無(wú)線(xiàn)基站優(yōu)化中PA的性能

引言

隨著(zhù)需要在有限的無(wú)線(xiàn)頻譜上承載日益增加的數據流量，無(wú)論是用戶(hù)還是數字內容的快速增長(cháng)都為無(wú)線(xiàn)基礎局端承受著(zhù)巨大的壓力。滿(mǎn)足上述需求將產(chǎn)生高能耗，進(jìn)而導致基站系統的購置成本及其運行費用攀升。將無(wú)線(xiàn)信號從基站發(fā)射出去的基站功率放大器 (PA) 占基站成本的比例高達 30%。在無(wú)線(xiàn)信號到達基站 PA 之前實(shí)施振幅因數降低 (CFR) 與數字預失真 (DPD) 技術(shù)可提高基站信號的質(zhì)量并擴大覆蓋范圍，同時(shí)還能降低系統的購置與運行成本。近年來(lái)，無(wú)線(xiàn)用戶(hù)的數量大幅度增長(cháng)。同時(shí)，諸如音樂(lè )下載與通過(guò)手機實(shí)現因特網(wǎng)接入等新業(yè)務(wù)的出現，使得無(wú)線(xiàn)基礎局端的數據傳輸量越來(lái)越大。與此同時(shí)，分配給無(wú)線(xiàn)通信的頻譜卻保持不變。因此，用戶(hù)與流量的不斷增加導致無(wú)線(xiàn)頻譜變得異常擁堵。這類(lèi)似于在交通高峰時(shí)段公路發(fā)生擁堵的狀況。假設頻譜是高速公路，數據(語(yǔ)音呼叫、音樂(lè )或因特網(wǎng)內容)是車(chē)輛。高速公路的寬度或車(chē)道數代表固定可用的無(wú)線(xiàn)頻譜數量。增加無(wú)線(xiàn)數據高速公路的車(chē)道是一項巨大的工程，正如增加現實(shí)世界中高速路的車(chē)道數一樣，需要涉及采購、建筑物拆遷以及車(chē)道的建筑工程。在高速公路上，所有車(chē)輛正駛向各自的目的地，而且駕駛員都希望準時(shí)到達。每輛車(chē)都代表語(yǔ)音呼叫或音樂(lè )下載的一部份，眾多車(chē)輛都準時(shí)到達代表完成下載或呼叫。越來(lái)越多的用戶(hù)使用無(wú)線(xiàn)設備訪(fǎng)問(wèn)數字內容，就像高速公路上的車(chē)輛越來(lái)越多一樣。當高速路上的車(chē)輛過(guò)多時(shí)，交通速度開(kāi)始下降。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的情況也與此類(lèi)似。為了解決這一問(wèn)題，無(wú)線(xiàn)提供商轉而采用了可提高頻譜效率的無(wú)線(xiàn)標準。這類(lèi)似于將多輛駛往同一目的地的轎車(chē)碼放在一輛卡車(chē)上，并將卡車(chē)沿著(zhù)高速公路開(kāi)往目的地。這種方法使相同的高速公路上可以實(shí)現更多的數據傳輸流量，而不會(huì )導致流量降低。為了提高頻譜效率，我們可部署或定義所有的無(wú)線(xiàn)標準，其中包括 CDMA2000、W-CDMA、TD-SCDMA、MC-GSM、WiMAX 以及 LTE 等。

圖 1：無(wú)線(xiàn)標準的演進(jìn)發(fā)展保持服務(wù)質(zhì)量

采用最新的無(wú)線(xiàn)標準，可通過(guò)固定頻譜傳輸更多的數據，但新標準也有弱點(diǎn)，它們對基站 PA 失真非常敏感。失真會(huì )導致信號質(zhì)量下降，而且還會(huì )減少數據流量。為了解決這一問(wèn)題，無(wú)線(xiàn)提供商必須降低 PA 的傳輸功率或購買(mǎi)大得多的 PA 來(lái)覆蓋同一個(gè)區域。顯然，無(wú)線(xiàn)提供商必須保持廣泛的覆蓋范圍，因此他們需要購買(mǎi)更大、更昂貴的 PA。而這些較大型 PA 會(huì )消耗大量電能，從而導致運營(yíng)成本相應上升。向具有極高頻譜效率的無(wú)線(xiàn)標準的過(guò)渡大幅增加了無(wú)線(xiàn)服務(wù)的部署與運行成本。如果提供商想要在降低成本的同時(shí)提高質(zhì)量，就必須解決這一問(wèn)題。德州儀器 (TI) 開(kāi)發(fā)的解決方案將自適應數字預失真 (DPD) 與振幅因數降低 (CFR) 進(jìn)行了完美結合，從而使上述問(wèn)題迎刃而解。雖然諸如 RF 前饋、RF 反饋、FR/IF 預失真以及后失真等老式技術(shù)提高了 PA 性能并減少了失真，但自適應 DPD 方案是業(yè)經(jīng)驗證最具靈活性的超低成本方案。針對所有現行無(wú)線(xiàn)標準以及最普遍 PA 技術(shù)(包括 A/B 類(lèi)、Doherty，甚至新出現的包絡(luò )追蹤 PA 架構等)而言，TI DPD/CFR 解決方案都能增強 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(xiàn)性度的常用技術(shù)之間的比較。

