解決 mMIMO PA 設計挑戰

摘要

大規模多輸入多輸出 (mMIMO) 系統設計人員在提高整體系統效率時正面臨著挑戰。在暫態頻寬達到 200 MHz 及以上時，降低功率放大器（PA）在非線性區域工作時產生的失真變得愈發重要。平衡寬頻系統線性度和系統效率是實現 mMIMO 系統在尺寸、重量和功率要求時必須要滿足的一個指標。為了圍繞給定線性要求設計這樣一種寬頻系統，系統優化應該不止著眼於末級 PA，而應將重點拓展至整個放大鏈路。同樣地，優化整體放大鏈路時也應考慮到系統收發器和數位預失真（DPD）演算法。

在 Wolfspeed 與 Analog Devices, Inc. (ADI) 的合作中，我們就行業方法展開討論，深入研究效率與線性度之間的平衡，並推出以下解決方案：

1. 為放大器產品系列選擇效率更高的元件技術，即碳化矽基氮化鎵 (GaN on SiC)。
2. 應用特定 DPD 系統實現簡單、高效的鏈路架構。

簡介

5G 移動通訊技術的快速增長和物聯網（IoT）的擴展正在為越來越多的用戶帶來更高的資料傳輸速率，其實現正是借助高效半導體技術，如碳化矽基氮化鎵（GaN on SiC）。高資料傳輸速率可實現快速資料傳輸、更多使用者以及更高的服務品質。為了提供此類服務，業內正在使用更高階數的調製方案和頻寬很大的訊號。這些特性推動無線傳輸中的高資料傳輸速率達到新的水準。這使得發射（TX）鏈的要求更為苛刻，因為需要更積極地激發發射器的非線性。

在 4G 和 5G 系統中使用的功率放大器架構為 Doherty 放大器。該架構可在功率回退期間保持峰值效率。而這一點是以即使在功率回退時仍然要求飽和為代價。

在 4G 應用中，PA 的設計是用於相對窄帶應用（頻寬約為 60 MHz）。在此類應用中，線性化問題主要由最終階段的 Doherty PA 引起。

對於 5G mMIMO 應用，所需的暫態頻寬為 160 MHz 或以上。對於此類寬頻訊號，線性化問題則可能是由整個 PA 單元、寬頻收發器和數位預失真系統組合引起。因此，更寬頻帶中的線性化會受到整個系統的影響。

除了寬頻要求之外，高效率是 5G 系統的另一個關鍵指標。效率要求是mMIMO 有源天線系統符合尺寸和重量要求的必備條件。高效率功率放大器通常使用非對稱 Doherty 架構。此方法的缺點在於潛在的高度非線性性能。

線性和效率是一對對立的設計要素，這兩個參數需要在 PA 折中處理。為了最大限度提高效率，對 PA 有最低的線性度要求，而 DPD 系統則要確保系統級的線性要求得以滿足。

當設計寬頻 PA 以滿足特定線性度要求時，設計的優化應該如前所述，關注整個放大鏈路。同樣地，放大鏈路在優化時也應考慮到收發器系統和 DPD 系統。

mMIMO 的功率放大模組

Wolfspeed 是碳化矽基氮化鎵（GaN on SiC）元件技術領導者，公司垂直整合了半導體材料和元件，提供業界領先的 GaN RF 功率放大器和電晶體元件。其實現了從晶體、外延、晶圓、裸晶片與元件設計到業界領先 PA 的 GaN 前端模組的可靠供應。

設計拓撲

Wolfspeed 的高功率多晶片非對稱 Doherty PA 模組（PAM）使用先進的碳化矽基氮化鎵 (GaN on SiC) HEMT 元件和準確的非線性元件模組設計，可用於 5G mMIMO 基站應用。PAM 採用緊湊表面貼裝封裝設計，比分立式元件解決方案小得多。

模組在搭建全功能、高性能 Doherty PAM 時需要很少的外部元件。此非對稱 Doherty PAM 對 4G 和 5G 設計標準均適用，採用 48 V 供電電壓和 6 × 6 mm 表面貼裝封裝。為提高效率，在封裝之內還集成有二次諧波終端。

Current production PAMs cover the sub-6 GHz mobile frequency band in the range of 2.3 GHz to 4.0 GHz. 

