无线芯片中数字预失真技术的应用与性能影响因素分析

摘要:数字预失真(DPD, Digital Pre-Distortion)技术作为补偿电路非线性特性的一种手段,通常应用于各种射频发射电路中,来提升功率放大器近饱和区的线性度,最终改善大功率的 EVM/ACPR 等指标。在移动通信领域,无线芯片的发射通路 DPD 功能开发调试过程中,会碰到影响DPD 性能的各种因素,对此进行了一些分析归纳。

关键词:集成电路设计;DPD;无线芯片;射频功率放大器;增益曲线

中图分类号:TN402;TN722.75   文章编号:1674-2583(2018)08-0013-04

DOI:10.19339/j.issn.1674-2583.2018.08.004

中文引用格式:徐建忠.无线芯片中数字预失真技术的应用与性能影响因素分析[J].集成电路应用, 2018, 35(08): 13-16.

Application of DPD in the Wireless Chip and Analysis of Its Performance Affected Factors

XU Jianzhong

Abstract:  DPD (Digital Pre-Distortion) technology, as a mean of enhancing the circuit linearity, is usually applied to the RF transmitter circuits in order to get good ACPR/EVM system performance where the PA worked in near-statured state. In the mobile communication field, we always encountered a variety of factors affecting the performance of DPD when we developed the transmit circuit's DPD function in the wireless chip. We analyze it and summarize some factors.

Key words:  integrated circuit design, DPD, wireless IC, RF power amplifier, gain curve

1  引言

信息技术作为当今人类社会的重要组成部分,对经济、科学、文化等产生了深远的影响,改变了人类生活的方方面面。为适应人类生活的不同需求,已经涌现了 3D 打印、虚拟现实、云计算、大数据、互联网+、物联网和移动互联网等一批新技术应用发展方向。从 1837 年莫尔斯发明有线电报开始,经过 IMTS/AMPS、2G、3G 等,发展到现在的 4G 技术,满足了人类不断增长的部分移动互联需求,但超高清视频多媒体、万物互联、自动驾驶等还在憧憬并逐步实现中,移动通信也正在向新一代5G 技术进军[1,2]。

无线芯片,作为移动通信的核心元件,功能不断增强,体积越来越小,集成度越来越高,芯片工艺也在逐步小型化,由于电磁波的固有特性,集成电路射频电路设计越来越难。射频电路的非线性限制了调制信号的高阶化、宽带化等业务需求,因此人们研究了很多改善射频电路非线性的线性技术,例如功率回退、前馈法、反馈法、波峰消除法、模拟预失真和数字预失真(DPD, Digital Pre-Distortion)等[3-5]。而数字预失真(DPD)技术由于成本低廉、实现简单,广泛应用于无线芯片中,并一直作为研究热点在不断发展。

2  DPD 技术原理

射频电路的非线性失真可以用 AM-AM 和 AM-PM来描述。把射频电路当作一个输入输出二端口网络,AM-AM 表示输出信号幅度随输入信号幅度变化的失真特性,而 AM-PM 表示输出信号相位随输入信号幅度变化的失真特性。DPD 技术针对这两种失真进行数字域补偿,使射频电路加上 DPD 电路后,整体线性区扩大。如图 1,AMAM_act 为实际电路的 AM-AM 曲线,可计算出 AMAM_inv 曲线,使两者相乘得到理想的幅度线性曲线 AMAM_ideal。如图 2 AMPM_act 为实际电路的 AM-PM 曲线,可计算出AMPM_inv 曲线,使两者相加得到理想的相位线性曲线 AMAM_ideal。DPD 技术简略来讲,就是设计好算法和电路,通过反馈电路获取发射通路实际的 AM-AM 和 AM-PM 曲线,计算得到这两个曲线的逆函数,然后记录在 DPD 系数表中,信号发射时,把信号的幅值计算出来,复数相乘上相应 DPD 系数,在输出口获得整体线性度的提升。

