Att lägga in fördistorsion i en effektförstärkare (PA, power amplifier)för RF är en metod att linjärisera steget, dels för att kunna överföra komplexa moduleringsformer, dels för att minska störningarna i grannkanalen. David A Hall, produktchef, National Instruments, beskriver här i huvuddrag bakgrunden för de speciella mätmetoder och mätinstrument som krävs.

Vi är många som kan berätta om något tillfälle när mobiltelefonens batteri höll på att slut under ett viktigt samtal. I det läget gäller det att snabbt hitta en laddare och ett eluttag – eller hoppas hinna avsluta samtalet innan telefonen ger upp.
Batteriernas begränsade drifttid har gjort att radiodelens verkningsgrad blivit viktig i moderna kommunikationsenheter för LTE och 802.11ac. Mest krävande är ofta effektförstärkaren i sändarens slutsteg. Detta i kombination med den ökande komplexiteten hos moderna kommunikationssignaler gör att man måste göra svåra avvägningar mellan verkningsgrad och linjäritet. Behovet av högre verkningsgrad hos effektförstärkaren har lett till många olika konstruktioner och testmetoder.

Load-pull
Tag som exempel så man konstruerar handenhetens effektförstärkare. Då använder man i allt högre utsträckning load-pull-teknik för att komma fram till bästa in- och utimpedans för en effekttransistor. Dessutom används alltmer avancerade effektförstärkararkitekturer med t ex enveloppföljning (ET, envelope tracking). För enveloppföljande effektförstärkare får man högsta möjliga verkningsgrad genom att använda en modulerad drivspänning vilket gör att effektförstärkaren kan arbeta med högsta verkningsgrad vid fler uteffektnivåer.
I den här artikeln diskuterar vi en av de viktigaste principerna som utvecklats när det gäller effektförstärkaren i handenheten, nämligen användning av digital fördistordering. Även om fördistorderingen inte ger någon stor höjning av verkningsgraden ger den högre kvalitet på utsignalen när effektförstärkaren arbetar vid högsta verkningsgrad. Med tanke på hur vanlig tekniken med digital fördistordering har blivit i radiodelen i moderna mobila enheter är det motiverat att förklara teorin och svårigheterna vid testning av effektförstärkare med digital fördistordering.

Verkningsgrad hos effektförstärkare – grunder
För att förstå hur digital fördistordering kan användas för att förbättra prestanda hos effektförstärkare börjar vi med att undersöka de teoretiska egenskaperna hos en effektförstärkare som visas i fig 1.

Fig 1. Effektförstärkarens verkningsgrad och uteffekt som funktion av ineffekten.

I fig 1 ser vi att effektförstärkaren har sin högsta verkningsgrad vid en uteffektnivå som ligger nära förstärkarens mättnadsområde. Hos en ideal effektförstärkare skulle varje ökning av ineffekten med 1 dB ge upphov till 1 dB ökning av uteffekten och ge den 1:1-relation som beskrivs av kurvan ”ideal Pin vs Pout” i fig 1. Men när effektförstärkaren börjar närma sig mättnadsområdet, där verkningsgraden är högst, är uteffekten inte längre en linjär funktion av ineffekten. Olinjäriteten gör att effektförstärkaren förvränger utsignalen.
Vid ett första ögonkast ser olinjäriteten kanske inte ut att vara något särskilt stort problem. Skillnaden mellan en förstärkning på 19 dB och en på 20 dB kan förefalla liten. Med när man förstärker modulerade signaler blir förmågan att hålla förstärkningen konstant inom ett stort effektområde oerhört viktig. Betrakta till exempel en kvadraturamplitudmodulerad signal som 64-QAM. Vid den här moduleringsmetoden varierar effekten hos den modulerade signalen ofta avsevärt från en symbol till nästa.
Om man betraktar konstellationsdiagrammen i fig 2 ser man att olinjär förstärkning gör att de symboler som ligger nära origo får högre förstärkning än de som ligger längre från origo. Distorsionen gör att moduleringskvaliteten i överföringen (typiskt mätt som felvektormagnituden) försämras och kan öka bitfelen (bit error rate, BER) hos mottagaren som ska demodulera signalen. Dessutom medför distorsionen spektrumbreddning i frekvensplanet, vilket svämmar över till banden intill den modulerade signalen.