• WS1A3940:  適用於美國 C 頻段 3.7 至 4.0 GHz 設計的優化模組
• WS1A3640:  可在 3.3 GHz 至 3.8GHz 頻率下工作的優化模組。具有設計靈活性，可在如 B42 和 B43 設計等單頻帶中工作
• WS1A2639:  適用於 B41 範圍（2.496 GHz 至 2.69 GHz）內頻帶設計的優化模組

為打造完整的放大器鏈路，WSGPA01 通用放大器被設計為驅動器級，以支持上述元件在高至 5 GHz 頻段中工作的性能。

所有 PAM 元件在平均輸出功率為 38.5 dBm 至 40 dBm 下均表現出出色的線性能力（表 1.0），功率增益大於 13.0 dB，飽和功率大於 47 dBm。性能則通過 Analog Devices, Inc. 的 DPD 系統得到驗證，暫態頻寬（IBW）高達 200 MHz、峰值平均功率比（PAPR）訊號為 8 dB。

數位預失真（DPD）

在過去十年中，ADI 集成收發器已經發展成為一個高性能平台。ADI RadioVerse™ 系列包括各種集成收發器，支持最高 200 MHz 的佔用頻寬，集成 DPD、波峰係數削減（CFR）等先進功能。

DPD 測量

開發頻寬能力為 200 MHz 及以上、符合 3GPP 標準且效率最佳的 PA 是一項重大挑戰。為了避免 TX 鏈中的非線性效應，解決方案是使用有效的 DPD 演算法。DPD 是一種 PA 線性化技術，可估算 PA 行為模型，然後消除非線性和記憶影響。這使得 PA 能夠以更高的功率和效率工作。DPD 基本工作原理如圖 2.0 所示。文獻中提出了多個 DPD 模型。其中大部分是 Volterra 級數的簡化，如廣義記憶多項式（GMP）[4, 5] 和記憶多項式 （MP）[6]。

PA 和 DPD 具有部分共生關係。這種關係既和諧，也存在問題。針對特定 PA 設計而優化的 DPD 系統可能無法充分適用於另一種 PA 設計。

通常，將 DPD 和 PA 協同配置、調整以匹配特定應用後，將會實現最佳性能。因此，ADI 和 Wolfspeed 展開合作，確保系統 [ADI TRx ↔ DPD ↔ PA] 同時得到優化。密切合作因為頻寬需求的增加而變得非常關鍵。

雙方面臨相應的挑戰。Wolfspeed PA 開發人員面臨的挑戰是在保持高整體 RF 性能的同時實現更寬的頻寬。ADI DPD 開發人員面臨的挑戰是開發符合 3GPP 規範、DPD 資源和系統功耗最低的優化 DPD 演算法。

AD9375 是首款採用片內 DPD 演算法的 ADI RF 收發器。AD9375 DPD 解決方案支持 3G 和 4G 波形，暫態訊號頻寬最高可達 50 MHz。

對於頻寬高至 200 MHz 的 5G 系統（3G 和 4G 也適用），ADRV9029 提供兩種 DPD 解決方案（Gen3 和 Gen4），並於去年發佈。

ADI 的下一代收發器將採用更加強大的 DPD 演算法（Gen5），具有更快的自我調整速率和更高的 DPD 取樣速率，可滿足 400 MHz 5G 系統要求。該收發器還具有嵌入式 GaN 電荷捕獲校正 （CTC）IP，可提高 TDD 系統中 GaN EVM 合規性，並可進一步增強動態流量性能。新型 8T8R 收發器具有更快的恢復時間，可提供即時恢復和穩定性。

與基於 FPGA 的解決方案相比，在收發器 SoC 中使用嵌入式 DPD 可降低 90% 的功耗，並可將 SERDES 通道數量減半，從而降低了 FPGA 要求和成本。表 2.0 展示了 ADI DPD 模型發展與相應的 IBW 功能。此表表明，隨著系統頻寬能力的提高，需要進一步努力降低 DPD 功率損耗。

