包络跟踪芯片应用中查找表的分析与确定

隆万洪，吴振川，徐宽茂，蒋凯旋

（1.中国科学院上海高等研究院，上海201210；2.上海科技大学 信息学院，上海201210）

包络跟踪芯片应用中查找表的分析与确定

隆万洪1，吴振川2，徐宽茂2，蒋凯旋2

（1.中国科学院上海高等研究院，上海201210；2.上海科技大学 信息学院，上海201210）

包络跟踪技术作为LTE移动终端发热问题的一种解决方案，在系统应用中需要使用特殊的包络跟踪电源芯片，而这种芯片的使用需要输入包络参考信号。从实际应用角度出发，提出了“固定增益法”这种包络整形的查找表的方法来生成所需的包络参考信号。这种方法兼顾了功率放大器系统的线性度、效率与系统复杂度，极大地提高了系统的稳定性。根据这种方法，确定出了一张查找表。测试结果表明，包络跟踪模式下，PA输出功率可达26 dBm，且使用了包络跟踪技术的射频功率放大器系统对比固定偏置的功率放大器，效率提升了 5.1%。

包络跟踪；包络跟踪电源；查找表；包络整形

0 引言

目前移动通信终端的性能瓶颈之一是续航能力，射频发射通信电路中的功率放大器（Power Amplifier，PA）功耗大、效率低、发热严重[1]，提升其效率有利于加强续航能力，减轻终端的发热。

支持LTE的通信制式的移动终端采用高阶调制方式，能高速传输数据[2]，但是对信号的质量要求较高，需要线性PA，并且信号峰均大，需要使用功率回退方式，线性PA只能在低效率状态下工作[3]。

包络跟踪（Envelope Tracking，ET）技术是一种极有希望提高LTE通信制式下PA效率的方式。而实现包络跟踪技术在LTE移动通信终端上的高效应用，需要系统提供包络参考信号Venv至包络跟踪电源芯片。为了降低系统资源的开销，包络参考信号的生成需要采用查找表，因此查找表的选取是一项至关重要的工作。本文提出“固定增益法”确定查找表的方法，其占用资源少，线性度恶化少，具有很大的应用价值。

1 包络跟踪技术的实现

传统固定偏置的功率放大器如图1所示。

图1 传统固定偏置功率放大器结构图

从基带发出的IQ信号经过上变频变成待放大的射频信号送入PA，功率放大器的供电由电池提供。使用ET技术提供偏置的 PA如图 2所示[4]。

图2 包络跟踪技术结构图

从基带发出的IQ信号将分出一路至包络通路，经过包络生成整形成为包络参考信号 Venv送入到包络跟踪电源，包络跟踪电源的输出 VCC(t)将跟随 Venv。

PA的效率可由下式近似表达[5]：

式中，ICC、VCC(t)为 PA的偏置电流和电压，Iout、Vout为PA输出信号的电流和电压振幅。当PA工作点确定，导通角基本恒定，Iout/ICC比值为常数[3]，功率放大器的VCC(t)越接近PA输出信号的 Vout，PA的效率就会越大。将包络跟踪电源芯片的输入输出看作一个线性函数，Venv能够准确地反映Vout。当 PA的增益稳定时，Vin与 Vout线性对应，由此，只要 Venv能够准确地反映 Vin的大小，就能够有效地提升PA的效率。

射频PA增益的压缩会带来非线性产物，其中带内的AM-AM、AM-PM失真会随着PA的压缩深度的增加而变大[6]，而带外的邻道泄漏比（Adjust Channel Leakage Ratio，ACLR）也是PA非线性的产物，也会随着 PA增益压缩的深度的增加而恶化。图3是某型PA的增益和ACLR随输入功率变化的曲线，测试信号是中心频率为1 747.5 MHz、20 MHz、QPSK、100 RB的信号。可以看到，随着PA增益的压缩，ACLR逐渐恶化。

