Envelope Tracking

翻译于 2023-12-28 20:32:57 发布 · 526 阅读

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本文介绍了射频放大器包络跟踪技术，该技术用于提高射频功率放大器效率，可减少功耗。文中阐述了其发展历程、基本概念、电路框图、电源设计、整型特性、信号生成以及延迟平衡与同步等内容，还提及了不同电源类型的优缺点及应用场景。

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Envelope Tracking包络跟踪入门

资料来源：https://www.electronics-notes.com/articles/radio/rf-envelope-tracking/what-is-envelope-tracking-basics-primer.php

射频放大器包络跟踪是一项用于提高射频功率放大器效率的技术。

包络跟踪在许多射频功率放大器效率成为问题的领域都有应用。它已被用于从 AM 广播发射机到蜂窝通信系统，特别是智能手机等领域。

包络跟踪在最大限度地减少射频放大器中使用的功率方面提供了一些显着的优势，如果使用这种形式的功率，这可能会对电池寿命产生重大影响。

本质上，包络跟踪系统只提供所需的电源电压，而不向射频功率放大器提供更多电压。这样就减少了功耗。

包络跟踪起点

包络跟踪技术最初开发于 20 世纪 30 年代，旨在解决与高功率调幅广播发射机相关的能源问题。Loy E Barton 在 1930 年 5 月版的《阿肯色大学公报》中描述了一种高级调制系统。这篇文章是这位同样发明了 B 类放大器的鲜为人知的天才多年工作的成果。

这个想法后来被废弃，直到 20 世纪 90 年代末才得到广泛应用，当时蜂窝基站制造商开始研究其在 3G 技术中的应用。3G 使用的调制格式意味着 RF 放大器效率低于 2G 系统可获得的效率，2G 系统主要使用无幅度内容的调制形式。然而，直到 2008 年左右，第一个使用包络跟踪的基站才推出。

由于需要高调制带宽，该系统出现了许多问题。它还被考虑在手机本身中使用，第一款手机由三星于 2014 年 9 月推出，现在许多智能手机都采用了它。

射频放大器效率提升技术

多年来，除了包络跟踪之外，还出现了多种技术来提高射频放大器的效率性能。这些技术中的每一种都有其优点和缺点。

技术	经营基础	优点	缺点
在压缩状态下操作 PA	该方案仅适用于调制中没有幅度元素的恒定幅度方案，例如FM和GMSK。可以使用数字预失真在某些幅度分量可用的情况下提供线性度。	• 在调制和性能要求允许的情况下操作简便。 • 压缩时提供高效率	• 无法为高峰值平均功率电平信号提供高效率，因为放大器不会始终在压缩状态下运行。
直流跟踪	PA 电压根据调制电平进行调整，通常使用协议命令电源电压电平变化	• 实施起来相对简单。 • 不需要特别先进的技术。	• 仅处理平均功率。 • 不解决宽带问题。 • 无法解决瞬时波峰和波谷问题。
Doherty放大器	放大器由两个元件组成：主放大器和峰值放大器，用于协助峰值功率水平。峰值放大器大部分时间都处于偏置关闭状态，仅在峰值时才开始工作。	• 有效提高效率	• 需要组合器来组合两个放大器部分的输出。 • 可能会出现增益扭结。 • 增益和相位随输出功率的变化而变化。
包络追踪	包络跟踪，具有跟踪 RF 包络的 PA 电源电压。这使得放大器能够在任何瞬时功率水平下提供最佳效率或其他性能水平的电压下运行。	• 在所有功率级别上提供最佳性能。 • 允许宽带操作。 • 在运行不匹配负载等方面提供额外的优势。	• 包络跟踪需要非常快的高带宽电源。 • 需要精确的电源包络信号。

包络跟踪背景

在进一步了解包络跟踪教程的技术之前，不妨先了解一下提高射频放大器效率的包络跟踪等技术的背景和需求。

在大多数射频放大器应用中，放大器的效率对整个系统的设计、运行和效率都有影响。电源要求、射频放大器能力和散热器都受其影响。然而，随着智能手机等电池供电系统使用的增加，电池功耗成为一个特别重要的问题。

对于任何射频放大器来说，向电路供电并产生信号。输出功率总是小于直流输入功率，输出功率与直流输入功率之比就是效率。

放大器的效率取决于波形的形状和工作模式。

在线性模式下工作时，输出设备必须始终处于导通状态，输出电压在两个限值之间升降,当以这种模式（通常称为 A 类）运行时，可实现的最大理论效率为 50%。然而，在实际系统中，达到的水平始终低于此.

