包络跟踪技术在移动终端射频功放中的应用与实现

马洪岩

（上海大学通信与信息工程学院，上海 200444）

包络跟踪技术在移动终端射频功放中的应用与实现

马洪岩

（上海大学通信与信息工程学院，上海 200444）

随着通信系统数据量不断增大，通信系统的峰均比不断增大。功率放大器是终端中耗电量最高的器件之一。包络跟踪可以根据功率放大器输入信号的包络动态实时地调整电源电压，高功率供高电压，低功率供低电压，从而改进功率放大器的效率问题。相对其它技术，包络跟踪技术具有线性度高、效率提高可控、动态范围较宽、易于实现等优点，适用于峰均比高的系统，应用前景广阔。

射频；功率放大器；包络跟踪；功耗

1 引言

随着通信系统的不断发展，数据量的不断增加，对信息速率要求日益增大。为了应对人们对信息量需求的不断增长，通信系统也得到了飞速发展。经历了2G的GSM语音为主，3G数据量明显增大，再到目前普及的4G LTE-A，以及正在探索的5G新技术，新的无线技术带来传输速度飞速增长的同时，也带来了很多问题。

在有限的频谱资源下，要想达到如此高的传输速率，就要提高频谱利用率或者使用更大的带宽，两种技术都会增大传输信号的峰均比。例如，3G信号WCDMA单载波原始信号的峰均比为10.2dB，4G LTE-A以及5G技术有更高的峰均比，这样就要求射频功率放大器有更高的线性度。由于移动终端耗电主要来源于功率方向大器，所以功率放大器的效率提高也很关键。

但是线性度和效率是两个重要且矛盾的设计指标，为了提高功放的效率，需要功放提高输出功率，进入饱和区，然而这样做通常会导致严重的带内失真、带外频谱的泄漏等非线性结果，从而降低功放工作性能，影响信号的质量。而若保证功放的线性度，则要求功放工作在线性区，其结果就是功放的效率低，同时可能导致发热、系统稳定性等问题。目前，包络跟踪结构与数字预失真技术都是能有效提高功放线性化的手段[1]。本文主要研究了包络跟踪技术在移动终端射频功放中的应用及对其性能进行分析。

2 ET原理

包络跟踪技术（ET）是一种较新的改善功率放大器效率的技术，其属于动态电源调制技术。其通过包络放大器对信号包络进行跟踪放大，并提供给功放供电。这样功放就能够一直处于压缩临界区，从而使得其在整个功率范围内的平均效率能够提升。包络跟踪技术有很多优点，效率提高可控、动态范围宽、容易集成等，适用于高峰均比的系统，这使得包络跟踪技术成为目前提高功放效率最为有效的方法之一[2]。

图1 ET框图

3 ET电路设计

本设计采用高通最新的方案：射频收发器SDR660，射频功率放大器QPA5461，SP16T开关QSW8574，电源管理芯片QET4100，该 方 案 支 持 频 率 范 围 0.698～2.69GHz，包 括GSMQband，CMDABC0，UMTSB1/2/4/5/8，LTEB1/2/3/4/5/78/1/17/2026/34/38/39/40/41，设计时要充分考虑链路预算，保证足够的功率余量，接收灵敏度余量，以及电路频段之间的互相干扰机制，电路拓扑图如图2[4]。

ET电路的发射链路，基带信号从Modem出来，通过QLINK到射频收发器SDR660上变频调制成射频信号，然后经过射频功率放大器QPA5461放大成大功率射频信号到天线。接收链路则相反，基站信号通过天线再到接收滤波器，再到射频收发器SDR660下变频到基带芯片。

还有一路是PA电源管理电路，对ET技术而言，从调制解调器和包络检测器得到的包络信号必须被放大，并作为电压供电给PA的漏极。包络信号的带宽一般是调制信号带宽的几倍大，所以电源调制器必须有一比包络信号带宽还要大的工作带宽，并在整个带宽内具有高效率。

