過去，手機可以待機數(shù)天而無需充電。在手機電池技術(shù)不斷創(chuàng)新的同時，一些新的要求（例如更多的內(nèi)部無線電設(shè)備，例如更多的內(nèi)部RF傳輸，更大和更高分辨率的顯示器）導(dǎo)致電池電量消耗比以往更快。因此，隨著新技術(shù)繼續(xù)應(yīng)用于移動電話，工程師必須繼續(xù)開發(fā)新方法以降低功耗。

現(xiàn)在，越來越多地采用包絡(luò)跟蹤技術(shù)來優(yōu)化射頻（PA）功率放大器的附加功率效率（PAE），而射頻PA射頻功率放大器是電池功耗的主要來源之一。本文介紹如何使用RF PA功率放大器數(shù)據(jù)來實現(xiàn)ET包絡(luò)跟蹤以確定關(guān)鍵包絡(luò)跟蹤參數(shù)。工程師基于這些參數(shù)，對測量系統(tǒng)進(jìn)行基礎(chǔ)分析。

1、為什么選擇包絡(luò)跟蹤技術(shù)？

當(dāng)輸出功率達(dá)到峰值時，即發(fā)生增益壓縮時，功率放大器將達(dá)到最大工作效率。對于典型的W-CDMA/HSPA +/LTE標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)設(shè)備以全功率輸出運行時，效率可以高達(dá)50。但是，由于諸如W-CDMA和LTE的現(xiàn)代通信標(biāo)準(zhǔn)使用越來越高的峰均比（PAPR）調(diào)制信號，因此效率將大大降低。而且，由于放大器的幅度響應(yīng)在壓縮區(qū)域中變得高度非線性，因此，由于峰均比，輸出功率通常不能達(dá)到峰值。對于LTE波形，峰均比可能高達(dá)7或8 dB，從而使功率放大器以遠(yuǎn)低于最佳功率設(shè)置的平均輸出功率運行。

盡管可以使用多種技術(shù)來提高功率放大器的總功率效率，但以數(shù)字預(yù)失真（DPD）技術(shù)為例，包絡(luò)跟蹤技術(shù)迅速引起了功率放大器制造商的關(guān)注。實際上，在過去的十年中，基站一直在使用包絡(luò)跟蹤技術(shù)，該技術(shù)不僅提高效率，而且由于能量轉(zhuǎn)化為熱量而降低了冷卻要求。

2、包絡(luò)跟蹤技術(shù)的原理

包絡(luò)跟蹤技術(shù)的原理是使放大器盡可能在壓縮區(qū)工作。該技術(shù)基于以下事實：功率放大器的最大效率點和最大輸出功率點都會隨電源電壓（Vcc）的變化而變化。圖1顯示了不同電源電壓比值下的總功率效率和功率輸出的函數(shù)。我們可以看到，最大效率輸出功率隨電源電壓的增加而增加。

包絡(luò)跟蹤技術(shù)的基本思想是找出瞬時輸出功率映射與最佳電源電壓值之間的對應(yīng)關(guān)系，從而使放大器盡可能長時間地處于臨界壓縮區(qū)。理論上，綠線顯示在使用包絡(luò)跟蹤技術(shù)在該特定放大器上獲得的PAE如圖1中。從圖中可以看出，有效PAE遠(yuǎn)高于使用固定電源電壓獲得的PAE?；诖藬?shù)據(jù)，我們可以創(chuàng)建一個查找表（LUT），以在優(yōu)化PAE時將輸出功率與電源的電壓值相關(guān)聯(lián)（參見圖2）。請注意，當(dāng)電源電壓為1 V時有一個下限。稍后我們將介紹該下限對帶寬的影響。盡管從理論上說，通過調(diào)節(jié)電源電壓信號來最大化PAE是一個好主意，但實際上很難實現(xiàn)。當(dāng)電源電壓作為輸出功率的函數(shù)連續(xù)變化時，放大器的增益也將顯著變化，從而導(dǎo)致更大的AM-AM失真?？梢酝ㄟ^使用較小范圍的電源電壓電平來減弱這種影響，這要求設(shè)計人員在PAE和AM-AM失真之間做出折衷?？梢允褂肈PD（數(shù)字預(yù)失真）算法校正基帶RF波形，以校正由包絡(luò)跟蹤引起的失真。

