優(yōu)化5G功率射頻信號質(zhì)量

對于5G系統(tǒng)的性能來說,獲得和保持高功率、增電效率和信號保真度要求的適當(dāng)平衡是至關(guān)重要的。CCdf和PAPR測量提供了深刻的見解,以幫助功率放大器設(shè)計(jì)者實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

雖然5G射頻信號鏈的所有部分都有助于整體系統(tǒng)性能,但發(fā)射機(jī)功率放大器(PA)的特點(diǎn)需要仔細(xì)注意。非線性PA性能可能是對誤差向量大小(EVM)和比特率(PER)產(chǎn)生負(fù)面影響的一個(gè)關(guān)鍵因素。

輸入回波不足導(dǎo)致壓縮導(dǎo)致EVM降解,降低了OFDM/M-QAM信號的極值功率比(PAPR)。提高ibo將使PAPR恢復(fù)到所需水平,但對放大器的效率和使用高功率PA的昂貴需求會造成損害。由于這些原因,您需要找到最佳的ibo設(shè)置點(diǎn)。

5G信號鏈

5G發(fā)射機(jī)信號鏈?zhǔn)加跀?shù)字基帶和波束形成處理,并擴(kuò)展到天線陣列。 圖1 將PA顯示為行末的活動組件。學(xué)生會經(jīng)常使用?多爾蒂放大器 最大限度地提高效率。

圖1這個(gè)簡化的5G大規(guī)模MIMO發(fā)射鏈的框圖突出了功率放大器。

PAS通常使用GAN技術(shù),但其他技術(shù),如?克莫西 ,現(xiàn)正考慮加入F3樂隊(duì)。電信業(yè)的目標(biāo)是fr3,它大約從7千兆赫到24千兆赫。無論采用何種技術(shù),在高輸出功率、增電效率(PAE)和信號保真度之間取得平衡始終是一個(gè)主要考慮因素。為了了解這些因素是如何相互關(guān)聯(lián)的,我們將從5g信號的性質(zhì)開始。

5G射頻信號

5G采用正交頻分復(fù)用(OFDM),對多個(gè)子載波進(jìn)行最大1024QAM的正交幅度調(diào)制(M-QAM)調(diào)制。正交性是通過符號時(shí)間(T)逆的子載流子的間距發(fā)生的。如圖所示 圖2 ,這樣可以確保子載波峰與其他載波的空值一致,從而防止載波之間的干擾。

圖2OFDM信號的正交性通過適當(dāng)?shù)淖虞d波間距發(fā)生。

5G的數(shù)字學(xué)定義了一系列子載波間隔。在6千兆赫F1級以下,這些是?15千赫、30千赫和60千赫 .30千赫對應(yīng)OFDM符號33.3歐氏時(shí)間。

由于子載波與頻率間隔所決定的連續(xù)變化的相位關(guān)系同時(shí)傳輸,因此子載波可以和合,從而產(chǎn)生高功率峰值,如圖所示: 圖3 .這些峰值相對于信號平均水平的水平被描述為信號的PAPR。

圖3時(shí)間域中信號的總和顯示出高PAPR。

當(dāng)驅(qū)動一個(gè)具有高PAPR信號的PA時(shí),信號的峰值會被驅(qū)動到放大器的非線性區(qū)域,這可能會導(dǎo)致光譜的重新生長,導(dǎo)致鄰近通道的泄漏。輸入回退(ibo)可以降低峰值水平,將其約束到線性區(qū)域。不幸的是,這樣做也降低了平均功率。放大器不再以其理想點(diǎn)運(yùn)行,以達(dá)到最大效率。 圖4 .

圖4放大器的最大效率點(diǎn)發(fā)生在它到達(dá)飽和區(qū)域之前。

為了恢復(fù)一些效率,你可以使用各種技術(shù)來有意地?減少PAPR,從而減少ibo .您必須限制PAPR的削減程度,以達(dá)到EVM目標(biāo)。一旦PA達(dá)到這個(gè)水平,確保PA的非線性不會進(jìn)一步降低PAPR。否則,這會增加EVM并導(dǎo)致符號錯(cuò)誤,如圖所示。 圖5 .

圖5剪裁峰值會減少向量長度,可能導(dǎo)致符號錯(cuò)誤。

測量EVM需要信號分析儀等設(shè)備。因?yàn)槲覀冴P(guān)注的是放大器的非線性對降低信號的PAPR的影響,所以你可以使用成本效益高的直接測量結(jié)果。

線性特征

您可以使用任何一種方法來描述放大器的線性度。兩種常用的方法是測量1db壓縮點(diǎn)(P1db)和測量三階截取點(diǎn)(TII)。兩種方法都使用了連續(xù)波信號和平均功率測量。由于這些方法使用的信號并不代表OFDM/M-QAM信號,因此它們無法提供足夠的信息,說明對高PAPR水平信號的響應(yīng)。

噪聲功率比(NPR)是評估放大器線性度的另一種測量方法。它作為非線性引起的光譜再生長的指標(biāo)是有效的。由于NPR使用的是加性白高斯噪聲,它也更能代表現(xiàn)實(shí)世界的性能。然而,它確實(shí)需要昂貴的測試設(shè)備。

放大器線性化的"現(xiàn)實(shí)世界"觀

回到最終目標(biāo),我們?nèi)绾卧u估放大器的線性,或者說非線性,對EVM性能的影響? 圖6 展示了EVM與PAPR關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖6A?EVM的設(shè)計(jì)圖。PAPR 顯示他們的關(guān)系。

