無線基站優(yōu)化中PA的性能與效率

　　引言

　　隨著需要在有限的無線頻譜上承載日益增加的數(shù)據(jù)流量，無論是用戶還是數(shù)字內(nèi)容的快速增長都為無線基礎(chǔ)局端承受著巨大的壓力。滿足上述需求將產(chǎn)生高能耗，進而導(dǎo)致基站系統(tǒng)的購置成本及其運行費用攀升。將無線信號從基站發(fā)射出去的基站功率放大器 (PA) 占基站成本的比例高達 30%。在無線信號到達基站 PA 之前實施振幅因數(shù)降低 (CFR) 與數(shù)字預(yù)失真 (DPD) 技術(shù)可提高基站信號的質(zhì)量并擴大覆蓋范圍，同時還能降低系統(tǒng)的購置與運行成本。近年來，無線用戶的數(shù)量大幅度增長。同時，諸如音樂下載與通過手機實現(xiàn)因特網(wǎng)接入等新業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，使得無線基礎(chǔ)局端的數(shù)據(jù)傳輸量越來越大。與此同時，分配給無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)致無線頻譜變得異常擁堵。這類似于在交通高峰時段公路發(fā)生擁堵的狀況。假設(shè)頻譜是高速公路，數(shù)據(jù)(語音呼叫、音樂或因特網(wǎng)內(nèi)容)是車輛。高速公路的寬度或車道數(shù)代表固定可用的無線頻譜數(shù)量。增加無線數(shù)據(jù)高速公路的車道是一項巨大的工程，正如增加現(xiàn)實世界中高速路的車道數(shù)一樣，需要涉及采購、建筑物拆遷以及車道的建筑工程。在高速公路上，所有車輛正駛向各自的目的地，而且駕駛員都希望準時到達。每輛車都代表語音呼叫或音樂下載的一部份，眾多車輛都準時到達代表完成下載或呼叫。越來越多的用戶使用無線設(shè)備訪問數(shù)字內(nèi)容，就像高速公路上的車輛越來越多一樣。當高速路上的車輛過多時，交通速度開始下降。無線網(wǎng)絡(luò)的情況也與此類似。為了解決這一問題，無線提供商轉(zhuǎn)而采用了可提高頻譜效率的無線標準。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，并將卡車沿著高速公路開往目的地。這種方法使相同的高速公路上可以實現(xiàn)更多的數(shù)據(jù)傳輸流量，而不會導(dǎo)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線標準，其中包括 CDMA2000、W-CDMA、TD-SCDMA、MC-GSM、WiMAX 以及 LTE 等。

