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包络跟踪的测试技术方法与基础原理详解

发表时间:2021/2/4 16:01:52  来源:RF技术社区  浏览次数:1755  
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过去,手机可以待机数天而无需充电。在手机电池技术不断创新的同时,一些新的要求(例如更多的内部无线电设备,例如更多的内部RF传输,更大和更高分辨率的显示器)导致电池电量消耗比以往更快。因此,随着新技术继续应用于移动电话,工程师必须继续开发新方法以降低功耗。

现在,越来越多地采用包络跟踪技术来优化射频(PA)功率放大器的附加功率效率(PAE),而射频PA射频功率放大器是电池功耗的主要来源之一。本文介绍如何使用RF PA功率放大器数据来实现ET包络跟踪以确定关键包络跟踪参数。工程师基于这些参数,对测量系统进行基础分析。

1、为什么选择包络跟踪技术?

当输出功率达到峰值时,即发生增益压缩时,功率放大器将达到最大工作效率。对于典型的W-CDMA/HSPA +/LTE标准,当设备以全功率输出运行时,效率可以高达50。但是,由于诸如W-CDMA和LTE的现代通信标准使用越来越高的峰均比(PAPR)调制信号,因此效率将大大降低。而且,由于放大器的幅度响应在压缩区域中变得高度非线性,因此,由于峰均比,输出功率通常不能达到峰值。对于LTE波形,峰均比可能高达7或8 dB,从而使功率放大器以远低于最佳功率设置的平均输出功率运行。

尽管可以使用多种技术来提高功率放大器的总功率效率,但以数字预失真(DPD)技术为例,包络跟踪技术迅速引起了功率放大器制造商的关注。实际上,在过去的十年中,基站一直在使用包络跟踪技术,该技术不仅提高效率,而且由于能量转化为热量而降低了冷却要求。

2、包络跟踪技术的原理

包络跟踪技术的原理是使放大器尽可能在压缩区工作。该技术基于以下事实:功率放大器的最大效率点和最大输出功率点都会随电源电压(Vcc)的变化而变化。图1显示了不同电源电压比值下的总功率效率和功率输出的函数。我们可以看到,最大效率输出功率随电源电压的增加而增加。

包络跟踪技术的基本思想是找出瞬时输出功率映射与最佳电源电压值之间的对应关系,从而使放大器尽可能长时间地处于临界压缩区。理论上,绿线显示在使用包络跟踪技术在该特定放大器上获得的PAE如图1中。从图中可以看出,有效PAE远高于使用固定电源电压获得的PAE。基于此数据,我们可以创建一个查找表(LUT),以在优化PAE时将输出功率与电源的电压值相关联(参见图2)。请注意,当电源电压为1 V时有一个下限。稍后我们将介绍该下限对带宽的影响。尽管从理论上说,通过调节电源电压信号来最大化PAE是一个好主意,但实际上很难实现。当电源电压作为输出功率的函数连续变化时,放大器的增益也将显着变化,从而导致更大的AM-AM失真。可以通过使用较小范围的电源电压电平来减弱这种影响,这要求设计人员在PAE和AM-AM失真之间做出折衷。可以使用DPD(数字预失真)算法校正基带RF波形,以校正由包络跟踪引起的失真。

图1所示的PAE值基于连续波信号。基于这些附加效率值和特定波形输出功率的概率密度函数(PDF),可以估算出调制信号的预期PAE,如公式1所示:

图3显示了测试用例1中W-CDMA波形的概率密度函数。该波形的平均RF功率为0 dBm,可以在该公式中使用。通过将波形转换为特定的平均输出功率,我们可以基于该特定的调制信号来估计放大器的效率。

