包络跟踪基础原理与测试方案

概览

以前手机可以待机好几天都不需要充电。现在尽管手机电池技术不断革新，然而一些新的需求，例如更多内部无线电例如更多内部射频传输、更大更高分辨率的屏幕，使得电池电量比以往任何时候都消耗的更快。因此，由于不断有新的技术应用于手机，工程师们必须持续开发出新的方法来减少电源消耗。现在，包络跟踪技术被越来越广泛地运用于优化射频功率放大器(PA)的功率附加效率(PAE)，而射频功率放大器射频PA正是电池电量最主要的消耗源之一。本文介绍了怎样使用来自射频功率放大器PA的数据实现包络跟踪ET，以确定关键的包络跟踪参数。基于这些参数，工程师们提出了基于PXI的测量系统并对其进行分析，该系统可满足包络跟踪测试的严格要求。

1、为什么选择包络跟踪技术？

当输出功率达到峰值，即发生增益压缩时，功率放大器达到最高运行效率。对于典型的W-CDMA/HSPA+/LTE制式，当设备以最大输出功率运行时，效率可能高达50%。然而，由于W-CDMA和LTE等现代通信标准使用的是峰均比(PAPR)越来越高的调制信号，效率将会显著降低。而且，由于放大器的幅值响应在压缩区会变得高度非线性化，输出功率通常由于峰均比而无法达到峰值。对于LTE波形，峰均比最高可达7或8 dB，导致功率放大器以远低于最佳功率值的平均输出功率运行。

虽然有几种技术可以用来改进功率放大器的功率附加效率，以数字预失真技术(DPD)为例，但包络跟踪技术迅速引起了功率放大器厂商们的注意。事实上十年来，基站一直采用包络跟踪技术，不仅提高了效率，同时也降低了由于能量转化成热量而导致的冷却需求。

2、包络跟踪技术的原理

包络跟踪技术的原理在于使放大器尽可能地在压缩区运行。该项技术基于这一事实：功率放大器的效率峰值点和输出功率峰值点都会随着供电电压(Vcc)的变化而变化. 图1显示了不同供电电压值下，功率附加效率与输出功率的函数关系。我们可以看出峰值效率的输出功率随着供电电压的增大而增大。

图1、不同供电电压下PAE与输出功率之间的关系

包络跟踪技术的基本思路是找出瞬时输出功率映射与最优化供电电压值的对应关系，从而使放大器尽可能长时间地处于压缩临界区。理论上，运用包络跟踪技术在这种特定的放大器上得到的PAE如图1中的绿色线条所示。从图中可以看出，有效PAE远远大于采用固定供电电压得到的PAE。基于这些数据，我们可以创建一个查询表(LUT)，将输出功率和PAE最优化时的供电电压值对应起来（如 图2）。请注意，在供电电压为1V时出现了一个下限。我们后面会介绍这个下限对带宽的影响。虽然从理论上看通过调节供电电压信号来使PAE达到最大是一个不错的想法，但实际执行是有难度的。当供电电压作为输出功率的函数不断变化时，放大器的增益也会随之大幅变化，导致AM-AM失真增大。这种影响可以通过使用较小范围的供电电压电平来弱化，这需要设计人员在PAE和AM-AM失真之间进行权衡。基带射频波形可以通过DPD（数字预失真）算法来修正包络跟踪导致的失真。

图2、最优化供电电压值与输出功率的对应关系

图1 中所示的PAE的值是基于连续波信号。根据这些附加效率值和特定波形输出功率的概率密度函数(PDF)就可以估算调制信号的期望PAE，如 等式1所示：

图3显示的是测试用例1 W-CDMA波形的概率密度函数，波形的平均射频功率为0 dBm，可用于该等式中。通过将波形转换为特定平均输出功率，我们就可以根据这一特定调制信号来估算放大器的效率。

图3、测试用例1 W-CDMA波形的概念分布密度函数

这种算法将PAE视为随机变量并假设PAE与Pout测量值之间的关系是静态的，即这一关系不会随时间改变。虽然根据图3 的计算，我们可以得到比较精确的PAE近似值，但实际中PAE会由于放大器的记忆效应和温度导致的增益变化而随着时间发生小幅变化。 图4显示了测试用例1 W-CDMA调制波形在固定供电Vcc 下的PAE测量值和计算值，以及在包络跟踪状态下的期望PAE（假定供电电压调节器处于理想状态）。我们注意到PAE的期望曲线和测量曲线非常接近，而且仅在输出功率较高时才开始发生偏离。这种偏离很可能是由于功率放大器的记忆效应。将理想包络跟踪电源下的期望PAE（绿色曲线）和固定Vcc下的测试值（蓝色曲线）进行比较，我们发现理论上在较大的输入范围内前者的值可以达到后者的两倍。

图4、固定供电Vcc测试用例1 W-CDMA波形的理论和测量PAE以及ET供电Vcc下波形的PAE

虽然包络跟踪可大大提高效率，但是我们需要认识到在包络跟踪功率放大器的设计上有许多要权衡的部分。事实上某个参数的优化需要对系统中的其他参数进行权衡。