隨著現(xiàn)代通信技術的發(fā)展，為了提高頻譜利用率，信號調(diào)制方式從原來的恒包絡調(diào)制發(fā)展為復雜的變包絡調(diào)制，峰均比(PAPR)也隨之增加。包絡跟蹤技術是一種用于提高 LTE 發(fā)射器 PA效率的新型電源管理技術，具有高效率和高線性度等優(yōu)勢，一直以來都是現(xiàn)代移動通信技術的研究熱點，它能夠提升PA在功率回退時的效率，從而提升整個通信系統(tǒng)的效率。
移動設備功能在過去十年中發(fā)生了巨大變化，并隨著社交媒體、音樂和視頻流、游戲、云存儲以及與其他設備的連接等應用程序而不斷擴展。重新定義的用戶體驗需要長期演進 （LTE） 技術提供高數(shù)據(jù)速率。通過復雜的RF調(diào)制和更高的平均輸出功率實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率，將傳統(tǒng)RF功率放大器（PA）的效率降低到不可接受的水平，無論是對于現(xiàn)有智能手機設計的散熱還是電池壽命。包絡跟蹤（ET） 是一種用于射頻 PA 的新型電源管理技術，可提高效率、最大限度地減少熱量產(chǎn)生并延長電池壽命。高數(shù)據(jù)速率和更長的電池壽命可提高整體 LTE 用戶體驗。
LTE 對射頻 PA 效率的影響
LTE要求RF PA以更高的功率電平9dB至15dB傳輸，以保持足夠的每比特能量。盡管LTE頻譜效率有所提高，但傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越大，也需要更多的功率。
20 多個不同 LTE 頻段的存在增加了開關、濾波器和調(diào)諧器網(wǎng)絡的射頻前端復雜性。PA到天線的損耗增加，這反過來又需要更多的PA輸出功率。上行鏈路載波聚合進一步增加了未來RF前端的復雜性，延續(xù)了PA輸出功率的上升趨勢。大量的LTE頻段需要多模多頻段（MMMB）PA，其效率低于單頻段PA。
LTE信號具有非常高的峰均功率比（PAR）。LTE使用單載波頻分多址（SC-FDMA）進行上行鏈路通信。SC-FDMA調(diào)制PAR（6-7dB）高于W-CDMA（3-4 dB）和GSM（0dB）。請注意，在某些情況下，HSPA 可能具有高PAR，這會帶來類似的 PA 效率挑戰(zhàn)。
針對高PAR和高功率優(yōu)化的RF PA晶體管在降低功率水平時效率要低得多，例如，當用戶靠近基站或低數(shù)據(jù)速率傳輸期間。與3G和2G傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，這種低效率導致PA加熱增加并縮短電池壽命。包絡跟蹤是一種RF PA電源管理技術，可以在任何頻段或任何LTE帶寬下通過高PAR信號提高高功率水平的系統(tǒng)效率。
包絡跟蹤電源管理
平均功率跟蹤（APT）是一種廣泛實施的方法，用于降低RF PA中不必要的功耗。連接在電池和PA電源電壓（PAVCC）之間的高效DC/ DC轉換器根據(jù)PA平均輸出功率動態(tài)改變PA VCC。當PA輸出功率低于最大值時，PA電源電壓降低，提高PA效率。每當平均輸出功率發(fā)生變化時，PA VCC中的調(diào)整就會發(fā)生。這可以是每個3G傳輸時隙或LTE幀一次。為了實現(xiàn)最低的系統(tǒng)級電流消耗，需要一個高轉換效率的DC/DC轉換器 。
不幸的是，APT沒有解決LTE傳輸?shù)年P鍵挑戰(zhàn)：高PAR和高平均輸出功率。之所以存在這種限制，是因為在不犧牲線性度的情況下，無法在不犧牲線性度的情況下降低全輸出功率下的平均PA VCC。包絡跟蹤使用動態(tài)PA VCC，跟蹤RF調(diào)制幅度（瞬時輸出功率電平）而不是平均輸出功率電平。包絡跟蹤電源（ETPS）用作RF PA的動態(tài)電源，以3G / LTE調(diào)制的速度調(diào)整PAVCC，并優(yōu)化每個時間點的RF PA效率。因此，ET提高了高平均輸出功率下高PAR調(diào)制的效率。ETPS顯著降低了最壞情況下的PA加熱，恢復了PA線性度（增強ACLR），并且由于增強了PA效率和線性度，提高了最大平均輸出功率能力。
