Digital Predistortion

Digitale Vorverzerrung, oder DPD, ist ein Echtzeitverfahren der Signalverarbeitung, das ein Eingangssignal absichtlich verzerrt, bevor es einen Leistungsverstärker erreicht, um die eigenen nichtlinearen Verzerrungen des Verstärkers am Ausgang auszugleichen. Das vorverzerrte Signal und die Verstärkerantwort kombinieren sich zu einem sauberen, lineareren Gesamtausgang, als der Verstärker allein liefern könnte. Dies ist unverzichtbar in modernen Funks- und Breitbandsystemen, wo spektrale Reinheit und Effizienz gleichzeitig bestehen müssen.

Leistungsverstärker, besonders bei hohen Ausgangspegeln, komprimieren die Verstärkung bei Spitzensignalpegeln, erzeugen Oberwellen und verursachen Intermodulationsverzerrungen zwischen mehreren Frequenzkomponenten. Diese Nichtlinearitäten führen zu Signalausreißern außerhalb des vorgesehenen Kanals und zur Degradation der Modulationsqualität. Statt die Ausgangsleistung zu reduzieren, um linear zu bleiben, wendet DPD eine inverse Übertragungsfunktion auf das digitale Basisbandsignal vor dem D/A-Wandler und der HF-Hochmischung an. Wenn der Verstärker dieses bereits verzerrte Signal verzerrt, heben sich die beiden Effekte teilweise auf.

Umsetzung und Regelschleifen

DPD arbeitet in einer Regelschleife. Ein Koppler oder Richtungselement am Verstärkerausgang erfasst das tatsächliche Ausgangssignal, das heruntergemischt, digitalisiert und mit dem erwarteten idealen Ausgang verglichen wird. Ein digitaler Prozessor misst kontinuierlich die tatsächliche Eingangs-zu-Ausgangs-Beziehung des Verstärkers und aktualisiert eine Lookup-Tabelle oder ein Polynommodell. Dieses Modell wird invertiert und auf zukünftige Eingabesamples angewendet. Die Schleife läuft kontinuierlich, da sich die Verstärkereigenschaften mit Temperatur, Lastimpedanz und Alterung verändern.

Gängige DPD-Modelle verwenden Polynom- oder Speicherpolynom-Darstellungen und erfassen sowohl speicherlose Nichtlinearität als auch dynamische Speichereffekte, die durch Vorspannungsnetzwerke und Erwärmung des Bauteils verursacht werden. Koeffizienten werden typischerweise alle Millisekunden bis einige Millisekunden aktualisiert. Moderne Implementierungen laufen auf DSP-Kernen oder FPGAs im HF-Subsystem, um die Latenz niedrig genug zu halten, damit die Rückkopplung gültig bleibt.

DPD ist Standard in Mobilfunkbasisstationen, Satellitentranspondern und LTE- sowie 5G-Systemen, wo Energieeffizienz und Einhaltung der Spektralmaske Pflicht sind. Ohne DPD müssen Verstärker mit 6 bis 10 Dezibel Abstand zu ihrem Sättigungspunkt arbeiten, was Energie verschwendet und zur Wärmeerzeugung führt. Mit DPD können Verstärker näher an der Sättigung arbeiten und dabei die Nachbarkanalausstrahlung (ACLR) innerhalb regulatorischer Grenzen halten. Der Nachteil ist erhöhte Komplexität, Latenz und Rechenlast.