Ampleon 为数字广播提供高效率射频功率放大器解决方案

作者：Alan Hutton， Walter Sneijers， Herm Titulaer and Houssem Schuick

引言

广播业正处于一个根本性的变革时期。在欧洲，数字视频广播 —— 第二代地面（DVB-T2）发射机仍在继续推出。在美国，美国联邦通信委员会（FCC）已经采取行动来解决由于5G到来而引发的迫在眉睫的频谱危机，并启动了一个频谱“重新规划（repack）”过程，迫使许多广播公司改变传输信道。与此同时，随着新标准ATSC-3.0的出现，这些广播公司中的一大部分很可能会升级他们的发射机，同时转移到新的信道，一次性解决多种变化带来的问题，并确保他们的客户不必重新进行多次设计。

随着5G的不断推出，其他地区也将不得不面对频谱分配的问题。这些变化将在未来许多年内推动对全新的更高功率和更高效率发射机的需求。由于广播运营商的成本依赖于能够在整个UHF广播频谱上高效运行的高功率放大器，因此射频功率放大器（RFPA）是信号传输系统中的关键组成部分。

本文将详细讨论目前的市场趋势，并探讨这些变化带来的技术影响，同时分析一些针对从事数字广播高功率、高效率射频功率放大器解决方案的设计人员会遇到的一些挑战以及可用解决方案。

广播行业目前的发展态势

目前推动全球广播行业不断变革的三个主要因素包括DVB-T2的不断推出、ATSC-3.0的出现以及美国和其他地区的电视频谱“重新规划”。

DVB-T2

欧洲电信标准协会（The European Telecommunications Standards Institute）已经采纳了一套数字广播标准。 1997年发布的数字视频广播 - 地面（Digital Video Broadcast–Terrestrial，DVB-T）规范在世界各地广泛部署，并在许多国家推动了模拟广播的关闭。随着欧洲频谱越来越稀缺，DVB发布了更新的，具备更高频谱效率的DVB-T2标准。通过使用具有大量子载波的正交频分复用（OFDM）调制，DVB-T2是非常灵活的标准，具有能重复使用现有天线等附加优势。DVB-T2最初发布于2009年，到2014年已在超过12个国家部署，市场研究公司Dataxis预测，到2022年，72％的欧洲家庭将能够使用DVB-T2标准传输电视信号。

ATSC-3.0

最近，在2018年1月，高级电视系统委员会（ATSC）发布了ATSC 3.0系列标准，这标志着电视广播系统发展的另一个重要里程碑。ATSC 3.0包含大约20个标准，旨在支持每秒120帧，高达2160p 4K分辨率的视频通道HEVC、高动态范围、杜比AC-4和MPEG-H 3D音频等一些新技术。ATSC 3.0和DVB-T2有许多相似之处，都使用OFDM调制，并提供类似的性能和灵活性。但DVB-T2已在广泛使用，而当今ATSC-3.0却刚刚出现，第一批能够接收ATSC-3.0电视信号传输的电视预期在2020年出现。

频谱重新规划

2012年，因为预计到未来会出现有价值无线电频谱的稀缺，所以美国政府授权联邦通信委员会来鼓励广播电视公司放弃部分频谱。在最初的470MHz～860MHz广播频谱中，600MHz以上高频段部分已经可供移动无线运营商使用。与此同时，发射装置已经为新的ATSC3.0标准做好了准备。为了启动这一进程，美国联邦通信委员会进行了首次拍卖，并于2017年3月结束。结果从频道38到频道51中腾出84 MHz频谱，之后70MHz以10 MHz频段分块分别出售给无线运营商。随着拍卖的结束，美国联邦通信委员会估计大约1200个电视台将受到这一进程的影响，每个电视台需要大约三年时间才能进入新的更低频段。整体频谱重新规划大概分10个阶段（见图1），完成日期错开，目的是最大限度地减少过渡期间对广播公司的干扰。

图1：美国联邦通信委员会的频谱重新规划日程。（来源：FCC）

频谱重新规划将要求许多电视台改变其传输频率，这需要仔细规划。如果电视台需要在一段时间内同时用两个频率传输，那么则需要第二个发射天线，会对信号传输塔、其他同位置天线、HVAC等系统产生连锁效应。在许多情况下，广播公司可能会发现更换现有发射机更为经济，特别是如果原有发射机已经陈旧，且由于功率或其他限制不能支持ATSC-3.0。

因为运营商已经耗尽其频率资源，从现在的情况过渡到DVB-T2和ATSC-3.0以及重新规划频谱将导致在欧洲、美国和世界其他地区广泛更换电视传输设备。

电视发射机中的功率放大器的关键考虑因素

典型的数字电视传输链包括一个发射机，其包括两个基本组件，激励器（exciter）和射频功率放大器（PA）（见图2）。系统的输入是基带信号，通过该基带信号，射频载波在激励器中被调制，然后通过射频射频功率放大器（PA）单元进行放大。调制信号的时域信号包络在包络峰值中表现出很大的可变性，相比之下，平均功率电平则是恒定的，发射机平均输出功率（TPO）决定了电视发射机系统的性能。

