解決 mMIMO PA 設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

#1 摘要

大規(guī)模多輸入多輸出(mMIMO)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在提高整體系統(tǒng)效率時(shí)正面臨著挑戰(zhàn)。在瞬時(shí)帶寬達(dá)到 200 MHz 及以上時(shí)，降低功率放大器(PA)在非線性區(qū)域工作時(shí)產(chǎn)生的失真變得愈發(fā)重要。平衡寬帶系統(tǒng)線性度和系統(tǒng)效率是實(shí)現(xiàn) mMIMO 系統(tǒng)在尺寸、重量和功率要求時(shí)必須要滿足的一個(gè)指標(biāo)。為了圍繞給定線性要求設(shè)計(jì)這樣一種寬帶系統(tǒng)，系統(tǒng)優(yōu)化應(yīng)該不止著眼于末級(jí) PA，而應(yīng)將重點(diǎn)拓展至整個(gè)放大鏈路。同樣地，優(yōu)化整體放大鏈路時(shí)也應(yīng)考慮到系統(tǒng)收發(fā)器和數(shù)字預(yù)失真(DPD)算法。

在 Wolfspeed 與 Analog Devices, Inc.(ADI)的合作中，我們就行業(yè)方法展開(kāi)討論，深入研究效率與線性度之間的平衡，并推出以下解決方案：

為放大器產(chǎn)品系列選擇效率更高的器件技術(shù)，即碳化硅基氮化鎵(GaN on SiC)。

應(yīng)用特定 DPD 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、高效的鏈路架構(gòu)。

#2 簡(jiǎn)介

5G 移動(dòng)通信技術(shù)的快速增長(zhǎng)和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的擴(kuò)展正在為越來(lái)越多的用戶帶來(lái)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，其實(shí)現(xiàn)正是借助高效半導(dǎo)體技術(shù)，如碳化硅基氮化鎵(GaN on SiC)。高數(shù)據(jù)傳輸速率可實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)傳輸、更多用戶以及更高的服務(wù)質(zhì)量。為了提供此類服務(wù)，業(yè)內(nèi)正在使用更高階數(shù)的調(diào)制方案和帶寬很大的信號(hào)。這些特性推動(dòng)無(wú)線傳輸中的高數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到新的水平。這使得發(fā)射(TX)鏈的要求更為苛刻，因?yàn)樾枰e極地激發(fā)發(fā)射器的非線性。

在 4G 和 5G 系統(tǒng)中使用的功率放大器架構(gòu)為 Doherty 放大器。該架構(gòu)可在功率回退期間保持峰值效率。而這一點(diǎn)是以即使在功率回退時(shí)仍然要求飽和為代價(jià)。

在 4G 應(yīng)用中，PA 的設(shè)計(jì)是用于相對(duì)窄帶應(yīng)用(帶寬約為 60 MHz)。在此類應(yīng)用中，線性化問(wèn)題主要由最終階段的 Doherty PA 引起。

對(duì)于 5G mMIMO 應(yīng)用，所需的瞬時(shí)帶寬為 160 MHz 或以上。對(duì)于此類寬帶信號(hào)，線性化問(wèn)題則可能是由整個(gè) PA 單元、寬帶收發(fā)器和數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)組合引起。因此，更寬頻帶中的線性化會(huì)受到整個(gè)系統(tǒng)的影響。 除了寬帶要求之外，高效率是 5G 系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。效率要求是 mMIMO 有源天線系統(tǒng)符合尺寸和重量要求的必備條件。高效率功率放大器通常使用非對(duì)稱 Doherty 架構(gòu)。此方法的缺點(diǎn)在于潛在的高度非線性性能。

線性和效率是一對(duì)對(duì)立的設(shè)計(jì)要素，這兩個(gè)參數(shù)需要在 PA 折中處理。為了最大限度提高效率，對(duì) PA 有最低的線性度要求，而 DPD 系統(tǒng)則要確保系統(tǒng)級(jí)的線性要求得以滿足。

當(dāng)設(shè)計(jì)寬帶 PA 以滿足特定線性度要求時(shí)，設(shè)計(jì)的優(yōu)化應(yīng)該如前所述，關(guān)注整個(gè)放大鏈路。同樣地，放大鏈路在優(yōu)化時(shí)也應(yīng)考慮到收發(fā)器系統(tǒng)和 DPD 系統(tǒng)。

