כיצד להפוך פתרון קדם עיוות דיגיטלי – למעשי ורלוונטי

תקציר

בהתאם לרוב החומרים הפרסומיים לגבי קדם עיוות דיגיטאלי (DPD), הביצועים של מערכת כזאת מבוססים על נתונים סטטיים כמותיים. באופן טיפוסי, פרסומים אלו מציגים ספקטרום של מערכות קדם עיוות ומצטטים ערכים של יחס דליפה רשתי צמוד. בעוד שגישה זאת משרתת צרכים בסיסיים היא נכשלת בהתמודדות עם חלק גדול מהקשיים, סיכונים ופשרות בביצועים המתרחשים בעולם האמיתי. המעבר המהיר לטכנולוגית G5 מציגה עולם שלם של אתגרים חדשים ותרחישים שאליו צריכים לשים לב יותר מפתחי אלגוריתמים וספקי ציוד. ביסוס הביצועים הסטטיים צריך לכלול את היכולת לשמור על רמת הביצועים והיציבות בסביבות מורכבות בהן אלמנטים רבים נמצאים במצב זרימה דינמי.

מבוא

בעולם אידאלי, היציאה של מגביר הספק תהיה גרסה זהה מבחינת קנה המידה לכניסה ורוב ההספק הנצרך על ידי המגביר יעבור לאות היציאה. אי לכך, נקבל יעילות מקסימלית ללא כל עיוותים. בעולם האמיתי הדבר לא מתרחש כך. מגבירים לינאריים אמיתיים נוטים להיות במקרים רבים בעלי יעילות נמוכה. מגבירים בהם נעשה שימוש במערכות הפצה בכבלים, לדוגמה, הינם בעלי לינאריות מצוינת אך הדבר מגיע על חשבון היעילות. במקרים רבים, היעילות מצליחה להגיע קרוב לערכים של 6% כאשר רוב ההספק (94%) מבוזבז למעשה. הספק מבוזבז הינו בעל עלויות כלכליות, סביבתיות ויישומיות. בתחנות בסיס סלולריות, עלויות החשמל הינן יותר מ- 50% מהעלויות האופרטיביות. הספק מבוזבז מגדיל את צריכת החשמל ויוצר גזי חממה כאשר רוב ההספק שאינו יוצא כגלי רדיו חייב להיות מפונה כחום, דבר הדורש ניהול תרמי אקטיבי ופאסיבי.

בעשורים האחרונים, תעשיית הסלולר דחפה את היעילות לרמת של עד 50%. דבר זה הושג על ידי אימוץ של ארכיטקטורות חכמות כגון Doherty וטכנולוגיית תהליך מתקדמות כגון GaN.

הגעה לרמות יעילות כאלו מגיעה עם מחיר – לינאריות. לינאריות נמוכה במערכות סלולריות הינה בעלת שתי השלכות מרכזיות: עיוותים פנים – ערוציים ופליטות חוץ – ערוציות. עיוותים פנים – ערוציים  משבשים את השלמות של האותות המשודרים ויכולים להיות מיוצגים על ידי ירידה בביצועים ועליה ברמות וקטורי הטעות בביצועי המודולציה. פליטות חוץ – ערוציות שוברות את מיסוך פליטות ה- 3GPP ויכולות לגרום להפרעות לא רצויות למשתמשים העושים שימוש בהקצאות של ערוצים סמוכים. אנו מודדים בדרך כלל היבט זה של ביצועים במונחים של ACLR. נושא GaN Pas מציג אתגרים נוספים בעיוותים הפנים ערוציים הנוצרים בשל אפקט מלכודת הטעינה. אלו הם נושאים דינמיים מטבעם ואינם קשורים לשום SNR המשתמע מה – ACLR.

Figure 1. PA dynamic transfer function with memory effects

תיקון של חוסר הלינאריות של המגבר הינו חיוני. זוהי הנחה הגיונית כי אם ידועה פונקציית התמסורת של המגבר, הכנסת ההופכי לנתונים יביא לאיפוס האי-לינאריות. עם זאת המגבר נחשב למעשה לפונקציית תמסורת דינמית. מאפייני יציאה לכניסה שלו יכולים להיחשב בזרימה ושינוי מתמיד. בנוסף לכך, פונקציית התמסורת הדינמית תלויה בשילוב של מאפייני המגבר (כולל הספק, מתח וטמפרטורה), אות הכניסה המיוצג למגבר ואותות נוספים שהמגבר עיבד (אפקטים של זיכרון). ההתנהגות הדינמית והא-לינארית של המגבר צריכה לעבור מידול לפני שניתן יהיה לתקן אותה. מכאן נובעת הדרישה לעיוות מקדים דיגיטלי. מערכת ה- DPD צריכה להתאים את עצמה לדינמיות של הסביבה.

