基于PXI平台功率放大器的包络整形技术

杜菲凡, 俞 晖

(1.上海交通大学 电子信息与电气工程学院,上海200240; 2.上海恩艾仪器有限公司 上海 201203)

基于PXI平台功率放大器的包络整形技术

杜菲凡1,2, 俞 晖1

(1.上海交通大学 电子信息与电气工程学院,上海200240; 2.上海恩艾仪器有限公司 上海 201203)

包络跟踪功放与固定电源供电的功放系统不同的是,系统的性能不仅仅与射频输入信号有关,还与包络输入信号有关.将基于PXI平台的同步定时技术进行系统级分析,并讨论固定增益法等不同包络整形技术对于功放效率和线性度等系统性能指标的取舍.另外,还提出了一种新的针对电源调制模块的校准方法.

包络跟踪功放; 包络整形; 固定增益法

0 概 述

对于当代通信系统中高峰均比的信号,包络整形作为一种有效的技术手段可以改善包络跟踪系统中的线性度和效率.与传统固定电源功放不同,包络跟踪技术引入了供电电压随射频输入的瞬时包络变化这一变量,使得功放不再是传统意义上的两端口器件,而是三端口器件.因此功放的输出性能并不仅仅与功放的器件特性(偏置电压、匹配网络等)有关,也与射频输入的瞬时功率、瞬时电压幅值有关[1].

射频输入的瞬时包络信号需要经过电源调制模块放大,不能直接作为功放的电源信号.主要的原因是器件本身存在拐点电压(Knee Voltage)和击穿电压[2].如果供电电压小于拐点电压,则会导致功放无法正常工作,加重系统的非线性失真,因此射频信号的包络需要限幅.

文献[2]总结了包络整形的方法,主要分为两类.第一类为基于归一化射频输入信号的包络和电源调制模块输出间的映射关系.由于拐点电压的存在,其最直观的方法是在不改变包络输入和输出间斜率的基础上,在拐点电压处将电压映射为一个固定的输出.这种方法对信号突然的截断,会造成频谱扩展、线性度等指标相应变差[3].对此,提出一种优化方案,采用二次函数逼近原始映射关系的斜率来解决上述问题.第二类方法采用降低射频信号包络的带宽,是以简化电源模块设计为目的的包络整形,但这种方法以牺牲功放的效率和线性度为代价,因此不做讨论.

但这两类包络整形方法存在一个共同的问题,即电源调制模块无法动态跟踪信号的强弱来调整供电电压.本文作者将在第一节中主要讨论基于测量的固定增益法,在第二节中讨论包络跟踪系统的结构及测量方法,在第三节中对采用不同包络整形方法的功放性能做系统性的分析.

1 包络整形技术原理

1.1 基于公式的包络整形——直接裁剪法和逼近法

当射频包络幅值小于拐点电压时,将包络设置为一个固定的幅值,即为裁剪法(Clip),表达如下:

(1)

在(1)式中,Vcc_min即为包络截断电压,在实际取值时会稍大于拐点电压.Vcc_max则为电源调制模块的最大幅值输出.

为了改善裁剪法直接截断导致的频谱扩展,基于指数函数特性的优化方案用公式表达如下:

(2)

在(2)式中,系数α=Vcc_min/Vcc_max.这种方法相对于裁剪法可以较好地平衡功放的线性度和效率.基于公式的方法好处在于可以快速实现,系统也不复杂,便于系统的初步调试,如图1所示.

图1 基于公式映射的包络整形

1.2 基于测量的包络整形——最优效率提取法和固定增益法(ISO-Gain)

为了改善功放的效率,常见方法是通过测量得到的最优效率曲线来提取输入功率与供电电压之间映射关系,即为查找表法.首先测量不同供电电压下,功放在不同输出功率时的瞬间效率曲线蔟,即可得最优效率曲线,如图2(a)中的点虚线所示.在最优效率情况下,输出功率与供电电压间的映射关系.再通过测量功放在不同供电电压下输出功率与增益之间的映射关系,如图2(b)所示,即可以得到输入功率与供电电压间的对照表,完成查找表的提取.

