作者：羅德與施瓦茨公司應用工程師Martin Lim

典型的電話必須使用不同的技術，并傳輸GSM，EDGE，CDMA，WCDMA和LTE信號。這些技術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，這大大增加了收發器電路的復雜性，包括諸如功率放大器（PA）之類的組件設計。LTE和LTE-Advanced網絡可提供當今智能手機所需的更高峰值數據速率。但是，LTE，高級LTE的成本高，功耗大，發熱量大。對于4G LTE，提高射頻前端的功率效率至關重要。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調制PA電源電壓來提高功率放大器的效率。由于不斷調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，由于節省熱量而浪費了功率。使用整形功能，可以進一步優化放大器并調整PA的性能，以滿足特定的設計要求。通過用高帶寬直流調制器驅動功率放大器，該調制器可提供從基帶IQ包絡得到的電壓，移動設備可以顯著提高效率，線性化并降低功耗。

包絡跟蹤的概念已經存在了很多年，但是直到最近才變得不容易以可行的形式實現。這是由于實施的復雜性。電路必須經過時間校準，以使包絡信號與輸入的RF信號同步。由于信號和電源的復雜性增加，業內許多人甚至對真正的效率和節省電池價值的包絡跟蹤提出了挑戰。

但是，使用先進的測試程序和設備，可以簡化和驗證包絡跟蹤的實施。

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信號進行特定的功率控制，以提供高質量的服務（QoS）和最長的電池壽命。目標是以足夠的射頻功率進行傳輸，以保持高質量的鏈路，而不會耗盡電池。但是，由于典型RF信號的幅度可能會發生相當大的變化（高波峰因數），因此面臨的挑戰是設計移動設備的輸出發射器級，使其在較寬的輸入幅度范圍內有效工作。

一個主要的挑戰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的設計和操作中起著重要作用。除顯示器和處理器外，TX功率放大器是導致現代智能手機功耗的主要因素。功耗，系統功能和熱量產生/散發只是取決于放大器效率的幾個設計要素，尤其是當放大器是系統內功耗的重要使用者時。

當功率放大器進入壓縮狀態時，在峰值輸出功率下運行時，功率放大器效率最高。當輸入RF信號的幅度較低時，PA效率較低。當功率放大器以線性A類模式工作時，傳統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，當設備以峰值輸出功率運行時，有可能獲得高達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）的調制信號，因此降低了許多效率。現代調制技術極大地降低了PA性能。

將放大器驅動到壓縮狀態可以提高效率。在壓縮時，放大器的幅度響應是非線性的。輸入增加1 dB并不意味著輸出增加1 dB。LTE OFDM波形當然是經過QAM調制的。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11 dB，導致PA在其最佳輸出效率以下運行。LTE和LTE-Advanced應用中使用的放大器必須適應峰值，同時仍要在低效率范圍內運行。

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

信號挑戰

包絡跟蹤從本質上引入了復雜性，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調制是一種以模擬和數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，并施加到調制器上以生成奇異信號。這是一個復雜的過程，涉及到數模轉換器，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。

實施包絡跟蹤時的一個關鍵因素是生成包絡信號。盡管包絡跟蹤電源（調制器）控制信號是從原始IQ基帶信號生成的，但是包絡跟蹤控制信號的創建是多方面的。該包絡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。

挑戰在于，沒有標準的包絡整形技術。由于IQ波形是使用專有的ET算法，軟件和專為R＆D設計的整形表在芯片組上生成的，因此每種方法都不同。整形函數由用戶定義的值對以查找表（LUT）的形式定義。應用，調整和重新計算表格可能是一個漫長而乏味的過程，但是必須進行以確保優化PA性能。

簡化ET測試

模擬，測試和驗證包絡跟蹤功率放大器會帶來許多挑戰。測量功率放大器的典型測試設置至少由信號發生器和頻譜分析儀組成。包絡跟蹤需要一個額外的發生器來將包絡信號提供給DC調制器。這就要求在RF信號和包絡信號之間進行精確調整的時間對準，以確保調制器和功率放大器在時間上對準。此外，這種方法限制了進行實時調整的能力，因為對RF信號的任何更改都需要將新的包絡波形加載到第二個發生器中。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的功耗進行時間同步測量。精確同步是關鍵，當使用多個測試儀器時，這可能是一個巨大的挑戰。如果未實現同步，則信號幅度的不正確跟蹤會導致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。這種削波導致不良的ACLR測量。

