面向多載波基站應(yīng)用的波峰因子降低

1、面向多載波基站應(yīng)用的波峰因子降低(CFR)引擎2009-11-14 19:56出處：中華電子網(wǎng)作者：賽靈思【網(wǎng)友評論0條發(fā)言】0點擊分享本文將介紹賽靈思用于波峰因子降低(CFR)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。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(jìn)的基帶功能中。除了信道

2、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(jìn)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(CFR)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

3、。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)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(jìn)。后一種方法還 允許采用CFR技

4、術(shù)以及包括DPD的數(shù)字線性化技術(shù)。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(jìn)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被用于測量PAPR時，可由下列方程定義和計算:方程(1)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

5、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：&方程(2)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 RFPA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。圖1說明了輸入功率回退(IPBO)和輸出功率回退(OPBO)之間的關(guān)系。為了實現(xiàn)預(yù)期的 OPBO電平，必須提高IPBO。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。工作點/輸入功率平均輸m率

6、峰值輸入功率圖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%。圖2： RFPA的效率性能5考慮到信號的高CF,有兩種方式可以解決因OPB。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(kuò)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C

7、FR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(xiàn)4 對各種技術(shù)的回顧。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

8、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 PAPR。用于常規(guī)限幅的方程由下列方程6給出：況？3=匕(林,二(可其中，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(kuò)展。1, 卜閔或#)=% ,PW-CFR方框圖如圖3所示。圖3： PW-CFR方框圖6經(jīng)過PW-CFR處理的信號一y(n)的鄰近信道泄漏功率比(ACLR)和誤差矢量

9、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。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 Factor Calcul

10、ation: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。Cancellation Signal:消除

11、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)采用稍微類似于NS-CFR的技術(shù)來縮小CF。然而，與上述NS-CFR

12、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(jìn)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)馗淖冇脕砩擅}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3

13、dB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 MSPS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)的功率譜密度(PSD)性能。10e aPAPR (dB)12CCDF cl CFR Input and Oulput定 A Y MJJ-_qoil:?_音一060_|CCDF of CFR Input and Output: CFR 輸入和輸出的 CCDF;Clipping Probability:限幅概 率;CFR Input: C

14、FR 輸入;CRF Output: CFR 輸出圖6： 6個非鄰近15MHz TD-SCDMA載波的CCDFFrequency (MHz)I SEMCFR InputCFR OutputPSD of CFR Input and Output: CFR 輸入和輸出的功率譜密度frequency:頻率;CFRInput: CFR 輸入;CFR Output: CFR 輸出圖7：利用PC-CFR技術(shù)進(jìn)行兩次迭代的CFR輸入和輸出的功率頻譜密度圖8顯示了 PC-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

15、乎不會增加。PAPR Reduction Vs EVM vs MethodEVM (%)mp HIXWPPAPR 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 好代)1285S10表1 :對兩次迭代PC-CFR設(shè)計(Virtex-4)的資源利用率概要例如，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迭代的PC-CFR

16、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)。表2：對6C3A子系統(tǒng)采用PC-CFR進(jìn)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。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(jī)會取得成功。參考

17、文獻(xiàn)MAC-EXFR-21-029-01.02, January 2007, “TD-SCDMA Digital Front-End Design Description, see HYPERLINK http:/www.xilinx.eom/esp/wireless.htm%23rf http:/www.xilinx.eom/esp/wireless.htm#rfXilinx Application Note XAPP921c, March 2, 2007, “High Density WCDMA Digital Front End Reference Design, see HYPERLI

18、NK http:/www.xilinx.eom/esp/wireless.htm%23rf http:/www.xilinx.eom/esp/wireless.htm#rfXilinx Application Note XAPP1033, “Peak Cancellation Crest Factor Reduction Reference Design, see HYPERLINK /esp/wireless.htm%23rf /esp/wireless.htm#rfVan Nee, R., and R. Prasad, “OFDM for Wireless Multimedia Communications, Norwood, MA, Artech house, 19