包絡跟蹤芯片應用中查找表的分析與確定

隆萬洪，吳振川，徐寬茂，蔣凱旋

（1.中國科學院上海高等研究院，上海201210；2.上海科技大學 信息學院，上海201210）

包絡跟蹤芯片應用中查找表的分析與確定

隆萬洪1，吳振川2，徐寬茂2，蔣凱旋2

（1.中國科學院上海高等研究院，上海201210；2.上?？萍即髮W 信息學院，上海201210）

包絡跟蹤技術作為LTE移動終端發(fā)熱問題的一種解決方案，在系統(tǒng)應用中需要使用特殊的包絡跟蹤電源芯片，而這種芯片的使用需要輸入包絡參考信號。從實際應用角度出發(fā)，提出了“固定增益法”這種包絡整形的查找表的方法來生成所需的包絡參考信號。這種方法兼顧了功率放大器系統(tǒng)的線性度、效率與系統(tǒng)復雜度，極大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。根據(jù)這種方法，確定出了一張查找表。測試結果表明，包絡跟蹤模式下，PA輸出功率可達26 dBm，且使用了包絡跟蹤技術的射頻功率放大器系統(tǒng)對比固定偏置的功率放大器，效率提升了 5.1%。

包絡跟蹤；包絡跟蹤電源；查找表；包絡整形

0 引言

目前移動通信終端的性能瓶頸之一是續(xù)航能力，射頻發(fā)射通信電路中的功率放大器（Power Amplifier，PA）功耗大、效率低、發(fā)熱嚴重[1]，提升其效率有利于加強續(xù)航能力，減輕終端的發(fā)熱。

支持LTE的通信制式的移動終端采用高階調制方式，能高速傳輸數(shù)據(jù)[2]，但是對信號的質量要求較高，需要線性PA，并且信號峰均大，需要使用功率回退方式，線性PA只能在低效率狀態(tài)下工作[3]。

包絡跟蹤（Envelope Tracking，ET）技術是一種極有希望提高LTE通信制式下PA效率的方式。而實現(xiàn)包絡跟蹤技術在LTE移動通信終端上的高效應用，需要系統(tǒng)提供包絡參考信號Venv至包絡跟蹤電源芯片。為了降低系統(tǒng)資源的開銷，包絡參考信號的生成需要采用查找表，因此查找表的選取是一項至關重要的工作。本文提出“固定增益法”確定查找表的方法，其占用資源少，線性度惡化少，具有很大的應用價值。

1 包絡跟蹤技術的實現(xiàn)

傳統(tǒng)固定偏置的功率放大器如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)固定偏置功率放大器結構圖

從基帶發(fā)出的IQ信號經(jīng)過上變頻變成待放大的射頻信號送入PA，功率放大器的供電由電池提供。使用ET技術提供偏置的 PA如圖 2所示[4]。

圖2 包絡跟蹤技術結構圖

從基帶發(fā)出的IQ信號將分出一路至包絡通路，經(jīng)過包絡生成整形成為包絡參考信號 Venv送入到包絡跟蹤電源，包絡跟蹤電源的輸出 VCC(t)將跟隨 Venv。

PA的效率可由下式近似表達[5]：

式中，ICC、VCC(t)為 PA的偏置電流和電壓，Iout、Vout為PA輸出信號的電流和電壓振幅。當PA工作點確定，導通角基本恒定，Iout/ICC比值為常數(shù)[3]，功率放大器的VCC(t)越接近PA輸出信號的 Vout，PA的效率就會越大。將包絡跟蹤電源芯片的輸入輸出看作一個線性函數(shù)，Venv能夠準確地反映Vout。當 PA的增益穩(wěn)定時，Vin與 Vout線性對應，由此，只要 Venv能夠準確地反映 Vin的大小，就能夠有效地提升PA的效率。

射頻PA增益的壓縮會帶來非線性產物，其中帶內的AM-AM、AM-PM失真會隨著PA的壓縮深度的增加而變大[6]，而帶外的鄰道泄漏比（Adjust Channel Leakage Ratio，ACLR）也是PA非線性的產物，也會隨著 PA增益壓縮的深度的增加而惡化。圖3是某型PA的增益和ACLR隨輸入功率變化的曲線，測試信號是中心頻率為1 747.5 MHz、20 MHz、QPSK、100 RB的信號。可以看到，隨著PA增益的壓縮，ACLR逐漸惡化。

圖3 ACLR-Gain-Pin曲線

2 固定增益法提取查找表

2.1 包絡跟蹤查找表

從PA的輸入來看，ET系統(tǒng)的核心是滿足偏置電壓VCC與輸入功率 Pin的函數(shù)表達式關系的查找表：

決定這張查找表的參數(shù)的因素主要有PA的增益、增益附加效率(Power Added Efficiency，PAE)，以及ACLR。在實際應用中，可以有多個方法確定查找表。

2.2 固定增益法提取查找表

為了降低系統(tǒng)的復雜度和硬件的開銷，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從PA的特性曲線入手，提出并采用了固定增益法來確定查找表中的參數(shù)。具體步驟如下：

首先，確定PA的增益。在最大偏置電壓的特性曲線上選取將PA的失真控制在可接受范圍內的最大壓縮點，以該點增益為參考增益。以圖4為例，在4.5 V供電電壓條件下，PA能提供的最大增益是29.85 dB，在滿足線性度要求的條件下（ACLR＜-35 dBc），功率放大器的增益能夠壓縮到28.7 dB，選取28.7 dB為參考增益。

