文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.11.032
中文引用格式： 隆萬洪，吳振川，徐寬茂，等. 包絡(luò)跟蹤芯片應(yīng)用中查找表的分析與確定[J].電子技術(shù)應(yīng)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.
0 引言
目前移動通信終端的性能瓶頸之一是續(xù)航能力，射頻發(fā)射通信電路中的功率放大器（Power Amplifier，PA）功耗大、效率低、發(fā)熱嚴(yán)重[1]，提升其效率有利于加強(qiáng)續(xù)航能力，減輕終端的發(fā)熱。
支持LTE的通信制式的移動終端采用高階調(diào)制方式，能高速傳輸數(shù)據(jù)[2]，但是對信號的質(zhì)量要求較高，需要線性PA，并且信號峰均大，需要使用功率回退方式，線性PA只能在低效率狀態(tài)下工作[3]。
包絡(luò)跟蹤（Envelope Tracking，ET）技術(shù)是一種極有希望提高LTE通信制式下PA效率的方式。而實(shí)現(xiàn)包絡(luò)跟蹤技術(shù)在LTE移動通信終端上的高效應(yīng)用，需要系統(tǒng)提供包絡(luò)參考信號Venv至包絡(luò)跟蹤電源芯片。為了降低系統(tǒng)資源的開銷，包絡(luò)參考信號的生成需要采用查找表，因此查找表的選取是一項(xiàng)至關(guān)重要的工作。本文提出“固定增益法”確定查找表的方法，其占用資源少，線性度惡化少，具有很大的應(yīng)用價值。
1 包絡(luò)跟蹤技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
傳統(tǒng)固定偏置的功率放大器如圖1所示。
從基帶發(fā)出的IQ信號經(jīng)過上變頻變成待放大的射頻信號送入PA，功率放大器的供電由電池提供。使用ET技術(shù)提供偏置的PA如圖2所示[4]。
從基帶發(fā)出的IQ信號將分出一路至包絡(luò)通路，經(jīng)過包絡(luò)生成整形成為包絡(luò)參考信號Venv送入到包絡(luò)跟蹤電源，包絡(luò)跟蹤電源的輸出VCC(t)將跟隨Venv。
PA的效率可由下式近似表達(dá)[5]：
式中，ICC、VCC(t)為PA的偏置電流和電壓，Iout、Vout為PA輸出信號的電流和電壓振幅。當(dāng)PA工作點(diǎn)確定，導(dǎo)通角基本恒定，Iout/ICC比值為常數(shù)[3]，功率放大器的VCC(t)越接近PA輸出信號的Vout，PA的效率就會越大。將包絡(luò)跟蹤電源芯片的輸入輸出看作一個線性函數(shù)，Venv能夠準(zhǔn)確地反映Vout。當(dāng)PA的增益穩(wěn)定時，Vin與Vout線性對應(yīng)，由此，只要Venv能夠準(zhǔn)確地反映Vin的大小，就能夠有效地提升PA的效率。
射頻PA增益的壓縮會帶來非線性產(chǎn)物，其中帶內(nèi)的AM-AM、AM-PM失真會隨著PA的壓縮深度的增加而變大[6]，而帶外的鄰道泄漏比（Adjust Channel Leakage Ratio，ACLR）也是PA非線性的產(chǎn)物，也會隨著PA增益壓縮的深度的增加而惡化。圖3是某型PA的增益和ACLR隨輸入功率變化的曲線，測試信號是中心頻率為1 747.5 MHz、20 MHz、QPSK、100 RB的信號。可以看到，隨著PA增益的壓縮，ACLR逐漸惡化。
2 固定增益法提取查找表
2.1 包絡(luò)跟蹤查找表
從PA的輸入來看，ET系統(tǒng)的核心是滿足偏置電壓VCC與輸入功率Pin的函數(shù)表達(dá)式關(guān)系的查找表：
VCC=f(Pin)
決定這張查找表的參數(shù)的因素主要有PA的增益、增益附加效率(Power Added Efficiency，PAE)，以及ACLR。在實(shí)際應(yīng)用中，可以有多個方法確定查找表。
2.2 固定增益法提取查找表
為了降低系統(tǒng)的復(fù)雜度和硬件的開銷，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從PA的特性曲線入手，提出并采用了固定增益法來確定查找表中的參數(shù)。具體步驟如下：
