CN104113285A - 用于射频传输的包络跟踪电路和方法以及包络跟踪发射器 - Google Patents

Abstract

包络跟踪方法和包络跟踪（ET）电路。（ET）电路的一个实施例用于射频（RF）传输并包括：（1）振幅计算器，配置为生成逼近输入信号振幅的振幅信号，（2）峰值检测器，配置为在时间窗内取得振幅信号的样本并产生表示样本之中的振幅峰值的包络信号，以及（3）信号调节器，配置为调节包络信号用于驱动可操作以放大和发射基于输入信号的RF信号的功率放大器的电源输入级。

Description

用于射频传输的包络跟踪电路和方法以及包络跟踪发射器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年2月26日由Bellaouar等人所提交的、标题为“METHOD OF POWER AMPLIFIER EFFICIENCY IMPROVEMENTUSING SAMPLED ENVELOPE TECHNIQUE”、序列号为61/796,424的美国临时申请的优先权，以及要求于2013年4月16日由Bellaouar等人所提交的、标题为“CIRCUIT AND METHOD FOR ENVELOPE TRACKINGAND ENVELOPE-TRACKING TRANSMITTER FOR RADIO-FREQUECYTRANSMISSION”、序列号为13/863,810的美国申请的优先权，在先申请与本申请共同受让，并且通过援引的方式并入本文。

技术领域

本申请总地涉及射频（RF）发射器，并且更具体地，涉及用于在RF发射器中所使用的功率放大器的包络跟踪（ET）技术。

背景技术

RF功率放大器使用在RF发射器中以将低功率RF信号转换成较高功率信号，典型地用于驱动天线。所发射的RF信号典型地根据某一调制方案来进行调制，在一段时间上产生的经调制的波形具有峰值振幅和均方根振幅，以及其他特性。这两个特性的平方的比称为峰值平均功率比（PAPR），并且是波形峰值功率和平均功率的比较。由恒定供给电压所供给的常规功率放大器以峰值功率或以低PAPR操作最高效。随着波形的PAPR增加，功率放大器花费更多时间以低于峰值功率和低于最大效率进行操作。过剩功率（损耗）通常以热的形式从RF发射器中消散，其频繁要求以冷却部件形式的进一步的功率消耗。

对RF系统的需求在增长。现代系统被呼吁在紧缩的带宽上支持更高数据速率。此外，RF设备的激增已引起对跨多频带的支持的需求。持续发布新频谱带以满足容量需求。这些因素中的每一个已引起RF发射器中的功耗的增加，特别是引起功率放大器中的效率降低以及功率需求的增加。随着需求增长，RF技术也在提高。例如，3G演进、4G以及长期演进（LTE）通信网络已引起RF信号动态范围的显著增加以及峰值功率的增加，以容纳更高数据速率和更复杂的调制方案。各种信道编码和调制技术的可用性、对于更宽信道带宽的需求、以及高PAPR调制方案全都将其需求压在功率可用性和效率上。

已对功率放大器引入ET以确保对于任何给定的瞬时输出功率要求，功率放大器以峰值效率操作。利用ET，功率放大器供给电压从其最大值减少以跟踪RF信号的“包络（envelope）”，从而减少以热形式消散的能量。

发明内容

一方面提供用于射频传输的包络跟踪（ET）电路，包括：（1）振幅计算器，配置为生成逼近输入信号振幅的振幅信号，（2）峰值检测器，耦连到振幅计算器并配置为在时间窗内取得振幅信号的样本并产生表示样本之中的振幅峰值的包络信号，以及（3）信号调节器，耦连到峰值检测器并配置为调节包络信号用于驱动可操作以放大和发射基于输入信号的RF信号的功率放大器的电源输入级。

另一方面提供包络跟踪方法，包括：（1）在时间窗上对从输入信号所计算的振幅数据进行采样并标识时间窗内的振幅峰值，（2）生成与振幅峰值有关的、被缩放以与基于输入信号的RF信号的功率缩放相匹配的DC信号，以及（3）调节DC信号用于对配置为放大RF信号用于后续传输的功率放大器供电。

又一方面提供用于RF传输的ET发射器，包括：（1）RF集成电路（RFIC），配置为基于输入I/Q数据信号生成RF信号，（2）功率放大器，具有RF输入级和电源输入级并配置为放大RF信号用于后续传输，以及（3）ET功率控制器。在一个实施例中，ET功率控制器配置为：（3a）在一系列时间窗上对输入I/Q数据信号的振幅数据进行采样，（3b）在一系列时间窗内检测各自的振幅峰值并基于各自的振幅峰值生成包络信号，以及（3c）调整包络信号的增益以与RF信号的增益相匹配并应用数模转换器（DAC）和平滑滤波器以调节包络信号用于驱动功率放大器的电源输入级。

