TW201442440A - 用於射頻傳輸之包絡追蹤電路與方法及包絡追蹤傳輸器 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種包絡追蹤(ET)方法和包絡追蹤電路。該包絡追蹤電路的一具體實施例係用於射頻(RF)傳輸，其包括：(1)一振幅計算器，其設置成產生近似於一輸入信號振幅的一振幅信號，(2)一峰值偵測器，其設置成採取在一時間窗內該振幅信號的樣本，並產生代表在該等樣本當中一振幅峰值的一包絡信號，及(3)一信號調節器，其設置成調節該包絡信號，以驅動一功率放大器之一電力供應輸入級來操作成基於該輸入信號放大和傳輸一射頻信號。

Description

用於射頻傳輸之包絡追蹤電路與方法及包絡追蹤傳輸器 【相關申請案之交互參考】

本申請案主張由Bellaouar等人於2013年2月26日所立案之美國臨時專利申請編號61/796,424之優先權，其名為「使用取樣包絡技術之功率放大器效率改善方法」(“METHOD OF POWER AMPLIFIER EFFICIENCY IMPROVEMENT USING SAMPLED ENVELOPE TECHNIQUE”)，以及由Bellaouar等人於2013年4月16日所立案之美國專利申請編號13/863,810之優先權，其名為「用於射頻傳輸之包絡追蹤電路與方法及包絡追蹤傳輸器」(“CIRCUIT AND METHOD FOR ENVELOPE TRACKING AND ENVELOPE-TRACKING TRANSMITTER FOR RADIO-FREQUECY TRANSMISSION”)，該兩者皆由本申請案受讓而於此引用加入做為參照。

本申請案概略關於射頻(RF,“Radio frequency”)傳輸器，更特定而言係關於射頻傳輸器中所使用的功率放大器之包絡追蹤(ET,“Envelope tracking”)技術。

射頻傳輸器中所使用的射頻功率放大器係用於將低功率射頻信號轉換成較高功率的信號，典型應用為用於驅動天線。所傳輸的射頻信號基本上係根據某種調變方式進行調變，所得到之隨時間調變的波形具有一峰值振幅和一均方根振幅，以及其它特性。這兩種特性之平方的比例稱之為峰值對平均功率比例(PAPR,“Peak-to-average power ratio”)，做為該波形峰值功率和平均功率之比較。習用的功率放大器由一固定供應電壓供電，其在峰值功率或低PAPR之下可最有效率地運作。當該波形的PAPR增加時，該功率放大器在低於峰值功率和低於最高效率之下會花費較多的時間來運作。過多功率(損耗)通常由RF傳輸器散發為熱量，經常造成冷卻元件需要更多的功率消耗。

對於射頻系統的需求日益增高。現今的系統需要在更緊縮的頻寬上支援更高的資料速率。另外，RF裝置的日益增多亦造成支援多重頻率波段的需求。頻譜的新波段需要持續被釋出來滿足容量需求。這些因素之每一者都造成了射頻傳輸器功率消耗的增加，特別是功率放大器中功率需求增加且效率降低。隨著需求成長，射頻技術亦隨之進步。例如，3G,4G與長期演進(LTE,“Long term evolution”)通訊網路的演進使得射頻信號動態範圍的顯著增加，並增加了峰值功率來容納更高的資料速率以及更為複雜的調變方式。可使用多種頻道編碼和調變技術、需要更寬廣的頻道頻寬、以及高PAPR的調變方式皆需要電力的可用性與效率。

包絡追蹤(ET)已被引進用於功率放大器來確保功率放大器對於任何給定的瞬間輸出功率需求皆可在峰值效率下運作。利用了包絡追蹤，功率放大器供應電壓可自其最大值降低以追蹤該射頻信號的「包絡」，藉此降低以熱量型式被散逸的能量。

本發明一種態樣提供用於射頻傳輸的包絡追蹤(ET)電路，其 包括：(1)一振幅計算器，用於產生近似於一輸入信號振幅的一振幅信號，(2)一峰值偵測器，其耦合於該振幅計算器用於在一時間窗內取樣該振幅信號的樣本，並產生代表在該等樣本當中一振幅峰值的一包絡信號，及(3)一信號調節器，其耦合於該峰值偵測器用於調節該包絡信號，以驅動一功率放大器之一電力供應輸入級來操作成基於該輸入信號放大和傳輸一射頻信號。

本發明另一種態樣提供一種包絡追蹤方法，其包括：(1)於一時間窗當中取樣自一輸入信號記算之振幅資料，並辨識出在該時間窗內的一振幅峰值，(2)產生關連於該振幅峰值的一DC信號，其基於該輸入信號標度來匹配一射頻信號的該功率標度，及(3)調節該DC信號以供應電力給設置成放大該射頻信號的一功率放大器來進行後續的傳輸。