无线芯片中,射频发射和接收电路都存在非线性,而射频功率放大器 PA 受到技术和工艺的限制,其增益和功率往往很难进一步提升,而通信质量的要求又很高,若能把 PA 的非线性区利用起来能很好地改善发射性能。DPD 技术正好能满足这一需求, 使 PA 即使工作在非线性区(近饱和区),发射机也具有良好的线性度,从而有效地改善发射机指标。射频 PA 通常由不同材料不同工艺的晶体管或场效应管与阻容感等器件通过一定的连接关系搭建而成,实现射频功率放大功能[6,7]。PA 中的电容电感效应,发热效应,已调信号的带宽和峰均比变化等,会带来两种记忆效应。电学记忆效应:工作时阻容感随已调输入信号频率、带宽和峰均比的不同而变化,偏置和阻抗随之改变,从而引起器件的非线性特性的变化。热学记忆效应:主要指晶体管或场效应管随耗散功率的增加而升高温度,被一定带宽的已调信号影响了各种工作参数[4,5]。描述 PA 复增益曲线,科研技术人员提出了很多种模型,比如无记忆多项式模型、 Volterra 模型、Hammerstein 模型、Wiener 模型、RBFNN 模型和记忆多项式模型等,每种模型适用的场景不同,涉及的算法表达式和算法结构也不同[4]。不过这些模型的目标都是力求精准有效地描述 PA 复增益曲线,通过 DPD 技术来求解增益曲线的逆函数,优化 AM-AM 和 AM-PM 曲线,改善 ACPR 和 EVM 等指标。

3  DPD 技术应用于无线芯片

不同的移动通信制式,调制模式、调制带宽、线性度和耐压范围不一样,导致其 PA 对工艺要求不尽相同。以当前技术,GSM/WF/BT 等通信制式PA 一般采用 CMOS 工艺,同数字电路、模拟电路及射频收发信机集成在一个 die 上,封装成一个 SoC 无线芯片。而 3G/4G/5G PA一般需要使用 GaAs/GaN/Inp 等材料,放在无线射频收发芯片外部。根据 PA 放置在无线芯片内外的不同,DPD 应用的方法也有些区别。如果 PA 放在芯片内部,一般由芯片厂家来进行 DPD 校准,而不需芯片应用方案供应商(终端厂家)直接介入;如果 PA 放在芯片外部,即把分立 PA 器件或射频前端模块(FEM,Front End Module)放在 PCB 板上,就需要芯片厂家提供 DPD 校准的软硬件接口,由终端厂家来进行 DPD 校准,把 DPD 参数存在 Flash 或内存中。

不论PA放置在芯片内部还是外部,无线芯片 DPD 技术应用,大体可采用如下系统框图(见图 3)。由 CFR 模块、DPD 模块、Tx IQ & DC removal 模块、DAC 模块、RF Tx 模块、ATT 衰减模块、RF Rx 模块、ADC 模块、Rx IQ & DC removal 模块、Rx DFE 模块组成。DPD 模块有两种工作模式:训练工作模式和正常工作模式。

训练工作模式:由芯片相关校准电路先校准接收通路的 DC Offset 和 IQ imbalance,再校准发射通路的 DC Offset 和 IQ imbalance,有时还会有功率校准等,然后再由 Training_gen 产生一个复数源波形系列,通过图 3 中 A-C-D-B 路径获取初始复增益更新到 DPD 补偿表(LUT,Look Up Table);接着由 Training_gen 产生第一个台阶信号(每个台阶都为直流或单音波形),得到整个回路对台阶信号的第一个复数响应,通过对复增益补偿后的信号与响应信号的差值,计算出相应复增益修正值并更新到 DPD LUT 表中;接着继续由 Training_gen 产生第二个台阶信号,同样得到第二个复数响应并更新 LUT 表;分步逐次测量和逐次逼近,最终可得到接近发射通路(主要为 PA)复增益曲线的逆函数,记录在 LUT 表中。

