Skip to content

DFE: CFR và DPD

Trang này trình bày hai khối xử lý số trong Radio Unit (RU) giúp bộ khuếch đại công suất (power amplifier, PA) vừa đạt hiệu suất cao vừa đáp ứng yêu cầu phát của 3GPP: Crest Factor Reduction (CFR, giảm hệ số đỉnh) và Digital Predistortion (DPD, tiền méo số). Thứ tự trình bày: vị trí của hai khối trong digital front-end của RU, bài toán PAPR và hiệu suất PA, các phương pháp CFR, mô hình và kiến trúc học của DPD, ảnh hưởng của băng thông rộng và nhiều nhánh anten, rồi cách đánh giá kết quả. Các yêu cầu ACLR và EVM mà CFR và DPD phải đáp ứng nằm ở RF Requirements.

Về nguồn

Trang này trình bày nguyên lý chung, tổng hợp từ các bài báo và tài liệu nêu ở cuối trang. Cách hiện thực cụ thể (thuật toán, số tầng, tốc độ lấy mẫu) khác nhau giữa các nhà sản xuất RU và nhà cung cấp IP, và thường không được công bố. Các hình là dạng minh họa, không phải số đo.

Vị trí trong RU

Digital front-end (DFE) là phần xử lý số nằm giữa lớp vật lý mức thấp (Low-PHY) và bộ chuyển đổi số tương tự. Ở hướng phát, DFE nhận mẫu IQ của từng sóng mang sau iFFT, nâng tốc độ lấy mẫu và dời tần số bằng digital up-converter (DUC), gộp các sóng mang, giảm đỉnh bằng CFR, tiền méo bằng DPD, rồi đưa tới DAC. Ở hướng thu, digital down-converter (DDC) lọc và hạ tốc độ lấy mẫu trước khi đưa về Low-PHY. Với functional split 7.2 của O-RAN, Low-PHY và DFE đều nằm trong O-RU, phía sau giao diện fronthaul.

Chuỗi phát Low-PHY, DUC, CFR, DPD, DAC, RF, PA với đường phản hồi qua bộ thu quan sát, và chuỗi thu

Sơ đồ khối một nhánh anten. Khung DFE chỉ vẽ phần phát; DDC ở chuỗi thu cũng thuộc DFE. Đường phản hồi lấy mẫu đầu ra PA qua coupler để cập nhật DPD.

Thứ tự CFR trước DPD là bắt buộc về mặt chức năng: CFR quyết định đỉnh của tín hiệu mong muốn, còn DPD phải thấy đúng tín hiệu sẽ đi vào PA để tính phần méo ngược. Nếu đặt CFR sau DPD, CFR sẽ cắt mất phần méo ngược mà DPD đã thêm vào.

Bài toán PAPR và hiệu suất PA

Tín hiệu OFDM là tổng của nhiều subcarrier nên có PAPR (peak-to-average power ratio, tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình) cao, nguyên nhân được trình bày ở OFDM. PA chỉ khuếch đại tuyến tính tới một mức công suất nhất định; gần mức bão hòa, đặc tuyến bị nén và tín hiệu bị méo. Để các đỉnh không bị nén, công suất trung bình phải đặt thấp hơn mức bão hòa một khoảng gọi là back-off, xấp xỉ bằng PAPR. Hiệu suất của PA giảm khi back-off tăng, nên PAPR cao trực tiếp làm tăng điện năng tiêu thụ và nhiệt của RU.

CFR và DPD giải quyết bài toán này theo hai hướng bổ sung cho nhau:

Khối Tác động Đánh đổi
CFR Giảm PAPR của tín hiệu, nhờ đó giảm back-off cần thiết Tăng EVM vì tín hiệu bị biến dạng có chủ đích
DPD Bù tính phi tuyến của PA, cho phép PA chạy gần vùng nén mà vẫn đạt ACLR Cần đường phản hồi, tài nguyên tính toán và tốc độ lấy mẫu cao

Đường CCDF của PAPR cho tín hiệu OFDM gốc và sau CFR

PAPR được mô tả bằng hàm phân bố bù (complementary cumulative distribution function, CCDF): xác suất công suất tức thời vượt công suất trung bình quá x dB. CFR kéo phần đuôi của đường cong về bên trái.

