Ultrawideband DPD: вознаграждения и вызовы внедрения в системах кабельного распределения
В этой статье рассматриваются новые технологии, связанные с существующей кабельной сетью, в частности, цифровое предыскажение усилителя мощности.
Первые кабельные системы в США начали появляться в начале 50-х годов. Даже при быстрых изменениях в технологии и методах распределения кабель сохранил заметное положение в качестве канала для распространения данных. Новые технологии накладываются на существующую кабельную сеть.
В этой статье основное внимание уделяется одному аспекту цифрового предыскажения усилителя мощности (PA) (DPD). Это термин, который многие из участников сетей сотовой сети будут знать. Переход технологии на кабель дает существенные преимущества с точки зрения энергоэффективности и производительности. Благодаря этим преимуществам возникают серьезные проблемы; эта статья глубоко погружается в некоторые из этих проблем и дает обзор того, как они могут быть решены.
Понимание требований
Когда усилители мощности работают в своей нелинейной области, их выход искажается. Искажение может повлиять на производительность в полосе частот, а также может привести к нежелательному распространению сигнала в соседних каналах.
Эффект разбрызгивания особенно важен в беспроводных сотовых приложениях, а коэффициент утечки соседнего канала - или ACLR, как он называется - жестко задан и контролируется. Одной из видных методов управления является цифровое формирование или предисторирование сигнала до того, как он попадает на усилитель мощности, так что нелинейности в ПА отменены.
Кабель окружающая среда очень отличается. Во-первых, его можно рассматривать как замкнутую среду; что происходит в кабеле, остается в кабеле! Оператор владеет и контролирует полный спектр. Внеполосные (OOB) искажения не являются серьезной проблемой. Однако критические значения имеют внутриполосные искажения. Поставщики услуг должны обеспечить высококачественный внутриполосный канал передачи, чтобы они могли использовать максимальную пропускную способность данных. Один из способов, которым они обеспечивают это, - это запустить усилитель мощности кабеля строго в пределах его линейной области. Компромисс для этого режима работы является очень низкой энергоэффективностью.
Рисунок 1. Энергоэффективность в драйверах усилителей мощности кабеля
На рисунке 1 приведен обзор типичного применения кабеля. Несмотря на то, что система потребляет около 80 Вт мощности, подается только 2, 8 Вт мощности сигнала. Усилители мощности являются очень низкоэффективными архитектурами класса А. Максимальная мгновенная пиковая эффективность может быть рассчитана как 50% (когда огибающая сигнала максимальна, если предположить индуктивную нагрузку). Если PA полностью работает в своей линейной области, то с учетом очень высокого пикового и среднего отношения сигналов кабеля (обычно 14 дБ) означает, что усилители должны работать в среднем на 14 дБ ниже начала сжатия, следовательно обеспечивая отсутствие сжатия сигнала даже на пиках сигнала. Существует прямая корреляция между эффективностью отвода и эффективности усилителя. Поскольку усилитель поддерживает 14 дБ для обеспечения полного диапазона сигналов кабеля, эффективность работы снижается на 10-14 / 10. Следовательно, эффективность работы снижается с теоретического максимума от 50% до 10-14 / 10 × 50% = 2%. На рисунке 2 представлен обзор.
Рисунок 2. Высокие пиковые и средние коэффициенты вызывают откат рабочего режима и резкое снижение эффективности
Таким образом, энергоэффективность является основной проблемой. Утерянная мощность имеет стоимость, но, что также важно, она также использует дефицитный ресурс в системе распределения кабелей. Поскольку кабельные операторы добавляют больше функций и услуг, они требуют большей обработки, и мощность для этой обработки может быть ограничена в существующих бюджетах мощности. Если потерянная мощность может быть извлечена из неэффективности PA, тогда она может быть перераспределена на эти новые функции.
