Gli amplificatori di potenza non lineari (NPA) sono blocchi fondamentali di costruzione in praticamente ogni trasmettitore di radiofrequenza moderna (RF), dalle stazioni di base cellulari e dai collegamenti satellitari ai router Wi-Fi e ai sistemi radar. La loro funzione primaria - che porta un segnale di bassa potenza ad un livello sufficiente per la trasmissione affidabile su un canale wireless - è essenziale, ma la non linearità intrinseca di questi dispositivi introduce distorsioni che possono degradare la qualità del segnale.

Comprensione di amplificatori di potenza non lineari

La linearità dell’amplificatore di potenza è definita da quanto il segnale di uscita replica il segnale di ingresso, scalato solo da un guadagno costante. Un amplificatore ideale produrrebbe una versione perfettamente scalata dell’ingresso senza introdurre componenti di frequenza al di là di quelli presenti nel segnale originale. Gli amplificatori del mondo reale, tuttavia, espongono caratteristiche di trasferimento non lineari‐AMtude-PM]], in particolare quando sono portati in saturazione per ottenere una maggiore efficienza comune.

La distorsione AM‐AM descrive come la potenza di uscita si comprime come la potenza di ingresso aumenta oltre la regione lineare. Ad esempio, un aumento di 1‐dB può produrre solo un aumento di 0,5-dB dell'uscita. La distorsione AM‐PM si riferisce ad un cambiamento di fase non voluto che si verifica come l'ampiezza di ingresso cambia.

Le classi di amplificatori di classe A sono altamente lineari ma soffrono di scarsa efficienza (teoreticamente il 50%, spesso molto meno in pratica). Gli amplificatori di classe AB offrono un trade-off, garantendo una migliore efficienza con una linearità accettabile per molte applicazioni. Gli amplificatori di classe C sono efficienti ma altamente non lineari, rendendoli inadatti per segnali a fase modulati senza linearizzazione esterna.

Modulation di fase e il suo ruolo nelle comunicazioni moderne

La modulazione di fase (PM) e le sue varianti digitali (chiavi di spostamento di fase, PSK) codificano i dati variando la fase di un segnale di portacampioni costante. In PSK binario (BPSK), due fasi (0° e 180°) rappresentano un singolo bit.

La sensibilità agli errori di fase aumenta con l'ordine del sistema di modulazione. Un ricevitore QPSK può tollerare un errore di fase di circa ±45° prima di fare un errore di demodulazione, ma un segnale 64‐QAM, che utilizza 64 punti di costellazione distinti, può consentire meno di ±5° della deviazione di fase.

Impatto di amplificatori di potenza non lineari sui segnali di fase-modulati

AM-AM e AM-PM Distorsione

Il meccanismo primario attraverso il quale i NPA degrade phase-modulated segnali è la combinazione di compressione AM‐AM e conversione AM‐PM. Per un segnale a fase di campionamento costante-modulato (ad esempio, PSK puro senza variazione di ampiezza), la conversione AM‐PM è la preoccupazione dominante.

Considerare un segnale QPSK che è stato filtrato con una forma di impulso root-raised-cosine (RRC) per limitare la larghezza di banda. Il filtraggio provoca fluttuazioni di ampiezza (variazioni di ampiezza) anche su una modulazione nominale costante-envelope. Quando un segnale simile passa attraverso un amplificatore di potenza con una significativa conversione AM‐PM, ogni livello di ampiezza istantanea sperimenta un diverso cambiamento di fase di espansione [

Interferenza di canale spettacolare di rincrescimento e di adiacente

Gli amplificatori non lineari producono distorsioni di intermodulazione (IMD) che generano componenti di frequenza al di fuori della banda del segnale originale. Questo fenomeno, noto come ]spettare la ricrescita], diffonde l'energia nei canali adiacenti.

