อ่าน 7 นาที
การบิดเบือนสัญญาณดิจิทัลล่วงหน้าแบบหลายมิติ
การปรับความผิดเพี้ยนดิจิทัลแบบหลายมิติ (MDDPD) ซึ่งมักเรียกว่า การปรับความผิดเพี้ยนดิจิทัลแบบหลายย่านความถี่ (MBDPD) เป็นส่วนย่อยของ การปรับความผิดเพี้ยน ดิจิทัล (DPD)...
การบิดเบือนสัญญาณดิจิทัลล่วงหน้าแบบหลายมิติ
การปรับความผิดเพี้ยนดิจิทัลแบบหลายมิติ (MDDPD) ซึ่งมักเรียกว่าการปรับความผิดเพี้ยนดิจิทัลแบบหลายย่านความถี่ (MBDPD) เป็นส่วนย่อยของการปรับความผิดเพี้ยน ดิจิทัล (DPD) ที่ทำให้สามารถใช้ DPD กับสัญญาณ (ช่องสัญญาณ) ที่ไม่สามารถหรือไม่ผ่านตัวปรับความผิดเพี้ยนดิจิทัลเดียวกัน แต่ผ่านระบบไม่เชิงเส้น เดียวกันได้พร้อมกัน ความสามารถในการทำเช่นนั้นมาจากส่วนหนึ่งของทฤษฎีสัญญาณหลายมิติที่เกี่ยวข้องกับระบบอินพุตเวกเตอร์เวลาไม่ต่อเนื่องหนึ่งมิติ - เอาต์พุตเวกเตอร์เวลาไม่ต่อเนื่องหนึ่งมิติ[ 1 ]เอกสารฉบับแรกที่พบการประยุกต์ใช้คือในปี 1991 ดังที่เห็นได้ที่นี่[ 2 ]ไม่มีแอปพลิเคชันใดของ MDDPD ที่สามารถใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติของระบบเชิงเส้นคงที่ (LSI) ได้ เนื่องจากตามคำจำกัดความแล้ว ระบบเหล่านี้ไม่เชิงเส้นและไม่คงที่ แม้ว่าจะมักถูกประมาณว่าคงที่ (ไม่มีหน่วยความจำ) ก็ตาม
แรงจูงใจ
แม้ว่า MDDPD จะช่วยให้สามารถใช้ DPD ในระบบหลายแหล่งได้ แต่การนำ MDDPD มาใช้ยังมีข้อดีมากกว่า DPD ซึ่งเป็นแรงจูงใจหลักของการศึกษาเบื้องต้น[ 3 ]ใน DPD แบบหน่วยความจำ (หรือไม่มีหน่วยความจำ) ที่ใช้พหุนามแบบหนึ่งมิติ เพื่อที่จะแก้ปัญหาค่าสัมประสิทธิ์พหุนามของตัวบิดเบือนสัญญาณดิจิทัลล่วงหน้าและลดข้อผิดพลาดกำลังสองเฉลี่ย (MSE) ให้เหลือน้อยที่สุด เอาต์พุตที่บิดเบือนของระบบที่ไม่เป็นเชิงเส้นจะต้องถูกสุ่มตัวอย่างเกินอัตราที่ทำให้สามารถจับภาพผลคูณที่ไม่เป็นเชิงเส้นในลำดับของตัวบิดเบือนสัญญาณดิจิทัลล่วงหน้าได้ ในระบบที่มีระยะห่างระหว่างคลื่นพาหะมากหรือแบนด์วิดท์ของช่องสัญญาณกว้างมาก สิ่งนี้จะนำไปสู่การเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญของอัตราการสุ่มตัวอย่างขั้นต่ำที่ยอมรับได้ของตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) ที่ใช้สำหรับการสุ่มตัวอย่างแบบป้อนกลับเมื่อเทียบกับระบบที่เป็นช่องสัญญาณเดียวหรือมีคลื่นพาหะที่มีระยะห่างแคบ เนื่องจาก ADC มีราคาแพงกว่าและออกแบบยากกว่าตัวแปลงสัญญาณดิจิทัลเป็นอนาล็อก (DAC) ที่ใช้สร้างช่องสัญญาณ และ ADC จะมีราคาแพงมากเมื่ออัตราการสุ่มตัวอย่างเข้าใกล้ 1 Gs/s หรือสูงกว่านั้น จึงเป็นที่พึงปรารถนาอย่างยิ่งที่จะลดอัตราการสุ่มตัวอย่างของ ADC ที่จำเป็นสำหรับการประมวลผล DPD ซึ่ง MDDPD ทำได้เช่นนั้น
ข้อดี
เช่นเดียวกับการปรับแก้ความผิดเพี้ยนทางดิจิทัลใน MDDPD ที่นำไปใช้กับแต่ละช่องสัญญาณอย่างอิสระ การสุ่มตัวอย่างป้อนกลับของช่องสัญญาณก็สามารถทำได้อย่างอิสระเช่นกัน นอกจากนี้ ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ MDDPD ยังอนุญาตให้ใช้การปรับแก้ความผิดเพี้ยนกับช่องสัญญาณที่สร้างขึ้นอย่างอิสระ ซึ่งทำให้สามารถนำไปใช้และได้รับประโยชน์จากการปรับแก้ความผิดเพี้ยนในระบบที่ไม่สามารถได้รับประโยชน์จาก DPD แบบมิติเดียวได้ตามปกติ
ข้อเสีย
เพื่อให้สามารถใช้ประโยชน์จากความสามารถในการลดอัตราการสุ่มตัวอย่างของ ADC กลุ่มของช่องสัญญาณจะต้องมีการแปลงสัญญาณลงไปยังเบสแบนด์ของตนเองสำหรับการสุ่มตัวอย่าง ซึ่งจะทำให้จำนวนมิกเซอร์และออสซิลเลเตอร์ภายใน (LO) หรือซินเธไซเซอร์เพิ่มขึ้น LO และซินเธไซเซอร์ไม่ใช่ส่วนประกอบเล็กน้อยในการออกแบบ นอกจากนี้ ดังที่จะเห็นได้ในภายหลัง จำนวนสัมประสิทธิ์ที่ต้องแก้ไขนั้นมีมากกว่าจำนวนสัมประสิทธิ์ที่ต้องแก้ไขใน DPD แบบหนึ่งมิติมาก สุดท้าย ต้องมีช่องสัญญาณความเร็วสูงระหว่างแหล่งสัญญาณต่างๆ เพื่อปรับตัวปรับสัญญาณดิจิทัลล่วงหน้าและใช้การปรับสัญญาณล่วงหน้า เนื่องจากแต่ละแหล่งสัญญาณต้องมีข้อมูลช่องสัญญาณจากทุกแหล่งสัญญาณอื่นๆ ดังที่จะแสดงในส่วนการพิสูจน์และวิธีการ
แอปพลิเคชัน
ตลาดสองแห่งที่ใช้ MDDPD ในปัจจุบัน ได้แก่ ตลาดโทรศัพท์มือถือและ ตลาด การสื่อสารผ่านดาวเทียมในตลาดโทรศัพท์มือถือ การใช้พลังงานต่ำและขนาดเล็กเป็นสิ่งสำคัญ ซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำให้เกิดการศึกษา MDDPD ในเบื้องต้น เนื่องจากการลดอัตราการสุ่มตัวอย่างป้อนกลับหมายถึงการลดพลังงานและขนาดของส่วน ADC ใน IC ที่ใช้ ในตลาดการสื่อสารผ่านดาวเทียม การใช้งานเครื่องขยายกำลังส่งของเครื่องส่งสัญญาณให้ใกล้เคียงกับกำลังอิ่มตัวมากที่สุดเป็นสิ่งสำคัญ เพื่อลดค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานและค่าใช้จ่ายด้านเงินทุนแต่บ่อยครั้งที่ต้องใช้โมเด็มมากกว่าหนึ่งตัวร่วมกับเครื่องส่งสัญญาณเดียวกัน DPD แบบหลายมิติช่วยให้สามารถประยุกต์ใช้ DPD ในระบบหลายแหล่งสัญญาณได้ ดังนั้นจึงช่วยให้สามารถรักษากำลังส่งของเครื่องส่งสัญญาณให้ใกล้เคียงกับกำลังอิ่มตัวในระบบที่มีโมเด็มหลายตัวได้
การหาอนุพันธ์และการแยกความแตกต่างของ DPD สองมิติจาก DPD หนึ่งมิติ
ใช้พหุนามหน่วยความจำ (หรือไม่มีหน่วยความจำ) หนึ่งมิติแบบไม่เชิงเส้นลำดับคี่ลำดับที่ห้า (( 1 )) แต่แทนที่จะใช้สัญญาณอินพุตเดียวในการหาอนุพันธ์ 1DDPD แบบดั้งเดิม อินพุตของระบบไม่เชิงเส้นจะถูกแทนที่ด้วยผลรวมของสัญญาณตั้งฉากสองสัญญาณ (( 2 )) สัญญาณเหล่านี้ตั้งฉากกันเนื่องจากมีการเลื่อนความถี่โดย ω 1และ ω 2ซึ่งถูกเลือกในลักษณะที่รับประกันความเป็นตั้งฉากของช่องสัญญาณ
| 1 |
ที่ไหน
| 2 |
สมการ (( 3 )) และ (( 4 )) คือพจน์ในแถบความถี่ที่มาจากการขยายพหุนามเมื่อทำในลักษณะ DPD แบบหนึ่งมิติแบบดั้งเดิม ซึ่งหมายความว่าสัมประสิทธิ์ลำดับที่หนึ่ง สาม และห้าถือว่าเชื่อมโยงกันหรือไม่ตั้งฉากกันและเท่ากับค่าของพวกมันในพหุนามที่นำเสนอใน (( 1 )) สมการ (( 5 )),(( 6 )),(( 7 )),(( 8 )), (( 9 )) และ (( 10 )) คือพจน์นอกแถบความถี่ที่มาจากการขยายพหุนามที่ทำในลักษณะ DPD แบบหนึ่งมิติแบบดั้งเดิมเช่นกัน
| 3 |
| 4 |
| 5 |
| 6 |
| 7 |
| 8 |
| 9 |
| 10 |
สมการ (( 11 )) และ (( 12 )) คือเทอมภายในแบนด์ที่มาจากการขยายพหุนามเมื่อทำในลักษณะ MDDPD ซึ่งหมายความว่าสัมประสิทธิ์ลำดับที่หนึ่ง สาม และห้าถือว่าไม่เชื่อมโยงกันหรือตั้งฉากกันและไม่เท่ากับค่าของพวกมันในพหุนามที่นำเสนอใน (( 1 )) กล่าวอีกนัยหนึ่ง ตอนนี้ไม่มีส่วนประกอบลำดับที่หนึ่ง สาม และห้าแบบง่ายๆ แต่เป็นสัมประสิทธิ์ระหว่างแบนด์และภายในแบนด์ลำดับที่หนึ่ง สาม และห้าแทน สมการ (( 13 )) และ (( 14 )) คือเทอมภายในแบนด์เหล่านั้นในรูปแบบผลรวม
| 11 |
| 12 |
| 13 |
| 14 |
ความแตกต่างด้านสุนทรียภาพระหว่าง 1DDPD และ MDDPD สามารถเห็นได้จากการเปรียบเทียบ (( 3 )) และ (( 11 )) และ (( 4 )) และ (( 12 )) และผลลัพธ์ของความแตกต่างทางคณิตศาสตร์เหล่านี้ในแอปพลิเคชันแบบหลายช่องสัญญาณสามารถเห็นได้จากการเปรียบเทียบกราฟสองกราฟด้านล่าง
