射頻通信全鏈路系統(tǒng)設(shè)計(jì) 課件 第2章 射頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)-2.4

射頻通信全鏈路系統(tǒng)設(shè)計(jì)馬文建等編著機(jī)械工業(yè)出版社第2章射頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第2章射頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)目標(biāo)了解通信鏈路基本框架。從微觀角度，掌握當(dāng)前移動(dòng)通信信號(hào)元素的構(gòu)成；從宏觀角度，理解整個(gè)信號(hào)發(fā)射、傳輸和接收的實(shí)現(xiàn)過程。掌握射頻設(shè)計(jì)的相關(guān)入門知識(shí)，包括噪聲、峰均比、非線性、阻抗匹配和采樣轉(zhuǎn)換等基本概念。理解各射頻單元電路的工作原理、關(guān)鍵指標(biāo)，通過實(shí)例掌握相關(guān)應(yīng)用設(shè)計(jì)方法。主要包括功率放大器、低噪聲放大器、混頻器、射頻開關(guān)、衰減器、射頻濾波器、功率檢波器、時(shí)鐘鎖相環(huán)、直接數(shù)字頻率合成器、功率分配器、耦合器、移相器、天線等單元電路。了解相關(guān)射頻處理算法的基本概念和設(shè)計(jì)方法，從射頻通信系統(tǒng)角度，梳理電路和算法的相輔相成關(guān)系。第2章射頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)框架2.1基本通信鏈路2.1.1無線信道2.1.2信號(hào)構(gòu)成2.1.3信號(hào)調(diào)制與解調(diào)2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.1噪聲2.2.2峰均比2.2.3非線性2.2.4阻抗匹配2.2.5采樣轉(zhuǎn)換2.3射頻單元電路2.3.1功率放大器2.3.2低噪聲放大器2.3.3混頻器2.3.4射頻開關(guān)2.3.5衰減器2.3.6射頻濾波器2.3.7功率檢波器2.3.8時(shí)鐘鎖相環(huán)2.3.9直接數(shù)字頻率合成器2.3.10功率分頻器2.3.11耦合器2.3.12移相器2.3.13天線2.4射頻基本算法2.4.1載波聚合2.4.2數(shù)字變頻2.4.3削波2.4.4數(shù)字預(yù)失真2.4.5自動(dòng)增益控制2.4射頻基本算法現(xiàn)代數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)的收發(fā)機(jī)可根據(jù)信號(hào)特征分為3個(gè)主要功能段：射頻段、模擬中頻段和數(shù)字中頻段。注意射頻直采架構(gòu)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器直接對(duì)射頻信號(hào)采樣，沒有模擬中頻段，信號(hào)鏈只包絡(luò)數(shù)字中頻和射頻兩段。射頻段用于處理射頻信號(hào)，主要完成頻率較低的中頻信號(hào)與頻率較高的射頻信號(hào)之間的頻率搬移，以及信號(hào)放大、濾波等其他處理。模擬中頻段包括從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器到混頻器之間的處理模塊，包括ADC或DAC、模擬濾波器和中頻放大器等。2.4射頻基本算法數(shù)字中頻段處理的是量化的數(shù)字信號(hào)，處理數(shù)字信號(hào)的載體為FPGA或ASIC，在載體實(shí)現(xiàn)相關(guān)射頻通信鏈路處理算法。