线性高效的新一代基站功放技术

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射频技术的实现是WCDMA实现产业化的关键技术之一。
    与GSM信号和第一代信号不同，WCDMA的信号带宽为达到5MHz的宽带信号。为了追求更高的数据速率和频谱效率，WCDMA普遍采用线性调制方式(QPSK,16QAM)。另外，多载波配置技术导致了信号包络的变化，从而产生了交调失真，尽管频谱再生对本信道的影响不大，但它将会干扰相邻信道。3G通信系统利用的非恒包络调制技术要求发射器工作于线性状态，从而使线性化技术和效率增强技术成为功放(PA)设计的关键所在。
    线性化原理：因为晶体管本身的非线性特性，未经过线性化处理的功放PA(PowerAmplifier)的输入输出特性是非线性的，虽然输入的WCDMA频谱较为纯净，但是功放输出端产生了大量的非线性产物，射频线性化技术的实质就是通过各种方式对这种非线性化特性进行补偿和校正。
    为了适应大批量商用，对基站功放的基本要求为：
    可靠性高，但往往是系统的瓶颈；
    效率高，常常占据基站整机功耗的很大比例；
    成本低，往往占基站成本的很大一部分比例；
    体积小，一般占据系统的较大部分；
    可维护性强，许多是独立的模块，有监控保护功能；
    线性度好，基站越来越多地采用线性功放；
    易生产，尽量降低装配调试的难度。
    其中射频的线性化技术和高效率技术是相互矛盾的，对这两种目标的实现往往决定了功放的其他几个方面，因而射频的线性化技术和高效率技术的研究成为业界的热点。目前，在功放的各种线性化技术中，最主要的线性化技术是输出功率回退法(OutputPowerBackOff)、前馈法(FeedForward)、预失真法(PreDistortion)。而效率增强技术即基于提高线性功放效率的技术主要有：Dorherty技术、包络跟踪、包络消除再生技术和自适应偏置技术等。
    WCDMA功放的发展历史和趋势
    传统基站采用的前馈技术：随着3GPP协议标准的成熟，从2001年开始，各设备厂商陆续发布了可商用的基于传统架构的WCDMA基站。此时基站的功放线性化技术中，前馈技术最成熟，各大设备厂商不约而同地采用了基于前馈技术的模拟线性功放。华为公司也不例外，在充分掌握该技术的基础上，华为公司采用前馈技术的第一代WCDMA基站产品已经获得了成功商用。
    前馈技术FF(FeedForward)：前馈的基本原理是，通过比较输入输出信号，获得非线性产物的波形，然后在输出端，将非线性产物对消掉，从而在输出端获得纯净的信号。前馈技术既具有较高校准精度的优点，又没有不稳定和带宽受限的缺点。当然，这些优点是用高成本换来的，由于在输出校准时，功率电平较大，校准信号需放大到较高的功率电平，这就需要额外的辅助放大器，而且要求这个辅助放大器本身的失真特性应处在前馈系统的指标之上。当然，校准环中添加一辅助功率放大器，总效率会降低,体积增大［效率低于10%(内部存在两个功放模块，环路2引入了一定损耗)］。前馈功放的抵消要求是很高的，需获得幅度、相位和时延的匹配，如果出现功率变化、温度变化及器件老化等均会造成抵消失灵，生产工艺较为复杂。
    新一代WCDMA基站采用的DPD的功放技术：随着WCD-MA网络的大规模建设，运营商越来越注重降低CAPEX和OPEX，功放的效率提高和降成本，是各大设备厂商重点研究开发的焦点，新一代功放的线性化技术DPD技术得到了极大发展。DPD技术已经从研究形成了产品的发布。2005年戛纳展华为率先发布了基于DPD技术的WCDMA基站，其后西门子、爱立信等设备厂商也都推出或正在推出基于DPD技术的WCDMA基站。
