解决 mMIMO PA 设计挑战

摘要

 

大规模多输入多输出（mMIMO）系统设计人员在提高整体系统效率时正面临着挑战。在瞬时带宽达到 200 MHz 及以上时，降低功率放大器（PA）在非线性区域工作时产生的失真变得愈发重要。平衡宽带系统线性度和系统效率是实现 mMIMO 系统在尺寸、重量和功率要求时必须要满足的一个指标。为了围绕给定线性要求设计这样一种宽带系统，系统优化应该不止着眼于末级 PA，而应将重点拓展至整个放大链路。同样地，优化整体放大链路时也应考虑到系统收发器和数字预失真（DPD）算法。

在 Wolfspeed 与 Analog Devices, Inc.（ADI）的合作中，我们就行业方法展开讨论，深入研究效率与线性度之间的平衡，并推出以下解决方案：

为放大器产品系列选择效率更高的器件技术，即 基氮化镓（GaN on SiC）。

应用特定 DPD 系统实现简单、高效的链路架构。

 

简介

 

5G 移动通信技术的快速增长和物联网（IoT）的扩展正在为越来越多的用户带来更高的数据传输速率，其实现正是借助高效半导体技术，如 基氮化镓（GaN on SiC）。高数据传输速率可实现快速数据传输、更多用户以及更高的服务质量。为了提供此类服务，业内正在使用更高阶数的调制方案和带宽很大的信号。这些特性推动无线传输中的高数据传输速率达到新的水平。这使得发射（TX）链的要求更为苛刻，因为需要更积极地激发发射器的非线性。

在 4G 和 5G 系统中使用的功率放大器架构为 Doherty 放大器。该架构可在功率回退期间保持峰值效率。而这一点是以即使在功率回退时仍然要求饱和为代价。

在 4G 应用中，PA 的设计是用于相对窄带应用（带宽约为 60 MHz）。在此类应用中，线性化问题主要由最终阶段的 Doherty PA 引起。

对于 5G mMIMO 应用，所需的瞬时带宽为 160 MHz 或以上。对于此类宽带信号，线性化问题则可能是由整个 PA 单元、宽带收发器和数字预失真系统组合引起。因此，更宽频带中的线性化会受到整个系统的影响。

除了宽带要求之外，高效率是 5G 系统的另一个关键指标。效率要求是 mMIMO 有源天线系统符合尺寸和重量要求的必备条件。高效率功率放大器通常使用非对称 Doherty 架构。此方法的缺点在于潜在的高度非线性性能。

线性和效率是一对对立的设计要素，这两个参数需要在 PA 折中处理。为了最大限度提高效率，对 PA 有最低的线性度要求，而 DPD 系统则要确保系统级的线性要求得以满足。

当设计宽带 PA 以满足特定线性度要求时，设计的优化应该如前所述，关注整个放大链路。同样地，放大链路在优化时也应考虑到收发器系统和 DPD 系统。

 

mMIMO 的功率放大模块

 

Wolfspeed 是 基氮化镓（GaN on SiC）器件技术领导者，公司垂直整合了半导体材料和器件，提供业界领先的 GaN RF 功率放大器和晶体管器件。其实现了从晶体、外延、晶圆、裸芯片与器件设计到业界领先 PA 的 GaN 前端模块的可靠供应。

 

设计拓扑

Wolfspeed 的高功率多芯片非对称 Doherty PA 模块（PAM）使用先进的 基氮化镓 (GaN on SiC) HEMT 器件和准确的非线性器件模块 [1] 设计，可用于 5G mMIMO 基站应用。PAM 采用紧凑表面贴装封装设计，比分立式元件解决方案小得多。

模块在搭建全功能、高性能 Doherty PAM 时需要很少的外部元件。此非对称 Doherty PAM 对 4G 和 5G 设计标准均适用，采用 48 V 供电电压和 6 × 6 mm 表面贴装封装。为提高效率，在封装之内还集成有二次谐波终端。

 

▲ 图 1：Wolfspeed PAM EVB

 

