Как уменьшить нелинейность усилителя мощности в беспроводных ссылках с высокой скоростью передачи данных

Введение в нелинейность усилителя мощности в высокочастотных ссылках

Современные системы беспроводной связи — от сотовых сетей 5G до спутникового бэк-хейла и Wi-Fi 6/7 — полагаются на высокочастотные каналы связи для обработки постоянно растущего трафика. В основе каждого передатчика лежит усилитель мощности (PA), который повышает модулированный сигнал до уровня, подходящего для передачи по воздуху. Нелинейности усилителя мощности являются одним из наиболее критических нарушений, ограничивающих достижимую скорость передачи данных и спектральную эффективность в этих системах. Когда PA вводится в свою нелинейную область, он генерирует гармонические искажения, продукты интермодуляции и спектральный рост, который может десенсибилизировать приемник, нарушать ограничения мощности соседних каналов и вызывать ошибки бита.

Поскольку беспроводные стандарты продвигаются к схемам модуляции более высокого порядка (например, 256-QAM, 1024-QAM) и более широким полосам пропускания (100 МГц и более), сигнальная оболочка демонстрирует большие соотношения мощности от пика до среднего (PAPR). Это делает PA вдвойне напряженным: он должен работать с высокой эффективностью, чтобы минимизировать потребление энергии, но оставаться достаточно линейным, чтобы сохранить целостность сигнала. Эта статья обеспечивает всеобъемлющее практическое руководство по пониманию и смягчению нелинейности усилителя мощности. Мы изучаем коренные причины искажений, ключевые показатели производительности и набор проверенных и новых методов линеаризации. К концу у вас будет дорожная карта для выбора правильной комбинации методов для оптимизации вашей беспроводной связи с высокой скоростью передачи данных.

Основы искажения усилителя мощности

Для эффективного смягчения нелинейностей необходимо сначала понять, как они возникают и как они характеризуются. PA по своей сути является нелинейным устройством; его характеристика передачи (выходное напряжение против входного напряжения) отклоняется от прямой линии, особенно вблизи насыщения. Это отклонение можно смоделировать как полиномиальное расширение или более сложный ряд Вольтерры. Основные последствия нелинейности PA в системах с высокими скоростями передачи данных включают:

• Гармоническое искажение — сильные компоненты при кратных несущей частоте, которые обычно отфильтровываются, но могут вызывать помехи в многодиапазонных системах.
• Межмодульное искажение (IMD) — нежелательные продукты, которые попадают в полосу или в смежные каналы, когда два или более тона (или широкополосный сигнал) проходят через PA.Продукты интермодуляции третьего порядка (IMD3) особенно проблематичны, поскольку они часто близки к желаемому сигналу.
• Спектральный рост — расширение передаваемого спектра за счёт кросс-модуляции между сигналом и нелинейным ответом ПА. Это приводит к помехам соседних каналов и строгим нормативным ограничениям (например, ACLR).
• AM-AM и AM-PM преобразование — амплитуда и фаза сигнала искажаются в зависимости от мгновенной амплитуды оболочки. AM-PM искажение особенно вредно для фазово-модулированных сигналов (например, QPSK, QAM) при его вращении созвездия.

Современные беспроводные формы волн, такие как мультиплексирование ортогонального частотного деления (OFDM), используемое в 4G/5G, имеют высокий PAPR.Большие колебания оболочек неоднократно толкают PA из линейной области в насыщение, генерируя эффекты памяти (долгосрочная тепловая и электрическая динамика), которые дополнительно усложняют линеаризацию.

Ключевые метрики для измерения линейности PA

Инженеры полагаются на несколько стандартных показателей, чтобы количественно оценить, насколько ПА искажает сигнал. Понимание этих показателей помогает вам устанавливать цели проектирования и оценивать эффективность методов смягчения последствий.

