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超宽频DPD:奖励和实现电缆分配系统的挑战

2017年10月24日通过帕特里克·普拉特模拟设备

本文着眼于新技术对现有的有线电视网络,特别是数字预失真功率放大器。

本文着眼于新技术对现有的有线电视网络,特别是数字预失真功率放大器。

第一个在美国有线电视系统开始出现在50年代初。即使技术快速变化和分布方法,电缆保持突出的位置作为一个管道的分布数据。新技术分层自己现有的有线电视网络。

本文主要关注的一个方面,evolution-power放大器(PA)数字预失真(DPD)。这是一个术语,许多参与细胞系统网络将会熟悉。过渡电缆的技术带来了众多益处的功率效率和性能。这些优点的出现实质性的挑战;本文深入到其中的一些挑战和概述如何他们可能得到解决。

理解需求

当功率放大器的非线性区域,它们的输出变得扭曲。变形会影响带内的性能,也可能导致不必要的信号蔓延到相邻的通道。

溢出效应尤为重要,在无线移动应用程序,和相邻信道泄漏比率或ACLR,因为它是termed-is严格指定和控制。其中一个突出的控制技术是数字化成形或predistorting信号在功率放大器的非线性PA的取消。

电缆环境非常不同。首先,它可以被视为一个封闭的环境;在电缆停留的电缆会发生什么!操作员拥有和控制整个频谱。带外(OOB)扭曲并不是一个大问题。然而,带内失真是至关重要的。服务提供者必须确保最高质量带内传输管道,这样他们可以利用最大的数据吞吐量。他们确保这一点的方法之一就是通过运行电缆在其线性功率放大器严格地区。这个操作方式的取舍很差功率效率。

图1所示。电源效率在有线电源放大器驱动程序。

图1提供了一个典型的电缆应用程序的概述。虽然系统消耗近80 W的功率,仅2.8 W的信号功率。功率放大器是非常低效的类体系结构。可以计算的最大瞬时最高效率50%(信号包络最大时,假设归纳加载)。如果巴勒斯坦权力机构操作完全是在线性区域,然后考虑的非常高的峰值平均比有线电视信号(通常是14 dB)意味着下面的操作放大器需要平均14 dB的开始压缩,因此确保没有信号压缩发生即使在信号的峰值。之间有一个直接相关的退下,放大器的操作效率。放大器是后退14 dB适应有线电视信号的全系列10-14/10运营效率会降低。因此,从其理论最大的运营效率下降50%,10-14/10×50% = 2%。图2提供了一个概述。

图2。高峰平均比率退下的操作模式和效率急剧下降。

总之,电源效率是主要的问题。失去权力的成本含义,但同样重要的是,它还使用了一种稀缺资源在电缆分配系统。有线电视运营商增加更多的功能和服务,他们需要更多的处理,处理的权力可能是在现有电力预算约束。如果损失功率可以从PA检索效率低下,然后它可以分配给这些新功能。

巴勒斯坦权力机构低效率的解决方案是数字预失真。普遍采用的方法,采用在无线蜂窝行业。DPD允许用户操作巴勒斯坦权力机构更有效率,但更多的非线性区域,然后先发制人纠正扭曲在数字域之前的数据被发送到。DPD是塑造数据之前巴勒斯坦权力机构来抵消PA会产生扭曲,从而延长PA的线性范围,如图3所示。扩展线性范围可以用来支持高质量加工,提供较低的调制错误率(MER), 1或允许巴勒斯坦权力机构以减少运行偏差setting-thus储蓄力量。尽管DPD已广泛应用于无线蜂窝基础设施,实现公司在电缆环境中具有独特的和具有挑战性的需求。

图3。数字预失真的概述。

如图4所示,实际操作效率的电缆应用坐在约3.5% !实现DPD导致系统的电力需求下降从80 W到61年是节电的19 W,减少了24%。以前每个PA需要17.5 W的权力;现在下降到12.8 W。

图4。通过DPD实现节电的概述。

实现的挑战

DPD的价值是显而易见的,但电缆应用的实现带来了许多独特的挑战。这些技术挑战必须满足的范围内可用的资源。例如,必须能效解决方案本身,很少有价值在优化效率如果保存力量转移到驱动解决方案。同样,数字处理资源需要有效合适的,这样他们可以驻留在当前FPGA架构。很大/复杂算法与非标准硬件需求和广泛的建筑变化不太可能得到适应。

