一、功率放大器
在無(wú)線通信中，電磁波要傳播足夠遠(yuǎn)的距離，需要一定的功率，這里就需要功率放大器，簡(jiǎn)稱功放PA （Power Amplifier）。
理想中的功放y(t)=kx(t)，其中x(t)是輸入信號(hào)，y(t)是輸出信號(hào)，k為放大系數(shù)。線性系統(tǒng)具有頻率保持性，如果輸入信號(hào)是正弦信號(hào)，則輸出信號(hào)是相同頻率的正弦信號(hào)。對(duì)于非線性系統(tǒng)，如果輸入一個(gè)正弦信號(hào)，則輸出信號(hào)當(dāng)中還出現(xiàn)很多的頻率成分，也就是頻譜擴(kuò)展。
通常為了避免或者減輕頻譜擴(kuò)展，要盡量使用功放的線性區(qū)間，上圖中小于PL的部分。由此可以確定PL是輸入信號(hào)功率的*大值。在*大值確定的情況下，如果輸入信號(hào)的功率有起伏波動(dòng)，那么信號(hào)的平均功率會(huì)被進(jìn)一步壓低。
在通信中，使用峰均比來(lái)衡量功放的效率，峰均比指的是信號(hào)的峰值功率與平均功率之比。信號(hào)的峰均比反映了功放的使用效率，峰均比越低，對(duì)功放的使用效率越高。
二、數(shù)字預(yù)失真DPD
數(shù)字預(yù)失真,digital pre-distortion,簡(jiǎn)稱DPD。可以理解為，將功率放大器的失真特性進(jìn)行線性化處理，PA的非線性特性會(huì)隨時(shí)間、溫度或偏壓的變化而變化，也可能因?yàn)槠骷牟煌兓?/span>
DPD根據(jù)非線性功放的特性，預(yù)先制作一張表格，確定其輸入與輸出數(shù)值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。將輸入信號(hào)采樣后，通過(guò)預(yù)先制定的表格對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定應(yīng)該輸入多大的幅值，然后通過(guò)DA輸出模擬信號(hào)到功率放大器，從而實(shí)現(xiàn)了非線性功放的線性化處理。
非線性的功率放大器的輸入輸出為y=Kf(x’)，DPD的特性為非線性功率放大器的反函數(shù)，y=Kx，也就是一個(gè)線性功放。
三、預(yù)失真原理
DPD: PA線性化技術(shù)更大的突破是可使信號(hào)預(yù)失真。預(yù)失真是PA線性化的“法寶”，不過(guò)這也非常復(fù)雜，并要求了解PA失真特性——而該特性的變化方式非常復(fù)雜。
預(yù)失真原理：通過(guò)一個(gè)預(yù)失真元件(Predistorter)來(lái)和功放元件(PA) 級(jí)聯(lián)，非線性失真功能內(nèi)置于數(shù)字、數(shù)碼基帶信號(hào)處理域中，其與放大器展示的失真數(shù)量相當(dāng)(“相等”)，但功能卻相反。將這兩個(gè)非線性失真功能相結(jié)合，便能夠?qū)崿F(xiàn)高度線性、無(wú)失真的系統(tǒng)。數(shù)字預(yù)失真技術(shù)的挑戰(zhàn)在于PA的失真(即非線性)特性會(huì)隨時(shí)間、溫度以及偏壓(biasing)的變化而變化，因器件的不同而不同。因此，盡管能為一個(gè)器件確定特性并設(shè)計(jì)正確的預(yù)失真算法，但要對(duì)每個(gè)器件都進(jìn)行上述工作在經(jīng)濟(jì)上則是不可行的。為了解決上述偏差，我們須使用反饋機(jī)制，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行采樣，并用以校正預(yù)失真算法。數(shù)字預(yù)失真采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)這個(gè)預(yù)失真器(Predistorter)，通常采用數(shù)字信號(hào)處理來(lái)完成。通過(guò)增加一個(gè)非線性電路用以補(bǔ)償功率放大器的非線性。這樣就可以在功率放大器(PA)內(nèi)使用簡(jiǎn)單的AB類平臺(tái)，從而可以消除基站廠商制造前饋放大器 (feedforward amplifier)的負(fù)擔(dān)和復(fù)雜性。此外，由于放大器不再需要誤差放大器失真矯正電路，因此可以顯著提高系統(tǒng)效率。
RF 預(yù)失真技術(shù)(也稱為模擬預(yù)失真)與 DPD 有相似之處，用于補(bǔ)償 AM-AM 以及 AM-PM 失真、交調(diào)和 PA 的記憶效應(yīng)，并且均采用反饋信息補(bǔ)償溫度變化和 PA 老化導(dǎo)致的損害。盡管這兩種方法在理論上有相似之處，但僅限于電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)實(shí)施方面。