正常工作模式:CFR 模块输出调制波形,Scale模块计算出每点幅度后,通过 LUT 表查出其幅度和相位补偿系数,进行复数乘法运算得到 DPD 处理后的调制波形,通过 A-C 路径发射射频信号到射频前端,最终通过射频连接器连接到综测仪进行指标测试或通过天线辐射出去。

芯片型号不同,图 3 中的模块也会有一些变化或增减。为方便评估 DPD 效果,在 DPD 模块中一般设有 bypass DPD 的选择通路,调试时就可分别测试 with DPD 和 without DPD 的 ACPR/EVM 性能。调试过程中碰到 DPD 效果不明显时,也可以分拆验证 DPD RX 通路或 DPD 算法电路的问题。若怀疑 DPD RX 通路有问题,用 bypass DPD 通路,DAC 发台阶信号给 RF TX,通过矢量信号分析仪从 PA 端口获取射频信号获取 IQ 数据,再通过 Matlab 或其他方法计算 AM-AM/AM-PM 曲线和复增益函数的逆函数,存储在 DPD LUT 表中并应用(打开 DPD 通路),观测 DPD 增益,如果 EVM/ACPR 性能明显提升,说明 DPD RX 通路有问题。同理,若怀疑 DPD 算法电路有问题,bypass DPD 通路,用 DAC 发台阶信号给 RF TX, DPD RX 通路的 ADC 抓取数字 IQ 数据,再通过 Matlab 或其他方法计算 AM-AM/AM-PM 曲线及其逆函数,再把调制信号乘以复增益的逆函数,送给 DAC 发送,观测系统 EVM/ACPR 性能是否提升,若有提升,说明 DPD 算法电路有问题。

DPD 技术作为一种线性化技术,其效果主要体现在对非线性区性能的提升,PA 曲线弯曲越厉害(偏离直线程度越大),DPD 效果通常更好。图 4 中的实验数据是同一颗芯片,在一个增益档位进行 DPD 校准,然后在不同 Tx 前级增益档位(PA 为同一增益档位)应用校准 DPD 系数,对比有 DPD 和 无 DPD 的 EVM 数据,获取的 DPD 增益图。G1 到 G6 增益从小到大递增,从图中可以看出:整体上讲,线性度相对好的小增益档位(即 PA 输入功率低时),DPD Gain 小一些,而线性度差一点的大增益档位(即 PA 输入功率高时),DPD 增益就大一些。

4  影响 DPD 性能的各种因素分析

由于芯片电路差异、PCB 板器件选型和布局走线差异、PA 输出负载的差异(天线开关,天线不同,天线环境不同等)、芯片/PCB/PA/FEM/天线等个体差异、环境和工作温度差异等,发射通路的增益曲线通常是不固定的,同理 DPD 接收通路的线性特征也会不同,另外不同芯片采用的 DPD 算法也有不同,都会导致DPD 实际性能或效果的差异。如下对这些影响因素进行逐一讨论。

(1)算法或算法结构不同的影响。设计者通常需要根据调制方式、调制带宽、产品需求、电路实现难度等选择合适的 PA 复增益曲线描述模型,算法及其结构。无记忆的多项式模型缺乏对记忆效应的记录,DPD效果相比记忆多项式就要差一些,适用于带宽窄,调制精度稍低的应用,如 WLAN 11 g/n,而记忆多项式适用于 WLAN 11ac /LTE 等大带宽通信制式[8-10]。另外,模型相同时,算法实现的多项式的级数越多,计算误差越小,DPD 效果也会越好。而算法结构的不同,可能导致其计算/迭代的复杂度,收敛的速度,曲线拟合误差等都会存在不同,从而影响效果。

(2)调制信号不同的影响。调制信号峰均比的高低,带宽的大小,会影响到电路的记忆效应和发射电路的工作偏置点。如果采取无记忆的多项式模型,带宽大或峰均比高,都会使 DPD 性能变差。如果采取使用记忆多项式模型,峰均比高、带宽大时一般能看到更多的 DPD 增益。