表面失真 (Creeping distortion)

DPD 與 CFR 是兩種信號處理技術(shù)，不僅可感測輸入與輸出信號的特征，而且還能防止出現失真潛入 PA無(wú)線(xiàn)輸出信號的機制。這使 PA 輸出性能能在其更廣泛的工作范圍內實(shí)現幾乎完全的線(xiàn)性化。無(wú)需減少對 PA 的輸出功率就可避免其運行范圍上端出現失真，從而使 PA 更加節能，進(jìn)而降低基站的制冷需求與運行成本。我們從圖 3 可以了解 PA 的工作原理。如藍線(xiàn)所示，理想的 PA 具有線(xiàn)性或一對一響應。比如，如果提高 10% 的輸入功率，那么輸出功率也將相應提高 10%。而現實(shí)世界中 PA 的性能如黑色曲線(xiàn)所示，PA 性能在輸出功率處于極低水平的情況下與理想的 PA 一致，而在較高的輸出功率水平下則會(huì )下降至理想 PA 之下。例如，如果將現實(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情況下，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 對當前及未來(lái)無(wú)線(xiàn)基礎局端的重要性，就必須了解 PA 的三大基本特性。首先，輸出功率決定無(wú)線(xiàn)信號的范圍。較大的輸出功率將實(shí)現更廣泛的基站覆蓋范圍。第二，PA 的功率效率隨輸出功率的增加而相應提高，并在臨近其飽和水平時(shí)達到最高值。從上述兩個(gè)特性可以看出，基站以最高功率運行的情況下覆蓋范圍最廣而且功耗也最低。過(guò)去的無(wú)線(xiàn)標準使服務(wù)提供商在接近最大輸出功率下才運行基站，從而實(shí)現最低的資本成本(覆蓋同一區域所需的基站更少)，而且運行成本也最低(電力成本更低)。但隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)用戶(hù)數量的爆炸式增長(cháng)以及通過(guò)基礎局端傳輸的數據量大幅增長(cháng)，這一狀況發(fā)生了改變，原因是還有 PA 第三個(gè)特性的存在：失真隨著(zhù)輸出功率的增加而相應增加，而當 PA 開(kāi)始與理想(線(xiàn)性)曲線(xiàn)背離時(shí)，失真變得異常突出。這第三種特性非常重要，因為現行無(wú)線(xiàn)標準對失真非常敏感，這意味著(zhù)必須在飽和電平以下運行基站 PA 才可確保信號質(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的傳輸過(guò)程中。這好比擁有一輛引擎強勁的汽車(chē)，卻不能實(shí)現理想的速度。由于大引擎的燃氣里程低，車(chē)主需要花費很多燃氣錢(qián)，還不能充分發(fā)揮該引擎的功率。理想狀態(tài)下，如果引擎的燃氣效率高，車(chē)主可在充分享受汽車(chē)功率的同時(shí)，節省燃氣費用。同樣，在理想狀態(tài)下，PA 在接近其飽和電平的狀態(tài)下運行，就能輸出強信號，同時(shí)還具有極低的信號失真。此外，在接近飽和電平下運行可還節約能源。這也正是 DPD 與 CFR 對 PA 的價(jià)值所在。他們可提高 PA 輸出功率的線(xiàn)性度，從而降低能耗。

線(xiàn)性化 PA 性能性能

自適應 DPD 可以擴展寬頻帶射頻 (RF) PA 的直線(xiàn)性能(straight-line performance)，而且遠遠超過(guò)正常擴展范圍。如前所述，當輸出功率增加時(shí)，輸出功率與理想線(xiàn)性性能曲線(xiàn)發(fā)生偏離。這正是 PA 放大輸出信號出現失真的地方，從而導致信號質(zhì)量下降及干擾。DPD 可將 PA 失真輸出信號與非失真輸入信號進(jìn)行比較。然后，將輸出信號中一個(gè)與失真正好對立的信號添加至輸入，從而有效消除失真。由于 DPD 可擴展 PA 的線(xiàn)性范圍，因此將其稱(chēng)為線(xiàn)性化技術(shù)(如圖 4)。

