對(duì)于4G LTE，如何提高射頻前端的功率效率

作者：羅德與施瓦茨公司應(yīng)用工程師Martin Lim

典型的電話必須使用不同的技術(shù)，并傳輸GSM，EDGE，CDMA，WCDMA和LTE信號(hào)。這些技術(shù)中的每一種都有不同的帶寬和功率要求。這意味著在天線之前需要帶通濾波器，功率放大器和開關(guān)，這大大增加了收發(fā)器電路的復(fù)雜性，包括諸如功率放大器（PA）之類的組件設(shè)計(jì)。LTE和LTE-Advanced網(wǎng)絡(luò)可提供當(dāng)今智能手機(jī)所需的更高峰值數(shù)據(jù)速率。但是，LTE，高級(jí)LTE的成本高，功耗大，發(fā)熱量大。對(duì)于4G LTE，提高射頻前端的功率效率至關(guān)重要。輸入信封跟蹤（ET）。

簡(jiǎn)而言之，ET通過利用基帶輸入信號(hào)的包絡(luò)調(diào)制PA電源電壓來提高功率放大器的效率。由于不斷調(diào)整施加到功率放大器的電源電壓，因此對(duì)于給定的瞬時(shí)輸入功率要求，放大器將以峰值性能工作。通常，由于節(jié)省熱量而浪費(fèi)了功率。使用整形功能，可以進(jìn)一步優(yōu)化放大器并調(diào)整PA的性能，以滿足特定的設(shè)計(jì)要求。通過用高帶寬直流調(diào)制器驅(qū)動(dòng)功率放大器，該調(diào)制器可提供從基帶IQ包絡(luò)得到的電壓，移動(dòng)設(shè)備可以顯著提高效率，線性化并降低功耗。

包絡(luò)跟蹤的概念已經(jīng)存在了很多年，但是直到最近才變得不容易以可行的形式實(shí)現(xiàn)。這是由于實(shí)施的復(fù)雜性。電路必須經(jīng)過時(shí)間校準(zhǔn)，以使包絡(luò)信號(hào)與輸入的RF信號(hào)同步。由于信號(hào)和電源的復(fù)雜性增加，業(yè)內(nèi)許多人甚至對(duì)真正的效率和節(jié)省電池價(jià)值的包絡(luò)跟蹤提出了挑戰(zhàn)。

但是，使用先進(jìn)的測(cè)試程序和設(shè)備，可以簡(jiǎn)化和驗(yàn)證包絡(luò)跟蹤的實(shí)施。

LTE功率要求

與W-CDMA相比，LTE上行鏈路中使用的SC-FDMA調(diào)制具有更高的峰均比（PAR）。這意味著更少的時(shí)間花費(fèi)在功率放大器功率曲線的最有效部分。LTE需要對(duì)RF信號(hào)進(jìn)行特定的功率控制，以提供高質(zhì)量的服務(wù)（QoS）和最長(zhǎng)的電池壽命。目標(biāo)是以足夠的射頻功率進(jìn)行傳輸，以保持高質(zhì)量的鏈路，而不會(huì)耗盡電池。但是，由于典型RF信號(hào)的幅度可能會(huì)發(fā)生相當(dāng)大的變化（高波峰因數(shù)），因此面臨的挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)移動(dòng)設(shè)備的輸出發(fā)射器級(jí)，使其在較寬的輸入幅度范圍內(nèi)有效工作。

一個(gè)主要的挑戰(zhàn)是在射頻功率大幅度波動(dòng)的情況下最大程度地提高效率。

功率放大

放大器的效率在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作中起著重要作用。除顯示器和處理器外，TX功率放大器是導(dǎo)致現(xiàn)代智能手機(jī)功耗的主要因素。功耗，系統(tǒng)功能和熱量產(chǎn)生/散發(fā)只是取決于放大器效率的幾個(gè)設(shè)計(jì)要素，尤其是當(dāng)放大器是系統(tǒng)內(nèi)功耗的重要使用者時(shí)。

當(dāng)功率放大器進(jìn)入壓縮狀態(tài)時(shí)，在峰值輸出功率下運(yùn)行時(shí)，功率放大器效率最高。當(dāng)輸入RF信號(hào)的幅度較低時(shí)，PA效率較低。當(dāng)功率放大器以線性A類模式工作時(shí)，傳統(tǒng)方法為功率放大器提供固定的電源電壓，該電壓等于或接近其最大電平。對(duì)于典型的LTE功率放大器，當(dāng)設(shè)備以峰值輸出功率運(yùn)行時(shí)，有可能獲得高達(dá)50％的效率。不幸的是，由于LTE使用具有越來越高的峰均功率比（PAPR）的調(diào)制信號(hào)，因此降低了許多效率。現(xiàn)代調(diào)制技術(shù)極大地降低了PA性能。