以输出功率为25 dBm为例.通过图2(a)可得,当输出功率为25 dBm时,最优效率为供电电压为2 V.通过图2(b)可得,当供电电压为2 V,输出功率为25 dBm时,当前的功放增益为25 dB,即输入功率为0 dBm.但观察图2(b)可以发现,这种基于最有效率的查表法会造成功放增益的突变.这种人为造成的增益的不平坦现象与功放的增益压缩现象一致,使得功放的线性度指标变差.因此可以通过在系统中引入数字预失真的方法解决,但也同样增加了系统的复杂度.

图2 基于不同供电电压的输出功率与效率间的映射关系(a)和功放输出信号幅度与输入信号增益(AM-Gain)曲线蔟(b)

因此,为了改善增益突变带来的额外非线性失真,本研究通过测量功放的瞬时AM-Gain曲线簇,采用基于恒定增益的方法,提取供电电压与对应的射频输入功率之间的映射关系形成查找表.该固定增益法与基于最优效率曲线的提取相比,仅有1%～2%的效率损失[1].另外,包络信号的高带宽使得测量最优效率曲线时的瞬时电压和电流的难度增大,而在给定供电电压情况下测量AM-AM曲线相对容易,且基于PXI的测试平台有定时和同步的优势,在实际操作上更为方便.本文作者将在第二节具体说明基于PXI平台的测量方法.

1.3 对电源调制链路的校准

射频信号的包络经过电源调制模块的放大之后即为功放的电源信号,因此从系统角度上,可视该模块为一个黑盒模型,其输入输出间的关系可以用式表达:

(3)

(3)式中V′env_shaped(t)为电源调制模块的输入信号,g和o分别是该模块的增益和偏置.对于多模多频的功放,需要支持不同峰均比和带宽要求的信号.但这对于电源调制模块来说,放大同时带有直流分量和高频分量的包络信号,如何保证带内幅度平坦是个重要的问题.当带内不平导致在标定模块的增益和偏置时,输入直流信号和高频正弦信号后会出现输出的幅值放大倍数不一的情况.另外,还会影响到功放的输出功率小于预期,输出信号畸变,从而加重系统的非线性失真等一系列问题.

图3 预均衡器与电源调制模块幅度谱

因此在本研究中采用预均衡滤波器的方法来解决模块带内不平的问题,以便精确测量并提取模型的参数.采用单频信号扫频的方法提取模块的幅度谱,如图3所示.

本研究中电源调制模块的有效带宽为20 MHz,带内的幅度有较大的抖动,因此针对有效带宽内的幅度不平,采用线性相位的FIR滤波器来设计预均衡滤波器,该滤波器的响应为模块的系统响应取逆,

(4)

采用频率采样法提取滤波器的系数[4],基于LabVIEW得到的滤波器的幅度谱如图3所示,本文作者将在第三节对该预均衡带来的性能提升做详细分析.

2 包络跟踪系统实现和系统测量方法

2.1 包络跟踪系统结构

图4 包络跟踪系统框图

包络跟踪功放的系统框图如图5所示,可以将整个系统分为射频前向链路和电源调制链路.在本研究中,系统基于LabVIEW开发环境,在PXI硬件平台上搭建整个系统.其中射频前向链路,即从基带到射频输出采用PXIe-5646R射频收发仪的发射部分实现,电源调制链路中包络整形后的信号输出采用PXIe-5451任意波形信号源实现.两块板卡通过PXI总线的定时触发功能完成同步触发的系统要求.

2.2 基于PXI平台的固定增益包络整形实现

AM-Gain曲线簇的实现主要分为3种,第一种采用功率扫描(Sweep DC)的测试方法,但是这种方法的测试精度不够,且容易引发器件的热效应导致测量结果不准确.第二种优化方法使用电源调制模块,采用单音脉冲信号作为测试信号.第三种采用动态供电调制模块替代系统中的电源调制芯片,对设备要求较高,在较高的更新速率下需要高达60 MHz以上的带宽,不具有可行性[1].

本研究采用第二种方法,即采用单音脉冲信号作为测试的基本方法.基于PXI平台采用射频单音脉冲信号与脉冲供电电压同步触发的方式测量瞬时AM-Gain曲线簇.每一次的循环保持电源调制模块的输入电平不变,射频的输入逐渐增大.如图5所示,在该测试流程中,每一次的循环与下一次的循环间直流电平逐渐增大.