圖1所示的PAE值基于連續(xù)波信號。基于這些附加效率值和特定波形輸出功率的概率密度函數(shù)（PDF），可以估算出調(diào)制信號的預(yù)期PAE，如公式1所示：

圖3顯示了測試用例1中W-CDMA波形的概率密度函數(shù)。該波形的平均RF功率為0 dBm，可以在該公式中使用。通過將波形轉(zhuǎn)換為特定的平均輸出功率，我們可以基于該特定的調(diào)制信號來估計放大器的效率。

該算法將PAE視為隨機變量，并假定PAE和Pout的測量值之間的關(guān)系是靜態(tài)的，即，該關(guān)系不會隨時間變化。盡管我們可以根據(jù)圖3中的計算獲得更精確的PAE近似值，但實際上，由于放大器的存儲效應(yīng)和溫度引起的增益變化，PAE會隨時間而略有變化。圖4顯示了在固定電源Vcc下測試案例1的W-CDMA調(diào)制波形的測量和計算出的PAE值，以及在包絡(luò)跟蹤狀態(tài)下的預(yù)期PAE（假設(shè)電源的穩(wěn)壓器處于理想狀態(tài)）。我們注意到，預(yù)期的PAE曲線非常接近測量曲線，并且僅在功率輸出較高時才開始漂移。該偏差可能是由于功率放大器的記憶效應(yīng)引起的。將理想包絡(luò)跟蹤電源下的預(yù)期PAE（綠色曲線）與固定Vcc下的測試值（藍(lán)色曲線）進(jìn)行比較，我們發(fā)現(xiàn)在理論上，前者的值可以達(dá)到后者的值的兩倍。

盡管包絡(luò)跟蹤可以大大提高效率，但我們必須意識到，在包絡(luò)跟蹤功率放大器的設(shè)計中需要進(jìn)行很多取舍。實際上，某個參數(shù)的優(yōu)化需要權(quán)衡系統(tǒng)中的其他參數(shù)。因此，為給定的功率輸出選擇最佳的Vcc電平是一個設(shè)計過程，需要反復(fù)迭代，并且您必須能夠快速做出可靠的測試設(shè)計決策。

3、包絡(luò)跟蹤測試挑戰(zhàn)

信封跟蹤測試使已經(jīng)很復(fù)雜的系統(tǒng)變得更加復(fù)雜。為了使功率放大器成功執(zhí)行包絡(luò)跟蹤計劃，必須將RF基帶波形和電源電壓緊密同步。如如圖5所示，典型的包絡(luò)跟蹤測試系統(tǒng)包括射頻信號發(fā)生器和分析儀，用于控制功率放大器的高速數(shù)字波形發(fā)生器以及用于為放大器供電的電源。

4、電源

包絡(luò)跟蹤測試面臨的主要挑戰(zhàn)是電源波形的高帶寬要求。包絡(luò)波形的帶寬要求通常遠(yuǎn)高于RF波形的要求。為了分析這種現(xiàn)象，我們以圖2所示的電壓輸出功率曲線和帶寬為10MHz的LTE信號為例。圖6顯示了優(yōu)化PAE時LTE信號的Vcc波形和相應(yīng)的功率時間曲線。頻譜分析表明，Vcc波形的帶寬至少是RF波形帶寬的三倍。高帶寬要求是由兩個因素引起的：一是Vcc是RF功率的函數(shù)；二是Vcc是RF功率的函數(shù)。另一個是LUT的下限（顯示在如圖2上）會導(dǎo)致削波失真。

