Современные системы беспроводной связи предъявляют исключительно высокие требования к линейности радиочастотных трактов, особенно в условиях применения широкополосных сигналов и многопозиционных схем модуляции. В теоретических моделях передающие устройства обычно рассматриваются как линейные системы, обеспечивающие точное воспроизведение амплитудно-фазовой структуры сигнала. Однако в реальных аппаратных трактах ситуация существенно отличается вследствие наличия нелинейных компонентов, ограниченной динамики усилителей мощности и паразитных эффектов аналоговой части.
Наиболее значительно влияние на качество передаваемого сигнала оказывает усилитель мощности, работающий вблизи области насыщения. Именно в этом режиме достигается максимальная энергетическая эффективность, однако одновременно возрастает уровень нелинейных искажений. Нелинейный режим работы усилителя мощности приводит к возникновению амплитудных (AM-AM) и амплитудно-фазовых (AM-PM) искажений, вызывающих спектральный рост сигнала, увеличение уровня внеполосных составляющих и деградацию характеристик модуляции.
Особенно чувствительными к данным эффектам являются OFDM-сигналы стандарта LTE, обладающие высоким пик-фактором (PAPR). Даже относительно небольшие нелинейности усилителя приводят к заметному увеличению Error Vector Magnitude (EVM), ухудшению Modulation Error Ratio (MER) и росту вероятности ошибок при демодуляции сигнала.
Одним из наиболее эффективных методов повышения линейности усилительных трактов является технология цифрового предыскажения (Digital Pre-Distortion, DPD). Принцип работы DPD основан на формировании предкомпенсирующей характеристики, обратной нелинейной характеристике усилителя мощности. В результате после прохождения сигнала через усилитель мощности суммарная передаточная функция тракта становится близкой к линейной.
Целью настоящей работы является экспериментальная оценка эффективности алгоритмов цифрового предыскажения для LTE-сигнала стандарта ETM 3.1 Downlink с использованием SDR-платформы РИТМ SDR USRP и IP-ядра DPDex-IP. В рамках исследования проведён анализ амплитудных и фазовых характеристик усилителя мощности, выполнена оценка параметров качества сигнала до и после применения DPD, а также исследована эффективность алгоритма адаптации коэффициентов предыскажения. Общий вид экспериментального стенда, использованного при проведении исследований, представлен на рисунке 1.
Аппаратная база
Экспериментальный стенд был построен на базе промышленной SDR-платформы РИТМ SDR USRP, предназначенной для разработки и исследования широкополосных радиосистем. Архитектура платформы основана на использовании системы-на-кристалле Xilinx Zynq UltraScale+, сочетающей ресурсы программируемой логики FPGA и вычислительного процессора ARM, а также широкополосного RF-трансивера ADRV9009.
Кстати, 10 июня состоится вебинар, посвященный интеграции РИТМ SDR USRP и интеграции ее со средой моделирования Engee, мы писали на Хабре об этом тут: https://habr.com/ru/companies/etmc_exponenta/news/1040696/
Платформа обеспечивает перекрытие диапазона частот от 75 МГц до 6 ГГц при мгновенной полосе до 450 МГц по каналу передачи и до 200 МГц по каналу приёма. Конфигурация радиотракта включает два передающих канала (TX), два приёмных (RX) и два канала обратного наблюдения (ORX), что позволяет организовать полноценный замкнутый контур адаптации для оценки и коррекции нелинейных искажений усилителя мощности непосредственно в процессе работы. При необходимости платформа масштабируется до конфигурации MIMO 8×8 путём объединения нескольких модулей.
Использование FPGA-архитектуры обеспечивает реализацию вычислительно сложных алгоритмов цифровой обработки сигналов непосредственно в аппаратуре, включая алгоритмы адаптивного цифрового предыскажения в режиме реального времени. Трансивер ADRV9009 обеспечивает широкую рабочую полосу, высокую динамику сигнала и возможность формирования LTE-сигналов с высокой точностью амплитудно-фазовых параметров.
Для сопряжения с вычислительным хостом платформа оснащена интерфейсами 2× SFP+ 10GbE и 2× 1GbE, обеспечивающими высокоскоростную передачу потоков IQ-данных в реальном времени.