將放大器驅(qū)動(dòng)到壓縮狀態(tài)可以提高效率。在壓縮時(shí)，放大器的幅度響應(yīng)是非線性的。輸入增加1 dB并不意味著輸出增加1 dB。LTE OFDM波形當(dāng)然是經(jīng)過QAM調(diào)制的。它們同時(shí)具有幅度和相位分量。這需要線性放大器。此外，LTE波形的PAPR值可能高達(dá)11 dB，導(dǎo)致PA在其最佳輸出效率以下運(yùn)行。LTE和LTE-Advanced應(yīng)用中使用的放大器必須適應(yīng)峰值，同時(shí)仍要在低效率范圍內(nèi)運(yùn)行。

由于具有高波峰因數(shù)的RF信號(hào)可能會(huì)繼續(xù)使用，因此需要采用不同的方法來提高PA的效率。

信號(hào)挑戰(zhàn)

包絡(luò)跟蹤從本質(zhì)上引入了復(fù)雜性，因?yàn)镽F和ET信號(hào)必須在時(shí)間上對(duì)齊。這些新信號(hào)改變了RF前端的行為。實(shí)施ET可能成為PA制造商和OEM的障礙。

IQ調(diào)制是一種以模擬和數(shù)字格式傳輸信息的重要而有效的方法。同相（I）和正交（Q）信號(hào)分別生成，并施加到調(diào)制器上以生成奇異信號(hào)。這是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及到數(shù)模轉(zhuǎn)換器，通過振蕩器的信號(hào)混合，用于失真的低通濾波器，最后信號(hào)傳遞到放大器以放大到所需的電平。

實(shí)施包絡(luò)跟蹤時(shí)的一個(gè)關(guān)鍵因素是生成包絡(luò)信號(hào)。盡管包絡(luò)跟蹤電源（調(diào)制器）控制信號(hào)是從原始IQ基帶信號(hào)生成的，但是包絡(luò)跟蹤控制信號(hào)的創(chuàng)建是多方面的。該包絡(luò)通常在芯片組中生成。RF和ET信號(hào)必須在時(shí)間上對(duì)齊。

通過首先獲得I和Q的大小來生成ET信號(hào)。這告訴我們需要多少RF功率。幅度越大，RF功率越大，因此需要更多的PA電壓。然后將整形應(yīng)用于ET信號(hào)。最基本的整形方法是去槽，用于避免向PA施加0V電壓。

設(shè)計(jì)人員還可以選擇更改IQ對(duì)在PA效率/線性曲線上的位置。人們可以選擇更線性或更有效。

挑戰(zhàn)在于，沒有標(biāo)準(zhǔn)的包絡(luò)整形技術(shù)。由于IQ波形是使用專有的ET算法，軟件和專為R＆D設(shè)計(jì)的整形表在芯片組上生成的，因此每種方法都不同。整形函數(shù)由用戶定義的值對(duì)以查找表（LUT）的形式定義。應(yīng)用，調(diào)整和重新計(jì)算表格可能是一個(gè)漫長(zhǎng)而乏味的過程，但是必須進(jìn)行以確保優(yōu)化PA性能。

簡(jiǎn)化ET測(cè)試

模擬，測(cè)試和驗(yàn)證包絡(luò)跟蹤功率放大器會(huì)帶來許多挑戰(zhàn)。測(cè)量功率放大器的典型測(cè)試設(shè)置至少由信號(hào)發(fā)生器和頻譜分析儀組成。包絡(luò)跟蹤需要一個(gè)額外的發(fā)生器來將包絡(luò)信號(hào)提供給DC調(diào)制器。這就要求在RF信號(hào)和包絡(luò)信號(hào)之間進(jìn)行精確調(diào)整的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)，以確保調(diào)制器和功率放大器在時(shí)間上對(duì)準(zhǔn)。此外，這種方法限制了進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整的能力，因?yàn)閷?duì)RF信號(hào)的任何更改都需要將新的包絡(luò)波形加載到第二個(gè)發(fā)生器中。這可能會(huì)使ET-PA的整個(gè)表征工作更加耗時(shí)，因?yàn)槊看胃腞F信號(hào)時(shí)，都需要加載新的包絡(luò)信號(hào)。

