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简介
电缆体系于20世纪50年代初在美国初次面世。即便技能和分配办法在敏捷发作改动，电缆作为数据分配通道却一直坚持着重要方位。新技能在现有电缆网络上已完结分层。本文要点介绍这一技能演进的其间一方面——功率扩大器 (PA) 数字预失真 (DPD)。这是许多从事蜂窝体系网络研制作业的人士将会了解的一个术语。将该技能迁移到电缆能够带来显着的成效和功用提高，一起也带来了巨大的应战。本文深化探求其间的一些应战并概述相应的处理计划。
了解要求
功率扩大器在非线性区域作业时，其输出将失真。这一失真或许会影响带内功用，还或许导致无用信号溢出到邻道。溢出效应在无线蜂窝运用中特别重要，因而对邻道走漏比 (ACLR) 有严厉的规则和操控。杰出的操控技能之一是在信号抵达功率扩大器之前对其进行数字整形或预失真，然后消除功率扩大器中的非线性。
电缆环境则彻底不同。首要，可将其视为关闭环境。电缆中发作的状况不会扩展到电缆外！运营商具有并操控整个频谱。带外 (OOB)失真并不是重视要点，带内失真才是至关重要的。服务供应商有必要保证最高质量的带内传输通道，以便能够运用最大的数据吞吐量。其间一个办法是使电缆功率扩大器严厉运转在线性区域内。选用这种作业方式的价值是成效极差。
图1概要显现了典型的电缆运用。虽然该体系功耗近80 W，但仅传送了2.8W信号功率。功率扩大器是成效极低的A类架构。最大瞬时峰值功率能够核算为50%（当信号包络最大时，假定为电感负载）。假如功率扩大器彻底在线性区域作业，则考虑电缆信号的极顶峰均比（一般为14 dB）意味着扩大器需求比信号紧缩开端时均匀低14 dB的作业条件，然后保证即便在信号的峰值处也不会发作信号紧缩。回退与扩大器作业功率直接相关。当扩大器回退14 dB以习惯各种电缆信号时，作业功率将下降10–14/10。因而，作业功率从理论上的最大值50%下降到10–14/10 × 50% = 2%。图2概要显现了上述状况。
总而言之，成效是首要问题。丢失功率会影响本钱，但相同重要的是，它还耗费了电缆分配体系中的稀缺资源。电缆运营商添加了更多功用和服务，因而需求进行更多的处理，而处理所需的功率或许会受现有功率预算的约束。假如能从低效功率扩大器中设法获取糟蹋的功耗，那么能够将其从头分配给这些新功用。
针对功率扩大器低效提出的处理计划是数字预失真。这是整个无线蜂窝职业遍及选用的一种办法。数字预失真答运用户在更高效但非线性更显着的区域中运转功率扩大器，然后先预先校对数字域中的失真，再将数据发送到功率扩大器。数字预失真的实质是在数据抵达功率扩大器之前对其进行整形，以抵消功率扩大器发作的失真，然后扩展功率扩大器的线性规模，如图3所示。这一扩展后的线性规模可用于支撑更高质量的处理，供应较低的调制误差率 (MER)，1或许答应功率扩大器以更低偏置设置运转，然后节约功耗。虽然数字预失真已广泛运用于无线蜂窝基础设施，但在电缆环境中施行数字预失真有共同而又有应战性的要求。
如图4所示，电缆运用的实践作业功率约为3.5%！施行数字预失真能够下降体系的功率要求，由本来的80 W下降到61 W，节约19 W，节电率到达24%。每个功率扩大器曾经的功率要求为17.5 W，现在则下降到12.8 W。
施行应战
数字预失真的价值显而易见，但在电缆运用中施行时会面对许多共同应战。因而，有必要在现有资源规模内应对这些技能应战。例如，处理计划自身有必要是高效节能的，由于假如节约的电能转化为该处理计划的电源，则在优化功率扩大器功率方面没有什么价值。相同地，数字处理资源需求恰当，以便能够高效地驻留在当时的FPGA架构中。具有非标准硬件要求和广泛架构改动的超大型/杂乱算法不太或许习惯。
超宽带宽