图5 瞬时AM-Gain曲线蔟测量方法示意图

得到瞬时AM-Gain曲线簇后,需要根据曲线蔟选取适合的增益值作为固定增益.由于包络跟踪旨在提升系统的效率,功放需要工作在饱和区.如果该固定增益的取值过大,会使得效率的优化程度降低.需要根据测量得到的曲线调整固定增益的取值,本文将在第三节对固定增益的选取做详细分析.

3 测量数据分析

3.1 系统实现

本节采用上一节中提到的基于PXI总线的包络跟踪系统完成实测数据的收集并做分析.评估板上的器件包括电源调制模块和SKY77621-11多模多频的终端功放.该测试系统包括了评估板所需的两路电源PXIe-4154,射频收发仪PXIe-5646R和任意信号发生器PXIe-5451以及校准电源调制模块需要的示波器PXIe-5186,如图6所示.

图6 基于PXI平台的包络跟踪系统

3.2 电源调制链路性能分析

使用任意波形发生器和示波器校准电源调制模块的带内不平问题,根据(2)式的包络整形方法,使用5 MHz带宽峰均比为8.9 dB的LTE信号,使用示波器采集包括和不包括预均衡器的两种时域波形进行对比,如图7所示.

从时域图7和结果对照可以发现,较高的供电电压会提供更多的增益空间,但以牺牲效率为代价;同样,较低的电源电压以牺牲增益为代价,提供更高的效率.因此如何在效率和增益之间平衡,为预期包络输出与包络测量值的对比,结合图7中的标号可以有以下结论:

1)由于未加入滤波器时峰值信号衰减,因此在链路中添加预均衡器后,信号的峰值部分和预期包络相吻合,功放的增益在输出为25 dBm时有0.4 dB左右的提升,同时附加增益效率(PAE)则有1.5%的损耗,但随着功放输出功率的提升,PAE并没有随着变化,在输出为26 dBm时,增益有0.5 dB的提升,但PAE基本没有区别;

2)对于小信号部分,经过滤波器之后幅值相对预期偏大,即意味着相对未加入滤波器时,系统的功耗可能会相对上升,但是同时会对系统的线性度有一定的改善,在功放输出为23 dBm,PAE下降1%时,ACLR有1 dB左右的提升.

3)在幅度下限的部分,可以发现添加预均衡器后幅值上升,结合第二点可以得出添加预均衡器之后,系统的整体功耗会上抬.

图7 5 MHz带宽的LTE(16QAM,8.9 dB PAPR)信号包络测量时域图和功放分析图(分析图中虚线为链路中不包括预均衡器的结果,实线为包括均衡器链路的结果;左边为增益曲线坐标,右边为领道功率泄漏比(ACLR)曲线坐标)

3.3 固定增益法中固定增益的提取

根据图5提供的测量方法得到的AM-Gain曲线蔟,如图8所示,可以提取在固定的功放增益下不同输入信号与供电电压间的映射关系.以固定增益为28 dB为例,如图中红色方形点表示,则其输入功率范围为-12.4～-5 dBm.如果输入功率低于该范围,则供电电压维持最小值1 V;反之超出该范围,则供电电压维持最大值4.5 V.因此如果取固定增益为27.5 dB,如图中绿色方形点表示,则其输入功率为-10.9～-3.8 dBm.以射频输入信号-4 dBm为例,与固定增益28 dB相比,供电电压较小,则系统的效率相对增加.

图8 基于PXI平台测量的AM-Gain曲线簇,其中黄线为不同供电电压对应不同输入功率的功放增益变化曲线,从左到右为供电电压从1 V到4.5 V递增.

但需要注意的是,该测量方法采用的是单音信号,与测试中所采用的调制信号不同,由于LTE的峰均比在7 dB左右,因此该固定增益与测得的实际功放增益会有一定差异.通过图9(a)可知,当实际输出平均功率为25 dBm时,采用固定增益28 dB和27.5 dB两种提取策略测得的实际功放增益均为29 dBm左右,但采用固定增益27.5 dB的提取策略,实际测得的电流减小约100 mA.