為了表征PA的性能，需要分析功率附加效率（PAE），需要對(duì)PA的輸入和輸出功率以及相應(yīng)的功耗進(jìn)行時(shí)間同步測(cè)量。精確同步是關(guān)鍵，當(dāng)使用多個(gè)測(cè)試儀器時(shí)，這可能是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。如果未實(shí)現(xiàn)同步，則信號(hào)幅度的不正確跟蹤會(huì)導(dǎo)致RF信號(hào)失真。如下圖所示，如果電壓（ET）和RF信號(hào)未按時(shí)間對(duì)齊，則PA可能處于飽和狀態(tài)。這種削波導(dǎo)致不良的ACLR測(cè)量。

由于包絡(luò)信號(hào)和RF信號(hào)之間的時(shí)序?qū)τ诠β史糯笃髦陵P(guān)重要，因此最好同時(shí)使用一個(gè)儀器同時(shí)傳送兩個(gè)信號(hào)，這是有益的。最近開發(fā)了一種高端矢量信號(hào)發(fā)生器，它可以創(chuàng)建RF和包絡(luò)信號(hào)，從而有效地代替了復(fù)雜的測(cè)試設(shè)置。羅德與施瓦茨R＆S?SMW200A等先進(jìn)的矢量信號(hào)發(fā)生器具有包絡(luò)跟蹤選件，可進(jìn)行快速，簡(jiǎn)單的功率放大器測(cè)試，包括從單個(gè)信號(hào)發(fā)生器生成包絡(luò)跟蹤信號(hào)。用一臺(tái)儀器提供兩個(gè)信號(hào)消除了信號(hào)同步的麻煩。DPD和ET設(shè)置是實(shí)時(shí)應(yīng)用的，無需更改原始基帶arb文件。使用信號(hào)頻譜分析儀（例如R＆S?FSW提供單一儀器分析解決方案，可以同時(shí)測(cè)量RF和基帶信號(hào)，從而提供瞬時(shí)PAE測(cè)量以及諸如EVM和ACLR之類的基礎(chǔ)調(diào)制質(zhì)量測(cè)量。AM / AM AM / PM DPD文件也可以實(shí)時(shí)計(jì)算。

實(shí)時(shí)測(cè)試通過簡(jiǎn)化ET模擬，測(cè)試和驗(yàn)證，節(jié)省了大量時(shí)間和資源。實(shí)時(shí)和在盒中計(jì)算和調(diào)制波形至關(guān)重要–無需在重新測(cè)試之前使用Metlab之類的外部軟件來修改信號(hào)。實(shí)時(shí)包絡(luò)整形可自動(dòng)調(diào)諧和整形功率放大器信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)最佳效率或線性度。

包絡(luò)信號(hào)是從基帶信號(hào)實(shí)時(shí)生成的，從而可以使用任何特定于用戶的I / Q文件或無線通信標(biāo)準(zhǔn)，例如LTE或WCDMA。在一臺(tái)儀器中生成RF信號(hào)和相關(guān)的包絡(luò)信號(hào)可簡(jiǎn)化測(cè)試設(shè)置，減少測(cè)量誤差，并通過實(shí)時(shí)自動(dòng)生成包絡(luò)信號(hào)來加快測(cè)試速度。矢量信號(hào)發(fā)生器實(shí)時(shí)在±500 ns的范圍內(nèi)以皮秒為單位調(diào)整兩個(gè)信號(hào)之間的延遲，滿足嚴(yán)格的規(guī)范–例如，對(duì)于20 MHz LTE信號(hào)，小于1 ns。包絡(luò)信號(hào)的電壓參數(shù)也完全可以改變。

矢量信號(hào)發(fā)生器結(jié)合了用于包絡(luò)信號(hào)的高帶寬和頻譜純度以及僅-155 dBc / Hz的典型噪聲，非常適合于RF和包絡(luò)信號(hào)的產(chǎn)生。由于RF和基帶包絡(luò)波形是在同一臺(tái)儀器中生成的，因此無需額外的電纜即可同步兩個(gè)波形，并且不會(huì)產(chǎn)生額外的抖動(dòng)，從而可實(shí)現(xiàn)100％的可重復(fù)性。