该算法将PAE视为随机变量,并假定PAE和Pout的测量值之间的关系是静态的,即,该关系不会随时间变化。尽管我们可以根据图3中的计算获得更精确的PAE近似值,但实际上,由于放大器的存储效应和温度引起的增益变化,PAE会随时间而略有变化。图4显示了在固定电源Vcc下测试案例1的W-CDMA调制波形的测量和计算出的PAE值,以及在包络跟踪状态下的预期PAE(假设电源的稳压器处于理想状态)。我们注意到,预期的PAE曲线非常接近测量曲线,并且仅在功率输出较高时才开始漂移。该偏差可能是由于功率放大器的记忆效应引起的。将理想包络跟踪电源下的预期PAE(绿色曲线)与固定Vcc下的测试值(蓝色曲线)进行比较,我们发现在理论上,前者的值可以达到后者的值的两倍。

尽管包络跟踪可以大大提高效率,但我们必须意识到,在包络跟踪功率放大器的设计中需要进行很多取舍。实际上,某个参数的优化需要权衡系统中的其他参数。因此,为给定的功率输出选择最佳的Vcc电平是一个设计过程,需要反复迭代,并且您必须能够快速做出可靠的测试设计决策。

3、包络跟踪测试挑战

信封跟踪测试使已经很复杂的系统变得更加复杂。为了使功率放大器成功执行包络跟踪计划,必须将RF基带波形和电源电压紧密同步。如如图5所示,典型的包络跟踪测试系统包括射频信号发生器和分析仪,用于控制功率放大器的高速数字波形发生器以及用于为放大器供电的电源。

4、电源

包络跟踪测试面临的主要挑战是电源波形的高带宽要求。包络波形的带宽要求通常远高于RF波形的要求。为了分析这种现象,我们以图2所示的电压输出功率曲线和带宽为10MHz的LTE信号为例。图6显示了优化PAE时LTE信号的Vcc波形和相应的功率时间曲线。频谱分析表明,Vcc波形的带宽至少是RF波形带宽的三倍。高带宽要求是由两个因素引起的:一是Vcc是RF功率的函数;二是Vcc是RF功率的函数。另一个是LUT的下限(显示在如图2上)会导致削波失真。

实际上,对于20 MHz的LTE波形,Vcc波形必须具有至少60 MHz的带宽。如图7显示——。同样,当发生宽带数字预失真时,Vcc波形所需的带宽通常高达实际RF信号带宽的5倍。正如我们将在下面介绍的那样,任意波形发生器(AWG)不仅需要宽带宽,而且还需要高时间分辨率。

关于电源电压,我们面临的第二个挑战是任意波形发生器提供的电流不足以支持功率放大器的工作,并且电源的带宽不能满足ET的需求。解决此问题的方法是使用功率调节器来驱动功率放大器,该功率放大器由直流电源和任意波形发生器生成的调制Vcc信号驱动,如http:///1287.cn/5所示。

5、仪器同步

包络跟踪测试面临的最大挑战是确保RF信号发生器与任意波形发生器之间的同步。当我们基于输入功率选择最佳Vcc值时,可以使功率放大器的PAE最大化,但是,仪器之间的不良同步会在Vcc值时使功率放大器的PAE最大化,但是仪器之间的同步性较差对于给定的功率输出,这将使Vcc值太高或太低,滤波器,高稳晶振,时钟模块,可以信号进行处理。

考虑Vcc波形滞后于RF波形的情况:当波形处于最大功率时,功率调节器将无法为设备提供足够的功率。因此,RF输出将比预期输出功率低几个分贝。同样,在波形的峰值出现之后,功率调节器将提供比放大器所需更多的功率,从而降低了效率。当Vcc在RF波形之前时,也会发生类似情况。 RF信号发生器和任意波形发生器不仅需要同步,而且这种同步必须是可重复的。

6、基于PXI的测试解决方案

仪器定时是信封跟踪测试设备的重要规范。由于需要满足严格的时序要求,因此PXI平台无疑是应对包络跟踪测试挑战的理想选择。在PXI测试系统中,模块化仪器通过机箱的后面板互连,机箱的后面板包含各种时钟和触发器分配线。这种单一机箱的集成简化了仪器的放置并改善了系统时序。除高级PXI硬件和NI矢量信号收发器外,LabVIEW软件环境还提供了实时信号生成和显示功能,可帮助您提高应用程序开发和测试的效率。

