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包絡跟蹤的測試技術方法與基礎原理詳解

發表時間:2021/2/4 16:01:52  來源:RF技術社區  瀏覽次數:2091  
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過去,手機可以待機數天而無需充電。在手機電池技術不斷創新的同時,一些新的要求(例如更多的內部無線電設備,例如更多的內部RF傳輸,更大和更高分辨率的顯示器)導致電池電量消耗比以往更快。因此,隨著新技術繼續應用于移動電話,工程師必須繼續開發新方法以降低功耗。

現在,越來越多地采用包絡跟蹤技術來優化射頻(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功率放大器數據來實現ET包絡跟蹤以確定關鍵包絡跟蹤參數。工程師基于這些參數,對測量系統進行基礎分析。

1、為什么選擇包絡跟蹤技術?

當輸出功率達到峰值時,即發生增益壓縮時,功率放大器將達到最大工作效率。對于典型的W-CDMA/HSPA +/LTE標準,當設備以全功率輸出運行時,效率可以高達50。但是,由于諸如W-CDMA和LTE的現代通信標準使用越來越高的峰均比(PAPR)調制信號,因此效率將大大降低。而且,由于放大器的幅度響應在壓縮區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到峰值。對于LTE波形,峰均比可能高達7或8 dB,從而使功率放大器以遠低于最佳功率設置的平均輸出功率運行。

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

2、包絡跟蹤技術的原理

包絡跟蹤技術的原理是使放大器盡可能在壓縮區工作。該技術基于以下事實: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。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。

包絡跟蹤技術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關系,從而使放大器盡可能長時間地處于臨界壓縮區。理論上,綠線顯示在使用包絡跟蹤技術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遠高于使用固定電源電壓獲得的PAE?;诖藬祿?,我們可以創建一個查找表(LUT),以在優化PAE時將輸出功率與電源的電壓值相關聯(參見圖2)。請注意,當電源電壓為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,通過調節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。當電源電壓作為輸出功率的函數連續變化時,放大器的增益也將顯著變化,從而導致更大的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,這要求設計人員在PAE和AM-AM失真之間做出折衷??梢允褂肈PD(數字預失真)算法校正基帶RF波形,以校正由包絡跟蹤引起的失真。

圖1所示的PAE值基于連續波信號?;谶@些附加效率值和特定波形輸出功率的概率密度函數(PDF),可以估算出調制信號的預期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。該波形的平均RF功率為0 dBm,可以在該公式中使用。通過將波形轉換為特定的平均輸出功率,我們可以基于該特定的調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的測量值之間的關系是靜態的,即,該關系不會隨時間變化。盡管我們可以根據圖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調制波形的測量和計算出的PAE值,以及在包絡跟蹤狀態下的預期PAE(假設電源的穩壓器處于理想狀態)。我們注意到,預期的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引起的。將理想包絡跟蹤電源下的預期PAE(綠色曲線)與固定Vcc下的測試值(藍色曲線)進行比較,我們發現在理論上,前者的值可以達到后者的值的兩倍。

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

3、包絡跟蹤測試挑戰

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

4、電源

包絡跟蹤測試面臨的主要挑戰是電源波形的高帶寬要求。包絡波形的帶寬要求通常遠高于RF波形的要求。為了分析這種現象,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顯示了優化PAE時LTE信號的Vcc波形和相應的功率時間曲線。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;二是Vcc是RF功率的函數。另一個是LUT的下限(顯示在如圖2上)會導致削波失真。

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,當發生寬帶數字預失真時,Vcc波形所需的帶寬通常高達實際RF信號帶寬的5倍。正如我們將在下面介紹的那樣,任意波形發生器(AWG)不僅需要寬帶寬,而且還需要高時間分辨率。

關于電源電壓,我們面臨的第二個挑戰是任意波形發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節器來驅動功率放大器,該功率放大器由直流電源和任意波形發生器生成的調制Vcc信號驅動,如http:///1287.cn/5所示。

5、儀器同步

包絡跟蹤測試面臨的最大挑戰是確保RF信號發生器與任意波形發生器之間的同步。當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,高穩晶振,時鐘模塊,可以信號進行處理。

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

6、基于PXI的測試解決方案

儀器定時是信封跟蹤測試設備的重要規范。由于需要滿足嚴格的時序要求,因此PXI平臺無疑是應對包絡跟蹤測試挑戰的理想選擇。在PXI測試系統中,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時序。除高級PXI硬件和NI矢量信號收發器外,LabVIEW軟件環境還提供了實時信號生成和顯示功能,可幫助您提高應用程序開發和測試的效率。

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

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

將Vcc信號相對于RF信號延遲任意波形發生器樣本的整數倍的一種簡單方法是在生成腳本的開頭嵌入“等待”循環。為了獲得更精確的延遲,可以使用數字濾波器來調整矢量信號收發器上FPGA中來自軟件或硬件的RF波形。使用硬件方法的優點是它執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生器與矢量信號收發器之間最佳對準所需的時間。在標稱Vdc采樣率為400MS/S的情況下,可以實現任何皮秒的延遲。

測量設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換率,因此該應用傾向于使用電池模擬器而不是標準的源度量單位。請注意,在某些情況下,如果要數字控制MIPI接口功率放大器,則還需要一個高速數字波形發生器,該發生器可以在1.8 v時輸出高達26 MHz的波形。

7、結果驗證

使用高帶寬數字轉換器來驗證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矢量信號收發器和NI PXIe-5451任意波形發生器連接到2.5 GS/s數字轉換器的兩個通道。根據圖2中的Vcc-Pout查找表,矢量信號發生器可以在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波形相同的數量級,以進行比較。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,也可以保持這種關系。

在放大器的輸入端,可以使用高速數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。您可以借助高速數字化儀直觀地驗證兩個波形的對準,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對準的重要性。相鄰信道功率衰減量因設備而異,但是在最佳校準時序后使用RF信號分析儀可以極大地優化測量結果。

8.結論

在過去的十年中,已經顯示出包絡跟蹤技術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化為熱量而導致的冷卻需求。由于無線標準的不斷發展,手持移動設備制造商希望使用包絡跟蹤技術來獲得類似的優勢。盡管與固定電源相比,包絡跟蹤技術可以節省大量功率并延長電池壽命,但它對功率放大器設計人員和測試工程師提出了巨大挑戰。本文介紹的基于PXI的測試程序可以解決測量工作中最關鍵的挑戰,并且測量結果表明這是一個非常好的ET PA測試程序。

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