本發明又另一種態樣提供用於射頻傳輸的一包絡追蹤傳輸器，其包括：(1)一射頻積體電路(RFIC)，其設置成基於一輸入I/Q資料信號來產生一射頻信號，(2)一功率放大器，其具有一射頻輸入級和一電力供應輸入級，且設置成放大該射頻信號以用於後續的傳輸，及(3)一包絡追蹤功率控制器。在一具體實施例中，該包絡追蹤功率控制器設置成：(3a)在一系列的時間窗當中取樣該輸入I/Q資料信號的振幅資料，(3b)偵測該系列的時間窗當中個別的振幅峰值，並基於該個別的振幅峰值產生一包絡信號，及(3c)調整該包絡信號的增益以匹配於該射頻信號的增益，並應用一數位-類比轉換器(DAC,“Digital-to-analog converter”)與平滑濾波器來調節該包絡信號以驅動該功率放大器之該電力供應輸入級。

100‧‧‧射頻傳輸器

110‧‧‧I/Q資料

120‧‧‧射頻積體電路

130‧‧‧包絡追蹤電路

140‧‧‧電源供應

150‧‧‧功率放大器

160‧‧‧天線

200‧‧‧包絡追蹤射頻傳輸器

202‧‧‧振幅計算器

204‧‧‧振幅取樣器和峰值偵測器

206‧‧‧乘法器

208‧‧‧增益控制信號

210‧‧‧數位-類比轉換器

212‧‧‧平滑濾波器

214‧‧‧DC-DC轉換器

216‧‧‧延遲調整器

218‧‧‧數位-類比轉換器

220‧‧‧基帶濾波器

222‧‧‧射頻混合器

224‧‧‧預失真查找表

300‧‧‧包絡追蹤射頻傳輸器

310‧‧‧增益控制字元

320‧‧‧多工器

330‧‧‧增益和濾波模組

340‧‧‧數位可變增益放大器

350‧‧‧數位乘法器

360‧‧‧耦合器

370‧‧‧功率測量裝置

380‧‧‧加法器

382‧‧‧功率控制信號

384‧‧‧開迴路增益控制

現在係參照該等附屬圖式進行以下的說明，其中：圖1在其中引進有該包絡追蹤電路和包絡追蹤方法而實施或執行的一射頻傳輸器之方塊圖； 圖2為一包絡追蹤射頻傳輸器的具體實施例之功能性方塊圖；圖3為具有一閉迴路增益控制的一包絡追蹤射頻傳輸器的另一具體實施例之功能性方塊圖；及圖4為一包絡追蹤方法的一具體實施例之流程圖。

對於一波形的基本包絡追蹤係利用一I/O資料的串流來開始，其為該波形的大小與相位資料的X-Y表示。該I/Q資料用於在一射頻積體電路(RFIC)中來產生一射頻信號以驅動一功率放大器，且最終被傳輸。在一射頻傳輸器中，一RFIC通常包括一數位-類比轉換器(DAC)以將該數位I/Q資料轉換成一類比波形。然後該波形經由一基帶濾波器傳送，然後升頻轉換成用於傳輸的一載波頻率。此時，該RFIC已經產生最終要由該功率放大器放大的該射頻信號。

一包絡由該I/Q資料產生，其通常係基於該波形的振幅。除了使用例如電池的一固定電源供應來供電給該功率放大器，該包絡係結合一電源供應來使用。一種組態能夠將該包絡調變到該電源供應輸出之上，其結果成為追蹤該包絡的一經調變的供應信號。

包絡追蹤電路基本上利用多種其它的組件來對該包絡進行濾波、偏位、調整增益、或執行其它處理，藉以改善其供應該功率放大器之條件。這些組件通常必須具有一大的頻寬來支援高頻率、高資料速率的通訊，例如LTE 10-20MHz。一些包絡追蹤電路使用一DC-DC轉換器來供應給該功率放大器。在該包絡追蹤電路中任何的DC-DC轉換器必須在一快速切換速度下運作以處理振幅中的快速變化。在包絡追蹤電路中經常使用一DAC和一濾波器來調節該包絡信號。這些裝置必須為高速及低雜訊。在高頻率、高資料速率傳輸器中關於雜訊亦有多種其它的包絡追蹤電路的影 響實例，其中包括藉由使得該接收器較不敏感於雜訊(去敏感化)以及降低該功率放大器之供應級處的電容值來降低所傳輸的雜訊，即可降低該功率放大器的電力供應拒斥比(PSRR,“Power supply rejection ratio”)。

此處可瞭解到一包絡追蹤電路能夠減輕對於頻寬的限制，因此可限制被傳輸的雜訊，並減輕該DC-DC轉換器的速度需求。該包絡追蹤電路必須在該功率放大器達到相似的功率效率。