通常,包络跟踪功率放大器应与RF信号发生器一起使用,并且Vcc同步抖动应小于1 ns,要求测试设备的抖动远低于此值。 ——,最好约100 ps。 PXI可以使用T-Clock背板时序程序来实现严格的时序。 T时钟是一种用于对齐采样时钟并启动触发器的机制,以便所有设备同步生成信号。例如,对NI PXIe-5451 AWG和NI PXIe-5644R矢量信号收发器进行了评估,以实现小于50 ps的最大同步抖动,从而满足了这一需求。

同步RF信号发生器和任意波形发生器只是我们面临的挑战的一部分。调制后的Vcc信号和RF波形在到达不同的放大器之前会经过不同的路径,因此具有不同的延迟。因此,对Vcc波形进行编程以使其滞后或先于RF信号,对于使放大器中的调制电源和RF信号与纳秒级偏置对准非常重要。

将Vcc信号相对于RF信号延迟任意波形发生器样本的整数倍的一种简单方法是在生成脚本的开头嵌入“等待”循环。为了获得更精确的延迟,可以使用数字滤波器来调整矢量信号收发器上FPGA中来自软件或硬件的RF波形。使用硬件方法的优点是它执行时间更改的速度比等效软件滤波器快得多,从而减少了确定任意波形发生器与矢量信号收发器之间最佳对准所需的时间。在标称Vdc采样率为400MS/S的情况下,可以实现任何皮秒的延迟。

测量设备所需的最后一个测试项目是能够供电和测量的电源。由于功率放大器需要更高的转换率,因此该应用倾向于使用电池模拟器而不是标准的源度量单位。请注意,在某些情况下,如果要数字控制MIPI接口功率放大器,则还需要一个高速数字波形发生器,该发生器可以在1.8 v时输出高达26 MHz的波形。

7、结果验证

使用高带宽数字转换器来验证Vcc和RF信号之间的时序是最直接的方法。在本示例中,我们将NI PXIe-5644R矢量信号收发器和NI PXIe-5451任意波形发生器连接到2.5 GS/s数字转换器的两个通道。根据图2中的Vcc-Pout查找表,矢量信号发生器可以在800 MHz条件下生成10 MHz LTE FDD上行波形,在第一次运行时,由于两台仪器上DSP的布线和延迟,时间差两个波形之间的差约为1 s。根据上面介绍的延迟算法,我们可以通过组合保持采样和子采样延迟来对齐两个波形。

以上结果如图8所示。在此图中,我们将Vcc波形缩放为与RF波形相同的数量级,以进行比较。该图显示两组波形相互对齐,但是更重要的是,即使程序不断运行,即使重新启动系统,也可以保持这种关系。

在放大器的输入端,可以使用高速数字化仪直观地检查两个波形的对齐情况,但无法测量放大器的性能。前面我们讨论了计时的重要性。 Vcc在放大器的输入端。您可以借助高速数字化仪直观地验证两个波形的对准,但无法测量放大器的性能。前面我们讨论了定时,最佳Vcc和RF对准的重要性。相邻信道功率衰减量因设备而异,但是在最佳校准时序后使用RF信号分析仪可以极大地优化测量结果。

8.结论

在过去的十年中,已经显示出包络跟踪技术可以提高蜂窝基站中功率放大器的效率,并减少将损耗的能量转化为热量而导致的冷却需求。由于无线标准的不断发展,手持移动设备制造商希望使用包络跟踪技术来获得类似的优势。尽管与固定电源相比,包络跟踪技术可以节省大量功率并延长电池寿命,但它对功率放大器设计人员和测试工程师提出了巨大挑战。本文介绍的基于PXI的测试程序可以解决测量工作中最关键的挑战,并且测量结果表明这是一个非常好的ET PA测试程序。

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