圖1顯示了全功率RF PA的PAVCC（左圖）和降低輸出功率（右圖）。在每種情況下，PA VCC的降低都與PA效率相關。
圖 1：固定電壓、APT 和 ET 的功率放大器電源電壓
更高的效率
ET的主要優(yōu)點是提高了PA效率。例如，在+28 dBm PA平均輸出功率下，系統(tǒng)效率提高了23%以上（從30%APT提高到39%ET）（圖2）。效率優(yōu)勢或提升，目前可擴展到低至+20 dBm的平均輸出功率水平。隨著系統(tǒng)組件的不斷改進，ET提升將在更低的平均輸出功率水平下實現(xiàn)。圖2a顯示了使用3.8V電池電壓和25RB QPSK LTE信號以及工作在LTE頻段1的原型ET MMMB RF PA進行系統(tǒng)效率測量。與APT工作相比，ET在+28 dBm下工作可將3.8V電池的電流降低125 mA以上。
圖2：ET和APT系統(tǒng)效率（a）和線性度（b）的測量
減少熱量
在用于圖2的相同測量中，PA工作溫度降低了20°C（圖3）。PA加熱的減少大大簡化了手機和平板電腦等薄型小型設備的熱設計。
圖 3.使用熱像儀在 POUT = +28 dBm 時測量的 APT 和 ET的 PCB 溫度
高輸出功率水平
一些 ET 電源（如 TI 的 LM3290/91）為 PA 提供優(yōu)化的電源電壓，即使 PA VCC 高于電池電壓也是如此。圖4顯示，ET操作的PA輸出功率比APT高3 dB。因此，不再需要放寬發(fā)射功率要求，即所謂的最大功率降低（MPR）。通過避免MPR，ET系統(tǒng)可以在所有情況下保持最大數(shù)據(jù)速率，即使在電池電壓較低的情況下也是如此。隨著新興的低壓電池和更復雜（損耗更高）的RF前端，這種能力變得越來越重要。
圖4顯示了使用3V電池電壓和25RB QPSK LTE信號進行系統(tǒng)效率測量。使用原型 ET MMMB PA
圖4：ET和APT系統(tǒng) 效率 比較
降低接收帶噪聲
在頻分雙工（FDD）系統(tǒng)中，F(xiàn)DD LTE的發(fā)送和接收路徑同時工作，因此確保發(fā)射器產(chǎn)生的帶外噪聲不會降低接收器的靈敏度至關重要。雖然發(fā)射和接收電路在頻率上是分開的，并由雙工濾波器隔離，但發(fā)射和接收路徑之間仍然存在耦合（通常約為–50 dB），要求對PA輸出端的噪聲進行限制。PA輸出端的典型接收帶噪聲（RxBN）應低于–130 dBm/Hz。
包絡信號計算的復雜性和ETPS噪聲的增加使實現(xiàn)良好的RxBN變得復雜。ET 操作中的 RxBN 可以高于或低于 APT 操作中的 RxBN，具體取決于 LTE 操作條件，前提是噪聲 ETPS 足夠低。圖5顯示了在高功率電平下使用25RBBand1進行的測量。ET噪聲水平僅比APT噪聲高2-3 dB。ET總噪聲低于–130 dBm/Hz，符合典型的ET系統(tǒng)要求。
提高線性度
具有高保真、高峰值電壓ETPS 的 ETS 系統(tǒng)可以提高 PA ACLR 性能（圖 2）。如果不需要，多余的ACLR性能可以很容易地用于提高系統(tǒng)效率，或者如果它由于天線不匹配而降級，則可以使用它來維持可接受的ACLR。
圖 5：ET 和 APT 時的 PA 輸出噪聲
ET 與 APT：系統(tǒng)級實現(xiàn)
APT和ET系統(tǒng)在概念上是相似的。兩者均由芯片組、PA 電源管理組件和 RF PA 組成（圖 6）。兩者都會隨時間調(diào)整RF PA電源電壓電平。但ET在RF調(diào)制帶寬下工作，導致不同的系統(tǒng)級要求。本節(jié)介紹 ET 系統(tǒng)中的關鍵模塊及其要求與 APT 實現(xiàn)。
ETPS
ET系統(tǒng)包括支持ET的收發(fā)器、針對ET優(yōu)化的PA和ETPS。
支持ET的收發(fā)器必須生成3G/LTE RF信號，同時向ETPS提供相應的包絡參考信號。ETPS 提供 PA 電源電壓 PAVCC。由于包絡參考信號的高帶寬，它不能像在APT系統(tǒng)中那樣使用MIPI RFFE接口進行傳輸。取而代之的是，采用了稱為eTrakTM的差分模擬接口。（圖 6）。eTrak 是MIPI?聯(lián)盟的新標準，用于將具有ET功能的收發(fā)器連接到 EM，并被 主要平臺供應商采用。收發(fā)器必須在包絡信號和RF信號路徑之間保持最佳時序對準，以防止PA線性度和輸出噪聲下降。
