優(yōu)化無線基站中功率放大器的性能與效率

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(jìn)而導(dǎo)致基站系統(tǒng)的購置成本及其運(yùn)行費(fèi)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(dá)30%。在無線信號到達(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)可提高基站信號的質(zhì)量并擴(kuò)大覆蓋范圍，同時(shí)還能降低系統(tǒng)的購置與運(yùn)行成本。

提高頻譜效率的緊迫性

近年來，無線用戶的數(shù)量大幅度增長。同時(shí)，諸如音樂下載與通過手機(jī)實(shí)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(shí)，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(shí)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(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(zhǔn)時(shí)到達(dá)。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(zhǔn)時(shí)到達(dá)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(dāng)高速路上的車輛過多時(shí)，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(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，并將卡車沿著高速公路開往目的地。這種方法使相同的高速公路上可以實(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，我們可部署或定義所有的無線標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)。

保持服務(wù)質(zhì)量

采用最新的無線標(biāo)準(zhǔn)，可通過固定頻譜傳輸更多的數(shù)據(jù)，但新標(biāo)準(zhǔn)也有弱點(diǎn)，它們對基站PA失真非常敏感。失真會(huì)導(dǎo)致信號質(zhì)量下降，而且還會(huì)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(gè)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(huì)消耗大量電能，從而導(dǎo)致運(yùn)營成本相應(yīng)上升。

向具有極高頻譜效率的無線標(biāo)準(zhǔn)的過渡大幅增加了無線服務(wù)的部署與運(yùn)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(jìn)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(yàn)證最具靈活性的超低成本方案。針對所有現(xiàn)行無線標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)PA性能。圖2將DPD與其它解決方案進(jìn)行了比較。

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(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。無需減少對PA的輸出功率就可避免其運(yùn)行范圍上端出現(xiàn)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。

從圖3可以了解PA的工作原理。如藍(lán)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(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(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情況下，PA的輸出功率也將停止上升。

要理解CFR與DPD對當(dāng)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(shí)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(shí)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)行的情況下覆蓋范圍最廣而且功耗也最低。

過去的無線標(biāo)準(zhǔn)使服務(wù)提供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（覆蓋同一區(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(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開始與理想（線性）曲線背離時(shí)，失真變得異常突出。

這第三種特性非常重要，因?yàn)楝F(xiàn)行無線標(biāo)準(zhǔn)對失真非常敏感，這意味著必須在飽和電平以下運(yùn)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程中。

這好比擁有一輛引擎強(qiáng)勁的汽車，卻不能實(shí)現(xiàn)理想的速度。由于大引擎的燃?xì)饫锍痰?，車主需要花費(fèi)很多燃?xì)忮X，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?xì)庑矢?，車主可在充分享受汽車功率的同時(shí)，節(jié)省燃?xì)赓M(fèi)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(yùn)行，就能輸出強(qiáng)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(yùn)行可還節(jié)約能源。這也正是DPD與CFR對PA的價(jià)值所在。他們可提高PA輸出功率的線性度，從而降低能耗。

線性化功率放大器性能

自適應(yīng)DPD可以擴(kuò)展寬頻帶射頻(RF)PA的直線性能(straight-line performance)，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常擴(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(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(kuò)展PA的線性范圍，因此將其稱為線性化技術(shù)（如圖4）。

將輸出與輸入信號進(jìn)行比較的過程叫做反饋，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(shí)施與模擬實(shí)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(kuò)展2或3分貝(dB)，這對于PA的工作范圍來說是一個(gè)顯著的擴(kuò)展。

通過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(huì)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(dá)到飽和，PA將不會(huì)導(dǎo)致輸出功率的增加。這好比一輛卡車必須通過一個(gè)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(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)。

我們繼續(xù)采用這個(gè)比喻進(jìn)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(huì)將每輛轎車縮小一點(diǎn)，以便卡車能通過隧道，并使所有轎車都能到達(dá)目的地。CFR能夠自動(dòng)降低信號峰值，并使信號通過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(dá)到峰值時(shí)簡單地進(jìn)行剪切。對輸入信號進(jìn)行剪切是沒有多少好處的，因?yàn)檫@實(shí)際上不但不會(huì)消除失真反而會(huì)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(shí)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(jìn)行擴(kuò)展。例如，如果將PAR減少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，就意味著在沒有增加功耗的條件下實(shí)現(xiàn)了兩倍的輸出功率。說得更形象一點(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)。

總體來說，基站會(huì)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(shí)施了嚴(yán)格的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，不僅為了降低運(yùn)營成本，同時(shí)也是出于環(huán)保的考慮。通過采用一些無線標(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解決方案將對無線基站的部署及運(yùn)營成本產(chǎn)生重大影響。

結(jié)束語

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(shí)施了創(chuàng)新型的自適應(yīng)DPD和CFR算法。通過應(yīng)對和補(bǔ)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(yùn)行，同時(shí)還可解決無線基站兩個(gè)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(biāo)準(zhǔn)的需求，以實(shí)現(xiàn)當(dāng)前集成度最高以及最完善的發(fā)送處理器解決方案。