Усилители мощности с высокой линейностью для базовых станций беспроводной связи

Часть 1. Обоснование требований линейности и основные критерии линейности

А. Курушин, В. Недера

Источник: журнал ChipNews, выпуск №7, 2002г.

Современные системы связи предъявляют новые, предельно высокие требования к выходным усилителям мощности. Перспективы развития системы беспроводной связи с кодовым разделением каналов CDMA очень хорошие [1], поскольку система CDMA уже сейчас предлагает такие услуги, как скорости передачи данных до 300 КБит/с, передачу видеоизображения и другие.

Для достижения высоких скоростей передачи данных и эффективного использования полосы частот в беспроводной связи в стандарте 3GPP[2], системы с кодовым уплотнением CDMA2000 и W-CDMA используют сигналы одновременно с фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией. Такие сигналы имеют сильно меняющуюся огибающую, что из-за нелинейности тракта приводит к дополнительному расширению спектра и просачиванию мощности в соседний канал.

Обработка сигналов со смешанной модуляцией требует применения высоколинейных усилителей мощности (УМ). С другой стороны, для получения высоких КПД транзисторные УМ должны работать принципиально в режиме с отсечкой, то есть в классе AB или C. Поэтому современные СВЧ-усилители включают в свою схему несколько типов компенсации нелинейных искажений, от регулировки рабочей точки до обратных и прямых связей компенсации. В последнее время интенсивно развиваются цифровые методы линеаризации, когда усилитель работает в режиме с отсечкой, а искажения компенсируются численными методами. Например, линеаризация с помощью внесения предыскажения (так называемые предыстортеры) значительно улучшает линейность при сохранении высокого КПД УМ. Адаптивная линеаризация цифровыми методами требует построения модели усилителя, в которой была бы максимально учтена внеполосная интермодуляция. Эта модель должна адаптироваться к изменениям характеристик УМ, включая температурные изменения, изменение напряжения источника питания, старения транзисторов, а также к изменению свойств входного сигнала (количества пользователей, обслуживаемых каналом).

Системы с кодовым уплотнением, или шумоподобными сигналами, давно применяются в военной и специальной технике. И тот факт, что сегодня эта техника постепенно переходит в область широкого применения, во многом обусловлен огромными успехами в цифровой и аналоговой микроэлектронике, пассивных устройствах обработки информации. Ряд важных и полезных разработок выполнен российскими коллективами: Воронежским НИИ Радиосвязи, Московским НИИ Радиосвязи, НПО "Алмаз" и другими.

Система CDMA, по сравнению с другими, отличается повышенной сложностью и более высокой стоимостью. Усилитель мощности - самая дорогая компонента базовой станции (до 10 тыс. $). Он стоит на выходе передатчика и поставляет в антенну до 40–80 Вт на одну несущую (таких несущих, или каналов, может быть несколько). Отсюда следует, что потребляемая мощность такого усилителя, с учётом КПД порядка 10%, достигает 0,5 кВт и более. Кроме чисто энергетических затрат, это приводит к повышению температуры внутри корпуса УМ и уменьшают ресурс работы прибора, а вместе с тем и безаварийный период работы базовой станции.

Расчёты показывают, что увеличение линейности на 3 дБ эквивалентно увеличению кпд на 4-5%. Линейность выходного УМ является очень критичным параметром для работы современных систем беспроводной связи, основанных на стандарте 3GPP. Сигналы, которые передаёт радиотракт, являются широкополосными, если рассматривать их в базовой полосе частот, и имеют большое соотношение пикового значения к среднему, если рассматривать их во временной области.

Для оценки линейности УМ, а также нелинейных узлов в радиопередающем тракте, теряют безусловную ценность общепринятые нелинейные критерии, такие как мощность насыщения при сжатии усиления на 1 дБ или "точка пересечения". Особенно это относится к системе с кодовым уплотнением, когда сигнал от каждого пользователя умножается на индивидуальный код Уолша, а на приёмном конце демодулируется умножением на этот же код Уолша. Эти модуляция и демодуляция выполняются в цифровой области, поэтому такие системы получили наименования цифровых систем связи, а спектр, используемый пользователем в такой системе, принципиально широкополосный.

