文獻標識碼: 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. 包絡跟蹤芯片應用中查找表的分析與確定[J].電子技術應用,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航能力,射頻發射通信電路中的功率放大器(Power Amplifier,PA)功耗大、效率低、發熱嚴重[1],提升其效率有利于加強續航能力,減輕終端的發熱。
支持LTE的通信制式的移動終端采用高階調制方式,能高速傳輸數據[2],但是對信號的質量要求較高,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只能在低效率狀態下工作[3]。
包絡跟蹤(Envelope Tracking,ET)技術是一種極有希望提高LTE通信制式下PA效率的方式。而實現包絡跟蹤技術在LTE移動通信終端上的高效應用,需要系統提供包絡參考信號Venv至包絡跟蹤電源芯片。為了降低系統資源的開銷,包絡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至關重要的工作。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,具有很大的應用價值。
1 包絡跟蹤技術的實現
傳統固定偏置的功率放大器如圖1所示。
從基帶發出的IQ信號經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技術提供偏置的PA如圖2所示[4]。
從基帶發出的IQ信號將分出一路至包絡通路,經過包絡生成整形成為包絡參考信號Venv送入到包絡跟蹤電源,包絡跟蹤電源的輸出VCC(t)將跟隨Venv。
PA的效率可由下式近似表達[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PA工作點確定,導通角基本恒定,Iout/ICC比值為常數[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。將包絡跟蹤電源芯片的輸入輸出看作一個線性函數,Venv能夠準確地反映Vout。當PA的增益穩定時,Vin與Vout線性對應,由此,只要Venv能夠準確地反映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物,其中帶內的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 包絡跟蹤查找表
從PA的輸入來看,ET系統的核心是滿足偏置電壓VCC與輸入功率Pin的函數表達式關系的查找表:
VCC=f(Pin)
決定這張查找表的參數的因素主要有PA的增益、增益附加效率(Power Added Efficiency,PAE),以及ACLR。在實際應用中,可以有多個方法確定查找表。
2.2 固定增益法提取查找表
為了降低系統的復雜度和硬件的開銷,提高系統的穩定性,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。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的最大壓縮點,以該點增益為參考增益。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,這些交點所在的曲線的偏置電壓就是PA所需的偏置電壓,該點的縱坐標就是PA的增益,橫坐標就是PA對應的輸入功率。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,優化查找表。根據上面的方法確定出來的查找表,需要根據ACLR和延時的情況進行進一步的優化,以找到ACLR最佳和延時最小的曲線。
根據上面的方法,確定了一張查找表,見表1。
3 測試數據分析
對在某型商用功率放大器及ET電源芯片進行了測試,測試系統如圖5所示。
將前文所確定的查找表加載到信號源,由信號源產生射頻信號和包絡信號進行測試。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,包絡信號是前文所確定的查找表生成的包絡參考信號。在輸出功率為26 dBm的條件下,PA在不同模式下測試數據如表2。不同輸出功率下的PA在ET模式測試參數如表3所示。圖6為PA的偏置電壓測試點的波形圖。
測試結果表明,使用固定增益法確定的查找表包絡跟蹤電源,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標準要求,功率附加效率從28.58%提升到了33.68%。結果表明,固定增益法確定的查找表是實用的。
4 總結
本文主要討論和研究了包絡跟蹤電源芯片在LTE通信終端中的應用,設計了包絡跟蹤技術中用于產生包絡參考信號的查找表的提取方法,確定了一張查找表。根據該表對某型功率放大器與包絡跟蹤電源進行測試,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,使用包絡跟蹤技術的功率放大器,功率附加效率達到33.68%,ACLR達到-34.14 dBc。相比未使用包絡跟蹤技術的功率放大器時,電流節省了40 mA,功率附加效率提升了5.1%。
參考文獻
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