專屬DPD建模方案助臂力　寬頻PA訊號不失真

寬頻通訊標準的變化使得業界出現新的線性度、頻寬及無線元件功率消耗要求，舉例而言，LTE-Advanced支援高達100MHz頻寬，以便分別為上行與下行鏈路提供1Gbit/s和500Mbit/s資料速率；而IEEE 802.11ac支援80MHz和160MHz頻寬，以便為多基地台提供至少1Gbit/s的傳輸速率，以及單一鏈路最高500Mbit/s的傳輸速率。

為因應新的挑戰，負責設計通訊系統架構與射頻功率放大器(PA)的工程師，將面臨許多更棘手的問題。首先，工程師須確認其現有的3G設計與未來的4G運作環境之間的效能落差，以及是否須要重新規畫這些3G設計，或是重新尋找新的供應商。此外，設計的硬體必須符合或超越絕對效能參數，例如相鄰通道功率比(Adjacent Channel Power Ratio, ACPR)、誤差向量振幅(Error Vector Magnitude, EVM)或傳輸速率，並符合內部產品設計目標。由於智慧型手機與其他先進無線裝置均倚賴電池來維持運作，因此其產品設計必須能發揮最佳運作效率。射頻PA是設計能否成功的關鍵要件，因此選擇並設計合適的PA以達成設計目標，被視為重大的挑戰。

本應用說明將闡述一種寬頻模型方法，以便達成三項目標，首先是快速描繪寬頻射頻放大器的特性；其次為評估收發器設計的可線性化程度(How Linearizable)，過去這通常要有豐富的無線工程技術與設備才能辦到；最後則是在確認智慧財產權(IP)、硬體或部署細節之前，協助預估真實的4G效能。

數位預失真技術提升PA線性度

在無線通訊系統中，PA是左右整體效能和傳輸速率的重要元件。在本質上，PA是非線性元件。非線性度會導致頻譜再生(Spectral Re-growth)，因而產生相鄰通道干擾，並違反安全主管機關強制要求的頻段外(Out-of-band)發射標準。這個問題還會導致頻段內(In-band)訊號失真，使得通訊系統的誤碼率(BER)提高、資料傳輸速率下滑。

圖1~4顯示多個在不同位置聚合元件載波，亦即在數位基頻、在RF混頻器之前、在混頻器之後但在PA之前，或是PA之後的類比波形的傳輸架構。雖然整合式RFIC系統單晶片(SoC)、互補式金屬氧化物半導體(CMOS)晶片組和基地台架構都可透過不同方式達成設計目標，圖1~4顯示都有一個共同的挑戰，也是射頻工程師最常遇到的挑戰，那就是寬頻PA設計。

圖1　透過單一類比升頻/傳輸路徑，在數位基頻中進行多頻整合。

圖2　透過通用的升頻與射頻PA，在類比中頻中進行多頻整合。

圖3　透過通用的射頻PA，在射頻載波中，經過升頻後進行多頻整合。

圖4　透過支援MIMO、波束成形和運作備援的更多拓撲，針對多個射頻PA進行多頻整合。

下一個挑戰是如何在峰值對均值功率比(PAPR)和功率增加效率(PAE)之間加以取捨。新的正交分頻多工(OFDM)傳輸格式，例如第三代夥伴計畫(3GPP)長程演進計畫(LTE)、LTE-Advanced和802.11ac等，都具有較高的峰值對均值功率；而高峰值功率位準的偶發事件，會造成PA更嚴重扭曲訊號並減損整個波形之頻譜波罩(Spectral Mask)相容性、EVM和BER。讓PA在較低功率下運作是降低非線性度的方法之一。

如此一來，PA必須遠低於其長期飽和功率位準。換言之，大多數時間，PA運作會浪費大量的系統容量，因為流失90%以上的直流功率並轉為熱能，所以其運作效率通常小於10%。對基地台而言，這樣會限縮其服務區域，使得服務供應商的資金支出與運作成本上升。而行動裝置與手機則會因此降低服務品質(QoS)並縮減電池續航力，造成客戶滿意度下降以及營收下滑。線性化特性可以讓PA無失真地在其高實體位置延伸(PAE)的飽和區附近運作，因而可降低成本。

藉由採用數位預失真技術(Digital pre-distortion, DPD)，工程師可經濟且有效達成線性化目標。目前市面上有很多支援2G/3G標準的商業用晶片組和IP可滿足此需求。

寬頻DPD設計面臨嚴峻考驗

但絕大多數的商用DPD目前仍不支援4G標準。以下將簡要探討實體層通訊系統設計工程師所面臨之種種挑戰，並剖析採用DPD技術的優缺點。

商用IP/演算法/晶片組無法支援4G標準

首先是4G支援的問題，很多元件目前都還不支援4G標準所要求的頻寬、動態範圍以及效能；其次為封閉IP，它們都不允許使用者存取內部演算法，因而無法進行深入研究並客製波峰因數衰減(Crest Factor Reduction, CFR)、倍增取樣(Oversampling)、濾波、DPD係數萃取與整合、多項式深度(Polynomial Depth)、記憶效應(Memory Effects)，以及其他要素；最後是元件數量問題，最終的物料清單(BOM)項目和元件數量都會增加。因此工程師希望能在不使用外部元件或增加成本的狀況下，將DPD整合入現有的基頻數位訊號處理器(DSP)。

