5G im mmWellen-Bereich
DPD bietet Vorteile – auch im mmWellen-Bereich
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Implementierung und Nutzen der DPD in mmWellen-Antennenarrays
Das AiB256 (Bild 2) verfügt über 256 Sende- und Empfangsantennen, die zwei oder vier Keulen erzeugen können, wobei für jede Keule 128 oder 64 Leistungsverstärker eingesetzt werden. Wie bei Sub-6-GHz-Systemen liegen die EVM-Anforderungen für die mmWellen-Bänder bei 8 % beziehungsweise 3,5 % für 64-QAM- und 256-QAM-Modulationen. Die Anforderungen an das Nachbarkanalleistungsverhältnis im mmWellen-Bereich sind jedoch weniger streng als im Sub-6-GHz-Bereich. Sie betragen 28 dBc für das 28-GHz-Band und 26 dBc für das 39-GHz-Band im 3GPP-Standard 38.104.
Jeder Leistungsverstärker der Klasse AB in einem Beamforming-IC des Typs ADMV4828 kann eine Spitzenleistung von 21 dBm liefern. Der Betrieb der Leistungsverstärker im ADMV4828 mit einer effektiven Ausgangsleistung von etwa 12 dBm lässt eine Reserve von 9 dB für die Spitzenleistung zu und führt dazu, dass sowohl die EVM- als auch die ACPR-Anforderungen erfüllt werden.
Bei einer Ausgangsleistung von 12 dBm (16 mW) nimmt jeder Sendepfad eine Leistung von etwa 300 mW auf, was einem Wirkungsgrad von 5 % entspricht. Einen Teil der Leistung im Sendepfad benötigen die variablen Phasenschieber, die für die Strahlformung erforderlich sind. Jeder Empfangspfad, einschließlich der variablen Phasenschieber, nimmt eine Leistung von etwa 125 mW auf.
Die obigen Leistungszahlen zeigen, dass der Anteil der Leistungsaufnahme der Leistungsverstärker in einem mmWellen-Funksystem im Verhältnis zur gesamten Leistungsaufnahme gegenüber einem Sub-6-GHz-Funksystem wesentlich geringer ist. Damit stellt sich die Frage, ob ein mmWellen-Funksystem noch von der DPD profitieren kann oder nicht?
Um diese Frage zu beantworten, ist eine geeignete DPD-Schaltung für den mmWellen-Bereich erforderlich. Für die einfache Erweiterung der DPD-Implementierung von Sub-6-GHz-Systemen auf mmWellen wird eine DPD-Schleife um jeden einzelnen Leistungsverstärker benötigt. Im hier erwähnten Beispiel des AiB256 würde das 256 DPD-Schleifen bedeuten.
Offensichtlich ist die Implementierung von 256 DPD-Schleifen sehr teuer und benötigt viel Leistung. Da jeder Leistungsverstärker nur eine geringe Leistung von typisch 12 dBm liefert, ist der Gesamtwirkungsgrad des Systems mit DPD wahrscheinlich geringer als bei einem System ohne DPD.
Glücklicherweise gibt es eine elegante Lösung für dieses Problem. Das AiB256 kann maximal vier Keulen formen und dabei 64 Leistungsverstärker in jeder Keule nutzen (Bild 3). Dies bedeutet, dass jeder Leistungsverstärker das gleiche Signal wie die anderen 63 Leistungsverstärker erhält, abgesehen von einer relativen Phasenverschiebung, die für die Steuerung der Keule verwendet wird.
Wenn eine einzige DPD-Schleife für ein Cluster von 64 Leistungsverstärkern verwendet wird, sind insgesamt nur vier DPD-Schleifen für das gesamte AiB256-Antennenarray erforderlich. Im Grunde genommen umgibt die DPD-Schleife jede Keule und nicht jeden Leistungsverstärker. Dies wird als Array-DPD bezeichnen, um es vom Sub-6-GHz-DPD zu unterscheiden, das eine eigene DPD-Schleife pro Leistungsverstärker hat.
Der Beobachtungsempfänger muss in die Vorzugsrichtung des Strahls »blicken«, wo sich die Signale aller Leistungsverstärker phasengleich addieren. Somit lässt sich die Verzerrung korrigieren, die durch die kumulative Fernfeldaggregation von 64 Leistungsverstärkern entsteht.
In der ersten Evaluierungsphase verwendeten die Autoren eine Fernfeld-Hornantenne als DPD-Beobachtungsempfänger (Bild 5) und zeigten, dass eine einzelne DPD-Schleife um einen Strahl gelegt werden kann, um EVM und ACPR zu optimieren. Zukünftige mmWellen-ICs von Analog Devices könnten einen integrierten Beobachtungspfad enthalten, um die DPD-Implementierung zu vereinfachen.
Der DPD-Aufbau verwendet integrierte Transceiver des Typs ADRV9029 mit internen CFR- und DPD-Funktionen für Signale mit einer Bandbreite von bis zu 200 MHz. Künftige Transceiver-ICs von Analog Devices werden Bandbreiten von mindestens 400 MHz mit DPD unterstützen.
Aus der von den Autoren durchgeführten Analyse geht hervor, dass DPD in mmWellen-Antennenarrays die EIRP um mehr als 3 dB – in einem Bereich von 1,5 bis 3,2 dB – über den Frequenzbereich von 26,5 bis 29,5 GHz erhöhen kann. Die Optimierung der Leistungsanpassung und der Bias-Einstellungen des Strahlformers bei bestimmten Frequenzen kann zu einer effektiven Ausgangsleistung von bis zu 13 dBm führen, wobei die Spezifikationen für EVM und ACPR eingehalten werden. Allerdings ist es nicht möglich, dieses Leistungsniveau über einen breiten Frequenzbereich und mehrere Einheiten hinweg beizubehalten.
