Digitale Vorverzerrung

Fehlersuche und Feinabstimmung – ein Leitfaden

13. Juni 2022, 6:00 Uhr | Wangning Ge
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Einige der bekannten Debugging-Techniken lassen sich auch auf Schaltungen zur digitalen Vorverzerrung übertragen. DPD (Digital Pre-Distortion) stellt jedoch spezifische Anforderungen. Wer sie kennt, kann gezielt Optimieren und mit einem DPD-Tool die Leistungsfähigkeit analysieren.

Digitale Vorverzerrung (DPD, Digital Pre-Distortion) ist ein weit verbreiteter Algorithmus in Funkkommunikationssystemen. Aufgabe der digitalen Vorverzerrung ist es, das »spektrale Nachwachsen« (Spectral Regrowth) des Breitbandsignals durch den HF-Leistungsverstärker (PA) [1] zu unterdrücken, was dessen Gesamtwirkungsgrad erhöht. Leistungsverstärker verhalten sich bei Eingangssignalen hoher Leistung nichtlinear und arbeiten mit niedrigem Wirkungsgrad. Das nichtlineare Verhalten und die spektralen Interferenzen werden durch das spektrale Nachwachsen auf die Nachbarbänder verursacht.

Dieser Beitrag soll Ingenieuren helfen, die digitale Vorverzerrung im Transceiver-IC ADRV9002 von Analog Devices richtig zu nutzen. Zum ADRV9002 gehört auch ein MATLAB-Tool, das Entwickler bei der DPD-Analyse unterstützt. Es sollte helfen, viele häufige Fehler zu beseitigen, und gibt Einblick in die internen DPD-Abläufe.

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Digitale Vorverzerrung für den Kommunikationsstandard TETRA-1 mit dem ADRV9002.
Bild 1. Digitale Vorverzerrung für den Kommunikationsstandard TETRA-1 mit dem ADRV9002.
© Analog Devices

Bild 1 zeigt das spektrale Nachwachsen vor und nach der Korrektur durch digitale Vorverzerrung beim Kommunikationsstandard TETRA-1 (Terrestrial Trunked Radio) auf dem Transceiver-IC ADRV9002.

Der ADRV9002 enthält einen programmierbaren, auf geringe Leistungsaufnahme optimierten DPD-Algorithmus, der sich individuell anpassen lässt, um das nichtlineare Verhalten des Leistungsverstärkers zu korrigieren und so das gesamte Nachbarkanalleistungsverhältnis (ACPR, Adjacent Channel Power Ratio) zu verbessern. Um die Vorteile der digitalen Vorverzerrung für Kommunikationssysteme nutzen zu können, ist eine gewisse Erfahrung erforderlich, ganz abgesehen davon, dass das System richtig aufgesetzt werden muss.

Zurückzuführen ist dies im Wesentlichen auf Faktoren, die Fehler verursachen und damit die Leistungsfähigkeit der digitalen Vorverzerrung beeinträchtigen können. Selbst wenn die Schaltung richtig ist, kann es schwierig sein, die richtigen Parameter für die Feinabstimmung der DPD zu finden und die optimale Funktion zu realisieren.

Bei aktivierter DPD bietet der HF-Transceiver ADRV9002 eine Signalbandbreite von bis zu 20 MHz. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Empfangsbandbreite auf 100 MHz begrenzt ist. Normalerweise arbeitet die DPD mit einer Empfangsbandbreite, die fünfmal so groß ist wie die Bandbreite des Senders, so dass die dritten und fünften Intermodulationssignale erkannt und korrigiert werden können.

Das größte PA-Spitzenleistungssignal des ADRV9002 liegt in der Nähe der 1-dB-Kompression (P1dB). Diese Kennzahl ist ein Maß für die Kompression des Leistungsverstärkers. Wenn das Signal des Leistungsverstärkers über den 1-dB-Kompressionspunkt hinaus komprimiert wird, ist nicht gewährleistet, dass die DPD richtig funktioniert. Dies muss aber nicht sein. In einigen Fällen hat sich gezeigt, dass eine DPD über dem 1-dB-Kompressionspunkt funktioniert und ein sehr gutes Nachbarkanalleistungsverhältnis erreicht wird. Allerdings muss dies für den jeweiligen Einzelfall untersucht werden.