包絡(luò)信號(hào)的整形用于優(yōu)化放大器的效率或線性度。多種靈活的成形函數(shù)，包括專有成形技術(shù)的基于表的方法，以及基于多項(xiàng)式的成形和去槽等更通用的功能。這些功能結(jié)合在一起，使用戶可以在每次更改參數(shù)時(shí)自動(dòng)生成一個(gè)新的包絡(luò)信號(hào)，從而實(shí)時(shí)優(yōu)化包絡(luò)的形狀。

通過將關(guān)鍵參數(shù)直接輸入信號(hào)發(fā)生器，簡(jiǎn)化了將包絡(luò)信號(hào)的特性與DUT匹配的過程。自動(dòng)包絡(luò)電壓自適應(yīng)會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)包絡(luò)信號(hào)，以匹配這些關(guān)鍵參數(shù)（VCC電壓范圍，PA范圍，DC調(diào)制器增益，DC o set和power o set）的極限。由于信號(hào)發(fā)生器將針對(duì)每個(gè)單獨(dú)的輸入功率電平自動(dòng)計(jì)算適當(dāng)?shù)陌j(luò)信號(hào)，因此可以在放大器的整個(gè)輸入范圍內(nèi)執(zhí)行功率掃描。

電壓或電流探頭可用于測(cè)量包絡(luò)線跟蹤。通過在PA和DC調(diào)制器之間的電路中添加一個(gè)小的電流檢測(cè)電阻器，可以計(jì)算出電流。由于從信號(hào)發(fā)生器和頻譜分析儀知道放大器的輸入和輸出功率，因此可以計(jì)算實(shí)時(shí)PAE。

數(shù)字預(yù)失真

使用包絡(luò)跟蹤時(shí)，放大器接近或什至處于飽和狀態(tài)工作，這會(huì)導(dǎo)致放大器輸出失真。在某些情況下，ET表設(shè)計(jì)為始終使PA處于壓縮狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)最大效率。因此，ET通常與數(shù)字預(yù)失真（DPD）一起使用以補(bǔ)償這種影響。DPD改善了RF放大器的線性度，從而確保了準(zhǔn)確，線性的輸出信號(hào)。壓縮輸入信號(hào)或具有非線性輸入/輸出關(guān)系的放大器會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)干擾相鄰的射頻和信道。先進(jìn)的矢量信號(hào)發(fā)生器可在所有基于標(biāo)準(zhǔn)或用戶定義的波形上使用AM / AM和/或AM / PM實(shí)時(shí)對(duì)電流波形進(jìn)行預(yù)失真?？梢栽趹?yīng)用數(shù)字預(yù)失真之前或之后創(chuàng)建信封跟蹤，

可以輕松地編輯，導(dǎo)入和切換多個(gè)ET整形表以應(yīng)用DPD。通過根據(jù)接收到的DPD表對(duì)每個(gè)復(fù)雜的I / Q樣本應(yīng)用實(shí)時(shí)幅度和相位校正，可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化測(cè)試。這樣，即使對(duì)于不同的功率電平，也可以更快地驗(yàn)證預(yù)失真的效果，而無需手動(dòng)重新計(jì)算原始波形文件。

結(jié)論

大多數(shù)主流智能手機(jī)已經(jīng)利用包絡(luò)跟蹤技術(shù)作為提高功率放大器效率的方法，從而延長(zhǎng)了電池壽命并改善了移動(dòng)設(shè)備的散熱。包絡(luò)跟蹤使放大器電源電壓得以控制，以使其跟蹤RF信號(hào)的包絡(luò)。結(jié)果，放大器始終在接近其瞬時(shí)最大輸出功率的范圍內(nèi)工作，從而大大提高了放大器效率。

測(cè)試和測(cè)量?jī)x器的進(jìn)步簡(jiǎn)化了包絡(luò)跟蹤以及數(shù)字預(yù)失真仿真，測(cè)試和驗(yàn)證。矢量信號(hào)發(fā)生器與信號(hào)和頻譜分析儀結(jié)合在一臺(tái)儀器中，可提供實(shí)時(shí)包絡(luò)整形功能，該功能可自動(dòng)調(diào)諧和整形功率放大器信號(hào)，從而在更短的時(shí)間內(nèi)獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，從而縮短了客戶的上市時(shí)間。測(cè)試和測(cè)量設(shè)備的進(jìn)步證明，包絡(luò)跟蹤可提供更可靠的放大信號(hào)，功率放大器的效率提高多達(dá)20％，從而延長(zhǎng)了電池壽命，并提高了QoS。

編輯：hfy