Предложенное решение неэффективности ПА представляет собой цифровую предысторию. Это метод, универсально принятый и используемый прямо в беспроводной сотовой индустрии. DPD позволяет пользователю управлять PA в более эффективной, но более нелинейной области, а затем предварительно упреждать искажения в цифровом домене до того, как данные будут отправлены в PA. DPD, по существу, формирует данные до того, как попадет в PA, чтобы противодействовать искажениям, которые производит PA, и, следовательно, расширить линейный диапазон PA, как показано на рисунке 3. Этот расширенный линейный диапазон может использоваться для поддержки обработки более высокого качества, снижают частоту ошибок модуляции (MER), 1 или позволяют PA работать со сниженной настройкой смещения, что позволяет сэкономить энергию. Хотя DPD широко используется в беспроводных сотовых инфраструктурах, внедрение DPD в кабельной среде имеет уникальные и сложные требования.
Рисунок 3. Обзор цифрового предыскажения
Как показано на рисунке 4, фактическая эффективная эффективность применения кабеля составляет около 3, 5%! Внедрение DPD приводит к снижению энергопотребления системы с 80 Вт до 61 Вт - энергосбережение 19 Вт, что на 24% меньше. Раньше каждому ПП требовалось 17, 5 Вт электроэнергии; теперь это падает до 12, 8 Вт.
Рисунок 4. Обзор энергосбережения с помощью реализации DPD
Проблемы выполнения
Значение DPD является четким, но применение кабеля создает множество уникальных задач для его реализации. Эти технические проблемы должны выполняться в рамках имеющихся ресурсов. Например, само решение должно быть энергоэффективным, так как для оптимизации эффективности PA мало что нужно, если сэкономленная энергия переключается на питание решения. Аналогичным образом, ресурсы цифровой обработки данных должны быть подходящими, чтобы они могли эффективно работать в рамках существующих архитектур ПЛИС. Очень большой / сложный алгоритм с нестандартными требованиями к оборудованию и обширными архитектурными изменениями вряд ли будет адаптирован.
Полоса пропускания Ultrawide
Возможно, наиболее заметным отличием кабельного приложения от беспроводной сотовой среды является пропускная способность. В кабеле используется линеаризация полосы частот 1, 2 ГГц. Широкая проблема с полосой пропускания усугубляется тем, что спектр начинается всего на 54 МГц от постоянного тока и что ширина полосы сигнала больше центральной частоты канала. Мы должны помнить, что энергосбережение будет происходить путем вождения PA в его нелинейный регион работы; что обеспечивает лучшую эффективность, но ценой генерации нелинейных продуктов. DPD должен отменить нелинейности, созданные PA, с особым упором на те, которые возвращаются внутри диапазона желаемого сигнала. Это создает уникальную проблему в применении кабеля.
Рисунок 5. Термины гармонических искажений в обычной узкополосной интерпретации
На рисунке 5 представлен обзор условий широкополосного гармонического искажения, которые можно было бы ожидать для обычного узкополосного (узкополосного), описанного ниже в этом разделе), преобразованного с повышением частоты сигнала основной полосы, который проходит через стадию нелинейной амплификации. Нелинейный выход PA обычно описывается выражением степенного ряда, таким как серия Вольтерра, имеющая вид
который можно понимать как обобщение силовых рядов Тейлора для включения эффектов памяти. Принципиально важно отметить, что каждый нелинейный член (k = 1, 2, …, K) генерирует продукты с множеством гармонических искажений (HD). Например, 5- й порядок имеет 3 члена: 5- й порядок на 1- й гармонике, 5- й порядок на 3- й гармонике и 5- й порядок на 5- й гармонике. Отметим также, что ширина полосы гармоник кратно его порядку; например, 3- го порядка в три раза шире полосы пропускания стимула.
