无线基站优化中PA的性能与效率

　　引言

　　随着需要在有限的无线频谱上承载日益增加的数据流量，无论是用户还是数字内容的快速增长都为无线基础局端承受着巨大的压力。满足上述需求将产生高能耗，进而导致基站系统的购置成本及其运行费用攀升。将无线信号从基站发射出去的基站功率放大器 (PA) 占基站成本的比例高达 30%。在无线信号到达基站 PA 之前实施振幅因数降低 (CFR) 与数字预失真 (DPD) 技术可提高基站信号的质量并扩大覆盖范围，同时还能降低系统的购置与运行成本。近年来，无线用户的数量大幅度增长。同时，诸如音乐下载与通过手机实现因特网接入等新业务的出现，使得无线基础局端的数据传输量越来越大。与此同时，分配给无线通信的频谱却保持不变。因此，用户与流量的不断增加导致无线频谱变得异常拥堵。这类似于在交通高峰时段公路发生拥堵的状况。假设频谱是高速公路，数据(语音呼叫、音乐或因特网内容)是车辆。高速公路的宽度或车道数代表固定可用的无线频谱数量。增加无线数据高速公路的车道是一项巨大的工程，正如增加现实世界中高速路的车道数一样，需要涉及采购、建筑物拆迁以及车道的建筑工程。在高速公路上，所有车辆正驶向各自的目的地，而且驾驶员都希望准时到达。每辆车都代表语音呼叫或音乐下载的一部份，众多车辆都准时到达代表完成下载或呼叫。越来越多的用户使用无线设备访问数字内容，就像高速公路上的车辆越来越多一样。当高速路上的车辆过多时，交通速度开始下降。无线网络的情况也与此类似。为了解决这一问题，无线提供商转而采用了可提高频谱效率的无线标准。这类似于将多辆驶往同一目的地的轿车码放在一辆卡车上，并将卡车沿着高速公路开往目的地。这种方法使相同的高速公路上可以实现更多的数据传输流量，而不会导致流量降低。为了提高频谱效率，我们可部署或定义所有的无线标准，其中包括 CDMA2000、W-CDMA、TD-SCDMA、MC-GSM、WiMAX 以及 LTE 等。

图 1 显示了近年来用于提高频谱效率所部署或定义的无线标准。

图 1：无线标准的演进发展保持服务质量

　　采用最新的无线标准，可通过固定频谱传输更多的数据，但新标准也有弱点，它们对基站 PA 失真非常敏感。失真会导致信号质量下降，而且还会减少数据流量。为了解决这一问题，无线提供商必须降低 PA 的传输功率或购买大得多的 PA 来覆盖同一个区域。显然，无线提供商必须保持广泛的覆盖范围，因此他们需要购买更大、更昂贵的 PA。而这些较大型 PA 会消耗大量电能，从而导致运营成本相应上升。向具有极高频谱效率的无线标准的过渡大幅增加了无线服务的部署与运行成本。如果提供商想要在降低成本的同时提高质量，就必须解决这一问题。德州仪器 (TI) 开发的解决方案将自适应数字预失真 (DPD) 与振幅因数降低 (CFR) 进行了完美结合，从而使上述问题迎刃而解。虽然诸如 RF 前馈、RF 反馈、FR/IF 预失真以及后失真等老式技术提高了 PA 性能并减少了失真，但自适应 DPD 方案是业经验证最具灵活性的超低成本方案。针对所有现行无线标准以及最普遍 PA 技术(包括 A/B 类、Doherty，甚至新出现的包络追踪 PA 架构等)而言，TI DPD/CFR 解决方案都能增强 PA 性能。图 2 将 DPD 与其它解决方案进行了比较。

图2：用于提高功率放大器线性度的常用技术之间的比较。

表面失真 (Creeping distortion)

　　DPD 与 CFR 是两种信号处理技术，不仅可感测输入与输出信号的特征，而且还能防止出现失真潜入 PA无线输出信号的机制。这使 PA 输出性能能在其更广泛的工作范围内实现几乎完全的线性化。无需减少对 PA 的输出功率就可避免其运行范围上端出现失真，从而使 PA 更加节能，进而降低基站的制冷需求与运行成本。我们从图 3 可以了解 PA 的工作原理。如蓝线所示，理想的 PA 具有线性或一对一响应。比如，如果提高 10% 的输入功率，那么输出功率也将相应提高 10%。而现实世界中 PA 的性能如黑色曲线所示，PA 性能在输出功率处于极低水平的情况下与理想的 PA 一致，而在较高的输出功率水平下则会下降至理想 PA 之下。例如，如果将现实世界中 PA 的输入功率提高 10%，其输出功率仅会提高 9%。因此，即使在输入功率不断提高的情况下，PA 的输出功率也将停止上升。

