RPU射频处理单元：以预失真技术为核心，实现Wi-Fi信号链重构与性能飞跃

一、功率放大器                        

在无线通信中，电磁波要传播足够远的距离，需要一定的功率，这里就需要功率放大器，简称功放PA （Power Amplifier）。                       

理想中的功放y（t）=kx（t），其中x（t）是输入信号，y（t）是输出信号，k为放大系数。线性系统具有频率保持性，如果输入信号是正弦信号，则输出信号是相同频率的正弦信号。对于非线性系统，如果输入一个正弦信号，则输出信号当中还出现很多的频率成分，也就是频谱扩展。    

通常为了避免或者减轻频谱扩展，要尽量使用功放的线性区间，上图中小于PL的部分。由此可以确定PL是输入信号功率的最大值。在最大值确定的情况下，如果输入信号的功率有起伏波动，那么信号的平均功率会被进一步压低。                        

在通信中，使用峰均比来衡量功放的效率，峰均比指的是信号的峰值功率与平均功率之比。信号的峰均比反映了功放的使用效率，峰均比越低，对功放的使用效率越高。                        

二、数字预失真DPD                        

数字预失真，digital pre-distortion，简称DPD。可以理解为，将功率放大器的失真特性进行线性化处理，PA的非线性特性会随时间、温度或偏压的变化而变化，也可能因为器件的不同而变化。                        

DPD根据非线性功放的特性，预先制作一张表格，确定其输入与输出数值的对应关系。将输入信号采样后，通过预先制定的表格对应关系，确定应该输入多大的幅值，然后通过DA输出模拟信号到功率放大器，从而实现了非线性功放的线性化处理。                  

非线性的功率放大器的输入输出为y=Kf（x‘’），DPD的特性为非线性功率放大器的反函数，y=Kx，也就是一个线性功放。                        

三、预失真原理                        

DPD: PA线性化技术更大的突破是可使信号预失真。预失真是PA线性化的“法宝”，不过这也非常复杂，并要求了解PA失真特性——而该特性的变化方式非常复杂。   

预失真原理：通过一个预失真元件（Predistorter）来和功放元件（PA）级联，非线性失真功能内置于数字、数码基带信号处理域中，其与放大器展示的失真数量相当（“相等”），但功能却相反。将这两个非线性失真功能相结合，便能够实现高度线性、无失真的系统。数字预失真技术的挑战在于PA的失真（即非线性）特性会随时间、温度以及偏压（biasing）的变化而变化，因器件的不同而不同。因此，尽管能为一个器件确定特性并设计正确的预失真算法，但要对每个器件都进行上述工作在经济上则是不可行的。为了解决上述偏差，我们须使用反馈机制，对输出信号进行采样，并用以校正预失真算法。数字预失真采用数字电路实现这个预失真器（Predistorter），通常采用数字信号处理来完成。通过增加一个非线性电路用以补偿功率放大器的非线性。这样就可以在功率放大器（PA）内使用简单的AB类平台，从而可以消除基站厂商制造前馈放大器（feedforward amplifier）的负担和复杂性。此外，由于放大器不再需要误差放大器失真矫正电路，因此可以显着提高系统效率。

RF 预失真技术（也称为模拟预失真）与 DPD 有相似之处，用于补偿 AM-AM 以及 AM-PM 失真、交调和 PA 的记忆效应，并且均采用反馈信息补偿温度变化和 PA 老化导致的损害。尽管这两种方法在理论上有相似之处，但仅限于电路设计和系统实施方面。

ISL5239预失真器内部单元及闭环电路框图                        

AM-AM特征曲线                        

AM-PM特征曲线

四、RPU射频处理单元

近日，一项名为RPU（射频处理单元）的颠覆性技术原创在射频芯片领域与2024 MWCS现场掀起了革命性的浪潮。该技术以“更小但强大”为理念，通过数字补偿显著改善射频系统性能，不仅重新定义了射频系统的新范式，还为消费电子类产品带来了前所未有的技术突破。        

传统的射频器件，为了提升性能，主要依赖于化合物材料作为技术突破点。这些材料在吞吐量、线性度、发射功率和效率等方面具有一定的优势，但随着技术的不断进步，这种依赖化合物材料的传统方法逐渐显露出其局限性。事实上，射频器件作为无线通信系统的核心组件，其性能指标直接关系到整个通信系统的质量和效率。然而，这些指标在物理层面上往往存在相互制约的关系，如增加带宽和发射功率往往会导致功耗的增加，而降低功耗则可能牺牲带宽和发射功率。这种矛盾使得射频器件的设计需要在多个指标之间进行权衡和折中。                        

采用了数字补偿技术，以DPD为核心的数字补偿技术适配非线性高效率功放来重构Wi-Fi信号链。具体来看，DPD即数字预失真，是应用在宏基站领域的典型技术，从2G时代开始，DPD数字预失真技术就成为了提升射频性能的关键。它类似于我们日常生活中佩戴的眼镜，能够校正视力，让我们看到更清晰的世界；又或者像是降噪耳机，通过消除噪音，让我们听到更纯净的声音。在通信系统中，DPD技术需要在高频上完成实时的精准校准，实现每秒百万次的信号对齐和纠正。         

