Ampleon 為數字廣播提供高效率射頻功率放大器解決方案

作者：Alan Hutton， Walter Sneijers， Herm Titulaer and Houssem Schuick

引言

廣播業正處于一個根本性的變革時期。在歐洲，數字視頻廣播 —— 第二代地面（DVB-T2）發射機仍在繼續推出。在美國，美國聯邦通信委員會（FCC）已經采取行動來解決由于5G到來而引發的迫在眉睫的頻譜危機，并啟動了一個頻譜“重新規劃（repack）”過程，迫使許多廣播公司改變傳輸信道。與此同時，隨著新標準ATSC-3.0的出現，這些廣播公司中的一大部分很可能會升級他們的發射機，同時轉移到新的信道，一次性解決多種變化帶來的問題，并確保他們的客戶不必重新進行多次設計。

隨著5G的不斷推出，其他地區也將不得不面對頻譜分配的問題。這些變化將在未來許多年內推動對全新的更高功率和更高效率發射機的需求。由于廣播運營商的成本依賴于能夠在整個UHF廣播頻譜上高效運行的高功率放大器，因此射頻功率放大器（RFPA）是信號傳輸系統中的關鍵組成部分。

本文將詳細討論目前的市場趨勢，并探討這些變化帶來的技術影響，同時分析一些針對從事數字廣播高功率、高效率射頻功率放大器解決方案的設計人員會遇到的一些挑戰以及可用解決方案。

廣播行業目前的發展態勢

目前推動全球廣播行業不斷變革的三個主要因素包括DVB-T2的不斷推出、ATSC-3.0的出現以及美國和其他地區的電視頻譜“重新規劃”。

DVB-T2

歐洲電信標準協會（The European Telecommunications Standards Institute）已經采納了一套數字廣播標準。 1997年發布的數字視頻廣播 - 地面（Digital Video Broadcast–Terrestrial，DVB-T）規范在世界各地廣泛部署，并在許多國家推動了模擬廣播的關閉。隨著歐洲頻譜越來越稀缺，DVB發布了更新的，具備更高頻譜效率的DVB-T2標準。通過使用具有大量子載波的正交頻分復用（OFDM）調制，DVB-T2是非常靈活的標準，具有能重復使用現有天線等附加優勢。DVB-T2最初發布于2009年，到2014年已在超過12個國家部署，市場研究公司Dataxis預測，到2022年，72％的歐洲家庭將能夠使用DVB-T2標準傳輸電視信號。

ATSC-3.0

最近，在2018年1月，高級電視系統委員會（ATSC）發布了ATSC 3.0系列標準，這標志著電視廣播系統發展的另一個重要里程碑。ATSC 3.0包含大約20個標準，旨在支持每秒120幀，高達2160p 4K分辨率的視頻通道HEVC、高動態范圍、杜比AC-4和MPEG-H 3D音頻等一些新技術。ATSC 3.0和DVB-T2有許多相似之處，都使用OFDM調制，并提供類似的性能和靈活性。但DVB-T2已在廣泛使用，而當今ATSC-3.0卻剛剛出現，第一批能夠接收ATSC-3.0電視信號傳輸的電視預期在2020年出現。

頻譜重新規劃

2012年，因為預計到未來會出現有價值無線電頻譜的稀缺，所以美國政府授權聯邦通信委員會來鼓勵廣播電視公司放棄部分頻譜。在最初的470MHz～860MHz廣播頻譜中，600MHz以上高頻段部分已經可供移動無線運營商使用。與此同時，發射裝置已經為新的ATSC3.0標準做好了準備。為了啟動這一進程，美國聯邦通信委員會進行了首次拍賣，并于2017年3月結束。結果從頻道38到頻道51中騰出84 MHz頻譜，之后70MHz以10 MHz頻段分塊分別出售給無線運營商。隨著拍賣的結束，美國聯邦通信委員會估計大約1200個電視臺將受到這一進程的影響，每個電視臺需要大約三年時間才能進入新的更低頻段。整體頻譜重新規劃大概分10個階段（見圖1），完成日期錯開，目的是最大限度地減少過渡期間對廣播公司的干擾。

圖1：美國聯邦通信委員會的頻譜重新規劃日程。（來源：FCC）

頻譜重新規劃將要求許多電視臺改變其傳輸頻率，這需要仔細規劃。如果電視臺需要在一段時間內同時用兩個頻率傳輸，那么則需要第二個發射天線，會對信號傳輸塔、其他同位置天線、HVAC等系統產生連鎖效應。在許多情況下，廣播公司可能會發現更換現有發射機更為經濟，特別是如果原有發射機已經陳舊，且由于功率或其他限制不能支持ATSC-3.0。

因為運營商已經耗盡其頻率資源，從現在的情況過渡到DVB-T2和ATSC-3.0以及重新規劃頻譜將導致在歐洲、美國和世界其他地區廣泛更換電視傳輸設備。

電視發射機中的功率放大器的關鍵考慮因素

典型的數字電視傳輸鏈包括一個發射機，其包括兩個基本組件，激勵器（exciter）和射頻功率放大器（PA）（見圖2）。系統的輸入是基帶信號，通過該基帶信號，射頻載波在激勵器中被調制，然后通過射頻射頻功率放大器（PA）單元進行放大。調制信號的時域信號包絡在包絡峰值中表現出很大的可變性，相比之下，平均功率電平則是恒定的，發射機平均輸出功率（TPO）決定了電視發射機系統的性能。

