無(wú)線基站中功率放大器的性能與效率優(yōu)化

隨著需要在有限的無(wú)線頻譜上承載日益增加的數(shù)據(jù)流量，無(wú)論是用戶還是數(shù)字內(nèi)容的快速增長(zhǎng)都為無(wú)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(gòu)置成本及其運(yùn)行費(fèi)用攀升。將無(wú)線信號(hào)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(wú)線信號(hào)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(hào)的質(zhì)量并擴(kuò)大覆蓋范圍，同時(shí)還能降低系統(tǒng)的購(gòu)置與運(yùn)行成本。

提高頻譜效率的緊迫性

近年來(lái)，無(wú)線用戶的數(shù)量大幅度增長(zhǎng)。同時(shí)，諸如音樂(lè)下載與通過(guò)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(wú)線基礎(chǔ)局端的數(shù)據(jù)傳輸量越來(lái)越大。與此同時(shí)，分配給無(wú)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(wú)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(yǔ)音呼叫、音樂(lè)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(wú)線 頻譜數(shù)量。增加無(wú)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(gòu)、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(yǔ)音呼叫或音樂(lè)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(lái)越多的用戶使用無(wú)線設(shè)備訪問(wèn)數(shù)字內(nèi)容，就像高速公路上的車輛越來(lái)越多一樣。當(dāng)高速路上的車輛過(guò)多時(shí)，交通速度開(kāi)始下降。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的情況也與此類 似。

為了解決這一問(wèn)題，無(wú)線提供商轉(zhuǎn)而采用了可提高頻譜效率的無(wú)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(kāi)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(wú)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(lái)用于提高頻譜效率所部署或定義的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)。

保持服務(wù)質(zhì)量

采用最新的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，可通過(guò)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(duì)基站PA失真非常敏感。失真會(huì)導(dǎo)致信號(hào)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(wèn)題，無(wú)線提供商必須降低PA的傳輸功率或購(gòu)買大得多的PA來(lái)覆蓋同一個(gè)區(qū)域。顯然，無(wú)線提供商必須保持廣泛的覆蓋范圍，因此他們需要購(gòu)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(yíng)成本相應(yīng)上升。

向具有極高頻譜效率的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)渡大幅增加了無(wú)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(wèn)題。德州儀器(TI)開(kāi)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(wèn)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(duì)所有現(xiàn)行無(wú)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，TIDPD/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(Creepingdistortion)

DPD與CFR是兩種信號(hào)處理技術(shù)，不僅可感測(cè)輸入與輸出信號(hào)的特征，而且還能防止出現(xiàn)失真潛入PA無(wú)線輸出信號(hào)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(wú)需減少對(duì)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(duì)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(duì)當(dāng)前及未來(lái)無(wú)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(wú)線信號(hào)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(guò)去的無(wú)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(wú)線用戶數(shù)量的爆炸式增長(zhǎng)以及通過(guò)基礎(chǔ)局端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大幅增長(zhǎng)，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(kāi)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(wú)線標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(hào)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(hào)的傳輸過(guò)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)饫锍痰停囍餍枰ㄙM(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(hào)，同時(shí)還具有 極低的信號(hào)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(duì)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(guò)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(hào)出現(xiàn)失 真的地方，從而導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降及干擾。DPD可將PA失真輸出信號(hào)與非失真輸入信號(hào)進(jìn)行比較。然后，將輸出信號(hào)中一個(gè)與失真正好對(duì)立的信號(hào)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(hào)進(jìn)行比較的過(guò)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(duì)于PA的工作范 圍來(lái)說(shuō)是一個(gè)顯著的擴(kuò)展。

通過(guò)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(gòu)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(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(qǐng)參考圖3和上文所述的將 轎車碼放在卡車上以增加無(wú)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(guò)一個(gè)隧道。如果碼放在卡車上的轎車過(guò)多，碼放高度超過(guò)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(shuō)明。CFR算法可分析每輛卡車的高度，以判斷是否可以通過(guò)隧道。如果有必要，其會(huì)將每輛轎車縮小一點(diǎn)，以便卡車能通過(guò)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(hào)峰值，并使信號(hào)通過(guò)PA而不會(huì)發(fā)生剪切或失真。