面向多載波基站應(yīng)用的波峰因子降低CFR引擎1226637044

1、僅供個人參考面向多載波基站應(yīng)用的波峰因子降低（CFR）引擎作者：溫得敏博士，IEEE高級會員，賽靈思公司無線基礎(chǔ)設(shè)施垂直市場系統(tǒng)架構(gòu)師引言賽靈思的FPGA在業(yè)內(nèi)被廣泛應(yīng)用于基帶協(xié)處理領(lǐng)域里的蜂窩射頻基站設(shè)計以及其它先進的基帶功能中。除了信道卡應(yīng)用之外，賽靈思的FPGA還支持成本效益高的射頻卡功能的實現(xiàn)，如數(shù)字上變頻（DUC）和數(shù)字下變頻（DDC）,包括波峰因子 降低（CFR）和數(shù)字預(yù)失真（DPD）等先進技術(shù)。除了擁有用于 WCDMA和WiMAX的 射頻卡解決方案之外，賽靈思最近還向市場1推出了能夠?qū)崿F(xiàn)多載波和多天線配 置的TD-SCDMA數(shù)字前端解決方案。本文將介紹賽靈思用于 波峰因子降低（C

2、FR）的最新參考解決方案，又被稱為峰值對消波峰因子降低（PC-CFR）。本文將首先回顧使用與射頻功率放大器 （RFPA）效率有 關(guān)的CFR技術(shù)的目的，然后簡要回顧各種CFR技術(shù)，包 括對用 于多載波TD- SCDMA 標(biāo)準(zhǔn)的各種解決方案之間的性能比較。本文還將討論用于實現(xiàn)特定TD-SCDMA多載波系統(tǒng)配置的FPGA資源要求。振幅因子與射頻功率放大器效率因其對OPEX和CAPEX的重要作用，射頻功率放大器（RFPA）的功率效率在蜂窩 射頻基站設(shè)計中起到非常重要的作用。高效的射頻功率放大器（RFPA）解決方案會降低CAPEX,因為較小的功率放大器可用于相同的期望輸出功率值，或者需要較 少的冷卻基礎(chǔ)

3、設(shè)施。另一方面，因消耗的功率較少，它還可降低OPEX。對射頻功率放大器更高效率的需求已經(jīng)使得基站架構(gòu)從單載波功率放大器（SCPA）輸出的無源組合向基于多載波功率放大器（MCPA）方法的中頻（IF）載波的數(shù)字組合 演進。后一種方法還允許采用 CFR技術(shù)以及包括DPD的數(shù)字線性化技術(shù)。不得用于商業(yè)用途僅供個人參考然而，載波信號的線性組合會出現(xiàn)高峰值平均功率比 （PAPR）。這不僅僅適用于3G CDMA載波，而且適用于多載波 Edge和GSM信號。由于在生成單個 CDMA和 OFDM載波過程中對獨立的波形進行了線性組合，因此，即使單載波CDMA或OFDM信號也會顯示高振幅因子（CF）。當(dāng)CF被用于測

4、量PAPR時，可由下列方程定義和計算：CF =l0logio（mfXx）Ex 方程其中，x是上變頻帶通信號的真值。高的波峰因子要求常用的 AB類RFPA在某些輸出回退電平（Output Back Off Level） 上運作，以防高峰值信號把 RFPA驅(qū)動到非線性工作區(qū)之中。我們首先考察一下 CF和RFPA效率之間的關(guān)系。RFPA的效率被定義為在某一個工作點上平均輸出功率與直流（DC）功率之比，如方程（2）所給出：PoutFdc方程這意味著為了實現(xiàn)更高的效率，RFPA輸出應(yīng)該被驅(qū)動至接近飽和點（超過飽和點 將出現(xiàn)非線性效果）。然而，在實際運作中，輸出功率要回退，這不僅僅是為了解 決輸入信號對R