Все 128 каналов, созданных на одной несущей, ортогональные, что получено с использованием по-следовательности Уолша длиной 128 битов. Из-за случайной полярности от чипов различных пользователей суммарная амплитуда каждого последовательного чипа может иметь амплитуду от -128 до +128. Это эквивалентно тому, что отношение "пиковой к средней мощности сигнала" может достигать 15 дБ , соответственно, с более строгими требованиями на линейность УМ. Если сигналы искажаются, то в конечном итоге это серьёзно ухудшает BER (Bit Error Ratio — ошибка передачи битового потока) приёмника.

Огибающая CDMA-сигнала во временной области формируется суммированием скачков амплитуд от отдельных пользователей, и если, например, в канале присутствуют 128 пользователей, то имеется вероятность, что в какой-то момент времени все коды Уолша от отдельных пользователей сложатся, и амплитуда увеличится до 128. Поэтому такие сигналы имеют большое отношение пикового значения к среднему.

Обработка сигналов с большим отношением пикового значения к среднему приводит к тому, что пиковые значения огибающей претерпевают особенно большие искажения, поскольку пики попадают на изгиб амплитудной характеристики. Если учесть, что для больших мощностей имеет место изменение временного сдвига таких импульсов (из-за амплитудно-фазовой конверсии AM/PM), то ошибочные биты увеличиваются именно из-за недостаточной линейности усилителя мощности.

Спецификация на усилитель мощности (в соответствии со стандартом 3GPP2 TSG-C4.1 [2]) представлена в табл. 1.

Таблица 1. Основные параметры усилителя мощности

 

Для оценки нелинейности УМ традиционно используют зависимости характеристик при изменении мощности на входе, например, зависимость выходной мощности относительно входной. По этой зависимости определяется сжатие усиления на 1 децибел. Однако для высоколинейного УМ характерно только небольшое отклонение от линейности, а коэффициент усиления — почти горизонтальная линия. Такие данные не позволяют зафиксировать точно амплитудные искажения, а также выбрать уровень мощности на входе, при которой должны быть заданы предельно допустимые критерии изменения усиления и сдвига фазы.

Приборы, необходимые для проведения испытания усилителей мощности: E4432B (E4436) - цифровой генератор сигналов произвольной формы, FSU - анализатор спектра фирмы Rode&Schwarz, HP 8753В — анализатор цепей фирмы Hewlett Packard, Agilent 89441A - векторный анализатор сигналов (рис. 1).

Экспериментальная установка для тестирования усилителей мощности на широкополосном сигнале включает генератор с произвольной формой сигнала. Сигнал формируется на компьютере, и затем записывается в генератор, а также спектроанализатор или векторный анализатор сигналов, который позволяет выделить модуляцию из ВЧ-сигнала на его входе и рассчитать цифровые характеристики

Рис 1. Установка для тестирования усилителей мощности

Ситуация становится сложнее, когда нужно оценить искажение сигнала CDMA с несколькими рабочими каналами (пользователям). В этом случае, в системе базовая станция – мобильный телефон усиления каждого канала выбираются так, чтобы все пользователи имели равную мощность в канале усиления. Сигнал тогда имеет значительно большее искажение, как следует из оценки огибающей сигнала на фазовой плоскости I/Q [2].

Из-за высокой линейности УМ такие параметры, как координаты точки пересечения, также не могут быть измерены точно, а будут измерены с большой погрешностью. К тому же они измеряются только для двухтонового сигнала на входе, что конечно значительно отличается от широкополосного CDMA-сигнала.

