浅谈数字预失真技术

数字预失真(DPD)技术随着通信技术的飞速发展迅速登上历史舞台。我们为什么要用DPD技术？DPD原理本质是什么？什么是DPD的模型和算法，有什么区别？DPD对通信系统带来什么样的效果？本文将带领您进入这个神秘的DPD世界进行探索。同时在文章最后，作者抛砖引玉的畅想DPD技术在通信领域外的一些展望供大家思考。

1. 为什么要用数字预失真

移动通信的技术发展主要围绕提高信号传输速率这一目标进行展开，这是用户端需求；而商业运作需要围绕着降本增效的目标进行展开，这是供应端需求。用户端和供应端的博弈共同决定了最终的技术路线。

提高信息传输速率有两种方式，其一是采用更高阶的信号调制方式，使得相同带宽下比特率增加；另一种是采用更宽的瞬时带宽。当信号端做出更加适用于用户端需求的更改后，进入系统的信号峰均比也跟着变高。

在理想情况下，功放呈现出线性特性，此时仅需计算出信号的峰均比，将功放从饱和状态下调一个峰均比即可无失真放大。然而实际情况下，功放本身具有非线性，会存在增益压缩和相位失真，此时放大器便会使信号严重失真，EVM恶化。如图中采用60 MHz带宽，7.8 dB峰均比，64-QAM信号经过功率放大器的星座图，其收发回环EVM恶化到了5.1%，大大提高解调难度，无法采用更高阶的调制信号。

并会产生频谱再生，测试结果中邻信道抑制比恶化到了-29 dBc，会影响其他频带的正常通信。

在这种情况下，要想直接的改善功放的失真，只能使用能输出峰值功率更高的功放，让放大器工作在线性区。在调制更复杂的场景下，很有可能会出现需求输出5 W平均功率，但功放峰值输出能力需要达到100 W的情况。除了物料成本外，低效带来的散热和稳定度也无法保障。这与供应端降本增效的需求相违背。

此时DPD技术应运而生，可在功放达到线性度需求的情况下，显著提升其平均输出功率。当然功放部分也有众多学者和从业人员研究高峰均比下的能效，我们将在之后的专栏进行讨论，本文便不再展开。

2. 数字预失真原理和实现框图

功放的输出不是“直”的，而是随着功率的变化逐渐变“弯”。这弯的部分便是非线性产物的罪魁祸首，DPD技术本质是产生一个反向弯曲线，两模块一拍即合，信号便被拉直了。原理是不是很简单？但事实是众多学者和从业人员在这个技术点上研究了大半生。

这一条简单的曲线纠结有什么魔力呢？因为我们的输出曲线希望的是一条很细且直的线，但由于带宽的增加，功放的线会发生分散而变粗；由于功放技术的演化如负载调制等，该线不再是简单的先直后弯，而是如波涛般上下起伏；由于预失真器是FPGA例化所得，硬件是否能在有限的资源满足。这一系列问题便使得DPD技术在大带宽的实际应用中（400 MHz带宽以上）困难重重。

实际系统中，DPD需要构建一个完整的反馈通道。对一个功率放大器进行数字预失真处理可分为特征提取、参数辨识和信号预失真三个阶段，整个过程均在基带进行处理，一般以IP核的形式实现。

3. 什么是数字预失真的模型和算法

翻开文献，什么Saleh模型、Volterra模型、LUT模型、多盒模型、神经网络模型、AI模型等等引入眼帘；什么多项式LMS算法、贝叶斯算法等等让人眼花缭乱。

那什么是模型，什么是算法，以及怎么实现他们呢？

对于发射机来说，基带输入—DAC—上变频—功放—天线是标准的架构，也是信号流的主干道，DPD器便是插入这条主干道的关卡，信号实时流过预失真器，处理了之后通过DAC进行输出。DPD器的实现就是模型，模型的本质是能够物理实现的“基”，由于其主干道的信息流速大，通常这部分使用FPGA实现，当然也可以设计专用芯片来进行实现。使用Matlab、Python等工具也可以在脱离硬件的情况下进行仿真预测。

实现了基，还需要针对不同使用条件下，对每个基的“权重”也就是DPD系数进行调整。这时需要算法来计算系数，计算核心同时抓取输入信号和输出反馈信号进行对比与处理，便计算出系数值，送到FPGA例化的预失真器进行调整。从框图可以看出参数估计模块并不在信号流主干道上，而是一条小水渠。其对于实时性要求不高，那么实现便可以根据实际使用场景来选择。

可以在FPGA里进行计算，可以在系统搭载的CPU中进行计算，亦可以通过外部服务器进行计算之后将数据传入内部。

4. 数字预失真效果展示

本文将使用双通道矢量信号收发器进行DPD实验，FPGA实现的预失真器采用普遍的广义记忆多项式模型，参数计算由内部ARM进行计算。

运行数字预失真，EVM改善到0.8%，此时使用1024-QAM信号也在星座图上清晰可见。

频谱也得到改善

同时观测DPD前后的AM-AM和AM-PM曲线也可以看到增益和相位都得到较大的改善

5. 数字预失真技术的展望

从20世纪90年代至今，DPD技术已在通信基站中进行商用且数量超过800万台，似乎该项技术生来就是为移动通信服务的。

那么是DPD潜力仅限于此？还是移动通信的皓月光辉掩盖了其繁星光芒？ 笔者从事射频系统、数字预失真、功率放大器多年，个人感觉DPD在应用端的潜力似乎被低估了。

DPD技术是一个系统化的技术，对于整个射频系统都有改善性能的能力，不论是移动通信，还是雷达探测、卫星通信、跳频抗干扰等涉及到射频收发的系统均有能力改善。不仅是大功率功率放大器，包括低噪放、混频器、滤波器、开关等均能提高信号质量和输出功率。

当然技术迁移时，核心技术研究方向会发生很大的改变。笔者这里仅是抛砖引玉，希望引起大家的思考。

www.amplustech.com

审核编辑 黄宇