ISL5239預(yù)失真器內(nèi)部單元及閉環(huán)電路框圖
AM-AM特征曲線
AM-PM特征曲線
四、RPU射頻處理單元
近日，一項(xiàng)名為RPU(射頻處理單元)的顛覆性技術(shù)原創(chuàng)在射頻芯片領(lǐng)域與2024 MWCS現(xiàn)場(chǎng)掀起了革命性的浪潮。該技術(shù)以“更小但強(qiáng)大”為理念，通過(guò)數(shù)字補(bǔ)償顯著改善射頻系統(tǒng)性能，不僅重新定義了射頻系統(tǒng)的新范式，還為消費(fèi)電子類產(chǎn)品帶來(lái)了前所未有的技術(shù)突破。
傳統(tǒng)的射頻器件，為了提升性能，主要依賴于化合物材料作為技術(shù)突破點(diǎn)。這些材料在吞吐量、線性度、發(fā)射功率和效率等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，這種依賴化合物材料的傳統(tǒng)方法逐漸顯露出其局限性。事實(shí)上，射頻器件作為無(wú)線通信系統(tǒng)的核心組件，其性能指標(biāo)直接關(guān)系到整個(gè)通信系統(tǒng)的質(zhì)量和效率。然而，這些指標(biāo)在物理層面上往往存在相互制約的關(guān)系，如增加帶寬和發(fā)射功率往往會(huì)導(dǎo)致功耗的增加，而降低功耗則可能犧牲帶寬和發(fā)射功率。這種矛盾使得射頻器件的設(shè)計(jì)需要在多個(gè)指標(biāo)之間進(jìn)行權(quán)衡和折中。
采用了數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)，以DPD為核心的數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)適配非線性高效率功放來(lái)重構(gòu)Wi-Fi信號(hào)鏈。具體來(lái)看，DPD即數(shù)字預(yù)失真，是應(yīng)用在宏基站領(lǐng)域的典型技術(shù)，從2G時(shí)代開(kāi)始，DPD數(shù)字預(yù)失真技術(shù)就成為了提升射頻性能的關(guān)鍵。它類似于我們?nèi)粘Ｉ钪信宕鞯难坨R，能夠校正視力，讓我們看到更清晰的*；又或者像是降噪耳機(jī)，通過(guò)消除噪音，讓我們聽(tīng)到更純凈的聲音。在通信系統(tǒng)中，DPD技術(shù)需要在高頻上完成實(shí)時(shí)的*校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)每秒百萬(wàn)次的信號(hào)對(duì)齊和糾正。
而RPU技術(shù)的創(chuàng)新之處在于成功地將這項(xiàng)原本只用于宏基站的技術(shù)適配到了路由器等消費(fèi)電子產(chǎn)品中，這不僅需要解決成本、算力和體積等多方面的挑戰(zhàn)，更需要深厚的技術(shù)積累和創(chuàng)新能力。通過(guò)獨(dú)特的補(bǔ)償算法，產(chǎn)品能夠在保證高性能的同時(shí)，也滿足了消費(fèi)電子產(chǎn)品的實(shí)際需求。值得一提的是，補(bǔ)償算法其性能和效率的高低直接影響到設(shè)備的無(wú)線性能和整機(jī)重量。“負(fù)負(fù)得正”這一數(shù)學(xué)原理，簡(jiǎn)潔而深刻地揭示了相反力量的相互作用可以產(chǎn)生正面的效果。RPU射頻系統(tǒng)的數(shù)字預(yù)失真補(bǔ)償，正是基于類似的邏輯，為Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)射頻領(lǐng)域帶來(lái)了全新的可能。
在下圖所示的demo演示中，采用RPU的射頻通信板被人體觸摸，整個(gè)射頻周邊的電阻、電容都已經(jīng)被人體干擾，不過(guò)此時(shí)所有的失真都由得翼通信RPU芯片在前向去導(dǎo)入相反失真量，*終輸出的信號(hào)水平并沒(méi)有下降，信道依然非常干凈。
對(duì)于普通消費(fèi)者而言，RPU帶來(lái)的*明顯的改善是路由器穿墻和有效覆蓋能力的增強(qiáng)。目前市面上*好的路由器在輸出*高網(wǎng)速的時(shí)候是幾十毫瓦的功率，到很低網(wǎng)速至少輸出500毫瓦功率，此時(shí)能夠連接但沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)。借助RPU芯片，在500毫瓦的時(shí)候也能夠滿速，讓信號(hào)不失真，解決目前Wi-Fi使用場(chǎng)景中的痛點(diǎn)問(wèn)題。數(shù)據(jù)指出，目前90%以上的室內(nèi)流量通過(guò)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)承載，但是其中有82%的用戶體驗(yàn)不滿意，主要是連接不順暢、網(wǎng)絡(luò)卡頓和信號(hào)不穩(wěn)定。