Come Mitigare le nonlinearità dell'amplificatore di potenza in collegamenti wireless ad alta velocitÃ

Poiché gli standard wireless spingono verso sistemi di modulazione di ordini più elevati (ad esempio, 256‐QAM, 1024‐QAM) e larghezze di banda (100 MHz e oltre), la busta del segnale mostra grandi rapporti di potenza di picco-media (PAPR), questo rende la PA doppiamente sottolineata: deve operare con alta efficienza per ridurre al minimo il consumo di energia, ma rimanere abbastanza lineare per preservare l'integrità del segnale.

Fondamenti della distorsione dell'amplificatore di potenza

Per mitigare efficacemente le non linearità, bisogna prima capire come si presentano e come si caratterizzano. Un PA è intrinsecamente un dispositivo non lineare; la sua caratteristica di trasferimento (tensione di uscita vs tensione di ingresso) devia da una linea retta, soprattutto vicino alla saturazione. Questa deviazione può essere modellata come un'espansione polinomiale o una serie Volterra più sofisticata. Le principali conseguenze della non linearità PA nei sistemi ad alto dato includono:

• Dstorsione armonica[] – componenti forti a multipli della frequenza del vettore, che sono tipicamente filtrati, ma possono causare interferenze nei sistemi multibanda.
• Distorsione di intermodulazione (IMD)[] – prodotti indesiderati che cadono in banda o in canali adiacenti quando due o più toni (o un segnale a banda larga) passano attraverso il PA. I prodotti di intermodulazione di terzo ordine (IMD3) sono particolarmente fastidiosi in quanto spesso sono vicini al segnale desiderato.
• Ricrescita specifica[[] – l’ampliamento dello spettro trasmesso a causa della tramodulazione tra il segnale e la risposta non lineare del PA, che porta a interferenze adiacenti-canale e a limiti di regolazione rigorosi (ad esempio, ACLR).
• AM–AM e conversione AM–PM[[] – l'ampiezza e la fase del segnale sono distorte in funzione dell'ampiezza istantanea della busta. La distorsione AM-PM è particolarmente dannosa per i segnali modulati in fase (ad esempio QPSK, QAM) mentre ruota la costellazione.

Le moderne forme d'onda wireless, come la divisione di frequenza ortogonale Multiplexing (OFDM) utilizzate in 4G/5G, hanno un PAPR alto. Le grandi fluttuazioni di busta spingono ripetutamente il PA dalla regione lineare alla saturazione, generando effetti di memoria (dinamica termica ed elettrica a lungo termine) che complicano ulteriormente la linearità.

Metriche chiave per la misurazione della linearità PA

Gli ingegneri si affidano a diverse figure standard di merito per quantificare quanto un PA distorce un segnale. Capire queste metriche ti aiuta a impostare obiettivi di progettazione e valutare l'efficacia delle tecniche di mitigazione.

• 1 dB punto di compressione (P1dB)[] – il livello di potenza di uscita in cui il guadagno è sceso di 1 dB dal suo valore di piccolo segno.
• Terzo-ordine punto di intercettazione (IP3)[] – un punto teorico in cui le potenze di intermodulazione fondamentali e di terzo ordine diventano uguali; IP3 più alto indica una migliore linearità.
• Adjacent Channel Leakage Ratio (ACLR)[ – il rapporto tra la potenza trasmessa nel canale assegnato alla potenza che tralascia nei canali adiacenti.
• Error Vector Magnitude (EVM) – una misura composita di precisione di modulazione che cattura sia l'ampiezza che gli errori di fase.
• Noise Power Ratio (NPR)[[]] – usato per caratterizzare la linearità della banda in banda per i segnali a banda larga misurando quanto uno spettro nello spettro è riempito da rumore di intermodulazione.

Quando si sviluppa una strategia di linearizzazione, è necessario pesare queste metriche contro l’efficienza energetica (PAE, efficienza a potenza aggiunta) e i costi. Spesso il punto di progettazione ottimale è un trade-off che soddisfa i target EVM e ACLR del sistema, raggiungendo la durata accettabile della batteria o la dissipazione termica.

Strategie di mitigazione per le nonlineari dell'amplificatore di potenza

Una sola tecnica è raramente sufficiente in un impegnativo collegamento ad alto livello di dati. Le soluzioni più efficaci combinano scelte di design-time (selezione di dispositivo, biasing) con una linearizzazione attiva che si adatta in tempo reale.Le sezioni seguenti dettagliano gli approcci più utilizzati, insieme ai loro punti di forza e alle considerazioni di implementazione pratiche.

