对于4G LTE，如何提高射频前端的功率效率

作者：罗德与施瓦茨公司应用工程师Martin Lim

典型的电话必须使用不同的技术，并传输GSM，EDGE，CDMA，WCDMA和LTE信号。这些技术中的每一种都有不同的带宽和功率要求。这意味着在天线之前需要带通滤波器，功率放大器和开关，这大大增加了收发器电路的复杂性，包括诸如功率放大器（PA）之类的组件设计。LTE和LTE-Advanced网络可提供当今智能手机所需的更高峰值数据速率。但是，LTE，高级LTE的成本高，功耗大，发热量大。对于4G LTE，提高射频前端的功率效率至关重要。输入信封跟踪（ET）。

简而言之，ET通过利用基带输入信号的包络调制PA电源电压来提高功率放大器的效率。由于不断调整施加到功率放大器的电源电压，因此对于给定的瞬时输入功率要求，放大器将以峰值性能工作。通常，由于节省热量而浪费了功率。使用整形功能，可以进一步优化放大器并调整PA的性能，以满足特定的设计要求。通过用高带宽直流调制器驱动功率放大器，该调制器可提供从基带IQ包络得到的电压，移动设备可以显着提高效率，线性化并降低功耗。

包络跟踪的概念已经存在了很多年，但是直到最近才变得不容易以可行的形式实现。这是由于实施的复杂性。电路必须经过时间校准，以使包络信号与输入的RF信号同步。由于信号和电源的复杂性增加，业内许多人甚至对真正的效率和节省电池价值的包络跟踪提出了挑战。

但是，使用先进的测试程序和设备，可以简化和验证包络跟踪的实施。

LTE功率要求

与W-CDMA相比，LTE上行链路中使用的SC-FDMA调制具有更高的峰均比（PAR）。这意味着更少的时间花费在功率放大器功率曲线的最有效部分。LTE需要对RF信号进行特定的功率控制，以提供高质量的服务（QoS）和最长的电池寿命。目标是以足够的射频功率进行传输，以保持高质量的链路，而不会耗尽电池。但是，由于典型RF信号的幅度可能会发生相当大的变化（高波峰因数），因此面临的挑战是设计移动设备的输出发射器级，使其在较宽的输入幅度范围内有效工作。

一个主要的挑战是在射频功率大幅度波动的情况下最大程度地提高效率。

功率放大

放大器的效率在整个系统的设计和操作中起着重要作用。除显示器和处理器外，TX功率放大器是导致现代智能手机功耗的主要因素。功耗，系统功能和热量产生/散发只是取决于放大器效率的几个设计要素，尤其是当放大器是系统内功耗的重要使用者时。

当功率放大器进入压缩状态时，在峰值输出功率下运行时，功率放大器效率最高。当输入RF信号的幅度较低时，PA效率较低。当功率放大器以线性A类模式工作时，传统方法为功率放大器提供固定的电源电压，该电压等于或接近其最大电平。对于典型的LTE功率放大器，当设备以峰值输出功率运行时，有可能获得高达50％的效率。不幸的是，由于LTE使用具有越来越高的峰均功率比（PAPR）的调制信号，因此降低了许多效率。现代调制技术极大地降低了PA性能。

将放大器驱动到压缩状态可以提高效率。在压缩时，放大器的幅度响应是非线性的。输入增加1 dB并不意味着输出增加1 dB。LTE OFDM波形当然是经过QAM调制的。它们同时具有幅度和相位分量。这需要线性放大器。此外，LTE波形的PAPR值可能高达11 dB，导致PA在其最佳输出效率以下运行。LTE和LTE-Advanced应用中使用的放大器必须适应峰值，同时仍要在低效率范围内运行。

由于具有高波峰因数的RF信号可能会继续使用，因此需要采用不同的方法来提高PA的效率。

信号挑战

包络跟踪从本质上引入了复杂性，因为RF和ET信号必须在时间上对齐。这些新信号改变了RF前端的行为。实施ET可能成为PA制造商和OEM的障碍。

IQ调制是一种以模拟和数字格式传输信息的重要而有效的方法。同相（I）和正交（Q）信号分别生成，并施加到调制器上以生成奇异信号。这是一个复杂的过程，涉及到数模转换器，通过振荡器的信号混合，用于失真的低通滤波器，最后信号传递到放大器以放大到所需的电平。

实施包络跟踪时的一个关键因素是生成包络信号。尽管包络跟踪电源（调制器）控制信号是从原始IQ基带信号生成的，但是包络跟踪控制信号的创建是多方面的。该包络通常在芯片组中生成。RF和ET信号必须在时间上对齐。

通过首先获得I和Q的大小来生成ET信号。这告诉我们需要多少RF功率。幅度越大，RF功率越大，因此需要更多的PA电压。然后将整形应用于ET信号。最基本的整形方法是去槽，用于避免向PA施加0V电压。

设计人员还可以选择更改IQ对在PA效率/线性曲线上的位置。人们可以选择更线性或更有效。

挑战在于，没有标准的包络整形技术。由于IQ波形是使用专有的ET算法，软件和专为R＆D设计的整形表在芯片组上生成的，因此每种方法都不同。整形函数由用户定义的值对以查找表（LUT）的形式定义。应用，调整和重新计算表格可能是一个漫长而乏味的过程，但是必须进行以确保优化PA性能。