硬體頻寬不足且無法擴充

首先是現有的測試平台不支援執行LTE-Advanced載波聚合所需的硬體頻寬，或是802.11ac之DPD所需的倍增取樣功能，因此導致頻寬不足的問題衍生。其次，採用其他廠商之展示板所建構的專屬解決方案可能未經校驗、不提供可重複的步驟，或是無法納入既有的硬體設計流程；而且這些解決方案可能不支援自動化作業，造成無法擴充的問題。最後，還須要可重新配置、符合標準的向量訊號，以支援新興標準，但這些標準仍持續演進中，因此現有設備可能都還不支援。抑或是，用來產生與量測訊號的專用演算法可能不適合外部合作夥伴使用。

模型化團隊需要更好的建模平台

一個由博士級的建模工程師所組成的超優質團隊，須要花費很多時間撰寫簡單的程式碼與「黏附碼(Glue)」，以便整合一般用途的工具套件。他們須使用更好的激發與響應建模平台，來提升整體工程研發品質。接著，工程師須具備較高的技術層次才能進行建模與解譯。而如何在實驗室以外的環境對合作夥伴展示解決方案？如何不受制於特定廠商的產品，以及如何透過遠端存取技術來共享測試設備、元件範例，並使用通用的工具套件、互通性和授權，來維持全球協同運作呢？這些都是轉讓IP的問題。由於目前的DPD技術仍不夠穩定，所以應直接連接到RF EDA流程，將整個DPD/PA建模程序虛擬化，以便同時進行射頻與基頻設計。

DPD專用軟體可加速建立模型

準備轉移至4G架構的工程師須要可快速部署DPD，並可用於4G通訊系統的解決方案。該解決方案必須能讓不同技術層次的工程師都能運用自如，而且只須用到最少的設備。這類工具套件必須能夠準確建立初始模型、不限使用特定廠商的晶片組或硬體部署，同時還要能將客製的DPD整合入其餘的基頻處理程序，以便減少元件數量。此外，還必須能夠連接其他不同的工具以執行硬體驗證。

安捷倫(Agilent)的SystemVue平台即可達成上述要求，其內建W1716 DPD Builder這套DPD專用軟體，以提供簡易的逐步導引式操作介面，讓工程師能夠快速建立模型，並且修正常見於低功率和高功率的PA、收發器積體電路(IC)，甚至於自動增益控制模組的4G記憶效應來源。

有了優秀的量測工具後，工程師可利用實驗室內既有的通用測試設備，針對無線系統架構進行初期研發架構與元件研究。其他的專屬DPD解決方案則要求工程師使用一些尚未成熟的儀器執行4G可行性研究。藉由使用W1716 DPD，無線架構工程師可在短短幾分鐘內評估元件的「可線性化程度」，同時還可維持硬體靈活性並對4G量測充滿信心。

總的來說，透過強大、易用的DPD演算法，並且將開放、不受制於特定廠商與技術的研究方法注入DPD和PA硬體，以及可用來進行特性分析的標準化真實波形，例如採用CFR技術的LTE和LTE-Advanced波形，均是能達成前述目標的重要關鍵。

CFR可補充並改進DPD的有效性。在現代通訊系統中，頻譜效率較高的寬頻射頻訊號，其峰值對均值可高達13分貝(dB)。CFR還可預先調整訊號以便降低訊號峰值，以避免造成訊號嚴重失真。藉由降低PAPR，CFR允許PA在更高功率位準下更有效率地運作，而又不會損及與頻譜波罩和EVM規格之相容性。CFR可直接在訊號上運作，DPD則可修正PA非線性度，讓訊號能夠在更高功率下傳輸。

不同於其他的DPD方法，從設計工程師的觀點出發的DPD方法，提供靈活的內建式模型技術，並搭配使用各種可改變配置的寬頻儀器，如安捷倫PXI模組化系列產品(圖5)。

圖5　安捷倫PXI模組化系列產品

將DPD套用於運作中類比PA

圖6　數位預失真器架構圖

圖6是數位預失真器的記憶多項式(Memory Polynomial)架構圖。第一步是了解PA行為背後的實際機制，第二步則是建構預失真器模型，以便根據第一步提供的資訊，準確地找出靜態非線性度和記憶效應等問題。標示「預失真器」(訓練A方塊)的回饋路徑之輸入為(n)/G，其中G為預期的PA小訊號增益，而z^(n)則為其輸出。實際的預失真器完全複製此回饋路徑(完全複製A)；其中x(n)作為輸入訊號，而z(n)則為輸出訊號。在理想狀況下，(n)=Gx(n)，以帶出z(n)=z^(n)而誤差項e(n)=0。如果考量y(n)和z(n)，此結構可使工程師直接找到Ａ區塊的參數，以產生假設預失真器。當誤差能量e(n)2被最小化之後，此演算法將收斂。