Ultrawide带宽

也许最著名的电缆应用程序之间的区别和带宽的无线蜂窝环境操作。在电缆,有大约1.2 GHz的带宽线性化。宽的带宽的挑战是加剧了频谱的事实开始刚从直流54 MHz,信号带宽大于信道中心频率。我们一定要记住,节电是爸爸开车到其非线性操作区域;提供更好的效率,但在生成非线性产品的成本。公司配有取消造成的非线性PA,尤其关注那些回落带内想要的信号。有线电视应用,构成了独特的挑战。

图5。谐波失真条件在传统窄带解释。

图5中概述的宽带谐波失真方面我们可能认为传统的窄带(窄带后在本节中定义)upconverted基带信号通过一个非线性放大阶段。非线性功放的输出通常是被一个幂级数表达式,如沃尔泰拉级数的形式

可以被理解为一个泛化的泰勒幂级数包括记忆效应。基本重要的要注意的是,每个非线性项(k = 1,2,…, k)产生多次谐波失真(HD)的产品。例如,5th订单有3个方面:5th订单1谐波,5th订单3理查德·道金斯谐波,5th订单在5th谐波。还请注意,谐波带宽是它的倍数秩序;例如,3理查德·道金斯订单条款三倍比刺激更广泛的带宽。

在电缆,与其说是大信号带宽,但其定位在光谱(刚从直流54 MHz),这对DPD构成特殊的挑战。谐波失真发生在所有非线性系统;有线电视公司的重点是落在乐队的谐波失真。查看图5,可以看出,在传统窄带应用,重点将是3理查德·道金斯- - - 5th阶谐波。尽管其他人创建的,他们的乐队感兴趣的,可以通过传统的过滤。我们可以定义部分带宽的宽带和窄带应用程序的部分带宽的定义是

(fn =最高频率,f1 =最低频率和fc =中心频率)。部分带宽超过1时,应用程序可以被视为宽带。大多数手机应用程序有部分带宽为0.5或更低。因此,他们的高清行为坚持特征如图6所示。

图6。窄带简化;只有产品在1谐波需要被考虑。

对于这种窄带系统,只带内失真在1DPD因为谐波需要取消的带通滤波器可以用来删除所有其他产品。还请注意,乐队下降甚至没有订购产品,公司只需要把奇数阶项。

在电缆应用程序我们可以近似fn ~ 1200 MHz, fl ~ 50 MHz,和fc ~ 575 MHz,从而给我们2的部分带宽。确定最低高清秩序需要纠正,这个方程

(Kmin非线性才能被认为是最低的)可以被使用,或数字50 MHz×2 = 100 MHz,小于1200 MHz-hence 2nd操作顺序高清落在乐队,必须纠正。因此,如果决定操作非常安全的电缆外PA和线性操作,产生的谐波失真将如图7所示。

图7。在宽带有线宽带谐波失真的影响应用程序。

与无线手机只有奇数阶谐波的问题,在电缆应用无论是偶数和奇数乐队创建多个,重叠区域的扭曲。这有一些严重影响的复杂性和复杂性DPD的解决方案,作为算法从过去简单的窄带假设。DPD的解决方案必须适应每个订单的谐波失真。

在窄带系统中,甚至次项可以忽略,奇数阶项产生1学期每个频带内的利益。DPD的电缆应用程序必须关注自身与奇数和偶数阶谐波失真和它还必须考虑每个订单可以有多个重叠带内的元素。

定位的谐波失真修正

考虑传统窄带DPD的解决方案,处理复杂的基带,我们主要关心的是谐波失真,坐在周围对称承运人。在宽带有线电视系统中,尽管这对称坐落在维持这些条款1谐波,对称不再适用于谐波更高的产品。

图8。注意频率偏移的需求在宽带DPD的复杂基带处理。

如图8所示,传统窄带DPD是在复杂的基带。在这些情况下,只有1谐波产品等乐队,他们直接转换成射频基带表示。当我们考虑宽带有线电视公司,更高的谐波失真必须频率偏移,这样上转换定位正确后基带表示真正的射频频谱。