В кабеле это не столько большая полоса пропускания сигнала, сколько его расположение по спектру (всего 54 МГц от постоянного тока), что представляет особую проблему для DPD. Гармонические искажения происходят во всех нелинейных системах; фокус кабеля DPD является гармоническим искажением, которое падает в полосе. Взглянув на рисунок 5, можно видеть, что в обычных узкополосных приложениях фокус будет представлять собой гармоники 3- го и 5- го порядка. Хотя другие созданы, они выпадают из группы интересов и могут быть удалены с помощью обычной фильтрации. Мы можем определить широкополосные и узкополосные приложения по их дробной полосе частот, где дробная полоса пропускания определяется как
(fn = самая высокая частота, f1 = самая низкая частота, fc = центральная частота). Когда дробная полоса пропускания превышает 1, приложение может считаться широкополосным. Большинство сотовых приложений имеют дробную ширину полосы 0, 5 или ниже. Поэтому их поведение HD соответствует характеристикам, показанным на рисунке 6.
Рисунок 6. Узкополосные упрощения; необходимо рассмотреть только продукты, связанные с 1- й гармоникой
Для таких узкополосных систем только DP-детекция внутри первой гармоники должна быть отменена DPD, так как полосовой фильтр может использоваться для удаления всех других продуктов. Обратите внимание также, что, поскольку никакие продукты заказа не попадают в группу, DPD нужно обрабатывать только нечетные порядковые номера.
В приложении для кабеля мы можем приблизить fn ~ 1200 МГц, fl ~ 50 МГц и fc ~ 575 МГц, что дает нам дробную полосу пропускания 2. Чтобы определить, какой минимальный порядок HD нужно скорректировать, уравнение
(Kmin - самый низкий нелинейный порядок), или численно 50 МГц × 2 = 100 МГц, что меньше 1200 МГц, следовательно, 2- й порядок HD падает в пределах полосы действия и должен быть скорректирован, Поэтому, если принято решение о работе с кабелем PA за пределами его очень безопасной и линейной работы, результирующие гармонические искажения будут такими, как показано на рисунке 7.
Рисунок 7. Влияние широкополосных гармонических искажений в широкополосных кабельных приложениях
В отличие от беспроводной сотовой связи, в которой вызывали беспокойство только гармоники нечетного порядка, в кабельной системе оба четных и нечетных члена попадают в полосу, создавая несколько перекрывающихся зон искажения. Это имеет серьезные последствия для сложности и изощренности любого решения DPD, поскольку алгоритм должен пройти мимо простых узкополосных допущений. Решение DPD должно учитывать условия для каждого порядка гармонических искажений.
В узкополосной системе четные порядковые члены можно игнорировать, а члены нечетного порядка производят по 1 члену в пределах интересующей полосы. DPD в кабельном приложении должен учитывать как нечетные, так и равномерные гармонические искажения, и также должен учитывать, что каждый заказ может иметь несколько перекрывающихся внутриполосных элементов.
Позиционирование коррекций гармонического искажения
Учитывая обычное узкополосное решение DPD, где обработка выполняется на сложной полосе частот, мы в основном касаемся гармонических искажений, которые расположены симметрично вокруг несущей. В широкополосных кабельных системах, хотя эта симметрия поддерживается для тех терминов, которые расположены вокруг 1- й гармоники, эта симметрия больше не выполняется для продуктов с более высокой гармоникой.
Рисунок 8. Обратите внимание на требования к смещению частоты в сложной обработке основной полосы частот для широкополосного DPD
Как показано на фиг.8, обычный узкополосный DPD выполняется в сложной полосе частот. В этих случаях только 1- я гармоническая продукция попадает в полосу так, что их представление основной полосы переводится непосредственно в RF. Когда мы рассматриваем широкополосный кабельный DPD, более высокие гармонические искажения должны быть смещены по частоте, так что представление основной полосы после преобразования повышается правильно в реальном радиочастотном спектре.
Ограничения полосы пропускания
В системах с замкнутым контуром DPD используется канал передачи и наблюдения. В идеализированной модели ни один из путей не будет ограничен полосой пропускания, и оба будут достаточно широкими, чтобы передавать все термины DPD; то есть передаются как внутриполосные, так и внеполосные условия.