4 ET校准原理

校准是每种设计每个设备都要做的，以达到设备正常工作的目的，补偿非线性特性，提供绝对的功率参考；补偿频率的变化；提供温度补偿；进行最大功率限定；确保接收机和发射机通路的射频性能。完成校准后把结果存到NV内存中，然后信令测试或者实网应用时会调用校准NV。

由于手机上行发射的测量报告包括了网络内所有用户在所有时段通话时在其所在位置的各个小区间信号强度情况，通过收集和分析这些测量报告，我们就能够得到网络内所有小区之间的信号干扰情况[5]。

图2 ET电路拓扑图

图3 ET系统校准流程图

（1）APT Tx Linearizer Sweep

APT线性sweep分两步，一是full bias的sweep，二是调用APT char的sweep。full bias的TxAGC、VCC、ICQ都是调用QSC_Params里的参数，得到在full bias下RGI对应的功率值。

而APT sweep是调用APT char进行的sweep，通过功率查APT char的表，调用相应的bias，再测出功率，最后存到NV里，在online时会调用。

结果会存在 RFNV_LTE_〈band〉_TX_MULTI_LIN_V3_DATA_I里，用高通工具QRCT可以打开校准后的QCN，找到NV_MULTI_LIN，wave_type∶1代表xPT sweep，其中pa_state∶1是APT，pa_state∶2是ET，wave_type∶3代表full bias sweep。

（2）RGI DELTAMeasurements for ET

Delta sweep的目的是计算出两个RGI的功率差，方法是让PA工作在线性区，校准时使用低IQ gain，需要调用QSC_Params里 BiasList里最大的电压 3300，IQC=32639，RGI sweep从42到60测试出此时PA的输出功率存到NV_MULTI_LIN的RFNV_DATA_TX_LIN_TYPE_RSB里，pa_state=2 ，wave_type=3。

（3）Alignment Sweep

调用QSC_Params里的四组RGI/bias，RGI要求足够大可以达到M-line的n-dB压缩点，然后调用AMAM/AMPM table，Firmware绘制出四组RGI/bias的Vin/Vout曲线。

图4 Alignment Sweep

（4）xPT Sweep 2

DPD将在sweep2生成，利用四组RGI/bias做IQ capture，Firmware将根据Exp_Pwrs期望功率重新选取RGI/bias，调用detrough table，找到Alignment sweep曲线里的n-dB压缩点，M-Line就是m-points建立的（Vin，Vout，VCC）直线，每个RGI在M-Line上都有对应的点，M-Line的斜率会存到RFNV_DATA_TYPE_XPT_MLINE_RES_TYPE里，实网时会调用[6]。

（5）M-Line Power Measurements

调用 ET AMAM/AMPM和Sweep2的（detrough，VCC，RGI）测量ET的线性功率，这时会加入生成的DPD，测试出四组功率值，可以看到LTE B1的线性功率可以到达24.7dBm，可以满足tx power的要求，一般在LTE满RB的情况下，功率为22dBm，这时会调用最大的功率值对应的RGI/VCC，如果某些频率点的功率达不到22dBm，可以通过调整校准的期望功率来达到目的。

5 ET的无源和有源调试

对于RF电路来说，一般阻抗控制是在50ohm的低阻抗，因为根据P=U2/R，低阻抗可以保证有较高的输出功率，而射频电路就是要有较高的输出功率。

包络跟踪的射频电路对于功率放大器的负载更加敏感，所以调试时要分级把每一部分的电路调试到50ohm。以LTE B1/B3调试为例，本设计采用QPA5461，四工器采用B39212M5001D310，天线开关采用SP14T QSW8574。

调试分三部分，Step1是从四工器公共端作为1端口到射频连接器端口2的S参数，要把这段的S11/S22调到50ohm阻抗，此时的插损最小[7]。

Step2是从四工器的TX端口作为1端口到射频连接器端口2的S参数，此时带上四工器目的是把S11的圈调到最小，通过调试四公器输出端并联到地的电感来调节S11的收敛程度，实际中要对应四工器的datasheet推荐值附近做尝试，保证最好的收敛性，这样在有源测试射频性能时各频率点的性能不会相差太多。

