LTE 終端功率放大器的技術(shù)演進(jìn)與包絡(luò)跟蹤測(cè)試 - 全文

隨著4G LTE 的應(yīng)用，移動(dòng)通信實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)吞吐量的空前增長。然而，移動(dòng)終端對(duì)電池性能的要求也將隨之提升。LTE 上行鏈路信號(hào)采用 SC-FDMA 調(diào)制制式，峰均比（PAR）高于 W-CDMA。功率放大器（PA）是移動(dòng)終端中耗電量最高的器件之一。如圖 1 所示，LTE 上行鏈路信號(hào)的功率電平大部分時(shí)間內(nèi)都保持在較低值，極少達(dá)到峰值功率。因此，功率放大器只能在偶而達(dá)到峰值功率時(shí)提供最高效率。大部分時(shí)間中，功率放大器都無法有效利用輸入的功率，無用功率會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，從而?dǎo)致電池耗電，進(jìn)而影響移動(dòng)終端的散熱設(shè)計(jì)功耗（TDP）。包絡(luò)跟蹤（ET）可以提供一個(gè)可能的解決方案，幫助應(yīng)對(duì)上述移動(dòng)射頻前端設(shè)計(jì)問題。包絡(luò)跟蹤可以根據(jù)功率放大器輸入信號(hào)的“包絡(luò)”動(dòng)態(tài)調(diào)整直流電源電壓，并僅在必要時(shí)提供元件需要的高電壓，從而改進(jìn)功率放大器的電池消耗和散熱。

圖 1. 輸入信號(hào)和偏置電壓的時(shí)域視圖。

非線性是功率放大器處理 LTE 信號(hào)等高峰均比信號(hào)時(shí)面臨的另一個(gè)問題。在輸入端加載大功率信號(hào)時(shí)，功率放大器無法線性放大該信號(hào)，可能出現(xiàn)增益飽和以及失真的狀況，最終導(dǎo)致 ACLR 和 EVM 增加和信號(hào)質(zhì)量下降。應(yīng)用峰值因數(shù)縮減（CFR）和/或數(shù)字預(yù)失真（DPD）等技術(shù)補(bǔ)償功率放大器的非線性特征可以解決這一問題。也就是說，通過數(shù)字預(yù)失真“反向”失真功率放大器的輸入信號(hào)，以抵消功率放大器產(chǎn)生的失真。數(shù)字預(yù)失真可以通過不同的方法實(shí)現(xiàn)，移動(dòng)設(shè)備通常采用未考慮存儲(chǔ)器效應(yīng)的查詢表（LUT）方法。本應(yīng)用指南將探討應(yīng)用包絡(luò)跟蹤技術(shù)和基于查詢表的數(shù)字預(yù)失真技術(shù)的功率放大器測(cè)試解決方案。

測(cè)試包絡(luò)跟蹤器件需要向功率放大器輸入 IQ 信號(hào)以及調(diào)整功率放大器功率輸入的包絡(luò)信號(hào)。包絡(luò)信號(hào)通過 IQ 采樣的絕對(duì)幅度生成，并且通常應(yīng)用 3 到 6 倍的過采樣，目的是確保波形平滑。IQ 信號(hào)生成的原始包絡(luò)數(shù)據(jù)需要首先經(jīng)過形狀映射表（Shaping table）才能應(yīng)用到包絡(luò)跟蹤電源（ETPS）。形狀映射表一般具有“去波谷（de-troughing）”的特性，可以避免包絡(luò)電壓降至 0 V。并且，形狀映射表可以實(shí)現(xiàn)功率放大器效率最大化，或在廣泛的輸入功率電平范圍內(nèi)確保恒定增益，即“ISO 增益”。毫不夸張的說，形狀映射表決定了包絡(luò)跟蹤系統(tǒng)的性能。

圖 2. 包絡(luò)跟蹤系統(tǒng)的簡(jiǎn)化方框圖。

ETPS 能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整電源施加到功率放大器的電壓。根據(jù) MIPI™ 聯(lián)盟 eTrak 標(biāo)準(zhǔn)的定義，大多數(shù) ETPS 具有差分輸入，因此包絡(luò)波形發(fā)生器必須具有差分輸出。ETPS 作為功率放大器的電源，供應(yīng)功率放大器的電壓必須與輸入射頻信號(hào)存在精準(zhǔn)的定時(shí)關(guān)系。以占用 100 個(gè)資源塊（RB）的 LTE 信號(hào)為例，射頻信號(hào)和包絡(luò)信號(hào)之間的時(shí)間同步必須低于 1 ns。載波聚合信號(hào)等帶寬更寬的 LTE 信號(hào)需要更嚴(yán)格的定時(shí)同步控制。在與 ETPA 和 ETPS 連接之前，射頻和包絡(luò)信號(hào)可以使用示波器完成大致的定時(shí)校準(zhǔn)。但是，由于 ETPS 和射頻功率放大器的內(nèi)部時(shí)延，完成最終校準(zhǔn)需要使用 EVM 或 ACLR 等性能參數(shù)調(diào)整 ETPA 輸出。要優(yōu)化 ET 系統(tǒng)性能，定時(shí)調(diào)校需要精確到納秒以內(nèi)。

Agilent 支持 LTE/LTE-Advanced 的 N7624/25B Signal Studio 軟件的包絡(luò)跟蹤選件能夠生成 LTE 和 LTE-Advanced IQ 波形的包絡(luò)波形。選件支持高達(dá) 32 倍任意過采樣率的包絡(luò)生成設(shè)置。使用軟件的內(nèi)置形狀映射表管理器，用戶能夠快速方便地生成、導(dǎo)入和選擇多個(gè)形狀映射表，并將生成的 IQ 和包絡(luò)波形直接下載到射頻信號(hào)發(fā)生器和任意波形發(fā)生器（AWG）。33600/33500 系列任意波形發(fā)生器可作為包絡(luò)波形發(fā)生器使用。下載波形后，33600/33500 系列能夠以 1 ps 分辨率實(shí)時(shí)調(diào)整射頻信號(hào)和包絡(luò)信號(hào)的定時(shí)同步狀態(tài)，無需重新生成波形，可以讓您輕松完成定時(shí)優(yōu)化。33600/33500 系列任意波形發(fā)生器的 2 通道輸出配置支持差分輸出，并具有低寬帶噪聲，無需濾波即可與 ETPS 輸入直接連接。生成的 IQ 和包絡(luò)波形可以保存并應(yīng)用到其他平臺(tái)（例如 PXI），以支持吞吐量更高的生產(chǎn)測(cè)試。

應(yīng)用 N7624B/25B Signal Studio 軟件的波形庫功能，包絡(luò)跟蹤（和數(shù)字預(yù)失真）也可以用于處理非 LTE 波形，例如 W-CDMA 或 MATLAB。

89600 VSA 軟件的并行測(cè)量功能和強(qiáng)大的圖形功能，能夠借助一臺(tái)信號(hào)分析儀的單一輸出交替測(cè)量并比較功率放大器輸入和輸出信號(hào)，從而輕松完成 AM-AM、AM-PM 和增益壓縮的測(cè)量。