电缆运用环境与无线蜂窝环境之间最明显的差异也许是操作带宽。在电缆中，约1.2 GHz的带宽要进行线性化。宽带宽应战杂乱的原因在于频谱从直流开端仅为54 MHz且信号带宽大于信道中心频率。有必要紧记的是，功率扩大器经驱动进入非线性作业区域后即可完结省电，这样虽然提高了功率，但价值对错线性产品也随之而来。数字预失真有必要消除由功率扩大器发作的非线性，尤其是那些折回带内的非线性成分。这就在电缆运用中构成了共同应战。
图5概要显现了咱们或许希望的经过非线性扩大级的传统窄带（本节稍后部分给出窄带的界说）上变频基带信号的宽带谐波失真项。非线性功率扩大器输出一般经过幂级数表达式描绘，比方具有以下方式的Volterra级数：
可将其理解为有回忆效应的Taylor幂级数的推行。值得留意的是，每个非线性项(k = 1,2, … , K)都会发作多个谐波失真(HD)产品。例如，五阶有3个谐波项：一次谐波、三次谐波和五次谐波。别的需求留意的是，谐波带宽是其阶次的倍数。例如，三阶谐波项的宽度是鼓励带宽的3倍。
在电缆中，谐波在频谱（从直流开端仅为54 MHz）上的方位对数字预失真构成了特别应战，而这一应战与大信号带宽的联系并不大。一切非线性体系都会发作谐波失真。电缆数字预失真的要点是落在带内的谐波失真。从图5能够看出，在传统窄带运用中，要点将是三阶谐波和五阶谐波。虽然构成了其他谐波，但它们在方针频带外，可经过传统滤波消除。咱们能够依照分数带宽来界说宽带运用和窄带运用，其间分数带宽的界说公式如下：
（fn = 最高频率，f1 = 最低频率，fc = 中心频率）。分数带宽超越1时，可将运用视为宽带运用。大多数蜂窝运用的分数带宽不超越0.5。因而，它们的谐波失真行为契合图6所示的特性。
关于这样的窄带体系，只要一次谐波周围的带内失真需求经过数字预失真消除，由于选用带通滤波器可去除一切其他产品。别的还需留意的是，由于带内没有偶数阶产品，数字预失真只需处理奇数阶项。
在电缆运用中，咱们近似以为fn ~1200 MHz，fl ~50 MHz，fc ~575 MHz，然后得出分数带宽为2。要确认需求校对的最低谐波失真阶次，能够运用以下公式：
（Kmin是要考虑的最低非线性阶次），或许用数字表明便是50 MHz×2 = 100Mhz，由于其小于1200 MHz，因而二阶谐波失真正好在作业频带内并且有必要被校对。因而，假如决定在安全性和线性度极高的操作规模之外操作电缆功率扩大器，则所得到的谐波失真将如图7所示。
比较只需求考虑奇数阶谐波的无线蜂窝运用，电缆运用中的偶数阶项和奇数阶项均在频带内，可发作多个堆叠的失真区域。这在必定程度上会对任何数字预失真处理计划的杂乱性和精密度 发作严重影响，由于算法有必要经过简略的窄带假定。数字预失真处理计划有必要习惯谐波失真每个阶次的项。
在窄带体系中，偶数阶项能够被疏忽，奇数阶在每个方针频带内发作1个项。电缆运用中的数字预失真有必要考虑奇数阶和偶数阶谐波失真，并且还有必要考虑到每个阶或许有多个堆叠的带内元素。
谐波失真校对定位
考虑到传统窄带数字预失真处理计划的处理在杂乱的基带处完结，咱们首要重视对称坐落载波周围的谐波失真。在宽带电缆体系中，虽然坚持了坐落一次谐波周围的那些项的对称性，可是这一对称性不再适用于更高阶次的谐波产品。
如图8所示，传统窄带数字预失真在杂乱基带处完结。在这些实例中，仅一次谐波产品在频带规模内，因而其基带产品直接转换为RF。考虑宽带电缆数字预失真时，较高阶次的谐波失真有必要是频率偏移，才能使上变频后的基带产品正确坐落实践RF频谱中。
环路带宽约束：
闭环数字预失真体系选用传输和观测途径。在抱负化的模型中，两条途径都不会遭到带宽约束，并且两者的宽度都足以经过一切数字预失真项。也便是说，它们足以经过带内项和带外项。
