优化5G功率射频信号质量

[导读]对于5G系统的性能来说,获得和保持高功率、增电效率和信号保真度要求的适当平衡是至关重要的。CCdf和PAPR测量提供了深刻的见解,以帮助功率放大器设计者实现这一目标。

对于5G系统的性能来说,获得和保持高功率、增电效率和信号保真度要求的适当平衡是至关重要的。CCdf和PAPR测量提供了深刻的见解,以帮助功率放大器设计者实现这一目标。

虽然5G射频信号链的所有部分都有助于整体系统性能,但发射机功率放大器(PA)的特点需要仔细注意。非线性PA性能可能是对误差向量大小(EVM)和比特率(PER)产生负面影响的一个关键因素。

输入回波不足导致压缩导致EVM降解,降低了OFDM/M-QAM信号的极值功率比(PAPR)。提高ibo将使PAPR恢复到所需水平,但对放大器的效率和使用高功率PA的昂贵需求会造成损害。由于这些原因,您需要找到最佳的ibo设置点。

5G信号链

5G发射机信号链始于数字基带和波束形成处理,并扩展到天线阵列。图1 将PA显示为行末的活动组件。学生会经常使用多尔蒂放大器最大限度地提高效率。

图1这个简化的5G大规模MIMO发射链的框图突出了功率放大器。

PAS通常使用GAN技术,但其他技术,如克莫西 ,现正考虑加入F3乐队。电信业的目标是fr3,它大约从7千兆赫到24千兆赫。无论采用何种技术,在高输出功率、增电效率(PAE)和信号保真度之间取得平衡始终是一个主要考虑因素。为了了解这些因素是如何相互关联的,我们将从5g信号的性质开始。

5G射频信号

5G采用正交频分复用(OFDM),对多个子载波进行最大1024QAM的正交幅度调制(M-QAM)调制。正交性是通过符号时间(T)逆的子载流子的间距发生的。如图所示图2 ,这样可以确保子载波峰与其他载波的空值一致,从而防止载波之间的干扰。

图2OFDM信号的正交性通过适当的子载波间距发生。

5G的数字学定义了一系列子载波间隔。在6千兆赫F1级以下,这些是 15千赫、30千赫和60千赫 .30千赫对应OFDM符号33.3欧氏时间。

由于子载波与频率间隔所决定的连续变化的相位关系同时传输,因此子载波可以和合,从而产生高功率峰值,如图所示: 图3 .这些峰值相对于信号平均水平的水平被描述为信号的PAPR。

图3时间域中信号的总和显示出高PAPR。

当驱动一个具有高PAPR信号的PA时,信号的峰值会被驱动到放大器的非线性区域,这可能会导致光谱的重新生长,导致邻近通道的泄漏。输入回退(ibo)可以降低峰值水平,将其约束到线性区域。不幸的是,这样做也降低了平均功率。放大器不再以其理想点运行,以达到最大效率。图4 .

图4放大器的最大效率点发生在它到达饱和区域之前。

为了恢复一些效率,你可以使用各种技术来有意地减少PAPR,从而减少ibo .您必须限制PAPR的削减程度,以达到EVM目标。一旦PA达到这个水平,确保PA的非线性不会进一步降低PAPR。否则,这会增加EVM并导致符号错误,如图所示。图5 .

图5剪裁峰值会减少向量长度,可能导致符号错误。

测量EVM需要信号分析仪等设备。因为我们关注的是放大器的非线性对降低信号的PAPR的影响,所以你可以使用成本效益高的直接测量结果。

线性特征

您可以使用任何一种方法来描述放大器的线性度。两种常用的方法是测量1db压缩点(P1db)和测量三阶截取点(TII)。两种方法都使用了连续波信号和平均功率测量。由于这些方法使用的信号并不代表OFDM/M-QAM信号,因此它们无法提供足够的信息,说明对高PAPR水平信号的响应。

噪声功率比(NPR)是评估放大器线性度的另一种测量方法。它作为非线性引起的光谱再生长的指标是有效的。由于NPR使用的是加性白高斯噪声,它也更能代表现实世界的性能。然而,它确实需要昂贵的测试设备。

放大器线性化的"现实世界"观

回到最终目标,我们如何评估放大器的线性,或者说非线性,对EVM性能的影响? 图6 展示了EVM与PAPR关系的实验结果。

图6A EVM的设计图。PAPR 显示他们的关系。

在这种情况下,在PAPR中,曲线的斜率约为3%,即EVM/1分贝还原。不同的调制方案的斜率可能不同.通过在开发早期进行PAPR和EVM测量来建立斜率,这意味着您可以使用PAPR作为简单、快速和成本效益高的EVM放大器性能的预测器。这避免了在改变ibo或放大器设计时重复进行EVM测量。这也意味着你可以在生产测试中使用PAPR而不是EVM,这将导致放大器制造的范式转变。

衡量PAPR和CCdf

如何实施实际的PAPR测量方法?您可以使用高样本信号分析器。记得这些设备是昂贵的,复杂的,并占用了相当大的空间来进行EVM测量。

相反,你可以使用电源传感器。有几家制造商提供电源传感器,通常使用二极管作为传感元件。基于Diode的平均功率传感器可以测量信号的平均功率独立于调制类型。由于这些传感器的响应时间相对较慢,所以它们不能提供获得PAPR结果所需的瞬间峰值包测量。

峰值功率传感器的速度足以追踪信号的功率包,并提供高采样率的瞬时峰值功率结果。它们的采样率约为100毫秒/秒,在测量重复信号时,随机交叉取样可以产生10毫秒/秒的有效采样率。使100PS的时间分辨率。

为了忠实地跟踪宽带调制信号的功率包络波动,传感器需要有一个宽的视频带宽和一个相关的快速上升时间。在100兆赫宽5GF1信道的情况下,具有不到100兆赫视频带宽(VWW)的传感器无法提供准确的结果,而具有,例如165兆赫VWW的传感器将提供准确的结果。这些传感器可从几个制造商那里获得。

使用按下列方式配置的尖峰功率传感器: 图7 你可以在放大器的输入和输出上测量射频信号的峰值、平均值和最小功率。

图7使用两个尖峰功率传感器,你可以同时描述5g功率放大器。

图8a和8b 显示即时包络功率与。信号压缩的时间.图8a显示了输入信号(CH1)和输出信号(CH2)来自一个主要在其线性区域运行的放大器。输出峰值因子,另一种表示其最大PAPR的方法,与输入信号相比只减少了0.6db。在图8B中,随着ibo的减小,这个差异增加到3db,这表明放大器进一步进入其非线性区域,并施加了更高的压缩度。

图8峰的光压缩(a)在PAPR中的差异为0.6db,而(b)较重的峰压缩则使PAPR增加到3db。

仅衡量最大值因素无法提供统计背景。补充累积分布函数提供了有价值的补充信息.

CCdf曲线图9 显示PAPR(x轴)大于特定值的时间(y轴)百分比。图9a和9b显示了图8a和8b所示相同信号的CCdf曲线。图9A显示了放大器在除了最高峰以外的所有线性区域运行时的结果。输入信号(CH1)峰值与0.01%时间的平均信号水平相比为9.4db。放大器(CH2)输出的峰值与平均信号水平相比,在0.01%的时间。