面向多載波基站應(yīng)用的波峰因子降低引擎

引言

賽靈思的FPGA在業(yè)內(nèi)被廣泛應(yīng)用于基帶協(xié)處理領(lǐng)域里的蜂窩射頻基站設(shè)計(jì)以及其它先進(jìn)的基帶功能中。除了信道卡應(yīng)用之外，賽靈思的FPGA還支持成本效益高的射頻卡功能的實(shí)現(xiàn)，如數(shù)字上變頻(DUC)和數(shù)字下變頻(DDC)，包括波峰因子降低(CFR)和數(shù)字預(yù)失真(DPD)等先進(jìn)技術(shù)。除了用于WCDMA和WiMAX的射頻卡解決方案之外，賽靈思還推出了能夠?qū)崿F(xiàn)多載波和多天線配置的TD-SCDMA數(shù)字前端解決方案。

本文將介紹賽靈思用于波峰因子降低(CFR)的最新參考解決方案，又稱(chēng)峰值對(duì)消波峰因子降低(PC-CFR)。本文將首先回顧使用CFR技術(shù)的目的，然后簡(jiǎn)要回顧各種CFR技術(shù)，包括對(duì)用于多載波TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的各種解決方案之間的性能比較。本文還將討論用于實(shí)現(xiàn)特定TD-SCDMA多載波系統(tǒng)配置的FPGA資源要求。

振幅因子與射頻功率放大器效率

射頻功率放大器(RFPA)的功率效率在蜂窩射頻基站設(shè)計(jì)中起著非常重要的作用。高效的RFPA解決方案會(huì)降低設(shè)備投資(CAPEX)，因?yàn)檩^小的功率放大器可用于相同的期望輸出功率值，或者需要較少的冷卻基礎(chǔ)設(shè)施。另一方面，因消耗的功率較少，它還可降低運(yùn)營(yíng)支出(OPEX)。

對(duì)射頻功率放大器更高效率的需求已經(jīng)使得基站架構(gòu)從單載波功率放大器輸出無(wú)源組合向基于多載波功率放大器方法的中頻載波數(shù)字組合演進(jìn)。后一種方法還允許采用CFR技術(shù)以及包括DPD的數(shù)字線性化技術(shù)。

然而，載波信號(hào)的線性組合會(huì)出現(xiàn)高峰值平均功率比(PAPR)。這不僅僅適用于3G CDMA載波，更適用于多載波EDGE和GSM信號(hào)。由于在生成單個(gè)CDMA和OFDM載波過(guò)程中對(duì)獨(dú)立的波形進(jìn)行了線性組合，即使單載波CDMA或OFDM信號(hào)也會(huì)顯示高振幅因子(CF)。

當(dāng)CF被用于測(cè)量PAPR時(shí)，可由下列方程定義和計(jì)算：

其中，x是上變頻帶通信號(hào)的真值。

高的波峰因子要求常用的AB類(lèi)RFPA在某些輸出回退電平(Output Back Off Level)上運(yùn)作，以防高峰值信號(hào)把RFPA驅(qū)動(dòng)到非線性工作區(qū)之中。首先考察一下CF和RFPA效率之間的關(guān)系。RFPA的效率被定義為在某一個(gè)工作點(diǎn)上平均輸出功率與直流功率之比，這意味著為了實(shí)現(xiàn)更高的效率，RFPA輸出應(yīng)該被驅(qū)動(dòng)至接近飽和點(diǎn)(超過(guò)飽和點(diǎn)將出現(xiàn)非線性效果)。然而，在實(shí)際運(yùn)作中，輸出功率要回退，這不僅僅是為了解決輸入信號(hào)對(duì)RFPA存在的CF問(wèn)題，同時(shí)還為了解決在RFPA中存在的其它弱非線性問(wèn)題。

圖1說(shuō)明了輸入功率回退(IPBO)和輸出功率回退(OPBO)之間的關(guān)系。為了實(shí)現(xiàn)預(yù)期的OPBO電平，必須提高IPBO。因?yàn)楣ぷ鼽c(diǎn)維持相同，在方程中的分母將保持不變，但是，分子將減小，較大的OPBO會(huì)導(dǎo)致效率的下降。

在圖2中描述了具有強(qiáng)跨導(dǎo)非線性的不同類(lèi)型放大器的典型RFPA的效率，以dB表示OPBO函數(shù)。對(duì)具有12dB OPBO的AB類(lèi)RFPA來(lái)說(shuō)，隨著回退的增加，效率從70％減至約10％。 

 考慮到信號(hào)的高CF，有兩種方式可以解決因OPBO增加導(dǎo)致的效率下降問(wèn)題。其一便是采用有效的波峰因子降低(CFR)方案來(lái)減小多載波輸入信號(hào)的PAPR，并且采用數(shù)字預(yù)失真(DPD)來(lái)擴(kuò)展RFPA的線性工作范圍。通過(guò)減小RFPA組合輸入信號(hào)的PAPR，IPBO可以被縮減，使OPBO更低，從而獲得效率提升。
與不采用CFR實(shí)現(xiàn)8％效率提升的情形相比，利用CFR方案可以實(shí)現(xiàn)大約16％的典型效率提升。下面我們將回顧所常用技術(shù)，并就TD-SCDMA多載波應(yīng)用在性能和資源利用率方面詳細(xì)討論峰值對(duì)消波峰因子降低(PC-CFR)方案。

各種CFR技術(shù)

目前，波峰因子降低方案涵蓋編碼選擇、I&Q或基帶極性限幅、峰值加窗CFR(PW-CFR)、噪聲成形CFR(NS-CFR)和脈沖注入CFR(PI-CFR)等范疇。

賽靈思最近提出了一種稱(chēng)為PC-CFR的技術(shù)，已經(jīng)被證明性能更佳。與此同時(shí)，除了其它優(yōu)點(diǎn)之外，由于自身降低了計(jì)算負(fù)擔(dān)，從而可以消耗更少的資源。

在詳細(xì)討論P(yáng)C-CFR之前，我們將首先簡(jiǎn)要回顧上面提到的三種常用技術(shù)。

PW-CFR

PW-CFR是常規(guī)限幅技術(shù)的延伸，可以通過(guò)應(yīng)用時(shí)域縮放限幅信號(hào)的比例來(lái)降低PAPR。用于常規(guī)限幅的方程如下：y[n]=c(n)·x(n)c(n)用下列方程定義：

其中A是限幅信號(hào)容許的最大幅度。它的思想就是利用平滑的函數(shù)b(n)來(lái)替代c(n)使用合適的窗口，以限制限幅信號(hào)的頻譜擴(kuò)展。PW-CFR方框圖如圖3所示。