环路带宽限制

闭环DPD系统使用一个传输和观察路径。在一个理想化的模型中,两个路径是带宽限制,是宽足以通过所有DPD的规定;也就是说,带内和带外的条款都是过去了。

图9。理想化的DPD实现没有带宽限制。

图9 DPD实现的概述。在理想的情况下,从数字上转换器的路径通过DPD (DUC)通过PA DAC和没有带宽限制。同样,观察路径上的ADC将数字化全带宽(注意,出于演示目的,我们显示2×带宽信号通路;在一些无线移动应用程序可能扩展到3×5×)。理想实现的DPD带内产生的条件和乐队完全取消PA引入的失真。重要的是要注意,对于准确的取消,创建术语的带宽以外的感兴趣的信号。

在实际实现中,信号路径带宽限制,修改DPD性能理想的实现。

图10。DPD是性能降低带宽限制在信号路径限制OOD条款。

有线电视应用,带宽限制可以来自各种来源:JESD FPGA之间的联系和DAC, DAC anti-imaging过滤器,PA输入匹配。这些限制的最显著的效果是OOB性能。可以观察到的仿真如图10所示,DPD未能纠正OOB扭曲。在电缆,OOB扭曲导致带内性能下降,这可能是特别的意义;带宽限制在信号路径可以和做,影响带内的性能。

电缆环境的独特之处在于,运营商拥有整个频谱。排放的乐队感兴趣的(54兆赫到1218兆赫)在光谱的一部分不被别人,也受到衰减由于固有的高频电缆损失。观察路径只需要关心监测带内所发生的操作。

这里需要做出一个重要的区别;排放的乐队并不担忧,但这些生成的乐队和扩展回到乐队。因此,尽管OOB排放并不担忧,创建它们的条款。无线移动应用程序的实现是非常不同的观测带宽需求通常是3×5×乐队的操作。在电缆,重点是带内性能和OOB方面只需要被认为是对他们的影响带内的性能。

有线电视公司只需要正确对带内产品:54 MHz到1218 MHz,用于DOCSIS 3。DPD生成2nd3理查德·道金斯,…取消条款。虽然我们只需要正确的电缆BW, DPD驱动器内的这些术语扩展到更广泛的BW(例如,3理查德·道金斯为了扩展3×1218 MHz)。保持稳定的传统DPD适应算法,这些OOB条件应该保存在循环。任何过滤的DPD条款往往会破坏适应算法。在有线电视系统频带限制,因此传统的算法可以失败。

DPD和电缆倾斜补偿

与其他传播媒介一样,电缆引入衰减。一般来说,这种衰减可以视为电缆质量的功能,电缆运行距离,传输的频率。如果一个相对统一的接收信号强度是在接收端实现电缆,整个光谱的操作,然后预加重(倾斜)必须被添加在传送端。倾斜可以被视为一个逆传递函数的电缆。它适用于预加重,或塑造与传播的频率成正比。

塑造是通过一个低功率被动模拟均衡器称为倾斜补偿器,位于前功率放大器。很少或没有应用于高频衰减,而最大衰减是应用于较低的频率。在倾斜补偿器的输出信号可以高达22分贝水平变化的光谱操作。

图11。倾斜补偿器实现。

倾斜补偿器的形状信号,塑造形象维护信号处理通过PA。传统DPD实现将塑造作为一个障碍,试图纠正DPD是一个非线性均衡器。似乎合理的建议,如果逆倾斜路径添加到观察意见,这使得它将减轻的效果。然而,这是不正确的。因为PA非线性,交换性并不持有或,换句话说,

功率放大器(PA的模型和T倾斜补偿器的模型)。

为最优操作,DPD处理块需要一个明确的信号,将自己的知识PA的输入。在电缆DPD应用程序中,必须维护倾斜补偿,同时拥有DPD PA算法模型。这提出了一些非常独特的和困难的挑战。我们需要一个低成本,稳定的解决方案,不平衡的倾斜。而溶液的性质不能透露在这篇文章中,ADI找到了一个创新的解决这个问题,这可能是详细描述未来的出版物。

DPD和电缆PA架构

如图4所示,典型的电缆应用程序将输出从一个DAC分裂和提供给四个单独的私人助理。获得最大的电能节约,DPD需要上实现所有这些不是。一个可能的解决方案是实施四个独立DPD和DAC块。解决方案工作,但效率降低和系统实现成本增加。额外的硬件有美元和电力成本。

