无线基站优化中放大器的性能

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：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