CN104124930B - 一种双功率模式包络跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双功率模式包络跟踪方法，包括以下几个步骤：步骤1：获取最大PAE整形表和恒定增益整形表；步骤2：通过误差矢量幅度不超过阈值EVM_th，来获得功率区域分界点P′_o；步骤3：确定恒定增益整形方法的最低增益值G_low，最高增益值G_high；步骤4：采用恒定增益整形方法时，放大器在高功率区域使用低增益值G_low，低功率区域使用高增益值G_high，来分别获得最好的性能。本发明在不同的功率区域选用不同恒定增益值的恒定增益整形方法，使低功率区域，此时效率也较低，提高线性性能；在高功率区域，满足一定线性的条件下，尽可能的提高效率。

Description

一种双功率模式包络跟踪方法

技术领域

本发明属于高效率通信(节能)领域，涉及采用包络跟踪放大器的包络整形方法研究，具体涉及一种对于不同的输出功率区域(低功率区域和高功率区域)，采用不同的包络整形方法，提高线性和效率。

背景技术

随着现代移动通信演进到4G(4^th generation)，LTE(Long term evolution)移动终端需要能在有限的功率内提供更高速率的数据服务。尽管高阶调制技术能改善频谱效率，但这会使已调信号具有较高的峰均比(PAPR)。为了放大这种高峰均比的信号，传统固定偏压的放大器需要工作在相对高的输出功率回退区域来避免信号在峰值处的失真。但是，功率回退的越多，功放的效率越低。而在收发机中，功放(PA)是移动终端中最重要的功耗部件，在功率回退区域的较低的效率意味着更短的电池寿命【1】。

为了改善在相对低的输出功率区域，几种效率增强的PA结构被提出，包括多尔蒂功率放大器(DPA)、使用非线性组件的线性放大(LINC)、包络消除和恢复(EER)以及包络跟踪技术(ET)【2】。

包络跟踪是指根据输入信号的瞬时包络，通过电源电压调制器控制输出放大器的供电电压。目前主要有这几种，【3】中PA的膝电压被用于补偿低输出功率时膝效应带来的强的非线性，电源调制器必须提供一个比膝电压大的电源电压。考虑到膝电压的变化，【4】使用了α因子的指数函数来调制电源电压，【5】中的方法是通过减少包络信号的带宽来减轻电源调制器的负担。【6】中通过双音互调仿真3阶和5阶互调来获得最佳点，通过最小互调点来跟踪输入信号包络调制电源电压，从而改善ETPA的线性。【7】是通过两并联支路获得两路不同的射频放大器特性来改善性能。其中，【4】和【5】的具有较高的实现复杂度，【7】会增加额外支路的复杂度，并且以上的方法都没有在非线性和效率的角度上进行综合考虑。

常用的包络跟踪方法有恒定增益跟踪、恒定增益压缩整形、最大PAE(功率附加效率)跟踪。

恒定增益整形(constant gain shaping)：

当包络信号随时间变化时，通过包络来调制射频功放的电源电压，使放大器始终能够获得相同的增益。

恒定增益压缩整形(Constantgain compression shaping)：

当包络信号不断变化时，通过包络来调制射频功放的电源电压，使放大器始终工作在相同的增益压缩点上，其中增益压缩指的是相对于最大增益而减小的增益值。

最大PAE整形(max PAE shaping):

当包络信号不断变化时，根据包络变化来调制电源电压，使得放大器始终获得最大的PAE。PAE(power added efficiency)指的是功率附加效率。

尽管最大PAE整形具有最好的效率，但它由于线性最差，经常与一些非线性技术(比如预失真)一起使用来满足LTE终端的要求，这会引入额外的系统实现复杂度。

参考文献：

[1]Gillenwater,Todd,and Manfred Schindler."Technology trends inmobile handsets."In Wireless Symposium(IWS),2013 IEEE International,pp.1-4.Apr.2013.

[2]Boumaiza,Slim."Advanced techniques for enhancing wireless RFtransmitters'power efficiency."Microelectronics,2008.ICM 2008.InternationalConference on,pp.68-73.IEEE,2008.

