面向多载波基站应用的波峰因子降低(CFR)引擎

　　引言

　　赛灵思的FPGA在业内被广泛应用于基带协处理领域里的蜂窝射频基站设计以及其它先进的基带功能中。除了信道卡应用之外，赛灵思的FPGA还支持成本效益高的射频卡功能的实现，如数字上变频(DUC)和 数字下变频(DDC)，包括波峰因子降低(CFR)和数字预失真(DPD)等先进技术。除了拥有用于WCDMA和WiMAX的射频卡解决方案之外，赛灵思最近还向市场[1]推出了能够实现多载波和多天线配置的TD-SCDMA数字前端解决方案。

　　本文将介绍赛灵思用于波峰因子降低(CFR)的最新参考解决方案，又被称为峰值对消波峰因子降低 (PC-CFR)。本文将首先回顾使用与射频功率放大器(RFPA)效率有关的CFR技术的目的，然后简要回顾各种CFR技术，包括对用于多载波TD-SCDMA标准的各种解决方案之间的性能比较。本文还将讨论用于实现特定TD-SCDMA多载波系统配置的FPGA资源要求。

　　振幅因子与射频功率放大器效率

　　因其对OPEX 和CAPEX的重要作用，射频功率放大器(RFPA)的功率效率在蜂窝射频基站设计中起到非常重要的作用。高效的射频功率放大器(RFPA)解决方案会降低 CAPEX，因为较小的功率放大器可用于相同的期望输出功率值，或者需要较少的冷却基础设施。另一方面，因消耗的功率较少，它还可降低OPEX。

　　对射频功率放大器更高效率的需求已经使得基站架构从单载波功率放大器(SCPA)输出的无源组合向基于多载波功率放大器(MCPA)方法的中频(IF)载波的数字组合演进。后一种方法还允许采用CFR技术以及包括DPD的数字线性化技术。

　　然而，载波信号的线性组合会出现高峰值平均功率比(PAPR)。这不仅仅适用于3G CDMA载波，而且适用于多载波Edge和GSM信号。由于在生成单个CDMA和OFDM载波过程中对独立的波形进行了线性组合，因此，即使单载波CDMA或OFDM信号也会显示高振幅因子(CF)。

　　当CF被用于测量PAPR时，可由下列方程定义和计算：

　　　　　方程(1)

　　其中，x是上变频带通信号的真值。

　　高的波峰因子要求常用的AB类RFPA在某些输出回退电平 (Output Back Off Level)上运作，以防高峰值信号把RFPA驱动到非线性工作区之中。我们首先考察一下CF和RFPA效率之间的关系。

　　RFPA的效率被定义为在某一个工作点上平均输出功率与直流(DC)功率之比，如方程(2)所给出：

　　　　　　　方程(2)

　　这意味着为了实现更高的效率，RFPA输出应该被驱动至接近饱和点(超过饱和点将出现非线性效果)。然而，在实际运作中，输出功率要回退，这不仅仅是为了解决输入信号对RFPA存在的CF问题，同时还为了解决在RFPA中存在的其它弱非线性问题。

　　图1说明了输入功率回退(IPBO)和输出功率回退(OPBO) 之间的关系。为了实现预期的OPBO电平，必须提高IPBO。因为工作点维持相同，在方程中的分母将保持不变，但是，分子将减小，因此，较大的OPBO会导致效率的下降。

　　图1：射频功率放大器的功效曲线

　　在图2中描述了具有强跨导[5]非线性的不同类型放大器的典型RFPA的效率，是以dB表示OPBO函数。请注意，对具有12dB OPBO的AB类RFPA来说，随着回退的增加，效率从70%减至约10%。

　　图2：RFPA的效率性能[5]

　　考虑到信号的高CF，有两种方式可以解决因OPBO增加导致的效率下降问题。你可以采用一种有效的波峰因子降低(CFR)方案来减小多载波输入信号的PAPR，或者/并且采用数字预失真(DPD)来扩展RFPA的线性工作范围。通过减小到RFPA的组合输入信号的PAPR，IPBO可以被缩减，从而使得OPBO更低，从而获得效率提升。

　　与不采用CFR实现8%(效率提升)的情形相比，利用CFR方案可以实现大约16%的典型效率(提升)。下面我们将回顾所提议的常用技术，并就TD-SCDMA多载波应用在性能和资源利用率方面详细讨论赛灵思公司的峰值对消波峰因子降低 (PC-CFR)方案。

　　各种CFR技术

　　目前，许多建议的波峰因子降低方案涵盖编码选择、I & Q或基带极性限幅、峰值加窗CFR(PW-CFR)、噪声成形CFR(NS-CFR)和脉冲注入CFR(PI-CFR)范畴提出的，参见文献[4]对各种技术的回顾。

　　赛灵思最近提出了一种称为峰值对消波峰因子降低(PC-CFR)的技术，已经被证明性能更佳。与此同时，除了其它优点之外[3]，由于其自身降低了计算负担，从而可以消耗更少的资源。

　　在详细讨论PC-CFR之前，我们将首先简要回顾上面提到的三种常用技术。

　　峰值加窗波峰因子降低(PW-CFR)

　　PW-CFR是常规限幅技术的延伸，可以通过应用时域缩放限幅信号比例的时域来降低PAPR。

　　用于常规限幅的方程由下列方程[6]给出：

　　其中，c(n)用下列方程中定义：A是限幅信号容许的最大幅度。它的思想就是利用平滑的函数b(n) 来替代c(n) 使用合适的窗口，以限制限幅信号的频谱扩展。

　　PW-CFR方框图如图3所示。

图3