在發(fā)射方向上，包括載波聚合、數(shù)字上變頻(DUC)、數(shù)字削波、數(shù)字預(yù)失真和多頻段均衡(EQ)；在接收方向上，包括模擬自動(dòng)增益控制(AAGC)、EQ、數(shù)字下變頻(DDC)、數(shù)字濾波和自動(dòng)增益控制AGC。這些方法都是射頻通信鏈路處理算法的核心關(guān)鍵技術(shù)。2.4射頻基本算法2.4.1載波聚合CA載波聚合的概念起源于LTE時(shí)代，為了滿足LTE-A下行峰值1Gbps，上行峰值500Mbps的速率要求，需要提供最大100MHz的傳輸帶寬，而LTE載波單元最大帶寬為20MHz，基于此，LTE-A提出了載波聚合的解決方案，為了高效利用零碎的頻譜，通過將多個(gè)連續(xù)或者非連續(xù)的載波單元聚合以獲取更大的傳輸帶寬，從而實(shí)現(xiàn)更高的峰值速率和吞吐量。(1)概念分類從載波連續(xù)分配的角度區(qū)分，載波聚合可分為帶內(nèi)連續(xù)載波、帶內(nèi)非連續(xù)載波和帶間非連續(xù)載波三種方式。三種聚合方式盡管要求不同，但在信令面和用戶面都采取相同的解決方案。2.4射頻基本算法2.4.1載波聚合CA設(shè)計(jì)難點(diǎn)(1)線性度帶內(nèi)CA意味著發(fā)射信號(hào)具有更大的帶寬和更高的峰均比，而載波單元共用發(fā)射通道，這對(duì)功率放大器、反饋通道的帶寬設(shè)計(jì)和DPD算法提出了更高的需求，必須重點(diǎn)考慮對(duì)鄰道抑制比、不連續(xù)載波互調(diào)產(chǎn)物的影響。帶間CA的載波單元一般擁有各自獨(dú)立的發(fā)射通道，對(duì)于兩載波聚合，最大總功率不變，每個(gè)載波承載的傳輸功率比非CA信號(hào)小3dB，而后級(jí)合路雙工器的插入損耗一般小于3dB，因此，對(duì)通道的線性需求不會(huì)增加。2.4射頻基本算法2.4.1載波聚合CA——設(shè)計(jì)難點(diǎn)(2)靈敏度對(duì)于帶間CA，一般會(huì)在天線端放置合路雙工器或多工器(簡稱合路器)用于不同band的載波實(shí)現(xiàn)合路。。在設(shè)計(jì)中，需重點(diǎn)關(guān)注以下2點(diǎn)：盡量降低合路器插入損耗，或考慮將雙工器和合路器集成到一起，減少由于雙工器和合路器之間PCB走線和端口匹配不良導(dǎo)致的損耗。帶間CA需重點(diǎn)關(guān)注發(fā)射諧波擊中接收帶內(nèi)的情況，降低PCB走線和空間輻射干擾，保證合路器的端口隔離度和雙工器的帶外抑制度。2.4射頻基本算法2.4.2 數(shù)字變頻DUC/DDC射頻段實(shí)現(xiàn)的是射頻信號(hào)的頻率搬移，而數(shù)字中頻段主要實(shí)現(xiàn)的是數(shù)字中頻信號(hào)的頻率搬移。處于發(fā)射路徑上的信號(hào)鏈為數(shù)字上變頻器DUC，處于接收路徑上的信號(hào)鏈為數(shù)字上變頻器DDC。獨(dú)立的DDC和DUC需處理多個(gè)載波信號(hào)，合并之后輸出發(fā)射信號(hào)或在接收信號(hào)中將其分離。下圖所示為多載波數(shù)字變頻頻率搬移示意，將處于零頻附近的基帶信號(hào)與更高頻率的中頻信號(hào)進(jìn)行搬移，帶寬分別為20MHz和10MHz的兩路基帶信號(hào)合并成帶寬為30MHz的一路中頻信號(hào)，或帶寬為30MHz的一路中頻信號(hào)分離成帶寬分別為20MHz和10MHz的兩路基帶信號(hào)。2.4射頻基本算法2.4.2 數(shù)字變頻DUC/DDCDDC典型的DDC包括NCO載波設(shè)置、下變頻、低通濾波和抽取4個(gè)過程，這些功能模塊按順序工作，或者可分別予以旁路，最后根據(jù)后續(xù)FPGA或ASIC采樣速率的要求，產(chǎn)生一個(gè)位于直流上的復(fù)信號(hào)或?qū)嵭盘?hào)。為了從干擾(阻塞和其他載波干擾信號(hào))中選擇所需的有用載波信號(hào)，NCO載波設(shè)置輸出頻率與輸入的數(shù)字中頻信號(hào)混頻，將所需的有用載波信號(hào)搬移到直流，降低后續(xù)濾波和抽取的算法復(fù)雜度。2.4射頻基本算法2.4.2 數(shù)字變頻DUC/DDCDUC