圖4 固定增益法確定查找表示意圖

其次，確定不同偏置電壓下PA的增益等于參考增益的輸入功率值。以28.7 dB為參考增益，畫一條等增益線與其他電壓條件的PA特性曲線相交，這些交點所在的曲線的偏置電壓就是PA所需的偏置電壓，該點的縱坐標就是PA的增益，橫坐標就是PA對應的輸入功率。理論上，如果曲線足夠密集，可以確定出任意輸入功率的查找表。

最后，優(yōu)化查找表。根據(jù)上面的方法確定出來的查找表，需要根據(jù)ACLR和延時的情況進行進一步的優(yōu)化，以找到ACLR最佳和延時最小的曲線。

根據(jù)上面的方法，確定了一張查找表，見表1。

表1 固定增益法確定的查找表

3 測試數(shù)據(jù)分析

對在某型商用功率放大器及ET電源芯片進行了測試，測試系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 ET測試系統(tǒng)

將前文所確定的查找表加載到信號源，由信號源產生射頻信號和包絡信號進行測試。測試采用的RF信號是5 MHz、25RB、QPSK、PAPR=6.48 dB，載頻為1 750 MHz的SC-FDMA的FDD-LTE信號，包絡信號是前文所確定的查找表生成的包絡參考信號。在輸出功率為 26 dBm的條件下，PA在不同模式下測試數(shù)據(jù)如表2。不同輸出功率下的PA在ET模式測試參數(shù)如表3所示。圖6為PA的偏置電壓測試點的波形圖。

表2 測試數(shù)據(jù)1

表3 測試數(shù)據(jù)2

圖6 不同輸出功率下PA的VCC電壓

測試結果表明，使用固定增益法確定的查找表包絡跟蹤電源，其增益與固定偏置模式相比下降了0.92 dB，ACLR惡化了3.5 dB，但是滿足3GPP標準要求，功率附加效率從28.58%提升到了 33.68%。結果表明，固定增益法確定的查找表是實用的。

4 總結

本文主要討論和研究了包絡跟蹤電源芯片在LTE通信終端中的應用，設計了包絡跟蹤技術中用于產生包絡參考信號的查找表的提取方法，確定了一張查找表。根據(jù)該表對某型功率放大器與包絡跟蹤電源進行測試，使用5 MHz、QPSK信號、載頻為1 750 MHz的FDD-LTE信號，PAPR=6.48 dB，輸出功率 26 dBm，使用包絡跟蹤技術的功率放大器，功率附加效率達到33.68%，ACLR達到-34.14 dBc。相比未使用包絡跟蹤技術的功率放大器時，電流節(jié)省了40 mA，功率附加效率提升了5.1%。

[1]KIM J，KIM D，CHO Y，et al.Analysis of envelope-tracking power amplifier using mathematical modeling[J]. Microwave Theory and Techniques，IEEE Transactions on，2014，62(6)：1352-1362.

[2]張志林.3GPP LTE物理層和空中接口技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[3]Vladimir Prodanov，Mihai Banu.RF and microwave power amplifier design[M].Microwave Symposium Digest，2004.

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[5]胡云，薛紅喜.基于包絡跟蹤技術的功率放大器設計方法的研究[J].電路與系統(tǒng)學報，2010，15(6)：6-10.

[6]HEKKALA A，KOTELBA A，LASANEN M.Compensation of linear and nonlinear distortions in envelope tracking amplifier[C].Personal，Indoor and Mobile Radio Communications，2008.PIMRC 2008.IEEE 19th International Symposium on. IEEE，2008：1-5.

The analysis of look-up table in the applications of envelope tracking chip

Long Wanhong1，Wu Zhenchuan2，Xu Kuanmao2，Jiang Kaixuan2
（1.Shanghai Advanced Research Institute of Chinese Academy of Sciences,Shanghai 201210，China；2.School of Information Science and Technology,Shanghaitech University,Shanghai 201210，China)

As a solution for the hate problem of LTE mobile end,envelope tracking technology need a special envelope power supply chip when it applies to mobile communication system and this kind of chip's input needs a reference envelope signal.This paper gives a so-called Fixed Gain method which combines engineering design with practical tuning.This method is mainly for generating a look-up table of envelope tracking technology.Linearity,efficiency and complexity of the system are considered in this method.This greatly improves the robustness of the system.A look-up table is created based on this method.The testing result reveals that the efficiency of a power amplifier system can be improved by 5.1%with this method and related look-up table,the output power of the power amplifier reaches 26 dBm compared with the one having the same output power but fixed bias.

envelope tracking；envelope tracking power supply；look-up table；envelope shaping

TN929.5

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.11.032

隆萬洪，吳振川，徐寬茂，等.包絡跟蹤芯片應用中查找表的分析與確定[J].電子技術應用，2015，41 (11)：115-117，127.

英文引用格式：Long Wanhong，Wu Zhenchuan，Xu Kuanmao，et al.The analysis of look-up table in the applications of envelope tracking chip[J].Application of Electronic Technique，2015，41(11)：115-117，127.

2015-06-24）

隆萬洪（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：射頻系統(tǒng)架構、微波元器件。

吳振川（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：射頻通信電路、微波元器件。

徐寬茂（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向：射頻通信電路。