗诮咏柡偷墓β仕较逻\(yùn)行時(shí)具有很高的效率。

嗯，遇到算法問(wèn)題，我們都先擺出一個(gè)模型，不管對(duì)不對(duì)。

PA的輸出被建模為輸入xRF(t)的非線性函數(shù)：

式中FPA{}是利用可調(diào)復(fù)系數(shù)bi可控制響應(yīng)的非線性函數(shù)。選擇PA模型FPA{}的系數(shù)，通常是為了減小實(shí)際輸出yRF(t)和模型FPA{xRF(t)}輸出之間的差異，如圖4所示。也就是說(shuō)，系數(shù)選擇使期望的平方誤差最小化:

其中E[]為期望值。什么叫期望值？趕快拿出《概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)》翻一下。

請(qǐng)注意，通過(guò)功率放大器存在一個(gè)標(biāo)稱延遲。它通常使用輸入和輸出之間非線性映射之外的大延遲進(jìn)行補(bǔ)償，如圖4所示。

圖4利用射頻輸入xRF(t)的非線性函數(shù)對(duì)功率放大器的射頻輸出yRF(t)進(jìn)行建模

在功放模型方面，最簡(jiǎn)單的是無(wú)記憶模型，它是瞬時(shí)輸入和輸出信號(hào)的非線性映射。無(wú)記憶映射的幅度分量稱為功率傳遞函數(shù)。AB類偏置放大器的功率傳遞函數(shù)如圖5所示。最顯著的特點(diǎn)是飽和功率，這是一個(gè)水平線，額外的輸入驅(qū)動(dòng)器將不會(huì)增加輸出功率。傳遞函數(shù)的線性響應(yīng)也如圖5所示。輸出幅度由PA的期望增益歸一化，用Go表示，因此線性傳遞函數(shù)具有相同的斜率。

啥？這不是模電的功放知識(shí)嗎？嗚嗚嗚~

圖5 AB類偏置功率放大器的典型功率傳遞函數(shù)和理想的線性傳遞函數(shù)

功率放大器的無(wú)記憶非線性也可以通過(guò)指定復(fù)增益作為輸入信號(hào)包絡(luò)|xRF|的函數(shù)來(lái)建模。PA的輸出變成：

其中GPA(|xRF|)表示PA的復(fù)增益。增益的幅值和相位分量稱為AM-AM和AM-PM曲線。由于輸入信號(hào)中的幅度調(diào)制(AM)導(dǎo)致功率放大器增益的幅度和相位調(diào)制(AM和PM)，這些曲線因此得名。AB類偏置放大器的AM-AM和AM-PM曲線分別如圖6和7所示。AM-AM和AM-PM曲線的線性響應(yīng)在整個(gè)輸入包絡(luò)范圍內(nèi)是恒定的，即|xRF|。

圖6 AB類偏置功率放大器的AM-AM曲線

圖7 用于AB類偏置功率放大器的AM-PM曲線

可以通過(guò)對(duì)輸入和輸出的RF信號(hào)進(jìn)行采樣，計(jì)算增益(GPA=yRF/xRF)，并在各自的圖上標(biāo)記每個(gè)坐標(biāo)位置(|xRF|，|GPA|)或(|xRF|，arg{GPA})來(lái)構(gòu)建AM-AM和AM-PM曲線，如圖8和圖9所示。無(wú)記憶曲線表示采樣增益的平均值，其中用于平均的積分窗口跨越水平軸|xRF| (RF輸入包絡(luò)線)的一個(gè)小區(qū)間。

圖8 測(cè)量增益幅度和估計(jì)AM-AM曲線。AM-AM曲線是測(cè)量增益幅度的平均值。

圖9 測(cè)量相位和估計(jì)AM-PM曲線。AM-PM曲線是測(cè)量相位的平均值。

功率放大器內(nèi)的記憶可以通過(guò)在無(wú)記憶非線性塊前后進(jìn)行濾波和在其周?chē)M(jìn)行反饋來(lái)建模，如圖10所示。每個(gè)濾波器都引入了與頻率相關(guān)的行為。然而，由于非線性塊的存在和乘法塊不與非線性交換的事實(shí)，它們需要單獨(dú)考慮。當(dāng)非線性或記憶適中時(shí)，只使用一個(gè)濾波器塊的簡(jiǎn)化記憶模型通?？梢猿晒Φ厥褂?。

圖10 功率放大器的記憶模型

非線性記憶也可以由一個(gè)不需要的增益調(diào)制引起，它是現(xiàn)在和過(guò)去包絡(luò)值的函數(shù)。這部分是由于與偏置網(wǎng)絡(luò)中電流相關(guān)的時(shí)間常數(shù)。與熱效應(yīng)相關(guān)的較慢的增益變化可能是由于平均輸入功率和時(shí)間常數(shù)的變化與晶體管周?chē)鸁嵯鲁恋臒岷纳⒂嘘P(guān)。

無(wú)記憶和記憶功率放大器模型捕獲了由輸入信號(hào)包絡(luò)|xRF(t)|的變化引起的影響。功率放大器的行為也受到緩慢變化的條件的影響，如環(huán)境溫度、載波頻率、使用的載波數(shù)量和調(diào)制方式。

對(duì)于特定的工況，非線性模型是有效的。雖然可以創(chuàng)建一個(gè)功率放大器的大模型來(lái)計(jì)算所有可能的工作條件，但在實(shí)踐中并沒(méi)有這樣做。在大多數(shù)情況下，非線性模型盡可能簡(jiǎn)單，以滿足給定工作條件下所需的精度，并根據(jù)需要在由操作條件定義的多維空間中創(chuàng)建新的模型。

很明顯，非線性可以被建模為輸入輸出映射或功率放大器增益的變化。為PA選擇的模型通常也用于預(yù)失真函數(shù)。對(duì)于后者，它允許線性化問(wèn)題被定義為增益調(diào)節(jié)，這是一個(gè)在自適應(yīng)控制理論領(lǐng)域中研究得很好的問(wèn)題。所有可用的控制理論和自適應(yīng)技術(shù)可以用來(lái)進(jìn)行高性能、魯棒線性化設(shè)計(jì)。功率放大器線性化的增益調(diào)節(jié)觀點(diǎn)要求輸出信號(hào)的輸入和線性分量在它們自己的模塊中進(jìn)行時(shí)間對(duì)齊和均衡，而不是DPD模塊。

輸入輸出映射模型是比較流行的，因?yàn)樗试S預(yù)失真被視為逆映射。在大多數(shù)情況下，逆映射是通過(guò)測(cè)量輸出到輸入的映射直接得到的。這是一個(gè)美妙的靜態(tài)預(yù)失真設(shè)計(jì)基于詳盡的離線實(shí)驗(yàn)測(cè)量。不幸的是，逆映射中的這種簡(jiǎn)單性具有誤導(dǎo)性，因?yàn)樗鼪](méi)有承認(rèn)使用最小均方(LMS)估計(jì)技術(shù)的實(shí)時(shí)自適應(yīng)系統(tǒng)的許多困難。

審核編輯：劉清