【無(wú)線射頻通信】-無(wú)線基站優(yōu)化中放大器的性能

----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----無(wú)線基站優(yōu)化中放大器的性能引言

隨著需要在有限的無(wú)線頻譜上承載日益增加的數(shù)據(jù)流量，無(wú)論是用戶還是數(shù)字內(nèi)容的快速增長(zhǎng)都為無(wú)線基礎(chǔ)局端承受著巨大的壓力。滿意上述需求將產(chǎn)生高能耗，進(jìn)而導(dǎo)致基站系統(tǒng)的購(gòu)置成本及其運(yùn)行費(fèi)用攀升。將無(wú)線信號(hào)從基站放射出去的基站功率放大器(PA)占基站成本的比例高達(dá)30%。在無(wú)線信號(hào)到達(dá)基站PA之前實(shí)施振幅因數(shù)降低(CFR)與數(shù)字預(yù)失真(DPD)技術(shù)可提高基站信號(hào)的質(zhì)量并擴(kuò)大掩蓋范圍，同時(shí)還能降低系統(tǒng)的購(gòu)置與運(yùn)行成本。近年來(lái)，無(wú)線用戶的數(shù)量大幅度增長(zhǎng)。同時(shí)，諸如音樂(lè)下載與通過(guò)手機(jī)實(shí)現(xiàn)因特網(wǎng)接入等新業(yè)務(wù)的消失，使得無(wú)線基礎(chǔ)局端的數(shù)據(jù)傳輸量越來(lái)越大。與此同時(shí)，安排給無(wú)線通信的頻譜卻保持不變。因此，用戶與流量的不斷增加導(dǎo)致無(wú)線頻譜變得特別擁堵。這類似于在交通高峰時(shí)段大路發(fā)生擁堵的狀況。假設(shè)頻譜是高速大路，數(shù)據(jù)(語(yǔ)音呼叫、音樂(lè)或因特網(wǎng)內(nèi)容)是車輛。高速大路的寬度或車道數(shù)代表固定可用的無(wú)線頻譜數(shù)量。增加無(wú)線數(shù)據(jù)高速大路的車道是一項(xiàng)巨大的工程，正如增加現(xiàn)實(shí)世界中高速路的車道數(shù)一樣，需要涉及選購(gòu)、建筑物拆遷以及車道的建筑工程。在高速大路上，全部車輛正駛向各自的目的地，而且駕駛員都盼望準(zhǔn)時(shí)到達(dá)。每輛車都代表語(yǔ)音呼叫或音樂(lè)下載的一部份，眾多車輛都準(zhǔn)時(shí)到達(dá)代表完成下載或呼叫。越來(lái)越多的用戶使用無(wú)線設(shè)備訪問(wèn)數(shù)字內(nèi)容，就像高速大路上的車輛越來(lái)越多一樣。當(dāng)高速路上的車輛過(guò)多時(shí)，交通速度開(kāi)頭下降。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的狀況也與此類似。為了解決這一問(wèn)題，無(wú)線供應(yīng)商轉(zhuǎn)而采納了可提高頻譜效率的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)。這類似于將多輛駛往同一目的地的轎車碼放在一輛卡車上，并將卡車沿著高速大路開(kāi)往目的地。這種方法使相同的高速大路上可以實(shí)現(xiàn)更多的數(shù)據(jù)傳輸流量，而不會(huì)導(dǎo)致流量降低。為了提高頻譜效率，我們可部署或定義全部的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，其中包括CDMA2000、W-CDMA、TD-SCDMA、MC-GSM、WiMAX以及LTE等。

圖1：無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)進(jìn)展保持服務(wù)質(zhì)量

采納最新的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，可通過(guò)固定頻譜傳輸更多的數(shù)據(jù)，但新標(biāo)準(zhǔn)也有弱點(diǎn)，它們對(duì)基站PA失真特別敏感。失真會(huì)導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降，而且還會(huì)削減數(shù)據(jù)流量。為了解決這一問(wèn)題，無(wú)線供應(yīng)商必需降低PA的傳輸功率或購(gòu)買大得多的PA來(lái)掩蓋同一個(gè)區(qū)域。明顯，無(wú)線供應(yīng)商必需保持廣泛的掩蓋范圍，因此他們需要購(gòu)買更大、更昂貴的PA。而這些較大型PA會(huì)消耗大量電能，從而導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)成本相應(yīng)上升。向具有極高頻譜效率的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)渡大幅增加了無(wú)線服務(wù)的部署與運(yùn)行成本。假如供應(yīng)商想要在降低成本的同時(shí)提高質(zhì)量，就必需解決這一問(wèn)題。德州儀器(TI)開(kāi)發(fā)的解決方案將自適應(yīng)數(shù)字預(yù)失真(DPD)與振幅因數(shù)降低(CFR)進(jìn)行了完善結(jié)合，從而使上述問(wèn)題迎刃而解。雖然諸如RF前饋、RF反饋、FR/IF預(yù)失真以及后失真等老式技術(shù)提高了PA性能并削減了失真，但自適應(yīng)DPD方案是業(yè)閱歷證最具敏捷性的超低成本方案。針對(duì)全部現(xiàn)行無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)以及最普遍PA技術(shù)(包括A/B類、Doherty，甚至新消失的包絡(luò)追蹤PA架構(gòu)等)而言，TIDPD/CFR解決方案都能增加PA性能。圖2將DPD與其它解決方案進(jìn)行了比較。