DUC的NCO、混頻器與DDC中的相同模塊非常類似，但功能相反。經(jīng)過上變頻的數(shù)字中頻信號(hào)往往還需要相關(guān)通用處理，特別是復(fù)中頻調(diào)制，比如增益、相位、I/Q偏移、反Sinc增益等處理。2.4射頻基本算法2.4.3 削波CFR為了提升功放的最大效率點(diǎn)，需要對(duì)信號(hào)的峰值采用適當(dāng)?shù)牟呗赃M(jìn)行處理，降低信號(hào)峰均比，這就是削波CFR的作用與定義。削波提升功放輸出效率的原理示意如下圖所示。對(duì)于一個(gè)給定的功放，在其飽和功率點(diǎn)內(nèi)，輸出功率越大，效率越高。為了盡可能提升功放效率，應(yīng)使功放輸出信號(hào)的峰值功率貼近其飽和功率點(diǎn)。通過削波算法降低信號(hào)峰均比，可以提升功放的輸出功率(均值功率)，從而達(dá)到提升功放效率的目的。2.4射頻基本算法2.4.3 削波CFR削波指標(biāo)削波需要對(duì)信號(hào)包絡(luò)進(jìn)行處理，限制峰值功率，降低峰均比，但隨之帶來的就是對(duì)信號(hào)包絡(luò)本身產(chǎn)生影響，導(dǎo)致信號(hào)誤差矢量精度EVM惡化。一個(gè)削波算法的好壞主要從削波效果和削波代價(jià)兩個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估：削波效果主要體現(xiàn)在CCDF曲線，下圖通過削波算法，在0.01%概率下的PAPR從10.9dB降低到了8.7dB。削波代價(jià)主要體現(xiàn)在EVM惡化和算法復(fù)雜度上。對(duì)于同一算法，削波力度越大，必定導(dǎo)致信號(hào)本身失真越大，從而導(dǎo)致EVM惡化越嚴(yán)重。而對(duì)于同一削波效果，如果削波算法消耗的運(yùn)算資源越大，則會(huì)導(dǎo)致成本增加，難以保證削波算法的工程應(yīng)用2.4射頻基本算法2.4.3 削波CFR削波算法(1)硬削波在時(shí)域上對(duì)信號(hào)進(jìn)行判斷處理，將時(shí)域信號(hào)與削波門限比較，大于削波門限的信號(hào)限制到削波門限以內(nèi)，其實(shí)現(xiàn)表達(dá)式為硬削波算法會(huì)造成削波后的信號(hào)在時(shí)域峰值脈沖的邊緣出現(xiàn)拐點(diǎn)，從而導(dǎo)致頻域出現(xiàn)頻譜擴(kuò)散現(xiàn)象。因此，需要對(duì)硬削波之后的信號(hào)進(jìn)行濾波處理，并要求濾波器具有較高的階數(shù)以實(shí)現(xiàn)較窄的過渡帶，這會(huì)導(dǎo)致消耗較大的運(yùn)算資源。2.4射頻基本算法2.4.3 削波CFR——削波算法(2)峰值加窗硬削波算法造成頻譜擴(kuò)散的主要原因在于削波后的信號(hào)在時(shí)域上出現(xiàn)了拐點(diǎn)，而峰值加窗算法處理的主要思路就是避免時(shí)域上的拐點(diǎn)。峰值加窗算法利用加權(quán)窗函數(shù)對(duì)信號(hào)峰值進(jìn)行壓縮，通過窗函數(shù)對(duì)削波前的輸入信號(hào)進(jìn)行濾波處理，得到平滑的峰值，達(dá)到降低峰均比的目的。實(shí)現(xiàn)峰值加窗算法主要有以下兩個(gè)步驟：檢測削波門限A以上的峰值，在檢測到的峰值附近稱為峰值區(qū)域。