优化无线基站中功率放大器的性能与效率

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。

提高频谱效率的紧迫性

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显示了近年来用于提高频谱效率所部署或定义的无线标准。

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。

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。

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。

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围最广而且功耗也最低。

过去的无线标准使服务提供商在接近最大输出功率下才运行基站，从而实现最低的资本成本（覆盖同一区域所需的基站更少），而且运行成本也最低（电力成本更低）。但随着无线用户数量的爆炸式增长以及通过基础局端传输的数据量大幅增长，这一状况发生了改变，原因是还有PA第三个特性的存在：失真随着输出功率的增加而相应增加，而当PA开始与理想（线性）曲线背离时，失真变得异常突出。

这第三种特性非常重要，因为现行无线标准对失真非常敏感，这意味着必须在饱和电平以下运行基站PA才可确保信号质量。处于饱和电平以下时，更多的输入能量会作为热能消耗掉了，而非消耗在输出信号的传输过程中。

这好比拥有一辆引擎强劲的汽车，却不能实现理想的速度。由于大引擎的燃气里程低，车主需要花费很多燃气钱，还不能充分发挥该引擎的功率。理想状态下，如果引擎的燃气效率高，车主可在充分享受汽车功率的同时，节省燃气费用。同样，在理想状态下，PA在接近其饱和电平的状态下运行，就能输出强信号，同时还具有极低的信号失真。此外，在接近饱和电平下运行可还节约能源。这也正是DPD与CFR对PA的价值所在。他们可提高PA输出功率的线性度，从而降低能耗。