附图说明

现在结合附图对接下来采取的描述进行参考，其中：

图1是RF发射器的框图，在其内可具体化或实行本文所引入的ET电路和ET方法；

图2是ET RF发射器的一个实施例的功能性框图；

图3是具有闭环增益控制的ET RF发射器的另一个实施例的功能性框图；以及

图4是ET方法的一个实施例的流程图。

具体实施方式

用于波形的基本包络跟踪以I/Q数据流开始，该I/Q数据流是波形的量级和相位数据的X-Y表示。I/Q数据使用在RF集成电路（RFIC）中以生成RF信号来驱动功率放大器并且最终被发射。在RF发射器的上下文中，RFIC通常包括数模转换器（DAC）以将数字I/Q数据转换成模拟波形。该波形随后经过基带滤波器并且随后上转换（up-convert）到载波频率用于传输。那时，RFIC已生成最终由功率放大器放大的RF信号。

通常基于波形的振幅，从I/Q数据中生成包络。结合电源来使用包络，而不是使用诸如电池的固定电源来对功率放大器提供动力。一个配置可将包络调制到电源输出上，结果是跟踪包络的经调制的电源信号。

包络跟踪电路典型地采用多种其他部件对包络进行滤波、偏移、调整增益或实施其他处理以改进其用于供给功率放大器的条件。这些部件通常应具有大带宽以支持高频、高数据速率通信，例如LTE10-20MHz。一些ET电路使用DC-DC转换器来供给功率放大器。ET电路中的任何DC-DC转换器应以快速切换速度操作以处置振幅方面的快速改变。在ET电路中普遍使用DAC和滤波器来调节包络信号。这些设备应是高速并且低噪声的。关于噪声在高频、高数据速率发射器中还有ET电路的多种其他隐含方面，包括通过使接收器对噪声更不敏感（消感（desensing））以及在功率放大器的供给级减少电容来缓和所发射的噪声，其降低功率放大器的电源抑制比（PSRR）。

本文中应意识到的是，可使ET电路放宽对带宽的约束，并且因此限制所发射的噪声并且放宽DC-DC转换器的速度要求。ET电路应达到类似于功率放大器的功率效率。

本文中应意识到的是，可在一系列时间窗上对振幅数据进行采样。这些窗可以是纳秒（ns）级，例如200ns。采样率定义在给定时间窗中的采样数目，本文中应意识到的是，从中可确定峰值振幅。例如，如果采样率是每时间窗20个样本，那么20个振幅样本被评估并找到针对给定时间窗的最大样本。对于每个时间窗，振幅采样和峰值检测的输出是DC电压电平或包络信号。本文中应意识到的是，可使用查找表（LUT）以缩放DC电压电平。该缩放允许ET电路识别功率放大器中的压缩并校正由于供给的改变而造成的功率放大器增益失真。所可选地采用的LUT有时称为预失真LUT。可在振幅采样和峰值检测之前或之后实行LUT的应用。

针对一系列时间窗的输出形成包络信号，其最终用来供给功率放大器。包络信号随后被缩放以与RF信号的缩放相匹配。有多种方法以达到该缩放，包括闭环功率控制电路的使用。另一个选项是将ET电路的缩放因数“绑定”到RFIC的缩放因数。可在ET电路和RFIC中的各个点处应用增益。在ET电路中，可在振幅采样和峰值检测之前或之后、或可能在之前和之后均应用增益。

包络信号在供给功率放大器之前还经历调节。包络信号可经过DAC并随后被平滑滤波以使包络信号成形。包络信号还可在DAC之前经数字滤波。包络信号可随后用于驱动DC-DC转换器，其供给功率放大器。本文中应意识到的是，该包络信号不需求在常规ET电路中常用的大带宽。DC-DC转换器可以是较低带宽的，并且切换速度被放宽。因此，本文中应意识到的是，DC-DC转换器可过滤由ET电路所生成的量化噪声、热噪声、杂散和其他噪声。本文中应进一步意识到的是，考虑到经改进的PSRR，不必须在功率放大器的供给级减少电容。

在RFIC中，典型地有必要引入延迟元素以确保到达功率放大器的RF信号适当地与来自ET电路的、供给功率放大器的包络信号同步。例如，驱动RFIC的I/Q数据可被延迟以与ET电路中的延迟对齐。可替代地，延迟元素在ET电路中可能是必要的，或可能在ET电路和RFIC中均是必要的。可由多种设备进行延迟调整，包括整数延迟和分数延迟。