1. Power Back-Off e Biasing

Il metodo più semplice è quello di utilizzare il PA con un grande back-off di potenza, cioè di ridurre l'unità di input in modo che l'uscita sia ben al di sotto di P1dB. Rimanendo nella regione lineare, il PA genera una distorsione trascurabile. Tuttavia, questo viene al costo di bassa efficienza di potenza aggiunto (PAE).

2. Predistorsione digitale (DPD)

La predistorazione digitale[] è la più popolare tecnica di linearizzazione attiva utilizzata nelle stazioni di base moderne, nei cellulari e nei terminali satellitari. Il concetto è elegante: prima che il segnale raggiunga il PA, passa attraverso un blocco digitale che applica un modello inverso della non linearità PA. La cascata del predistortore e la PA poi approssima un sistema di amplificazione lineare ideale.

L'implementazione di DPD comporta due passaggi principali: (a) modellare il comportamento PA e (b) aggiornare i coefficienti di predistortore adattandosi. I modelli PA vanno da semplici polinomi senza memoria (adattabili per segnali a banda stretta) a sofisticate reti di Volterra o neurali che catturano gli effetti della memoria (importante algoritmo per segnali a banda larga).

• Piami di mès (LMS)[ – complessità semplice e bassa, ma converge lentamente per modelli di ordine elevato.
• Piami di Leva ricorrenti (RLS)[] – convergenza più veloce ma maggiore carico computazionale.
• L'architettura di apprendimento indiretta[[] – una struttura popolare in cui il modello inverso è formato utilizzando l'uscita PA e l'ingresso desiderato.

DPD può ridurre la ricrescita di IMD e spettro di 20 dB o più, permettendo al PA di operare molto più vicino alla saturazione e quindi raggiungere una maggiore efficienza complessiva. Ad esempio, una Class‐AB PA con correzione 10 dB DPD può raggiungere PAE >45 % mentre soddisfa i requisiti ACLR LTE.

Una sfida con DPD è che il modello deve essere frequentemente aggiornato come temperatura, tensione di alimentazione e invecchiamento cambiare le caratteristiche del PA. Inoltre, il ricevitore di feedback introduce i propri difetti; progettazione attenta del percorso di osservazione (ad esempio, utilizzando un accoppiatore, downconverter e ADC con sufficiente gamma dinamica) è necessario.

3. Tracciamento della busta (ET)

Il tracciamento delle buste[] regola dinamicamente la tensione di alimentazione PA in tempo reale per seguire la busta istantanea del segnale RF. Quando l'ampiezza della busta è bassa, l'alimentazione è abbassata, riducendo il consumo di energia; quando la busta raggiunge il picco di efficienza, l'alimentazione viene incrementata per evitare la clipping e mantenere la linearità.

In un sistema ET, un amplificatore a banda larga (di solito un convertitore di commutazione ad alta velocità combinato con un regolatore lineare) genera la tensione di scarico modulata. Il PA è tipicamente progettato per il funzionamento Class‐AB o Class‐J, e la tensione di alimentazione può oscillare da 0.5 V a 5 V (o più, a seconda della tecnologia del dispositivo).

• Allineamento del timing[[] – il percorso della busta deve essere sincronizzato con il percorso RF; un ritardo di errore degrada linearità ed efficienza.
• Bandwidth[[] – l'amplificatore di busta deve avere una larghezza di banda più volte la larghezza di banda del segnale RF per monitorare le variazioni di busta veloci (ad esempio, >200 MHz per un segnale 5G 100 MHz).
• Noise[] – il passaggio della ondulazione dall'amplificatore della busta può penetrare nell'uscita RF, quindi è necessario un filtro attento.

Molti smartphone PA (specialmente per LTE/5G) utilizzano ET per soddisfare obiettivi di efficienza rigorosi. Per un'immersione più profonda, leggi l'articolo tecnico Analog Devices su Envelope Tracking[].

4. Eliminazione e ripristino della busta (EER) e Amplificatori di potenza Doherty

Eliminazione e Restauro della busta (EER)], noto anche come tecnica Kahn, va un passo avanti: separa il segnale RF in un segnale di fase di costante pendenza e un segnale di busta che modula l'alimentazione PA. Il PA opera sempre in saturazione (alta efficienza), e la busta viene ripristinata modulando la trasmissione di scarico.

Gli amplificatori di potenza dolorosi sono un'architettura più pratica che migliora l'efficienza media mantenendo la linearità. Una Doherty classica consiste in un PA principale (spesso biased in Class‐AB) e un PA di picco (biadito in Classe-C).