圖7　DPD硬體驗證流程圖

透過圖7所示的配置與量測步驟，工程師可使用SystemVue W1716 DPD工具輕易描繪真實PA硬體的特性，只要幾分鐘即可完成。請注意，工程師也可使用相同的程序，以模擬方式建立DPD。

DPD建模流程步驟

首先是利用W1716 DPD精靈來計算DPD激發波形，例如LTE-Advanced、802.11ac或是客製的波形，並載入M9330A AWG。基頻AWG可輸出I和Q類比電壓，以便驅動N5182 MXG的基頻輸入訊號。接著MXG輸出調變後的射頻波形，以便激發任何套用了平坦度與經過校驗的PA。如為大型基地台PA，可能須使用外部前置放大器，將PA驅動至接近於1分貝壓縮點。

使用M9392A向量訊號分析儀來擷取原始輸入訊號和放大後的PA響應，然後透過89600 VSA軟體提供的連結將其回傳到SystemVue。請注意，PA輸出訊號須先經過衰減，然後再送入M9392A，以免造成分析儀受損或過度負載，因而減損其校驗後的效能。

W1716 DPD Builder可執行時序校準，並將擷取到的輸出波形與線性縮放後的輸入波形加以比較，以獲得EVM歷史資料，亦即待測物之特性。接著可根據兩者的差異來建立DPD模型，然後以模擬方式驗證模型。此時，工程師還擁有「非純淨功率放大器(Dirty PA)」模型，可在與量測硬體的連結中斷後派上用場。

為驗證硬體，原始的激發波形現在已經過預失真，並且再次載入訊號產生器，以便重新測試PA。此時可使用第二步中的實際連結來擷取線性化DPD+PA響應。

圖8　圖片顯示安捷倫PXI模組化AWG和向量訊號產生器，以及SystemVue W1716 DPD軟體。

透過如圖8所示的量測儀器完成的五步驟DPD建模流程，可協助工程師建立商業PA。圖8最上方為執行SystemVue的筆記型電腦，可用圖5所示的系統化方式來控制最下方的安捷倫PXI模組化硬體。此模組化平台將M9330A任意波型產生器則與M9392A向量訊號分析儀整合於同一機箱。圖8中間的外部N5182 MXG射頻訊號產生器，可有效地將M9330A AWG送出的基頻訊號轉換成調變載波。

圖9和10則顯示使用SystemVue DPD的結果。圖9呈現使用和未使用DPD之無線PA輸出訊號的IEEE 802.11ac(頻寬為80MHz)頻譜。請注意，使用倍增取樣技術後，實際量測頻寬會比原始訊號的頻寬更寬。如未增加頻寬來估算頻段外能量(失真產物)，稍後就不可能修正此頻譜再生。圖10顯示支援4×20MHz載波聚合(總訊號頻寬達80MHz)的LTE-Advanced訊號，圖中並顯示使用與未使用DPD技術的PA輸出訊號的頻譜。

圖9　圖中顯示IEEE 802.11ac(80MHz)的DPD效能，其中(C)部分是PA輸入訊號，(B)部分是未採用DPD的失真PA輸出訊號，(A)部分則是線性化DPD+PA輸出訊號。

圖10　圖中顯示支援4×20連續載波聚合之LTE-A的DPD效能，其中(C)部分是PA輸入訊號，(B)部分是未採用DPD的失真PA輸出訊號，(A)部分則是線性化DPD+PA輸出訊號。

安捷倫的SystemVue W1716 DPD提供記憶多項式演算法，以作為C++資料流模型，以及可作為.m程式碼(採MATLAB格式)的無記憶多項式演算法，後者僅供授權使用者使用。使用者也可將SystemVue平台當作建模工具，並將自己的數位預失真演算IP整合入W1716 DPD精靈。

高擴充性量測儀器滿足DPD建模要求

隨著工程師開始研發LTE-Advanced或802.11ac等先進的無線通訊系統，選擇並設計適合基地台與行動裝置使用的PA，以便在最低成本下達成設計目標，變得愈來愈困難。DPD能讓PA無失真地在飽和區附近維持高效率運作，可協助工程師克服各種基地台與行動裝置的PA設計挑戰。配備W1716 DPD選項的SystemVue提供支援4G訊號與標準的格式精密演算法，並可搭配使用89600 VSA軟體等可信賴的專用軟體。M9330A AWG和M9392A向量訊號分析儀等安捷倫PXI模組化儀器，都是經過校驗的寬頻量測平台，可因應現今高達250MHz的DPD建模要求。其優異的擴充性，可滿足未來不斷改變的需求。

(本文作者任職於安捷倫)