Отдельного упоминания заслуживает полная совместимость с интерфейсом UHD (USRP Hardware Driver). Через него управление и взаимодействие с РИТМ SDR USRP осуществляется из любой среды разработки (Engee, GNU Radio, LabVIEW, MATLAB) или открытых библиотек сетевых стандартов связи таких как: srsRAN, openLTE, OpenRAN, Open5GS.
Совокупность перечисленных характеристик делает платформу пригодной для исследований в области RF-линеаризации, цифровой компенсации искажений и разработки перспективных систем связи. Узнать подробнее о РИТМ SDR USRP можно тут: https://new.exponenta.ru/ritm-sdr-usrp
Аппаратная реализация усилительного тракта
В составе экспериментального стенда использовался широкополосный радиочастотный усилитель мощности TZT RF Power Module S89493 с рабочим диапазоном частот 25 МГц – 1.2 ГГц и максимальной выходной мощностью до 4 Вт. Усилитель предназначен для работы в трактах с волновым сопротивлением 50 Ом и обеспечивает коэффициент усиления порядка 40 дБ. Питание усилителя осуществлялось от источника постоянного напряжения 24 В. Основные технические характеристики усилительного модуля представлены в таблице 1.
Конструктивно усилитель выполнен по двухкаскадной схеме. Предварительный каскад усиления реализован на широкополосном MMIC-усилителе SBB-5089Z, обеспечивающем высокий коэффициент усиления и согласование с 50-омным трактом в широком диапазоне частот. Согласно технической документации, усилитель SBB-5089Z обеспечивает коэффициент усиления порядка 19–21 дБ в диапазоне до 2–4 ГГц и характеризуется высокой линейностью, что позволяет использовать данный усилитель в качестве драйверного каскада широкополосного RF-усилителя. Предварительный каскад выполняет функции драйверного усилителя, обеспечивая требуемый уровень возбуждения оконечного каскада.
Оконечный каскад усилителя выполнен на RF MOSFET-транзисторе MW6S004NT1, предназначенном для широкополосных усилителей мощности базовых станций. Транзистор работает при напряжении питания 28 В и обеспечивает выходную мощность порядка 4 Вт в диапазоне частот до 2 ГГц. Для транзистора характерны высокий коэффициент усиления, широкополосность и возможность работы с OFDM-сигналами, обладающими высоким пик-фактором.
Использование двухкаскадной структуры позволяет обеспечить необходимый уровень выходной мощности при сохранении достаточного коэффициента усиления и приемлемых характеристик линейности. Предварительный каскад формирует требуемый уровень возбуждения оконечного транзистора, а выходной каскад обеспечивает основное усиление мощности сигнала.
Следует отметить, что при работе с LTE-сигналами, использующими OFDM-модуляцию и схемы модуляции высокого порядка (64QAM), усилитель мощности функционирует вблизи области компрессии. Это приводит к возникновению амплитудных и амплитудно-фазовых нелинейностей, вызывающих рост EVM, спектральное расширение сигнала и ухудшение характеристик MER. Именно поэтому данный усилительный тракт представляет практический интерес для исследования алгоритмов цифрового предыскажения (DPD).
Условия эксперимента
В качестве тестового сигнала был выбран тестовый сигнал из стандарта 3GPP LTE ETM 3.1 Downlink с полосой 20 МГц и модуляцией 64QAM. Передача сигнала осуществлялась на частоте 1100 МГц. Для усиления сигнала применялся широкополосный усилитель мощности с рабочим диапазоном частот
25 МГц – 1.2 ГГц, с напряжением питания 24–28 В и выходной мощностью порядка 4–11 Вт. Основные параметры экспериментального сигнала и усилительного тракта приведены в таблице 1.
Выбор сигнала LTE обусловлен высокой чувствительностью OFDM-модуляции к нелинейным эффектам усилителя мощности. Для сигналов с модуляцией 64QAM требования к линейности усилительного тракта существенно возрастают, поскольку малая дистанция между точками сигнального созвездия делает систему чувствительной к амплитудным и фазовым искажениям. Нелинейные эффекты усилителя мощности приводят к росту EVM и ухудшению качества демодуляции сигнала на стороне приёмника.
