Ampleon 為數(shù)字廣播提供高效率射頻功率放大器解決方案

作者：Alan Hutton， Walter Sneijers， Herm Titulaer and Houssem Schuick

廣播業(yè)正處于一個根本性的變革時期。在歐洲，數(shù)字視頻廣播 —— 第二代地面（DVB-T2）發(fā)射機(jī)仍在繼續(xù)推出。在美國，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）已經(jīng)采取行動來解決由于5G到來而引發(fā)的迫在眉睫的頻譜危機(jī)，并啟動了一個頻譜“重新規(guī)劃（repack）”過程，迫使許多廣播公司改變傳輸信道。與此同時，隨著新標(biāo)準(zhǔn)ATSC-3.0的出現(xiàn)，這些廣播公司中的一大部分很可能會升級他們的發(fā)射機(jī)，同時轉(zhuǎn)移到新的信道，一次性解決多種變化帶來的問題，并確保他們的客戶不必重新進(jìn)行多次設(shè)計。

隨著5G的不斷推出，其他地區(qū)也將不得不面對頻譜分配的問題。這些變化將在未來許多年內(nèi)推動對全新的更高功率和更高效率發(fā)射機(jī)的需求。由于廣播運營商的成本依賴于能夠在整個UHF廣播頻譜上高效運行的高功率放大器，因此射頻功率放大器（RFPA）是信號傳輸系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分。

本文將詳細(xì)討論目前的市場趨勢，并探討這些變化帶來的技術(shù)影響，同時分析一些針對從事數(shù)字廣播高功率、高效率射頻功率放大器解決方案的設(shè)計人員會遇到的一些挑戰(zhàn)以及可用解決方案。

廣播行業(yè)目前的發(fā)展態(tài)勢

目前推動全球廣播行業(yè)不斷變革的三個主要因素包括DVB-T2的不斷推出、ATSC-3.0的出現(xiàn)以及美國和其他地區(qū)的電視頻譜“重新規(guī)劃”。

DVB-T2

歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（The European TelecommunicaTIons Standards InsTItute）已經(jīng)采納了一套數(shù)字廣播標(biāo)準(zhǔn)。 1997年發(fā)布的數(shù)字視頻廣播 - 地面（Digital Video Broadcast–Terrestrial，DVB-T）規(guī)范在世界各地廣泛部署，并在許多國家推動了模擬廣播的關(guān)閉。隨著歐洲頻譜越來越稀缺，DVB發(fā)布了更新的，具備更高頻譜效率的DVB-T2標(biāo)準(zhǔn)。通過使用具有大量子載波的正交頻分復(fù)用（OFDM）調(diào)制，DVB-T2是非常靈活的標(biāo)準(zhǔn)，具有能重復(fù)使用現(xiàn)有天線等附加優(yōu)勢。DVB-T2最初發(fā)布于2009年，到2014年已在超過12個國家部署，市場研究公司Dataxis預(yù)測，到2022年，72％的歐洲家庭將能夠使用DVB-T2標(biāo)準(zhǔn)傳輸電視信號。

ATSC-3.0

最近，在2018年1月，高級電視系統(tǒng)委員會（ATSC）發(fā)布了ATSC 3.0系列標(biāo)準(zhǔn)，這標(biāo)志著電視廣播系統(tǒng)發(fā)展的另一個重要里程碑。ATSC 3.0包含大約20個標(biāo)準(zhǔn)，旨在支持每秒120幀，高達(dá)2160p 4K分辨率的視頻通道HEVC、高動態(tài)范圍、杜比AC-4和MPEG-H 3D音頻等一些新技術(shù)。ATSC 3.0和DVB-T2有許多相似之處，都使用OFDM調(diào)制，并提供類似的性能和靈活性。但DVB-T2已在廣泛使用，而當(dāng)今ATSC-3.0卻剛剛出現(xiàn)，第一批能夠接收ATSC-3.0電視信號傳輸?shù)碾娨曨A(yù)期在2020年出現(xiàn)。