[3]Choi,Jinsung,Dongsu Kim,Daehyun Kang,and Bumman Kim,”A polartransmitter with CMOS programmable hysteretic-controlled hybrid switchingsupply modulator for multistandard applications,”Microwave Theory andTechniques,IEEE Transactions on,Volume.57,Issue.7 pp.1-5,July.2009.

[4]Hassan M,Larson L E,Leung V W,et al,“A wideband CMOS/GaAs HBTenvelope tracking power amplifier for 4G LTE mobile terminal applications,”Microwave Theory and Techniques,IEEE Transactions on,vol.60,Issue.5,pp.1321-1330,May.2012

[5]Jeong J,Kimball D F,Kwak M,et al,“Wideband envelope tracking poweramplifier with reduced bandwidth power supply waveform,”Microwave SymposiumDigest,2009.MTT’09.IEEE MTT-S International,pp.1381-1384,Jun.2009.

[6]Kim D,Choi J,Kang D,et al,“High efficiency and wideband envelopetracking power amplifier with sweet spot tracking,”Radio Frequency IntegratedCircuits Symposium(RFIC),2010 IEEE,pp.255-258,May.2010.

[7]Cho Y,Kang D,Kim J,et al.”A Dual Power-Mode Multi-Band PowerAmplifier With Envelope Tracking for Handset Applications,”Microwave Theoryand Techniques,IEEE Transactions on,Volume.61,Issue.4,pp.1608-1619,April.2011.

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种双功率模式包络跟踪方法，本发明采用双功率模式包络跟踪方法，通过将输出功率分为高功率区域和低功率区域，分别在不同区域采用增益值不同的恒定增益整形方法。在高功率区域，放大器使用低增益值的恒定增益方法，最大化的提高效率的同时，保持较好的线性，在低输出功率时，效率较低的情形下，保证线性。

一种双功率模式包络跟踪方法，包括以下几个步骤：

步骤1：获取最大PAE整形表和恒定增益整形表；

采用单音仿真，扫描不同放大器的偏置电压，获得放大器射频特性，射频特性包括功率附加效率、增益，然后得到最大PAE整形表和恒定增益整形表，即检测到的输入功率和偏置电压的关系；其中，采用最大PAE整形方法，获取最大PAE整形表，采用恒定增益整形方法，获取恒定增益整形表；

步骤2：通过误差矢量幅度不超过阈值EVM_th，来获得功率区域分界点P′_o；

P′_o＝min{P_o|EVM(P_O,G)≤EVM_th}

其中，EVM(P_O,G)是在不同输出功率和增益下的EVM，阈值EVM_th通过对放大器非线性的要求确定；

步骤3：确定恒定增益整形方法的最低增益值G_low，最高增益值G_high；

设置恒定增益整形方法的最低增益值G_low为最大PAE整形方法所能达到的最大增益：

恒定增益整形方法的最高增益值G_high由放大器所能达到的最大增益值确定：

G_high＝max(G(V_k,P_o)),k＝1,...,n

其中，G(V_k,P_o)为在电压为V_k、输出功率为P_o时，放大器所能达到的增益；

步骤4：采用恒定增益整形方法时，放大器在高功率区域使用低增益值G_low，低功率区域使用高增益值G_high，来分别获得最好的性能。

本发明的优点在于：

(1)本发明ET PA(包络跟踪放大器)选用恒定增益整形方法跟踪包络，相对于最大PAE整形方法具有较好的线性；

(2)本发明在不同的功率区域选用不同恒定增益值的恒定增益整形方法，使低功率区域，此时效率也较低，提高线性性能；在高功率区域，满足一定线性的条件下，尽可能的提高效率。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是本发明的单音信号仿真电路图；

图3是本发明的不同偏置电压下PAE特性；

图4是本发明的不同偏置电压下Gain特性；

图5是本发明的包络输入功率和偏置电压关系图；

图6是本发明的ADS仿真结构框图；

图7是本发明的恒定增益整形和最大PAE整形方法的Gain、PAE、EVM性能；

图8是本发明的低功率模式下的PAE和EVM性能；

图9是本发明的双模式包络跟踪性能图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种双功率模式包络跟踪方法，流程如图1所示，包括以下几个步骤：