5. Linearizzazione di Feedforward e Feedback

La linearità di marcia[] è una tecnica analogica che annulla la distorsione campionando l'uscita PA, sottraendo l'ingresso originale per estrarre l'errore (distorsione), quindi amplificando e ri-iniettando l'errore fuori fase con la distorsione originale.

Il feedback negativo[[] (compreso il feedback cartesiano) è raramente usato in RF a causa di problemi di stabilità alle alte frequenze. Tuttavia, il feedback delle buste e il feedback polare sono stati dimostrati per alcune applicazioni a banda stretta.

6. Tecniche avanzate ed emergenti

La spinta incessante per maggiori velocità di dati e l'efficienza spinge l'innovazione nella linearizzazione PA.

• DPD basato su macchinari] – reti neurali e modelli di apprendimento profondo possono catturare effetti di memoria complessi più precisi dei modelli polinomi, soprattutto quando il PA mostra una forte memoria termica o intra-indotta. L'adattamento in tempo reale utilizzando acceleratori neurali su chip è un'area di ricerca attiva.
• Gallium Nitride (GaN) HEMTs[ – I dispositivi GaN offrono una maggiore tensione di rottura, una maggiore densità di potenza e una migliore linearità rispetto a LDMOS o GaAs. I PA GaN possono operare a tensioni di alimentazione più elevate (28 V–50 V) e raggiungere sia l'alta efficienza che la larghezza di banda larga, riducendo la necessità di una linearizzazione estrema.
• Amplificatori bilanciati a modulazione ridotta (LMBAs) – un PA bilanciato con impedenza regolabile al nodo combinante può migliorare l'efficienza di back-off simile a una Doherty ma con larghezza di banda più ampia.
• Gli amplificatori digitali[ – i PA commutatori-modi guidati da un segnale digitale ad alta velocità possono essere linearizzati utilizzando la modulazione delta‐sigma o PWM, che sono ancora sperimentali ma promettono un'elevata integrazione.
• I trasmettitori di Outphasing (LINC)[] – due amplificatori a costante corsa sono combinati per ricreare la modulazione dell'ampiezza.

Ciascuna di queste tecniche è dotata di trade-off in complessità, larghezza di banda e consumo di energia. La scelta migliore dipende dalla specifica applicazione: un dispositivo IoT a basso costo può contare su back-off, mentre una stazione di base 5G impiega DPD + Doherty + il tracciamento delle buste.

Considerazioni pratiche per i progettisti di sistema

Quando si implementa la linearizzazione PA per un collegamento wireless ad alto livello di dati, si consideri i seguenti fattori di livello del sistema:

• Il consumo di potenza del lineare stesso[[] – un motore DPD, un amplificatore di busta, o un loop di alimentazione consuma potenza aggiuntiva che deve essere valutata nel budget di efficienza generale. Spesso il guadagno netto nell'efficienza del sistema è positivo, ma è necessaria un'attenta ottimizzazione.
• La larghezza di banda e il segnale PAPR[[[] – le larghezze di banda aumentano gli effetti della memoria e richiedono modelli DPD di ordine superiore.
• Integrazione e costo[[] – Le soluzioni SoC che incorporano DPD sul modem o sul chip transceiver riducono i componenti esterni. I PA GaN sono più costosi del silicio ma offrono prestazioni superiori per i collegamenti ad alta potenza, larghezza di banda larga.
• Conformità normativa e standard[[] – gli standard cellulari e Wi‐Fi specificano i limiti di EVM, ACLR e di emissioni. La soluzione di linearizzazione deve essere abbastanza robusta da mantenere questi limiti sulla temperatura, la variazione di processo e l'invecchiamento.
• Testing e caratterizzazione[[[ – la misurazione accurata della non linearità PA richiede analizzatori di segnale vettoriale calibrati, spazzatrici di potenza e segnali di prova modulati (ad esempio, 5G‐NR TM3.1). Per ulteriori informazioni sulle tecniche di misura, vedere la Nota di applicazione di tasti sulla caratterizzazione PA].

Conclusioni

La crescente domanda di efficienza spettrale e forza di throughput PAs per operare più vicino ai loro limiti, rendendo obbligatoria la linearizzazione. Nessuna singola tecnica fornisce una soluzione universale; i progetti più robusti combinano un'attenta selezione dei dispositivi, un'ottimale analisi e uno o più metodi di linearizzazione attiva, una o più semplici metodi di tracciamento digitale.

Con l'evoluzione delle tecnologie, possiamo aspettarci una maggiore adozione di machine learning per l'adattamento in tempo reale, un uso più ampio dei dispositivi GaN per la loro linearità ed efficienza superiore, e architetture nuove come amplificatori oblunghi e modulati.