本文中应意识到的是，ET电路可以结合闭环功率控制电路来管理应用在ET电路和RFIC中的各种增益。各种增益的目的是确保来自ET电路的包络信号被缩放以与来自RFIC的RF信号相匹配。此外，本文中应意识到的是，在实行任何调节之前或之后可对包络信号应用DC偏移电压，该任何调节包括任何DAC、滤波器或DC-DC转换器，。

在描述本文所引入的ET电路或ET方法的各种实施例之前，将描述在其内可具体化或实行ET电路或ET方法的RF发射器。

图1是RF发射器100的框图。发射器100包括I/Q数据110、RFIC120、ET电路130、电源140、功率放大器150和天线160。I/Q数据110是数字源数据，RFIC120从其生成模拟波形，该模拟波形经基带滤波以及经上转换成RF信号。该RF信号最终由功率放大器150放大为功率大得多的RF信号并由天线160发射。

ET电路130使用I/Q数据110以生成由RFIC120所生成的波形的包络。包络信号随后被调节并结合电源140使用以对功率放大器150供电，使得供给跟踪包络并且功率放大器150的效率得到改进。

已描述了在其内可具体化或实行ET电路或ET方法的RF发射器，下面将描述ET电路和方法的各种实施例。

图2是ET RF发射器200的一个实施例的功能性框图。发射器200包括I/Q数据110、RFIC120、ET电路130、功率放大器150和天线160，全部来自图1。发射器200还包括DC-DC转换器214。在该实施例中，RFIC包括延迟调整器216、DAC218、基带滤波器220和RF混频器222。I/Q数据110由延迟调整器216所延迟，使得其与在ET电路130中所生成并最终在供给功率放大器150中所采用的包络信号对齐。经延迟的I/Q数据由DAC218转换成模拟波形。模拟波形经过基带滤波器220并由RF混频器222上转换到载波频率。产生的RF信号由功率放大器150放大并由天线160发射的信号。

ET电路130包括振幅计算器202、振幅采样器和峰值检测器204、预失真LUT224、乘法器206、DAC210和平滑滤波器212。振幅计算器202使用I/Q数据110以逼近波形的振幅。有许多方法可用于进行该逼近，包括线性振幅逼近和迭代算法，诸如在坐标旋转数字计算机（CORDIC）中可用的那些。

振幅采样器和峰值检测器204对振幅数据进行采样并检测在一段时间或时间窗上的样本组中的峰值振幅。振幅数据分成一系列时间窗，针对其中的每一个确定峰值振幅。时间窗的持续时间和每个时间窗中的样本数目这二者均是可配置的，并且共同建立采样率。振幅采样器和峰值检测器204的输出是包络信号，或与针对每个时间窗的峰值振幅相对应的一系列DC电压电平。这也可称为“包络”信号。

包络信号随后由预失真LUT224进行处理。理想地，功率放大器150应线性地实施，但具有固有的非线性。这些非线性表现为增益失真并可使功率放大器的功率效率更低。该增益失真一般称为增益压缩，其是当在设备的线性区域外操作、或“以压缩形式”操作时的减少输出的参考。由ET电路130所实行的隐式供给改变通过驱动功率放大器150的供给进入和离开线性区域而潜在地加剧问题。预失真LUT224映射对功率放大器150的非线性响应加以抵消的非线性增益曲线，得到针对功率放大器150的一致线性增益曲线。可替代地，LUT224可实现为总是以压缩形式驱动功率放大器150。

乘法器206根据增益控制信号208调整包络信号的增益，使得包络信号的缩放与来自RFIC120的RF信号的功率缩放相匹配。DAC210随后将包络信号转换成模拟，其在此经过平滑滤波器212。“经调节”的包络信号随后驱动DC-DC转换器214，该DC-DC转换器214对功率放大器150供电。

图3是具有闭环增益控制电路的ET RF发射器300的另一个实施例的功能性框图。发射器300包括I/Q数据110、RFIC120、ET电路130、功率放大器150和天线160，全部来自图1。发射器300除了耦连器360、功率测量设备370、加法器380、增益和滤波器设备330和乘法器320以外，还包括来自图2的DC-DC转换器214。经放大的RF信号由功率放大器150所产生，并且经过耦连器360。耦连器360将大多数经放大的RF信号传递到天线160上用于传输，而一部分信号被反馈回到功率测试设备370。所测量的功率由加法器380来与参考电平或功率控制信号382相比较。差在到达乘法器320之前经过增益和滤波器模块330。乘法器320在闭环增益控制电路和开环增益控制384之间进行选择。乘法器320的输出是增益控制字（GCW）310。GCW310贯穿ET电路130和RFIC120指定各自的增益。

