無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)字內容的快速增長都為無線基礎局端承受著巨大的壓力。滿足上述需求將產生高能 耗，進而導致基站系統(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)字預失真(DPD)技術可提高基站信號的質量并擴大覆蓋范圍，同時還能降低系統(tǒng)的購置與運行成本。

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，諸如音樂下載與通過手機實現(xiàn)因特網(wǎng)接入等新業(yè)務的出現(xiàn)，使得無線基礎局端的數(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。假設頻譜是高速公路，數(shù)據(jù)（語音呼叫、音樂或因特網(wǎng)內容）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備訪問數(shù)字內容，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)絡的情況也與此類 似。

為了解決這一問題，無線提供商轉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。

保持服務質量

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。失真會導致信號質量下降，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，從而導致運營成本相應上升。

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數(shù)字預失真(DPD)與振幅因數(shù)降低(CFR)進行了完美結合，從而使上述問題迎刃而解。
雖然諸如RF前饋、RF反饋、FR/IF預失真以及后失真等老式技術提高了PA性能并減少了失真，但自適應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（包括A/B類、Doherty，甚至新出現(xiàn)的包絡追蹤PA架構等）而言，TIDPD/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。

表面失真(Creepingdistortion)

DPD與CFR是兩種信號處理技術，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。

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。比如，如果提高10%的輸入功率，那么輸出功率也將相應提高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。

要理解CFR與DPD對當前及未來無線基礎局端的重要性，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。

線性化功率放大器性能

自適應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，從而導致信號質量下降及干擾。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（如圖4）。

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)變化的條件調整預失真所需的信 息。數(shù)字預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減少。

CFR是另外一種數(shù)字預失真技術，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。