Таблица 1 — Основные параметры экспериментального сигнала и усилительного тракта
Параметр | Значение |
Несущая частота | 1100 МГц |
Тип сигнала | LTE ETM 3.1 Downlink |
Модуляция | 64QAM |
Полоса сигнала | 20 МГц |
Усилитель мощности | 24–28 В, 25 МГц – 1.2 ГГц (~4–11 Вт) |
Архитектура эксперимента
Архитектура экспериментального стенда включала генерацию цифрового LTE-сигнала, цифровое предыскажение сигнала в блоке DPD, передачу через передающий тракт SDR-платформы РИТМ SDR USRP, усиление сигнала в нелинейном усилителе мощности и последующий приём сигнала по каналу обратной связи встроенным приёмным трактом SDR-платформы.
Структурная схема экспериментального стенда представлена на рисунке 6.
Обратный сигнал, полученный через направленный ответвитель и канал обратной связи SDR-платформы, использовался для оценки параметров качества передаваемого сигнала. В рамках исследования выполнялся расчёт таких метрик, как RMS EVM, Peak EVM и MER, а также анализ амплитудных и амплитудно-фазовых характеристик усилителя мощности (AM-AM и AM-PM). На основании сигнала обратной связи осуществлялась адаптация коэффициентов цифрового предыскажения с использованием алгоритма Recursive Prediction Error Method (RPEM), обеспечивающего компенсацию нелинейных искажений усилительного тракта в режиме реального времени.
Используемая архитектура реализует замкнутый контур цифровой линеаризации усилительного тракта и позволяет проводить оценку эффективности алгоритмов цифрового предыскажения в условиях, максимально приближенных к реальным системам беспроводной связи.
Алгоритм DPDex-IP и адаптация коэффициентов
Для реализации цифровых предыскажений DPD использовалось специализированное IP-ядро DPDex-IP разработки ЦИТМ «Экспонента», оптимизированное для реализации в составе ПЛИС. Реализация алгоритма в составе FPGA позволяет выполнять обновление коэффициентов с минимальной задержкой и обеспечивает возможность функционирования системы цифрового предыскажения в режиме online.
В основе ядра лежит усовершенствованная модель Memory Polynomial Advanced. Использование данной модели обусловлено необходимостью компенсации как статических нелинейностей усилителя мощности, так и динамических эффектов памяти, возникающих при передаче широкополосных OFDM-сигналов.
В рамках эксперимента использовалась конфигурация с порядком полинома Order = 5 и глубиной памяти Memory = 5. Применение полного полинома с перекрёстными членами позволило повысить точность аппроксимации нелинейной характеристики усилителя мощности.
Для адаптации коэффициентов предыскажения в работе использовалась архитектура с непрямым обучением (Indirect Learning Algorithm - ILA) и алгоритм адаптации Recursive Prediction Error Method (RPEM), основанный на минимизации ошибки между выходным сигналом модели DPD и сигналом, полученным по каналу обратной связи.
По сравнению с классическим методом наименьших квадратов (LS) алгоритм RPEM обеспечивает более устойчивую сходимость при работе с нестационарными нелинейными характеристиками усилителя мощности и позволяет выполнять адаптацию коэффициентов в режиме реального времени.
Общая структура процесса адаптации коэффициентов цифрового предыскажения с использованием алгоритма RPEM представлена на рисунке 7.
Для формального описания процесса адаптации коэффициентов цифрового предыскажения рассмотрим математическую модель рекурсивной настройки обучающего фильтра. В рамках данной модели ошибка между требуемым и оценённым сигналами используется для последовательного обновления вектора коэффициентов, что позволяет системе адаптироваться к нелинейной характеристике усилителя мощности в режиме реального времени. Алгоритм адаптации может быть представлен следующими выражениями:
где e(n) - сигнал ошибки; y(n) - сигнал на выходе блока ввода предыскажений; y(n) - сигнал с выхода обучающего фильтра; k(n) - корректирующий вектор-столбец; c(n) - вектор-столбец коэффициентов обучающегося фильтра; x(n) - вектор-столбец степенных множителей с выхода усилителя мощности; P(n) - инверсная ковариантная матрица параметров для текущих и предыдущих значений вектора коэффициентов обучающегося фильтра.
