在电缆分配系统中实现的回报和挑战

作者：Patrick Pratt and Frank Kearney

美国的第一个电缆系统在50年代初开始出现。即使技术和分配方法的快速变化，电缆仍保持着作为数据分配渠道的突出地位。新技术已经在现有的有线网络上分层。本文重点介绍这种演变的一个方面——功率放大器（PA）数字预失真（DPD）。这是许多参与蜂窝系统网络的人都会熟悉的术语。将技术过渡到电缆在电源效率和性能方面带来了巨大的好处。这些好处带来了巨大的挑战;本文深入探讨了其中的一些挑战，并概述了如何解决这些问题。

了解要求

当功率放大器在其非线性区域工作时，其输出会失真。失真会影响带内性能，还可能导致不需要的信号溢出到相邻通道中。溢出效应在无线蜂窝应用中尤为重要，相邻信道泄漏比（简称ACLR）受到严格规定和控制。突出的控制技术之一是在信号到达功率放大器之前对信号进行数字整形或预失真，从而消除PA中的非线性。

电缆环境非常不同。首先，它可以被视为一个封闭的环境;电缆中发生的事情会留在电缆中！运营商拥有并控制整个频谱。带外 （OOB） 失真不是主要问题。然而，带内失真至关重要。服务提供商必须确保最高质量的带内传输管道，以便他们能够利用最大的数据吞吐量。他们确保这一点的方法之一是严格在其线性区域内运行电缆功率放大器。这种工作模式的代价是电源效率非常差。

图1.电缆功率放大器驱动器的功率效率。

图1概述了典型的电缆应用。虽然系统消耗近 80 W 的功率，但仅提供 2.8 W 的信号功率。功率放大器是效率非常低的A类架构。最大瞬时峰值效率可以计算为50%（当信号包络处于最大值时，假设感性负载）。如果PA要完全在其线性区域内工作，那么考虑到电缆信号的非常高的峰均比（通常为14 dB），则意味着放大器需要在压缩开始以下平均14 dB的频率工作，从而确保即使在信号峰值处也不会发生信号压缩。回退与放大器工作效率之间存在直接关系。由于放大器后退14 dB以适应全范围的电缆信号，因此工作效率将降低10–14/10.因此，运行效率从其理论最大值 50% 下降到 10–14/10× 50% = 2%。图 2 提供了概述。

图2.高峰均比推动了退避操作模式，并导致效率大幅下降。

总之，电源效率是主要问题。失去的电力会产生成本影响，但同样重要的是，它也消耗了电缆分配系统中的稀缺资源。随着有线电视运营商添加更多功能和服务，他们需要更多的处理，并且该处理的功率可能会限制在现有的功率预算内。如果可以从PA效率低下中恢复浪费的功率，则可以将其重新分配给这些新功能。

针对PA效率低下提出的解决方案是数字预失真。这是一种在整个无线蜂窝行业中普遍采用和采用的方法。DPD允许用户在更高效但更非线性的区域操作PA，然后在数据发送到PA之前先发制人地校正数字域中的失真。DPD本质上是在数据到达PA之前对其进行整形，以抵消PA产生的失真，从而扩展PA的线性范围，如图3所示。扩展的线性范围可用于支持更高质量的处理，提供更低的调制错误率 （MER），1或允许PA以降低的偏置设置运行，从而节省功耗。尽管DPD已广泛用于无线蜂窝基础设施，但在电缆环境中实施DPD具有独特且具有挑战性的要求。

图3.数字预失真概述。

如图4所示，电缆应用的实际运行效率约为3.5%！实施DPD可使系统的功率要求从80 W降至61 W，从而节省19 W的功率，从而降低24%。以前，每个 PA 需要 17.5 W 的功率;现在下降到12.8 W。

图4.通过DPD实现节能概述。

执行工作的挑战

DPD的价值是显而易见的，但电缆应用对其实施提出了许多独特的挑战。必须在现有资源范围内应对这些技术挑战。例如，解决方案本身必须具有高能效，因为如果节省的功率转化为为解决方案供电，则优化PA效率的价值不大。同样，数字处理资源需要适当，以便它们可以有效地驻留在当前的FPGA架构中。具有非标准硬件要求和大量架构更改的非常大/复杂的算法不太可能得到适应。