为了达到更高的效率水平，可以将放大器驱动到压缩状态。如果使用稳定的波形（如调频），信号的唯一衰减就是产生基波载波的额外谐波，这些谐波可以使用射频滤波器滤除。不幸的是，当对载波应用幅度分量调制时，如果它通过压缩运行的放大器，则会失真。

对于当今使用的数据传输系统（例如 UMTS、HSPA 和 4G LTE 等），所使用的 RF 波形除了相位元件之外还包含幅度分量，因此它们需要线性放大器。

如果峰均比很高，即波形与平均值相比具有更高的峰值电平，情况就会变得更糟，因为放大器必须能够适应峰值，同时仍仅以较低的平均功率电平运行。

在峰值期间，放大器需要全电压才能提供所需的功率，才不会陷入压缩，但在信号较低的时期，不需要这么高的电压，这意味着功率会在设备中消耗。放大器只需要较小的电压即可提供较低水平的功率，如果始终以较高的电压运行，会造成不必要地浪费功率。

可以看出，功耗与 RF 包络顶部和底部电压之间的面积成正比。对于低峰值平均功率比信号，该值可能很高。

除了调制之外，对蜂窝电信等现代应用中使用的射频放大器提出的许多要求仍然进一步降低了效率水平 - 例如，许多放大器需要在宽带或多频带上运行。

包络跟踪：基本概念

为了提高射频放大器的效率水平，可以使用的方法之一是采用包络跟踪技术。

顾名思义，包络跟踪采用了一种系统，通过该系统，放大器跟踪并利用信号的幅度包络。

使用包络跟踪，不断调整施加到功率放大器的电源电压，以确保放大器在给定瞬时输出功率要求的情况下以峰值效率运行。

包络跟踪系统将获取出现在功率放大器输入端的包络，然后用它来驱动电源，为射频功率放大器提供线路电压。对其进行调制以确保其正确跟踪信号的幅度。

电源必须足以满足射频放大器的需求，但不能再多了——跟踪所需的电压。它必须跟踪所需的电压，以便放大器不会进入压缩状态并使信号失真。这样，最终放大器将能够散发更少的热量，并且消耗更少的功率。

包络跟踪电路框图

RF 包络跟踪需要将许多附加电路块合并到整个发射器电路中。

包络跟踪系统需要从调制器的最早期阶段一直到最终放大器的输入。

与传统发射器电路相比，需要许多额外的电路块，才能将包络跟踪引入系统中

在包络跟踪系统中的所有电路块中，最精确的电路块是包络跟踪电源的电路块，它为最终的射频放大器提供变化的电压。

传统发射机框图

在了解将包络跟踪引入发射机系统所需的元件之前，首先有必要查看传统系统的基本框图。然后很容易看出差异。

传统的射频发射器系统和放大器框图将具有基带生成系统，其中通过调制创建信号并将其上变频到最终频率。然后它会被放大并应用于最终的射频功率放大器。这通常由提供恒定电压的 DC-DC 转换器供电。

要更多地了解传统发射机，有必要更详细地查看框图，将其分解为更多块。

对于适用包络跟踪的应用，大多数信号都是数字格式，并且它们以 I 或同相信号和 Q 或正交信号的形式到达调制器。I 和 Q 信号应用于调制器以给出总体信号。

从图中可以看出，数字格式的 I 和 Q 信号分别应用于数模转换器，将其转换为模拟格式。该信号通过低通滤波器以去除不需要的混叠和较高频率的产物。

然后，信号被传递到混频器，在混频器中与本地振荡器信号混合，以达到所需的频率，然后将它们相加以创建最终信号，然后传递到放大器链以放大到所需的电平。

射频功率放大器连接到电源，并且与地去耦，以防止电压线上出现任何不需要的信号和噪声，因为这些信号和噪声会对信号进行幅度调制，从而产生不需要的噪声。

包络跟踪系统

包络跟踪系统需要添加更多内容。包络跟踪框图显示 DC-DC 转换器已被包络跟踪电源取代。这会吸收有关包络的信息，以确保它向射频功率放大器提供正确的电压输出，使其在线性部分运行，同时散发最少的热量。

