А. Курушин, В. Недера

Усилители мощности с высокой линейностью для базовых станций беспроводной связи

Современные системы связи предъявляют новые, предельно высокие требования к выходным усилителям мощности. В статье анализируется усилитель мощности, предназначенный для работы в выходном каскаде базовой станции системы CDMA2000. Приводятся результаты тестирования с использованием таких параметров, как ACPR, EVM и другие. Выполнен расчёт цифровых характеристик модели усилителя на системном уровне на программе Ptolemy фирмы Agilent. Проводится анализ предыстортера как цифрового метода увеличения линейности мощных усилителей.

Перспективы развития системы беспроводной связи с кодовым разделением каналов CDMA, в том числе, в России, 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.

Самыми известными производителями высоколинейных УМ этого назначения (рис. 1) являются фирмы Ericsson (www.ericsson.com), Lucent (www.lucent.com), Bravo Tech. Inc (www.bravotechinc.com) и PARADIGM . Высоколинейные усилители мощности на транзисторах разрабатываются сейчас ведущими фирмами мира. Большой вклад вносит фирма Моторола (www.motorola.com), которая поставляет мощные LDMOS-транзисторы, используемые в выходных каскадах большинства разрабатываемых усилителей.

Рисунок 1. Усилитель мощности для базовой станции сотовой связи

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 (рис. 2), 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.

Рисунок 2. 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.

Измерение нелинейных характеристик 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. 3).

Рисунок 3. 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

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.

Современные, специально разработанные генераторы с произвольной формой сигнала и спектроанализаторы позволяют снять амплитудные характеристики с учётом более тонких нелинейных эффектов (рис. 4).

Рисунок 4. Измеренные амплитудные характеристики усилителя мощности: зависимости от входной мощности Pout (AM-AM), ACPR, КПД (%)

Рисунок 5. Измеренные фазовые характеристики усилителя мощности (AM-PM)

Рисунок 6. Экран спектроанализатора фирмы Rode&Shwarz. Спектр 3GPP сигнала, W-CDMA или CDMA2000 с тремя несущими. При таких условиях особое значение имеет расползание спектра, или просачивание его в соседний канал

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:

(1)

Обычно разработчик системы требует ACPR Ј -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.

Из рис. 7, на котором приведён экран спектроанализатора в режиме сигнала в кодовой области, видны результаты расчёта параметров модулированного сигнала. Рассмотрим другие нелинейный критерии модулированного сигнала.

Рисунок 7. Сигнал CDMA2000 в кодовой области показывает распределение мощностей в пилот-канале, синхро-, трафик- и других. Эта функция реализована в современных спектроанализаторах Rode&Shwarz и Agilent

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 (рис. 8) при появлении нелинейных искажений в усилителе мощности.

Рисунок 8. Звёздная диаграмма и расположение на ней точек модулированного сигнала (для простоты показана модуляция 16QPSK)

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

(2)

где rms_error_vector — усреднённый вектор ошибки (рис. 9) 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.

Рисунок 9. Смещение точки модуляции при всплеске мощности

Рисунок 10. Амплитудные характеристики усилителя мощности по критерию искажения цифрового модулированного сигнала /измерение/

Рисунок 11. Ошибка модуля вектора и её зависимость от амплитуды радиосигнала /измерение/

Количество точек на диаграмме IQ зависит от количества каналов. На рис. 9 мы видим EVM rms для одного трафик канала, а на рис. 8 - ситуацию для всех каналов. Для неискажающего усилителя EVM = 1.

На этом же рисунке указана фаза смещения точки на звёздной диаграмме. Это также важный параметр, характеризующий искажение модуляционного сигнала.

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.

(3)

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. 3), а также рассчитать теоретически, используя нелинейную модель УМ.

Расчет нелинейных критериев УМ

Расчёт нелинейных критериев, связан- ных с искажением реальных сигналов, выполняется методами анализа нелинейных устройств во временной области. Такие методы реализованы в нескольких широко известных программах, и самая известная из них — ADS (Advanced Design System). Методы косимуляции, то есть одновременного расчёта и цифровой и аналоговой частей схем заключаются в применении многомерного интеграла Дюамеля, то есть фактической реализации многомерного комплексозначного ряда Вольтерра во временной области. Эта функция выполнена в программе PTOLEMY. В этой программе выполнен анализ прохождения потока данных, возбуждающих аналоговую схему через временные отрезки, и собираемых в сборниках данных на выходе, в соответствии с теоремой Котельникова (рис. 12).