5、FPA存在的CF問題，同時還為了解決在 RFPA中存在的其它弱非 線性問題。不得用于商業(yè)用途僅供個人參考 圖1說明了輸入功率回退（IPBO）和輸出功率回退（OPBO） 1之間的關(guān)系。為了實現(xiàn)預(yù) 期的OPBO電平，必須提高IPBOo因為工作點維持相同，在方程中的分母將保持 不變，但是，分子將減小，因此，較大的 OPBO會導(dǎo)致效率的下降。圖1射頻功率放大器的功效曲線在圖2中描述了具有強跨導(dǎo)5非線性的不同類型放大器的典型 RFPA的效率，是 以dB表示OPBO函數(shù)。請注意，對具有12dB OPBO的AB類RFPA來說，隨著 回退的增加，效率從70%減至約10%。OPBO是最大輸出（飽和度）功率與實際

6、輸出功率之間的比例。不得用于商業(yè)用途僅供個人參考902Q10468Backoff (dB)1012圖2: RFPA的效率性能560504030 婆獸/星UJ考慮到信號的高CF,有兩種方式可以解決因 OPBO增加導(dǎo)致的效率下降問題。你 可以采用一種有效的波峰因子降低（CFR）方案來減小多載波輸入信號的 PAPR,或 者/并且采用數(shù)字預(yù)失真（DPD）來擴展RFPA的線性工作范圍。通過減小到 RFPA的 組合輸入信號的PAPR, IPBO可以被縮減，從而使得OPBO更低，從而獲得效率 提升。與不采用CFR實現(xiàn)8%（效率提升）的情形相比，利用CFR方案可以實現(xiàn)大約16%的典 型效率（提升）。下面我們將

7、回顧所提議的常用技術(shù)，并就 TD-SCDMA多載波應(yīng)用在 性能和資源利用率方面詳細(xì)討論賽靈思公司的峰值對消波峰因子降低（PC-CFR）方案。各種CFR技術(shù)目前，許多建議的波峰因子降低方案涵蓋編碼選擇、 I & Q或基帶極性限幅、峰值 加窗CFR（PW-CFR）、噪聲成形 CFR（NS-CFR）和脈沖注入CFR（PI-CFR）范疇提出 的，參見文獻4對各種技術(shù)的回顧。不得用于商業(yè)用途僅供個人參考賽靈思最近提出了一種稱為峰值對消波峰因子降低(PC-CFR)的技術(shù)，已經(jīng)被證明性能更佳。與此同時，除了其它優(yōu)點之外3,由于其自身降低了計算負(fù)擔(dān)，從而可以消耗更少的資源。在詳細(xì)討論PC-CFR之前，我們將首

8、先簡要回顧上面提到的三種常用技術(shù)。峰值加窗波峰因子降低(PW-CFR)PW-CFR是常規(guī)限幅技術(shù)的延伸，可以通過應(yīng)用時域縮放限幅信號比例的時域來降低 PAPR0用于常規(guī)限幅的方程由下列方程6給出：yn = c(n) *x(n)其中，c(n)用下列方程中定義：A是限幅信號容許的最大幅度。它的思想就是利用平滑的函數(shù)b(n)來替代c(n)使用合適的窗口，以限制限幅信號的頻譜擴展。1,1x(n) Ac(n) = A-x(n)，X(n) APW-CFR方框圖如圖3所示，不得用于商業(yè)用途僅供個人參考1)圖3: PW-CFR方框圖6經(jīng)過PW-CFR處理的信號一y(n)一的鄰近信道泄漏功率比(ACLR)和誤差