图9概要显现了数字预失真一种数字预失真的完结。在抱负状况下，从数字上变频器 (DUC)（经过数字预失真）到DAC甚至经过功率扩大器的途径将没有带宽约束。相同地，观测途径上的ADC将对全带宽进行数字化（请留意，为了进行阐明，咱们展现2倍带宽的信号途径。在某些无线蜂窝运用中，可扩展到3至5倍的带宽）。抱负计划是经过数字预失真发作带内项和带外项，然后彻底消除功率扩大器引进的失真。需求留意的是，为了精确消除失真，需求在方针信号的带宽之外创立项，这一点十分重要。
在实践计划中，信号途径具有带宽约束，数字预失真功用无法到达抱负计划要求。
在电缆运用中，带宽约束或许有多种来历：FPGA与DAC之间的JESD链路、DAC镜像按捺滤波器、功率扩大器输入匹配。这些约束最明显的影响是带外功用。从图10所示的仿真能够看出，数字预失真无法校对带外失真。在电缆中，带外失真会构成带内功用下降，这一点特别重要，是咱们需求考虑到的。信号途径中的带宽约束能够并且的确会影响带内功用。
电缆环境比较共同，由于运营商具有整个频谱。感兴趣频带（54 MHz至1218 MHz）外的辐射坐落未被别人运用的一段频谱中，也会由于高频时固有的电缆损耗而导致衰减。观测途径只需监测作业频带内发作的状况。
在这里需求做出一个重要区别：带外辐射无需考虑，在带外生成并延伸到频带内的辐射需求考虑。因而，虽然带外辐射无需考虑，但需求考虑构成这些辐射的项。该计划与无线蜂窝运用大为不同，由于其观测带宽要求一般为作业频带的3至5倍。电缆中的要点是带内功用，因而仅需考虑带外项对带内功用的影响。
电缆数字预失真只需求针对带内产品进行校对：关于DOCSIS 3，频率规模为54 MHz至1218 MHz。数字预失真生成二次，三次，…，消除项。虽然只需在电缆带宽上进行校对，但在数字预失真致动器中，这些项将会扩展到更宽的带宽（例如，三阶带宽扩展到1218 MHz的3倍）。为了坚持传统数字预失真自习惯算法的安稳性，应当将这些带外项保留在环路周围。对数字预失真项进行的任何滤波往往会构成自习惯算法不安稳。在电缆体系中存在频带约束，因而惯例算法或许失效。
数字预失真和电缆歪斜补偿
与一切其他传输介质相同，电缆引进了衰减。一般以为这种衰减与电缆质量、电缆敷设间隔和传输频率有关。假如要在电缆的接纳端，即作业频谱上完结相对均匀的接纳信号强度，则有必要在发送端添加预加剧（歪斜）。歪斜可被视为电缆的反向传递函数。它选用与传输频率成份额的预加剧或整形。
经过被称为歪斜补偿器（坐落功率扩大器之前）的低功耗无源模仿均衡器即可完结整形。在高频下衰削减或不衰减，而在低频下衰减大。歪斜补偿器输出端的信号在整个作业频谱规模内可具有高达22 dB的均衡增益改动。
歪斜补偿器对信号进行整形，并且在经过功率扩大器处理信号时坚持整形概括。传统数字预失真计划会将整形视为减损并测验针对其进行校对，由于数字预失真是（非线性）均衡器。好像合理的是，假如将歪斜的倒数添加到观测途径中，就能够减轻其影响。但现实并非如此。功率扩大器对错线性的，因而交流性不适用，也便是说：
(PA 代表功率扩大器，T代表歪斜补偿器）。
为了完结最佳操作，数字预失真处理模块需求清晰了解在功率扩大器输入端处显现的信号。在电缆数字预失真运用中，运用数字预失真算法为功率扩大器建模的一起，有必要坚持歪斜补偿。这就会面对一些十分共同和极具难度的应战。咱们需求一个安稳的低本钱处理计划，不会使歪斜均衡。虽然无法在本文中发表该处理计划的性质，但ADI现已找到了一个立异的处理计划，将在未来的出版物中具体介绍。
数字预失真和电缆功率扩大器架构
如图4所示，典型的电缆运用将把一个DAC的输出分红四路并供应给四个独立的功率扩大器。为了最大程度节约功率，需求在一切这些功率扩大器上施行数字预失真。可行的处理计划或许是施行四个独立的数字预失真模块和DAC模块。该处理计划有用，但会使功率下降，体系施行本钱添加。额定的硬件需求资金和功率本钱。
并非一切功率扩大器都是相同的，虽然工艺匹配（制作过程中）能够供应具有类似特性的单元，但差异仍会存在，并且跟着老化、温度和供电动摇而变大。但是，将一个功率扩大器用作主机并为其开发优化的数字预失真，然后将其运用于其他功率扩大器，的确可供应体系功用优势，如图12中的仿真成果所示。
