Yüksek kablosuz bağlantılardaki yüksek çözünürlükteki güç amplifikasyonu nasıl azaltılır

YüksekData-Rate Links'daki Güçsel Ampirasyon Nonlinearitys'e Giriş

Modern kablosuz iletişim sistemleri - 5G hücresel ağlardan uydu arka kanal ve Wi-Fi 6/7 - yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte (FLT) kontrol edilen trafikten biri olan, her verici veri oranını ve bu sistemlerde verimliliktir.Bir PA'nun olmayan bölgeye doğru yol açtığında, uyumlu olmayan ürünler ve regülatörün bozulmasına neden olur.[Döneticileri ihlal eder.

Kablosuz standartlar yüksek sipariş modülasyon şemalarına doğru itiyor (örneğin, 256-QAM, 1024-QAM) ve daha geniş bant genişliği (100 MHz ve ötesinde), sinyal zarfı büyük toplayıcı olmayan güç oranını gösteriyor (PAPR). Bu, PA'nun temel nedenlerini inceler: güç tüketimini en aza indirmek için yüksek verimlilikle çalışmalıdır, ancak sinyal bütünlüğünü korumak için yeterince lineer kalır.Bu makale, yüksek çözünürlükteki yöntemleri anlamak ve azaltmak için kapsamlı, pratik bir kılavuz sunar.

Güç Ampirasyonun Temelleri

Lineer olmayanları etkili bir şekilde azaltmak için, ilk olarak nasıl ortaya çıktığını ve nasıl karakterize olduklarını anlamanız gerekir. A PA, yüksek çözünürlükte olmayan bir cihazdır; transfer özelliği ( ⁇ gerilim vs. giriş gerilimi) düz bir çizgiden sapmaya devam eder, özellikle de yakın bir şekilde.Bu, polinom genişleme veya daha sofistike bir Volterra serisi olarak modellenebilir.

• [FONT:0]Harmonik bozulma[[Dönetici: 1))[[Dönetici: 1) taşıyıcı frekansının birden çok yerinde güçlü bileşenler, tipik olarak filtrelenmiş ancak çoklu bant sistemlerinde müdahaleye neden olabilir.
• [FONT=0)[D)[D)[D)[D)[D))[D))[0)))[MİLMİŞT:0)[MİLMİŞİMD:0)[MİLMİŞİMD)[MİŞİMD) - iki veya daha fazla ton (veya geniş bir bant sinyali) PA. Üçüncü sipariş sipariş sipariş sipariş sipariş kesintisi ile geçer.
• [FONT=0]Spectral regrowth[Dönetici: 1))[Dönderlik ve PA'nın doğrusal olmayan cevabı arasındaki geçiş nedeniyle, bu, kanal dışı müdahale ve katı düzenleyici sınırlara yol açar (örneğin ACLR).
• [FONT=0]AM-AM ve AM-PM dönüşüm[DÜDÜT:1) – sinyal amplitüd ve faz, anlık zarf amplifikasyon işlevi olarak çarpıtılır. AM-PM bozulma özellikle faz ayarlanmış sinyalleri için zararlıdır (örneğin QPSK, QAM).

4G/5G'de kullanılan Orthogonal Frekans Bölünmesi (OFDM) gibi modern kablosuz dalgaformları, yüksek PAPR'ye sahiptir. Büyük zarf dalgalanmaları, PA'yı tekrar lineerasyona sürükler, hafıza etkilerini (uzun vadeli termal ve elektrik dinamikleri) üretir.

PA Linearity'yi Ölçmek için Anahtar Top Ölçümleri

Mühendisler, bir PA distortlarının bir sinyalin ne kadarını ölçmek için çeşitli standart değerlere güveniyorlar. Bu ölçümler tasarım hedeflerini belirlemenize ve mitigation tekniklerinin etkinliğini değerlendirmenize yardımcı oluyor.