当前生产的 PAM 覆盖范围从 2.3 GHz 到 4.0 GHz 不等的 6 GHz 以下移动频段。

WS1A3940：适用于美国 C 频段 3.7 至 4.0 GHz 设计的优化模块

WS1A3640：可在 3.3 GHz 至 3.8GHz 频率下工作的优化模块。具有设计灵活性，可在如 B42 和 B43 设计等单频带中工作

WS1A2639：适用于 B41 范围（2.496 GHz 至 2.69 GHz）内频带设计的优化模块

为打造完整的放大器链路，WSGPA01 通用放大器被设计为驱动器级，以支持上述器件在高至 5 GHz 频段中工作的性能。

所有 PAM 器件在平均输出功率为 38.5 dBm 至 40 dBm 下均表现出出色的线性能力（表 1），功率增益大于 13.0 dB，饱和功率大于 47 dBm。性能则通过 Analog Devices, Inc. 的 DPD 系统得到验证，瞬时带宽（IBW）高达 200 MHz、峰值平均功率比（PAPR）信号为 8 dB，

 

▲ 表 1：LTE 信号下 PAM 的 RF 性能

 

数字预失真（DPD）

 

在过去十年中，ADI 集成收发器已经发展成为一个高性能平台。ADI RadioVerse™ 系列包括各种集成收发器，支持最高 200 MHz 的占用带宽，集成 DPD、波峰系数削减（CFR）等先进功能。

 

DPD 测量

开发带宽能力为 200 MHz 及以上、符合 3GPP 标准且效率最佳的 PA 是一项重大挑战。为了避免 TX 链中的非线性效应，解决方案是使用有效的 DPD 算法 [2, 3, 4]。DPD 是一种 PA 线性化技术，可估算 PA 行为模型，然后消除非线性和记忆影响。这使得 PA 能够以更高的功率和效率工作。DPD 基本工作原理如图 2 所示。文献中提出了多个 DPD 模型。其中大部分是 Volterra 级数的简化，如广义记忆多项式（GMP）[4, 5] 和记忆多项式 （MP）[6]。

 

▲ 图 2：DPD 工作基本原理

 

PA 和 DPD 具有部分共生关系。这种关系既和谐，也存在问题。针对特定 PA 设计而优化的 DPD 系统可能无法充分适用于另一种 PA 设计。

通常，将 DPD 和 PA 协同配置、调整以匹配特定应用后，将会实现最佳性能。因此，ADI 和 Wolfspeed 展开合作，确保系统 [ADI TRx ↔ DPD ↔ PA] 同时得到优化。密切合作因为带宽需求的增加而变得非常关键。

双方面临相应的挑战。Wolfspeed PA 开发人员面临的挑战是在保持高整体 RF 性能的同时实现更宽的带宽。ADI DPD 开发人员面临的挑战是开发符合 3GPP 规范、DPD 资源和系统功耗最低的优化 DPD 算法。

AD9375 是首款采用片内 DPD 算法的 ADI RF 收发器。AD9375 DPD 解决方案支持 3G 和 4G 波形，瞬时信号带宽最高可达 50 MHz。

对于带宽高至 200 MHz 的 5G 系统（3G 和 4G 也适用），ADRV9029 提供两种 DPD 解决方案（Gen3 和 Gen4），并于去年发布。

ADI 的下一代收发器将采用更加强大的 DPD 算法（Gen5），具有更快的自适应速率和更高的 DPD 采样率，可满足 400 MHz 5G 系统要求。该收发器还具有嵌入式 GaN 电荷捕获校正 （CTC）IP，可提高 TDD 系统中 GaN EVM 合规性，并可进一步增强动态流量性能。新型 8T8R 收发器具有更快的恢复时间，可提供实时恢复和稳定性 [7]。

 

▲ 表  2：ADI DPD 模型/收发器发展

 

与基于 FPGA 的解决方案相比，在收发器 SoC 中使用嵌入式 DPD 可降低 90% 的功耗，并可将 SERDES 通道数量减半，从而降低了 FPGA 要求和成本。表 2 展示了 ADI DPD 模型发展与相应的 IBW 功能。此表表明，随着系统带宽能力的提高，需要进一步努力降低 DPD 功率损耗。

