對于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。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。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LTE的成本高，功耗大，發(fā)熱量大。對于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）。

簡而言之，ET通過利用基帶輸入信號的包絡(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，因此對于給定的瞬時輸入功率要求，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)計要求。通過用高帶寬直流調(diào)制器驅(qū)動功率放大器，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現(xiàn)。這是由于實施的復(fù)雜性。電路必須經(jīng)過時間校準(zhǔn)，以使包絡(luò)信號與輸入的RF信號同步。由于信號和電源的復(fù)雜性增加，業(yè)內(nèi)許多人甚至對真正的效率和節(jié)省電池價值的包絡(luò)跟蹤提出了挑戰(zhàn)。

但是，使用先進(jìn)的測試程序和設(shè)備，可以簡化和驗證包絡(luò)跟蹤的實施。

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）。這意味著更少的時間花費在功率放大器功率曲線的最有效部分。LTE需要對RF信號進(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，而不會耗盡電池。但是，由于典型RF信號的幅度可能會發(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)計移動設(shè)備的輸出發(fā)射器級，使其在較寬的輸入幅度范圍內(nèi)有效工作。

一個主要的挑戰(zhàn)是在射頻功率大幅度波動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系統(tǒng)的設(shè)計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設(shè)計要素，尤其是當(dāng)放大器是系統(tǒng)內(nèi)功耗的重要使用者時。

當(dāng)功率放大器進(jìn)入壓縮狀態(tài)時，在峰值輸出功率下運行時，功率放大器效率最高。當(dāng)輸入RF信號的幅度較低時，PA效率較低。當(dāng)功率放大器以線性A類模式工作時，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。對于典型的LTE功率放大器，當(dāng)設(shè)備以峰值輸出功率運行時，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，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)動到壓縮狀態(tài)可以提高效率。在壓縮時，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行。LTE和LTE-Advanced應(yīng)用中使用的放大器必須適應(yīng)峰值，同時仍要在低效率范圍內(nèi)運行。

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

信號挑戰(zhàn)

包絡(luò)跟蹤從本質(zhì)上引入了復(fù)雜性，因為RF和ET信號必須在時間上對齊。這些新信號改變了RF前端的行為。實施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）信號分別生成，并施加到調(diào)制器上以生成奇異信號。這是一個復(fù)雜的過程，涉及到數(shù)模轉(zhuǎn)換器，通過振蕩器的信號混合，用于失真的低通濾波器，最后信號傳遞到放大器以放大到所需的電平。

實施包絡(luò)跟蹤時的一個關(guān)鍵因素是生成包絡(luò)信號。盡管包絡(luò)跟蹤電源（調(diào)制器）控制信號是從原始IQ基帶信號生成的，但是包絡(luò)跟蹤控制信號的創(chuàng)建是多方面的。該包絡(luò)通常在芯片組中生成。RF和ET信號必須在時間上對齊。

通過首先獲得I和Q的大小來生成ET信號。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。最基本的整形方法是去槽，用于避免向PA施加0V電壓。

設(shè)計人員還可以選擇更改IQ對在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)由用戶定義的值對以查找表（LUT）的形式定義。應(yīng)用，調(diào)整和重新計算表格可能是一個漫長而乏味的過程，但是必須進(jìn)行以確保優(yōu)化PA性能。

簡化ET測試

模擬，測試和驗證包絡(luò)跟蹤功率放大器會帶來許多挑戰(zhàn)。測量功率放大器的典型測試設(shè)置至少由信號發(fā)生器和頻譜分析儀組成。包絡(luò)跟蹤需要一個額外的發(fā)生器來將包絡(luò)信號提供給DC調(diào)制器。這就要求在RF信號和包絡(luò)信號之間進(jìn)行精確調(diào)整的時間對準(zhǔn)，以確保調(diào)制器和功率放大器在時間上對準(zhǔn)。此外，這種方法限制了進(jìn)行實時調(diào)整的能力，因為對RF信號的任何更改都需要將新的包絡(luò)波形加載到第二個發(fā)生器中。這可能會使ET-PA的整個表征工作更加耗時，因為每次更改RF信號時，都需要加載新的包絡(luò)信號。