简化ET测试

模拟，测试和验证包络跟踪功率放大器会带来许多挑战。测量功率放大器的典型测试设置至少由信号发生器和频谱分析仪组成。包络跟踪需要一个额外的发生器来将包络信号提供给DC调制器。这就要求在RF信号和包络信号之间进行精确调整的时间对准，以确保调制器和功率放大器在时间上对准。此外，这种方法限制了进行实时调整的能力，因为对RF信号的任何更改都需要将新的包络波形加载到第二个发生器中。这可能会使ET-PA的整个表征工作更加耗时，因为每次更改RF信号时，都需要加载新的包络信号。

为了表征PA的性能，需要分析功率附加效率（PAE），需要对PA的输入和输出功率以及相应的功耗进行时间同步测量。精确同步是关键，当使用多个测试仪器时，这可能是一个巨大的挑战。如果未实现同步，则信号幅度的不正确跟踪会导致RF信号失真。如下图所示，如果电压（ET）和RF信号未按时间对齐，则PA可能处于饱和状态。这种削波导致不良的ACLR测量。

由于包络信号和RF信号之间的时序对于功率放大器至关重要，因此最好同时使用一个仪器同时传送两个信号，这是有益的。最近开发了一种高端矢量信号发生器，它可以创建RF和包络信号，从而有效地代替了复杂的测试设置。罗德与施瓦茨R＆S®SMW200A等先进的矢量信号发生器具有包络跟踪选件，可进行快速，简单的功率放大器测试，包括从单个信号发生器生成包络跟踪信号。用一台仪器提供两个信号消除了信号同步的麻烦。DPD和ET设置是实时应用的，无需更改原始基带arb文件。使用信号频谱分析仪（例如R＆S®FSW提供单一仪器分析解决方案，可以同时测量RF和基带信号，从而提供瞬时PAE测量以及诸如EVM和ACLR之类的基础调制质量测量。AM / AM AM / PM DPD文件也可以实时计算。

实时测试通过简化ET模拟，测试和验证，节省了大量时间和资源。实时和在盒中计算和调制波形至关重要–无需在重新测试之前使用Metlab之类的外部软件来修改信号。实时包络整形可自动调谐和整形功率放大器信号，以实现最佳效率或线性度。

包络信号是从基带信号实时生成的，从而可以使用任何特定于用户的I / Q文件或无线通信标准，例如LTE或WCDMA。在一台仪器中生成RF信号和相关的包络信号可简化测试设置，减少测量误差，并通过实时自动生成包络信号来加快测试速度。矢量信号发生器实时在±500 ns的范围内以皮秒为单位调整两个信号之间的延迟，满足严格的规范–例如，对于20 MHz LTE信号，小于1 ns。包络信号的电压参数也完全可以改变。

矢量信号发生器结合了用于包络信号的高带宽和频谱纯度以及仅-155 dBc / Hz的典型噪声，非常适合于RF和包络信号的产生。由于RF和基带包络波形是在同一台仪器中生成的，因此无需额外的电缆即可同步两个波形，并且不会产生额外的抖动，从而可实现100％的可重复性。

包络信号的整形用于优化放大器的效率或线性度。多种灵活的成形函数，包括专有成形技术的基于表的方法，以及基于多项式的成形和去槽等更通用的功能。这些功能结合在一起，使用户可以在每次更改参数时自动生成一个新的包络信号，从而实时优化包络的形状。

通过将关键参数直接输入信号发生器，简化了将包络信号的特性与DUT匹配的过程。自动包络电压自适应会自动生成一个包络信号，以匹配这些关键参数（VCC电压范围，PA范围，DC调制器增益，DC o set和power o set）的极限。由于信号发生器将针对每个单独的输入功率电平自动计算适当的包络信号，因此可以在放大器的整个输入范围内执行功率扫描。

电压或电流探头可用于测量包络线跟踪。通过在PA和DC调制器之间的电路中添加一个小的电流检测电阻器，可以计算出电流。由于从信号发生器和频谱分析仪知道放大器的输入和输出功率，因此可以计算实时PAE。

数字预失真

使用包络跟踪时，放大器接近或什至处于饱和状态工作，这会导致放大器输出失真。在某些情况下，ET表设计为始终使PA处于压缩状态，以实现最大效率。因此，ET通常与数字预失真（DPD）一起使用以补偿这种影响。DPD改善了RF放大器的线性度，从而确保了准确，线性的输出信号。压缩输入信号或具有非线性输入/输出关系的放大器会导致输出信号干扰相邻的射频和信道。先进的矢量信号发生器可在所有基于标准或用户定义的波形上使用AM / AM和/或AM / PM实时对电流波形进行预失真。可以在应用数字预失真之前或之后创建信封跟踪，

可以轻松地编辑，导入和切换多个ET整形表以应用DPD。通过根据接收到的DPD表对每个复杂的I / Q样本应用实时幅度和相位校正，可以进一步简化测试。这样，即使对于不同的功率电平，也可以更快地验证预失真的效果，而无需手动重新计算原始波形文件。

结论

大多数主流智能手机已经利用包络跟踪技术作为提高功率放大器效率的方法，从而延长了电池寿命并改善了移动设备的散热。包络跟踪使放大器电源电压得以控制，以使其跟踪RF信号的包络。结果，放大器始终在接近其瞬时最大输出功率的范围内工作，从而大大提高了放大器效率。

测试和测量仪器的进步简化了包络跟踪以及数字预失真仿真，测试和验证。矢量信号发生器与信号和频谱分析仪结合在一台仪器中，可提供实时包络整形功能，该功能可自动调谐和整形功率放大器信号，从而在更短的时间内获得更准确的数据，从而缩短了客户的上市时间。测试和测量设备的进步证明，包络跟踪可提供更可靠的放大信号，功率放大器的效率提高多达20％，从而延长了电池寿命，并提高了QoS。

编辑：hfy