PAPR Control in Digital Predistortion Systems Using PC-CFR and RLS Forgetting Factor Adjustment

تعتمد الاتصالات اللاسلكية الحديثة على تقنية تُسمى تعدد الإرسال بتقسيم التردد المتعامد، أو ما يُعرف بـ (OFDM)، لإرسال كميات هائلة من البيانات عبر الهواء. وتعمل هذه الطريقة على تقسيم الإشارة إلى العديد من الإشارات الفرعية الأصغر التي تنتقل في وقت واحد، مما يسمح بإنترنت عالي السرعة ومكالمات فيديو واضحة. ومع ذلك، فإن هناك سمة غريبة جوهرية في هذه التقنية، وهي أن هذه الإشارات الفرعية تتطابق أحياناً بشكل مثالي، مما يؤدي إلى حدوث طفرات مفاجئة وهائلة في الطاقة. تخيل نهراً هادئاً يندفع فجأة بموجة شاهقة كل بضع ثوانٍ؛ هذه هي طبيعة الإشارة. وتخلق هذه الطفرات، المعروفة باسم نسبة ذروة القدرة إلى متوسط القدرة العالية، مشكلة كبيرة للمعدات التي تضخم الإشارة من أجل الإرسال. فإذا تم ضبط المضخم للتعامل مع هذه الذرى المتطرفة النادرة، فإنه يهدر كمية هائلة من الطاقة من خلال العمل بشكل غير فعال معظم الوقت. أما إذا تم ضبطه ليعمل بكفاءة، فإن الذرى ستُسحق، مما يؤدي إلى تشويه الرسالة والتسبب في تداخل مع القنوات الراديوية المجاورة.

ولحل هذه المشكلة، يستخدم المهندسون عملية مكونة من خطوتين لترويض الإشارة قبل مغادرتها جهاز الإرسال. أولاً، يقومون بتقليم أعلى الذرى بما يكفي للحفاظ على سلامة المضخم، وهي عملية تُسمى تقليل معامل القمة. بعد ذلك، يطبقون تصحيحاً رقمياً، يُعرف باسم التشويه المسبق الرقمي، والذي يعمل عمداً على تشويه الإشارة في الاتجاه المعاكس للتشويه الطبيعي للمضخم، بحيث تكون المخرجات النهائية نظيفة وخطية. ويكمكم التحدي في موازنة هاتين الخطوتين؛ فإذا كان التقليم الأولي عدوانياً للغاية، فإنه يضر بشكل الإشارة. وإذا لم يتم ضبط التصحيح الرقمي بشكل صحيح، فقد تنمو الذرى مرة أخرى، مما يلغي عمل الخطوة الأولى. وتكمن الصعوبة في إيجاد الإعداد المثالي لكلا العمليتين في آن واحد، لأن تغيير إحداهما غالباً ما يؤثر سلباً على الأخرى، كما أن أفضل إعداد يعتمد على الظروف المحددة للمعدات اللاسلكية في تلك اللحظة.

بحث باحثون في جامعة الصين للاتصالات طريقة للأتمتة في إيجاد هذا التوازن من خلال تنسيق المرحلتين. وقد ركزوا على نوع محدد من تقليم الذرى يستخدم نبضات مشكلة بعناية لإلغاء الطفرات دون إدخال الكثير من الضجيج، وخوارزمية تعلم رياضية تعدل التصحيح الرقمي في الوقت الفعلي. واكتشف الفريق أن إعدادات خوارزمية التعلم تلعب دوراً حاسماً في تحديد ما إذا كانت ذرى الإشارة ستنمو مجدداً بعد التصحيح. وتحديداً، وجدوا أن "ذاكرة" الخوارزمية — أي مقدار الوزن الذي تمنحه للبيانات الماضية مقابل البيانات الجديدة — تؤثر مباشرة على ارتفاع الذرى المتبقية. فالإعداد الذي يتذكر القليل جداً من الماضي يتسبب في تقلب الإشارة بشكل جامح، مما يخلق ذرى جديدة، بينما الإعداد الذي يتذكر الكثير من الماضي قد لا يكون قادراً على التكيف بسرعة مع الظروف المتغيرة.

طور الباحثون إجراءً يتكون من خطوات متتالية لاختبار مجموعات مختلفة من هذه الإعدادات. بدأوا بزيادة كمية تقليم الذرى تدريجياً حتى تبدأ جودة الإشارة، والتي تُقاس بمدى مطابقة المخرجات للرسالة الأصلية، في التدهور. وتوقفوا عند النقطة التي تسبق تدهور الجودة مباشرة، لتحديد أقصى قدر من التقليم يمكن للنظام تحمله دون إتلاف البيانات. ومع تحديد هذا الحد، قاموا بعد ذلك بضبط ذاكرة خوارزمية التعلم لإيجاد الإعداد المحدد الذي يحافظ على أدنى مستويات ذرى الإشارة مع الحفاظ على أفضل جودة ممكنة لها. ويعامل هذا النهج الضوابط الاثنين ليس كأزرار مستقلة، بل كنظام مترابط حيث يتم ضبط أحدها لخلق بيئة آمنة لعمل الآخر.

وفي تجاربهم، استخدم الفريق إعداداً راديوياً واقعياً يحتوي على مضخم قوي ومصفوفة بوابات منطقية قابلة للبرمجة (FPGA)، وهي نوع من الرقائق الحاسوبية القابلة لإعادة التشكيل، لمعالجة الإشارات. وقبل تطبيق طريقتهم المنسقة، أنتج النظام إشارة ذات نسبة ذروة إلى متوسط قدرة بلغت 12.985 ديسيبل، وهو ما تجاوز حد الأمان الخاص بهم البالغ 12.5 ديسيبل. ومن خلال تطبيق إجراءهم الجديد، نجحوا في خفض نسبة الذروة إلى 11.593 ديسيبل، مما جعلها ضمن النطاق المطلوب بأمان. والأهم من ذلك، أن هذا الانخفاض لم يأتِ على حساب وضوح الإشارة؛ فقد تحسنت جودة الإشارة المصححة بشكل ملحوظ، حيث انخفض الخطأ بين الإشارة المقصودة والحقيقية بمقدار 3.660 ديسيبل. بالإضافة إلى ذلك، انخفض التداخل المتسرب إلى القنوات الراديوية المجاورة، حيث تحسنت القناتان العليا والسفلى بمقدار 2.554 ديسيبل و2.416 ديسيبل على التوالي.

توضح الدراسة أن مجرد خفض "مستوى صوت" الذرى ليس كافياً؛ إذ يجب ضبط التصحيح الرقمي ليتناسب مع مستوى التقليم. ووجد الباحثون أن دفع عملية التقليم إلى أقصى حدودها، حتى لو أدى ذلك إلى خفض الذرى أكثر، فإنه يضر فعلياً بجودة الإشارة الإجمالية ولا يؤدي بالضرورة إلى تحسين مستويات التداخل. تحدد طريقتهم "النقطة المثالية" حيث تكون الإشارة نظيفة، والذرى تحت السيطرة، والتداخل في حده الأدنى. ومن خلال تحديث عتبة الأمان الخاصة بالنظام بناءً على مستويات الذروة الجديدة والأقل، يضمن هذا الإجراء بقاء جهاز الإرسال فعالاً ومستقراً للعمليات المستقبلية. ويقدم هذا العمل وسيلة عملية لإدارة المقايضات المعقدة في أجهزة الإرسال اللاسلكية الحديثة، مما يضمن إرسال البيانات عالية السرعة بكفاءة دون هدر للطاقة أو تسبب في التداخل.