圖4：預失真可擴展功率放大器的線(xiàn)性范圍，實(shí)現對其非線(xiàn)性行為的補償。將輸出與輸入信號進(jìn)行比較的過(guò)程叫做反饋，以數字化形式實(shí)施效率最高。由于溫度等工作條件可能發(fā)生變化，數字反饋將提供根據變化的條件調整預失真所需的信息。數字預失真與反饋實(shí)施與模擬實(shí)施相比，其穩健性、靈活性以及可制造性都要高得多。DPD 可將 PA 線(xiàn)性性能擴展 2 或 3 分貝 (dB)，這對于 PA 的工作范圍來(lái)說(shuō)是一個(gè)顯著(zhù)的擴展。通過(guò)在較大的工作范圍內實(shí)現 PA 輸出性性能的線(xiàn)性化，成本較低的低速率 PA 仍可以滿(mǎn)足系統的性能要求。此外，具有更高線(xiàn)性性能曲線(xiàn)的 PA 也更節能。由于能量轉化成熱能消耗的減少以及制冷要求的降低，這不僅將降低耗電成本，而且系統的購置成本也會(huì )相應減少。CFR 是另外一種數字預失真技術(shù)，其可通過(guò)減少峰值至平均值比率 (PAR)增加 PA 的工作輸出功率。若要理解 CFR 的工作原理，請參考圖 3 和上文所述的將轎車(chē)碼放在卡車(chē)上以增加無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的數據量或流量的例子。如圖 3 所示，如果輸入功率提高到足夠大，輸出功率達到飽和，PA 將不會(huì )導致輸出功率的增加。這好比一輛卡車(chē)必須通過(guò)一個(gè)隧道。如果碼放在卡車(chē)上的轎車(chē)過(guò)多，碼放高度超過(guò)了隧道口的高度，頂部的轎車(chē)將被留在高速公路上，從而導致交通速度降低。況且，當卡車(chē)到達目的地時(shí)，已經(jīng)丟失了好幾輛轎車(chē)。丟失的轎車(chē)代表電話(huà)呼叫中丟失的數據。我們繼續采用這個(gè)比喻進(jìn)行說(shuō)明。CFR 算法可分析每輛卡車(chē)的高度，以判斷是否可以通過(guò)隧道。如果有必要，其會(huì )將每輛轎車(chē)縮小一點(diǎn)，以便卡車(chē)能通過(guò)隧道，并使所有轎車(chē)都能到達目的地。CFR 能夠自動(dòng)降低信號峰值，并使信號通過(guò) PA 而不會(huì )發(fā)生剪切或失真。TI 的 CFR 算法擁有獨特的功能，其會(huì )通過(guò)增加具有逆變特性的信號來(lái)取消過(guò)高的信號峰值，而不是在其達到峰值時(shí)簡(jiǎn)單地進(jìn)行剪切。對輸入信號進(jìn)行剪切是沒(méi)有多少好處的，因為這實(shí)際上不但不會(huì )消除失真反而會(huì )導致輸出信號的失真。TI 的解決方案能夠在減少 PAR 的同時(shí)保持輸出信號的質(zhì)量。通過(guò)減少輸入信號的 PAR，可將 PA 的輸出功率以線(xiàn)性化方式進(jìn)行擴展。例如，如果將 PAR 減少 3dB，將使 PA 的運行點(diǎn)提高 3 dB，進(jìn)而提高 PA 的工作效率。而將 PA 的運行點(diǎn)改進(jìn) 3dB，就意味著(zhù)在沒(méi)有增加功耗的條件下實(shí)現了兩倍的輸出功率。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(chē)，其節能經(jīng)濟性只相當于一個(gè)小得多的四缸發(fā)動(dòng)機?？傮w來(lái)說(shuō)，基站會(huì )消耗大量的能源。因此，眾多無(wú)線(xiàn)服務(wù)供應商紛紛為其基站實(shí)施了嚴格的節能標準，不僅為了降低運營(yíng)成本，同時(shí)也是出于環(huán)保的考慮。通過(guò)采用一些無(wú)線(xiàn)標準，TI 的 DPD/CFR 解決方案不僅可將 PA 的運行點(diǎn)(輸出功率)提高 10 倍，同時(shí)還可將節能效率提高 4 倍。憑借這一優(yōu)異的性能，TI 解決方案將對無(wú)線(xiàn)基站的部署及運營(yíng)成本產(chǎn)生重大影響。

結論

TI 在針對無(wú)線(xiàn)基礎局端市場(chǎng)的單芯片專(zhuān)用半導體產(chǎn)品 (ASSP) 中實(shí)施了創(chuàng )新型的自適應 DPD 和 CFR 算法。通過(guò)應對和補償基站 PA 中的固有缺欠，TI 推出的 GC5322 不僅可使基站 PA 能夠在較高輸出功率下運行，同時(shí)還可解決無(wú)線(xiàn)基站兩個(gè)最關(guān)鍵的問(wèn)題，即成本與功耗問(wèn)題。此外，GC5322 還包括數字上變頻 (DUC) 組件，并能滿(mǎn)足如 W-CDMA、WiMAX、LTE 以及 MC-GSM 等所有現有與新興無(wú)線(xiàn)標準的需求，以實(shí)現當前集成度最高以及最完善的發(fā)送處理器解決方案。