Step3是从PA输出端端口作为1端口到射频连接器端口2的S参数，前面Step2调试完收敛后，这里是通过调试PA输出的匹配到位置调到50ohm。

图5 端口调试位置图

图6 PA输出端到天线端口

有源调试是指带电源的产品的调试（带低噪声放大器的双工器、低噪声放大器），有源调试首先是建立在无源调试基础上的，主要就是加了有源部分，有源调试主要是利用测试工具和综测仪（CMW500或者MT8821）做RF性能测试。

本设计采用高通平台，所以调试时可用QRCT发射频出调试的band的TX，可以通过综测仪看到TX的性能，然后根据性能再优化匹配或者校准参数，比方说压缩点，电压值，detrough table，还可以根据情况调试delay值，可以达到比较好的射频性能。

6 ET的电源包络分析

图7 ET电源管理包络图

在做包络跟踪校准时会调用PA_Params的〈MLineMax-PaSupplyEt_table MLineMaxPaSupplyEt="4.2"/〉， 〈EtV-min_table EtVmin="1.4"/〉，这两个电压是ET包络的最大电压和电小电压，校准后会重新生成四组RGI,VCC，PWR值，会存到NV里，然后信令会调用比期望功率大的一个功率对应的RGI，比方说期望功率想要发22dBm的功率，就会查找NV里比22dBm大的功率，如23dBm对应的RGI及VCC，然后通过IQ gain及ENV scale去回退，达到最后想要发的功率。图7是ET在TX发送最大功率时的功率放大器电源管理芯片的包络图形，从图中可以看到包络的最大电平和最小电平和预先设置好的校准参数是对应的。

7 ET的效率分析

本小节将从功率放大器效率及信号质量两个角度来介绍性能衡量指标。

由于本论文主要是研究高效率放大器对LTE终端的影响，所以我们首先关注的还是放大器的效率。

根据能量守恒定律，直流电源提供给功放电路的总功率，一部分转化为交变的信号输出了，另一部分则消耗在功率放大器的各路电路元件上，因此，PA效率为输出功率与总供电能量的比值。

图8 ET/APT/FullBias下PA的耗电（左）及PA的效率（右）

如图8所示在同一项目同一射频匹配相同电源电压条件下的，分别在Full bias mode，APT mode及ET mode下不同功率耗电的曲线。

图ET/APT/FullBias下PA的耗电（左）及PA的效率（右）的测试结果，横轴是输出功率，纵轴是PAE。固定偏置表示没有使用ET时，固定偏置情况下的测试，另外两条曲线则表示使用ET和APT模式下的效率测试结果。可以看出瞬时PAE值随输出功率增加而增大，使用ET后，PAE有了显著的提升。TDD系统的整体PAE比FDD要高，这是由于TDD输出功率较高，效率更接近于最佳效率，但FDD系统使用ET后，PAE提升的比例更大。

考量信号线性度的指标是邻信道抑制比，本测试的目的是为了验证终端的发射功率不会干扰到相邻信道。这种干扰的计算是通过邻信道泄漏功率的比率来衡量的。邻信道泄漏比有两种要求，一种是LTE载波功率泄漏到临近LTE载波的场景，另外一种是LTE载波功率泄漏到临近WCDMA载波的场景，当终端以最大功率在E-UTRA载波发射的时候，我们会使用方波滤波器来计算泄漏到临近LTE载波的功率，并且我们会使用3dB带宽为3.84MHz的根升余弦滤波器(RRC Filter)来计算泄漏到临近WCDMA载波的功率。

LTE B1在5M/10M/20M下，测试包括调制方式QPSK/16QAM，在Full RB和Partial RB下的RF性能，从前面标准看E-UTRA最差-38.4dBc，标准是-29.2dBc，有9dB的余量，一般要求7dB的余量就可以，可以看出在ET模式下，ACLR的性能并没有恶化，可以保证足够的余量。

