Влияние нелинейных усилителей мощности на фазово-модулируемое качество сигнала

Нелинейные усилители мощности (NPA) являются фундаментальными строительными блоками практически в каждом современном радиочастотном (RF) передатчике, от сотовых базовых станций и спутниковых линий связи до маршрутизаторов Wi-Fi и радиолокационных систем. Их основная функция - повышение сигнала малой мощности до уровня, достаточного для надежной передачи по беспроводному каналу - имеет важное значение, но присущая нелинейность этих устройств вводит искажения, которые могут серьезно ухудшить качество сигнала. Это ухудшение особенно важно для фазовых модулированных сигналов [FLT: 0], которые кодируют информацию в фазе несущей волны. В фазовых схемах модуляции, таких как BPSK, QPSK и QAM более высокого порядка, даже небольшие фазовые ошибки могут привести к ошибкам демодуляции, более высоким частотам битовых ошибок (BER) и уменьшенной пропускной способности системы. Понимание точных механизмов, с помощью которых NPA искажают фазовые модулированные сигналы, и методы, доступные для смягчения этих эффектов, жизненно важно для инженеров, проектирующих надежные, высокопроизводительные линии связи.

Понимание нелинейных усилителей мощности

Линейность усилителя мощности определяется тем, насколько точно его выходной сигнал повторяет входной сигнал, масштабируемый только постоянным усилением. Идеальный усилитель будет производить идеально масштабированную версию ввода без введения каких-либо частотных компонентов, выходящих за рамки тех, которые присутствуют в исходном сигнале. Однако усилители реального мира проявляют нелинейные характеристики передачи , особенно когда они приводятся в насыщение для достижения более высокой эффективности. Два наиболее распространенных проявления нелинейности - преобразование амплитуды в амплитуду (AM-AM) и преобразование амплитуды в фазу (AM-PM).

AM-AM-искажение описывает, как выходная мощность сжимается при увеличении входной мощности за пределами линейной области. Например, увеличение входной мощности на 1 дБ может привести только к увеличению выходной мощности на 0,5 дБ. Искажение AM-PM относится к непреднамеренному фазовому сдвигу, который происходит при изменении амплитуды входной мощности. Во многих усилителях мощности радиочастот этот фазовый сдвиг может составлять несколько градусов на дБ входного привода, непосредственно повреждая фазово-модулированные сигналы.

Классы усилителей мощности отличаются присущей им линейностью и эффективностью. Усилители класса А отличаются высокой линейностью, но страдают от низкой эффективности (теоретически 50%, часто намного меньше на практике). Усилители класса AB предлагают компромисс, обеспечивая лучшую эффективность с приемлемой линейностью для многих применений. Усилители класса C эффективны, но очень нелинейны, что делает их непригодными для фазово-модулированных сигналов без внешней линеаризации. Выбор класса усилителя и рабочей точки - часто выражается как выходной откат по отношению к точке сжатия 1 дБ - непосредственно влияет на возникающее искажение.

Фазовая модуляция и ее роль в современных коммуникациях

Фазовая модуляция (PM) и ее цифровые варианты (фазовая смена ключа, PSK) кодируют данные путем изменения фазы сигнала несущей постоянной амплитуды. В двоичной PSK (BPSK) две фазы (0° и 180°) представляют собой один бит. Quadrature PSK (QPSK) использует четыре отдельные фазы, каждая из которых представляет два бита. Более высокие форматы порядка, такие как 16-QAM (квадратурная амплитуда модуляции), объединяют как амплитуду, так и фазовые вариации для достижения еще более высокой спектральной эффективности.

Чувствительность к фазовым ошибкам возрастает с порядком схемы модуляции. Приемник QPSK может выдержать фазовую ошибку около ±45°, прежде чем совершить ошибку демодуляции, но сигнал 64-QAM, который использует 64 различных точки созвездия, может допускать менее ±5° фазового отклонения. Любое искажение, вносимое нелинейным усилителем мощности, которое вызывает фазовый сдвиг, такой как преобразование AM-PM, напрямую переводится во вращение точек созвездия. Это вращение, если не исправлено, толкает символы к границам решения и вызывает ошибки.