超宽带宽

电缆应用与无线蜂窝环境之间最突出的区别可能是操作带宽。在电缆中，需要线性化的带宽约为1.2 GHz。频谱从直流开始仅54 MHz，并且信号带宽大于信道中心频率，这一事实使宽带宽挑战更加复杂。我们必须记住，通过将PA驱动到其非线性工作区域来实现节能;这提供了更好的效率，但代价是生成非线性产品。DPD必须消除PA产生的非线性，特别关注那些回落到所需信号带内的非线性。这给电缆应用带来了独特的挑战。

图5.传统窄带解释中的谐波失真项。

图5概述了经过非线性放大级的传统窄带（窄带将在本节后面定义）上变频基带信号的宽带谐波失真项。非线性PA输出通常由幂级数表达式描述，例如Volterra级数具有以下形式：

这可以理解为泰勒幂级数的推广，包括记忆效应。需要注意的一点是，每个非线性项（k = 1，2，...，K）都会产生多个谐波失真（HD）产物。例如，5千订单有 3 个术语： 5千在 1 点订购圣谐波，5千在 3 点订购RD谐波，和 5千在 5 点订购千谐波。另请注意，谐波带宽是其阶数的倍数;例如，3RD-订单项是激励带宽的三倍。

在电缆中，与其说是大信号带宽，不如说是它在频谱上的位置（距离直流仅54 MHz），这对DPD提出了特殊的挑战。谐波失真发生在所有非线性系统中;电缆DPD的重点是落在带内的谐波失真。从图5可以看出，在传统的窄带应用中，重点将是3RD- 和 5千-阶谐波。尽管创建了其他波段，但它们不属于感兴趣的频带，可以通过常规滤波将其删除。我们可以通过分数带宽来定义宽带和窄带应用，其中分数带宽定义为

(fn = 最高频率，f1 = 最低频率，并且fc = 中心频率）。当分数带宽大于 1 时，应用可被视为宽带。大多数蜂窝应用的分数带宽为 0.5 或更低。因此，它们的HD行为符合图6所示的特性。

图6.窄带简化;仅产品围绕 1圣需要考虑谐波。

对于这种窄带系统，只有带内畸变在1圣谐波需要由DPD消除，因为可以使用带通滤波器来去除所有其他产物。另请注意，由于没有偶数阶产品落在带内，因此 DPD 只需处理奇数订单项。

在电缆应用中，我们可以近似fn~1200兆赫，fl~50 MHz，以及fc~575 MHz，因此我们的分数带宽为2。要确定需要校正的最小HD阶数，公式

(K最小是要考虑的最低非线性阶数）可以使用，或者数值上为 50 MHz × 2 = 100 MHz，小于 1200 MHz - 因此 2德·-订单 HD 完全在操作范围内，必须进行校正。因此，如果决定在非常安全和线性的工作之外操作电缆PA，则产生的谐波失真将如图7所示。

图7.宽带谐波失真对宽带电缆应用的影响。

与仅关注奇次谐波的无线蜂窝相比，在电缆应用中，偶数项和奇数项都落在带内，从而产生多个重叠的失真区域。这对任何DPD解决方案的复杂性和精密度都有一些严重影响，因为算法必须超越简单的窄带假设。DPD解决方案必须适应每个谐波失真的阶数。

在窄带系统中，偶数阶项可以忽略，奇数阶在感兴趣的波段内各产生 1 项。电缆应用中的DPD必须关注奇次和偶次谐波失真，并且还必须考虑每个阶可以有多个重叠的带内元件。

定位谐波失真校正

考虑到在复杂基带上完成处理的传统窄带DPD解决方案，我们主要关注的是对称位于载波周围的谐波失真。在宽带电缆系统中，尽管对于位于 1 周围的那些项保持了这种对称性。圣谐波，这种对称性不再适用于高次谐波产物。

图8.请注意宽带DPD的复杂基带处理中的频偏要求。

如图8所示，传统的窄带DPD是在复基带上完成的。在这些情况下，只有 1圣谐波产物落在频带中，因此其基带表示直接转换为RF。当我们考虑宽带电缆DPD时，较高的谐波失真必须是频率偏移，以便上变频后的基带表示在实际RF频谱中正确定位。