圖 1 顯示了近年來用于提高頻譜效率所部署或定義的無線標準。

　　采用最新的無線標準，可通過固定頻譜傳輸更多的數(shù)據(jù)，但新標準也有弱點，它們對基站 PA 失真非常敏感。失真會導(dǎo)致信號質(zhì)量下降，而且還會減少數(shù)據(jù)流量。為了解決這一問題，無線提供商必須降低 PA 的傳輸功率或購買大得多的 PA 來覆蓋同一個區(qū)域。顯然，無線提供商必須保持廣泛的覆蓋范圍，因此他們需要購買更大、更昂貴的 PA。而這些較大型 PA 會消耗大量電能，從而導(dǎo)致運營成本相應(yīng)上升。向具有極高頻譜效率的無線標準的過渡大幅增加了無線服務(wù)的部署與運行成本。如果提供商想要在降低成本的同時提高質(zhì)量，就必須解決這一問題。德州儀器 (TI) 開發(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) 進行了完美結(jié)合，從而使上述問題迎刃而解。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 性能并減少了失真，但自適應(yīng) 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(xiàn)行無線標準以及最普遍 PA 技術(shù)(包括 A/B 類、Doherty，甚至新出現(xiàn)的包絡(luò)追蹤 PA 架構(gòu)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 (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(xiàn)失真潛入 PA無線輸出信號的機制。這使 PA 輸出性能能在其更廣泛的工作范圍內(nèi)實現(xiàn)幾乎完全的線性化。無需減少對 PA 的輸出功率就可避免其運行范圍上端出現(xiàn)失真，從而使 PA 更加節(jié)能，進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。如藍線所示，理想的 PA 具有線性或一對一響應(yīng)。比如，如果提高 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情況下與理想的 PA 一致，而在較高的輸出功率水平下則會下降至理想 PA 之下。例如，如果將現(xiàn)實世界中 PA 的輸入功率提高 10%，其輸出功率僅會提高 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 對當前及未來無線基礎(chǔ)局端的重要性，就必須了解 PA 的三大基本特性。首先，輸出功率決定無線信號的范圍。較大的輸出功率將實現(xiàn)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(yīng)提高，并在臨近其飽和水平時達到最高值。從上述兩個特性可以看出，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。過去的無線標準使服務(wù)提供商在接近最大輸出功率下才運行基站，從而實現(xiàn)最低的資本成本(覆蓋同一區(qū)域所需的基站更少)，而且運行成本也最低(電力成本更低)。但隨著無線用戶數(shù)量的爆炸式增長以及通過基礎(chǔ)局端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大幅增長，這一狀況發(fā)生了改變，原因是還有 PA 第三個特性的存在：失真隨著輸出功率的增加而相應(yīng)增加，而當 PA 開始與理想(線性)曲線背離時，失真變得異常突出。這第三種特性非常重要，因為現(xiàn)行無線標準對失真非常敏感，這意味著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，更多的輸入能量會作為熱能消耗掉了，而非消耗在輸出信號的傳輸過程中。這好比擁有一輛引擎強勁的汽車，卻不能實現(xiàn)理想的速度。由于大引擎的燃氣里程低，車主需要花費很多燃氣錢，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，車主可在充分享受汽車功率的同時，節(jié)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(jié)約能源。這也正是 DPD 與 CFR 對 PA 的價值所在。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 可以擴展寬頻帶射頻 (RF) PA 的直線性能(straight-line performance)，而且遠遠超過正常擴展范圍。如前所述，當輸出功率增加時，輸出功率與理想線性性能曲線發(fā)生偏離。這正是 PA 放大輸出信號出現(xiàn)失真的地方，從而導(dǎo)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行比較。然后，將輸出信號中一個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)失真可擴展功率放大器的線性范圍，實現(xiàn)對其非線性行為的補償。將輸出與輸入信號進行比較的過程叫做反饋，以數(shù)字化形式實施效率最高。由于溫度等工作條件可能發(fā)生變化，數(shù)字反饋將提供根據(jù)變化的條件調(diào)整預(yù)失真所需的信息。數(shù)字預(yù)失真與反饋實施與模擬實施相比，其穩(wěn)健性、靈活性以及可制造性都要高得多。DPD 可將 PA 線性性能擴展 2 或 3 分貝 (dB)，這對于 PA 的工作范圍來說是一個顯著的擴展。通過在較大的工作范圍內(nèi)實現(xiàn) PA 輸出性性能的線性化，成本較低的低速率 PA 仍可以滿足系統(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(tǒng)的購置成本也會相應(yīng)減少。CFR 是另外一種數(shù)字預(yù)失真技術(shù)，其可通過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碼放在卡車上以增加無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)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 將不會導(dǎo)致輸出功率的增加。這好比一輛卡車必須通過一個隧道。如果碼放在卡車上的轎車過多，碼放高度超過了隧道口的高度，頂部的轎車將被留在高速公路上，從而導(dǎo)致交通速度降低。況且，當卡車到達目的地時，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)。我們繼續(xù)采用這個比喻進行說明。CFR 算法可分析每輛卡車的高度，以判斷是否可以通過隧道。如果有必要，其會將每輛轎車縮小一點，以便卡車能通過隧道，并使所有轎車都能到達目的地。CFR 能夠自動降低信號峰值，并使信號通過 PA 而不會發(fā)生剪切或失真。TI 的 CFR 算法擁有獨特的功能，其會通過增加具有逆變特性的信號來取消過高的信號峰值，而不是在其達到峰值時簡單地進行剪切。對輸入信號進行剪切是沒有多少好處的，因為這實際上不但不會消除失真反而會導(dǎo)致輸出信號的失真。TI 的解決方案能夠在減少 PAR 的同時保持輸出信號的質(zhì)量。通過減少輸入信號的 PAR，可將 PA 的輸出功率以線性化方式進行擴展。例如，如果將 PAR 減少 3dB，將使 PA 的運行點提高 3 dB，進而提高 PA 的工作效率。而將 PA 的運行點改進 3dB，就意味著在沒有增加功耗的條件下實現(xiàn)了兩倍的輸出功率。說得更形象一點就好比一輛具有 V8 功率和馬力的轎車，其節(jié)能經(jīng)濟性只相當于一個小得多的四缸發(fā)動機?？傮w來說，基站會消耗大量的能源。因此，眾多無線服務(wù)供應(yīng)商紛紛為其基站實施了嚴格的節(jié)能標準，不僅為了降低運營成本，同時也是出于環(huán)保的考慮。通過采用一些無線標準，TI 的 DPD/CFR 解決方案不僅可將 PA 的運行點(輸出功率)提高 10 倍，同時還可將節(jié)能效率提高 4 倍。憑借這一優(yōu)異的性能，TI 解決方案將對無線基站的部署及運營成本產(chǎn)生重大影響。

結(jié)論

　　TI 在針對無線基礎(chǔ)局端市場的單芯片專用半導(dǎo)體產(chǎn)品 (ASSP) 中實施了創(chuàng)新型的自適應(yīng) DPD 和 CFR 算法。通過應(yīng)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，同時還可解決無線基站兩個最關(guān)鍵的問題，即成本與功耗問題。此外，GC5322 還包括數(shù)字上變頻 (DUC) 組件，并能滿足如 W-CDMA、WiMAX、LTE 以及 MC-GSM 等所有現(xiàn)有與新興無線標準的需求，以實現(xiàn)當前集成度最高以及最完善的發(fā)送處理器解決方案。