步骤1：获取最大PAE整形表和恒定增益整形表。

单音仿真是一种测试放大器特性的方法，通过输入信号为单频信号，分析输入输出，获得放大器相关特性，采用单音仿真，扫描不同放大器的偏置电压(单音仿真就是放大器输入是单频信号，扫描偏置电压是放大器的供电电压，通过变化电压值，获得不同电压下的放大器特性)，获得放大器射频特性，射频特性包括功率附加效率(PAE)、增益(Gain)，然后得到最大PAE整形表和恒定增益整形表，即检测到的输入功率和偏置电压的关系。

采用最大PAE整形方法，获取最大PAE整形表，具体为：

电源电压分别设置为V1，V2，…，V_n，电源电压为放大器的供电电压，n为扫描的放大器的电压值的个数，放大器的PAE特性表示为PAE(V_n,P_o)，PAE(V_n,P_o)是以V_n和P_o为变量的函数，P_o是PA(Power amplifier是功率放大器)的输出功率。当电源电压V_k固定时，PA将会在输出功率处获得最大PAE。

由于在不同的偏置电压下，随着输出功率的变化，增益也随之变化。所以当PA在V_k处获得最大PAE，PA此时的增益为：

由于增益为输出功率和输入功率之差，当检测到的输入功率P_in满足：

此时，ET PA的电源电压将被调制为V_k。

为了使电源电压能够跟踪LTE信号的瞬时输入功率的变化，在V_k和V_k+1之中，采用线性插入算法。

最大PAE整形表是检测到的瞬时输出功率P_in和放大器的供电电压V_k的一种对应关系，就是说当输入信号为包络不断变化的LTE信号时，根据检测到的瞬时输出功率P_in，通过最大PAE整形表得到放大器的供电电压，使得功率放大器在不同输入功率下始终能获得最大的PAE。

采用恒定增益整形方法，获取恒定增益整形表，具体为：

电源电压分别设置为V₁，V₂，…，V_n，电源电压为放大器的供电电压，n为扫描的放大器的电压值的个数，当放大器的供电电压为V_k时，放大器的输出功率和增益G的关系可表示为

P_o＝Power(V_k,G),k＝1,...,n

当增益G为一恒定值，即G′_k时，此时的输出功率P′_o,k

P′_o,k＝Power(V_k,G′_k),k＝1,...,n

由于增益为输出功率和输入功率之差，当检测到的输入功率P_in满足：

P′_o,k-G′_k≤P_in＜P′_o,k-G′_k+1

此时，ET PA的电源电压将被调制为V_k。

为了使电源电压能够跟踪LTE信号的瞬时输入功率的变化，在V_k和V_k+1之中，采用线性插入算法。

恒定增益整形表是检测到的瞬时输出功率P_in和放大器的供电电压V_k的另一种对应关系，就是说当输入信号为包络不断变化的LTE信号时，根据检测到的瞬时输出功率，通过恒定增益整形表得到放大器的供电电压，使得功率放大器在不同输入功率下始终能获得恒定的增益。

步骤2：通过误差矢量幅度(EVM)不超过阈值EVM_th，来获得功率区域分界点P_o'。

P′_o＝min{P_o|EVM(P_O,G)≤EVM_th}

其中，EVM(P_O,G)是在不同输出功率和增益下的EVM，上式求得满足一定线性条件下的最小的输出功率值来作为功率区域的分界点，其中，阈值EVM_th通过对放大器非线性的要求确定，越小越好，本发明中小于5％。

步骤3：确定恒定增益整形方法的最低增益值G_low，最高增益值G_high。

选用恒定增益整形表来跟踪信号包络，并通过调节恒定增益整形方法的增益值来改善性能。由于恒定增益整形方法可以减少带内失真，并且恒定增益整形方法的平均增益越小，效率越高。所以恒定增益值可以持续减小来获得更高的效率，但不能小于最大PAE整形方法的增益值。