系统的关键要素之一是能够生成包络信号。尽管进行了一些处理，但基本包络信息是使用以下计算从 I 和 Q 基带信号导出的。

与传统的射频发射器系统一样，可以更仔细地观察包络跟踪系统所需的整体信号路径。

从下图中可以看出，包络跟踪系统包含了许多新的电路块。

整个包络跟踪系统有几个要素。这些可以总结如下：

主射频路径： 射频路径本身大致保持不变。I 和 Q 信号用于创建复合 RF 信号，并传递到 RF 放大器。
包络整形信号生成： 该信号链生成所需的包络整形信号。它包含许多元件，以确保为放大器所需的操作和主要信号条件生成正确的信号。
延迟平衡： 通过各个信号路径的延迟意味着射频信号和包络整形信号都有自己的延迟。这些需要进行补偿，以确保射频包络和包络跟踪调制器/电源同步运行，以便调制器的信号峰值和电压峰值同时出现。在高调制速率下，即使很小的延迟也可能很严重。
包络跟踪调制器/电源： 包络跟踪调制器或电源调制功率放大器的电压，有时也调制先前放大器的电压，以使放大器能够在其最大效率点或取决于要求的其他点运行。

包络跟踪系统需要在整个发射机中引入许多附加电路块。包络跟踪必须应用于整个发射机，而不仅仅是最终放大器，因为需要包络馈电来驱动包络跟踪电源。这意味着，与同样提高效率并且可以独立运行的 Doherty 放大器不同，包络跟踪必须嵌入到发射机中。

包络跟踪电源/直流调制器

射频包络跟踪放大器中使用的直流调制器或电源是设计中最严格的领域之一 ,它始终向射频放大器提供正确的电压。

直流调制器或包络跟踪电源为最终的射频放大器提供所需的电压，以提供所需的输出功率等等。

通过仅向最终放大器提供所需量的电压，耗散功率被显着降低，因为最终功率放大器装置无法耗散几乎与提供稳定电源时一样多的功率。

设计能够准确提供所需电压电平的电源/直流调制器是一项严峻的设计挑战。

包络跟踪电源基础

包络跟踪电源的作用是接收包络信息，然后输出与波形匹配的电压给射频放大器。

包络跟踪电源的功能并不容易创建。这些要求比乍一看更加严格。

包络跟踪电源的一些要求包括：

*带宽：* 包络跟踪电源必须能够准确地跟踪调制包络。这意味着它必须能够在其运行的最高频率下准确地遵循调制包络。为了准确地跟踪调制，包络跟踪电源通常必须能够实现信号带宽两到三倍左右的频率。对于当前系统，这可能需要 50 MHz 或更高的电源带宽水平。
*效率：* 为了充分发挥包络跟踪技术的优势，电源必须高效。例如，如果将传统方法中使用的高效 DC-DC 转换器替换为差 10% 的包络跟踪电源，则将 PA 效率提高 10% 是没有意义的。
*噪声：* 虽然开关模式电源提供非常高的效率水平，但使用它们的挑战之一是产生的开关模式噪声。实现包络跟踪所需的非常宽的电源带宽使问题变得更加复杂。因此，需要创新设计来确保完全满足该参数。