Влияние нелинейных усилителей мощности на фазово-модулированное сигналирование

AM-AM и AM-PM искажение

Основным механизмом, посредством которого NPA деградируют фазово-модулированные сигналы, является комбинация сжатия AM-AM и преобразования AM-PM. Для фазово-модулированного сигнала с постоянной амплитудой (например, чистый PSK без изменения амплитуды), преобразование AM-PM является доминирующей проблемой. Поскольку оболочка несущей изменяется из-за фильтрованных форм импульсов или QAM более высокого порядка, в игру вступают искажения AM-AM и AM-PM.

Рассмотрим сигнал QPSK, который был отфильтрован с помощью формы импульса корневого козина (RRC) для ограничения полосы пропускания. Фильтрация вызывает амплитудные колебания (вариации контуров) даже на номинально постоянной модуляции. Когда такой сигнал проходит через усилитель мощности со значительным преобразованием AM-PM, каждый мгновенный уровень амплитуды испытывает различный фазовый сдвиг. Это приводит к фазово-зависимому распространению точек созвездия , эффективно вводя форму фазового шума, которая коррелирует с сигнальной оболочкой.

Спектральный рост и помехи соседствующего канала

Нелинейные усилители производят искажения интермодуляции (IMD), которые генерируют частотные компоненты вне исходной полосы пропускания сигнала. Это явление, известное как спектральный рост , распространяет энергию в смежные каналы. В сотовых системах правила ограничивают допустимые выбросы из диапазона, поэтому спектральный рост от NPA может привести к нарушению требований лицензирования. Для фазово-модулированного сигнала спектральный рост является прямым следствием амплитудного искажения и нелинейных фазовых сдвигов. Количество регенерации увеличивается с пиковым-средним соотношением мощности (PAPR) сигнала, поэтому модуляции более высокого порядка (с более высоким PAPR) более восприимчивы.

Соотношение смежной утечки канала (ACLR) является ключевой метрической величиной, используемой для количественной оценки этого эффекта. Типичная базовая станция 4G LTE должна поддерживать ACLR по меньшей мере -45 дБк. Достижение этого с нелинейным усилителем требует либо значительного отключения выхода (снижающая эффективность), либо методов линеаризации.

Величина вектора ошибки (EVM)

Величина вектора ошибки (EVM) является комплексным показателем качества модуляции, который фиксирует как погрешности величины, так и фазовые ошибки. Он сравнивает идеальные точки созвездия с фактическими принятыми точками после демографии. Для фазово-модулированных сигналов доминирующим вкладом в EVM от NPA часто является компонент фазовой ошибки. Типичный сигнал 64-QAM может потребовать EVM ниже 3% для надежной работы, в то время как 256-QAM толкает это требование ниже 1,5%.

Измерения на современном усилителе мощности галлия-нитрида (GaN), например, показывают, что при 3-дБ обратном отскоке от точки сжатия 1-дБ EVM для сигнала 64-QAM может составлять около 2,5%. При полном сжатии EVM может превышать 10%, делая сигнал неотделимым. Нелинейные фазовые сдвиги (AM-PM) обычно являются крупнейшим фактором EVM в таких измерениях, особенно когда усилитель проявляет эффект памяти - где фазовый сдвиг зависит не только от мгновенного ввода, но и от предыдущей истории сигнала.

Воздействие на коэффициент Bit Error Rate (BER)

Конечным следствием деградации EVM является увеличение скорости битовых ошибок. Для данной схемы модуляции существует четко определенная связь между EVM и BER при добавочном белом гауссовом шуме (AWGN). Когда нелинейность NPA повышает EVM, эффективное отношение сигнал-шум (SNR) снижается, что приводит к более высокому BER. На практике разработчики системы должны выделять бюджет для этой деградации: например, типичный бюджет связи может выделять 2-3 дБ запаса SNR для нелинейности усилителя мощности. Если фактическая деградация превышает этот запас, ссылка выходит из строя.

Методы смягчения для нелинейных усилителей мощности

Цифровое искажение (DPD)

Цифровое преискажение является наиболее широко используемым методом линеаризации в современных коммуникациях. DPD работает путем вставки цифрового блока перед усилителем мощности, который применяет обратную функцию передачи усилителя., если усилитель вводит фазовый сдвиг +5° при определенной амплитуде, преискатель вводит фазовый сдвиг -5°. Аналогично, сжатие усиления предварительно компенсируется. Алгоритмы адаптивного DPD постоянно контролируют выходной сигнал (через путь обратной связи) и обновляют коэффициенты преискателя для отслеживания изменений из-за температуры, старения или напряжения питания.