设置恒定增益整形方法的最低增益值G_low为最大PAE整形方法所能达到的最大增益：

恒定增益整形方法的最高增益值G_high可由放大器所能达到的最大增益值确定：

G_high＝max(G(V_k,P_o)),k＝1,...,n

其中，G(V_k,P_o)为在电压为V_k、输出功率为P_o时，放大器所能达到的增益。

步骤4：采用恒定增益整形方法时，放大器在高功率区域使用低增益值G_low，低功率区域使用高增益值G_high，来分别获得最好的性能。

实施例：

一种双功率模式包络跟踪方法，包括以下步骤：

步骤1：获取最大PAE整形表和恒定增益整形表。

通过扫描不同放大器的偏置电压，来获得放大器的功率附加效率(PAE)、增益(Gain)特性。从而获得最大PAE整形表和恒定增益整形表，即检测到的输入功率和偏置电压的关系。

如图2所示，图中，Source为单音仿真信号源，它的负极接地，正极接到PA的输入端,输入端端口为in，V-DC SRC2是基极偏置电压，它的负极接地，正极接正极接到PA的基极，端口为Gate、V-DC SRC1是漏极偏置电压，，它的负极接地，正极接正极接到PA的漏极，端口为Drain,即本发明中的电源电压，Term Load为负载，它的负极接地，正极接正极接到PA的输出端，端口为Drain，owerAmp_wBiasPins为功率放大器，它有四个端口in,Gate、Drain和Out。单音仿真时，通过扫描漏极偏置电压和改变单音信号的功率，得到放大器的射频特性。仿真平台：Advanced Design System。

仿真参数：输入信号为单音信号，频率为2GHz，放大器由NEC900晶体管搭建而成。基极偏置为1.5V，使放大器工作在A类，扫描漏极偏置电压从1.5V到6V。

其中恒定增益整形取了12dB和10dB，恒定增益压缩整形取了2dB，如图3、图4所示。

然后按上述步骤一的公式取出恒定增益整形方法和最大PAE整形方法的增益和输出功率的对应关系，进而求得输入功率和漏接偏置电压的对应关系。其中，为了与传统恒定6V固定偏压情形对比，恒定6V也被加入其中。在在V_k和V_k+1之中，采用线性插入算法。它们之间的关系如下图5所示。

步骤2：通过EVM来测量输入输出信号的误差矢量幅度，通过EVM_th来决定输出功率的分界点。

输入信号为LTE信号，可以得到不同整形方法的EVM性能。ET仿真结构框图如图6所示，Modulated signal为已调LTE信号、I/Q代表信号I路/Q路信息，通过I/Q计算出Envelopeinformation(包络信息)，通过shaping(整形方法)调制放大器的Supply Voltage(电源电压)，放大器是NEC900系列的晶体管搭建的，放大器输出接负载load来获得输出功率热性。

仿真参数：5M带宽上行LTE信号，16QAM调制，全资源块分配(RB)、载波频率2GHz,包络调制器为一行为级模型，能根据检测到的包络信息输出相应的电压。

PAPR：6.454；过采样率：4；仿真采样间隔1/(2*3.84*10⁶*4)＝32.55ns；仿真时长1ms；则N＝1/(32.55*10^-6)＝30721

如图7所示，EVM阈值取3％时，通过EVM<3％时，最小的输出功率点Po’作为双模式输出功率的分界点；

步骤3：本仿真中恒定增益整形方法的最小增益值为9.2dB，最大值为12dB。

步骤4：在不同的功率区域选用合适增益值的包络整形方法来获得性能提升。在高功率区域，放大器使用低增益值的恒定增益方法，最大化的提高效率的同时，保持较好的线性；在低输出功率时，效率较低的情形下，保证线性。结果如图9所示。

图7可以看出，尽管最大PAE整形使放大器获得最大的效率，但在高功率区域，它的EVM性能至少比恒定整形的性能差2倍。当平均输出功率位于[12,22]dBm,恒定9.2dB整形方法能够使EVM保持在3％以下的同时，尽可能的最大化PAE。当输出功率高于22dBm时，由于放大器工作在饱和区域，EVM的性能将会迅速恶化。

图8所示，在低功率区域，平均PAE的性能差异远小于EVM性能的差异，所以在低功率区域，减少射频放大器的非线性显得更为重要。恒定6V整形(非包络跟踪)和恒定12dB增益整形(包络跟踪)，在输出功率小于12dBm时，都有很好的线性。但考虑到采用包络跟踪技术会有更好的效率，所以恒定12dB增益整形是在低功率区域最适合的整形方法，并且在改善线性的同时不会损失太多的效率。

