關于包絡跟蹤系統(tǒng)性能測試的結(jié)果介紹和應用

包絡跟蹤技術采用射頻信號的包絡作為功率放大器的電源，從而提高功率放大器的功率附加效率(PAE)。包絡信號與射頻信號的同步與對齊對于整體包絡跟蹤系統(tǒng)的效率提升具有重要影響，也給測試系統(tǒng)帶來了較大的挑戰(zhàn)。本文介紹了利用R&S公司的矢量信號發(fā)生器SMW200A和頻譜與信號分析儀FSW對基于自主設計的SOI CMOS工藝的電源調(diào)制器芯片和功率放大器芯片搭建的4G LTE終端包絡跟蹤系統(tǒng)進行測試，同時獲取最佳的效率和線性度性能。

Abstract: Envelope Tracking(ET) is a technology that radio frequency envelope is used as the supply of power amplifier, so the Power-added Efficiency(PAE) is improved. The synchronization and alignment between envelope and RF signals are very important for efficiency enhancement for the ET system, but also very challenge for test. In this paper, SOI CMOS based 4G LTE ET chipsets including supply modulator and power amplifier are tested with R&S SMW200A Vector Signal Generator and R&S FSW Signal & Spectrum Analyzer, and best trade-off between efficiency and linearity was obtained.

Key words: Envelope Tracking; Supply Modulator; Power Amplifier; SMW200A; FSW

1.引言

現(xiàn)代無線通信技術多采用高階QAM調(diào)制以及OFDM等技術來提高頻譜的利用率，例如4G LTE和802.11系列標準。復雜調(diào)制導致信號具有高達5-10 dB的峰均比PAPR (Peak to Average Power Ratio)，使得功率放大器必須進行更大的回退才能滿足EVM的要求，大大降低了效率，減小了終端的待機時間。包絡跟蹤技術通過將射頻信號的包絡輸入至電源調(diào)制器放大后作為功率放大器的電源電壓，且跟隨射頻信號的幅度變化而變化，這將大大提高功率放大器的整體效率，延長移動終端的電池使用時間。

2.包絡跟蹤系統(tǒng)原理

圖1 包絡跟蹤系統(tǒng)原理圖

圖2 包絡跟蹤功率放大器效率提升原理

如圖一所示為包絡跟蹤系統(tǒng)原理框圖，包含包絡檢波、電源調(diào)制器和功率放大器三個部分。射頻信號經(jīng)過檢波后產(chǎn)生包絡信號，包絡信號通過電源調(diào)制器放大后輸入給功率放大器作為電源信號，同時必須保證包絡信號與輸入功放的射頻信號完全同步和對齊。如圖二所示給出了包絡跟蹤功率放大器提升效率的基本原理：圖中紅色部分為作為熱消耗的能量，藍色部分為最終發(fā)射的有用射頻信號，左側(cè)圖中固定電源功率放大器中一大部分能量作為熱消耗掉，而右側(cè)圖中包絡跟蹤功率放大器中僅有很小一部分能量被熱消耗。

3.包絡跟蹤功率放大器測試系統(tǒng)

包絡跟蹤技術給系統(tǒng)測試帶來了巨大的挑戰(zhàn)，包絡跟蹤功率放大器要在獲得較高的整體效率同時還需要滿足發(fā)射機EVM的要求，這就要求測試系統(tǒng)對包絡信號具要有整形的功能以獲取最佳效率和線性的折中。如圖三所示為基于R&S設備的包絡跟蹤系統(tǒng)測試圖，圖四為R&S矢量信號發(fā)生器SMW200A-K540選件提供的包絡跟蹤系統(tǒng)軟件界面，可以完成包絡信號的整形優(yōu)化，功能強大。包絡跟蹤系統(tǒng)最大的測試難點在于功率放大器的電源包絡信號與射頻輸入信號的同步和對齊。要實現(xiàn)同步，射頻信號與包絡信號必須是同源信號，而要實現(xiàn)對齊，則要求矢量信號源必須具有延遲校準功能。本文使用R&S的矢量信號發(fā)生器SMW200A產(chǎn)生20 MHz LTE射頻調(diào)制信號和包絡信號，同時可以完成對包絡信號的整形以及電源包絡與射頻信號的同步和對齊功能；使用R&S的頻譜與信號分析儀FSW對LTE信號進行解調(diào)并測試其EVM, ACPR等性能。另外，R&S公司還可以提供單獨測試功率放大器瞬時電源電壓和電流的探頭，并在FSW上顯示其實際積分功率，最終可以單獨測試功率放大器本身的PAE。

圖3 R&S包絡跟蹤系統(tǒng)測試方案

圖4 R&S SMW200-K540選件包絡跟蹤測試界面

4.包絡跟蹤系統(tǒng)測試結(jié)果

項目組基于Global Foundries 0.18微米SOI CMOS工藝設計了面向4G LTE終端的包絡跟蹤芯片組，其中包括了電源調(diào)制器芯片和功率放大器芯片，電源調(diào)制器支持20 MHz帶寬，功率放大器工作頻段為2.3-2.4 GHz，其芯片照片如圖五所示，左側(cè)為電源調(diào)制器芯片照片，右側(cè)為功率放大器芯片照片。

圖5 LTE電源調(diào)制器和功率放大器芯片照片

圖6 電源包絡信號 (紅) 與射頻信號 (紫) 對齊時域波形

采用基于圖三和圖四所示的R&S包絡跟蹤測試系統(tǒng)，完成了自主芯片搭建的包絡跟蹤系統(tǒng)的測試。信號源SMW200A輸出了20 MHz LTE上行16QAM調(diào)制信號給功率放大器的射頻輸入端，同時信號源直接產(chǎn)生同步的包絡信號給電源調(diào)制器輸入端，通過放大后提供給功率放大器芯片作為電源。通過信號源SMW200A完成包絡信號與射頻信號的同步、對齊和整形處理，如圖六所示為的時域波形圖，其中紅色信號為電源調(diào)制器輸出給功率放大器電源的包絡信號，紫色信號為射頻信號，由圖可見包絡信號和射頻信號實現(xiàn)了良好的同步和對齊。功率放大器輸出的放大信號輸入到R&S FSW頻譜與信號分析中進行解調(diào)，最終測試星座圖和EVM如圖七所示，輸出信號的ACPR如圖八所示。測試結(jié)果顯示，該包絡跟蹤功率放大器同時實現(xiàn)了30%的功率附加效率和3.4% EVM，詳細測試結(jié)果參見論文[3]。

圖7 20 MHz LTE包絡跟蹤系統(tǒng)EVM和星座圖測試結(jié)果

圖8 LTE包絡跟蹤系統(tǒng)ACPR測試結(jié)果

5.結(jié)束語

包絡跟蹤技術是提高功率放大器功率附加效率的重要方法，對于延長移動終端的待機時間具有重要意義。本文給出了包絡跟蹤技術的原理，基于R&S SMW200A矢量信號源和R&S SMW頻譜和信號分析儀的包絡跟蹤功率放大器測試系統(tǒng)，并最終對自主研發(fā)的SOI CMOS電源調(diào)制器和功率放大器芯片進行了完整的采用20 MHz LTE調(diào)制信號的測試。