引言

隨著需要在有限的無線頻譜上承載日益增加的數據流量，無論是用戶還是數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，進而導致基站系統的購置成本及其運行費用攀升。將無線信號從基站發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 之前實施振幅因數降低 (CFR) 與數字預失真 (DPD) 技術可提高基站信號的質量并擴大覆蓋范圍，同時還能降低系統的購置與運行成本。近年來，無線用戶的數量大幅度增長。同時，諸如音樂下載與通過手機實現因特網接入等新業務的出現，使得無線基礎局端的數據傳輸量越來越大。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生擁堵的狀況。假設頻譜是高速公路，數據(語音呼叫、音樂或因特網內容)是車輛。高速公路的寬度或車道數代表固定可用的無線頻譜數量。增加無線數據高速公路的車道是一項巨大的工程，正如增加現實世界中高速路的車道數一樣，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更多的數據傳輸流量，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：無線標準的演進發展保持服務質量

采用最新的無線標準，可通過固定頻譜傳輸更多的數據，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，而且還會減少數據流量。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) 開發的解決方案將自適應數字預失真 (DPD) 與振幅因數降低 (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 方案是業經驗證最具靈活性的超低成本方案。針對所有現行無線標準以及最普遍 PA 技術(包括 A/B 類、Doherty，甚至新出現的包絡追蹤 PA 架構等)而言，TI DPD/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。

圖2：用于提高功率放大器線性度的常用技術之間的比較。

表面失真 (Creeping distortion)

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失真，從而使 PA 更加節能，進而降低基站的制冷需求與運行成本。我們從圖 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。

圖 3：功率放大器的輸入至輸出特征要理解 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，從而實現最低的資本成本(覆蓋同一區域所需的基站更少)，而且運行成本也最低(電力成本更低)。但隨著無線用戶數量的爆炸式增長以及通過基礎局端傳輸的數據量大幅增長，這一狀況發生了改變，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，還不能充分發揮該引擎的功率。理想狀態下，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，節省燃氣費用。同樣，在理想狀態下，PA 在接近其飽和電平的狀態下運行，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 PA 性能性能

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生偏離。這正是 PA 放大輸出信號出現失真的地方，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)。

圖4：預失真可擴展功率放大器的線性范圍，實現對其非線性行為的補償。將輸出與輸入信號進行比較的過程叫做反饋，以數字化形式實施效率最高。由于溫度等工作條件可能發生變化，數字反饋將提供根據變化的條件調整預失真所需的信息。數字預失真與反饋實施與模擬實施相比，其穩健性、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 PA 輸出性性能的線性化，成本較低的低速率 PA 仍可以滿足系統的性能要求。此外，具有更高線性性能曲線的 PA 也更節能。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，而且系統的購置成本也會相應減少。CFR 是另外一種數字預失真技術，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絡的數據量或流量的例子。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，已經丟失了好幾輛轎車。丟失的轎車代表電話呼叫中丟失的數據。我們繼續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 而不會發生剪切或失真。TI 的 CFR 算法擁有獨特的功能，其會通過增加具有逆變特性的信號來取消過高的信號峰值，而不是在其達到峰值時簡單地進行剪切。對輸入信號進行剪切是沒有多少好處的，因為這實際上不但不會消除失真反而會導致輸出信號的失真。TI 的解決方案能夠在減少 PAR 的同時保持輸出信號的質量。通過減少輸入信號的 PAR，可將 PA 的輸出功率以線性化方式進行擴展。例如，如果將 PAR 減少 3dB，將使 PA 的運行點提高 3 dB，進而提高 PA 的工作效率。而將 PA 的運行點改進 3dB，就意味著在沒有增加功耗的條件下實現了兩倍的輸出功率。說得更形象一點就好比一輛具有 V8 功率和馬力的轎車，其節能經濟性只相當于一個小得多的四缸發動機。總體來說，基站會消耗大量的能源。因此，眾多無線服務供應商紛紛為其基站實施了嚴格的節能標準，不僅為了降低運營成本，同時也是出于環保的考慮。通過采用一些無線標準，TI 的 DPD/CFR 解決方案不僅可將 PA 的運行點(輸出功率)提高 10 倍，同時還可將節能效率提高 4 倍。憑借這一優異的性能，TI 解決方案將對無線基站的部署及運營成本產生重大影響。

結論

TI 在針對無線基礎局端市場的單芯片專用半導體產品 (ASSP) 中實施了創新型的自適應 DPD 和 CFR 算法。通過應對和補償基站 PA 中的固有缺欠，TI 推出的 GC5322 不僅可使基站 PA 能夠在較高輸出功率下運行，同時還可解決無線基站兩個最關鍵的問題，即成本與功耗問題。此外，GC5322 還包括數字上變頻 (DUC) 組件，并能滿足如 W-CDMA、WiMAX、LTE 以及 MC-GSM 等所有現有與新興無線標準的需求，以實現當前集成度最高以及最完善的發送處理器解決方案。