• 1 дБ точка сжатия (P1dB) — уровень выходной мощности, при котором коэффициент усиления снизился на 1 дБ от его малосигнального значения. Работая значительно ниже P1dB (отказ от мощности) обеспечивает линейное поведение, но жертвует эффективностью.
• Точка перехвата третьего порядка (IP3) — теоретическая точка, где фундаментальные и третьи порядки интермодуляции становятся равными; более высокий IP3 указывает на лучшую линейность.
• Рацион смежного утечка каналов (ACLR) — отношение передаваемой мощности в назначенном канале к мощности, утекающей в соседние каналы.Сотовые стандарты предписывают ACLR −45 дБк или лучше.
• Магнитуда вектора ошибки (EVM) — составная мера точности модуляции, которая фиксирует как амплитуду, так и фазовые ошибки. Для 256-QAM типичные требования к EVM ниже 2-3 %.
• Коэффициент мощности шума (NPR) — используется для характеристики линейности внутриполосных сигналов, измеряя, насколько выемка в спектре заполнена шумом интермодуляции.

При разработке стратегии линеаризации вы должны взвесить эти показатели против энергоэффективности (PAE, энергоэффективности с добавлением мощности) и стоимости. Часто оптимальной точкой проектирования является компромисс, который удовлетворяет целям системы EVM и ACLR при достижении приемлемого срока службы батареи или теплового рассеивания.

Стратегии смягчения нелинейности усилителя мощности

Единой методики редко бывает достаточно для требовательных связей с высокой скоростью передачи данных. Наиболее эффективные решения сочетают в себе выбор времени проектирования (выбор устройств, смещения) с активной линеаризацией, которая адаптируется в режиме реального времени. В следующих разделах подробно описаны наиболее широко используемые подходы, а также их сильные стороны и соображения практической реализации.

1.Возвращение и предвзятость

Самый простой способ - это управлять PA с большим отключением мощности - то есть уменьшить входной привод, чтобы выход был значительно ниже P1dB. Оставаясь в линейной области, PA генерирует незначительное искажение. Однако это происходит за счет низкой эффективности с добавлением мощности (PAE). Для класса-AB PA, PAE может снизиться с 50% почти до 20% при требуемом отключке. В портативных устройствах, где время автономной работы имеет первостепенное значение, только отключение часто недостаточно. Правильное смещение (выбор покоящегося тока и напряжения затвора / стека) также помогает сформировать кривую передачи. Например, смещение класса-A предлагает лучшую линейность, но худшую эффективность; класс-AB дает компромисс; класс-C обеспечивает высокую эффективность, но тяжелую нелинейность, если не сочетается с другими линеаризаторами. В системах с высокой скоростью передачи данных дизайнеры обычно используют архитектуры класса-AB или класса-J с умеренным отключением в качестве базовой линии, а затем добавить цифровое искажение для очистки оставшихся ошибок.

2. Цифровое искажение (DPD)

Цифровое преискажение — самый популярный метод активной линеаризации, используемый в современных базовых станциях, мобильных телефонах и спутниковых терминалах. Концепция элегантна: до того, как сигнал достигает PA, он проходит через цифровой блок, который применяет обратную модель нелинейности PA. Каскад преискателя и PA затем приближается к идеальной системе линейного усиления.

Реализация DPD включает в себя два основных шага: (а) моделирование поведения PA и (б) адаптационное обновление коэффициентов преискателя. Модели PA варьируются от простых полиномов без памяти (подходящих для узкополосных сигналов) до сложных серий Volterra или нейронных сетей, которые захватывают эффекты памяти (важные для широкополосных сигналов). В цикле адаптации обычно используется путь обратной связи, который измеряет выход PA, преобразует и оцифровывает его, а затем вычисляет сигнал ошибки, который управляет алгоритмом обучения. Общие алгоритмы включают:

• Наименее средние квадраты (LMS) — простые и малосложные, но медленно сходящиеся для моделей высокого порядка.
• Рекурсивные наименьшие квадраты (RLS) — более быстрая конвергенция, но более высокая вычислительная нагрузка.
• Архитектура косвенного обучения — популярная структура, где обратная модель обучается с использованием вывода PA и желаемого ввода.

