在蜂窝式无线电基础架构中实现软件可编程数字预失真

作者：David Hawke，赛灵思公司无线产品市场营销总监

蜂窝网络运营商正努力通过使用最新空中接口、采用最新传输频率、提高带宽以及增加天线数量和蜂窝基站数量的方式提高网络容量，为此他们需要大量削减设备成本。此外，运营商们还要提高设备效率和网络集成度，以便减少运营成本。为了提供可满足这些不同需求的设备，无线基础设施设备制造商正在寻找具备更高集成度、性能和灵活性且功耗与成本更低的解决方案。另外，设备制造商在实现以上目标的同时还要缩短产品上市时间。

减少设备总体成本的关键是集成，但减少运营成本则需要采用高级数字算法来改善功率放大器效率。其中最常用的一种算法就是数字预失真（DPD）。在设备配置变得越发复杂的同时提高设备效率，这本身就是一种挑战。无线电传输带宽凭借先进的长期演进（LTE-A）技术正在接近100MHz，而且随着厂商试图在一个非连续频谱中采用多个空中接口，这一数字甚至会更高。同时有源天线阵列（AAA） 和支持MIMO的远端射频单元（RRU）也不断对算法的计算带宽提出更高要求。本文我们将研究如何利用Zynq-7000 All Programmable SoC（AP SoC）来提高当前及未来DPD系统的性能，同时为设备厂商提供具有完全可编程功能的低成本、低功耗解决方案，帮助他们以最快的速度向市场推出产品。

实现蜂窝无线电

AP SoC采用包含串行收发器（SERDES）和DSP模块的高性能可编程逻辑（PL）架构和一个与其紧密集成的硬化处理子系统（PS）。该处理子系统又包含一个双核ARM Cortex A9、浮点单元（FPU）和NEON媒体加速器，并配有实现完整无线电操作和控制所必需的UART、SPI、I2C、以太网和存储控制器等多种外设。与外部通用处理器或DSP处理器不同，由于PL与PS之间有大量的连接，因此其间的接口需要极高的带宽，这是单个解决方案所无法实现的。凭借这些软/硬件组合，AP SoC器件能够在单个芯片上实现RRU所需的全部功能，如图1所示。

图1. 典型无线电基础架构，所有数字功能都被集中到单个器件中

PL中丰富的DSP资源可用于实现数字上变频（DUC）、数字下变频（DDC）、 峰值因数降低（CFR）和DPD等数字信号处理功能。此外，SERDES能够支持9.8Gbps CPRI和12.5Gbps JESD204B接口，分别用于连接基带转换器和数字转换器。PS支持对称多处理（SMP）和非对称多处理（AMP）。在本案例中，假设采用AMP模式，其中的一个 ARM A9处理器用于实现下传消息、调度、校准和警报等板级控制功能，用以运行裸金属架构，更可能的是Linux等操作系统。而另一个处理器则用于实现部分所需的DPD算法，因为并非算法的所有部分都支持纯硬件解决方案。

DPD可通过扩大线性范围来提高功率放大器效率。加强对放大器的驱动以改善输出功率，从而提高效率，同时静态功耗保持相对不变。为了扩大线性范围，DPD利用放大器的模拟反馈路径以及大量信号处理操作来计算系数（该系数为放大器非线性的倒数）；然后利用这些系数对所发送的功率放大器驱动信号进行预修正，最终达到扩大放大器线性范围的目的。

DPD算法可分解为如下多个功能块，如图2所示。

图2. 数字预失真被分解为多个功能区

DPD是一个闭环系统，可捕捉之前发送的信号，以确定放大器根据发送信号所表现出的行为。DPD的首个任务是在校准模块（alignment block）中将放大器的输出与之前的发送信号进行校准。在开始任何后续算法操作之前，需要利用存储器来校准数据。一旦数据校准后，就可用自相关矩阵计算（AMC）和系数计算（CC）算法来创建代表PA非线性倒数近似值的系数；获得系数后，数据路径预失真器会利用这些数据对发送到PA的信号进行预修正。