图2：一个典型的数字电视传输装置。（来源：Ampleon）

基于LDMOS（横向扩散金属氧化物半导体）的射频晶体管自从被首次推出以来，已经成为各种功率放大器的主要解决方案，特别是在广播行业。造成这个事实的原因有两种不同的解释，一个是考虑到LDMOS工艺的高效率和高功率优势，其次是单位功率所需要的成本（dollars per watt），基于LDMOS的晶体管能够提供一种具有高性价比的解决方案。

一个典型的发射站可提供25kW的平均射频功率。这是通过在发射链路单元中整合4个或更多的放大器托盘（含多个放大器），平衡式驱动级以及前级放大器，射频功率（见图3）。在过去几年中，这种高功率LDMOS 射频晶体管的出现促进了高功率放大器性能的范式转变（paradigm-shift）。从早期的几百瓦开始，我们现在已经能够看到能够处理超过1.5kW功率的射频元器件。实际上，这些晶体管正迅速成为能够满足高功率和高效率传输，以及射频行业中极端耐用标准的佼佼者。

图3：一个典型的功率放大器单元。（来源：Ampleon）

先进的DVB-T2和ATSC-3.0标准是使用OFDM调制信号，它会影响传输链的每个部分，尤其是射频功率放大器，因为它需要大约高于8dB的峰均比（PAR），以防止功率放大器中出现饱和，否则会发生子载波互调和带外干扰。上述问题可以通过减小功率放大器中回退（backing-off）功率来解决，但这会降低效率，影响功耗，直接影响电力消耗并导致运营成本升高。

因此，射频功率放大器设计人员面临的挑战是找到功率与效率的最佳平衡，并设计出能够在各种工作条件下具备高效率的放大器。由于在频谱重新规划期间部署的很多新发射机需要首先在广播机构以往的频率上运行，之后才能转移到新指定的频率，因此射频功率放大器必须能够高效率的工作在在470 MHz～806 MHz的整个UHF广播频谱。

用于DVB-T2和ATSC-3.0的当前和未来射频功率放大器解决方案

射频功率放大器技术领域两个相对较新的进展能够帮助设计人员更轻松地完成设计任务：被证明成功的

高效率的超宽带Doherty（UWD）架构，其中包括对称和非对称，以及新一代高功率LDMOS晶体管，它提供前所未有的耐用性以及最佳的增益和效率。

作为全球重要的广播行业功率解决方案供应商，Ampleon已投入大量资源开发UWD参考设计。这些解决方案展示了如何使用BLF888（见图4）能够在470～700 MHz整个频谱范围内提供150W的平均DVB-T功率。BLF888晶体管系列在市场上已经非常成功，为了准备满足美国“重新规划频谱”计划和ATSC-3.0标准推出后的需求，许多广播设备制造商都在他们的电视发射机解决方案中使用这些器件。

图4：采用BLF888E设计的超宽带Doherty。（来源：Ampleon）

基于BLF888的市场成功和未来对更高功率和更高效率需求的市场预期，Ampleon最近推出了下一代广播放大器产品BLF989和BLF989E 射频功率放大器s。其中BLF989在DVB-T8K OFDM信号下能达到高达55％的最高窄带效率，每个晶体管的极端平均功率水平为200W（950 W峰值），覆盖470MHz～494MHz范围。BLF989E（见图5）则可提供180W的平均功率，典型效率为50％，能够覆盖470MHz～620MHz的超宽频带。

图5：采用BLF989E的UWB Doherty（来源：Ampleon）

BLF989E效率和功率相对于频率的曲线（见图6）演示了如何通过一个特殊的非对称（a-symmetrical Doherty）结构设计实现最高UWD效率。这些新的UWD高效放大器解决方案代表了当今市场上具备最高性价比的广播射频功率放大器。通过独具匠心的创新，可确保最高的效率、带宽和可靠性。

图6：BLF989E效率和功率相对于频率的曲线。（来源：Ampleon）

结论

DVB-T2的推出、ATSC-3.0的出现以及频谱的重新规划需要广播公司对设备系统进行升级，这为电视信号传输设备制造商提供了巨大商机。随着全球各个地区必须解决出现的频谱稀缺问题，这个市场将会继续增长。由于在整个UHF广播频谱中必须平衡更高的功率和更高的效率，DVB-T2和ATSC-3.0所使用的先进调制方案（例如OFDM）对射频功率放大器的设计提出了特别的挑战，而高功率LDMOS晶体管和UWD架构的最新进展正在应对这些挑战。市场对于更高的功率和效率的需求预计不会很快降低，广播市场的颠覆性发展趋势将继续推动LDMOS价格/性能曲线，但是同时不牺牲质量。作为全球领先的广播行业功率晶体管制造商，Ampleon已经完全做好准备来支持广播产业生态圈中的合作伙伴。Ampleon的旗舰产品BLF888系列晶体管在为行业提供广泛的解决方案方面已经发挥了重要作用，面对市场对于更高功率和更高效率不断发展的需求，BLF989和BLF989E则代表了未来的发展路线图。