9、矢量幅度 (EVM)的性能取決于所采用的窗口以及窗口的長度 6。窗口長度在ACLR以及 EVM性能之間提供一種折中，較長的窗口可以提供更好的ALCR數(shù)，而這又是以EVM性能退化為代價的。噪聲成形波峰因子降低(NS-CFR)這一方案首先由賽靈思提供給 WCDMA數(shù)字前端2以及隨后的WiMAX作為一種參考解決方案。通過消除超過一定限幅閥值的所有采樣點，NS-CFR可以降低CF。圖文:不得用于商業(yè)用途僅供個人參考Signal信號Delay:延遲Filter:濾波器Shaping Filter:成形濾波器Clipping Threshold:限幅閥值Error Signal:誤差信號Scaling F

10、actor Calculation:縮放因數(shù)計算圖4 : NS-CFR方案的概念方框圖6圖4描述了 NS-CFR （也稱為誤差成形CFR）系統(tǒng)方框圖。傳統(tǒng)的有極性限幅被用 于削減超過某一個閥值的信號峰值。限幅信號隨后被噪聲成型，以確保由限幅措施 引起的噪聲落在信號頻帶之內(nèi)。經(jīng)噪聲成形的限幅信號隨后從原始信號中消去，從而降低PAPR。上述處理可能造成峰值再次上升，在隨后的階段中可以反復(fù)采用這一方案以減輕峰值的再次上升。與PW-CFR相比，NS-CFR方案能提供更佳的性能。脈沖注入波峰因子降低（PI-CFR）簡化版的PI-CFR方案如圖5所示5。這一技術(shù)通常配備末級數(shù)字削波。不得用于商業(yè)用途僅供個

11、人參考圖文：Cancellation Signal:消除信號Input Signal:輸入信號Output Signal輸出信號圖 5 PI-CFR 方案5。本質(zhì)上，PI-CFR方案以小部分的采樣率檢測出引入的高 PAPR信號的峰值，且針 對超過限幅閥值的每一個峰值，會產(chǎn)生對應(yīng)的、具有同樣幅度的“整個”信號，但 其相位相反。所產(chǎn)生的信號隨后被用于消除被檢測出來的峰值信號，如圖 5的方框 圖所示。典型的PI-CFR系統(tǒng)包含大量的檢測和消除（PDC）以及有限數(shù)量的脈沖發(fā)生器。在 這個過程中因同時采用多個 PDC級而可能仍然使得峰值再次上升。峰值對消波峰因子 降低（PC-CFR）PC-CFR技術(shù)采用

12、稍微類似于NS-CFR的技術(shù)來縮小CF。然而，與上述NS-CFR不同，在PC-CFR方案中由頻譜成形而再生的信號是基于峰 值采樣點的，這一信號在經(jīng)過合適的延遲處理之后被用于削減超過閥值的原始峰值不得用于商業(yè)用途僅供個人參考信號。然而，對于以NS-CFR為例，所有限幅的噪聲采樣點均被濾除，而且被用于 減去相應(yīng)原始的延遲的峰值信號。作為只用峰值采樣點進行消減的簡化方法，它的失真度較小，而且只需更少的計算 負(fù)擔(dān)。在每一個PC-CFR階段，它包含高達(dá)4個消除脈沖發(fā)生器（CPG）并具有涉及復(fù)雜縮 放的峰值縮放功能。PC-CFR方案的另一優(yōu)點就是它所具備的靈活性，也就是說， 它能夠在同一系統(tǒng)上通過適當(dāng)?shù)馗?/p>

13、變用來生成脈沖的濾波器來支持多個空中接口標(biāo) 準(zhǔn)。圖6描述了在15MHz帶寬內(nèi)和1E-4處具有3dB的增益上，在7% EVM工作點和6 個非鄰近TD-SCDMA載波的CFR輸入和輸出的互補累積分布函數(shù)（CCDF）圖。這 個仿真是基于76.8 MSPS2的輸出采樣率完成的。而圖7則描述了為類似配置添加 了頻譜發(fā)射屏蔽（Spectrum Emission Mask）B功率譜密度（PSD）性能。PC-CFR參考設(shè)計也可用于 61.44 MSPS DFE解決方案。三=qeq2d Euad 一0)601不得用于商業(yè)用途僅供個人參考圖文：CCDF of CFR Input and Output: CFR輸入