圖2：一個典型的數字電視傳輸裝置。（來源：Ampleon）

基于LDMOS（橫向擴散金屬氧化物半導體）的射頻晶體管自從被首次推出以來，已經成為各種功率放大器的主要解決方案，特別是在廣播行業。造成這個事實的原因有兩種不同的解釋，一個是考慮到LDMOS工藝的高效率和高功率優勢，其次是單位功率所需要的成本（dollars per watt），基于LDMOS的晶體管能夠提供一種具有高性價比的解決方案。

一個典型的發射站可提供25kW的平均射頻功率。這是通過在發射鏈路單元中整合4個或更多的放大器托盤（含多個放大器），平衡式驅動級以及前級放大器，射頻功率（見圖3）。在過去幾年中，這種高功率LDMOS 射頻晶體管的出現促進了高功率放大器性能的范式轉變（paradigm-shift）。從早期的幾百瓦開始，我們現在已經能夠看到能夠處理超過1.5kW功率的射頻元器件。實際上，這些晶體管正迅速成為能夠滿足高功率和高效率傳輸，以及射頻行業中極端耐用標準的佼佼者。

圖3：一個典型的功率放大器單元。（來源：Ampleon）

先進的DVB-T2和ATSC-3.0標準是使用OFDM調制信號，它會影響傳輸鏈的每個部分，尤其是射頻功率放大器，因為它需要大約高于8dB的峰均比（PAR），以防止功率放大器中出現飽和，否則會發生子載波互調和帶外干擾。上述問題可以通過減小功率放大器中回退（backing-off）功率來解決，但這會降低效率，影響功耗，直接影響電力消耗并導致運營成本升高。

因此，射頻功率放大器設計人員面臨的挑戰是找到功率與效率的最佳平衡，并設計出能夠在各種工作條件下具備高效率的放大器。由于在頻譜重新規劃期間部署的很多新發射機需要首先在廣播機構以往的頻率上運行，之后才能轉移到新指定的頻率，因此射頻功率放大器必須能夠高效率的工作在在470 MHz～806 MHz的整個UHF廣播頻譜。

用于DVB-T2和ATSC-3.0的當前和未來射頻功率放大器解決方案

射頻功率放大器技術領域兩個相對較新的進展能夠幫助設計人員更輕松地完成設計任務：被證明成功的

高效率的超寬帶Doherty（UWD）架構，其中包括對稱和非對稱，以及新一代高功率LDMOS晶體管，它提供前所未有的耐用性以及最佳的增益和效率。

作為全球重要的廣播行業功率解決方案供應商，Ampleon已投入大量資源開發UWD參考設計。這些解決方案展示了如何使用BLF888（見圖4）能夠在470～700 MHz整個頻譜范圍內提供150W的平均DVB-T功率。BLF888晶體管系列在市場上已經非常成功，為了準備滿足美國“重新規劃頻譜”計劃和ATSC-3.0標準推出后的需求，許多廣播設備制造商都在他們的電視發射機解決方案中使用這些器件。

圖4：采用BLF888E設計的超寬帶Doherty。（來源：Ampleon）

基于BLF888的市場成功和未來對更高功率和更高效率需求的市場預期，Ampleon最近推出了下一代廣播放大器產品BLF989和BLF989E 射頻功率放大器s。其中BLF989在DVB-T8K OFDM信號下能達到高達55％的最高窄帶效率，每個晶體管的極端平均功率水平為200W（950 W峰值），覆蓋470MHz～494MHz范圍。BLF989E（見圖5）則可提供180W的平均功率，典型效率為50％，能夠覆蓋470MHz～620MHz的超寬頻帶。

圖5：采用BLF989E的UWB Doherty（來源：Ampleon）

BLF989E效率和功率相對于頻率的曲線（見圖6）演示了如何通過一個特殊的非對稱（a-symmetrical Doherty）結構設計實現最高UWD效率。這些新的UWD高效放大器解決方案代表了當今市場上具備最高性價比的廣播射頻功率放大器。通過獨具匠心的創新，可確保最高的效率、帶寬和可靠性。

圖6：BLF989E效率和功率相對于頻率的曲線。（來源：Ampleon）

結論

DVB-T2的推出、ATSC-3.0的出現以及頻譜的重新規劃需要廣播公司對設備系統進行升級，這為電視信號傳輸設備制造商提供了巨大商機。隨著全球各個地區必須解決出現的頻譜稀缺問題，這個市場將會繼續增長。由于在整個UHF廣播頻譜中必須平衡更高的功率和更高的效率，DVB-T2和ATSC-3.0所使用的先進調制方案（例如OFDM）對射頻功率放大器的設計提出了特別的挑戰，而高功率LDMOS晶體管和UWD架構的最新進展正在應對這些挑戰。市場對于更高的功率和效率的需求預計不會很快降低，廣播市場的顛覆性發展趨勢將繼續推動LDMOS價格/性能曲線，但是同時不犧牲質量。作為全球領先的廣播行業功率晶體管制造商，Ampleon已經完全做好準備來支持廣播產業生態圈中的合作伙伴。Ampleon的旗艦產品BLF888系列晶體管在為行業提供廣泛的解決方案方面已經發揮了重要作用，面對市場對于更高功率和更高效率不斷發展的需求，BLF989和BLF989E則代表了未來的發展路線圖。