Crest Factor Reduction

CFR giảm biên độ các đỉnh vượt một ngưỡng, sao cho phần biến dạng gây ra nằm trong băng thông của sóng mang. Phần biến dạng trong băng làm tăng EVM, còn phần rơi ra ngoài băng sẽ làm xấu ACLR nên phải được loại bỏ hoặc tránh tạo ra. Ngưỡng CFR vì vậy là một tham số đánh đổi: ngưỡng càng thấp thì PAPR càng giảm nhưng EVM càng tăng.

Phương pháp Nguyên lý Đặc điểm
Clipping và filtering Cắt biên độ tại ngưỡng, rồi lọc bỏ phần phổ mọc lại ngoài băng Đơn giản, được dùng rộng rãi. Bước lọc làm đỉnh mọc lại một phần, nên thường lặp lại nhiều lần
Peak windowing Nhân tín hiệu quanh đỉnh với một hàm cửa sổ để hạ biên độ một cách trơn Ít phát xạ ngoài băng hơn cắt cứng
Peak cancellation Phát hiện đỉnh vượt ngưỡng, trừ đi một xung triệt có phổ nằm trong băng thông sóng mang, đặt đúng vị trí và biên độ của phần vượt Kiểm soát được phổ của phần biến dạng, phù hợp tín hiệu nhiều sóng mang. Cần nhiều tầng để xử lý đỉnh mọc lại

Biên độ tín hiệu trước và sau peak cancellation

Các đỉnh vượt ngưỡng được kéo xuống bằng xung triệt; phần tín hiệu dưới ngưỡng gần như không đổi.

Với peak cancellation, việc hạ ngưỡng làm số đỉnh được phát hiện trong mỗi cửa sổ tìm kiếm tăng nhanh, và các xung triệt chồng lên nhau có thể làm đỉnh mới mọc lại vượt ngưỡng. Thêm tầng xử lý giúp giảm đỉnh còn sót nhưng tăng độ phức tạp, điện năng và độ trễ. Độ trễ của CFR cũng cần được tính vào ngân sách độ trễ của RU.

Digital Predistortion

DPD đặt trước PA một khối có đặc tuyến ngược với đặc tuyến của PA, để tín hiệu sau khi qua cả hai khối gần như được khuếch đại tuyến tính. Đặc tuyến của PA gồm hai thành phần: AM/AM (biên độ ra theo biên độ vào) và AM/PM (độ lệch pha theo biên độ vào). Hình đặc tuyến AM/AM và đường méo ngược nằm ở RF Requirements.

Hiệu ứng nhớ và mô hình DPD

Với tín hiệu băng rộng, đầu ra của PA không chỉ phụ thuộc mẫu hiện tại mà còn phụ thuộc các mẫu trước đó, do mạch phân cực, mạng phối hợp trở kháng và hiệu ứng nhiệt. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng nhớ (memory effect). Mô hình DPD không có nhớ chỉ bù được AM/AM và AM/PM tĩnh, nên DPD cho tín hiệu băng rộng dùng mô hình có nhớ.

Mô hình Mô tả Đặc điểm
Volterra Chuỗi tổng quát cho hệ phi tuyến có nhớ Số hệ số tăng rất nhanh theo bậc phi tuyến và độ sâu nhớ, khó dùng trực tiếp
Memory polynomial (MP) Tập con của chuỗi Volterra, chỉ giữ các số hạng của cùng một mẫu trễ Ít hệ số, phổ biến trong hiện thực
Generalized memory polynomial (GMP) Thêm các số hạng chéo giữa tín hiệu và đường bao của các mẫu trễ trước hoặc sau Mô hình hóa PA chính xác hơn MP với số hệ số tăng vừa phải (Morgan và cộng sự, 2006)

Memory polynomial có dạng:

\[ y(n) = \sum_{k=1}^{K} \sum_{m=0}^{M-1} a_{km}\, x(n-m)\, |x(n-m)|^{k-1} \]

trong đó \(K\) là bậc phi tuyến, \(M\) là độ sâu nhớ và \(a_{km}\) là các hệ số phức cần ước lượng. Mô hình tuyến tính theo hệ số, nên hệ số có thể ước lượng bằng bình phương tối thiểu (least squares) từ các cặp mẫu vào và ra.

Kiến trúc học hệ số

Hệ số DPD được ước lượng từ tín hiệu đầu ra PA, lấy qua coupler và bộ thu quan sát (observation receiver, ORx). Có hai kiến trúc học chính:

Hai kiến trúc học hệ số DPD: indirect learning và direct learning

Indirect learning ước lượng mô hình ngược của PA từ đầu ra PA rồi chép sang DPD. Direct learning cập nhật hệ số DPD từ sai lệch giữa tín hiệu mong muốn và đầu ra PA.