并不是所有的不平等,虽然过程匹配(生产过程)可能提供单位,也有类似的性格,差异将持续下去,可能与衰老变得越来越大,温度,和供应的变化。已经说过,使用一个PA作为优化大师和发展公司,然后应用于其他,并提供系统性能优势如图所示的仿真结果如图12所示。

左边显示巴勒斯坦权力机构性能的情节没有DPD应用。非线性运作模式导致扭曲,这是反映在MER1性能,有一系列37 dBc 42 dBc。应用闭环DPD通过观察主PA的输出;绿色阴谋右边的图显示了增强性能。爸爸的公司配有纠正扭曲和结果是整体性能已经转移到交付MER从65至67 dBc dBc。剩下的情节在中间显示的性能奴隶这种,不是修改基于主PA。可以看到,实现闭环DPD通过观察一个PA的性能不是受益。然而,奴隶的性能不是继续的操作将会失败。张成的空间表现67年奴隶不是范围从38 dBc dBc。广泛本身不是问题,但是部分低于可接受的操作范围阈值(通常是45 dBc电缆)。

图12。与多个不是单一DPD(模拟结果)。

独特的系统架构对DPD有线电视提供了一个额外的挑战。优化的性能需要闭环DPD的实现。然而,传统思维认为在.cable需要额外的硬件在每个路径。一个最优的解决方案需要提供闭环DPD的增强每个PA但没有额外的硬件成本

解决的挑战与智能算法

如前所述,在本文中,电缆DPD给设计师特别独特的和困难的挑战。必须解决的挑战,但在权力的约束和硬件的优势不是侵蚀;几乎没有价值的储蓄PA功率如果这就是用于额外的dac或FPGA。同样,必须平衡节电硬件成本。ADI解决挑战使用高性能模拟信号处理的结合,加上先进的算法实现。

图13。有线电视公司使用先进的转换器和智能算法实现。

ADI的高级概述实现如图13所示。解决方案可以被视为有三个关键要素:使用先进的转换器和孵蛋的产品,一个架构,支持全面的信号链监控/控制,最后,一个先进的DPD算法,可以利用前知识提供最佳性能。

该算法的核心解决方案。它使用广泛的知识的信号处理和信号通路的传递函数形状输出,同时调整的某些方面的动态控制信号路径。动态系统解决方案意味着系统设计师不仅有能力获得可观的节能,但那些节省电能,可以直接交易与性能。算法就是这样,一旦用户定义的MER1性能水平系统必须操作,实现系统优化,性能是实现跨所有输出。重要的是要注意,也确保了性能阈值的算法实现了在保持最优功率使用在每一个PA;不需要爸爸需要更多的权力比达到目标的性能。

前款规定的解决方案的实现提供了一个概述。算法本身的细节是ADI专有的IP和超出了本文的范围。智能算法具有学习能力的系统路径,然后改变性质的数据传输通过路径和路径本身的特点,提供最优的结果。我们定义最优结果保持MER的质量,同时降低电力需求。

路径的特点,随着传播信号的性质,都在不断变化。算法具有自学习能力来处理动态适应性。更重要的是,适应系统没有时发生中断或扭曲传送流。

结论

有线环境仍然是一个重要的基础设施的数据服务。随着技术的发展,压力频谱和功率效率。下一代的发展要求不断增加的需求和推动高阶调制方案和更好的功率效率。这些增强功能必须在不影响系统性能(MER),同时公司提供了一个可能的实施途径,其实现电缆的应用带来了独特的和困难的挑战。ADI开发了整个系统的解决方案,来应对这些挑战。这个解决方案包括硅(dac、adc和时钟),PA控制和先进的算法。所有三种技术的结合提供用户一个适应性强的解决方案,他们可以轻松地权衡能力和性能要求以最小的妥协。这软件定义的解决方案也支持无痛过渡到下一代的电缆技术预计将全双工(FD)和包络跟踪(ET)。

注1:调制误差率是衡量质量的调制。它代表了目标之间的区别符号向量和传播符号向量。MER = 10日志(平均信号功率/平均误差功率)。它可以被视为衡量精度的符号放置在安慰。

这篇文章的作者之一:弗兰克·卡尼

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