利用加權(quán)窗函數(shù)壓縮該峰值區(qū)域，生成的信號(hào)峰值等于削波門限A。窗函數(shù)類型和最大窗口長度可根據(jù)實(shí)際場景進(jìn)行配置。加權(quán)因子表達(dá)式為峰值加窗雖然可以對(duì)硬削波實(shí)現(xiàn)一定的優(yōu)化，但本質(zhì)還存在與硬削波一樣的缺陷，尤其是應(yīng)用于對(duì)削波量要求較高的系統(tǒng)。2.4射頻基本算法2.4.3 削波CFR——削波算法(3)峰值削減峰值削減是利用改進(jìn)的sigmoid傳遞函數(shù)對(duì)峰值進(jìn)行縮放，得到平滑的峰值，達(dá)到目標(biāo)峰值比。Sigmoid峰值削減關(guān)系表達(dá)式為2.4射頻基本算法2.4.3 削波CFR——削波算法三種削波算法對(duì)比2.4射頻基本算法2.4.4 數(shù)字預(yù)失真DPD射頻功率放大器作為中功率和大功率發(fā)射機(jī)中最耗能的部件，其效率、功率等指標(biāo)在發(fā)射機(jī)性能和成本方面起關(guān)鍵作用。功放作為典型的非線性器件，其面臨著效率和線性度的兩個(gè)對(duì)立矛盾：一方面，功放工作在高效率區(qū)時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性失真，加劇帶外頻譜泄露和鄰道干擾；另一方面，為了保證線性度就需要較大的功率回退，造成功放效率和輸出功率的下降。因此，需要采用額外的線性化技術(shù)用于補(bǔ)償功放的非線性失真，并保證功放工作在高效率區(qū)。傳統(tǒng)的功放線性化技術(shù)包括前饋技術(shù)(Feedforward)、反饋技術(shù)(Feedback)、模擬預(yù)失真技術(shù)(AnalogPredistortion)等，均在模擬域通過設(shè)計(jì)電路對(duì)功放實(shí)現(xiàn)失真補(bǔ)償。2.4射頻基本算法2.4.4 數(shù)字預(yù)失真DPD基本原理

考慮在信號(hào)增益歸一化的情況下,預(yù)失真器和功放的系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)互為反函數(shù),即

2.4射頻基本算法2.4.4 數(shù)字預(yù)失真DPD關(guān)鍵技術(shù)主要包括發(fā)射通道、反饋通道和數(shù)字信號(hào)處理模塊三部分。預(yù)失真器包含功放非線性特征的逆模型，根據(jù)功放輸入信號(hào)計(jì)算DPD信號(hào)，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換、混頻后轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)，依次經(jīng)過功放、耦合器和天線發(fā)射出去。功放輸出信號(hào)經(jīng)過耦合器后送入反饋通道，經(jīng)過混頻、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換后生成數(shù)字中頻信號(hào)，然后送入模型參數(shù)提取模塊，該模塊將耦合回來的功放輸出信號(hào)與原始輸出信號(hào)進(jìn)行時(shí)延、相位和增益對(duì)齊后，提取得到當(dāng)前時(shí)刻的預(yù)失真器模型系數(shù)。模型建立自適應(yīng)結(jié)構(gòu)與算法架構(gòu)優(yōu)化2.4射頻基本算法2.4.4 數(shù)字預(yù)失真DPD發(fā)展方向MassiveMIMO技術(shù)是5G網(wǎng)絡(luò)以及后續(xù)6G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，其通過在收發(fā)機(jī)中配置規(guī)模巨大的天線陣列來提供超高的頻譜效率。