首先，確定PA的增益。在最大偏置電壓的特性曲線上選取將PA的失真控制在可接受范圍內(nèi)的最大壓縮點(diǎn)，以該點(diǎn)增益為參考增益。以圖4為例，在4.5 V供電電壓條件下，PA能提供的最大增益是29.85 dB，在滿足線性度要求的條件下（ACLR<-35 dBc），功率放大器的增益能夠壓縮到28.7 dB，選取28.7 dB為參考增益。
其次，確定不同偏置電壓下PA的增益等于參考增益的輸入功率值。以28.7 dB為參考增益，畫一條等增益線與其他電壓條件的PA特性曲線相交，這些交點(diǎn)所在的曲線的偏置電壓就是PA所需的偏置電壓，該點(diǎn)的縱坐標(biāo)就是PA的增益，橫坐標(biāo)就是PA對應(yīng)的輸入功率。理論上，如果曲線足夠密集，可以確定出任意輸入功率的查找表。
最后，優(yōu)化查找表。根據(jù)上面的方法確定出來的查找表，需要根據(jù)ACLR和延時的情況進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，以找到ACLR最佳和延時最小的曲線。
根據(jù)上面的方法，確定了一張查找表，見表1。
3 測試數(shù)據(jù)分析
對在某型商用功率放大器及ET電源芯片進(jìn)行了測試，測試系統(tǒng)如圖5所示。
將前文所確定的查找表加載到信號源，由信號源產(chǎn)生射頻信號和包絡(luò)信號進(jìn)行測試。測試采用的RF信號是5 MHz、25RB、QPSK、PAPR=6.48 dB，載頻為1 750 MHz的SC-FDMA的FDD-LTE信號，包絡(luò)信號是前文所確定的查找表生成的包絡(luò)參考信號。在輸出功率為26 dBm的條件下，PA在不同模式下測試數(shù)據(jù)如表2。不同輸出功率下的PA在ET模式測試參數(shù)如表3所示。圖6為PA的偏置電壓測試點(diǎn)的波形圖。
測試結(jié)果表明，使用固定增益法確定的查找表包絡(luò)跟蹤電源，其增益與固定偏置模式相比下降了0.92 dB，ACLR惡化了3.5 dB，但是滿足3GPP標(biāo)準(zhǔn)要求，功率附加效率從28.58%提升到了33.68%。結(jié)果表明，固定增益法確定的查找表是實(shí)用的。
4 總結(jié)
本文主要討論和研究了包絡(luò)跟蹤電源芯片在LTE通信終端中的應(yīng)用，設(shè)計了包絡(luò)跟蹤技術(shù)中用于產(chǎn)生包絡(luò)參考信號的查找表的提取方法，確定了一張查找表。根據(jù)該表對某型功率放大器與包絡(luò)跟蹤電源進(jìn)行測試，使用5 MHz、QPSK信號、載頻為1 750 MHz的FDD-LTE信號，PAPR=6.48 dB，輸出功率26 dBm，使用包絡(luò)跟蹤技術(shù)的功率放大器，功率附加效率達(dá)到33.68%，ACLR達(dá)到-34.14 dBc。相比未使用包絡(luò)跟蹤技術(shù)的功率放大器時，電流節(jié)省了40 mA，功率附加效率提升了5.1%。
參考文獻(xiàn)
[1] KIM J，KIM D，CHO Y，et al.Analysis of envelope-track-ing power amplifier using mathematical modeling[J].Microwave Theory and Techniques，IEEE Transactions on，2014，62(6)：1352-1362.
[2] 張志林.3GPP LTE物理層和空中接口技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)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，薛紅喜.基于包絡(luò)跟蹤技術(shù)的功率放大器設(shè)計方法的研究[J].電路與系統(tǒng)學(xué)報，2010，15(6)：6-10.
[6] HEKKALA A，KOTELBA A，LASANEN M.Compensation oflinear and nonlinear distortions in envelope tracking ampli-fier[C].Personal，Indoor and Mobile Radio Communications，2008.PIMRC 2008.IEEE 19th International Symposium on.IEEE，2008：1-5.