Il rapporto di dispersione del canale adiacente (ACLR) è una metrica chiave utilizzata per quantificare questo effetto. Una tipica stazione di base 4G LTE deve mantenere ACLR di almeno –45 dBc. Raggiungere questo con un amplificatore non lineare richiede sia un notevole back-off di uscita (ridurre l'efficienza) o tecniche di linearizzazione.

Errore di valutazione vettoriale (EVM)

La magnitudine del vettore di errore (EVM) è una misura completa di qualità di modulazione che cattura sia gli errori di magnitudo che di fase. Si confronta i punti di costellazione ideali con i punti ricevuti effettivi dopo la demapping. Per segnali modulati in fase, il contributo dominante a EVM da un NPA è spesso il componente di errore di fase. Un segnale tipico 64‐QAM potrebbe richiedere EVM al di sotto del 3% per un funzionamento affidabile, mentre i push del 256‐QAM del 256‐QAM del 256-Q.

Le misurazioni su un moderno amplificatore di potenza galo-nitride (GaN), ad esempio, mostrano che a 3-dB di ritorno dal punto di compressione 1-dB, l'EVM per un segnale 64-QAM potrebbe essere di circa il 2,5%. A piena compressione, EVM può superare il 10%, rendendo il segnale non decadubile. Le misurazioni non lineari (AM-PM) sono in genere il più grande contributore a EVane

Impatto sul tasso di errore del bit (BER)

Per un determinato schema di modulazione, c'è un rapporto ben definito tra EVM e BER sotto il rumore gaussiano additivo bianco (AWGN). Quando la non linearità NPA solleva l'EVM, il rapporto effettivo di segnale-to-noise (SNR) è ridotto, portando ad un più alto degrado BER. In pratica, i progettisti di sistema devono

Tecniche di mitigazione per amplificatori di potenza non lineari

Predistorsione digitale (DPD)

DPD lavora inserendo un blocco digitale prima dell’amplificatore di potenza che applica il inverso[]] della funzione di trasferimento non lineare dell’amplificatore. Se l’amplificatore introduce un passaggio di fase di +5° ad una particolare ampiezza, la predistorter introduce un –5° passaggio di fase.

L'efficace DPD può ridurre l'EVM da diversi per cento a ben al di sotto dell'1% e può migliorare l'ACLR di 15-20 dB. L'implementazione richiede un processore digitale del segnale (DSP) e un ricevitore del feedback, aggiungendo complessità e consumo di energia. Tuttavia, per le stazioni di base e trasmettitori ad alta potenza, DPD è un requisito standard.

Linearizzazione Feedback e Feedforward

] La linearità di base divide il segnale di ingresso in due percorsi: il percorso principale attraverso il NPA e un percorso di riferimento che rimane lineare. La distorsione prodotta dalla NPA viene estratta confrontando l'uscita attenuata con il riferimento, amplificata da una fase di errore reflex, e sottraita all'elevata potenza lineare.

Feedback[[]] linearizzazione (come il feedback cartesiano) utilizza una versione indesiderata dell'output per correggere l'ingresso in tempo reale. È più semplice che feedforward ma ha problemi di stabilità, soprattutto ad alte frequenze di banda. Entrambe le tecniche sono state ampiamente soppiantate dalla predisposizione digitale in disegni moderni, anche se rimangono rilevanti in alcune applicazioni di nicchiabili in applicazioni digitali.

Amplificatori per binario e Doherty

La nonlinearità negli amplificatori di potenza spesso deriva dal funzionamento vicino alla saturazione per raggiungere alta efficienza. Il tracciamento della busta (ET) lo affronta regola dinamicamente la tensione di alimentazione dell'amplificatore per tracciare la busta del segnale di ingresso. Quando l'ampiezza del segnale à ̈ bassa, la percentuale di alimentazione à ̈ ridotta, risparmio di potenza; quando l'ampiezza à ̈ alta, la fornitura à ̈ aumentata per evitare la compressione 10 punti lineare puÃ2 migliorare di efficienza.