全數(shù)字波束成形混合波束成形2.4射頻基本算法2.4.4 數(shù)字預(yù)失真DPD——發(fā)展方向隨著有源天線系統(tǒng)和混合架構(gòu)發(fā)射機(jī)的引入,數(shù)字預(yù)失真技術(shù)在系統(tǒng)中面臨著新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇,總結(jié)如下：MassiveMIMO系統(tǒng)天線數(shù)量增多,為了實(shí)現(xiàn)小型化需求,陣列單元排布更加密集,多通道間的相互耦合和串?dāng)_愈發(fā)明顯,傳統(tǒng)的SISODPD問題延伸為MIMODPD問題。當(dāng)涉及到MassiveMIMO場景時(shí),大多數(shù)當(dāng)前的MIMODPD模型變得非常復(fù)雜,無法在實(shí)際系統(tǒng)中使用。因此,為降低功耗和硬件成本,需要研究適合MassiveMIMO系統(tǒng)的低復(fù)雜度DPD算法。在HBF架構(gòu)中，為了保證每個(gè)天線陣子的功率和移相器的線性度，往往需要將功放的位置放到移相器之后，這樣射頻鏈路數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于功放和天線數(shù)量,一路數(shù)字信號(hào)需要同時(shí)驅(qū)動(dòng)多路功放。傳統(tǒng)DPD方案需要每個(gè)功放配置一個(gè)專用的預(yù)失真器和反饋通道,這種匹配關(guān)系在混合架構(gòu)發(fā)射機(jī)中天然得不到滿足,亟待提出新穎的預(yù)失真架構(gòu)和方案。近年來，與人工智能、深度學(xué)習(xí)相結(jié)合也成為了DPD技術(shù)發(fā)展的新方向。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有可以精確對(duì)非線性函數(shù)進(jìn)行擬合的優(yōu)點(diǎn),所以適合于功放的行為建模。2.4射頻基本算法2.4.5 自動(dòng)增益控制AGC由于無線信號(hào)在傳輸過程中，會(huì)因?yàn)槁窂綋p耗、大小遮擋、多徑效應(yīng)，以及各類干擾，使得接收到的信號(hào)強(qiáng)度變化不定。為保證接收信號(hào)的可靠性，需要引入AGC系統(tǒng)，使其能夠隨著輸入信號(hào)的強(qiáng)弱變化自動(dòng)調(diào)整接收機(jī)增益：接收到大信號(hào)時(shí)，降低鏈路增益，防止接收機(jī)飽和；接收到小信號(hào)時(shí)，增大鏈路增益，保證接收SNR。2.4射頻基本算法2.4.5 自動(dòng)增益控制AGC按照環(huán)路結(jié)構(gòu)的不同，AGC可分為前饋AGC和反饋AGC；按照實(shí)現(xiàn)方式的不同，AGC可分為模擬AGC和數(shù)字AGC。應(yīng)用分類(1)前饋AGC和反饋AGC前饋AGC結(jié)構(gòu)：可變?cè)鲆娣糯笃鞯目刂菩盘?hào)僅由輸入信號(hào)大小前饋決定。反饋AGC結(jié)構(gòu)：可變?cè)鲆娣糯笃鞯目刂菩盘?hào)僅由輸出信號(hào)大小反饋決定。2.4射頻基本算法2.4.5 自動(dòng)增益控制AGC——應(yīng)用分類(1)前饋AGC和反饋AGC相比反饋AGC結(jié)構(gòu)，前饋AGC在輸入信號(hào)變化較大時(shí)，可以快速調(diào)整AGC輸出信號(hào)幅度，但前饋AGC的調(diào)整精度較差，且容易受外界參數(shù)影響。反饋AGC由于存在反饋環(huán)路，外界參數(shù)引起的輸出信號(hào)變化會(huì)反饋到輸入端，擁有較好的抗干擾作用。