(3)Tx 增益曲线不同的影响。不同工艺不同电路结构的 Tx 通路(尤其是 PA),其复增益曲线必然不同,一致性也有差异。同样的 DPD 算法模型,表征的复增益曲线和得到的逆函数曲线的准确度会有不同,DPD 性能就会存在差异。

(4)PA 负载阻抗不同甚至实时变化的影响。不同厂家的终端产品,PA 输出到天线的通路的器件,布局布线,天线与结构等都会有差异,将导致 PA 看到的负载阻抗不同,改变 PA 的工作状态,即改变 PA 复增益曲线,从而影响到 DPD 性能。举一个特例,移动通信终端使用时,如果天线被手握住,或放置在金属旁边等,将导致 PA 看到的负载阻抗发生变化,PA 的工作状态也随之改变。如果 DPD 处于校准工作模式而正常工作模式时天线环境又变了,DPD 就可能没有增益甚至恶化。面对此种情况:所有芯片可以采用一套 DPD LUT 表来解决此问题;或者改变算法和算法结构,使 DPD 可以经常或实时训练,获取动态的 DPD LUT 表。

(5)DPD 接收通路性能差异的影响。DPD 接收通路作为 PA 输出的反馈回路,线性度越好越能反映 PA 的真实曲线。若 LNA,Mixer,ADC 等电路线性度不好,就会导致 DPD 接收到的反馈信号失真,由 DPD 算法得出的 PA 复增益曲线的逆函数也会失去准确性,DPD 做出来的效果也就相应变差。

(6)芯片内部干扰的影响。芯片内部各电路之间由于结构不同,layout 不同,substrate 走线或 bonding wire 不同等,使得 Tx 信号耦合到 Rx 电路,并且耦合到 Rx 通路的强度不随 Tx 信号强度线性变化,或者使得 LO 受到其他通道 Tx 或 VCO/LO 或时钟倍频的干扰,Rx 通路被 block 或接收到影响 DPD 计算的基带信号。这些都会造成 DPD Rx 通路测量时引入干扰,破坏其与 PA 输出信号的线性关系,从而影响 DPD 计算的准确性。

(7)芯片外部干扰的影响。此影响与芯片内部干扰的机制相同,只不过干扰路径存在芯片外部,有可能改变 PCB 走线或布局或改变结构件来减弱或消除影响。

(8)温度的影响。单次 DPD 校准(比如开机时做一次校准),长时间通信 PA 会持续发热,整个器件的温度会逐步抬高到一个稳定值,导致训练工作模式的温度与正常工作模式时的温度不同,PA 的工作状态发生了改变,DPD 系数表不再是 PA 复增益曲线的逆函数,DPD 性能必然受到影响。动态地做 DPD 校准,可以一定程度减弱温度的影响,但温度升高会导致 PA 饱和功率的下降,EVM/ACPR 等性能一般还是会下降。

(9)芯片 corner 差异的影响。芯片制作过程中,die 处在 wafer 的不同位置,即不同的工艺角,其 MOS 管/电容/电阻等特性会有区别,相应 Tx/Rx 电路就有区别,PA 曲线和 Rx 线性度会受到影响,使得应用 DPD 校准就会有差异,使用固定 DPD LUT 的情况更容易看出此种差异。

(10)各器件个体差异的影响。相同设计、相同工艺生产出来的芯片,PCB,天线,结构件等,由于工程技术原因,在尺寸和性能上总是存在差异。其中,有些因素会影响到天线性能,各通路的阻抗,发射通路和接收通路性能,进一步影响到 DPD 的样品间差异,动态的 DPD 技术可有效地减弱此类差异。

5  结语

DPD 技术作为一种低功耗、低成本、结构简单的线性技术,广泛用于各种通信领域。本文介绍了 DPD在无线芯片中的一种应用,并且分析了影响其性能的各方面因素,为 DPD 设计和调试人员提供了一些参考。随着市场和技术的发展变化,相信 DPD 技术也会随之发展壮大,在人类的通信事业中起到非常重要的作用。

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