Эффективный DPD может снизить EVM с нескольких процентов до значительно ниже 1% и может улучшить ACLR на 15-20 дБ. Реализация требует цифрового сигнального процессора (DSP) и приемника обратной связи, добавляя сложность и энергопотребление. Тем не менее, для базовых станций и мощных передатчиков DPD является стандартным требованием. Приложения от крупных производителей полупроводников (например, Analog Devices, Texas Instruments) обеспечивают обширное руководство по проектированию DPD для различных форматов модуляции (] Аналоговые устройства: силовая усилитель линейная обработка с использованием цифрового искажения .

Обратная связь и линейная передача Feedforward

Аналоговые методы линеаризации предшествуют DPD и до сих пор используются в некоторых сценариях.Линейеризация расщепляет входной сигнал на два пути: основной путь через NPA и опорный путь, который остаётся линейным. Искажение, производимое NPA, извлекается путём сравнения ослабленного выхода со эталонным, усиливается усилителем ошибок и вычитается из основного вывода.Фидфорвард может достигать очень высокой линейности (ACLR лучше —60 дБк), но неэффективен, поскольку усилитель ошибок потребляет дополнительную мощность и система чувствительна к фазовому и амплитудному дисбалансам.

Обратная связь Линеаризация (например, декартовая обратная связь) использует нисходящую версию вывода для коррекции ввода в реальном времени. Она проще, чем в режиме «поток-вперед», но имеет проблемы с стабильностью, особенно при высоких пропускных способность. Обе технологии в значительной степени были вытеснены цифровым искажением в современных конструкциях, хотя они остаются актуальными в некоторых нишевых приложениях, где цифровая электроника непрактична.

Усилители слежения за конвертами и Doherty

Нелинейность в усилителях мощности часто проистекает из работы вблизи насыщения для достижения высокой эффективности. Отслеживание контура (ET) решает эту проблему путем динамической регулировки напряжения питания усилителя для отслеживания оболочки входного сигнала. Когда амплитуда сигнала низкая, источник питания уменьшается, экономя мощность; когда амплитуда высока, источник питания увеличивается, чтобы избежать сжатия. ET может повысить эффективность на 10-20 процентных пунктов при сохранении хорошей линейности. Метод требует быстрого, эффективного модулятора оболочки и тщательной синхронизации.

Усилитель Доэрти является ещё одним архитектурным подходом, который сочетает в себе основной усилитель (предвзятый в классе AB) и пиковый усилитель (предвзятый в классе C). При низких уровнях мощности работает только основной усилитель, обеспечивающий хорошую линейность. По мере увеличения мощности пиковый усилитель включается, обеспечивая дополнительный ток и эффективно «сжимая» основной усилитель. Архитектура Доэрти широко используется в сотовых базовых станциях, поскольку они достигают высокой эффективности (более 55%) при 6-дБ обратном выходе от пиковой мощности. В то время как усилители Доэрти по своей сути более линейны, чем один усилитель класса AB, приводимый в ту же область, они по-прежнему требуют DPD для удовлетворения строгих требований к сотовой связи (]IEEE MTT-S: усилитель мощности Доэрти .

Crest Factor Reduction (CFR) и Pulse Shaping (Формирование импульсов)

Другой способ уменьшить искажение - это снизить отношение мощности к пику-среднему передаваемого сигнала. Снижение коэффициента Креста изменяет форму волны (через обрезку, оконное затмение пика или резервирование тона) для уменьшения пиков большой амплитуды. Поскольку нелинейность наиболее выражена при высоких мгновенных мощностях, снижение коэффициента гребня позволяет усилителю работать с меньшим откатом, повышая эффективность при достижении целей ACLR. CFR часто используется в сочетании с DPD.

Формирование импульсов (выбор передающего фильтра) также влияет на статистику оболочек. Фильтрация корневыращенных косинусов, в то время как спектрально эффективна, вводит высокую PAPR. Альтернативные формы импульсов, которые обмениваются некоторой полосой пропускания для более низкого PAPR, могут снизить требования к усилителю мощности, хотя они менее распространены на практике из-за спектральных масок.