环路带宽限制：

闭环DPD系统采用传输和观察路径。在理想化的模型中，两条路径都不会受到带宽限制，并且两条路径都足够宽以通过所有DPD项;也就是说，带内和带外项都将传递。

图9.理想化的DPD实现，没有带宽限制。

图 9 概述了 DPD 实现。在理想情况下，从数字上变频器（DUC）通过DPD到DAC和PA的路径将没有带宽限制。同样，观察路径上的ADC将数字化全带宽（请注意，为了便于说明，我们显示了2×带宽的信号路径;在某些无线蜂窝应用中，可能会扩展到3×至5×）。理想的实现方案是DPD产生带内和带外项，完全消除PA引入的失真。重要的是要注意，为了准确消除，项的创建远远超出了目标信号的带宽。

在实际实现中，信号路径具有带宽限制，会改变理想实现的DPD性能。

图 10.由于信号路径中的带宽限制限制了OOB项，DPD的性能下降。

在电缆应用中，带宽限制可能来自多种来源：FPGA和DAC之间的JESD链路、DAC抗成像滤波器和PA输入匹配。这些限制最显着的影响是 OOB 性能。如图10所示的仿真所示，DPD无法校正OOB失真。在电缆中，OOB 失真会导致带内性能下降，这可能特别重要;信号路径中的带宽限制会影响带内性能。

电缆环境的独特之处在于运营商拥有整个频谱。超出目标频段（54 MHz至1218 MHz）的发射属于频谱的一部分，不被其他人使用，并且由于高频下的固有电缆损耗，也会受到衰减的影响。观察路径只需要关注监视操作范围内发生的事情。

这里需要作出重要的区分;带外下降的排放不值得关注，但带外产生并向下延伸回带内的排放是问题。因此，尽管OOB排放不是问题，但产生它们的术语是。该实现方式与无线蜂窝应用非常不同，无线蜂窝应用的观察带宽要求通常为工作频段的3×至5×。在电缆中，重点是带内性能，只需考虑OOB项对带内性能的影响。

电缆 DPD 只需对带内产品进行校正：对于 DOCSIS 3，则为 54 MHz 至 1218 MHz。DPD 产生 2 个德·/ PRD, ...取消条款。虽然我们只需要通过电缆带宽进行校正，但在DPD执行器中，这些术语扩展到更宽的带宽（例如，3RD阶数扩展到 3× 1218 MHz）。为了保持传统DPD自适应算法的稳定性，应在循环中保留这些OOB项。DPD项的任何滤波都会破坏自适应算法的稳定性。在电缆系统中存在频带限制，因此传统算法可能会失败。

DPD 和电缆倾斜补偿

与所有其他传输介质一样，电缆会引入衰减。通常，这种衰减可以视为电缆质量、电缆运行距离和传输频率的函数。如果要在电缆的接收端实现相对均匀的接收信号强度，则在整个操作范围内，则必须在发射侧添加预加重（倾斜）。倾斜可以看作是电缆的反传递函数。它应用与传输频率成比例的预加重或整形。

整形通过位于功率放大器前面的称为倾斜补偿器的低功耗无源模拟均衡器实现。在高频下施加很少或没有衰减，而最大衰减应用于较低频率。倾斜补偿器输出端的信号在整个工作范围内可能具有高达 22 dB 的电平变化。

图 11.倾斜补偿器实现。

倾斜补偿器对信号进行整形，并在通过PA处理信号时保持该整形轮廓。传统的DPD实现会将整形视为一种损伤，并试图对其进行校正，因为DPD是一个（非线性）均衡器。似乎可以合理地建议，如果将倾斜的反转添加到观察路径中，它将减轻影响。然而，事实并非如此。因为PA是非线性的，所以交换性不成立，换句话说，

(

PA

是功率放大器的型号，

T

是倾斜补偿器的型号）。

为了获得最佳操作，DPD处理模块需要明确了解将在PA输入端呈现的信号。在电缆DPD应用中，必须保持倾斜补偿，同时让DPD算法对PA进行建模。这带来了一些非常独特和困难的挑战。我们需要一个低成本、稳定的解决方案，不能平衡倾斜。虽然本文无法透露解决方案的性质，但ADI公司已经找到了针对此问题的创新解决方案，可能会在以后的出版物中详细介绍。

DPD 和电缆 PA 架构

如图4所示，典型的电缆应用将有一个DAC分离的输出，并提供给四个独立的PA。为了最大限度地节省功耗，需要在所有这些PA上实现DPD。一种可能的解决方案是实现四个独立的DPD和DAC模块。该解决方案有效，但效率降低，系统实施成本增加。额外的硬件有一美元和电力成本。