图 3：功率放大器的输入至输出特征要理解 CFR 与 DPD 对当前及未来无线基础局端的重要性，就必须了解 PA 的三大基本特性。首先，输出功率决定无线信号的范围。较大的输出功率将实现更广泛的基站覆盖范围。第二，PA 的功率效率随输出功率的增加而相应提高，并在临近其饱和水平时达到最高值。从上述两个特性可以看出，基站以最高功率运行的情况下覆盖范围最广而且功耗也最低。过去的无线标准使服务提供商在接近最大输出功率下才运行基站，从而实现最低的资本成本(覆盖同一区域所需的基站更少)，而且运行成本也最低(电力成本更低)。但随着无线用户数量的爆炸式增长以及通过基础局端传输的数据量大幅增长，这一状况发生了改变，原因是还有 PA 第三个特性的存在：失真随着输出功率的增加而相应增加，而当 PA 开始与理想(线性)曲线背离时，失真变得异常突出。这第三种特性非常重要，因为现行无线标准对失真非常敏感，这意味着必须在饱和电平以下运行基站 PA 才可确保信号质量。处于饱和电平以下时，更多的输入能量会作为热能消耗掉了，而非消耗在输出信号的传输过程中。这好比拥有一辆引擎强劲的汽车，却不能实现理想的速度。由于大引擎的燃气里程低，车主需要花费很多燃气钱，还不能充分发挥该引擎的功率。理想状态下，如果引擎的燃气效率高，车主可在充分享受汽车功率的同时，节省燃气费用。同样，在理想状态下，PA 在接近其饱和电平的状态下运行，就能输出强信号，同时还具有极低的信号失真。此外，在接近饱和电平下运行可还节约能源。这也正是 DPD 与 CFR 对 PA 的价值所在。他们可提高 PA 输出功率的线性度，从而降低能耗。

线性化 PA 性能性能

　　自适应 DPD 可以扩展宽频带射频 (RF) PA 的直线性能(straight-line performance)，而且远远超过正常扩展范围。如前所述，当输出功率增加时，输出功率与理想线性性能曲线发生偏离。这正是 PA 放大输出信号出现失真的地方，从而导致信号质量下降及干扰。DPD 可将 PA 失真输出信号与非失真输入信号进行比较。然后，将输出信号中一个与失真正好对立的信号添加至输入，从而有效消除失真。由于 DPD 可扩展 PA 的线性范围，因此将其称为线性化技术(如图 4)。

图4：预失真可扩展功率放大器的线性范围，实现对其非线性行为的补偿。将输出与输入信号进行比较的过程叫做反馈，以数字化形式实施效率最高。由于温度等工作条件可能发生变化，数字反馈将提供根据变化的条件调整预失真所需的信息。数字预失真与反馈实施与模拟实施相比，其稳健性、灵活性以及可制造性都要高得多。DPD 可将 PA 线性性能扩展 2 或 3 分贝 (dB)，这对于 PA 的工作范围来说是一个显著的扩展。通过在较大的工作范围内实现 PA 输出性性能的线性化，成本较低的低速率 PA 仍可以满足系统的性能要求。此外，具有更高线性性能曲线的 PA 也更节能。由于能量转化成热能消耗的减少以及制冷要求的降低，这不仅将降低耗电成本，而且系统的购置成本也会相应减少。CFR 是另外一种数字预失真技术，其可通过减少峰值至平均值比率 (PAR)增加 PA 的工作输出功率。若要理解 CFR 的工作原理，请参考图 3 和上文所述的将轿车码放在卡车上以增加无线网络的数据量或流量的例子。如图 3 所示，如果输入功率提高到足够大，输出功率达到饱和，PA 将不会导致输出功率的增加。这好比一辆卡车必须通过一个隧道。如果码放在卡车上的轿车过多，码放高度超过了隧道口的高度，顶部的轿车将被留在高速公路上，从而导致交通速度降低。况且，当卡车到达目的地时，已经丢失了好几辆轿车。丢失的轿车代表电话呼叫中丢失的数据。我们继续采用这个比喻进行说明。CFR 算法可分析每辆卡车的高度，以判断是否可以通过隧道。如果有必要，其会将每辆轿车缩小一点，以便卡车能通过隧道，并使所有轿车都能到达目的地。CFR 能够自动降低信号峰值，并使信号通过 PA 而不会发生剪切或失真。TI 的 CFR 算法拥有独特的功能，其会通过增加具有逆变特性的信号来取消过高的信号峰值，而不是在其达到峰值时简单地进行剪切。对输入信号进行剪切是没有多少好处的，因为这实际上不但不会消除失真反而会导致输出信号的失真。TI 的解决方案能够在减少 PAR 的同时保持输出信号的质量。通过减少输入信号的 PAR，可将 PA 的输出功率以线性化方式进行扩展。例如，如果将 PAR 减少 3dB，将使 PA 的运行点提高 3 dB，进而提高 PA 的工作效率。而将 PA 的运行点改进 3dB，就意味着在没有增加功耗的条件下实现了两倍的输出功率。说得更形象一点就好比一辆具有 V8 功率和马力的轿车，其节能经济性只相当于一个小得多的四缸发动机。总体来说，基站会消耗大量的能源。因此，众多无线服务供应商纷纷为其基站实施了严格的节能标准，不仅为了降低运营成本，同时也是出于环保的考虑。通过采用一些无线标准，TI 的 DPD/CFR 解决方案不仅可将 PA 的运行点(输出功率)提高 10 倍，同时还可将节能效率提高 4 倍。凭借这一优异的性能，TI 解决方案将对无线基站的部署及运营成本产生重大影响。

结论

　　TI 在针对无线基础局端市场的单芯片专用半导体产品 (ASSP) 中实施了创新型的自适应 DPD 和 CFR 算法。通过应对和补偿基站 PA 中的固有缺欠，TI 推出的 GC5322 不仅可使基站 PA 能够在较高输出功率下运行，同时还可解决无线基站两个最关键的问题，即成本与功耗问题。此外，GC5322 还包括数字上变频 (DUC) 组件，并能满足如 W-CDMA、WiMAX、LTE 以及 MC-GSM 等所有现有与新兴无线标准的需求，以实现当前集成度最高以及最完善的发送处理器解决方案。