图3 ACLR-Gain-Pin曲线

2 固定增益法提取查找表

2.1 包络跟踪查找表

从PA的输入来看，ET系统的核心是满足偏置电压VCC与输入功率 Pin的函数表达式关系的查找表：

决定这张查找表的参数的因素主要有PA的增益、增益附加效率(Power Added Efficiency，PAE)，以及ACLR。在实际应用中，可以有多个方法确定查找表。

2.2 固定增益法提取查找表

为了降低系统的复杂度和硬件的开销，提高系统的稳定性，从PA的特性曲线入手，提出并采用了固定增益法来确定查找表中的参数。具体步骤如下：

首先，确定PA的增益。在最大偏置电压的特性曲线上选取将PA的失真控制在可接受范围内的最大压缩点，以该点增益为参考增益。以图4为例，在4.5 V供电电压条件下，PA能提供的最大增益是29.85 dB，在满足线性度要求的条件下（ACLR＜-35 dBc），功率放大器的增益能够压缩到28.7 dB，选取28.7 dB为参考增益。

图4 固定增益法确定查找表示意图

其次，确定不同偏置电压下PA的增益等于参考增益的输入功率值。以28.7 dB为参考增益，画一条等增益线与其他电压条件的PA特性曲线相交，这些交点所在的曲线的偏置电压就是PA所需的偏置电压，该点的纵坐标就是PA的增益，横坐标就是PA对应的输入功率。理论上，如果曲线足够密集，可以确定出任意输入功率的查找表。

最后，优化查找表。根据上面的方法确定出来的查找表，需要根据ACLR和延时的情况进行进一步的优化，以找到ACLR最佳和延时最小的曲线。

根据上面的方法，确定了一张查找表，见表1。

表1 固定增益法确定的查找表

3 测试数据分析

对在某型商用功率放大器及ET电源芯片进行了测试，测试系统如图5所示。

图5 ET测试系统

将前文所确定的查找表加载到信号源，由信号源产生射频信号和包络信号进行测试。测试采用的RF信号是5 MHz、25RB、QPSK、PAPR=6.48 dB，载频为1 750 MHz的SC-FDMA的FDD-LTE信号，包络信号是前文所确定的查找表生成的包络参考信号。在输出功率为 26 dBm的条件下，PA在不同模式下测试数据如表2。不同输出功率下的PA在ET模式测试参数如表3所示。图6为PA的偏置电压测试点的波形图。

表2 测试数据1

表3 测试数据2

图6 不同输出功率下PA的VCC电压

测试结果表明，使用固定增益法确定的查找表包络跟踪电源，其增益与固定偏置模式相比下降了0.92 dB，ACLR恶化了3.5 dB，但是满足3GPP标准要求，功率附加效率从28.58%提升到了 33.68%。结果表明，固定增益法确定的查找表是实用的。

4 总结

本文主要讨论和研究了包络跟踪电源芯片在LTE通信终端中的应用，设计了包络跟踪技术中用于产生包络参考信号的查找表的提取方法，确定了一张查找表。根据该表对某型功率放大器与包络跟踪电源进行测试，使用5 MHz、QPSK信号、载频为1 750 MHz的FDD-LTE信号，PAPR=6.48 dB，输出功率 26 dBm，使用包络跟踪技术的功率放大器，功率附加效率达到33.68%，ACLR达到-34.14 dBc。相比未使用包络跟踪技术的功率放大器时，电流节省了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]张志林.3GPP LTE物理层和空中接口技术[M].北京：电子工业出版社，2011.

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

[4]RAUTIO T，HARJU H，HIETAKANGAS S，et al.Effects of different VDD-drives in ET&EER transmitters[C]. Norchip，2007.IEEE，2007：1-4.

[5]胡云，薛红喜.基于包络跟踪技术的功率放大器设计方法的研究[J].电路与系统学报，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

隆万洪，吴振川，徐宽茂，等.包络跟踪芯片应用中查找表的分析与确定[J].电子技术应用，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）

隆万洪（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向：射频系统架构、微波元器件。

吴振川（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向：射频通信电路、微波元器件。

徐宽茂（1991-），男，硕士研究生，主要研究方向：射频通信电路。