包絡跟蹤 PA 與平均功率跟蹤 PA 不同。雖然可以使用正常的APT PA嘗試ET，但這種嘗試會受到性能限制，因為PA從未設計為在ET模式下運行。高速PA VCC調(diào)制需要低PA電源網(wǎng)絡電容，以防止非線性并降低效率。許多 ET PA 具有相當平坦的插入階段，并且依賴于 PA VCC。這樣可以最大限度地減少信號失真，從而影響EVM，ACLR和RxBN。或者，相位和增益變化可以通過預失真技術進行補償。第三，ET PA的線性增益必須相對于APT優(yōu)化的PA增加，因為ET PA在大部分輸出功率范圍內(nèi)以壓縮方式工作，以提高PA效率。壓縮增加了PA輸出對PAVCC噪聲饋通的敏感性。因此，需要一個非常低噪聲的PA電源來保持PA輸出噪聲較低。這些屬性在 APT PA 中不存在。
圖 6：簡化的 APT（左）和 ET（右）框圖
PA電源電壓和輸入RF功率之間的關系會影響許多系統(tǒng)級性能指標。例如，PA電源電壓與RF輸入功率的比率越高，PA增益越高，PA電源噪聲靈敏度越低，并影響ET線性度。因此，ET系統(tǒng)性能不僅僅是PA的功能。相反，它是所有系統(tǒng)組件和用于生成PAVCC波形的信號處理方法的功能。
ETPS 不斷調(diào)節(jié) PA 電源電壓。這與APT DC/DC不同，后者僅在平均輸出功率水平發(fā)生變化時才調(diào)整PA電源電壓。這在調(diào)制器帶寬、輸出噪聲和效率方面造成了顯著的差異和設計挑戰(zhàn)。
帶寬
為了在不引入失真的情況下精確跟蹤RF信號調(diào)制的幅度，需要一個帶寬是RF調(diào)制帶寬的一到兩倍的電源。包絡帶寬取決于實際傳輸?shù)男盘枴＠纾璧?0 MHz至40 MHz LTE信號帶寬是APT DC/DC轉換器帶寬的200倍以上。
ETPS輸出噪聲
ET PA在壓縮模式下工作，具有非常小的電源旁路電容，并且比APT PA對電源噪聲更敏感。為了滿足 – 130 dBm/Hz 的 RxBN 系統(tǒng)要求，ETPS 輸出噪聲需要低于 –135 dBm/Hz（以 50 歐姆系統(tǒng)為基準）。對于ETPS來說，這是一個非常嚴格但可行的設計挑戰(zhàn)。在APT系統(tǒng)中，RF DC/DC轉換器的噪聲要求更為寬松，因為APT PA電源上的大旁路電容會衰減PA電源噪聲。
效率
ETPS的高帶寬和低噪聲特性必須與高效率相結合。雖然APT DC/DC可以達到95%的效率水平，但ETPS以較低的轉換效率工作，以實現(xiàn)更高的帶寬和更低的輸出噪聲性能要求。ETPS效率的降低（與APT DC/DC轉換器相比）在系統(tǒng)級通過提高ET操作中的PA效率（與APT操作中的PA相比）進行補償。ETPS效率要求在80%-90%的范圍內(nèi)。
包絡跟蹤電源支持平均功率跟蹤
ET是一種當傳輸信號具有高平均輸出功率和高PAR時為RF PA供電的有效方法。對于較低的平均PA輸出功率水平，APT成為更有效的選擇。因此，ETPS必須支持兩種工作模式：ET和APT，如圖7所示。
圖 7：ETPS的 ET 和 APT 工作模式
在雙模ETPS中，在APT和ET操作之間無縫切換的能力至關重要。否則，在更改工作模式時，RF輸出信號將失真。圖8顯示了使用德州儀器LM3290/91ETPS從APT到ET再到APT模式的無縫過渡。芯片組通過MIPI RFFE接口控制轉換，以確保系統(tǒng)與RF信號和傳輸幀或插槽同步。
圖 8：EM 模式更改 APT-ET-APT
結論
包絡跟蹤是一種新的電源管理技術，可顯著提高LTE發(fā)射器的PA效率。ET 提供更長的電池壽命和顯著降低的 PA 工作溫度。其他優(yōu)點包括改進的線性度（ACLR），增強的輸出功率能力以及 - 具有升壓能力 - 在低電池電壓下消除MPR。在低PA輸出功率水平下，高性能平均功率跟蹤是實現(xiàn)最佳整體系統(tǒng)效率的必要特性。因此，需要雙模 ET/APTRF PA 電源管理解決方案。