Рисунок 9. Идеализированная реализация DPD без ограничений пропускной способности
На рисунке 9 представлен обзор реализации DPD. В идеальной ситуации путь от цифрового повышающего преобразователя (DUC) через DPD к ЦАПу и через PA не будет иметь ограничений по пропускной способности. Аналогично, АЦП на пути наблюдения будет оцифровывать полную полосу пропускания (обратите внимание, что для иллюстрации мы показываем путь сигнала ширины 2 ×, в некоторых беспроводных сотовых приложениях, которые могут распространяться на 3 × 5 ×). Идеальная реализация имеет DPD, производящие термины как внутриполосные, так и вне диапазона, которые полностью отменят искажения, введенные PA. Важно отметить, что для точной отмены условия создаются за пределами полосы пропускания представляющего интерес сигнала.
В практической реализации путь сигнала имеет ограничения пропускной способности, которые изменяют производительность DPD от идеальной реализации.
Рисунок 10. Снижение производительности DPD в качестве ограничений полосы пропускания в пределе пути сигнала к терминам OOD
В приложении с кабелем ограничения пропускной способности могут исходить из множества источников: JESD-связь между FPGA и ЦАП, цифровым фильтром ЦАП и сопоставлением входа PA. Наиболее заметным эффектом этих ограничений является производительность OOB. Как можно видеть при моделировании, показанном на рисунке 10, DPD не может скорректировать искажения OOB. В кабеле, где искажения OOB способствуют ухудшению производительности внутри полосы, это может иметь особое значение; ограничения полосы пропускания в сигнальном тракте могут и влияют на производительность в полосе.
Кабель окружающей среды уникален тем, что оператор владеет всем спектром. Выбросы, которые выпадают из полосы интереса (от 54 МГц до 1218 МГц), находятся в части спектра, не используемой кем-либо еще и также подвержены распаду из-за присущих потерь кабеля на высокой частоте. Путь наблюдения должен быть связан только с наблюдением за тем, что происходит в зоне действия.
Здесь необходимо сделать важное различие; выбросы, выходящие за пределы диапазона, не вызывают беспокойства, но те, которые генерируются вне диапазона и распространяются обратно в группу. Следовательно, хотя выбросы OOB не вызывают беспокойства, условия, которые их создают. Реализация очень отличается от приложения беспроводной сотовой связи, где требование ширины полосы наблюдения обычно составляет 3 × 5 × от диапазона работы. В кабеле основное внимание уделяется производительности в полосе частот, а условия OOB необходимо учитывать только в отношении их влияния на производительность в полосе частот.
Кабель DPD необходимо только исправить для внутриполосных продуктов: от 54 МГц до 1218 МГц для DOCSIS 3. DPD генерирует условия 2- го, 3- го, … отмены. Хотя нам нужно только корректировать кабель BW, в приводе DPD эти термины распространяются на более широкий BW (например, 3- й порядок простирается до 3 × 1218 МГц). Чтобы сохранить стабильность обычного алгоритма адаптации DPD, эти OOB-термины должны сохраняться вокруг цикла. Любая фильтрация терминов DPD имеет тенденцию дестабилизировать алгоритм адаптации. В кабельной системе существует ограничение полосы, и, таким образом, обычный алгоритм может выйти из строя.
DPD и компенсация наклона кабеля
Как и во всех других средах передачи, кабель вводит затухание. В общем случае это затухание можно рассматривать как функции качества кабеля, расстояния до кабеля и частоты передачи. Если на приемном конце кабеля должна быть достигнута относительно равномерная мощность принятого сигнала, прямо по всему спектру работы, то на стороне передачи необходимо добавить предварительный упор (наклон). Наклон можно рассматривать как обратную передаточную функцию кабеля. Он применяет предварительный упор или формирование, пропорциональный частоте передачи.
Формирование выполняется с помощью малогабаритного пассивного аналогового эквалайзера, известного как компенсатор наклона, расположенный непосредственно перед усилителем мощности. На высоких частотах применяется слабое или полное ослабление, тогда как максимальное ослабление применяется к более низким частотам. Сигналы на выходе компенсатора наклона могут иметь изменения уровня до 22 дБ по всему спектру работы.