ตามที่กำหนดไว้ในMultidimensional Digital Signal Processing [ 4 ] บทที่ 1 ส่วนที่ 1.2.9 สำหรับระบบเวกเตอร์อินพุตเวลาไม่ต่อเนื่อง 1 มิติ - ระบบเวกเตอร์เอาต์พุตเวลาไม่ต่อเนื่อง 1 มิติ หากอินพุตทั้งหมด ยกเว้นหนึ่งตัว ถูกตั้งค่าเป็นศูนย์ และอินพุตที่ไม่เป็นศูนย์หนึ่งตัว เป็นอิมพัลส์ จะมีการตอบสนองอิมพัลส์ อิสระ จากอินพุตนั้นไปยังเอาต์พุตอิสระแต่ละตัว นี่เป็นจริงสำหรับอินพุตแต่ละตัวในระบบนั้น ใน MDDPD การตอบสนองอิมพัลส์อิสระจะถูกแทนที่ด้วยสัมประสิทธิ์อิสระ แต่แสดงถึงแนวคิดเดียวกันที่อินพุตแต่ละตัวมีความสัมพันธ์เฉพาะกับเอาต์พุตแต่ละตัว และสามารถเรียกว่าการตอบสนองอิมพัลส์ตัวอย่างเดียว นี่คือเหตุผลที่ (( 3 )) และ (( 4 )) ผิดในที่สุด และจำเป็นต้องแก้ไขเป็น (( 11 )) และ (( 12 )) เนื่องจากยังคงเป็นสมการ 1 มิติ และไม่ใช่ M มิติ จนกว่าจะดำเนินการนี้
DPD สามมิติและ m มิติ
สำหรับกรณีที่ระบบมีแหล่งกำเนิดอิสระสามแหล่ง แบบจำลองที่ไม่เป็นเชิงเส้นได้รับการหาค่าใหม่ และเทอมในแถบความถี่ของแบบจำลองที่ไม่เป็นเชิงเส้นในรูปแบบผลรวมสามารถดูได้ด้านล่างใน (( 15 )), (( 16 )) และ (( 17 ))
| 15 |
| 16 |
| 17 |
กระบวนการนี้สามารถทำได้สำหรับแหล่งกำเนิดอิสระจำนวนm ใดๆ เพื่อให้ได้รูปแบบทั่วไปของสมการสำหรับ MDDPD อย่างไรก็ตาม วิธีการนี้เป็นส่วนย่อยของอนุกรม Volterra MIMO สำหรับการประยุกต์ใช้สัญญาณเวลาเทียบเท่าค่าเชิงซ้อน[ 5 ]
ข้อควรพิจารณาเพิ่มเติม
เราสามารถเลือกที่จะละเลยฮาร์โมนิกส์ได้ หากเราพิจารณาว่าระบบของเราสามารถแสดงได้ด้วยแบบจำลอง "เบสแบนด์" ซึ่งเป็นแบบจำลองที่ระบบนั้นถูกพิจารณาว่าแสดงได้อย่างแม่นยำเฉพาะโดยปริมาณพลังงานภายในช่วงความถี่ที่สามารถสร้างได้โดย DAC ของระบบและวัดได้โดย ADC ของระบบ หรือเราสามารถเลือกที่จะรวมฮาร์โมนิกส์ไว้ในอัลกอริธึมการแก้ปัญหาได้ หากระบบของเราไม่เป็นไปตามแบบจำลองเบสแบนด์ แต่การประยุกต์ใช้ MDDPD กับแบบจำลองที่ไม่ใช่เบสแบนด์นั้นค่อนข้างขัดกับสัญชาตญาณ เนื่องจากจะเพิ่มอัตราการสุ่มตัวอย่างที่จำเป็นในการจับข้อมูลฮาร์โมนิกส์ และอาจทำให้ข้อดีหลักข้อหนึ่งของ MDDPD ลดลง กล่าวคือ หากทราบว่าแบบจำลองเบสแบนด์นั้นเพียงพอสำหรับระบบมัลติซิกแนลที่กำหนดแล้ว ควรพิจารณาใช้ MDDPD
แนวทาง
พหุนามเชิงตั้งฉาก