Kiến trúc Cách học Ưu điểm Hạn chế
Indirect learning (Eun và Powers, 1997) Huấn luyện bộ post-inverse sao cho đầu ra PA đã chuẩn hóa đi qua nó cho lại tín hiệu vào PA, rồi chép hệ số sang DPD Tính toán đơn giản Nhiễu trong phép đo đầu ra PA làm hệ số bị lệch
Direct learning So sánh trực tiếp tín hiệu mong muốn với đầu ra PA đã chuẩn hóa và cập nhật hệ số DPD theo vòng kín Tránh được độ lệch của indirect learning Thuật toán cập nhật phức tạp hơn

Một nghiên cứu so sánh năm 2015 ghi nhận rằng khi băng thông tín hiệu tăng, indirect learning bộc lộ độ lệch hệ số, yêu cầu tốc độ lấy mẫu ADC cao và nhạy với EVM và mức bão hòa của PA, trong khi các bộ ước lượng vòng kín tránh được các hạn chế này.

Ảnh hưởng của băng thông và số nhánh anten

Sản phẩm xuyên điều chế bậc k của tín hiệu có băng thông B trải trên khoảng k × B, vì phổ của tích k lần tín hiệu là tích chập k lần phổ gốc. Để DPD bù được méo bậc 3 và bậc 5, cả đường phát sau DPD lẫn bộ thu quan sát phải xử lý được dải rộng gấp nhiều lần băng thông tín hiệu. Một số thiết kế giảm yêu cầu này, ví dụ một sáng chế mô tả bộ thu phản hồi lấy mẫu tới khoảng ba lần băng thông tín hiệu.

Hệ quả cho RU:

  • IBW rộng: khi RU phát nhiều sóng mang trong một cửa sổ IBW rộng, CFR và DPD xử lý tín hiệu gộp trên toàn bộ IBW, nên tốc độ lấy mẫu và khối lượng tính toán tăng theo IBW chứ không theo tổng băng thông sóng mang. Khái niệm IBW nằm ở RF Bandwidth.
  • Sóng mang không liền kề: xuyên điều chế giữa các sóng mang cách xa nhau rơi vào nhiều vùng tần số khác nhau, làm tăng dải mà DPD phải quan sát.
  • Nhiều nhánh anten: mỗi nhánh có PA riêng với đặc tính riêng, nên mỗi nhánh cần DPD riêng. Với RU massive MIMO nhiều nhánh, tổng tài nguyên và điện năng của DFE tăng theo số nhánh.

Đánh giá kết quả

Hiệu quả của CFR và DPD được đánh giá bằng các chỉ tiêu đo ở đầu ra PA:

Chỉ tiêu Ý nghĩa với CFR và DPD
ACLR DPD tốt làm giảm phần rò sang kênh kề; CFR không được tạo thêm phát xạ ngoài băng
EVM CFR làm tăng EVM; DPD không bù được phần EVM do CFR gây ra, chỉ bù phần do PA
PAPR sau CFR Đo trên CCDF tại một mức xác suất cố định
Hiệu suất PA Kết quả cuối cùng của việc giảm back-off
Operating band unwanted emissions Phát xạ ngoài băng ở khoảng cách xa hơn kênh kề, chịu ảnh hưởng của méo bậc cao

Ngân sách EVM vì vậy phải chia giữa các nguồn: CFR, phần méo còn lại sau DPD, nhiễu pha, nén IQ trên fronthaul. Giới hạn EVM theo điều chế nằm ở RF Requirements.

Liên quan

  • RF Transceiver và RF front-end: các khối tương tự sau DAC và trước ADC, khiếm khuyết RF ngoài phi tuyến của PA.
  • RU Architecture: toàn bộ sơ đồ khối của RU, nơi DFE nằm giữa Low-PHY và transceiver.
  • RF Requirements: yêu cầu ACLR, EVM và phát xạ ngoài ý muốn mà CFR và DPD phải đáp ứng.
  • RF Bandwidth: IBW, quyết định băng thông DFE phải xử lý.
  • OFDM: nguyên nhân PAPR cao.
  • Open Fronthaul: giao diện giữa O-DU và O-RU, nơi chứa Low-PHY và DFE.
  • RAN Architecture & Splits: functional split 7.2 và vị trí của RU.
  • Static Timing Analysis (Chip & SoC): ràng buộc clock cho chuỗi IP core DUC, CFR, DPD trên FPGA.

Tài liệu tham khảo