包络跟踪电源上的噪声。在许多情况下调制器是一个非常关键的问题。电源上的任何噪声都会以信号幅度调制的形式出现。噪声具有很宽的带宽，因此会在输出信号上叠加宽带噪声。反过来，这将意味着相邻信道可能会受到干扰。这个问题对于 FDD（频分双工系统）尤其重要，在这种系统中，接收通道中出现的传输噪声会掩盖接收到的信号。为了使 FDD 系统令人满意地运行，包括噪声在内的发射机杂散信号在接收频带中必须处于极低的水平，这对任何包络跟踪电源提出了非常严格的要求。
*无去耦电容：* 传统电源通常会在输出端添加去耦电容，以确保噪声、纹波等降至最低。鉴于包络跟踪系统所需的高带宽，电源不能有任何输出去耦。这意味着电源/调制器的设计对于整体性能至关重要。
*极低的输出阻抗：* 鉴于不允许使用去耦电容器，ET 电源或调制器必须具有极低的输出阻抗，延伸至最大调制频率及以上。这将使其能够吸收线路上可能出现的任何噪音。
*供电能力：* 包络跟踪电源必须能够完全满足射频放大器的电流和电压要求。同样，在总体设计的限制内，这可能并不总是容易实现。

ET 电源连接至 PA

包络跟踪调制器或电源在功率放大器的链路上不能有去耦电容器。这将是传统配置的标准做法，但考虑到包络跟踪电源所需的高带宽调制，无法使用去耦电容器。

这显然对包络跟踪调制器/电源提出了一些关键的设计要求，但它也对电源和 PA 之间的连接提出了要求：

*低电阻：* 为了使包络跟踪电源和 PA 之间的链路上不产生电压，它的电阻必须尽可能低。这通常意味着它应该尽可能短且宽，以确保电路板上包含尽可能多的铜。
*低电感：* 同样，电感也是一个问题，因为电感也会导致任何电抗的电感元件上产生电压。在测试电路和尝试感测电流时，这通常会出现问题。感应传感实际上实现这一点并不可行。
*低电容：* 虽然很容易使包络跟踪电源和 PA 之间的链路变得非常宽，但这也可能会增加对地电容的水平，从而限制跟踪性能。电容需要保持在最低限度。实现此目的的一种方法是移除电路板上该轨道下方的接地层。

满足包络跟踪电源的全部要求一直是阻碍该概念早期采用的主要问题之一。现在，公司能够成功实施包络跟踪电源，这使得该技术能够被纳入许多系统中，适用于从广播发射机到必须节省电池电量的手机等许多应用。

供应方面面临的巨大设计挑战意味着有许多与这些电路和所使用的技术相关的专利，因此这些公司不愿意公布所使用的确切方法、电路和技术

包络跟踪供电方式

有多种方法可用于设计包络跟踪电源或调制器。任何给定设计中使用的方法取决于与特定应用、所需性能、成本等相关的许多因素。

可以使用三种主要方法：

模拟包络跟踪电源 包络跟踪射频放大器的线性电源遵循与普通线性稳压器相同的基本原理。它们可以采用串联或并联配置，但通常采用串联配置，因为它们通常更有效。

然而，由于线性电源/调制器的调节电压必须始终低于输入电压，因此效率水平受到相当大的限制。随着输出电压和输入电压之间的差异增大，它们的效率会降低。

线性 ET 电源的优点是它能够为 RF 放大器提供非常干净的电压，这一点至关重要，因为来自电源的噪声会添加到 RF 信号中，并对相邻通道产生干扰。

尽管许多线性电源使用 A 类放大器操作，但通过在电路中使用 AB/B 类和 G/H 类放大器，可以显着提高包络跟踪电源/调制器的效率。

第一个选项：AB/B 类可以通过有效地使用 RF 放大器来实现，尽管其带宽低于 RF 放大器本身。通常，在大多数情况下，用于蜂窝应用的 RF 放大器会在 800 MHz 或更高的频率下运行，而 LTE 信号的调制可能需要 50 MHz 左右的 ET 电源带宽。

通常，B 类放大器以某种形式的推挽配置进行排列，以便它们既可以提供电流也可以吸收电流，从而能够准确跟踪包络。为了实现这一点，通常可以使用互补对。

G/H 级概念对于这种应用形式有很多优点。这种形式的放大器使用多个电源轨，其使用取决于所需的输出电压水平。由于高 PAPR 信号通常在较低功率水平下运行的时间比在较高功率水平下运行的时间长，因此这种方法具有许多优点。

G 类放大器和 H 类放大器之间存在差异。G 类放大器通常使用两个或三个离散电压。H类放大器更能够根据射频功率放大器的要求平滑地调节输出电压。它可以创建从最低电源电压到任何其他电源电压的平滑过渡，从而提供干净的输出。