在這種情況下,在PAPR中,曲線的斜率約為3%,即EVM/1分貝還原。不同的調(diào)制方案的斜率可能不同.通過在開發(fā)早期進(jìn)行PAPR和EVM測量來建立斜率,這意味著您可以使用PAPR作為簡單、快速和成本效益高的EVM放大器性能的預(yù)測器。這避免了在改變ibo或放大器設(shè)計(jì)時(shí)重復(fù)進(jìn)行EVM測量。這也意味著你可以在生產(chǎn)測試中使用PAPR而不是EVM,這將導(dǎo)致放大器制造的范式轉(zhuǎn)變。

衡量PAPR和CCdf

如何實(shí)施實(shí)際的PAPR測量方法?您可以使用高樣本信號分析器。記得這些設(shè)備是昂貴的,復(fù)雜的,并占用了相當(dāng)大的空間來進(jìn)行EVM測量。

相反,你可以使用電源傳感器。有幾家制造商提供電源傳感器,通常使用二極管作為傳感元件。基于Diode的平均功率傳感器可以測量信號的平均功率獨(dú)立于調(diào)制類型。由于這些傳感器的響應(yīng)時(shí)間相對較慢,所以它們不能提供獲得PAPR結(jié)果所需的瞬間峰值包測量。

峰值功率傳感器的速度足以追蹤信號的功率包,并提供高采樣率的瞬時(shí)峰值功率結(jié)果。它們的采樣率約為100毫秒/秒,在測量重復(fù)信號時(shí),隨機(jī)交叉取樣可以產(chǎn)生10毫秒/秒的有效采樣率。使100PS的時(shí)間分辨率。

為了忠實(shí)地跟蹤寬帶調(diào)制信號的功率包絡(luò)波動,傳感器需要有一個(gè)寬的視頻帶寬和一個(gè)相關(guān)的快速上升時(shí)間。在100兆赫寬5GF1信道的情況下,具有不到100兆赫視頻帶寬(VWW)的傳感器無法提供準(zhǔn)確的結(jié)果,而具有,例如165兆赫VWW的傳感器將提供準(zhǔn)確的結(jié)果。這些傳感器可從幾個(gè)制造商那里獲得。

使用按下列方式配置的尖峰功率傳感器: 圖7 你可以在放大器的輸入和輸出上測量射頻信號的峰值、平均值和最小功率。

圖7使用兩個(gè)尖峰功率傳感器,你可以同時(shí)描述5g功率放大器。

圖8a和8b 顯示即時(shí)包絡(luò)功率與。信號壓縮的時(shí)間.圖8a顯示了輸入信號(CH1)和輸出信號(CH2)來自一個(gè)主要在其線性區(qū)域運(yùn)行的放大器。輸出峰值因子,另一種表示其最大PAPR的方法,與輸入信號相比只減少了0.6db。在圖8B中,隨著ibo的減小,這個(gè)差異增加到3db,這表明放大器進(jìn)一步進(jìn)入其非線性區(qū)域,并施加了更高的壓縮度。

圖8峰的光壓縮(a)在PAPR中的差異為0.6db,而(b)較重的峰壓縮則使PAPR增加到3db。

僅衡量最大值因素?zé)o法提供統(tǒng)計(jì)背景。補(bǔ)充累積分布函數(shù)提供了有價(jià)值的補(bǔ)充信息.

CCdf曲線 圖9 顯示PAPR(x軸)大于特定值的時(shí)間(y軸)百分比。圖9a和9b顯示了圖8a和8b所示相同信號的CCdf曲線。圖9A顯示了放大器在除了最高峰以外的所有線性區(qū)域運(yùn)行時(shí)的結(jié)果。輸入信號(CH1)峰值與0.01%時(shí)間的平均信號水平相比為9.4db。放大器(CH2)輸出的峰值與平均信號水平相比,在0.01%的時(shí)間。

圖9CCdf曲線顯示,如圖8所示,懸掛ibo可以減少99.99%的PAPR時(shí)間。

如圖9b所示,當(dāng)ibo被減少時(shí),輸出ccdf(CH2)顯示,在0.01%的時(shí)間里,現(xiàn)在的峰值只超過7.4db,而不是9.2db。這基本上意味著在99.99%的時(shí)間里,信號的最大PAPR減少了1.8分貝。使用圖6中得出的-3%/分貝斜率,PAPR中的這一減少表明EVM降解了大約5.4%。

使用峰值功率傳感器和ccdf的組合,您可以在調(diào)整ibo或其他放大器參數(shù)時(shí)獲得快速、接近實(shí)時(shí)的結(jié)果。這使您可以找到放大器線性曲線上的最佳點(diǎn)來平衡ibo和PAE。在生產(chǎn)測試中,您只需要監(jiān)視PAPR中的更改,以確保您達(dá)到了EVM目標(biāo)。

通過利用EVM和PAPR之間的關(guān)系,你可以測量PAPR還原,這意味著EPR降解,而不是昂貴的信號分析儀。一旦你找到了最低水平的PAPR,你就可以使用尖峰功率傳感器來描述PAPR和CCdf,這是一種簡單、快速、成本效益高的方法來驗(yàn)證你已經(jīng)達(dá)到了理想的PAPR,從而達(dá)到了EVM。