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

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

實時測試通過簡化ET模擬，測試和驗證，節(jié)省了大量時間和資源。實時和在盒中計算和調(diào)制波形至關(guān)重要–無需在重新測試之前使用Metlab之類的外部軟件來修改信號。實時包絡(luò)整形可自動調(diào)諧和整形功率放大器信號，以實現(xiàn)最佳效率或線性度。

包絡(luò)信號是從基帶信號實時生成的，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。在一臺儀器中生成RF信號和相關(guān)的包絡(luò)信號可簡化測試設(shè)置，減少測量誤差，并通過實時自動生成包絡(luò)信號來加快測試速度。矢量信號發(fā)生器實時在±500 ns的范圍內(nèi)以皮秒為單位調(diào)整兩個信號之間的延遲，滿足嚴(yán)格的規(guī)范–例如，對于20 MHz LTE信號，小于1 ns。包絡(luò)信號的電壓參數(shù)也完全可以改變。

矢量信號發(fā)生器結(jié)合了用于包絡(luò)信號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)信號的產(chǎn)生。由于RF和基帶包絡(luò)波形是在同一臺儀器中生成的，因此無需額外的電纜即可同步兩個波形，并且不會產(chǎn)生額外的抖動，從而可實現(xiàn)100％的可重復(fù)性。

包絡(luò)信號的整形用于優(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)時自動生成一個新的包絡(luò)信號，從而實時優(yōu)化包絡(luò)的形狀。

通過將關(guān)鍵參數(shù)直接輸入信號發(fā)生器，簡化了將包絡(luò)信號的特性與DUT匹配的過程。自動包絡(luò)電壓自適應(yīng)會自動生成一個包絡(luò)信號，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。由于信號發(fā)生器將針對每個單獨的輸入功率電平自動計算適當(dāng)?shù)陌j(luò)信號，因此可以在放大器的整個輸入范圍內(nèi)執(zhí)行功率掃描。

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

數(shù)字預(yù)失真

使用包絡(luò)跟蹤時，放大器接近或什至處于飽和狀態(tài)工作，這會導(dǎo)致放大器輸出失真。在某些情況下，ET表設(shè)計為始終使PA處于壓縮狀態(tài)，以實現(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。壓縮輸入信號或具有非線性輸入/輸出關(guān)系的放大器會導(dǎo)致輸出信號干擾相鄰的射頻和信道。先進(jìn)的矢量信號發(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實時對電流波形進(jìn)行預(yù)失真。可以在應(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ET整形表以應(yīng)用DPD。通過根據(jù)接收到的DPD表對每個復(fù)雜的I / Q樣本應(yīng)用實時幅度和相位校正，可以進(jìn)一步簡化測試。這樣，即使對于不同的功率電平，也可以更快地驗證預(yù)失真的效果，而無需手動重新計算原始波形文件。

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，從而延長了電池壽命并改善了移動設(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信號的包絡(luò)。結(jié)果，放大器始終在接近其瞬時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。

測試和測量儀器的進(jìn)步簡化了包絡(luò)跟蹤以及數(shù)字預(yù)失真仿真，測試和驗證。矢量信號發(fā)生器與信號和頻譜分析儀結(jié)合在一臺儀器中，可提供實時包絡(luò)整形功能，該功能可自動調(diào)諧和整形功率放大器信號，從而在更短的時間內(nèi)獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，從而縮短了客戶的上市時間。測試和測量設(shè)備的進(jìn)步證明，包絡(luò)跟蹤可提供更可靠的放大信號，功率放大器的效率提高多達(dá)20％，從而延長了電池壽命，并提高了QoS。

編輯：hfy