开关 ET 电源 开关模式电源 (SMPS) 提供比线性电源更高效的电压转换。鉴于包络跟踪主要是为了提高效率，线性电源通常不可行，需要以一种或另一种形式使用开关模式技术。

开关模式技术的缺点是，由于串联传输元件的开关，它并不容易消除噪声和尖峰。当与包络跟踪技术一起使用时，开关技术的另一个问题是开关频率必须高于电源所需的最大带宽——通常是信号带宽的五倍。这可能导致需要非常高的开关频率。反过来，这些高开关频率可能导致效率水平低于开关电源通常预期的效率水平。

开关模式包络跟踪电源的关键要素之一是输出滤波。输出所需的低通滤波器控制着电源的纹波规格，这对于减少可能超出所需带宽并对其他用户造成干扰的宽带噪声非常重要。然而，滤波器在确定电源遵循所需调制包络的方式方面也发挥着重要作用 - 它需要高截止频率以使其能够通过跟踪调制包络所需的高频。

所使用的过滤器类型需要仔细选择。有几种可能更常见的类型。对于给定的滤波器阶数，巴特沃斯滤波器提供比贝塞尔滤波器更好的阻带衰减水平，但不如勒让德-帕普利斯滤波器。然而，贝塞尔提供了更好的群延迟性能。无论采用哪种形式的过滤器，这都将是一种折衷，并且需要仔细考虑给定应用的确切要求。

混合 ET 电源为了提供最佳的整体性能，可以开发使用线性和开关技术元件的混合包络跟踪电源/调制器。这是蜂窝电信和其他应用的许多包络跟踪设计所使用的方法。通过这种方式，可以将开关模式电源的高效率优势与线性技术的低噪声优势结合起来。

可以采取三种方法：

串行混合： 使用这种技术，多级开关模式电源/调制器提供了具有接近射频放大器所需电压的离散电压电平的线性调制器。然后，线性调制器能够提供最终电压，该最终电压具有线性调制器的低噪声的优点。由于开关模式电源提供了大部分电压降低，因此保持了效率。
并行混合： 包络跟踪调制器/电源的并行方法使用线性调制器来控制电源的开关元件，使用感测的包络信号以及环路中的线性调制器和开关电源。反馈机制最大限度地减少了线性调制器提供的电流。在此配置中，开关电源能够为射频放大器提供较低频率的分量，而线性调节器则提供较高频率的分量，并且还可以消除开关噪声。
组合混合： 组合混合方法比单独使用串行或并行技术可以获得更高的效率。它利用两个开关元件和一个线性元件。一个开关模式电源/调制器与以并联配置连接的线性调制器一起使用，如上文针对并联混合配置所述。这提供了宽带高效率能力。第二个开关电源串联插入电路中，为线性调制器提供带宽减小的可变电源，以进一步减少串联混合情况下的功率损耗。这样，串行和并行技术都用于提供最佳效率。

每种类型的包络跟踪电源/直流调制器都有其自身的优点和缺点。实际使用的类型将取决于特定的应用。

包络跟踪整型特性

RF 包络跟踪放大器操作的关键领域之一是整形特性的确定和使用。

利用包络跟踪放大器的整形特性使其操作能够满足应用的确切需求。

调制电源电压的影响

通过使用包络跟踪技术改变放大器的整形特性，可以设置放大器的操作以最大化不同的功能。

通过改变射频功率放大器上的电压，可以为任何给定的射频功率输出水平选择最佳性能点。

研究发现，对于任何给定的电源电压，都可以获得最佳的效率水平。包络跟踪系统的目标通常是对于任何给定的功率输出在曲线上最有效的点上运行。

从下图可以看出，对于任何给定的电源电压，即取决于器件类型的漏极电压或集电极电压，功率效率随着功率输出开始上升而上升，然后在下降之前达到峰值。如果针对不同的电源电压绘制许多图，可以看到存在最大效率水平的曲线。如果电源电压遵循此曲线，则射频放大器可以在任何给定功率水平下以其最大效率水平运行。