并非所有PA都是平等的，尽管工艺匹配（在制造过程中）可能会提供具有相似个性的单元，但差异将持续存在，并且可能会随着老化，温度和电源变化而变大。话虽如此，使用一个PA作为主设备并为其开发优化的DPD，然后将其应用于其他PA，确实可以带来系统性能优势，如图12中的仿真结果所示。

左侧的曲线表示未应用DPD时的PA性能。非线性操作模式会导致失真，这反映在MER中1性能，范围为 37 dBc 至 42 dBc。闭环DPD通过观察主PA的输出来施加;图表右侧的绿色图显示了增强的性能。DPD已经校正了PA失真，结果是整体性能已经改变，以提供65 dBc至67 dBc的MER。中间的其余曲线显示了从PA的性能，即基于主PA校正的PA。可以看出，仅通过观察一个PA来实现闭环DPD有利于所有PA的性能。但是，从属PA的性能仍然具有将失败的操作点。从PA的性能范围为38 dBc至67 dBc。宽范围本身不是问题，但该范围的一部分低于可接受的工作阈值（电缆通常为 45 dBc）。

图 12.具有多个PA的单个DPD（模拟结果）。

电缆中独特的系统架构给DPD带来了额外的挑战。优化性能需要闭环DPD实现。然而，传统思维认为，要在电缆中做到这一点，需要在每条PA路径中增加硬件。最佳解决方案需要为每个PA提供闭环DPD的增强功能，同时又不增加硬件成本。

利用智能算法解决挑战

如本文前面所述，电缆DPD给设计人员带来了特别独特和困难的挑战。挑战必须得到解决，但在电源和硬件的限制下，以便优势不被侵蚀;如果PA功率用于额外的DAC或FPGA，则节省PA功率几乎没有价值。同样，节能必须与硬件成本相平衡。ADI公司将高性能模拟信号处理与高级算法实现相结合，解决了这一挑战。

图 13.使用高级转换器和智能算法实现电缆DPD。

ADI实现的高级概述如图13所示。该解决方案可以被视为具有三个关键要素：使用先进的转换器和时钟产品，支持全面信号链监控/控制的架构，最后是可以利用前者知识提供最佳性能的高级DPD算法。

该算法是解决方案的核心。它利用其对正在处理的信号和信号路径的传递函数的广泛了解来塑造输出，同时调整信号路径某些方面的动态控制。动态系统解决方案意味着系统设计人员不仅能够获得可观的节能效果，而且这些节能可以直接与性能进行权衡。该算法是这样的，一旦用户定义了 MER1系统必须运行的性能级别，实施系统调整，以便在所有输出中实现性能。需要注意的是，该算法还可确保达到性能阈值，同时保持每个PA的最佳功耗;没有PA需要超过实现目标性能所需的功率。

上一段概述了解决方案实现。算法本身的细节是ADI专有IP，超出了本文的范围。SMART算法能够学习系统路径，然后改变通过路径传输的数据的性质和路径本身的特征，以提供最佳结果。我们将最佳结果定义为保持MER的质量，同时降低功率要求。

路径特性以及传输信号的性质是恒定的。该算法具有处理这种动态适应性的自学习能力。更重要的是，适应发生在系统上线时，而不会中断或扭曲传输的流。

结论

电缆环境仍然是提供数据服务的重要基础设施。随着技术的发展，频谱和功率效率的压力也越来越大。下一代发展要求不断增长的需求，并推动更高阶的调制方案和更好的功率效率。这些增强功能必须在不影响系统性能（MER）的情况下实现，虽然DPD提供了一种可能的实现途径，但它在电缆应用中的实施带来了独特而困难的挑战。ADI公司开发了一套完整的系统解决方案来应对这些挑战。该解决方案包括芯片（DAC、ADC 和时钟）、PA 控制和高级算法。这三种技术的结合为用户提供了一个适应性强的解决方案，他们可以轻松地在功耗和性能要求之间进行权衡，而不会影响。这种软件定义的解决方案还支持轻松过渡到下一代电缆技术，这些技术有望包含全双工（FD）和包络跟踪（ET）。

注1：调制错误率是调制质量的量度。它表示目标符号向量和传输的符号向量之间的差异。MER = 10Log （平均信号功率/平均误差功率）。它可以被视为衡量安慰中符号放置的准确性的指标。

审核编辑：郭婷