• [FONT:0]1 dB sıkıştırma noktası (P1dB)) - kazançların küçük imzalı değerden 1 dB tarafından düştüğü çıktı gücü seviyesi.P1dB (power back-off) altında iyi çalıştırmak, lineer davranışlara olanak sağlar, ancak fedakarlıklar verimliliğini sağlar.
• [FONT:0]Thirdorder---posta noktası (IP3)[Dönetici: 1) temel ve üçüncü sipariş verme yetkilerinin eşit hale geldiği teorik bir nokta; daha yüksek IP3 daha iyi doğrusallık gösterir.
• [FONT=0)Adjacent Channel Leakage Oran (ACLR)[Dönetici:0)[değiştir | kaynağı değiştir][değiştir | kaynağı değiştir]
• [FONT=0)Error Vector Magnitude (EVM)[DÜT:1)[değiştir | kaynağı değiştir] - hem amplif hem de faz hatalarına kaplanan modülasyon doğruluğunın bir kompozit ölçüsü. 256-QAM için, tipik EVM gereksinimlerinin 2-3'ün altında.
• [FONT=0) Güç Oranı (NPR))[FONT=0)[değiştir | kaynağı değiştir], spektrumda ne kadar bir yer olmayan sinyallerin ölçülmesini ölçmek için kullanılan bir dizi doğrusallık.

Lineer bir strateji geliştirirken, bu ölçümleri güç verimliliğine karşı tartmalısınız (PAE, güç katma verimliliği) ve maliyet. genellikle en uygun tasarım noktası, sistemi kabul edilebilir batarya hayatına veya ısıtılmasına rağmen, bu hassas hedeflerdir.

Güç Amplifier Nonlinearities için mücadele stratejileri

Tek bir teknik, yüksek çözünürlükte bağlantıları talep etmekte nadiren yeterlidir. En etkili çözümler tasarım-zaman seçimlerini birleştirir (tavice seçimi, önyargılı) gerçek zamanlı olarak adapte eden aktif lineerizasyon ile birleştirir. Aşağıdaki bölümler, en yaygın kullanılan yaklaşımları ayrıntılı olarak, güçlü ve pratik uygulama gözleriyle birlikte.

1. Power Back-Off ve Biasing

En basit yöntem, yüksek bir geri dönüş ile PA'yu çalıştırmaktır - bu, giriş sürücüyü azaltmak için, P1dB'nin altında kalanların ortalama 20'ye kadar en iyi şekilde geri dönüştüğünü ifade eder.Ancak, bu, batarya yaşamının düşük derecede geri dönüşte başarısız olduğu durumlarda, geri dönüşsüz bir şekilde geri dönüşen yüksek çözünürlükte (PAE) bir sınıf için geri dönüş süresine yardımcı olur.

2. Dijital Predistortion (DPD)

[FONT=0] Dijital predistortion[Dönetici:0)[Dönetici], modern baz istasyonlarında kullanılan en popüler aktif lineerizasyon tekniğidir, mobil eller ve uydu terminalleri. Konsept zariftir: sinyale ulaşmadan önce, PA'nun ters bir modelini uygular.

DPD'nin uygulanması iki ana adım içerir: (a) hafıza davranışını modellemek ve (b) PA çıktısını örnek alan bir geri bildirim yolu kullanır. PA modelleri basit hafızasız polinomlar (daha sonra, dar bant sinyalleri için uygun) bir hata sinyali hesaplar. Common algoritmaları içerir:

• [FONT:0)Least ortalama Squares (LMS)) – basit ve düşük karmaşıklık, ancak yüksek sipariş modelleri için yavaş yavaş yavaş yavaş bir şekilde yakınlaşır.
• [FONT:0)Recursive Least Squares (RLS)) – daha hızlı yakınlaşma ama daha yüksek hesaplama yükü.
• [FONT:0]Önmüş öğrenme mimarisi[Dönetici:0)[Dön modelin PA çıktısını ve istenen girdileri kullanarak eğitildiği popüler bir yapı.

DPD, 20 dB veya daha fazla ile IMD ve ⁇ regrowth'u azaltabilir, çünkü PA'nın taşıyıcı başına çok daha yakın çalışmasını sağlar) ve yüksek sipariş modulama talebi çok düşük EVM'ye sahip birçok çipli satıcı DPD düzeltmesi, DPD motorlarını doğrudan transceiver SoC'li olarak gerçekleştirebilir.

DPD ile bir meydan okuma, modelin sık sık sıcaklık, tedarik gerilimi ve yaşlanma değişikliği ile PA'nun özelliklerini ortaya koyar; geri bildirim alıcı, kendi bozulmalarını sunar; gözlem yolu hakkında dikkatli bir tasarım (örneğin, bir çift, aşağılayıcı kullanarak) ve ADC gerekir[DPD)

3. En Geliştirme İzleme (ET)

[FONT:0]Engelişme[[Dönetici:0)[[Dönetici:0)Engelişme[Dönetici)[Dönetici: 0,0))))))))) Sürekli olarak, PA'nın tedarik gerilimini gerçek zamanlı olarak optimize etmek için - özellikle de RF sinyalinin anında takip etmek için.