實際上，對于20 MHz的LTE波形，Vcc波形必須具有至少60 MHz的帶寬。如圖7顯示——。同樣，當(dāng)發(fā)生寬帶數(shù)字預(yù)失真時，Vcc波形所需的帶寬通常高達(dá)實際RF信號帶寬的5倍。正如我們將在下面介紹的那樣，任意波形發(fā)生器（AWG）不僅需要寬帶寬，而且還需要高時間分辨率。

關(guān)于電源電壓，我們面臨的第二個挑戰(zhàn)是任意波形發(fā)生器提供的電流不足以支持功率放大器的工作，并且電源的帶寬不能滿足ET的需求。解決此問題的方法是使用功率調(diào)節(jié)器來驅(qū)動功率放大器，該功率放大器由直流電源和任意波形發(fā)生器生成的調(diào)制Vcc信號驅(qū)動，如http：///1287.cn/5所示。

5、儀器同步

包絡(luò)跟蹤測試面臨的最大挑戰(zhàn)是確保RF信號發(fā)生器與任意波形發(fā)生器之間的同步。當(dāng)我們基于輸入功率選擇最佳Vcc值時，可以使功率放大器的PAE最大化，但是，儀器之間的不良同步會在Vcc值時使功率放大器的PAE最大化，但是儀器之間的同步性較差對于給定的功率輸出，這將使Vcc值太高或太低，濾波器,高穩(wěn)晶振,時鐘模塊，可以信號進(jìn)行處理。

考慮Vcc波形滯后于RF波形的情況：當(dāng)波形處于最大功率時，功率調(diào)節(jié)器將無法為設(shè)備提供足夠的功率。因此，RF輸出將比預(yù)期輸出功率低幾個分貝。同樣，在波形的峰值出現(xiàn)之后，功率調(diào)節(jié)器將提供比放大器所需更多的功率，從而降低了效率。當(dāng)Vcc在RF波形之前時，也會發(fā)生類似情況。 RF信號發(fā)生器和任意波形發(fā)生器不僅需要同步，而且這種同步必須是可重復(fù)的。

6、基于PXI的測試解決方案

儀器定時是信封跟蹤測試設(shè)備的重要規(guī)范。由于需要滿足嚴(yán)格的時序要求，因此PXI平臺無疑是應(yīng)對包絡(luò)跟蹤測試挑戰(zhàn)的理想選擇。在PXI測試系統(tǒng)中，模塊化儀器通過機箱的后面板互連，機箱的后面板包含各種時鐘和觸發(fā)器分配線。這種單一機箱的集成簡化了儀器的放置并改善了系統(tǒng)時序。除高級PXI硬件和NI矢量信號收發(fā)器外，LabVIEW軟件環(huán)境還提供了實時信號生成和顯示功能，可幫助您提高應(yīng)用程序開發(fā)和測試的效率。

通常，包絡(luò)跟蹤功率放大器應(yīng)與RF信號發(fā)生器一起使用，并且Vcc同步抖動應(yīng)小于1 ns，要求測試設(shè)備的抖動遠(yuǎn)低于此值。 ——，最好約100 ps。 PXI可以使用T-Clock背板時序程序來實現(xiàn)嚴(yán)格的時序。 T時鐘是一種用于對齊采樣時鐘并啟動觸發(fā)器的機制，以便所有設(shè)備同步生成信號。例如，對NI PXIe-5451 AWG和NI PXIe-5644R矢量信號收發(fā)器進(jìn)行了評估，以實現(xiàn)小于50 ps的最大同步抖動，從而滿足了這一需求。

同步RF信號發(fā)生器和任意波形發(fā)生器只是我們面臨的挑戰(zhàn)的一部分。調(diào)制后的Vcc信號和RF波形在到達(dá)不同的放大器之前會經(jīng)過不同的路徑，因此具有不同的延遲。因此，對Vcc波形進(jìn)行編程以使其滯后或先于RF信號，對于使放大器中的調(diào)制電源和RF信號與納秒級偏置對準(zhǔn)非常重要。