Практические вызовы и компромиссы

Ни один метод смягчения не является панацеей. DPD требует пути обратной связи и цифровой вычислительной мощности, увеличивая стоимость и сложность. Отслеживание конвертов добавляет высокоскоростной модулятор и преобразователь DC-DC. Усилители Doherty включают тщательную конструкцию инверторов импеданса и могут быть узкополосными. Инженеры должны сбалансировать эти факторы с системными требованиями к линейности, эффективности, пропускной способности, стоимости и размеру.

Эффекты памяти дополнительно усложняют линеаризацию. В широкополосных приложениях (например, 100-МГц 5G-каналы) нелинейное поведение усилителя мощности зависит от прошлых входных образцов из-за тепловых, электрических (резонанс биас-схемы) и эффектов захвата заряда. Для захвата этой динамики необходимы продвинутые модели DPD, такие как серии Volterra, полином памяти или подходы нейронной сети (]IEEE: Сравнительный анализ полиномиальных моделей памяти для цифрового искажения .

Операционная температура также играет роль. По мере нагревания усилителя мощности его усиление падает и сдвиг фазовых характеристик, потенциально ухудшая любые фиксированные настройки преискажения. Адаптивный DPD, который обновляет коэффициенты на единицу измерения или на единицу измерения, может отслеживать тепловой дрейф.

Новые технологии для усиления мощности высокой степени сложности

Спрос на более высокие скорости передачи данных (и, следовательно, модуляции более высокого порядка) продолжает подталкивать требования к линейности усилителя мощности.

  • Транзисторы нитрида галлия (GaN): Устройства GaN предлагают более высокое напряжение пробоя, более высокую плотность мощности и более широкую полосу пропускания, чем традиционные устройства LDMOS или GaAs. Они могут работать ближе к сжатию, сохраняя при этом приемлемую линейность, что позволяет более эффективно проектировать. GaN все чаще используется в базовых станциях 5G и военных радарах.
  • Усилители цифровой мощности: Используя коммутационный усилитель (например, класс-S) в сочетании с быстрым цифровым модулятором, можно достичь высокой эффективности и по существу устранить аналоговые нелинейности.Проблема заключается в скорости коммутации и фильтре реконструкции, но прогресс в продвинутой технологии CMOS делает это жизнеспособным для приложений с частотой до 6 ГГц.
  • Машинное обучение для DPD: Глубокие нейронные сети (DNN) могут моделировать сложные усилители нелинейности с высокой точностью, включая эффекты долговременной памяти, с которыми борются обычные полиномиальные модели.Последняя работа показывает, что DPD на основе DNN может превосходить традиционные подходы как с точки зрения производительности линеаризации, так и с точки зрения вычислительной эффективности (]arXiv: Глубокая нейронная сеть для цифрового искажения усилителей мощности RF .
  • Модуляция нагрузки: За пределами архитектуры Доэрти методы динамической модуляции нагрузки (например, с использованием варакторов или переключателей) могут адаптивно регулировать импеданс, представленный усилителю, поддерживая высокую эффективность и линейность в диапазоне выходных мощностей.

Заключение

Нелинейные усилители мощности необходимы для достижения выходной мощности, необходимой в беспроводной связи, но их присущие искажения AM-AM и AM-PM представляют прямую угрозу целостности фазово-модулированных сигналов. Результирующий спектральный рост, деградация EVM и увеличение частоты ошибок битов могут сделать связь ненадежной, если ее не исправить. Широкий спектр методов смягчения - от цифрового искажения и прямой линеаризации до отслеживания оболочек и архитектуры Доэрти - предоставляет разработчикам систем инструментарий для балансировки линейности, эффективности, стоимости и сложности. Поскольку заказы на модуляцию продолжают подниматься к 256-QAM и за его пределами, а поскольку полосы пропускания расширяются до сотен мегагерц, разработка линейности усилителя мощности будет оставаться центральной задачей. Достижения в полупроводниковых материалах, цифровых алгоритмах и топологиях усилителя обещают идти в ногу, но тщательное внимание к взаимодействию между нелинейностью усилителя и фазовой модуляцией имеет важное значение для любого, кто разрабатывает беспроводные системы завтрашнего дня.