DPD может уменьшить IMD и спектральный рост на 20 дБ или более, что позволяет PA работать гораздо ближе к насыщению и, таким образом, достичь более высокой общей эффективности. Например, PAA с коррекцией DPD на 10 дБ может достигать PAE > 45% при соблюдении требований LTE ACLR. В системах 5G NR DPD имеет важное значение, потому что широкая полоса пропускания (до 100 МГц на носитель) и высокая потребность в модуляции высокого порядка очень низкая EVM. Многие производители чипсетов встраивают двигатели DPD непосредственно в свои приемопередающие SoC.

Одна из проблем с DPD заключается в том, что модель должна часто обновляться по мере изменения температуры, напряжения питания и старения характеристик PA. Кроме того, приемник обратной связи вводит свои собственные нарушения; необходима тщательная конструкция пути наблюдения (например, с помощью соединителя, нисходящего преобразователя и ADC с достаточным динамическим диапазоном). Несмотря на эти сложности, DPD остается рабочей лошадкой PA линеаризации в беспроводной инфраструктуре и высокопроизводительных мобильных устройствах. Для более подробного фона см. статью в Википедии о цифровом искажении .

В сочетании с DPD отслеживание конвертов может дать некоторые из лучших компромиссов по эффективности-линейности. Многие PA-устройства смартфонов (особенно для LTE / 5G) используют ET для достижения строгих целей эффективности. Для более глубокого погружения прочитайте техническую статью об устройствах в журнале Envelope Tracking .

• Потребление мощности самого линеаризатора — Двигатель DPD, огибающий усилитель или петля переднего хода потребляет дополнительную мощность, которая должна учитываться в общем бюджете эффективности. Часто чистый прирост эффективности системы положителен, но требуется тщательная оптимизация.
• Связь и сигнал PAPR — более широкие полосы пропускания увеличивают эффекты памяти и требуют моделей DPD более высокого порядка. ET требует усилителей оболочки с высокой пропускной способностью, которые становятся менее эффективными по мере роста полосы пропускания.
• Интеграция и стоимость — решения SoC, которые встраивают DPD в модем или приемопередатчик, уменьшают внешние компоненты. GaN PAs дороже кремния, но предлагают превосходную производительность для высокоскоростных широкополосных каналов.
• Регуляторное и соответствие стандартам — стандарты сотовой связи и Wi-Fi определяют пределы EVM, ACLR и выбросов. Ваше решение для линеаризации должно быть достаточно надежным, чтобы поддерживать эти пределы по температуре, изменению процесса и старению.
• Тестирование и характеристика — точное измерение нелинейности PA требует калиброванных анализаторов векторных сигналов, стрелочных сигналов и модулированных тестовых сигналов (например, 5G-NR TM3.1). Для получения дополнительной информации о методах измерения см. примечание приложения Keysight о характеристике PA .

Заключение

Смягчение нелинейности усилителя мощности является многогранной инженерной задачей, которая напрямую влияет на производительность беспроводных линий с высокой скоростью передачи данных. Постоянно растущий спрос на спектральную эффективность и пропускную способность заставляет PA работать ближе к их пределам, что делает линеаризацию обязательной. Ни одна технология не обеспечивает универсальное решение; самые надежные конструкции сочетают тщательный выбор устройства, оптимальное смещение и один или несколько активных методов линеаризации - чаще всего цифровое искажение, отслеживание оболочек или архитектуры Доэрти.

По мере развития технологий мы можем ожидать более широкого внедрения машинного обучения для адаптации в режиме реального времени, более широкого использования устройств GaN для их превосходной линейности и эффективности, а также новых архитектур, таких как абсфальтирование и модулированные усилители нагрузки. Быть в курсе этих разработок поможет вам разрабатывать беспроводные линии связи, которые отвечают самым жестким спецификациям, сохраняя при этом потребление энергии и стоимость под контролем. Понимая основы нелинейности PA и спектр стратегий смягчения, изложенных здесь, вы хорошо оснащены для решения проблемы линейности в вашем следующем проекте беспроводной передачи данных с высокой скоростью передачи данных.