Bei einer zu starken Kompression kann die digitale Vorverzerrung zu einem instabilen Verhalten führen und einen Absturz verursachen. In den nachfolgenden Kapiteln wird der Kompressionsbereich näher erläutert. Dazu gehört auch, wie sich der aktuelle PA-Kompressionsstatus mit MATLAB-Werkzeugen beobachten lässt.

Weitere Einzelheiten zur DPD enthalten die Anwenderrichtlinien [2] im Kapitel »Digital Predistortion«.

Digitale Vorverzerrerschaltung

Für die Durchführung der digitalen Vorverzerrung gibt es zwei grundlegende Ansätze. Die erste Methode ist eine indirekte DPD, bei der ein Signal vor und nach dem Leistungsverstärker erfasst wird. Dies unterscheidet sich von der direkten DPD-Methode, bei der ein Signal vor dem DPD-Block und nach dem Leistungsverstärker erfasst wird. Eine nähere Erläuterung der Vor- und Nachteile der beiden Konzepte würde den Rahmen des Beitrags übersteigen.

Bei der indirekten DPD wird das Signal vor und nach dem Leistungsverstärker herangezogen, um dessen nichtlineares Verhalten besser zu verstehen. Bei der direkten DPD wird das Signal vor der DPD und nach dem Leistungsverstärker betrachtet und der Fehler mithilfe einer Vorverzerrung auf dem DPD-Block eliminiert.

Entwickler sollten wissen, dass der ADRV9002 den indirekten Ansatz verwendet und das damit verbundene Verhalten zeigt. Beim Einsatz von MATLAB ist es außerdem wichtig zu wissen, dass sich die erfassten Daten ebenfalls auf den indirekten Ansatz beziehen.

Vereinfachtes Blockschaltbild der indirekten DPD.
Bild 2. Vereinfachtes Blockschaltbild der indirekten DPD.
© Analog Devices

Bild 2 zeigt die vereinfachte Blockschaltung der indirekten DPD des ADRV9002. Das Eingangssignal u(n) liegt am DPD-Block an. Die DPD übernimmt die Vorverzerrung des Signals und erzeugt das Signal x(n). Das Signal x(n) wird mit Tx Capture bezeichnet, obwohl es eigentlich die vorverzerrte Version des Sendesignals ist. Anschließend durchläuft das Signal den Leistungsverstärker und wird zum Signal y(n), das schließlich an die Antenne gelangt. Das Signal y(n) wird als Empfangssignal bezeichnet, obwohl es eigentlich das Sendesignal nach dem Leistungsverstärker ist. Als Ist-Größe wird das Signal y(n) dann zum Empfängereingang zurückgeführt, der als Kontrollempfänger (Observation Receiver) dient. In die DPD-Engine gelangen im Wesentlichen die Signale x(n) und y(n), aus denen die Koeffizienten für die nächste Iteration der DPD generiert werden.

Funktionsweise der indirekten DPD

Der ADRV9002 unterstützt bei der digitalen Vorverzerrung sowohl das TDD- als auch das FDD-Verfahren (Time Division Duplex, Frequency Division Duplex). Im TDD-Modus wird die DPD für jedes übertragene Datenpaket aktualisiert. Das bedeutet, dass der Empfänger während der Übertragung des Datenpakets als Beobachtungspfad fungiert. Da beim FDD-Verfahren Sender und Empfänger gleichzeitig in Betrieb sind, ist ein eigener Empfängerkanal erforderlich. Der ADRV9002 verfügt über jeweils zwei Sender und Empfänger (2T2R), die DPD in den Betriebsarten 2T2R/1T1R TDD und 1T1R FDD unterstützen können.


  1. Fehlersuche und Feinabstimmung – ein Leitfaden
  2. Modell der digitalen Vorverzerrung
  3. DPD-Schaltung mit dem ADRV9001
  4. Typische Probleme bei DPD-Schaltungen
  5. Erweiterte Abstimmung

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