這些收發器特性可簡化設計，降低了小型蜂窩、mMIMO 和巨集蜂窩基站的系統大小、重量、功率和成本。

為驗證並優化各代 DPD 演算法，Wolfspeed 向 ADI 提供了其 mMIMO PA 模組組合。合作的重點是評估聯合優化多套 mMIMO 系統解決方案。Wolfspeed 的 mMIMO PAM 產品組合（如前所述）採用所有 ADI DPD 演算法變體進行評估。

圖 3.0 和圖 4.0 重點展示了在整個 ADI DPD 演算法發展中 ADI 收發器 - Wolfspeed PA 系統性能，兩圖的訊號頻寬分別的 160 MHz 和 200 MHz。在這些圖中，訊號頻寬最高可達 200 MHz，符合 3GPP 發射規範要求。ADI Gen5 DPD 實現了顯著的餘量，因為此線性化演算法更強大，並且專為 400 MHz IBW mMIMO 系統設計。

ADI 和 Wolfspeed 目前正在驗證下一代 5G 系統 400 MHz 頻寬要求。此高頻寬要求給 PA 設計端和 DPD 演算法開發端帶來了更多挑戰。主要挑戰仍是客戶對無線電和 PA 元件的高系統效率要求。這限制了 PA 在整個寬頻工作中的效率，對 Doherty PA 架構提出了挑戰。對 DPD 演算法端的挑戰則依舊存在，要求限制資源以實現最小的功率損耗，同時還要滿足 3GPP 標準。

圖 5.0 顯示了線性化系統 ADI TRX DPD (Gen5) - WS1A3640 n78 PA 鏈路的 ACLR 與 信號 BW 對比。採用這一系統單元，可滿足高達 340 MHz 頻寬餘量規格。ADI 和 Wolfspeed 均專注於優化系統元件，以在最大效率下滿足 400 MHz 頻寬要求。

結論

在 DPD 和 PA 的共同調整下，才可達到 5G 系統最佳性能。Wolfspeed 與 Analog Devices, Inc. 通力合作，將功率放大器的設計開發與寬頻 mMIMO 元件的數位預失真系統緊密結合，推出的解決方案可實現線性、高效和寬頻通信系統。

如想瞭解更多，請瀏覽 www.Wolfspeed.com 和 www.Analog.com 以獲取更多資訊。

本文首發於 Microwaves & RF。

References:

1. Cree-Wolfspeed, “GaN HEMT Large Signal Models”  https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/gan-hemt-large-signal-models . May 08, 2020.
2. J. K. Cavers, “Amplifier linearization using a digital predistorter with fast adaptation and low memory requirements,” IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 39, pp. 374–382, Nov. 1990.
3. A. N. D’Andrea, V. Lottici, and R. Reggiannini, “Nonlinear predistortion of OFDM signals over frequency-selective fading channels,” IEEE Trans. Commun., vol. 49, pp. 837–843, May 2001.
4. F.M. Ghannouchi, O. Hammi, M. Helaoui. BEHAVIORAL MODELING AND PREDISTORTION OF WIDEBAND WIRELESS TRANSMITTERS. Wiley 2015.
5. D. R. Morgan and al., “A Generalized Memory Polynomial Model for Digital Predistortion of RF Power Amplifiers”, IEEE TRANSACTIONS ON SIGNAL PROCESSING, VOL. 54, NO. 10, OCTOBER 2006, pp. 3852-3860.
6. L. Ding, G. T. Zhou, D. R. Morgan, Z. Ma, J. S. Kenney, J. Kim, and C. R. Giardina, “A robust digital baseband predistorter constructed using memory polynomials,” IEEE Trans. Commun., vol. 52, no. 1, pp.159–165, Jan. 2004.
7.  S. Summerfield and F. Kearney, “How to Make a Digital Predistortion Solution Practical and Relevant”, Analog Devices, Vol 55, No 3 – August 2021.