В начальный момент времени ковариантная матрица P(n) = P(0). P(0)=I, где I - единичная матрица, - константа, определяющая степень доверия к начальным значениям вектора-столбца c(0). Для полиномиальной модели с памятью можно установить первоначальные значения вектора-столбца c(0) в диапазоне от 0,1 до 0,99. При этом первоначальные значения комплексного вектора-столбца c(0) могут быть и с нулевой мнимой частью.
После задания начальных условий алгоритма адаптации выполняется выбор параметров настройки, определяющих скорость сходимости и устойчивость процесса обучения. В ходе экспериментальных исследований были определены значения параметров алгоритма, обеспечивающие максимальную эффективность компенсации нелинейных искажений усилителя мощности:
матрица доверия P = 1000;
коэффициент забывания λ = 0.999;
коэффициент забывания λ₀ = 0.95.
Высокое значение матрицы P обеспечивает ускоренную начальную адаптацию, а коэффициенты забывания, близкие к единице, позволяют эффективно отслеживать медленные изменения параметров усилителя мощности.
Таким образом, использование модели Memory Polynomial Advanced совместно с алгоритмом адаптации RPEM обеспечивает эффективную компенсацию нелинейных искажений усилителя мощности и позволяет реализовать цифровое предыскажение в режиме реального времени на SDR-платформе.
Результаты эксперимента
На рисунках 8–11 представлены результаты экспериментальной оценки работы усилительного тракта до и после применения цифрового предыскажения. Данные рисунки отражают изменение амплитудных и фазовых характеристик усилителя мощности, а также влияние DPD на качество сигнального созвездия LTE-сигнала.
На рисунке 8 приведены характеристики AM-AM и AM-PM усилителя мощности до применения цифрового предыскажения. По амплитудной характеристике AM-AM видно, что при увеличении уровня входного сигнала усилитель переходит в нелинейный режим работы: наблюдается компрессия выходной амплитуды, особенно в области высоких уровней мощности. Это указывает на отклонение передаточной характеристики усилителя от линейной зависимости. Характеристика AM-PM, в свою очередь, демонстрирует наличие фазового сдвига, зависящего от амплитуды входного сигнала. Такой эффект приводит к появлению дополнительных фазовых ошибок в передаваемом LTE-сигнале и является одной из причин ухудшения параметров EVM и MER.
На рисунке 9 представлена диаграмма сигнального созвездия до применения DPD. Видно, что точки созвездия имеют значительный разброс относительно идеальных положений, что свидетельствует о наличии амплитудных и фазовых искажений в тракте передачи. Для данного режима значение RMS EVM составляет 6.354%, а Peak EVM достигает 26.05%. Среднее значение MER равно 25.03 дБ. Такие показатели подтверждают выраженную деградацию качества модулированного сигнала, обусловленную нелинейностью усилителя мощности.
На рисунке 10 показаны характеристики AM-AM и AM-PM после применения цифрового предыскажения. После адаптации коэффициентов DPD результирующая амплитудная характеристика становится существенно ближе к линейной зависимости. Это означает, что алгоритм предыскажения эффективно компенсирует амплитудную компрессию усилителя. Одновременно уменьшается выраженность фазовой зависимости AM-PM: фазовые отклонения становятся значительно меньше, что указывает на компенсацию амплитудно-фазовых искажений усилительного тракта.
На рисунке 11 приведена диаграмма сигнального созвездия после применения DPD. По сравнению с диаграмма созвездия до применения DPD наблюдается уменьшение разброса сигнальных точек. Это свидетельствует о снижении ошибки вектора модуляции и повышении качества демодуляции сигнала. Значение RMS EVM уменьшается с 6.354% до 1.746%, то есть на 72.5%, а Peak EVM снижается с 26.05% до 11.19%. Одновременно MER увеличивается с 25.03 дБ до 36.75 дБ, что соответствует улучшению на 11.72 дБ.