แนวทางที่เห็นใน[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]และ[ 10 ]พยายามแบ่งปัญหาออกเป็นสองปัญหาที่ตั้งฉากกันและจัดการแต่ละปัญหาแยกกันเพื่อลดแบนด์วิดท์การสุ่มตัวอย่างฟีดแบ็กให้ต่ำกว่า 1D DPD (หวังว่าจะต่ำกว่า MDDPD) พวกเขาแบ่งการประยุกต์ใช้การบิดเบือนล่วงหน้าและการสกัดแบบจำลองออกเป็นระบบภายในแบนด์และระหว่างแบนด์ มีการระบุว่าการแก้ไขการบิดเบือนการมอดูเลชั่นระหว่างแบนด์ (IMD) จะสร้าง IMD ภายในแบนด์ และหาก ใช้ พหุนามที่ตั้งฉากกัน อย่างสมบูรณ์ อย่างถูกต้อง ปัญหานี้จะไม่เกิดขึ้นอีกต่อไป ดูเหมือนว่าแนวทางนี้โดยพื้นฐานแล้วพยายามทำให้ (( 3 )) และ (( 4 )) กลายเป็น (( 11 )) และ (( 12 )) เนื่องจากความเป็นตั้งฉากของสัมประสิทธิ์ภายในแบนด์และระหว่างแบนด์ได้รับการรับประกันหากพหุนามได้รับการหาและประยุกต์ใช้อย่างถูกต้องดังใน (( 13 )) และ (( 14 ))
การปรับแต่งสัญญาณดิจิทัลล่วงหน้าแบบ 2D (ดูอัลแบนด์), 3D (ไตรแบนด์) และ MD
แนวทางที่เห็นใน[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]มุ่งเน้นไปที่การหาอนุพันธ์และการประยุกต์ใช้พหุนามหน่วยความจำ MDDPD ในระบบมัลติแบนด์อย่างถูกต้อง ข้อเสียของแนวทางก่อนหน้านี้คือพิจารณาเฉพาะบางเทอมในเคอร์เนล MIMO Volterra ตามที่กำหนดไว้ใน[ 15 ] [ 16 ]หรืออธิบายในรูปแบบเทียบเท่าเวลาที่มีค่าเชิงซ้อนใน[ 17 ]นั่นคือแบบจำลองและแผนการชดเชยเป็นรูปแบบที่ตัดแต่งของอนุกรม MIMO Volterra อย่างไรก็ตาม อนุกรมนี้ประสบปัญหาเรื่องมิติสูงซึ่งบดบังการใช้งานจริง ดังนั้น การใช้แนวทางที่ตัดแต่งที่อธิบายไว้จะสามารถค้นหาวิธีแก้ปัญหาและแบบจำลองที่เหมาะสมสำหรับกรณีทั่วไปได้
MDDPD โดยใช้การตอบรับจากการสุ่มตัวอย่างย่อย
แนวทางที่เห็นใน[ 18 ]พยายามทำให้ระบบป้อนกลับก่อนบิดเบือนง่ายขึ้นอีกโดยการใช้การสุ่มตัวอย่างย่อยเพื่อกำจัดขั้นตอนการแปลงลง เอกสารอ้างอิงนี้มุ่งเน้นไปที่ส่วนการสุ่มตัวอย่างย่อยของระบบและลักษณะเฉพาะของช่วงความถี่การสุ่มตัวอย่างที่ถูกต้องโดยพิจารณาจากตำแหน่งและระยะห่างของคลื่นพาหะ ข้อดีของแนวทางนี้คือข้อได้เปรียบที่เห็นได้ชัดของการกำจัดขั้นตอนการผสม ข้อเสียของแนวทางนี้คือข้อจำกัดของตำแหน่งและระยะห่างของคลื่นพาหะซึ่งเป็นข้อจำกัดโดยธรรมชาติเพื่อให้ได้การสุ่มตัวอย่างย่อยที่เหมาะสม