Wenn die entsprechenden Bedingungen erfüllt sind – der gesättigte Leistungspegel des Leistungsverstärkers bleibt über 21 dBm –, kann mit digitaler Vorverzerrung durchgängig eine Ausgangsleistung von mehr als 14 dBm über das interessierende Frequenzband erreicht werden.
Bei der Spezifikation eines mmWellen-Antennenarrays ist die äquivalente isotrope Strahlungsleistung (EIRP) pro Antennenkeule von grundlegender Bedeutung. Bei einer relativ geringen Leistung pro Antennenelement sind viele Antennenelemente erforderlich, um die angestrebte EIRP zu erreichen. Dies wiederum erhöht die Kosten, die Leistungsaufnahme und die Baugröße des Antennenarrays. Je mehr Elemente im Antennenarray eingesetzt werden, desto schmaler ist die resultierende Antennenkeule. Schmale Keulen sind nicht immer wünschenswert, denn sie erschweren die Ausrichtung und die Verfolgung mobiler Endgeräte.
Bild 6 zeigt, wie sich die Anzahl der erforderlichen Antennenelemente und die Leistungsaufnahme des Antennenarrays in Abhängigkeit von der DPD-Verbesserung von 0 auf 3 dB ändert, wobei eine Ziel-EIRP von 60 dBm beibehalten wird.
Wenn sich mithilfe digitaler Vorverzerrung die EIRP um 3 dB verbessern lässt, verringert sich die Anzahl der erforderlichen Elemente um fast 30 % und die Verlustleistung sinkt um etwa 20 %. Verglichen mit dem Sub-6-GHz-Beispiel, bei dem die digitale Vorverzerrung den Leistungsbedarf der Leistungsverstärker um den Faktor 4 reduziert, ist die Leistungseinsparung im mmWellen-Antennenarray nicht so signifikant.
Im Fall von mmWellen können Entwickler jedoch von einem zusätzlichen Vorteil profitieren. Denn die Verringerung der Anzahl der Antennenelemente um 30 % bedeutet eine erhebliche Einsparung bei den Kosten und der Baugröße des Antennenarrays. Zukünftig ist es möglich, effizientere Leistungsverstärkerschaltungen in mmWellen-Strahlformern zu verwenden, um die Leistungseffizienz mit digitaler Vorverzerrung weiter zu optimieren.
Array-DPD statt Verstärker-DPD
Die Implementierung einer digitalen Vorverzerrung (DPD) in 5G-mmWellen-Antennenarrays bringt neue Herausforderungen gegenüber Funksystemen mit Frequenzen unter 6 GHz mit sich. Eine DPD-Schleife um alle Verstärker einer Keule herum bietet gegenüber der »klassischen« DPD um einzelne Leistungsverstärker herum, die gemeinsam eine Keule bilden, Vorteile. Eine von den Autoren durchgeführte Analyse zeigt, dass es greifbare Vorteile in Form von höherer Ausgangsleistung, Einsparung von Systemleistungsaufnahme und eine Verringerung des Schaltungs- sowie Komponentenaufwands gibt.
Allerdings raten die Autoren zur Vorsicht: mmWellen-DPD muss sowohl bei der Anwendung als auch bei der Bewertung aus einer anderen Perspektive betrachtet werden als bei den bisherigen Sub-6-GHz-Funksystemen. Wenn die Leistungsverstärkerschaltungen für mmWellen ausgereift sind, kann sich dies ändern. Im Moment jedoch muss die Anwendung der digitalen Vorverzerrung im mmWellen-Bereich vollständig neu entwickelt werden.
Die Autoren
Hossein Yektaii
begann seine Karriere bei Analog Devices im November 2016. Zuvor arbeitete er bei Nortel, Alcatel-Lucent und Nokia, wo er verschiedene Positionen innehatte, vom HF-Entwicklungsingenieur bis zum Funksystementwickler. In seiner derzeitigen Position als Architekt für Funksysteme nutzt Yektaii sein Know-how über Ende-zu-Ende-Funksysteme, um die Anforderungen der Kunden besser zu verstehen und die Architektur und Spezifikationen der immer anspruchsvolleren Funk-ICs zu gestalten.
Yektaii hat Elektrotechnik an der Technischen Universität Sharif in Teheran, Iran, studiert und erhielt seinen Master-Abschluss in Telekommunikation von der Universität Teheran.
hossein.yektaii@analog.com
Patrick Pratt, Ph. D.
ist Senior Research Scientist im Communication System Team von Analog Devices. Seit über 30 Jahren ist er in der Forschung und Entwicklung von Algorithmen tätig, sowohl in privaten Unternehmen als auch in akademischen Einrichtungen. Pratt hat seinen Ph. D. in Elektronik vom Cork Institute of Technology erhalten.
patrick.pratt@analog.com
Dr. Frank Kearney
kam nach seinem Studienabschluss 1988 zu Analog Devices. Während seiner Zeit im Unternehmen bekleidete er mehrere technische und leitende Funktionen. Aktuell leitet er ein Team von Algorithmenentwicklern in der Wireless Systems Group. Schwerpunktmäßig befasst sich die Gruppe mit der Effizienz des Übertragungsweges und Optimierungen auf Systemebene für O-RAN-Funksysteme. Kearney hat seinen Doktortitel vom University College Dublin erhalten.
frank.kearney@analog.com
- DPD bietet Vorteile – auch im mmWellen-Bereich
- Entwicklung von Basisstationen für Sub-6-GHz und mmWellen
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- Literatur
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