L'amplificatore ] è un altro approccio architettonico che combina un amplificatore principale (biadito in Classe AB) e un amplificatore di picco (biadito in Classe C). A bassi livelli di potenza, solo l'amplificatore principale funziona, fornendo una buona linearità.

Riduzione del fattore Crest (CFR) e dello Shaping Pulse

Un altro modo per ridurre la distorsione è quello di abbassare il rapporto di potenza di picco-to-media del segnale trasmesso. Riduzione del fattore di arresto[[] modifica la forma d'onda (tramite clipping, finestra di picco, o riserva tono) per ridurre i picchi di ampiezza di grandi dimensioni.

La modellazione del filo[] (la scelta del filtro di trasmissione) influisce anche sulle statistiche della busta. Il filtraggio della cosina, mentre lo spettro efficiente, introduce un elevato PAPR. Le forme di impulso alternative che commerciano una certa larghezza di banda per il PAPR inferiore possono ridurre le richieste dell'amplificatore di potenza, anche se sono meno comuni nella pratica a causa di maschere spettrali.

Sfide pratiche e trade-off

La DPD richiede un percorso di feedback e una potenza di elaborazione digitale, aumentando i costi e la complessità. Il tracciamento delle piste aggiunge un modulatore ad alta velocità e un convertitore DC-DC. Gli amplificatori Doherty comportano un'attenta progettazione degli inverter di impedenza e possono essere a banda stretta. Gli ingegneri devono bilanciare questi fattori rispetto ai requisiti di sistema per la linearità, l'efficienza, la larghezza di banda, i costi e le dimensioni.

Effetti di memoria[] complicano ulteriormente la linearizzazione. Nelle applicazioni a banda larga (ad esempio, canali da 100 a MHz 5G), il comportamento non lineare di un amplificatore di potenza dipende dai campioni di ingresso passati a causa della risonanza termica, elettrica (bias circuito), e degli effetti di inserimento carica.

La temperatura di funzionamento[]] gioca anche un ruolo. Come un amplificatore di potenza si riscalda, le sue gocce di guadagno e il suo cambiamento di caratteristiche di fase, potenzialmente degradando qualsiasi impostazione di predisposizione fissa.

Tecnologie emergenti per amplificazione ad alta linea

La domanda di velocità di dati più elevate (e quindi modulazioni di ordine più elevato) continua a spingere i requisiti di linearità dell'amplificatore di potenza.

  • I transistor Gallium Nitride (GaN): I dispositivi GaN offrono una maggiore tensione di rottura, una maggiore densità di potenza e una larghezza di banda più ampia rispetto ai dispositivi LDMOS o GaAs tradizionali, che possono operare più vicino alla compressione mantenendo una linearità accettabile, consentendo disegni più efficienti.
  • Amplificatori di potenza digitali:[] Utilizzando un amplificatore di commutazione (ad esempio classe-S) combinato con un modulatore digitale veloce, è possibile ottenere alta efficienza ed eliminare essenzialmente le nonlinearità analogiche. La sfida consiste nella velocità di commutazione e nel filtro di ricostruzione, ma il progresso nella tecnologia avanzata di processo CMOS rende possibile questo processo per applicazioni sub‐6‐GHz.
  • Imparare a macchina per DPD:[ Le reti neurali profonde (DNNs) possono modellare non linearità di amplificatori complessi con alta precisione, compresi gli effetti di memoria a lungo termine con cui i modelli polinomiali tradizionali lottano.
  • Modulo di carico:[] Oltre l'architettura Doherty, le tecniche di modulazione dinamica del carico (ad esempio, utilizzando varagoni o interruttori) possono adattare l'impedenza presentata all'amplificatore, mantenendo alta efficienza e linearità in una gamma di potenze di output.

Conclusioni

Gli amplificatori di potenza non lineari sono indispensabili per raggiungere la potenza di uscita necessaria nelle comunicazioni wireless, ma le loro distorsioni AM‐AM e AM‐PM insiti pongono una minaccia diretta all'integrità dei segnali modulati di fase.