Wi-Fi 7的到來(lái)只是提升了峰值速度，并沒(méi)有改善Wi-Fi的覆蓋面積問(wèn)題。根據(jù)實(shí)際測(cè)試，傳統(tǒng)路由器增加RPU后比網(wǎng)上買的高端千元路由器信號(hào)強(qiáng)度還高10倍，可以實(shí)現(xiàn)單臺(tái)200平米全屋覆蓋，并且無(wú)死角、無(wú)帶外干擾，降低網(wǎng)絡(luò)擁堵，使得設(shè)備安裝和維護(hù)的成本更低。RPU芯片并不是純數(shù)字的芯片而是數(shù)字模擬射頻混合并且內(nèi)部搭載大量復(fù)雜算法。所以，這個(gè)RPU的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)并不是某一個(gè)點(diǎn)，而是整個(gè)系統(tǒng)性工程，無(wú)法通過(guò)修改優(yōu)化傳統(tǒng)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。
給用戶提供無(wú)感知連接，需要達(dá)到10倍的性能提升，*的辦法就是用宏基站補(bǔ)償?shù)姆椒ā?/strong>宏基站補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ霐?shù)字補(bǔ)償芯片，用盡可能大的功率實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，同時(shí)減少功率消耗。
具體的實(shí)現(xiàn)就是讓射頻器件負(fù)責(zé)輸出很高功率，盡管這樣會(huì)讓信號(hào)失真但增加一個(gè)射頻補(bǔ)償器就能把失真部分補(bǔ)償回來(lái)，射頻器件和射頻補(bǔ)償芯片協(xié)作就能讓信號(hào)的輸出干凈、功率很高且低功耗。這早已是宏基站提供商的通用做法，射頻器件可以購(gòu)買，然后自研的數(shù)字前端芯片DFE，數(shù)字前端芯片80%-90%的部分都是補(bǔ)償射頻的預(yù)失真芯片。RPU不僅適用于Wi-Fi路由器小功率但高調(diào)制1024/4096QAM的場(chǎng)景，也適用100W，400M帶寬的宏基站場(chǎng)景。RPU是模擬射頻出入，不需要任何數(shù)字信號(hào)，相當(dāng)于一個(gè)小型功率放大器，有較強(qiáng)的兼容性。
RPU讓一臺(tái)路由器頂三臺(tái)，200平米全屋覆蓋
實(shí)際測(cè)試是檢驗(yàn)這套方法*好的方法。得翼通信給出的測(cè)試數(shù)據(jù)，在頭部運(yùn)營(yíng)商實(shí)驗(yàn)室做的對(duì)比測(cè)試，三條曲線代表三個(gè)路由器，綠色是運(yùn)營(yíng)商提供的路由器，藍(lán)色是在運(yùn)營(yíng)商的路由器里增加RPU芯片性能數(shù)據(jù)，紅色是網(wǎng)上能買到的*貴的路由器之一。
可以非常明顯的看到，隨著信號(hào)的衰減，增加了RPU芯片的路由器可以增加十幾個(gè)DB，也就是10倍的覆蓋面積和發(fā)射功率，兼顧省電。普通的路由器輸出*高網(wǎng)速時(shí)是幾十毫瓦的功率，低網(wǎng)速時(shí)至少輸出500毫瓦功率，所以能連上但上不了網(wǎng)。增加了RPU芯片，有了補(bǔ)償系統(tǒng)，可以在500毫瓦功率的時(shí)候滿速，不需要切低速網(wǎng)。
補(bǔ)償算法就是RPU的核心所在。
RPU不僅有數(shù)字預(yù)失真算法，還有一連串各種補(bǔ)償算法，所以宏基站客戶也可以使用RPU芯片。純算法芯片難點(diǎn)在于用好的性能、補(bǔ)償能力才能讓W(xué)i-Fi大功率輸出，更高的性能和消費(fèi)級(jí)的低成本又是一個(gè)矛盾。
RPU中還使用了*的AI架構(gòu)，與大模型不需要專家知識(shí)不同，得翼通信在追求*性能和成本的目標(biāo)下，充分使用了專家知識(shí)，構(gòu)建了一套AI閉環(huán)控制。射頻器件所有輸出都會(huì)采集回到訓(xùn)練處理器中，更新物理反模型，所以可以應(yīng)對(duì)射頻信號(hào)因?yàn)闇囟取h(huán)境、干擾的實(shí)時(shí)變化，而且速度是微秒級(jí)別。基站的預(yù)失真處理能力讓信號(hào)極其干凈沒(méi)有干擾，同樣功能的RPU芯片能讓路由器、基站的信號(hào)比3GPP要求的指標(biāo)更好，大幅降低無(wú)人機(jī)、路由器之間的信號(hào)干擾，耗電也很低。兼顧低功耗的關(guān)鍵在于RPU選用了大量非線性器件，相比傳統(tǒng)射頻器件滿速時(shí)候10%的效率，RPU的效率在不同頻段會(huì)有20%-40%的效率，達(dá)到了低功耗的效果。