圖2：用于提高功率放大器線性度的常用技術(shù)之間的比較。

表面失真(Creepingdistortion)

DPD與CFR是兩種信號(hào)處理技術(shù)，不僅可感測(cè)輸入與輸出信號(hào)的特征，而且還能防止消失失真潛入PA無(wú)線輸出信號(hào)的機(jī)制。這使PA輸出性能能在其更廣泛的工作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)幾乎完全的線性化。無(wú)需削減對(duì)PA的輸出功率就可避開(kāi)其運(yùn)行范圍上端消失失真，從而使PA更加節(jié)能，進(jìn)而降低基站的制冷需求與運(yùn)行成本。我們從圖3可以了解PA的工作原理。如藍(lán)線所示，抱負(fù)的PA具有線性或一對(duì)一響應(yīng)。比如，假如提高10%的輸入功率，那么輸出功率也將相應(yīng)提高10%。而現(xiàn)實(shí)世界中PA的性能如黑色曲線所示，PA性能在輸出功率處于極低水平的狀況下與抱負(fù)的PA全都，而在較高的輸出功率水平下則會(huì)下降至抱負(fù)PA之下。例如，假如將現(xiàn)實(shí)世界中PA的輸入功率提高10%，其輸出功率僅會(huì)提高9%。因此，即使在輸入功率不斷提高的狀況下，PA的輸出功率也將停止上升。

圖3：功率放大器的輸入至輸出特征要理解CFR與DPD對(duì)當(dāng)前及將來(lái)無(wú)線基礎(chǔ)局端的重要性，就必需了解PA的三大基本特性。首先，輸出功率打算無(wú)線信號(hào)的范圍。較大的輸出功率將實(shí)現(xiàn)更廣泛的基站掩蓋范圍。其次，PA的功率效率隨輸出功率的增加而相應(yīng)提高，并在接近其飽和水平常達(dá)到最高值。從上述兩個(gè)特性可以看出，基站以最高功率運(yùn)行的狀況下掩蓋范圍最廣而且功耗也最低。過(guò)去的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)使服務(wù)供應(yīng)商在接近最大輸出功率下才運(yùn)行基站，從而實(shí)現(xiàn)最低的資本成本(掩蓋同一區(qū)域所需的基站更少)，而且運(yùn)行成本也最低(電力成本更低)。但隨著無(wú)線用戶數(shù)量的爆炸式增長(zhǎng)以及通過(guò)基礎(chǔ)局端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大幅增長(zhǎng)，這一狀況發(fā)生了轉(zhuǎn)變，緣由是還有PA第三個(gè)特性的存在：失真隨著輸出功率的增加而相應(yīng)增加，而當(dāng)PA開(kāi)頭與抱負(fù)(線性)曲線背離時(shí)，失真變得特別突出。這第三種特性特別重要，由于現(xiàn)行無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)對(duì)失真特別敏感，這意味著必需在飽和電平以下運(yùn)行基站PA才可確保信號(hào)質(zhì)量。處于飽和電平以下時(shí)，更多的輸入能量會(huì)作為熱能消耗掉了，而非消耗在輸出信號(hào)的傳輸過(guò)程中。這好比擁有一輛引擎強(qiáng)勁的汽車，卻不能實(shí)現(xiàn)抱負(fù)的速度。由于大引擎的燃?xì)饫锍痰?，車主需要花費(fèi)許多燃?xì)忮X，還不能充分發(fā)揮該引擎的功率。抱負(fù)狀態(tài)下，假如引擎的燃?xì)庑矢?，車主可在充共享受汽車功率的同時(shí)，節(jié)約燃?xì)赓M(fèi)用。同樣，在抱負(fù)狀態(tài)下，PA在接近其飽和電平的狀態(tài)下運(yùn)行，就能輸出強(qiáng)信號(hào)，同時(shí)還具有極低的信號(hào)失真。此外，在接近飽和電平下運(yùn)行可還節(jié)省能源。這也正是DPD與CFR對(duì)PA的價(jià)值所在。他們可提高PA輸出功率的線性度，從而降低能耗。

線性化PA性能性能

自適應(yīng)DPD可以擴(kuò)展寬頻帶射頻(RF)PA的直線性能(straight-lineperformance)，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)正常擴(kuò)展范圍。如前所述，當(dāng)輸出功率增加時(shí)，輸出功率與抱負(fù)線性性能曲線發(fā)生偏離。這正是PA放大輸出信號(hào)消失失真的地方，從而導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降及干擾。DPD可將PA失真輸出信號(hào)與非失真輸入信號(hào)進(jìn)行比較。然后，將輸出信號(hào)中一個(gè)與失真正好對(duì)立的信號(hào)添加至輸入，從而有效消退失真。由于DPD可擴(kuò)展PA的線性范圍，因此將其稱為線性化技術(shù)(如圖4)。