Figure 2. Conceptual representation of a digital predistortion system

תמונה 2 מציגה את אלמנטי הליבה למערכות קדם עיוות דיגיטלי רבות: התבוננות, הערכה והפעלה. הקונספט בתמונה 2 מבטיח מודל אשר עוקב אחר התגובה הצפויה של המגבר כך שניתן יהיה לייצר את אות הביטול המתאים בכדי לאפס את ההתנהגות הא-לינארית הצפויה מצד המגבר. קיימים מודלים רבים כגון מודל ה – GMP.

Figure 3. Adjacent channel leakage with and without digital predistortion.

מגבר כח הפועל בתחום הלינארי שלו מייצר פחות עיוותים חוץ-ערוציים וכפי שמוצג בתמונה 3, הינו בעל הפחתה משמעותית ברמת הרעש הדולף לערוצים סמוכים. תמונה 3 מציגה צילום מסך אנלייזר ספקטרום בבדיקת DPD אופיינית המשמשת להציג ביצועי DPD סטטיים המתאימים לתקנים הנדרשים במבחני תאימות ACLR רבים.

התפתחות שיווקית, העצמת ביצועים ומטרה דינמית

מערכות קדם עיוות דיגיטלי מיושמות מסחרית בתחנות בסיס סלולריות החל משנות ה- 90. קיימים יישומים בכ- 8 מיליון אתרים. עם השינוי הטכנולוגיה ובדרישות בשוק הסלולר (2G, 3G, 4g וכעת 5G), כך גם השתנו הדרישות ממערכות אלו. אתגרים אלו כוללים, אך לא מוגבלים לרוחב פס גדול יותר, הספקים גדולים יותר, מיקום יחידות נושאות, יחס שיא / ממוצע גבוה יותר לאותות והגדלת הצפיפות עקב הגדלת מספר תחות הבסיס והקרבה ביניהן.

ספקי ציוד מעוניינים מאד לבדל את הצעות המוצרים שלהם ולהמשיך לדחוף להעצמת והגדלת הביצועים במונחים של יעילות ביחס למפרט ה- 3GPP. יעילות מגבירי ההספק ממשיכה להוות אתגר. בעוד שהמניעים המסורתיים לשינוי היו העלויות התפעוליות והניהול התרמי (כולל עלויות החומרה והציוד הנלוות לכך), כיום השיקולים הסביבתיים מהווים תמריץ מרכזי לשינויים אלו.

מגבירי הספק ומערכות DPD חולקות מערכת יחסים סימבולית. במקרים מסוימים, יחסים אלו עשויים להיות הרמוניים ובמקרים אחרים עשויים להיות מסובכים ומורכבים יותר. מגביר הספק שהינו ידידותי למערכות DPD הכולל מערכת כזאת מספק מסוים עשוי להוות בעיה במקרה של התקנת מערכת מספק אחר. לעתים קרובות מושגים ביצועים אופטימאליים כאשר הן המגבר והן מערכת ה- DPD מכוונות ומוגדרות להתאמה  למפרט פעולה ספציפי. אולם התכנון של מגברים מתפתח באופן רציף בכדי לעמוד בדרישות ההולכות וגדלות עבור טכנולוגיית ה- 5G ומעבר לכך. בצמוד לכך, מערכות DPD חייבות להמשיך להתפתח בכדי לעמוד בדרישות הנוספות.  כאשר יישומי פס-רחב ופס כפול הופכים להיות הנורמה, מפתחי המגברים מאותגרים כיצד להשיג רוחבי פס רחבים יותר בתדרים גבוהים יותר תוך שמירה על הביצועים המצופים. פיתוח של מגברים עם רוחב פס של 200 מגה-הרץ ומעבר לכך הינו אתגר בפני עצמו ווידוא כי הם יוכלו לעמוד בדרישות מפרט ה- 3GPP והיעילות מהווה אתגר נוסף. אתגרים אלו נופלים בסופו של דבר חזרה על מתכנני מערכות ה- DPD.