Рисунок 11. Реализация компенсатора наклона
Компенсатор наклона формирует сигнал, и этот профиль формирования поддерживается, когда сигнал обрабатывается через PA. Обычная реализация DPD будет рассматривать формирование как ухудшение и попытаться исправить его, поскольку DPD является (нелинейным) эквалайзером. Может показаться разумным предположить, что если обратный к наклону был добавлен к траектории наблюдения, это смягчило бы эффект. Однако это не так. Поскольку PA нелинейна, коммутативность не выполняется - или, другими словами,
(PA - модель усилителя мощности, T - модель компенсатора наклона).
Для оптимальной работы блок обработки DPD нуждается в явном знании сигнала, который будет присутствовать на входе в PA. В приложении DPD кабеля необходимо поддерживать компенсацию наклона, одновременно имея модель алгоритма DPD PA. Это представляет собой очень уникальные и сложные задачи. Нам нужно недорогое, стабильное решение, которое не выравнивает наклон. Хотя характер решения не может быть раскрыт в этой статье, ADI нашел инновационное решение этой проблемы, которое может быть подробно описано в будущих публикациях.
Архитектура DPD и Cable PA
Как показано на рисунке 4, типичное приложение для кабеля будет иметь выход из одного расщепления ЦАП и подается в четыре отдельные ОО. Чтобы получить максимальную экономию энергии, DPD необходимо внедрить на всех этих ООПТ. Одним из возможных решений может быть реализация четырех независимых блоков DPD и ЦАП. Решение работает, но эффективность снижается, а затраты на внедрение системы увеличиваются. Дополнительное оборудование имеет доллар и стоимость электроэнергии.
Не все ОО создаются равными, и хотя согласование процессов (во время производства) может доставлять единицы, которые имеют похожие личности, различия будут сохраняться и могут возрастать по мере изменения старения, температуры и предложения. Сказав, что использование одного ПА в качестве ведущего и разработка оптимизированного DPD для него, которое затем применяется к другим ООПТ, действительно дает преимущество производительности системы, как показано на моделированных результатах на рисунке 12.
Графики с левой стороны указывают на производительность PA без применения DPD. Нелинейный режим работы вызывает искажения, и это отражается в характеристике MER1, имеющей диапазон от 37 дБн до 42 дБн. Замкнутый контур DPD применяется при наблюдении выхода от ведущего PA; зеленый график в правой части диаграммы показывает улучшенную производительность. DPD исправил искажения PA, и в результате общая производительность была сдвинута для доставки MER в диапазоне от 65 дБн до 67 дБн. Остальные графики посередине показывают производительность подчиненных ООПТ, то есть ПА, которые были исправлены на основе основной ПА. Как можно видеть, внедрение DPD с замкнутым циклом, просто наблюдая за одной PA, принесло пользу всем ООП. Однако производительность подчиненных ООПТ продолжает иметь пункты работы, которые потерпят неудачу. Диапазон производительности на ведомых ОУ составляет от 38 дБн до 67 дБн. Сам широкий диапазон не является проблемой, но часть этого диапазона падает ниже допустимого рабочего порога (обычно 45 дБн для кабеля).
Рисунок 12. Отдельный DPD с несколькими ОО (имитированные результаты)
Уникальная системная архитектура в кабеле обеспечивает дополнительную проблему для DPD. Оптимизированная производительность требует реализации DPD с замкнутым циклом. Однако обычное мышление предполагает, что для этого в.cable потребуется дополнительное оборудование в каждом из путей PA. Оптимальное решение должно доставлять усовершенствования DPD с замкнутым контуром для каждого PA, но без дополнительных затрат на оборудование
Решение проблем с помощью SMART-алгоритмов
Как описано выше в этой статье, кабель DPD представляет дизайнеру особенно уникальные и сложные задачи. Задачи должны быть решены, но в рамках ограничений мощности и оборудования, чтобы преимущества не были разрушены; для экономии мощности PA мало значения, если эта мощность используется в дополнительных ЦАП или ПЛИС. Аналогично, энергосбережение должно быть сбалансировано с аппаратной стоимостью. ADI решает проблему, используя комбинацию высокопроизводительной аналоговой обработки сигналов в сочетании с расширенной реализацией алгоритма.