左边的曲线表明未选用数字预失真状况下的功率扩大器功用。非线性作业方式导致失真，这体现在MER1功用（规模为37 dBc至42 dBc）中。闭环数字预失真运用于观测主功率扩大器的输出；曲线图右侧的绿色曲线表明的是增强功用。数字预失真已针对功率扩大器失真进行了校对，成果是整体功用经过改动后可供应65 dBc到67 dBc的MER。图中心剩下的曲线表明的是从功率扩大器的功用，即依据主功率扩大器进行校对的功率扩大器。能够看出，只观测一个功率扩大器来施行闭环数字预失真可使一切功率扩大器的功用获益。但是，从功率扩大器依然存在会失效的作业点。从功率扩大器的功用规模从38 dBc到67 dBc。宽规模自身不是问题，但该规模的一部分低于可接受的作业阈值（电缆一般为45 dBc）。
电缆中共同的体系架构为数字预失真供应了额定应战。优化功用需求选用闭环数字预失真计划。但依据惯性思想，在电缆中这样做将需求在每个功率扩大器途径中附加硬件。最佳处理计划需求为每个功率扩大器供应闭环数字预失真的增强功用，但不需求额定的硬件本钱。
运用SMART算法处理应战
如本文之前所述，电缆数字预失真为规划人员带来了十分共同和具难度的应战。假如在功率和硬件的约束规模内处理这些应战，那么优势就不会被削弱；假如把功率扩大器中节约下来的功率用于额定的DAC或FPGA，则关于功率扩大器省电几乎没有任何价值。相同地，省电有必要与硬件本钱平衡。ADI经过结合高功用模仿信号处理与先进算法计划处理了该应战。
ADI计划的高档概述如图13所示。该处理计划能够被以为具有三个要害要素：运用高档转换器和守时产品、选用支撑全面信号链监控/操控的架构、运用可运用已有常识完结最佳功用的数字预失真先进算法。
该算法是该处理计划的中心。它运用其广泛的信号处理常识以及信号途径的传递功用来构成输出，一起调整信号途径某些方面的动态操控。动态体系处理计划不只意味着体系规划人员能够大幅省电，并且这些节约的电能能够直接转化为功用提高。运用该算法，用户界说了体系有必要运转的MER1功用级别后，就会施行体系调整，以便在一切输出端完结该功用。需求留意的是，该算法还保证在坚持每个功率扩大器的最佳用电功率的一起满意功用阈值，这一点十分重要。功率扩大器的功耗都低于完结方针功用所需的功耗。
前面概述了该处理计划的施行。该算法自身的特性是ADI专有IP，这不在本文论说规模内。SMART算法具有学习体系途径的才能，然后改动经过途径传输的数据的性质以及途径自身的特性以供应最佳成果。咱们将最佳成果界说为：保持MER质量的一起下降功率要求。
途径特性以及传输信号的性质都在不断改动。该算法具有处理动态习惯性的自学习才能。更重要的是，习惯发作在体系运转期间，不会使传输的流中止或失真。
定论
电缆环境仍旧是供应数据服务的重要基础设施。跟着技能继续开展，对频谱和成效的要求也越来越高。新一代技能的开展使需求日益增长，并推进完结更高阶的调制计划以及更好的成效。这些增强功用的到来有必要不影响体系功用 (MER)，虽然数字预失真供应了一个或许的完结途径，但其在电缆运用中的施行构成了十分共同和极具难度的应战。ADI已开宣布一套全面的体系处理计划来应对这些应战。该处理计划包括根据硅的芯片（DAC、ADC和时钟）、功率扩大器操控以及先进算法。一切这三种技能的结合为用户供应了一个习惯性强的处理计划，在这些处理计划中，他们能够轻松地以最小的退让来到达功率与功用要求。该软件界说处理计划还支撑原有电缆技能到新一代电缆技能的轻松过渡，新一代电缆技能中估计将包括全双工 (FD) 和包络盯梢 (ET)。
注释 1: 注释1：调制误差率是对调制质量的衡量。它表明方针符号向量与传输符号向量之间的差异。MER = 10Log（均匀信号功率/均匀误差功率）。它能够被以为是对补偿扩大器内符号方位精确性的衡量。