頻譜重新規(guī)劃

2012年，因為預(yù)計到未來會出現(xiàn)有價值無線電頻譜的稀缺，所以美國政府授權(quán)聯(lián)邦通信委員會來鼓勵廣播電視公司放棄部分頻譜。在最初的470MHz～860MHz廣播頻譜中，600MHz以上高頻段部分已經(jīng)可供移動無線運營商使用。與此同時，發(fā)射裝置已經(jīng)為新的ATSC3.0標(biāo)準(zhǔn)做好了準(zhǔn)備。為了啟動這一進(jìn)程，美國聯(lián)邦通信委員會進(jìn)行了首次拍賣，并于2017年3月結(jié)束。結(jié)果從頻道38到頻道51中騰出84 MHz頻譜，之后70MHz以10 MHz頻段分塊分別出售給無線運營商。隨著拍賣的結(jié)束，美國聯(lián)邦通信委員會估計大約1200個電視臺將受到這一進(jìn)程的影響，每個電視臺需要大約三年時間才能進(jìn)入新的更低頻段。整體頻譜重新規(guī)劃大概分10個階段（見圖1），完成日期錯開，目的是最大限度地減少過渡期間對廣播公司的干擾。

圖1：美國聯(lián)邦通信委員會的頻譜重新規(guī)劃日程。（來源：FCC）

頻譜重新規(guī)劃將要求許多電視臺改變其傳輸頻率，這需要仔細(xì)規(guī)劃。如果電視臺需要在一段時間內(nèi)同時用兩個頻率傳輸，那么則需要第二個發(fā)射天線，會對信號傳輸塔、其他同位置天線、HVAC等系統(tǒng)產(chǎn)生連鎖效應(yīng)。在許多情況下，廣播公司可能會發(fā)現(xiàn)更換現(xiàn)有發(fā)射機(jī)更為經(jīng)濟(jì)，特別是如果原有發(fā)射機(jī)已經(jīng)陳舊，且由于功率或其他限制不能支持ATSC-3.0。

因為運營商已經(jīng)耗盡其頻率資源，從現(xiàn)在的情況過渡到DVB-T2和ATSC-3.0以及重新規(guī)劃頻譜將導(dǎo)致在歐洲、美國和世界其他地區(qū)廣泛更換電視傳輸設(shè)備。

典型的數(shù)字電視傳輸鏈包括一個發(fā)射機(jī)，其包括兩個基本組件，激勵器（exciter）和射頻功率放大器（PA）（見圖2）。系統(tǒng)的輸入是基帶信號，通過該基帶信號，射頻載波在激勵器中被調(diào)制，然后通過射頻射頻功率放大器（PA）單元進(jìn)行放大。調(diào)制信號的時域信號包絡(luò)在包絡(luò)峰值中表現(xiàn)出很大的可變性，相比之下，平均功率電平則是恒定的，發(fā)射機(jī)平均輸出功率（TPO）決定了電視發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的性能。

圖2：一個典型的數(shù)字電視傳輸裝置。（來源：Ampleon）

基于LDMOS（橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體）的射頻晶體管自從被首次推出以來，已經(jīng)成為各種功率放大器的主要解決方案，特別是在廣播行業(yè)。造成這個事實的原因有兩種不同的解釋，一個是考慮到LDMOS工藝的高效率和高功率優(yōu)勢，其次是單位功率所需要的成本（dollars per watt），基于LDMOS的晶體管能夠提供一種具有高性價比的解決方案。

一個典型的發(fā)射站可提供25kW的平均射頻功率。這是通過在發(fā)射鏈路單元中整合4個或更多的放大器托盤（含多個放大器），平衡式驅(qū)動級以及前級放大器，射頻功率（見圖3）。在過去幾年中，這種高功率LDMOS 射頻晶體管的出現(xiàn)促進(jìn)了高功率放大器性能的范式轉(zhuǎn)變（paradigm-shift）。從早期的幾百瓦開始，我們現(xiàn)在已經(jīng)能夠看到能夠處理超過1.5kW功率的射頻元器件。實際上，這些晶體管正迅速成為能夠滿足高功率和高效率傳輸，以及射頻行業(yè)中極端耐用標(biāo)準(zhǔn)的佼佼者。

圖3：一個典型的功率放大器單元。（來源：Ampleon）

先進(jìn)的DVB-T2和ATSC-3.0標(biāo)準(zhǔn)是使用OFDM調(diào)制信號，它會影響傳輸鏈的每個部分，尤其是射頻功率放大器，因為它需要大約高于8dB的峰均比（PAR），以防止功率放大器中出現(xiàn)飽和，否則會發(fā)生子載波互調(diào)和帶外干擾。上述問題可以通過減小功率放大器中回退（backing-off）功率來解決，但這會降低效率，影響功耗，直接影響電力消耗并導(dǎo)致運營成本升高。