#3mMIMO 的功率放大模塊

Wolfspeed 是碳化硅基氮化鎵(GaN on SiC)器件技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，公司垂直整合了半導(dǎo)體材料和器件，提供業(yè)界領(lǐng)先的 GaN RF 功率放大器和晶體管器件。其實(shí)現(xiàn)了從晶體、外延、晶圓、裸芯片與器件設(shè)計(jì)到業(yè)界領(lǐng)先 PA 的 GaN 前端模塊的可靠供應(yīng)。 設(shè)計(jì)拓?fù)?Wolfspeed 的高功率多芯片非對(duì)稱 Doherty PA 模塊(PAM)使用先進(jìn)的碳化硅基氮化鎵 (GaN on SiC) HEMT 器件和準(zhǔn)確的非線性器件模塊 [1] 設(shè)計(jì)，可用于 5G mMIMO 基站應(yīng)用。PAM 采用緊湊表面貼裝封裝設(shè)計(jì)，比分立式元件解決方案小得多。 模塊在搭建全功能、高性能 Doherty PAM 時(shí)需要很少的外部元件。此非對(duì)稱 Doherty PAM 對(duì) 4G 和 5G 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)均適用，采用 48 V 供電電壓和 6 × 6 mm 表面貼裝封裝。為提高效率，在封裝之內(nèi)還集成有二次諧波終端。

▲ 圖 1：Wolfspeed PAM EVB

當(dāng)前生產(chǎn)的 PAM 覆蓋范圍從 2.3 GHz 到 4.0 GHz 不等的 6 GHz 以下移動(dòng)頻段。

WS1A3940：適用于美國(guó) C 頻段 3.7 至 4.0 GHz 設(shè)計(jì)的優(yōu)化模塊

WS1A3640：可在 3.3 GHz 至 3.8GHz 頻率下工作的優(yōu)化模塊。具有設(shè)計(jì)靈活性，可在如 B42 和 B43 設(shè)計(jì)等單頻帶中工作

WS1A2639：適用于 B41 范圍(2.496 GHz 至 2.69 GHz)內(nèi)頻帶設(shè)計(jì)的優(yōu)化模塊

為打造完整的放大器鏈路，WSGPA01 通用放大器被設(shè)計(jì)為驅(qū)動(dòng)器級(jí)，以支持上述器件在高至 5 GHz 頻段中工作的性能。

所有 PAM 器件在平均輸出功率為 38.5 dBm 至 40 dBm 下均表現(xiàn)出出色的線性能力(表 1)，功率增益大于 13.0 dB，飽和功率大于 47 dBm。性能則通過(guò) Analog Devices, Inc. 的 DPD 系統(tǒng)得到驗(yàn)證，瞬時(shí)帶寬(IBW)高達(dá) 200 MHz、峰值平均功率比(PAPR)信號(hào)為 8 dB，

▲ 表 1：LTE 信號(hào)下 PAM 的 RF 性能

#4數(shù)字預(yù)失真(DPD)

在過(guò)去十年中，ADI 集成收發(fā)器已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)高性能平臺(tái)。ADI RadioVerse 系列包括各種集成收發(fā)器，支持最高 200 MHz 的占用帶寬，集成 DPD、波峰系數(shù)削減(CFR)等先進(jìn)功能。

DPD 測(cè)量 開(kāi)發(fā)帶寬能力為 200 MHz 及以上、符合 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)且效率最佳的 PA 是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。為了避免 TX 鏈中的非線性效應(yīng)，解決方案是使用有效的 DPD 算法 [2, 3, 4]。DPD 是一種 PA 線性化技術(shù)，可估算 PA 行為模型，然后消除非線性和記憶影響。這使得 PA 能夠以更高的功率和效率工作。DPD 基本工作原理如圖 2 所示。文獻(xiàn)中提出了多個(gè) DPD 模型。其中大部分是 Volterra 級(jí)數(shù)的簡(jiǎn)化，如廣義記憶多項(xiàng)式(GMP)[4, 5] 和記憶多項(xiàng)式 (MP)[6]。

▲ 圖 2：DPD 工作基本原理

PA 和 DPD 具有部分共生關(guān)系。這種關(guān)系既和諧，也存在問(wèn)題。針對(duì)特定 PA 設(shè)計(jì)而優(yōu)化的 DPD 系統(tǒng)可能無(wú)法充分適用于另一種 PA 設(shè)計(jì)。

通常，將 DPD 和 PA 協(xié)同配置、調(diào)整以匹配特定應(yīng)用后，將會(huì)實(shí)現(xiàn)最佳性能。因此，ADI 和 Wolfspeed 展開(kāi)合作，確保系統(tǒng) [ADI TRx DPD PA] 同時(shí)得到優(yōu)化。密切合作因?yàn)閹捫枨蟮脑黾佣兊梅浅ｊP(guān)鍵。

雙方面臨相應(yīng)的挑戰(zhàn)。Wolfspeed PA 開(kāi)發(fā)人員面臨的挑戰(zhàn)是在保持高整體 RF 性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)更寬的帶寬。ADI DPD 開(kāi)發(fā)人員面臨的挑戰(zhàn)是開(kāi)發(fā)符合 3GPP 規(guī)范、DPD 資源和系統(tǒng)功耗最低的優(yōu)化 DPD 算法。