Fig 2. Distorsionens inverkan på ett konstellationsdiagram.

Som man kan gissa av fig 2 får den olinjära distorsionen större inverkan på moduleringskvaliteten ju komplexare diagrammet är. Man kan i allmänhet räkna med att signaler med hög effekt jämfört med medeleffekten (peak to average power, PAPR) kräver bättre linjäritet än de med lägre PAPR.
Historiskt har man i kommunikationssystem som GSM använt speciella moduleringsmetoder som GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) för att minimera signalens PAPR och möjliggöra användning av olinjära effektförstärkare. Men kravet på högre dataöverföringshastigheter (och därigenom fler bitar per symbol) har medfört högre krav på PAPR i moderna kommunikationssystem. Till exempel har en typisk UMTS-överföring (3G) med kvadraturfasskiftskodning (quadrature phase shift keying, QPSK) ett PAPR-värde på ungefär 5.5 dB. Det kan jämföras med att signaler där man använder ortogonal frekvensmultiplexering (orthogonal frequency division multiplexing, OFDM) och flera bärvågor – t ex LTE nerlänk och 802.11ac – har ett PAPR som typiskt ligger mellan 8 dB och 13 dB.

Digital fördistordering (DPD)
Även om distorsionens inverkan på modulationskvaliteten kan vara stor, är spektrumbreddningen som den olinjära distorsionen medför ofta mer problematisk. När man driver en effektförstärkare så att den komprimerar kraftigt ger spektrumbreddningen in i banden intill den modulerade signalen risk för störningar i enheter som använder de kanalerna. Mot bakgrund av de här svårigheterna och önskemålet att få effektförstärkaren att arbeta med maximal verkningsgrad är det angeläget att förbättra effektförstärkarens egenskaper i mättnadsområdet med hjälp av digital fördistordering.
Historiskt har man använt digital fördistordering huvudsakligen i basstationernas högeffektförstärkare, som förstärker nerlänksignaler med flera bärvågor och därför behöver ha hög linjäritet. Men kraven från moderna kommunikationssignaler som LTE och 802.11ac i kombination med de förbättrade signalbearbetningsmöjligheterna i moderna enheter har medfört att digital fördistordering blivit vanlig i många enheter. I allmänhet kan digital fördistordering förverkligas på många olika sätt, alltifrån enkla, som tabellbaserad, till mer komplicerade, som signalbearbetning i realtid.

Tabellbaserad digital fördistordering
Fördistordering med hjälp av tabell (look-up table, LUT) är den enklaste varianten och lätt att förstå. När man gör en effektförstärkare linjär med hjälp av en tabell bestämmer man först karaktäristiken för utsignalens effekt och fas vid förstärkarens utgång som funktion av insignalens effekt och fas. Utgångseffekten som funktion av ingångseffekten brukar man kalla AM/AM-svaret och utgångsfasen som funktion av ingångseffekten kallas AM/PM-svaret.
När man har mätt upp effektförstärkarens AM/AM-svar och AM/PM-svar kan man skapa en enkel tabell där varje kombination av effekt och fas på ingången relateras till den kombination av effekt och fas på utgången som behövs för att göra förstärkaren linjär. Med hjälp av tabellen kan man sedan fördistordera basbandssignalen före effektförstärkaren så att förstärkningen i praktiken blir linjär.
Ett av de enklaste sätten att åskådliggöra hur fördistorderingsalgoritmen inverkar på en basbandssignal är att rita upp ett konstellationsdiagram. Som framgår av fig 3 ger komprimering av den ”nominella” basbandssignalen en konstellation där signalens ”toppdelar” förstärks mindre än övriga delar. Genom att fördistordera insignalen så att de mer effektkrävande symbolerna görs starkare före förstärkningen kompenserar man för förstärkarens olinjäritet, och resultatet blir linjär förstärkning och förbättrad konstellation, vilket visas i fig 3.