因此，射頻功率放大器設(shè)計人員面臨的挑戰(zhàn)是找到功率與效率的最佳平衡，并設(shè)計出能夠在各種工作條件下具備高效率的放大器。由于在頻譜重新規(guī)劃期間部署的很多新發(fā)射機(jī)需要首先在廣播機(jī)構(gòu)以往的頻率上運行，之后才能轉(zhuǎn)移到新指定的頻率，因此射頻功率放大器必須能夠高效率的工作在在470 MHz～806 MHz的整個UHF廣播頻譜。

用于DVB-T2和ATSC-3.0的當(dāng)前和未來射頻功率放大器解決方案

射頻功率放大器技術(shù)領(lǐng)域兩個相對較新的進(jìn)展能夠幫助設(shè)計人員更輕松地完成設(shè)計任務(wù)：被證明成功的

高效率的超寬帶Doherty（UWD）架構(gòu)，其中包括對稱和非對稱，以及新一代高功率LDMOS晶體管，它提供前所未有的耐用性以及最佳的增益和效率。

作為全球重要的廣播行業(yè)功率解決方案供應(yīng)商，Ampleon已投入大量資源開發(fā)UWD參考設(shè)計。這些解決方案展示了如何使用BLF888（見圖4）能夠在470～700 MHz整個頻譜范圍內(nèi)提供150W的平均DVB-T功率。BLF888晶體管系列在市場上已經(jīng)非常成功，為了準(zhǔn)備滿足美國“重新規(guī)劃頻譜”計劃和ATSC-3.0標(biāo)準(zhǔn)推出后的需求，許多廣播設(shè)備制造商都在他們的電視發(fā)射機(jī)解決方案中使用這些器件。

圖4：采用BLF888E設(shè)計的超寬帶Doherty。（來源：Ampleon）

基于BLF888的市場成功和未來對更高功率和更高效率需求的市場預(yù)期，Ampleon最近推出了下一代廣播放大器產(chǎn)品BLF989和BLF989E 射頻功率放大器s。其中BLF989在DVB-T8K OFDM信號下能達(dá)到高達(dá)55％的最高窄帶效率，每個晶體管的極端平均功率水平為200W（950 W峰值），覆蓋470MHz～494MHz范圍。BLF989E（見圖5）則可提供180W的平均功率，典型效率為50％，能夠覆蓋470MHz～620MHz的超寬頻帶。

圖5：采用BLF989E的UWB Doherty（來源：Ampleon）

BLF989E效率和功率相對于頻率的曲線（見圖6）演示了如何通過一個特殊的非對稱（a-symmetrical Doherty）結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)最高UWD效率。這些新的UWD高效放大器解決方案代表了當(dāng)今市場上具備最高性價比的廣播射頻功率放大器。通過獨具匠心的創(chuàng)新，可確保最高的效率、帶寬和可靠性。

圖6：BLF989E效率和功率相對于頻率的曲線。（來源：Ampleon）

DVB-T2的推出、ATSC-3.0的出現(xiàn)以及頻譜的重新規(guī)劃需要廣播公司對設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行升級，這為電視信號傳輸設(shè)備制造商提供了巨大商機(jī)。隨著全球各個地區(qū)必須解決出現(xiàn)的頻譜稀缺問題，這個市場將會繼續(xù)增長。由于在整個UHF廣播頻譜中必須平衡更高的功率和更高的效率，DVB-T2和ATSC-3.0所使用的先進(jìn)調(diào)制方案（例如OFDM）對射頻功率放大器的設(shè)計提出了特別的挑戰(zhàn)，而高功率LDMOS晶體管和UWD架構(gòu)的最新進(jìn)展正在應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。市場對于更高的功率和效率的需求預(yù)計不會很快降低，廣播市場的顛覆性發(fā)展趨勢將繼續(xù)推動LDMOS價格/性能曲線，但是同時不犧牲質(zhì)量。作為全球領(lǐng)先的廣播行業(yè)功率晶體管制造商，Ampleon已經(jīng)完全做好準(zhǔn)備來支持廣播產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈中的合作伙伴。Ampleon的旗艦產(chǎn)品BLF888系列晶體管在為行業(yè)提供廣泛的解決方案方面已經(jīng)發(fā)揮了重要作用，面對市場對于更高功率和更高效率不斷發(fā)展的需求，BLF989和BLF989E則代表了未來的發(fā)展路線圖。