14、和輸出的 CCDFClipping Probability:限幅概率CFR Input: CFR 輸入CRF Output: CFR 輸出圖6: 6個非令口近15MHz TD-SCDMA 載波的CCDFPSD of CFR Input and Outputmw zhFrequency (MHz)圖文：PSD of CFR Input and Output: CFR輸入和輸出的功率譜密度Frequency:頻率CFR Input: CFR 輸入CFR Output: CFR 輸出圖7:利用PC-CFR技術(shù)進行兩次迭代的CFR輸入和輸出的功率頻譜密度不得用于商業(yè)用途僅供個人參考 圖8顯示了 PC-

15、CFR、NS-CFR和PW-CFR之間的性能比較。注意，PC-CFR對不 同的EVM數(shù)值提供最佳的性能，而且如果超越兩次 PC-CFR迭代，性能幾乎不會 增加。PAPR Reduction Vs EVM Vs Methods Ho_ _A _ PW-PFR /hQlftQ 1e 一 = * -oNS-CFR 1 i網(wǎng)3- NS-CFR 2 iters)I1十 - - 1- r -)28-1工111111111111111111I: : : :2.44 r11 1-1t-11111LQ O111n .1111，一 i 一111 一出-11o 一 11 一-十111:L一尸11111.8一二梟二1

16、11111- k1一1111111111111 二，1111115生578.59EVM 恪)圖文:PAPR Reduction Vs EVM Vs Method: PAPR 減小與 EVM 及方法的比較 圖8: TD-SCDMA 76.8 MSPS不同方案的性能比較表1給出了兩次PC-CFR迭代所需要的FPGA資源設(shè)計碼片BRAMDSP48PC-CFR (2次迭代)1285810表1:對兩次迭代PC-CFR設(shè)計(Virtex-4)的資源利用率概要不得用于商業(yè)用途僅供個人參考例如，對于一個10MHz 6載波3天線（6C3A） TD-SCDMA 76.8 MSPS1數(shù)字前端來說，每一個天線需要兩次

17、迭代的 PC-CFR模塊，表2給出了資源利用率要求。這一 配置可適用于基站以及遙控射頻部件（RRU）。設(shè)計描述碼片BRAMDSP48DUC （3天線，6載波）30565360DDC （3天線，6載波）26004763對3根天線進行兩次 PC-CFR迭代37952430總數(shù)9451124153SX35利用率61%64%80%表2.0:對6c3A子系統(tǒng)采用PC-CFR進行處理的資源利用率概要根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，設(shè)計者采用兩塊 V4SX35 FPGA就可以構(gòu)建完整的6c6A數(shù)字前 端解決方案。這一方案采用 CFR措施可以提供更高效的RFPA操作。這是至關(guān)重 要的，特別是在需要傳導(dǎo)冷卻的 RRU工作環(huán)境中

18、。結(jié)論由本文所述可見，PC-CFR方案很顯然是贏家，因為與其它已知的方案相比，它可 以提供更好的性能以及低FPGA資源利用率。這些優(yōu)勢加上兼容的 TD-SCDMA DFE參考設(shè)計的可用性，讓基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備開發(fā)商能夠縮短上市時間并有更大的機 會取得成功。不得用于商業(yè)用途僅供個人參考參考文獻：MAC-EXFR-21-029- 01.02, January 2007, TD-SCDMA Digital Front-End Design Description , seewireless.htm#rfXilinx Application Note XAPP921c, March 2, 2007, High Density WCDMA Digital Front End Reference Design , se/wireless.htm#rfXilinx Application Note XAPP1033, Peak Cancellation Crest Factor Reduction Reference Design se e/wireless.htm#rfVan Nee, R., and R. Prasad, OFDM for Wireless Multimedia Communications, Norwood, MA, Artech house, 1999Roland Sper