图9 不同包络整形方法在不同输出功率下的电流与增益曲线(a)及输出为5MLTE射频信号的ACLR(b)(图标中”DT”为基于(2)式的包络整形;“IG”为固定增益法,例:IG27.5则为固定增益取值为27.5 dB;其中虚线表示各类情况下的增益,实线则表示在不同输出功率下的电流)

但对于LTE信号而言,实际输出的峰值功率在28～29 dBm,即意味着射频输入的峰值功率在0 dBm左右.若采用固定增益为27.5 dB的提取策略,对于-3.8 dBm以上的部分,供电电压为最大值,根据图8可知,会出现增益压缩的现象,随着输入功率的增加,增益逐渐减小,导致功放的非线性增加,如图9(b)所示.由于固定增益为27 dB的输入上限比固定增益为27.5 dB的高,因此相比线性度的指标优化约0.6 dB.但功放的增益相比减小了0.3 dB,输入功率相对增加,但由于电流相对减少,功率附加效率(PAE)并没有太多变化.因此,对于该终端功放模块,额定输出为25 dBm时,可以选择27 dB的固定增益作为查表法的提取策略.

但额定输出如果为23 dBm,选择27.5 dB作为固定增益,与固定增益为27 dB相比,PAE有约1%的改善,ACP也有约1 dB的改善,因此固定增益法中固定增益的选择需要根据输入信号的类型,以及输出信号的大小进行调整.

3.4 不同包络整形技术的比较

观察图9(b)可以发现,基于式(2)的算法与固定增益为27 dB相比,当功放工作在饱和区域,即平均输出功率为25 dBm时,功放的线性度指标相差2 dB.观察图9(a)中采用式(2)的包络整形算法的平均增益曲线,功放在饱和区出现压缩约0.5 dB,而采用固定增益为27 dB的增益曲线则相对平坦,原因是固定增益法牺牲小信号增益来优化功放的增益平坦度,即优化在大功率区域的线性度.这意味着在一定条件下功放系统可以减少由于数字预失真带来的算法实现难题,降低系统开发的复杂度.

但从系统实现的角度来说,固定增益法相比基于算法的包络整形需要多做一步查找表提取的步骤,对于额定输出功率较小的功放而言,采用基于算式的包络整形技术是比较适合的.

4 结 论

本文作者提出的对电源调制模块的预均衡校准方案可以有效提升功放的增益和线性度;同时基于PXI平台在同步定时方面的优势,提出了具有可行性且便捷的测量方案.对不同的包络整形技术对ETPA的性能优化情况进行分析,相较于基于测试的固定增益法,基于算式的提取方法更易实现,但是在优化系统指标时,不如基于测试的方法有针对性;另外固定增益法需要根据系统需求,在功放的线性度和效率两者间权衡,选择合适的固定增益值.

[1] Hendy J,Software defined power amplifiers using envelope tracking [J/OL].[2014-10-11].http://www.radio-electronics.com/articles/rf-topics/software-defined-power-amplifiers-using-envelope-126

[2] Kim B,Kim J,et al.Push the Envelope:Design concepts for envelope-tracking power amplifiers [J].IEEE Microwave Magazine,2013.14(3):68-81.

[3] Wang Z.Envelope tracking power amplifiers for wireless communications [M].Boston:Artech House,2014.

[4] 刘顺兰,吴杰.数字信号处理 [M].2版.西安:西安电子科技大学出版社,2009.

(责任编辑：包震宇,郁 慧)

Envelope shaping technology for power amplifier based on PXI platform

Du Feifan1,2, Yu Hui1

(1.School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China;2.National Instruments,Shanghai 201203,China)

The difference between Envelope Tracking power amplifier (ETPA) and normal PA is the performance of system which is not only related to the Radio Frequency (RF) input signal,but also related to the envelope signal.In order to deeply analysis the system,based on PXI platform,the synchronization and timing technology,different envelope shaping technologies,including ISO-Gain method will be discussed in the paper,which will lead to different trade-off between gain,linearity and efficiency.And a new correction method for power modulator will be discussed.

envelope tracking power amplifier; envelope shaping; ISO-Gain

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2017.01.020

2016-12-12

国家科技重大专项“TD-LTE/FDD-LTE/TD-SCDMA/WCDMA/GSM多模基带商用芯片研发” (2013ZX 03001007-004)

杜菲凡(1991-),女,硕士研究生,主要从事信号处理,数字预失真方面的研究.E-mail:feifan.du@ni.com

导师简介: 俞 晖(1969-),男,高级工程师,主要从事无线通信方面的研究.E-mail:yuhui@stju.edu.cn(通信联系人)

TN 929.5

A

1000-5137(2017)01-0117-07