Рисунок 12. Схема для анализа искажения модуляционных характеристик усилителя мощности: RHo, EVM и других. Эти чисто цифровые характеристики можно рассчитать на Ptolemy

Рисунок 13. Цифровой процессор Paladin и схема предыстортера

Большой выбор библиотек в программе Ptolemy, специально разработанных для анализа системы CDMA2000, позволяет анализировать передающий тракт базовой станции на системном уровне, используя реальный сиг-нал CDMA2000 на входе элементов передающего тракта.

Тестирование УМ становится основой для построения модели нелинейного усилителя, необходимой не только в теоретических расчётах, но для синхронной работы их совместно с программируемыми процессорами. Для примера рассмотрим работу предыстортера, который является очень перспективным направлением для улучшения энергетических характеристик усилителя мощности.

Линеаризация УМ с помощью предварительного искажения входного сигнала — один из способов компенсации нелинейности. Для реализации этого метода в полосе частот модуляции применяется адаптивное цифровое предыскажение сигна-ла. Адаптация основана на уменьшении разности между фактической мощностью сигнала желательной модуляции и CDMA-сигнала на выходе усилителя (целевой функцией становится ACPR, как меры искажения сигнала).

В этом алгоритме модель усилителя сохранена в виде LUT (Look Up Table) - таблицы добавлений, которая представляет собой коэффициенты многомерного ряда Вольтерра, описывающего усилитель мощности во временной области и области переменных амплитуд. Работа алгоритма сводится к анализу входного сигнала и затем внесения в него искажений, так чтобы усилившись в нелинейном усилителе, эти искажения скомпенсировались. Алгоритм предыстортера может работать без обратной связи. Однако для повышения его эффективности, для учёта температурных изменений, изменений параметров усилителя, связанных со старением, то есть долговременных изменений, а также, быть может самое важное, для учёта нагрузки (количества пользователей) линии, вводится обратная связь для коррекции коэффициентов таблицы LUT. Наиболее ценным является алгоритм для широкополосных CDMA-сигналов. Разработка схемы предыстортера, вносящей такие искажения, что усилившись в усилителе мощности, они скомпенсируют собственно искажения усилителя мощности, сулит большие перспективы, поскольку позволяет увеличить КПД усилителя при сохранении его габаритов и почти не увеличивая цену. Это объясняется тем, что схема предыстортера, выполненная в интегральном исполнении, потребляет незначительную, по сравнению с УМ, мощность. Включение такой микросхемы позволяет улучшить ACPR на 10...15 дБ. Недостаток такого решения: 1) система настраивается на конкретный сигнал, например CDMA, W-CDMA (то есть точный вид модуляции) и 2) должна иметься модель данного усилителя мощности в виде алгоритма расчёта. Сложности, которые встречаются на пути создания предыстортера, сводятся к выбору компромисса между требуемой памятью для хранения модели усилителя мощности в LUT и скоростью быстродействия алгоритма расчёта и адаптации модели.

Система без памяти (или применительно к усилителю мощности, без AM/PM) будет иметь более простую LUT, и амплитудную характеристику, измеренную в статическом режиме, когда сигнал, изменяясь, проходит те же значения, увеличиваясь, и уменьшаясь. Система с памятью или амплитудно-фазовая конверсия, напротив, имеет мгновенную амплитудную характеристику с характерным гистерезисным видом. В настоящее время работы по реализации предыстортера ведутся в нескольких крупных центрах и вступают в стадию промышленного производства.

www.intersil.com (микросхема ISL5239 фирмы Intersil, USA)
www.pmc-sierra.com (микросхема PM7815 PALADIN-15 фирмы PCM, Canada)
Analog Devices Inc. (www.analog.com)
Texas Instrument (www.ti.com).

Приложение

Очень часто в практике проектирования необ- ходимо найти нелинейные характеристики каскадного соединения. Имея зависимости для соединения двух каскадов, далее можно найти эти параметры для любого каскадного соединения. Поставим задачу связать ACPR двух каскадов и общий ACPR каскадного соединения.