MDDPD โดยใช้แบบจำลอง Hammerstein เสริม
แนวทางที่เห็นใน[ 19 ]กำหนดรูปแบบของโมเดล Hammerstein เสริมเพื่อให้สามารถใช้งานร่วมกับโมเดลพหุนามไม่เชิงเส้น 2 มิติได้ โมเดล Hammerstein เสริมนี้ใช้ในการสร้างหน่วยความจำในขณะที่ยังคงรักษาโมเดลพหุนามที่ไม่มีหน่วยความจำไว้ โมเดลโดยรวมกลายเป็นโมเดลที่มีหน่วยความจำ แต่โมเดลพหุนามเองยังคงไม่มีหน่วยความจำ ซึ่งจะช่วยลดความซับซ้อนของโมเดลพหุนามและลดความซับซ้อนโดยรวมของระบบคอมโพสิตลง
การลดลำดับสัมประสิทธิ์ MDDPD โดยใช้ PCA
แนวทางที่เห็นใน[ 20 ]ใช้การวิเคราะห์ส่วนประกอบหลัก (PCA) เพื่อลดจำนวนสัมประสิทธิ์ที่จำเป็นเพื่อให้ได้กำลังช่องสัญญาณที่อยู่ติดกัน (ACP) ที่คล้ายกัน แม้ว่าข้อผิดพลาดกำลังสองเฉลี่ยปกติ (NMSE) จะลดลงอย่างมาก แต่ ACP จะลดลงเพียงประมาณ 3.5 dB สำหรับการลดจำนวนสัมประสิทธิ์ลง 87%
เอกสารอ้างอิงเพิ่มเติม
เอกสารเพิ่มเติมบางส่วนสามารถดูได้ที่นี่:
ลิงก์ภายนอก
- รายชื่อบทความจาก Shahin Gheitanchi และคณะ ซึ่งบางส่วนเกี่ยวข้องกับการปรับแต่งสัญญาณดิจิทัลแบบหลายย่านความถี่
สรุปเนื้อหา
ข้อมูลสำคัญจากบทความ
ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ การบิดเบือนสัญญาณดิจิทัลล่วงหน้าแบบหลายมิติ
การปรับความผิดเพี้ยนดิจิทัลแบบหลายมิติ (MDDPD) ซึ่งมักเรียกว่า การปรับความผิดเพี้ยนดิจิทัลแบบหลายย่านความถี่ (MBDPD) เป็นส่วนย่อยของ การปรับความผิดเพี้ยน ดิจิทัล (DPD)...
แรงจูงใจ
แม้ว่า MDDPD จะช่วยให้สามารถใช้ DPD ในระบบหลายแหล่งได้ แต่การนำ MDDPD มาใช้ยังมีข้อดีมากกว่า DPD ซึ่งเป็นแรงจูงใจหลักของการศึกษาเบื้องต้น [ 3 ] ใน DPD แบบหน่วยความจำ (หรือไม่มีหน่วยความจำ) ที่ใช้พหุนามแบบหนึ่งมิติ...
ข้อดี
เช่นเดียวกับการปรับแก้ความผิดเพี้ยนทางดิจิทัลใน MDDPD ที่นำไปใช้กับแต่ละช่องสัญญาณอย่างอิสระ การสุ่มตัวอย่างป้อนกลับของช่องสัญญาณก็สามารถทำได้อย่างอิสระเช่นกัน นอกจากนี้ ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ MDDPD...
ข้อเสีย
เพื่อให้สามารถใช้ประโยชน์จากความสามารถในการลดอัตราการสุ่มตัวอย่างของ ADC กลุ่มของช่องสัญญาณจะต้องมีการแปลงสัญญาณลงไปยังเบสแบนด์ของตนเองสำหรับการสุ่มตัวอย่าง ซึ่งจะทำให้จำนวนมิกเซอร์และ ออสซิลเลเตอร์ภายใน (LO) หรือซินเธไซเซอร์เพิ่มขึ้น LO...