该图参考了功率附加效率。功率附加效率 PAE 是一个考虑了进入放大器的所有功率的指标。当使用增益相对较低的放大器（例如射频功率放大器）时，它特别有用。

可以看出，如果放大器需要更高的驱动电平，那么功率附加效率就会下降。仅考虑直流功率输入和射频功率输出的效率不会受到影响。

设备的最大可能功率附加效率随频率降低是正常的。其原因是有源器件的最大增益自然倾向于随频率而降低。

包络跟踪整型

包络跟踪系统的明显目标是优化系统的效率。在这些情况下，包络跟踪信号应该使得每个电压都使用最大效率点。

然而，也可以采用其他包络跟踪配置文件。其中一种特别遵循恒定增益，称为 Isogain 轮廓，可提供最大线性度。

包络跟踪整型最大效率

为了获得最大效率，需要遵循各种输出功率电平的最大效率点的电源电压形状曲线。

这可以绘制在不同电源电压电平的增益和功率输出的各种曲线上。

为了获得所需的电压，需要开发形状查找表。这确保了在给定的包络幅度下向放大器提供所需的电压。这可以从放大器的曲线得出。

包络整型——线性增益

在某些情况下，可能需要优化包络跟踪系统以提供线性增益而不是最大效率。在这些情况下，有必要稍微改变操作条件，这会导致查找表的曲线不同。

有必要确保放大器以线性方式运行，而不是采用放大器的最大效率点。因此，需要获取放大器保持线性的点。

获取这些轮廓中的数字并将其添加到形状查找表中，以提供线性增益所需的包络跟踪轮廓。可以看出，获得了不同的曲线。这些图只是示例，但可以看出原理，也可以看出不同的形状，表明所使用的不同操作条件。

查找表中的数字是包络整形查找存储器中使用的数字。它们能够提供所需的轮廓，以匹配射频放大器给定瞬时幅度所需的电源电压。

通过获取放大器的不同特性并绘制曲线，然后在查找表中使用这些数字，可以通过多种不同的方式改变放大器的性能，从而针对性能的不同方面进行优化。

包络跟踪信号生成

为了能够对最终放大器的直流电源进行调制，有必要生成一个跟随调制包络的控制信号。

该控制信号由发射机的早期阶段产生，在该阶段对射频信号进行调制。

大多数采用包络跟踪技术的现代发射机都带有数据，这些数据被调制成 I（同相）和 Q（正交）信号。

然后，I 和 Q 信号用于生成调制包络线，方法是将它们传递到多个电路块，将信号转换为具有正确轮廓的正确格式，以提供所需的性能

控制信号基础知识

用于控制包络跟踪电源或调制器的基本信号源自基带发生器中的 I 和 Q 信号。

包络跟踪控制信号的实际生成非常复杂，需要几个电路块，如下所示。

包络跟踪模块控制信号发生器

包络跟踪控制信号生成所需的电路框图包括许多调节输入以提供所需输出的模块。

可以看出，有几个块，每个块都有不同的功能。

这些电路块包括以下内容：

*幅度计算器：* 幅度计算器从基带发生器获取两个信号 I 和 Q。它将信号平方、求和，然后求平方根以创建总体信号幅度。
*预包络增益：* 需要生成控制信号的这一阶段，因为整个发射器的输出功率是在移动电话等应用内控制的。基站降低移动设备的发射功率以节省电池电量并防止基站接收器因附近信号而过载。该控制通常应用于前置放大器级，并且修改包络控制信号的创建以考虑到这一点。
*包络整形：* 这种整形通常包含在半导体存储器内。它获取输入的包络信号，然后添加提供放大器正确响应所需的整形。此阶段通常使用查找 RAM，其中已编程所需的轮廓。通常它需要 14 位输入来提供所需的控制。
*后包络增益和偏移：* 该级用于提供增益和偏移，以便将正确的控制电压施加到包络跟踪电源的控制输入。它需要校准 DAC、滤波器和包络跟踪调制器中的增益和偏移误差。
*数模转换器：* 由于到目前为止信号一直以数字格式保存，因此需要转换为模拟形式才能应用于包络跟踪电源的控制端子
*滤波器：* 需要滤波器去除数模转换产生的高频成分。