Используя метод суперпозиции, мощность продуктов нелинейных искажений на выходе каскадного соединения можно записать в виде

где P_n1 - мощность шума на выходе первого каскада, причём эта мощность меньше сигнала на величину ACPR1; Kp2 - коэффициент усиления 2-го каскада на частоте канала ACPR; P_n2 - мощность шума в канале измерения ACPR на выходе 2 каскада.

Мощность сигнала в тракте можно расписать следующим выражением:

где - мощность сигнала на выходе 2-го каскада; Pс1out - мощность сигнала на выходе 1-го каскада, равная мощности на входе 2-го каскада; Kp2 - коэффициент усиления 2-го каскада на частоте несущей (считаем, что это усиление равно усилению на частоте канала CDMA).

Разделив (1) на (2), получаем

(3)

Используя определение ACPR, получаем

ACPR[ед] = ACPR₁[ед] + ACPR₂[ед] , (4)

где ACPR выражены в единицах, причём

ACPR[dBc] = 10 log(ACPR[ед]) (5)

(приписка c означает, что берётся отношение относительно мощности несущей или мощности во всём канале базового сигнала, то есть 1,23 MГц). Точность формулы (4) для практики, с учётом разброса нелинейной модели УМ, оценивается от 0,5 до 2 дБ.

Пример 1. Пусть имеем каскадное соединение тракта передатчика и усилителя мощности с параметрами, показанными в табл. 2.

Отметим, что значения ACPR зависят от входной мощности, поэтому данные, приведённые в таблице, соответствуют сигналу на входе второго каскада -10 дБм.

Пример 2. Рассмотрим соединение двух усилителей с одинаковым ACPR1 = ACPR2 = -50 dBc (отметим, что эти усилители будут отнюдь не одинаковые, поскольку эти значения достигаются при разных, а именно, отличных на Kp1, мощностях).

Тогда, согласно формуле (4), ACPR общего каскадного соединения будет равен -47 dBc (и формально не зависит от коэффициентов передачи).

Если использовать ACPR для определения мощности насыщения по заданному критерию, то выберем значение -50 dBc как предельное значение, при котором удобно оценивать нелинейные свойства усилителя мощности. Тогда из [3] можно записать, что мощность насыщения каскадного соединения 2-х каскадов P находится из формулы:

(6)

где P - выходная мощность насыщения соединения 1-2, то есть мощность на выходе всего соединения, при которой достигается ACPR = -50 dBc; P₂ - выходная мощность насыщения соединения второго каскада, то есть мощность на выходе 2-го каскада, при которой достигается ACPR = -50 dBc, при автономном измерении этого параметра на 2-м каскаде; P₁ - выходная мощность насыщения соединения второго каскада, то есть мощность на выходе 1-го каскада, при которой достигается ACPR = -50 dBc, при автономном измерении этого параметра на 1-м каскаде; K_p2 - коэффициент передачи по мощности 2-го каскада. Отметим, что в формулу не входит коэффициент усиления 1-го каскада. Если рассматривать мощность насыщения по входу, то наоборот, в формулу не будет входить усиление 2-го каскада. Если при оценке динамического диапазона приёмника, как в [3], удобно пользоваться мощностью насыщения по входу, то при оценке нелинейных искажений усилителя мощности удобно пользоваться мощностью насыщения по выходу.

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.

Измерительная аппаратура, а также методы расчёта этих характеристик в настоящее время позволяют внедрять это в практику проектирования современных систем, использующих сложные широкополосные сигналы.

В цикле "Проектирование - тестирование - поиск неисправности", которую проходят аналоговые блоки базовой станции, на долю аналоговой части остаётся всё меньше и меньше объёма: даже смарт-антенны в большей степени становятся цифровым блоком; УМ с предыстортером также имеет сложный управляемый процессор. Поэтому аналоговые части, такие как усилители мощности, необходимо стандартизировать цифровыми характеристиками.

Литература

1. Оборудование систем сотовой связи 450 МГц, работающее по стандарту IMT-MC (cdma 2000). Минсвязи России. М. 2002 г.
2. TIA/EIA-97D by 3GPP2 TSG-C. 2000, (спецификация стандарта CDMA2000).www.3gpp.org.
3. Курушин А.А., Текшев В.Б. Расчёт динамического диапазона многокаскадного СВЧ-устройства. Радио-техника, 1981. Т. 36. № 8. С. 88–90.