הבנת האתגר

כימות של ביצועי מערכת DPD אינה משימה מובנת מאליה. קיימת מטריצה של תנאים ותרחישים שיש לקחתה בחשבון – בנוסף למגבר עצמו. בנוסף קיימים גם גורמים תלויים נוספים היוצרים הטיה. כאשר אנו בוחנים ביצועים, יש להגדיר במדויק את תנאי ומפרטי הבדיקה. הגעה למעל 50% יעילות ברוחב פס של 200 מגה-הרץ הינה אתגר גדול בהרבה מאשר אותה רמת יעילות ברוחב פס תפעולי רגיל של 20 מגה-הרץ. המצב נעשה מסובך יותר כאשר אנו לוקחים בחשבון הסטת הנושא בתוך הספקטרום המוקצה. זה יכול להיות אות רציף אך באותה מידה זה יכול להיות הקצאה של נושא מקוטע כאשר חלקים מהספקטרום אינם פנויים.

ברמות הגבוהות קיימים אינדיקטורים כמותיים עבור ביצועי מערכת DPD – נקודות הנתונים מוגדרות באופן ראשוני על יד מפרט ה- 3GPP או על ידי דרישות המשתמש. ACLR, EVM ויעילות. עמידה בפקטורים אלו הינה רק קצה הקרחון לגבי ביצועי מערכת ה- DPD. כאשר מוסיפים את נושא היציבות והעמידות, מתחיל לצוץ גודלו האמתי של האתגר. קיימים שני היבטים קריטיים בביצועי מערכת DPD. הביצועים הסטטיים ברמת מעבדה  והביצועים הדינמיים בעולם האמתי.

בכדי לאפיין את האתגר הקיים בדינמיות, תמונה 4 מציגה התפתחות אות בסביבה דינמית ומראה כיצד ה- ACLR עשוי להגיב יחד עם מערכת DPD המתאימה את עצמה באופן רציף. המספרים הינם ראשוניים בלבד. הגרף מציג דוגמה לאפקט של שינויים פתאומיים באות שהינם קיצוניים אך לגיטימיים. כאשר האות משתנה, מודל ה- DPD מתאים עצמו אליו. אירועי התאמה מצוינים באמצעות נקודות. בזמן המעבר בין שינוי האות וההתאמה הבאה, קיימת אי התאמה בין המודל לבין האות ולפיכך ערך ה- ACLR עשוי לעלות ובכך להגדיל את הסיכון של חריגה ממפרט הפליטות לפרק הזמן של המעבר.

Figure 4. Dynamic cell loading, DPD adaption, and ACLR transients

ההתאמה לוקחת פרק זמן מוגדר כך שתמיד יהיה שלב מעבר. האתגר עבור מערכת DPD בביצועים גבוהים הינה להקטין את זמן אי ההתאמה במודל למינימום יחד עם הבטחה של מעבר חלק בין שני המצבים. התהליך חייב להיות מנוהל כך שמהירות ההתאמה ורמת ההפרעה ל ACLR נלקחות שתיהן בחשבון. חשוב מאד להבין כיצד אי ההתאמה במודל תלויה באופי השינויים של האות. כאשר רמת אי ההתאמה הינה גבוהה, קיים סיכון להתדרדרות בביצועי מערכת ה- DPD או גרוע מכך, התדרדרות ביציבות גלי הרדיו. חוסר יציבות, באם מתרחשת עלולה לגרום לתופעת “כדור שלג”  ויציאה מבקרה, בריחה ממיסוך הפליטות ובמקרים חמורים יותר אף גרימת נזק לחומרה. בשקלול שבין ביצועים לעומת יציבות, יציבות תהיה תמיד השיקול הראשון במהלך התכנון. תכנון מערכת ה- DPD חייב להיות עמיד בכדי להבטיח יציבות ויכולת התאוששות משגיאות תחת תנאי תפעול רגילים וקיצוניים.

האתגר במערכת DPD מעשית בעלת רמת ביצועים גבוהה יכול להיות מסוכם ברשימת האתגרים הבאה:

ביצועים סטטיים (מבחני תאימות או במצבים שעומס התנועה  הינו פחות או יותר קבוע)

ACLR

EVM (כולל GaN כמקרה מיוחד).

דינמיקה

עמידות

בנוסף, מכיוון שהתקנים אנלוגיים או DPD הינם של יצרני צד שלישי, יש לשקול גם את הנושאים הבאים:

תחזוקה

פתרון לבעיות בביצועים המופיעות כאשר הלקוח שלנו (ה- OEM) פורש את הרשת שלו אצל הלקוח שלו (הפעיל).