总之，一种双模式整形方法被应用于不同的输出功率。在低功率区域，具有高增益值的恒定增益整形方法被用于改善线性；在高功率区域，具有低增益值的恒定增益整形方法被用于改善效率而不引入过多的失真。

Claims (3)

1.一种双功率模式包络跟踪方法，包括以下几个步骤：

步骤1：获取最大PAE整形表和恒定增益整形表；

采用单音仿真，扫描不同放大器的偏置电压，获得放大器射频特性，射频特性包括功率附加效率、增益，然后得到最大PAE整形表和恒定增益整形表，即检测到的输入功率和偏置电压的关系；其中，采用最大PAE整形方法，获取最大PAE整形表，采用恒定增益整形方法，获取恒定增益整形表；

步骤2：通过误差矢量幅度不超过阈值EVM_th，来获得功率区域分界点P′_o；

P′_o＝min{P_o|EVM(P_O,G)≤EVM_th}

其中，EVM(P_O,G)是在不同输出功率和增益下的EVM，其中EVM为误差矢量幅度，阈值EVM_th通过对放大器非线性的要求确定；

步骤3：确定恒定增益整形方法的最低增益值G_low，最高增益值G_high；

设置恒定增益整形方法的最低增益值G_low为最大PAE整形方法所能达到的最大增益：

$G_{low}=max\left(G_k^{*}\right),k=1,...,n$

恒定增益整形方法的最高增益值G_high由放大器所能达到的最大增益值确定：

G_high＝max(G(V_k,P_o)),k＝1,...,n

其中，G(V_k,P_o)为在电压为V_k、输出功率为P_o时，放大器所能达到的增益；

步骤4：采用恒定增益整形方法时，放大器在高功率区域使用低增益值G_low，低功率区域使用高增益值G_high，来分别获得最好的性能。

2.根据权利要求1所述的一种双功率模式包络跟踪方法，所述的步骤1中，采用最大PAE整形方法，获取最大PAE整形表，具体为：

电源电压分别设置为V₁,V₂,…,V_n，电源电压为放大器的供电电压，n为扫描的放大器的电压值的个数，放大器的PAE特性表示为PAE(V_n,P_o)，PAE(V_n,P_o)是以V_n和P_o为变量的函数，P_o是PA的输出功率；当电源电压V_k固定时，PA将会在输出功率处获得最大PAE；

$P_{o,k}^{*}=\underset{P_o}{\mathrm{argmax}}\left(PAE\right(V_k,P_o\left)\right),k=1,...,n$

当PA在V_k处获得最大PAE，PA此时的增益为：

$G_k^{*}=Gain(V_k,P_{o,k}^{*}),k=1,...,n$

由于增益为输出功率和输入功率之差，当检测到的输入功率P_in满足：

$P_{o,k}^{*}-G_k^{*}\&le;P_{in}<P_{o,k+1}^{*}-G_{k+1}^{*}$

此时，ET PA的电源电压将被调制为V_k，其中ET PA为包络跟踪放大器，为了使电源电压能够跟踪LTE信号的瞬时输入功率的变化，在V_k和V_k+1之中，采用线性插入算法。

3.根据权利要求1所述的一种双功率模式包络跟踪方法，所述的步骤1中，采用恒定增益整形方法，获取恒定增益整形表，具体为：

电源电压分别设置为V₁,V₂,…,V_n，电源电压为放大器的供电电压，n为扫描的放大器的电压值的个数，当放大器的供电电压为V_k时，放大器的输出功率和增益G的关系表示为：

P_o＝Power(V_k,G),k＝1,...,n

当增益G为一恒定值，即G′_k时，此时的输出功率P′_o,k

P′_o,k＝Power(V_k,G′_k),k＝1,...,n

由于增益为输出功率和输入功率之差，当检测到的输入功率P_in满足：

P′_o，k-G′_k≤P_in＜P′_o,k-G′_k+1

此时，ET PA的电源电压将被调制为V_k，为了使电源电压能够跟踪LTE信号的瞬时输入功率的变化，在V_k和V_k+1之中，采用线性插入算法。