將Vcc信號相對于RF信號延遲任意波形發(fā)生器樣本的整數(shù)倍的一種簡單方法是在生成腳本的開頭嵌入“等待”循環(huán)。為了獲得更精確的延遲，可以使用數(shù)字濾波器來調(diào)整矢量信號收發(fā)器上FPGA中來自軟件或硬件的RF波形。使用硬件方法的優(yōu)點是它執(zhí)行時間更改的速度比等效軟件濾波器快得多，從而減少了確定任意波形發(fā)生器與矢量信號收發(fā)器之間最佳對準(zhǔn)所需的時間。在標(biāo)稱Vdc采樣率為400MS/S的情況下，可以實現(xiàn)任何皮秒的延遲。

測量設(shè)備所需的最后一個測試項目是能夠供電和測量的電源。由于功率放大器需要更高的轉(zhuǎn)換率，因此該應(yīng)用傾向于使用電池模擬器而不是標(biāo)準(zhǔn)的源度量單位。請注意，在某些情況下，如果要數(shù)字控制MIPI接口功率放大器，則還需要一個高速數(shù)字波形發(fā)生器，該發(fā)生器可以在1.8 v時輸出高達(dá)26 MHz的波形。

7、結(jié)果驗證

使用高帶寬數(shù)字轉(zhuǎn)換器來驗證Vcc和RF信號之間的時序是最直接的方法。在本示例中，我們將NI PXIe-5644R矢量信號收發(fā)器和NI PXIe-5451任意波形發(fā)生器連接到2.5 GS/s數(shù)字轉(zhuǎn)換器的兩個通道。根據(jù)圖2中的Vcc-Pout查找表，矢量信號發(fā)生器可以在800 MHz條件下生成10 MHz LTE FDD上行波形，在第一次運行時，由于兩臺儀器上DSP的布線和延遲，時間差兩個波形之間的差約為1 s。根據(jù)上面介紹的延遲算法，我們可以通過組合保持采樣和子采樣延遲來對齊兩個波形。

以上結(jié)果如圖8所示。在此圖中，我們將Vcc波形縮放為與RF波形相同的數(shù)量級，以進(jìn)行比較。該圖顯示兩組波形相互對齊，但是更重要的是，即使程序不斷運行，即使重新啟動系統(tǒng)，也可以保持這種關(guān)系。

在放大器的輸入端，可以使用高速數(shù)字化儀直觀地檢查兩個波形的對齊情況，但無法測量放大器的性能。前面我們討論了計時的重要性。 Vcc在放大器的輸入端。您可以借助高速數(shù)字化儀直觀地驗證兩個波形的對準(zhǔn)，但無法測量放大器的性能。前面我們討論了定時，最佳Vcc和RF對準(zhǔn)的重要性。相鄰信道功率衰減量因設(shè)備而異，但是在最佳校準(zhǔn)時序后使用RF信號分析儀可以極大地優(yōu)化測量結(jié)果。

8.結(jié)論

在過去的十年中，已經(jīng)顯示出包絡(luò)跟蹤技術(shù)可以提高蜂窩基站中功率放大器的效率，并減少將損耗的能量轉(zhuǎn)化為熱量而導(dǎo)致的冷卻需求。由于無線標(biāo)準(zhǔn)的不斷發(fā)展，手持移動設(shè)備制造商希望使用包絡(luò)跟蹤技術(shù)來獲得類似的優(yōu)勢。盡管與固定電源相比，包絡(luò)跟蹤技術(shù)可以節(jié)省大量功率并延長電池壽命，但它對功率放大器設(shè)計人員和測試工程師提出了巨大挑戰(zhàn)。本文介紹的基于PXI的測試程序可以解決測量工作中最關(guān)鍵的挑戰(zhàn)，并且測量結(jié)果表明這是一個非常好的ET PA測試程序。

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