由于包絡信號和RF信號之間的時序對于功率放大器至關重要，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。最近開發了一種高端矢量信號發生器，它可以創建RF和包絡信號，從而有效地代替了復雜的測試設置。羅德與施瓦茨R＆S?SMW200A等先進的矢量信號發生器具有包絡跟蹤選件，可進行快速，簡單的功率放大器測試，包括從單個信號發生器生成包絡跟蹤信號。用一臺儀器提供兩個信號消除了信號同步的麻煩。DPD和ET設置是實時應用的，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之類的基礎調制質量測量。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，節省了大量時間和資源。實時和在盒中計算和調制波形至關重要–無需在重新測試之前使用Metlab之類的外部軟件來修改信號。實時包絡整形可自動調諧和整形功率放大器信號，以實現最佳效率或線性度。

包絡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文件或無線通信標準，例如LTE或WCDMA。在一臺儀器中生成RF信號和相關的包絡信號可簡化測試設置，減少測量誤差，并通過實時自動生成包絡信號來加快測試速度。矢量信號發生器實時在±500 ns的范圍內以皮秒為單位調整兩個信號之間的延遲，滿足嚴格的規范–例如，對于20 MHz LTE信號，小于1 ns。包絡信號的電壓參數也完全可以改變。

矢量信號發生器結合了用于包絡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和包絡信號的產生。由于RF和基帶包絡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，并且不會產生額外的抖動，從而可實現100％的可重復性。

包絡信號的整形用于優化放大器的效率或線性度。多種靈活的成形函數，包括專有成形技術的基于表的方法，以及基于多項式的成形和去槽等更通用的功能。這些功能結合在一起，使用戶可以在每次更改參數時自動生成一個新的包絡信號，從而實時優化包絡的形狀。

通過將關鍵參數直接輸入信號發生器，簡化了將包絡信號的特性與DUT匹配的過程。自動包絡電壓自適應會自動生成一個包絡信號，以匹配這些關鍵參數（VCC電壓范圍，PA范圍，DC調制器增益，DC o set和power o set）的極限。由于信號發生器將針對每個單獨的輸入功率電平自動計算適當的包絡信號，因此可以在放大器的整個輸入范圍內執行功率掃描。

電壓或電流探頭可用于測量包絡線跟蹤。通過在PA和DC調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。

數字預失真

使用包絡跟蹤時，放大器接近或什至處于飽和狀態工作，這會導致放大器輸出失真。在某些情況下，ET表設計為始終使PA處于壓縮狀態，以實現最大效率。因此，ET通常與數字預失真（DPD）一起使用以補償這種影響。DPD改善了RF放大器的線性度，從而確保了準確，線性的輸出信號。壓縮輸入信號或具有非線性輸入/輸出關系的放大器會導致輸出信號干擾相鄰的射頻和信道。先進的矢量信號發生器可在所有基于標準或用戶定義的波形上使用AM / AM和/或AM / PM實時對電流波形進行預失真。可以在應用數字預失真之前或之后創建信封跟蹤，

可以輕松地編輯，導入和切換多個ET整形表以應用DPD。通過根據接收到的DPD表對每個復雜的I / Q樣本應用實時幅度和相位校正，可以進一步簡化測試。這樣，即使對于不同的功率電平，也可以更快地驗證預失真的效果，而無需手動重新計算原始波形文件。

結論

大多數主流智能手機已經利用包絡跟蹤技術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備的散熱。包絡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。結果，放大器始終在接近其瞬時最大輸出功率的范圍內工作，從而大大提高了放大器效率。

測試和測量儀器的進步簡化了包絡跟蹤以及數字預失真仿真，測試和驗證。矢量信號發生器與信號和頻譜分析儀結合在一臺儀器中，可提供實時包絡整形功能，該功能可自動調諧和整形功率放大器信號，從而在更短的時間內獲得更準確的數據，從而縮短了客戶的上市時間。測試和測量設備的進步證明，包絡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20％，從而延長了電池壽命，并提高了QoS。

編輯：hfy