Рисунок 13. Реализация кабеля DPD с использованием передовых преобразователей и алгоритмов SMART
Краткое описание реализации ADI на высоком уровне показано на рисунке 13. Решение можно рассматривать как имеющее три ключевых элемента: использование расширенных продуктов конвертера и синхронизации, архитектуры, которая поддерживает комплексный мониторинг / контроль цепочки сигналов и, наконец,, усовершенствованный алгоритм DPD, который может использовать прежние знания для обеспечения оптимальной производительности.
Алгоритм лежит в основе решения. Он использует свои обширные знания обрабатываемого сигнала и передаточной функции пути сигнала для формирования вывода, одновременно регулируя динамическое управление некоторыми аспектами пути сигнала. Динамическое системное решение означает, что разработчик системы может не только экономить электроэнергию, но и экономить электроэнергию напрямую против производительности. Алгоритм таков, что, как только пользователь определяет уровень производительности MER1, к которому система должна работать, система настраивается таким образом, чтобы производительность достигалась на всех выходах. Важно отметить, что алгоритм также обеспечивает достижение порога производительности при одновременном поддержании оптимального энергопотребления на каждой ПЛ; никакая ПА не потребляет больше энергии, чем требуется для достижения целевой производительности.
В предыдущем параграфе содержится обзор реализации решения. Специфика самого алгоритма - собственный IP-адрес ADI и выходит за рамки этой статьи. Алгоритм SMART имеет возможность изучать системный путь, а затем изменять как характер данных, передаваемых по пути, так и характеристики самого пути для достижения оптимальных результатов. Мы определяем оптимальные результаты как поддержание качества MER при одновременном снижении потребности в мощности.
Характеристики пути, наряду с характером передаваемого сигнала, находятся в постоянном потоке. Алгоритм обладает способностью самообучения справляться с этой динамической адаптацией. Более того, адаптация происходит, когда система работает без прерывания или искажения передаваемых потоков.
Вывод
Кабельная среда продолжает оставаться важной инфраструктурой для предоставления услуг передачи данных. По мере развития технологии так же оказывают давление на эффективность спектра и мощности. Следующее поколение разработок призвано постоянно увеличивать требования и продвигать схемы модуляции более высокого порядка и повышать энергоэффективность. Эти усовершенствования должны приходить, не влияя на производительность системы (MER), и в то время как DPD предоставляет один из возможных возможностей активации, его реализация в кабельном приложении создает уникальные и сложные задачи. ADI разработала общее системное решение для решения этих задач. Это решение включает в себя кремний (ЦАП, АЦП и часы), управление ПА и расширенные алгоритмы. Комбинация всех трех технологий предоставляет пользователям адаптивное решение, где они могут легко обменивать требования к мощности и производительности с минимальным компромиссом. Это программное решение также поддерживает безболезненный переход к следующим поколениям кабельных технологий, которые, как ожидается, будут включать полнодуплексный (FD) и отслеживание огибающей (ET).
Примечание 1: Частота модуляции является мерой качества модуляции. Он представляет собой разницу между целевым символом-символом и переданным символом-символом. MER = 10Log (средняя мощность сигнала / средняя мощность ошибки). Его можно рассматривать как меру точности размещения символа в утешении.
Соавтор этой статьи: Фрэнк Кирни
Отраслевые статьи - это форма контента, которая позволяет отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits таким образом, что редакционный контент не очень подходит. Все отраслевые статьи подчиняются строгим редакционным правилам с целью предоставления читателям полезных новостей, технических знаний или историй. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, являются точками партнера, а не обязательно для All About Circuits или его авторов.