Основными критериями линейности становятся характеристики, измеренные на реальном входном CDMA-сигнале. Одной из таких характеристик для оценки усилителя мощности стал ACPR — Adjusted Conjugate Power Ratio. Для стандарта сотовой связи IS-95 ACPR измеряется как отношение мощности в полосе 30 кГц при отстройке 750 кГц от несущей, к общей мощности сигнала в канале 1,23 MГц:

Обычно разработчик системы требует ACPR -50 дБ (отметим, что это не параметр для сравнительной оценки усилителя мощности, а характеристика, зависящая от входной мощности, как показано в приложении). С учётом соотношения полосы частот, в которой измеряются продукты в канале ACPR и полосы сигнала, получается, что ACPR соотносится с уровнем интермодуляционных искажений IMD как 1,23 MГц/30 кГц, то есть -50 дБ соответствует -23,9 дБ для IMD.

ACPR есть обобщение такой характеристики, как уровень интермодуляционных искажений IMD на широкополосный сигнал. Более тонкими критериями искажений модулированного сигнала, включая нелинейные, являются параметры RHO (качество формы волны), EVM (ошибка модуля вектора) и IQ Offset (смещение на звёздной диаграмме).

Параметр ACPR зависит от мощности на входе. Когда мы говорим, что заданный ACPR должен быть не больше, чем -50 dBc, это означает, что эта величина задана при какой-то определённой мощности на входе, например, при которой выходная мощность является номинальной.

ACPR подобен характеристике уровня интермодуляционных искажений IMD, но не для нелинейных искажений 3-го порядка, а для широкополосного сигнала, поскольку в его измерении суммируются продукты искажений нечётного порядка в полосе измерения ACPR 30 кГц. Параметром, аналогичным IP3, или точке пересечения 3-го порядка, при оценке искажений типа ACPR является мощность насыщения по заданному критерию ACPR, например, при допустимом уровне ACPR = -50 дБ.

RHo — это мера качества формы сигнала, который показывает степень корреляции измеренного сигнала (пилот сигнал при тестировании) с идеальным референсным сигналом

где ErrorPower — мощность сигнала ошибки, то есть мощность вне полосы канала. Для идеального УМ r = 1. Параметр EVM (Error Vector Magni-tude) связан с понятием звёздной диаграммы, и он показывает, как изменяется положение точек модуляции на звёздной диаграмме при появлении нелинейных искажений в усилителе мощности.

Параметр EVM так же, как и RHo, — мера качества цифровой системы связи. EVM рассчитывается по формуле

где rms_error_vector — усреднённый вектор ошибки за время анализа (характеризует область размывания пятна на звёздной диаграмме); symbol_magnitude — модуль вектора от начала координат до точки на звёздной диаграмме, числено равный модулю символа.

Offset IQ — угол смещения точки модуляции на звёздной диаграмме. Этот параметр характеризует амплитудно-фазовую конверсию усилителя мощности, поскольку измеряется как усреднённое значение от смещения угла всех точек модуляции.

где rms_error_phase — усреднённое значение смещения по углу. Для неискажающего усилителя этот угол будет равен нулю, поэтому и величина Offset IQ = 0.

Перечисленные параметры можно измерить на стандартной измерительной аппаратуре (рис. 1), а также рассчитать теоретически, используя нелинейную модель УМ.

Выводы

В статье рассмотрены характеристи- ки усилителей мощности, применяемых в базовых станциях сотовой телефонии 3-го поколения, и критерии, которые можно применять для их спецификации. Наряду с описанием таких нелинейных параметров, как сжатие усиления, точка пересечения третьего порядка, коэффициент полезного действия, основное внимание обращается на характеристики, наиболее интересные разработчику современных систем связи.

Современные УМ, применяемые в базовых станциях беспроводной связи, обладают высокой линейностью, и поэтому традиционные характеристики становится трудно измерить с высокой точностью. Поэтому для оценки качества усилителей мощности применяются характеристики, ранее используемые для оценки качества системы, а именно ACPR, RHo, EMV и IQ Offset.

 

Литература