AD9375 是首款采用片內(nèi) DPD 算法的 ADI RF 收發(fā)器。AD9375 DPD 解決方案支持 3G 和 4G 波形，瞬時(shí)信號(hào)帶寬最高可達(dá) 50 MHz。

對(duì)于帶寬高至 200 MHz 的 5G 系統(tǒng)(3G 和 4G 也適用)，ADRV9029 提供兩種 DPD 解決方案(Gen3 和 Gen4)，并于去年發(fā)布。

ADI 的下一代收發(fā)器將采用更加強(qiáng)大的 DPD 算法(Gen5)，具有更快的自適應(yīng)速率和更高的 DPD 采樣率，可滿足 400 MHz 5G 系統(tǒng)要求。該收發(fā)器還具有嵌入式 GaN 電荷捕獲校正 (CTC)IP，可提高 TDD 系統(tǒng)中 GaN EVM 合規(guī)性，并可進(jìn)一步增強(qiáng)動(dòng)態(tài)流量性能。新型 8T8R 收發(fā)器具有更快的恢復(fù)時(shí)間，可提供實(shí)時(shí)恢復(fù)和穩(wěn)定性 [7]。

▲ 表 2：ADI DPD 模型/收發(fā)器發(fā)展 與基于 FPGA 的解決方案相比，在收發(fā)器 SoC 中使用嵌入式 DPD 可降低 90% 的功耗，并可將 SERDES 通道數(shù)量減半，從而降低了 FPGA 要求和成本。表 2 展示了 ADI DPD 模型發(fā)展與相應(yīng)的 IBW 功能。此表表明，隨著系統(tǒng)帶寬能力的提高，需要進(jìn)一步努力降低 DPD 功率損耗。

這些收發(fā)器特性可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，降低了小型蜂窩、mMIMO 和宏蜂窩基站的系統(tǒng)大小、重量、功率和成本。

為驗(yàn)證并優(yōu)化各代 DPD 算法，Wolfspeed 向 ADI 提供了其 mMIMO PA 模塊組合。合作的重點(diǎn)是評(píng)估聯(lián)合優(yōu)化多套 mMIMO 系統(tǒng)解決方案。Wolfspeed 的 mMIMO PAM 產(chǎn)品組合(如前所述)采用所有 ADI DPD 算法變體進(jìn)行評(píng)估。

圖 3 和圖 4 重點(diǎn)展示了在整個(gè) ADI DPD 算法發(fā)展中 ADI 收發(fā)器 - Wolfspeed PA 系統(tǒng)性能，兩圖的信號(hào)帶寬分別的 160 MHz 和 200 MHz。在這些圖中，信號(hào)帶寬最高可達(dá) 200 MHz，符合 3GPP 發(fā)射規(guī)范要求。ADI Gen5 DPD 實(shí)現(xiàn)了顯著的余量，因?yàn)榇司€性化算法更強(qiáng)大，并且專為 400 MHz IBW mMIMO 系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

▲ 圖 3：ADI DPD 發(fā)展與 Wolfspeed mMIMO PAM

- 160 MHz IBW

▲ 圖 4：ADI DPD 發(fā)展與 Wolfspeed mMIMO PAM

- 200 MHz IBW

ADI 和 Wolfspeed 目前正在驗(yàn)證下一代 5G 系統(tǒng) 400 MHz 帶寬要求。此高帶寬要求給 PA 設(shè)計(jì)端和 DPD 算法開(kāi)發(fā)端帶來(lái)了更多挑戰(zhàn)。主要挑戰(zhàn)仍是客戶對(duì)無(wú)線電和 PA 組件的高系統(tǒng)效率要求。這限制了 PA 在整個(gè)寬帶工作中的效率，對(duì) Doherty PA 架構(gòu)提出了挑戰(zhàn)。對(duì) DPD 算法端的挑戰(zhàn)則依舊存在，要求限制資源以實(shí)現(xiàn)最小的功率損耗，同時(shí)還要滿足 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)。

▲ 圖 5：ADI DPD 發(fā)展和 Wolfspeed mMIMO PAM

圖 5 顯示了線性化系統(tǒng) ADI TRX DPD (Gen5) - WS1A3640 n78 PA 鏈路的 ACLR 與 信號(hào) BW 對(duì)比。采用這一系統(tǒng)單元，可滿足高達(dá) 340 MHz 帶寬余量規(guī)格。ADI 和 Wolfspeed 均專注于優(yōu)化系統(tǒng)元件，以在最大效率下滿足 400 MHz 帶寬要求。

#5結(jié)論

在 DPD 和 PA 的共同調(diào)整下，才可達(dá)到 5G 系統(tǒng)最佳性能。Wolfspeed 與 Analog Devices, Inc. 通力合作，將功率放大器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與寬帶 mMIMO 器件的數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)緊密結(jié)合，推出的解決方案可實(shí)現(xiàn)線性、高效和寬帶通信系統(tǒng)。

審核編輯：湯梓紅