התפתחות

במהלך חיי השירות בשטח, טכנולוגיית המגברים ויישומי חלל האותות עשויים להשתנות.

כלליות

מערכת OEM יכולה לבצע כיוונון עדין למערכת ה- DPD עבור כל מוצר. לנו אין את המותרות הללו. עלינו לעמוד בצרכים של יישומים רבים יחד עם הקטנת הצורך בהגדרות והצורך בגיבויים.

שיפור ביצועי מערכות DPD בכדי לעמוד באתגרים

בהתחשב בביצועים סטטיים בלבד, קיים אלמנט של התקדמות לינארית בפיתוח מערכות DPD. אם נספק יותר משאבים, נוכל להגביר את קצב הפיתוח. לדוגמה, יותר מקדמי GMP מסייעים ליצור מידול של התנהגות המגברים בצורה מדויקת יותר. אי לכך, עם הרחבת רוחבי הפס, הדבר הופך להיות אחד מהאלמנטים באסטרטגיה  לשמירה ואף לשיפור של הביצועים. לגישה זאת, עם זאת, קיימות מגבלות. נקודה של התמעטות החזרות תושג רק כאשר משאבים נוספים יביאו לערך מוסף מינימלי או בכלל לא. מפתחי האלגוריתמים ל- DPD צריכים לנקוט בגישות יצירתיות יותר בכדי ליישם התקדמות נוספת. גישת ADI הינה ליצור אוגמנטציה של פולינום הזיכרון באלגוריתם הבסיסי יחד עם עוד פונקציות בסיס כלליות ומוצרי Volterra מסדר גבוה יותר. בעוד המפתחים מנסים לייצר מודל שינבא בצורה מדויקת את התנהגות המגבר, הצטברות של הנתונים ומניפולציה של הנתונים הינם אלמנטי ליבה חיוניים. לכידת נתונים בזמן הנכון ורמות ההספק מאפשרות למתכננים מאגר או כח רב יותר בכדי לבצע את ההערכות שלהם ולעצב את התנהגות המודל. תמונה 5 מביאה מבט כולל עקרוני עבור מערכת המאמצת גישה מסוג זה. שימו לב שיש לכידה של יותר נתונים / נקודות צומת וצימוד עם ניטור דיגיטלי של ההספק. ניטור ההספק מסייע בהבנת הדינמיקה.  מודלים קודמים המאוחסנים במערכת  יכולים לבוא לידי שימוש במגוון של דרכים בכדי לצמצם את המעברים הדינמיים שנידונו למעלה.

Figure 5. DPD implementation with more extensive data capturing/observation

בשנים האחרונות, טכנולוגית GaN עבור מגברים הביאה לאתגר נוסף עבור מפתחי מערכות DPD. השפעות זיכרון ארוכות טווח. טכנולוגיית תהליכי GaN מביאה עמה יתרונות מובהקים רבים במונחים של יעילות, רוחב פס ותדר הפעלה. אבל היא מציגה תופעה הידועה כאפקט לכידת מטען. לכידת מטען ב GaN הינה אפקט זיכרון ארוך טווח כאשר יש לכידה ולאחר מכן שחרור טרמי. מערכות DPD מבוססות GMP מתקנות חלק מהשגיאות. עם זאת, קיימת שגיאה שאריתית הממשיכה להשפיע על איכות האות. עיוות זה יוצר עלייה בהתאם ב- EVM. תמונה 6 מביאה ייצוג גרפי של התופעה. שימו לב לתנודות בהגברה של המגברים ובאופי הזמני של תנודות אלו. כמו כן שימו לב למצבי הלכידה והשחרור ושמצב השחרור קורה בערכי הספק נמוכים יותר.

Figure 6. Long-term gain errors introduced by GaN PA charge trapping.