RFIC120包括延迟调整器216、DAC218、基带滤波器220和RF混频器222，全部来自图2。此外，RFIC120包括数字乘法器350和数字可变增益放大器（DVGA）340。数字乘法器350根据GCW310对I/Q数据110应用增益。DVGA340根据GCW310对经上转换的RF信号应用增益。在某些实施例中，对基带滤波器220的输出应用附加增益。

ET电路130包括振幅计算器202、振幅采样器和峰值检测器204、乘法器206、DAC210和平滑滤波器212，全部来自图2。乘法器206根据GCW310对由振幅采样器和峰值检测器204所生成的包络信号应用增益。在可替代实施例中，可在采样和峰值检测之前对来自振幅计算器202的振幅数据应用增益。

图4是ET方法的一个实施例的流程图。方法始于开始步骤410。在步骤420中，从数字输入信号计算振幅数据。在步骤430中，来自步骤420的振幅数据在时间窗上被采样。随后在时间窗内检测峰值振幅。在步骤440，生成与峰值振幅有关的包络信号。DC信号随后在步骤450中被缩放，以与由RFIC基于来自步骤420的数字输入信号所生成的RF信号的功率缩放相匹配。在步骤460中，经缩放的包络信号从数字转换成模拟，并且在步骤470中被平滑滤波。在步骤480中，经调节的DC信号驱动DC-DC转换器。DC-DC转换器对功率放大器供电，该功率放大器配置为放大来自RFIC的RF信号用于最终传输。方法结束于结束步骤490。

与本申请相关领域的技术人员应理解的是，可对所描述的实施例进行其他和进一步的附加、删除、替换和修改。

Claims (10)

1.一种用于射频传输的包络跟踪（ET）电路，包括：

振幅计算器，配置为生成逼近输入信号振幅的振幅信号；

峰值检测器，耦连到所述振幅计算器并配置为在时间窗内取得所述振幅信号的样本并产生表示所述样本之中的振幅峰值的包络信号；以及

信号调节器，耦连到所述峰值检测器并配置为调节所述包络信号用于驱动可操作以放大和发射基于所述输入信号的RF信号的功率放大器的电源输入级。

2.根据权利要求1所述的ET电路，其中所述信号调节器包括：

增益控制器，配置为将所述包络信号的增益调整到所述RF信号的增益；

数模转换器（DAC），耦连到所述增益控制器；以及

平滑滤波器，耦连到所述DAC。

3.根据权利要求1所述的ET电路，进一步包括预失真查找表（LUT），其配置为调整所述包络信号以缓和由所述功率放大器所引入的增益失真。

4.根据权利要求1所述的ET电路，其中所述振幅计算器采用线性振幅逼近算法。

5.根据权利要求1所述的ET电路，其中所述样本以每时间窗20个样本的速率被取得并且所述时间窗是250纳秒（ns）。

6.根据权利要求1所述的ET电路，其中所述输入信号是I/Q数据信号。

7.根据权利要求1所述的ET电路，进一步包括与所述振幅计算器和所述峰值检测器串行地耦连的可调整延迟模块，并且其可操作以确保所述包络信号与所述RF信号同步。

8.根据权利要求1所述的ET电路，进一步包括数字滤波器，所述包络信号在到达所述信号调节器之前经过所述数字滤波器。

9.一种用于射频（RF）传输的包络跟踪（ET）发射器，包括：

RF集成电路（RFIC），配置为基于输入I/Q数据信号生成RF信号；

功率放大器，具有RF输入级和电源输入级，并配置为放大所述RF信号用于后续传输；以及

ET功率控制器，配置为：

在一系列时间窗上对所述输入I/Q数据信号的振幅数据进行采样，

在所述一系列时间窗内检测各自的振幅峰值并基于所述各自的振幅峰值生成包络信号，以及

调整所述包络信号的增益以与所述RF信号的增益相匹配并应用数模转换器（DAC）和平滑滤波器来调节所述包络信号用于驱动所述功率放大器的所述电源输入级。

10.根据权利要求9所述的ET发射器，其中所述RFIC包括：

数模转换器（DAC），配置为将所述输入I/Q数据信号转换成模拟信号；

基带滤波器，耦连到所述DAC并配置为根据应用将基带信号传递到所述模拟信号；以及

RF混频器，耦连到所述基带滤波器并可操作以将所述基带信号的频率调整到所述RF信号的频率。