最后我们通过误差矢量幅度（EVM，Error Vector Magnitude）对功放的线性性能进行衡量。根据3GPP协议的定义可知，误差矢量指经过均衡之后的实测符号与理想符号之间的差值，用于衡量终端发射的有用信号的质量。EVM则定义为平均误差矢量功率和平均参考信号功率比值的均方根，用百分比表示。EVM一般是从星座图中提取到的。在星座图中，误差矢量是指在给定时间实测的发射信号和理想的参考发射信号的矢量差。由于它反映的是调制质量，所以它表征了非线性对调制信号带内的失真影响。

本测试用例包含了对PUSCH,PUCCH和PRACH这三种信号的EVM测量要求，本测试的目的为了验证PUSCH信号在QPSK和16QAM两种调制方式下，部分RB和满RB配置下的发射信号质量。本测试同样测量了PUCCH信号和PRACH信号的信号质量。

表1 EVM测量结果

为了验证ET引入后对TDD双工模式下的作用，下面我们分别从功率附加效率、PA能耗以及EVM这三个角度来测试分析TDD系统使用ET后的性能，并引入FDD进行对比。

对于QPSK和BPSK两种调制方式，PUSCH的EVM和EVM DMRS不应超过17.5%，对于16QAM调制方式，PUSCH的EVM不应超过12.5%。PUCCH信道的EVM不应超过17.5%，PRACH信道的EVM不应超过17.5%。

8 结论

ET相对于固定偏置和APT模式，效率分别提高30%和20%，而不影响TX信号质量，TDD系统的整体PAE比FDD要高，这是由于TDD输出功率较高，效率更接近于最佳效率，但FDD系统使用ET后，PAE提升的比例更大。

[1]K．Ildu，W．Youngyun，K．Jangheon，et al．High-Efficiency Hybrid EER Transmitter Using Optimized Power Amplifier[J]．Microwave Theory and Techniques，IEEE Transactions on，2008，56(11)：2582-2593．

[2]K． Bathich，A． Z． Markos，G． Boeck． A wideband GaN Doherty amplifier with 35%fractional bandwidth[C]．Microwave Conference(EuMC)，2010 European．IEEE Conference Publications，2010，1006-1009．

[3]E．Khansalee，N．Puangngernmak，S．Chalermwisutkul．A high efficiency VHF GaN HEMT class E power amplifier for public and homeland security applications[C]，Microwave Conference Proceedings(APMC)，2010 Asia-Pacific．IEEE Conference Publications，2010，437-440．

[4]樊昌信．通信原理[M]．北京：国防工业出版社，2008．

[5]F．Habier，F．Ellinger，J．Carls．Analysis of Buck-Converters for Efficiency Enhancements in Power Amplifiers for Wireless Communication[C]，Microwave and Optoelectronics Conference，2007．IMOC 2007．SBMO/IEEE MTT-S International，2007，616-620．

[6]S．Shinjo，H．Youngpyo，H．Gheidi．High Speed，High Analog Bandwidth Buck Converter Using GaN HEMTs for Envelope Tracking Power Amplifier Applications[C]，Wireless Sensors and Sensor Networks(WiSNet)，2013 IEEE Topical Conference on，2013，13-15．

[7]毕查德·拉扎维．射频微电子[M]．北京：机械工业出版社，2011．

TheApplication and Realization of Envelope Tracking Technology in RF PowerAmplifier

Ma Hongyan
(Shanghai University,ShangHai 200444)

As the data volume of communication system increases,the peak ratio of communication system increases continually.Power amplifier is one of the most power-consumption devices in the terminal.Envelope Tracking can dynamically adjust the supply voltage in real time according to the envelope of input signal of power amplifier,improving the efficiency of power amplifier.Compared with other technologies,Envelope Tracking technology has high linearity,high efficiency,wide dynamic range.It is easy for implementation,and is suitable for systems with high PAPR.Therefore,it has broad prospect in application.

RF power amplifier;Envelope Tracking;power consumption

TN722.75

A

1008-6609(2017)10-0038-06

马洪岩（1986-），男，黑龙江望奎人，本科，研究方向为无线通信。