מכיוון שהאפקט הזמני הינו לטווח ארוך, גישות מסורתיות עשויות להציע רכישה של מספר גדול מאד של נקודות דגימה וכתוצאה מכך, כמות גדולה מאד של נתונים לאחסון ולעיבוד. עלויות זיכרון, שטח שבבי סיליקון ועלויות עיבוד משמעותם שגישה זאת אינה ישימה מסחרית עבור פרישת מערכות DPD. מתכנני ומפתחי מערכות DPD חייבים לשלול את האפקט של לכידת מטענים אך לבצע זאת בצורה שתוביל ליישום והפעלה יעילים. תיקון לכידת מטענים (CTC) הינו מאפיין הנתמך בעלויות נמוכות מבחינת צריכת אנרגיה וזמן חישוב במשדר ADRV9029 שלנו. הוכח כי הוא מסוגל לשחזר את רמת ה- EVM לרמה שהינה בתחומי המפרט של 3GPP. המשדר-מקלט של הדור הבא, הדגם העתידי ADRV9040 מביא פתרון יעיל יותר ומתוכנן להביא רמת ביצועים משופרת בתרחישים דינמיים וכיסוי טוב יותר למול המספר ההולך וגדל של מגבי GaN בעלי אישיות לכידת מטענים ייחודית.

Figure 7. Balancing all the elements of DPD performance with the challenges.

כפי שהוצהר קודם, היציבות של יישומי DPD הינה בעלת חשיבות מרבית. הפתרון לעמידות מושג על ידי ניטור רציף של המצב הפנימי ומתן תגובה מהירה למצבים לא שגרתיים.

מסקנות

במקרים רבים כאשר נידונים הביצועים של מערכות DPD, המיקוד הינו על האלמנטים הסטטיים של הביצועים. בעוד שהמטרה של מדידת במונחים של EVM ושל ACLR נשארת תקפה, צריכה להינתן תשומת לב גדולה יותר למטריצת התנאים התפעוליים והדרישות שבמסגרתן יש לבצע מדידות אלו. הדרישות ממערכות 5G NR ממשיכות להעלות את הסף עבור היישומים. נושא זה, יחד עם הרצון להשגת יעילויות גבוהות יותר במגברי הספק מגדירים את האתגר הקיים כיום בפיתוח אלגוריתמים למערכות DPD.

כאשר אנו בוחנים את איכות הביצועים של מערכות DPD, אנו נדרשים לגישה הוליסטית המטפלת בנושאים הבאים:

• ביצועים סטטיים.
• ביצועים דינמיים.
• עמידות.
• יציבות.

מערכות DPD   בעלות מרווח צר לעומת הדרישות, עשויות שלא להתקבל בברכה בעוד שמערכות DPD המייצרות חריגות זמניות מהמפרט עשויות להטריד את המשתמשים ומערכות DPD ההופכות ללא יציבות ומייצרות פליטות בניגוד לתקנות ועשויות לגרום לכשל אפשרי במגברים הינם הרסניות. אלגוריתם DPD אינו יכול להילקח בחשבון כמוצר מדף. ביצועים אופטימאליים מושגים כאשר המערכת מכוונת למפרט המגבר והיישום – כתוצאה מכך, מהירות האלגוריתם והתמיכה בפיתוח / יישומי שטח הינם שיקולים חשובים גם כן. אלגוריתם DPD אפקטיבי יכול להביא ליתרונות משמעותיים של המערכת. אסור להפחית בחשיבות של מורכבות הדרישות וביצוע הערכת הביצועים.

על המחבר

סטיב סאמרפילד הינו דירקטור בחברת Analog Devices מוביל פיתוח ותכנון של אלגוריתמים וארכיטקטורות עבור יישומי תשתיות אלחוטיות. הוא הצטרף ל- ADI ב- 2017 ולפני כן החזיק במשרות בכירות במגוון חברות מוליכים למחצה וטלקומוניקציה. לסטיב יש גם קריירה ארוכה  בסקטור האוניברסיטאי. הוא הוציא פרסומים רבים, מחזיק במספר רב של פטנטים ובעל תואר ד”ר בפיזיקה תאורטית. ניתן ליצור עמו קשר בדוא”ל: steve.summerfield@analog.com .

על המחבר

פרנק קירני הצטרך לחברת Analog Devices לאחר סיום התואר שלו ב- 1988. במהלך עבודתו בחברה הוא עסק במגוון תפקידים הנדסיים וניהוליים. כיום הוא מנהל צוות של ארכיטקטים ומפתחי אלגוריתמים ב- wireless Systems Group. הקבוצה מתמקדת  ביעילות נתיב המעבר ושיפור ברמת המערכת עבור ארכיטקטורת רדיו O-RAN. לפרנק יש תואר ד”ר מאוניברסיטת דבלין. ניתן ליצור עמו קשר בדוא”ל: frank.kearney@analog.com.

---