这些收发器特性可简化设计，降低了小型蜂窝、mMIMO 和宏蜂窝基站的系统大小、重量、功率和成本。

为验证并优化各代 DPD 算法，Wolfspeed 向 ADI 提供了其 mMIMO PA 模块组合。合作的重点是评估联合优化多套 mMIMO 系统解决方案。Wolfspeed 的 mMIMO PAM 产品组合（如前所述）采用所有 ADI DPD 算法变体进行评估。

图 3 和图 4 重点展示了在整个 ADI DPD 算法发展中 ADI 收发器 - Wolfspeed PA 系统性能，两图的信号带宽分别的 160 MHz 和 200 MHz。在这些图中，信号带宽最高可达 200 MHz，符合 3GPP 发射规范要求。ADI Gen5 DPD 实现了显著的余量，因为此线性化算法更强大，并且专为 400 MHz IBW mMIMO 系统设计。

 

▲ 图 3：ADI DPD 发展与 Wolfspeed mMIMO PAM- 160 MHz IBW

 

▲ 图 4：ADI DPD 发展与 Wolfspeed mMIMO PAM- 200 MHz IBW

 

ADI 和 Wolfspeed 目前正在验证下一代 5G 系统 400 MHz 带宽要求。此高带宽要求给 PA 设计端和 DPD 算法开发端带来了更多挑战。主要挑战仍是客户对无线电和 PA 组件的高系统效率要求。这限制了 PA 在整个宽带工作中的效率，对 Doherty PA 架构提出了挑战。对 DPD 算法端的挑战则依旧存在，要求限制资源以实现最小的功率损耗，同时还要满足 3GPP 标准。

 

▲ 图 5：ADI DPD 发展和 Wolfspeed mMIMO PAM

 

图 5 显示了线性化系统 ADI TRX DPD (Gen5) - WS1A3640 n78 PA 链路的 ACLR 与 信号 BW 对比。采用这一系统单元，可满足高达 340 MHz 带宽余量规格。ADI 和 Wolfspeed 均专注于优化系统元件，以在最大效率下满足 400 MHz 带宽要求。

 

结论

 

在 DPD 和 PA 的共同调整下，才可达到 5G 系统最佳性能。Wolfspeed 与 Analog Devices, Inc. 通力合作，将功率放大器的设计开发与宽带 mMIMO 器件的数字预失真系统紧密结合，推出的解决方案可实现线性、高效和宽带通信系统。

如需了解更多，请访问www.wolfspeed.com 和 www.analog.com 以获取更多信息。

 

参考资料：

Cree-Wolfspeed, “GaN HEMT Large Signal Models”  https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/gan-hemt-large-signal-models . May 08, 2020.

J. K. Cavers, “Amplifier linearization using a digital predistorter with fast adaptation and low memory requirements,” IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 39, pp. 374–382, Nov. 1990.

A. N. D’Andrea, V. Lottici, and R. Reggiannini, “Nonlinear predistortion of OFDM signals over frequency-selective fading channels,” IEEE Trans. Commun., vol. 49, pp. 837–843, May 2001.

F.M. Ghannouchi, O. Hammi, M. Helaoui. BEHAVIORAL MODELING AND PREDISTORTION OF WIDEBAND WIRELESS TRANSMITTERS. Wiley 2015.

D. R. Morgan and al., “A Generalized Memory Polynomial Model for Digital Predistortion of RF Power Amplifiers”, IEEE TRANSACTIONS ON SIGNAL PROCESSING, VOL. 54, NO. 10, OCTOBER 2006, pp. 3852-3860.

L. Ding, G. T. Zhou, D. R. Morgan, Z. Ma, J. S. Kenney, J. Kim, and C. R. Giardina, “A robust digital baseband predistorter constructed using memory polynomials,” IEEE Trans. Commun., vol. 52, no. 1, pp.159–165, Jan. 2004.

S. Summerfield and F. Kearney, “How to Make a Digital Predistortion Solution Practical and Relevant”, Analog Devices, Vol 55, No 3 – August 2021.