Таким образом, сопоставление результатов до и после применения цифрового предыскажения показывает, что DPD обеспечивает эффективную компенсацию как амплитудных, так и фазовых нелинейностей усилителя мощности. Это проявляется в линеаризации характеристик AM-AM и AM-PM, значительном снижении EVM, увеличении MER и улучшении структуры сигнального созвездия LTE-сигнала.
Сравнительный анализ параметров качества сигнала до и после применения цифрового предыскажения показал улучшение характеристик LTE-сигнала и повышение линейности усилительного тракта.
снижение RMS EVM на 72.5%;
снижение Peak EVM на 57%;
увеличение MER на 11.72 дБ;
уменьшение фазовых искажений AM-PM;
линеаризацию амплитудной характеристики AM-AM.
Таблица 2 — Сравнение параметров качества сигнала до и после применения DPD
Параметр | До DPD | После DPD | Изменение |
RMS EVM | 6.354% | 1.746% | ↓ 72.5% |
Peak EVM | 26.05% | 11.19% | ↓ 57% |
MER | 25.03 дБ | 36.75 дБ | ↑ 11.72 дБ |
Полученные результаты подтверждают высокую эффективность алгоритма цифрового предыскажения при компенсации нелинейных искажений усилителя мощности в широкополосных LTE-системах.
Анализ результатов
Спектральный анализ сигнала, представленный на рисунке 12, показал, что применение цифрового предыскажения приводит к значительному снижению уровня внеполосных составляющих, возникающих вследствие нелинейного режима работы усилителя мощности. До использования метода DPD в спектре наблюдается выраженный рост внеполосных спектральных составляющих, обусловленный появлением интермодуляционных продуктов и компрессией усилительного тракта при передаче широкополосного LTE-сигнала.
После адаптации коэффициентов DPD уровень внеполосных излучений снизился приблизительно на 15 дБ. При этом основная энергетическая составляющая сигнала стала более локализованной в пределах рабочей полосы частот, а уровень спектральных выбросов в соседних каналах существенно уменьшился. Полученный результат свидетельствует о повышении спектральной эффективности передающего устройства и улучшении электромагнитной совместимости системы.
Наилучшие результаты компенсации нелинейных искажений были достигнуты на второй итерации адаптации коэффициентов DPD. Дальнейшее увеличение числа итераций не приводило к существенному улучшению параметров сигнала, что указывает на быструю сходимость алгоритма RPEM и эффективность используемой модели Memory Polynomial Advanced.
Полученные результаты подтверждают, что применение цифрового предыскажения позволяет эффективно компенсировать нелинейные эффекты усилителя мощности при передаче широкополосных LTE-сигналов и обеспечивает выполнение требований к спектральным характеристикам современных систем беспроводной связи.
Заключение
В ходе проведённых экспериментальных исследований подтверждена высокая эффективность применения цифрового предыскажения для линеаризации усилителей мощности при передаче широкополосных LTE-сигналов.
Применение DPD на основе IP-ядра DPDex-IP разработки ЦИТМ «Экспонента» обеспечило снижение RMS EVM на 72,5%, уменьшение Peak EVM на 57% и увеличение MER на 11,72 дБ. Также было достигнуто снижение уровня внеполосных излучений примерно на 15 дБ, что свидетельствует об улучшении спектральных характеристик сигнала и повышении линейности передающего тракта.
Полученные результаты подтверждают перспективность применения FPGA-реализованных алгоритмов цифрового предыскажения в современных системах беспроводной связи стандартов LTE, 4G и 5G, а также демонстрируют возможности SDR-платформ и ПЛИС при построении адаптивных радиосистем нового поколения.
Кстати, вы можете сами поэкспериментировать с симуляционным блоком алгоритма DPD в среде Engee. Интерфейсы и алгоритмы идентичны с реализацией этого IP ядра на плис. А само IP ядро (и не только оно) интегрировано как готовый блок в библиотеку блоков “Системы связи”:
Если перед вашей организацией стоят задачи разработки алгоритмов цифровой обработки сигналов, FPGA-ускорения вычислений, SDR-систем или специализированных решений в области беспроводной связи, мы будем рады обсудить возможности совместного решения этих задач и другие варианты сотрудничества.
Полезные ссылки:
