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一、功率放大器

在無線通信中，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，y(t)是輸出信號，k為放大系數(shù)。線性系統(tǒng)具有頻率保持性，如果輸入信號是正弦信號，則輸出信號是相同頻率的正弦信號。對于非線性系統(tǒng)，如果輸入一個正弦信號，則輸出信號當(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是輸入信號功率的最大值。在最大值確定的情況下，如果輸入信號的功率有起伏波動，那么信號的平均功率會被進(jìn)一步壓低。

在通信中，使用峰均比來衡量功放的效率，峰均比指的是信號的峰值功率與平均功率之比。信號的峰均比反映了功放的使用效率，峰均比越低，對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,簡稱DPD?？梢岳斫鉃?，將功率放大器的失真特性進(jìn)行線性化處理，PA的非線性特性會隨時間、溫度或偏壓的變化而變化，也可能因為器件的不同而變化。

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)值的對應(yīng)關(guān)系。將輸入信號采樣后，通過預(yù)先制定的表格對應(yīng)關(guān)系，確定應(yīng)該輸入多大的幅值，然后通過DA輸出模擬信號到功率放大器，從而實現(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預(yù)失真。預(yù)失真是PA線性化的“法寶”，不過這也非常復(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：通過一個預(yù)失真元件(Predistorter)來和功放元件(PA) 級聯(lián)，非線性失真功能內(nèi)置于數(shù)字、數(shù)碼基帶信號處理域中，其與放大器展示的失真數(shù)量相當(dāng)(“相等”)，但功能卻相反。將這兩個非線性失真功能相結(jié)合，便能夠?qū)崿F(xiàn)高度線性、無失真的系統(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)特性會隨時間、溫度以及偏壓(biasing)的變化而變化，因器件的不同而不同。因此，盡管能為一個器件確定特性并設(shè)計正確的預(yù)失真算法，但要對每個器件都進(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，對輸出信號進(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)字電路實現(xiàn)這個預(yù)失真器(Predistorter)，通常采用數(shù)字信號處理來完成。通過增加一個非線性電路用以補(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)使用簡單的AB類平臺，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)計和系統(tǒng)實施方面。

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，還為消費電子類產(chǎn)品帶來了前所未有的技術(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。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，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。事實上，射頻器件作為無線通信系統(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)計需要在多個指標(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重構(gòu)Wi-Fi信號鏈。具體來看，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時代開始，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世界；又或者像是降噪耳機(jī)，通過消除噪音，讓我們聽到更純凈的聲音。在通信系統(tǒng)中，DPD技術(shù)需要在高頻上完成實時的精準(zhǔn)校準(zhǔn)，實現(xiàn)每秒百萬次的信號對齊和糾正。

而RPU技術(shù)的創(chuàng)新之處在于成功地將這項原本只用于宏基站的技術(shù)適配到了路由器等消費電子產(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。通過獨特的補(bǔ)償算法，產(chǎn)品能夠在保證高性能的同時，也滿足了消費電子產(chǎn)品的實際需求。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)備的無線性能和整機(jī)重量。“負(fù)負(fù)得正”這一數(shù)學(xué)原理，簡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，整個射頻周邊的電阻、電容都已經(jīng)被人體干擾，不過此時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，最終輸出的信號水平并沒有下降，信道依然非常干凈。

RPU的demo演示

對于普通消費者而言，RPU帶來的最明顯的改善是路由器穿墻和有效覆蓋能力的增強(qiáng)。目前市面上最好的路由器在輸出最高網(wǎng)速的時候是幾十毫瓦的功率，到很低網(wǎng)速至少輸出500毫瓦功率，此時能夠連接但沒有網(wǎng)絡(luò)。借助RPU芯片，在500毫瓦的時候也能夠滿速，讓信號不失真，解決目前Wi-Fi使用場景中的痛點問題。數(shù)據(jù)指出，目前90%以上的室內(nèi)流量通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)承載，但是其中有82%的用戶體驗不滿意，主要是連接不順暢、網(wǎng)絡(luò)卡頓和信號不穩(wěn)定。Wi-Fi 7的到來只是提升了峰值速度，并沒有改善Wi-Fi的覆蓋面積問題。根據(jù)實際測試，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強(qiáng)度還高10倍，可以實現(xiàn)單臺200平米全屋覆蓋，并且無死角、無帶外干擾，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RPU的實現(xiàn)難點并不是某一個點，而是整個系統(tǒng)性工程，無法通過修改優(yōu)化傳統(tǒng)芯片來實現(xiàn)。

給用戶提供無感知連接，需要達(dá)到10倍的性能提升，唯一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?，引入?shù)字補(bǔ)償芯片，用盡可能大的功率實現(xiàn)高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)信號，同時減少功率消耗。

具體的實現(xiàn)就是讓射頻器件負(fù)責(zé)輸出很高功率，盡管這樣會讓信號失真但增加一個射頻補(bǔ)償器就能把失真部分補(bǔ)償回來，射頻器件和射頻補(bǔ)償芯片協(xié)作就能讓信號的輸出干凈、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的場景，也適用100W，400M帶寬的宏基站場景。RPU是模擬射頻出入，不需要任何數(shù)字信號，相當(dāng)于一個小型功率放大器，有較強(qiáng)的兼容性。

RPU讓一臺路由器頂三臺，200平米全屋覆蓋

實際測試是檢驗這套方法最好的方法。得翼通信給出的測試數(shù)據(jù)，在頭部運營商實驗室做的對比測試，三條曲線代表三個路由器，綠色是運營商提供的路由器，藍(lán)色是在運營商的路由器里增加RPU芯片性能數(shù)據(jù)，紅色是網(wǎng)上能買到的最貴的路由器之一。

可以非常明顯的看到，隨著信號的衰減，增加了RPU芯片的路由器可以增加十幾個DB，也就是10倍的覆蓋面積和發(fā)射功率，兼顧省電。普通的路由器輸出最高網(wǎng)速時是幾十毫瓦的功率，低網(wǎng)速時至少輸出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，更高的性能和消費級的低成本又是一個矛盾。

RPU中還使用了先進(jìn)的AI架構(gòu)，與大模型不需要專家知識不同，得翼通信在追求極致性能和成本的目標(biāo)下，充分使用了專家知識，構(gòu)建了一套AI閉環(huán)控制。射頻器件所有輸出都會采集回到訓(xùn)練處理器中，更新物理反模型，所以可以應(yīng)對射頻信號因為溫度、環(huán)境、干擾的實時變化，而且速度是微秒級別?；镜念A(yù)失真處理能力讓信號極其干凈沒有干擾，同樣功能的RPU芯片能讓路由器、基站的信號比3GPP要求的指標(biāo)更好，大幅降低無人機(jī)、路由器之間的信號干擾，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)射頻器件滿速時候10%的效率，RPU的效率在不同頻段會有20%-40%的效率，達(dá)到了低功耗的效果。