而RPU技术的创新之处在于成功地将这项原本只用于宏基站的技术适配到了路由器等消费电子产品中，这不仅需要解决成本、算力和体积等多方面的挑战，更需要深厚的技术积累和创新能力。通过独特的补偿算法，产品能够在保证高性能的同时，也满足了消费电子产品的实际需求。值得一提的是，补偿算法其性能和效率的高低直接影响到设备的无线性能和整机重量。“负负得正”这一数学原理，简洁而深刻地揭示了相反力量的相互作用可以产生正面的效果。RPU射频系统的数字预失真补偿，正是基于类似的逻辑，为Wi-Fi网络射频领域带来了全新的可能。                        

在下图所示的demo演示中，采用RPU的射频通信板被人体触摸，整个射频周边的电阻、电容都已经被人体干扰，不过此时所有的失真都由得翼通信RPU芯片在前向去导入相反失真量，最终输出的信号水平并没有下降，信道依然非常干净。  

RPU的demo演示

对于普通消费者而言，RPU带来的最明显的改善是路由器穿墙和有效覆盖能力的增强。目前市面上最好的路由器在输出最高网速的时候是几十毫瓦的功率，到很低网速至少输出500毫瓦功率，此时能够连接但没有网络。借助RPU芯片，在500毫瓦的时候也能够满速，让信号不失真，解决目前Wi-Fi使用场景中的痛点问题。数据指出，目前90%以上的室内流量通过Wi-Fi网络承载，但是其中有82%的用户体验不满意，主要是连接不顺畅、网络卡顿和信号不稳定。Wi-Fi 7的到来只是提升了峰值速度，并没有改善Wi-Fi的覆盖面积问题。根据实际测试，传统路由器增加RPU后比网上买的高端千元路由器信号强度还高10倍，可以实现单台200平米全屋覆盖，并且无死角、无带外干扰，降低网络拥堵，使得设备安装和维护的成本更低。RPU芯片并不是纯数字的芯片而是数字模拟射频混合并且内部搭载大量复杂算法。所以，这个RPU的实现难点并不是某一个点，而是整个系统性工程，无法通过修改优化传统芯片来实现。

给用户提供无感知连接，需要达到10倍的性能提升，最好的办法就是用宏基站补偿的方法。宏基站补偿的方法，引入数字补偿芯片，用尽可能大的功率实现高质量的网络信号，同时减少功率消耗。   

具体的实现就是让射频器件负责输出很高功率，尽管这样会让信号失真但增加一个射频补偿器就能把失真部分补偿回来，射频器件和射频补偿芯片协作就能让信号的输出干净、功率很高且低功耗。这早已是宏基站提供商的通用做法，射频器件可以购买，然后自研的数字前端芯片DFE，数字前端芯片80%-90%的部分都是补偿射频的预失真芯片。RPU不仅适用于Wi-Fi路由器小功率但高调制1024/4096QAM的场景，也适用100W，400M带宽的宏基站场景。RPU是模拟射频出入，不需要任何数字信号，相当于一个小型功率放大器，有较强的兼容性。                        

RPU让一台路由器顶三台，200平米全屋覆盖

实际测试是检验这套方法最好的方法。得翼通信给出的测试数据，在头部运营商实验室做的对比测试，三条曲线代表三个路由器，绿色是运营商提供的路由器，蓝色是在运营商的路由器里增加RPU芯片性能数据，红色是网上能买到的最贵的路由器之一。      

可以非常明显的看到，随着信号的衰减，增加了RPU芯片的路由器可以增加十几个DB，也就是10倍的覆盖面积和发射功率，兼顾省电。普通的路由器输出最高网速时是几十毫瓦的功率，低网速时至少输出500毫瓦功率，所以能连上但上不了网。增加了RPU芯片，有了补偿系统，可以在500毫瓦功率的时候满速，不需要切低速网。                        

补偿算法就是RPU的核心所在。     

RPU不仅有数字预失真算法，还有一连串各种补偿算法，所以宏基站客户也可以使用RPU芯片。纯算法芯片难点在于用好的性能、补偿能力才能让Wi-Fi大功率输出，更高的性能和消费级的低成本又是一个矛盾。

RPU中还使用了先进的AI架构，与大模型不需要专家知识不同，得翼通信在追求最高性能和成本的目标下，充分使用了专家知识，构建了一套AI闭环控制。射频器件所有输出都会采集回到训练处理器中，更新物理反模型，所以可以应对射频信号因为温度、环境、干扰的实时变化，而且速度是微秒级别。基站的预失真处理能力让信号极其干净没有干扰，同样功能的RPU芯片能让路由器、基站的信号比3GPP要求的指标更好，大幅降低无人机、路由器之间的信号干扰，耗电也很低。兼顾低功耗的关键在于RPU选用了大量非线性器件，相比传统射频器件满速时候10%的效率，RPU的效率在不同频段会有20%-40%的效率，达到了低功耗的效果。