Fig 3. Fördistordering kompenserar för effektförstärkarens olinjäritet.

Lägg märke till att utöver förbättring av modulationskvaliteten vid effektförstärkarens utgång ger digital fördistordering dessutom förbättrad spektralkaraktäristik. I fig 4 visar den blåa kurvan spektrum  för en distorderad WCDMA-signal vid utgången från en effektförstärkare. Som framgår av fig 4 ger distorderingen en spektrumbreddning in i intilliggande band. Den röda kurvan visar spektrum för en WCDMA-signal där man använder digital fördistordering. Här ser man att fördistorderingen väsentligt minskar störningarna i de intilliggande banden.

Fig 4. Digital fördistordering minskar spektrumbreddningen hos modulerade signaler.

Det är viktigt att lägga märke till att även om metoden med tabellbaserad digital fördistordering kan vara den enklaste är det inte den enda. Givet att tabellmetoden inte ger minnesproblem i effektförstärkaren är den vanligare i sammanhang där signalens bandbredd är relativt liten (effektförstärkarens minnesbehov mindre problematiskt) och där omfattande signalbearbetning inte är realistisk (t ex i en telefon).

Test av PA med digital fördistordering
Idag ger digital fördistordering avsevärda förbättringar när det gäller prestanda hos effektförstärkare i moderna mobiltelefoner och trådlösa kommunikationsnätverk, men metoden har också medfört svårigheter vid testning. Enkla metoder för digital fördistordering som tabellbaserad AM-AM/PM LUT är tämligen okomplicerade, men mer avancerad fördistorderingsteknik kräver djupare kunskaper om själva effektförstärkaren.
När man till exempel använder mer förfinade metoder för digital fördistordering som en minnespolynommodell måste man i ökande utsträckning genomföra mer avancerade stimulus/respons-mätningar för att kunna korrelera modulerade in- och utsignaler. I allmänhet kräver dessa stimulus/respons-mätningar noggrann synkronisering mellan generering och insamling av RF-signalerna och mycket stor bandbredd. Exempelvis är det för en avancerad digital fördistorderingsmodell ofta bra att kunna generera och samla in med tredubbla eller femdubbla bandbredden hos den modulerade signalen.
National Instruments vektorsignaltransceiver ger en unik möjlighet att testa effektförstärkare som har digital fördistordering, eftersom den har både en signalgenerator och en signalanalysator i samma instrument. Eftersom signalgeneratorn och signalanalysatorn använder samma samplingsklockor, timing och lokala oscillatorer, förenklar det korrelering av stimulus- och responssignaler. Med det här instrumentet kan man göra avancerad karaktäristik för effektförstärkare och även tillämpa digitala fördistorderingsalgoritmer på signalerna från signalgeneratorn. Mer information om National Instruments lösningar för testning av effektförstärkare finns på http://www.ni.com/envelope-tracking/

Ständig förnyelse
Digital fördistordering är ett vackert exempel på den ständiga förnyelsen inom trådlös kommunikation. Tekniken i kombination med load-pull och enveloppföljning ger en påminnelse om att man i branschen alltid kommer på nya sätt att förbättra (ofta avsevärt) den teknik som vi dagligen är beroende av. Även om teknik som digital fördistordering används redan idag ser jag fram emot de innovationer som kommer att möjliggöra framtida trådlös kommunikations i form av storskalig MIMO (multiple input, multiple output) och kommunikationssystem med millimetervågor.

Filed under: Matteknik