步进式包络跟踪功率放大器的时问误差补偿

吴志远厦门大学信息科学与技术学院通信工程系



步进式包络跟踪功率放大器的时问误差补偿

吴志远
厦门大学信息科学与技术学院通信工程系

摘要：文章对步进式包络跟踪功率放大器（SET-PA）的宏模型进行了建立分析。基于SET-PA的特殊特点，对时间误差补偿进行了研究。使用一种基于最小均方误差（MMSE）的自适应时延估计的方法估计包络跟踪功率放大器（ET-PA）中两路之间的时间差值。数据结果显示，SET-PA的电压档数对包络支路的低通滤波器对功放带来的记忆效应的影响较为敏感。仿真结果显示，使用最小均方误差的方法去补偿ET-PA的时间差，可以使ACPR提高6.7dB，而且带来更快的收敛速度和更低的EVM。

关键字：包络跟踪 宏模型 最小均方误差 时间误差补偿

1　引言

包络跟踪功放（ET-PA）是一种对高峰均比信号进行功率放大有效的放大器结构［11。但是ET-PA对信号支路和包络支路的时间差较为敏感。为设计方便起见，使用电压控制单元来构造SET-PA［31。电压控制单元中，为功放供电的电压随着输入包络信号的变化在几个离散的值中进行变化。这种离散的电压选择器降低了包络信号的准确性和设计的复杂度。在过去的研究中，功放模型屡次被提出。然而，由于包括了更多的电路组成部分，ET-PA的模型比传统的功放模型更加复杂。而本文将ET-PA看作一个黑盒子，我们只关心输入信号和输出信号的关系。

如果输入信号没有和包络信号产生的电压保持实时一致，供电的直流电压可能会大于或者小于所需要的电压。若大于，会降低效率；若小于，则会造成晶体管的饱和。此外，ET-PA的时域不对齐还可能导致一些严重的问题，比如邻道干扰和失真，会降低ACPR和EVM。在工程上，对时域不对齐通用的解决方法是将输入包络信号与输出反馈信号做相关。本文研究了SET-PA的宏模型，本文没有使用曲线拟合的方法，而是使用级联ET-PA中每个模块的方法去建模；本人把ET-PA的所有器件考虑在内而不是单独使用映射关系。基于本文所研究的宏模型，分析了AM．AM曲线和AM．PM曲线的特征。在这基础上，使用在无线通信的多径效应研究中的基于MMSE的自适应时间延迟估计方法使用在这里来补偿ET-PA的两个支路的时间差值。不同的是，在比较两个信号的差值的时候，本文避免了求导的操作，避免求导就意味着减小算法复杂度。本文安排如下，在第二节，提出了包含了SET-PA和时域校准补偿单元的系统模型。第三节研究了基于MMSE的时间差补偿的算法。第四节给出了仿真结果。最后，在第五节得出结论。

2　系统模型

2.1 步进式包络跟踪功法（SET-PA）模型

按照等效低通表示，包络跟踪功放简化系统框图。输入信号通过耦合器耦合到两个支路，射频信号支路和包络支路。由于在包络跟踪的电源设备中，DC—DC电源模块的电压转换速率有着严格的要求，在包络支路，使用低通滤波器去降低带宽，以减小电源纹波［1到。包络信号驱动电压控制器产生相应的电源电压档位为功放供电。电压档位选择离散档位，降低包络信号的准确性和电压控制器的设计复杂性。电压控制器会有一个最小的电压%；。使晶体管工作，同时会有一个最大的电压‰。防止晶体管不致损坏。

2.2 功放模型

在射频信号支路中，AdrianKotelba等人在文献中提出了一个非线性方程来表示晶体管的AM—AM和AM．PM的特征。如式（2）和式（3）所示。这个模型比文献［6］所提出的Cann模型更加适合ET-PA。

3　仿真和讨论

3.1 黑盒子模型特征的分析

对黑盒子进行无记忆功放仿真，分别得到无记忆功放的AM.AM和AM．PM曲线。通过调节电压的档数，得到了新的AM—AM和AM．PM特性。AM．AM特性曲线展示出了一个反向弯曲，这是由于当输入与信号较弱的时候，晶体管尚未完全导通。通过对正常特性曲线和去低电压特性曲线作比较，反向的弯曲逐渐消除，弥散效应逐渐减弱，通过观察正常特性曲线和去高电压特性曲线，蓝线正向的弯曲表示晶体管接近饱和，而且弥散效应出现在饱和区。这表示，低通滤波器带来的记忆效应对电压档位的选取较为敏感。AM．PM特性曲线同样展示出弥散效应的减轻，以及向上的弯曲，这说明输入信号较大时，会引起相移。

3.2 时间误差补偿仿真结果

通过仿真，可以得到本文的时间误差误差方法的结果，以双载波WCDMA信号的输出ACPR和EVM来衡量。通过计算输出信号在5MHz＜f＜10MHz的功率和0MHz＜f＜5MHz的功率比值，得到ACPR。计算误差矢量的均方差和信号向量最大幅值的比值得到EVM。通过时间误差补偿，ACPR提高了6--7dB。选取迭代参数K=5，M=10，“=0．003。计算EVM的过程中，每次迭代选取100个采样点，连续迭代的EVM结果。20次迭代之后，MMSE方法和直接求相关的方法，EVM分别为8．8%和11．3%。当最终收敛的时候，EVM近似为5%，这是一个在ET-PA中可以接受的数值。比较显示MMSE方法有着更快的收敛速度，这是因为传统的协方差方法需要同时计算信号支路和包络支路的协方差。

4　结论

本文研究了SET-PA的宏模型，数值分析结果表明包络支路的低通滤波器可以引发无记忆功放的记忆效应。通过比较不同的电压档位，可以看到这种记忆效应对电压档位的改变较为敏感。此外，本文利用基于MMSE自适应时延估计方法对ET-PA的时域不对齐进行了校准。通过比较协方差方法和本文的MMSE方法，仿真结果显示MMSE方法有更快的收敛速度，更好的ACPR表现，更低的EVM，证明这在ET-PA应用中是一种合适的方法。