Bir ET sisteminde, geniş bir bantlı zarf yükselteç (genellikle bir lineer bir düzenleyici ile birlikte yüksek hızlı bir geçiş dönüştürücü) modulu drenaj gerilimi yaratır. PA genellikle Sınıf-AB veya Sınıf-J işlemi için tasarlanmıştır ve tedarik gerilimi, 0.5 V'den 5 V'e kadar dönüştürülebilir (veya daha fazla, cihaz teknolojisine bağlı olarak).

• [FONT=0]Timingeks[[Dönetici:0)[Dönetici][Dönekli) ve speratiflik ile tam olarak senkronize edilmelidir.
• [FONT:0)Band genişlik[[[Dönetici: 1))[[Ködücüler, hızlı zarf varyasyonlarını takip etmek için birkaç kez RF sinyal bant genişliğine sahip olmalıdır (örneğin, 100 MHz 5G sinyali için 200 MHz).
• [FONT:0][Dönetici: 1))[Dönetici: 0)[Dönetici: 0)))))))))))))))))))))))))))))

DPD ile birleştirildiğinde, zarf takip, En Geliştirme İzlemesi Üzerine En İyi Verimlilik Aracılığı (özellikle LTE/5G) bazılarında elde edebilir.Daha derin bir dalış için, [[ENFLT:0Analog Cihazları En Geliştirmede Teknik Makale).

4. En Geliştirme ve Restorasyon (EER) ve Doherty Power Amplifiers

[FONT:0)En Geliştirme ve Restorasyon (EER)[Dönetici:0) Ayrıca Kahn tekniği olarak da bilinir, bir adım daha ileri gider: RF sinyalini sürekli olarak yüksek bant genişliği ve hassas bir sinyale ayırarak, PA tedarikinde her zaman kullanılan bir sinyaldir.

[FONT=0]Doherty güç yükselteçleri[Döneticileri [Döneticiler 1 ), doğrusallığı korumak için ortalama verimlilik sağlayan daha pratik bir mimaridir. Klasik Doherty, sınıf-AB'de yüksek verimlilik sağlamak için ana PA'dan oluşur ve üst düzeye kadar yüksek verimli bir şekilde şarj edilebilir.Doherty PA-C'de doherty PA-C'de doherty PA'yi daha fazla genişletebilir, çünkü %6'ya kadar uzatılabilir.

5. Feed forward and Feedback Linearization

[FONT=0)Feed forward lineerizasyon[[DÜDÜT:1) PA çıktısını örnekleten iptal eden bir analog tekniktir, hatayı çıkarmak için orijinal girişin çıkarılması ve toleransın arttırılması, o zaman yüksek performanslı yayın ve erken hücresel tekrarlayıcılar ile fazın yanlışlanmasıdır.DPD tarafından modern sistemlerde iyi bir şekilde yükseltilebilir.

[FONT:0]Negative feedback[[[Dönderlik bildirimi dahil) RF'de, yüksek frekanslarda stabilite sorunları nedeniyle nadiren kullanılır. Ancak, zarf geri bildirim ve kutup geri bildirimler bazı dar bant uygulamaları için gösterilmiştir. Geniş bant yüksek çözünürlükte bağlantılar için, geri bildirim genellikle döngü gecikme sınırlamaları nedeniyle pratik değildir.

6. Gelişmiş ve Gelişen Teknikler

Daha yüksek veri oranları ve verimlilik sürücüleri için sürekli zorlama PA lineerizasyonunda inovasyonu sağlar. Bazı umut verici yönler şunları içerir:

• [FONT:0]Makine-öğrenme tabanlı DPD[[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜSTR:0)Makine tabanlı DPD[[[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜ) – sinir ağları ve derin öğrenme modelleri, özellikle de PA, güçlü termal veya tuzak kaynaklı bellek sergilediği bellekleri aktif bir araştırma alanıyla ilgili gerçek zamanlı adaptasyon.
• [FONT=0)Gallium nitride (GaN) HEMTs[[DÜT:1) - GaN cihazları yüksek çözünürlük gerilimi, yüksek güç yoğunluğu ve silikon LDMOS veya GaAs'dan daha iyi lineerity sağlar. GaN PAs daha yüksek tedarik gerilimlerinde çalışabilir 28 V-50 V) ve hem yüksek verimlilik ve geniş bant genişliğine ulaşır, aşırı doğrusallaştırma ihtiyacını azaltır. 5G büyük MIMO dizilerinde giderek daha fazla kullanılır.
• [FONT:0)Load-modated dengeli yükselteçler (LMBAs)) – node ile ayarlanabilir düğümün bir araya gelmesi, bir Doherty ile benzer bir verimlilik geliştirmekle birlikte, daha geniş bant genişliğiyle araştırılıyor.
• [FONT=0] Dijital güç yükselteçleri[[Dönetici:0) [Döneticiler)[Döneticileri) [Dönderler) – yüksek hızlı bir dijital sinyal tarafından yönlendirilen yüksek çözünürlük, yüksek çözünürlükte bulunan ve yüksek entegrasyon söz konusu olabilir.
• [FONT:0)Outphasing (LINC) vericiler [DFLT:1) - iki sabit gelişim yükselteç yükselteçleri amplifikasyon ile bir araya getirilir.

Bu tekniklerin her biri karmaşık, bant genişliği ve güç tüketimi ile geliyor. En iyi seçim belirli bir uygulamaya bağlıdır: düşük maliyetli IoT cihazı geri yüklemeye güvenebilirken, 5G üssü istasyonu DPD + Doherty + takip zarfını çalıştıracaktır.

Sistem Tasarımcıları için Pratik Bakışlar

PA doğrusallaştırmayı yüksek kablosuz bağlantı için uygularken, aşağıdaki sistemi seviye faktörleri göz önünde bulundurun:

• [FONT=0) Lineerleştiricinin enerji tüketiminin kendisi (%) – bir DPD motoru, bir zarf yükselticisi veya bir besleme döngüsü genel verimlilik bütçesine faktörlenmiş ek güç tüketmelidir. Genellikle sistem verimliliğinin net bir şekilde kazanılması gerekir.
• [FONT:0]Band genişlik ve sinyal PAPR[[DÜT:1) - daha geniş bant genişliği hafıza etkilerini artırmak ve DPD modellerini daha yüksek sipariş etmek gerektirir. ET, bant genişliği büyüdükçe daha az verimli hale gelen yüksek bant genişliği yükselteçleri gerektirir.
• [FONT:0)Integration ve maliyet - DPD'yi modem veya transceiver çipleri dış bileşenleri azaltır. GaN PAs, silikondan daha pahalı, ancak yüksek güç için daha yüksek performanslı, geniş bant genişliği bağlantıları sunar.
• [FONT:0)Yönerge ve standartlar uyum[[Dönetici: 1) - Hücre ve Wi-Fi standartları EVM, ACLR ve emisyon limitlerini belirtmelidir. Lineerizasyon çözümüniz bu sınırları sıcaklık, süreç varyasyonu ve yaşlanmayı korumak için yeterince sağlam olmalıdır.
• [FONT=0]Testing ve karakterizasyon[[Dönetici:0)[Dönersiz vektör sinyali analizörleri, güç süpürücüleri ve modlu test sinyalleri (örneğin, 5G-NR TM3.1).

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Güç yükselticileri doğrusal olmayanlar, yüksek seviyeli kablosuz bağlantıların performansını doğrudan etkileyen çok yönlü bir mühendislik meydan okumasıdır.Herhangi bir kablosuz bağlantı.Herhangi bir şekilde dijital önyükleme yöntemleri - en yaygın dijital önbellekleme, zarf izleme veya Doherty mimarisine daha yakın çalışmak için.

Teknolojiler geliştikçe, gerçek zamanlı adaptasyon için makine öğreniminin daha büyük bir benimsenmesini, yüksek doğrusallık ve verimlilik için GaN cihazlarının daha geniş kullanımını ve burada belirtilen masyon stratejilerinin spektrumlarını anlamak ve yük devre dışı bırakmak gibi yeni mimarileri görmeyi bekleyebiliriz.Bu gelişmeler hakkında bilgi edinmek, güç tüketimi ve maliyet kontrol altına alırken en zor özellikleri seçmenize yardımcı olacaktır.