    数字预失真DPD(DigitalPre-Distortion):PA线性化技术更大的突破是可使信号预失真。预失真是PA线性化的“法宝”，不过这也非常复杂，并要求了解PA失真特性——而该特性的变化方式非常复杂。
    预失真原理：通过一个预失真元件(Predistorter)来和功放元件(PA)级联，非线性失真功能内置于数字、数码基带信号处理域中，其与放大器展示的失真数量相当(“相等”)，但功能却相反。将这两个非线性失真功能相结合，便能够实现高度线性、无失真的系统。数字预失真技术的挑战在于PA的失真(即非线性)特性会随时间、温度以及偏压(biasing)的变化而变化，因器件的不同而不同。因此，尽管能为一个器件确定特性并设计正确的预失真算法，但要对每个器件都进行上述工作在经济上则是不可行的。为了解决上述偏差，我们须使用反馈机制，对输出信号进行采样，并用以校正预失真算法。数字预失真采用数字电路实现这个预失真器(Predistorter)，通常采用数字信号处理来完成。通过增加一个非线性电路用以补偿功率放大器的非线性。这样就可以在功率放大器(PA)内使用简单的AB类平台，从而可以消除基站厂商制造前馈放大器(feedforwardamplifier)的负担和复杂性。此外，由于放大器不再需要误差放大器失真矫正电路，因此可以显著提高系统效率。
    预失真线性化技术，它的优点在于不存在稳定性问题，有更宽的信号频带，能够处理含多载波的信号。预失真技术成本较低，工艺简单，便于生产，效率较高，一般可以达到19%以上。
    数字预失真的缺点：线性度略低于前馈技术，但是目前两者的水平已经比较接近。
    数字预失真技术目前之所以没有像前馈技术那样得到广泛应用，主要原因是该技术存在以下技术瓶颈：宽带功放的非线性特性建模，它的挑战在于PA的失真(即非线性)特性会随时间、温度以及偏压(biasing)的变化而变化，因器件的不同而不同。华为公司目前已经完全掌握了该技术，并已经成功应用于WCD-MA基站产品中。
    功放的高效率技术：业界正在研究中的功放高效率技术有许多种，如：Dorherty技术、包络跟踪、包络消除再生技术和自适应偏置技术。目前已经可以实用的是Doherty技术。其基本原理是：将输入信号的平均部分和峰值部分分开放大，然后合成，从而获得高效率。
    Doherty放大器包括两个部分，一个载波放大器C(Carrier)，一个峰值放大器P(Peak)。载波放大器可以工作在接近饱和的状态，从而获得较高效率，大部分信号通过该放大器放大；峰值放大器只在峰值到来的时候才工作，大部分时间不消耗功率。它们的合成输入输出特性的线性区比单个放大器的线性区有较大扩展，从而在保证信号落在线性区的前提下获得较高的效率。Do-herty技术需要与其他线性化技术如DPD技术配合使用。当与DPD技术配合使用时效率可达30%以上。

	技术成熟度	技术难度	功放效率	是否商用	生产难度	体积	可靠性	成本
前馈技术功放	成熟	中	低于10%	是	难	大	低	高
DPD技术功放	步入成熟	难	较高，典型值19%	是	易	小	高	低
DPD+Dorherty技术功放	试验阶段	难	高，华为公司典型值33%	否	易	小	高	低

    新一代基站功放技术与传统基站功放技术对比
    新一代功放为运营商带来的好处
    采用高性能的功放技术能够为运营商节省电费。对于一个5000个基站的WCDMA网络，采用传统技术的一个基站3×1配置的典型功耗为1500W，而新一代功放则为760W，对于一年所需要的电费，采用新一代基站会比传统基站为运营商节省电费计算为：(1500-760)(功耗比较值)×5000(基站数目)×0.7(电费0.7元/度)×24(一天小时数)×365(一年天数)/1000(千瓦时)＝2269万元RMB。更高的功放效率不仅能够为运营商节省电费，节省电源等配套设施的投资，而且由于功耗的降低，生产工艺的简化，降低了整机散热的要求，增加了设备的稳定性，使网络性能更加优秀。