前饋AGC和反饋AGC應(yīng)用對(duì)比2.4射頻基本算法2.4.5 自動(dòng)增益控制AGC——應(yīng)用分類(2)模擬AGC和數(shù)字AGC前面兩種結(jié)構(gòu)均屬于模擬AGC范疇，其直接通過模擬檢波器測量信號(hào)電平進(jìn)行增益控制，一般用于接收機(jī)射頻前端增益調(diào)整。數(shù)字AGC又分為數(shù)控AGC和全數(shù)字AGC兩種。對(duì)于數(shù)控AGC，信號(hào)經(jīng)過ADC采樣后從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)處理單元根據(jù)數(shù)字信號(hào)幅度與設(shè)定的參考信號(hào)進(jìn)行比較得到誤差信號(hào)，然后通過增益控制算法求出對(duì)應(yīng)增益控制值，控制外部可變?cè)鲆娣糯笃?。全?shù)字AGC只包括ADC、數(shù)字乘法器和數(shù)字信號(hào)處理三部分，ADC直接對(duì)輸入信號(hào)采樣，然后與增益值相乘后得到輸出信號(hào)，并將輸出信號(hào)反饋到數(shù)字信號(hào)處理單元，得到下一次的增益值。2.4射頻基本算法2.4.5 自動(dòng)增益控制AGC——應(yīng)用分類(2)模擬AGC和數(shù)字AGC在實(shí)際應(yīng)用中，通常使用模擬AGC和數(shù)字AGC兩種方式綜合實(shí)現(xiàn)接收鏈路增益控制。模擬AGC和數(shù)字AGC應(yīng)用對(duì)比2.4射頻基本算法2.4.5 自動(dòng)增益控制AGC關(guān)鍵指標(biāo)(1)動(dòng)態(tài)范圍

2.4射頻基本算法2.4.5 自動(dòng)增益控制AGC——關(guān)鍵指標(biāo)(2)穩(wěn)定時(shí)間AGC環(huán)路穩(wěn)定時(shí)間是指輸入信號(hào)幅度發(fā)生階躍變化時(shí)，輸出信號(hào)從階躍時(shí)刻到穩(wěn)定時(shí)所需要的時(shí)間，即調(diào)整時(shí)間。穩(wěn)定時(shí)間的選取不僅需要考慮信道特征，還需要考慮調(diào)制速率、信號(hào)功率變化速率等相關(guān)接收信號(hào)參數(shù)。

2.4射頻基本算法2.4.5 自動(dòng)增益控制AGC——關(guān)鍵指標(biāo)(3)穩(wěn)定性AGC系統(tǒng)將輸入信號(hào)幅值調(diào)節(jié)到固定范圍內(nèi)，鏈路增益將不會(huì)發(fā)生變化。但實(shí)際使用時(shí)，由于噪聲等信號(hào)干擾，以及功率測量和衰減誤差的存在，鏈路增益值可能會(huì)在某個(gè)區(qū)間跳變。如果跳變次數(shù)過于頻繁，或信號(hào)跳動(dòng)幅度較大，將導(dǎo)致AGC環(huán)路振蕩。需保證整個(gè)控制環(huán)路的抗干擾性，減小環(huán)路擾動(dòng)，并保證各節(jié)點(diǎn)的具有足夠的響應(yīng)時(shí)間。2.4射頻基本算法2.4.5 自動(dòng)增益控制AGC——關(guān)鍵指標(biāo)另外，AGC還有一些專有名詞：增益過載接收增益隨著信號(hào)功率的升高而降低。增益恢復(fù)接收增益隨著信號(hào)功率的降低而升高。增益補(bǔ)償在進(jìn)行接收功率指示(RSSI)之前，數(shù)字補(bǔ)償模擬域的衰減值。高門限每個(gè)峰值檢波模式有多個(gè)門限電平，高門限用于設(shè)置輸入信號(hào)電平的上限，超過此上限，接收增益被快速降低。低門限峰值檢波模式中低于高門限的電平，低門限用于設(shè)置輸入信號(hào)電平的下限，低于此下限，接收增益被快速