圖4：預(yù)失真可擴(kuò)展功率放大器的線性范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)其非線的補(bǔ)償。將輸出與輸入信號(hào)進(jìn)行比較的過(guò)程叫做反饋，以數(shù)字化形式實(shí)施效率最高。由于溫度等工作條件可能發(fā)生變化，數(shù)字反饋將供應(yīng)依據(jù)變化的條件調(diào)整預(yù)失真所需的信息。數(shù)字預(yù)失真與反饋實(shí)施與模擬實(shí)施相比，其穩(wěn)健性、敏捷性以及可制造性都要高得多。DPD可將PA線性性能擴(kuò)展2或3分貝(dB)，這對(duì)于PA的工作范圍來(lái)說(shuō)是一個(gè)顯著的擴(kuò)展。通過(guò)在較大的工作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)PA輸出性性能的線性化，成本較低的低速率PA仍可以滿意系統(tǒng)的性能要求。此外，具有更高線性性能曲線的PA也更節(jié)能。由于能量轉(zhuǎn)化成熱能消耗的削減以及制冷要求的降低，這不僅將降低耗電成本，而且系統(tǒng)的購(gòu)置成本也會(huì)相應(yīng)削減。CFR是另外一種數(shù)字預(yù)失真技術(shù)，其可通過(guò)削減峰值至平均值比率(PAR)增加PA的工作輸出功率。若要理解CFR的工作原理，請(qǐng)參考圖3和上文所述的將轎車碼放在卡車上以增加無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)量或流量的例子。如圖3所示，假如輸入功率提高到足夠大，輸出功率達(dá)到飽和，PA將不會(huì)導(dǎo)致輸出功率的增加。這好比一輛卡車必需通過(guò)一個(gè)隧道。假如碼放在卡車上的轎車過(guò)多，碼放高度超過(guò)了隧道口的高度，頂部的轎車將被留在高速大路上，從而導(dǎo)致交通速度降低。況且，當(dāng)卡車到達(dá)目的地時(shí)，已經(jīng)丟失了好幾輛轎車。丟失的轎車代表電話呼叫中丟失的數(shù)據(jù)。我們連續(xù)采納這個(gè)比方進(jìn)行說(shuō)明。CFR算法可分析每輛卡車的高度，以推斷是否可以通過(guò)隧道。假如有必要，其會(huì)將每輛轎車縮小一點(diǎn)，以便卡車能通過(guò)隧道，并使全部轎車都能到達(dá)目的地。CFR能夠自動(dòng)降低信號(hào)峰值，并使信號(hào)通過(guò)PA而不會(huì)發(fā)生剪切或失真。TI的CFR算法擁有獨(dú)特的功能，其會(huì)通過(guò)增加具有逆變特性的信號(hào)來(lái)取消過(guò)高的信號(hào)峰值，而不是在其達(dá)到峰值時(shí)簡(jiǎn)潔地進(jìn)行剪切。對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行剪切是沒(méi)有多少好處的，由于這實(shí)際上不但不會(huì)消退失真反而會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)的失真。TI的解決方案能夠在削減PAR的同時(shí)保持輸出信號(hào)的質(zhì)量。通過(guò)削減輸入信號(hào)的PAR，可將PA的輸出功率以線性化方式進(jìn)行擴(kuò)展。例如，假如將PAR削減3dB，將使PA的運(yùn)行點(diǎn)提高3dB，進(jìn)而提高PA的工作效率。而將PA的運(yùn)行點(diǎn)改進(jìn)3dB，就意味著在沒(méi)有增加功耗的條件下實(shí)現(xiàn)了兩倍的輸出功率。說(shuō)得更形象一點(diǎn)就好比一輛具有V8功率和馬力的轎車，其節(jié)能經(jīng)濟(jì)性只相當(dāng)于一個(gè)小得多的四缸發(fā)動(dòng)機(jī)。總體來(lái)說(shuō)，基站會(huì)消耗大量的能源。因此，眾多無(wú)線服務(wù)供應(yīng)商紛紛為其基站實(shí)施了嚴(yán)格的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，不僅為了降低運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)也是出于環(huán)保的考慮。通過(guò)采納一些無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，TI的DPD/CFR解決方案不僅可將PA的運(yùn)行點(diǎn)(輸出功率)提高10倍，同時(shí)還可將節(jié)能效率提高4倍。憑借這一優(yōu)異的性能，TI解決方案將對(duì)無(wú)線基站的部署及運(yùn)營(yíng)成本產(chǎn)生重大影響。

結(jié)論

TI在針對(duì)無(wú)線基礎(chǔ)局端市場(chǎng)的單芯片專用半導(dǎo)體產(chǎn)品(ASSP)