此處可瞭解到該振幅資料可於一系列的時間窗當中進行取樣。這些時間窗為奈秒(ns)等級，例如200ns。該取樣速率定義了在一給定的時間窗中樣本的數目，其中於此可瞭解到，透過此過程即可決定一峰值振幅。例如，如果該取樣速率為每個時間窗20個樣本，即可評估20個振幅樣本，並找出該給定時間窗的最大值。振幅取樣和峰值偵測的輸出為針對每一時間窗的一DC電壓位準或包絡信號。在此可瞭解到可使用一查找表(LUT,“Lookup table”)來標度該DC電壓位準。此標度可允許該包絡追蹤電路辨識出在該功率放大器中的壓縮，並修正由於在該供應中的變化所造成的功率放大器增益失真。視需要利用的該查找表有時稱之為一預失真查找表。該查找表的應用可在振幅取樣和峰值偵測之前或之後來進行。

該等系列的時間窗之輸出形成一包絡信號，其最終用於供應該功率放大器。然後該包絡信號被標度來匹配該射頻信號的標度。有多種方法可達成該標度，包括使用一閉迴路功率控制電路。另一個方法為將該包絡追蹤電路的調整因子「緊密結合」於該RFIC的調整因子。增益可被應用在該包絡追蹤電路與RFIC中不同處。在該包絡追蹤電路中，增益可被應用在振幅取樣和峰值偵測之前或之後，或有可能之前或之後都應用。

該包絡信號亦在供應該功率放大器之前進行調節。該包絡信號可被傳送通過一DAC，然後平滑濾波出該包絡信號。該包絡信號亦可在通過該DAC之前被數位濾波。然後該包絡信號可被用於驅動供應該功率放大器之該DC-DC轉換器。在此可瞭解到此包絡信號並未要求在習用包絡追 蹤電路中常見的大頻寬。該DC-DC轉換器可為較低頻寬，並可降低該切換速度。因此，在此處可瞭解到該DC-DC轉換器可過濾掉量化雜訊、熱雜訊、突波和該包絡追蹤電路所產生的其它雜訊。在此另可瞭解到並不需要降低於該功率放大器的該供應級處的電容值即可改善PSRR。

在RFIC中，基本上係需要加入一延遲元件來確保到達該功率放大器的該射頻信號可適當地與來自該包絡追蹤電路並供應該功率放大器的該包絡信號同步進行。例如，驅動該RFIC的I/Q資料可被延遲來對準於在該包絡追蹤電路中的延遲。另外，在該包絡追蹤電路中需要有延遲元件，或有可能在該包絡追蹤電路與該RFIC中皆需要。延遲調整可藉由多種裝置來完成，其中包括整數延遲與分數延遲。

在此處可瞭解到該包絡追蹤電路可結合於一閉迴路功率控制電路來管理施加於該包絡追蹤電路與RFIC中的多種增益。該等多種增益之目的在於確保來自該包絡追蹤電路的該包絡信號被調整成匹配於來自該RFIC之射頻信號的增益。此外，在此處可瞭解到一DC偏位電壓可在進行任何調節之前或之後被施加到該包絡信號，其中包括有任何的DAC、濾波器或DC-DC轉換器調節時。

在說明此處所引進之包絡追蹤電路或包絡追蹤方法的多種具體實施例之前，將說明在可實施或執行的包絡追蹤電路或包絡追蹤方法當中的一射頻傳輸器。

圖1為一射頻傳輸器100的方塊圖。傳輸器100包括I/Q資料110、一RFIC 120、一包絡追蹤電路130、一電源供應140、一功率放大器150和一天線160。I/Q資料110為數位來源資料，由此RFIC 120產生一類比波形，而被基帶濾波和升頻轉換成為一射頻信號。該射頻信號最終透過功率放大器150放大成功率大出許多的射頻信號，並由天線160傳輸。

包絡追蹤電路130使用I/Q資料110來產生由RFIC 120產生的該波形之包絡。然後該包絡信號被調整，並結合電源供應140用於供 應電力給功率放大器150，使得該供應追蹤該包絡，且可改善功率放大器150的效率。

在已經說明可以實施或執行的包絡追蹤電路或包絡追蹤方法當中的一射頻傳輸器之後，將說明該包絡追蹤電路與方法的多種具體實施例。

圖2為一包絡追蹤射頻傳輸器200的一具體實施例之功能性方塊圖。傳輸器200包括I/Q資料110、RFIC 120、包絡追蹤電路130、功率放大器150和天線160，這些皆來自圖1。傳輸器200亦包括一DC-DC轉換器214。在此具體實施例中，RFIC包括一延遲調整器216、一DAC 218、一基帶濾波器220和一射頻混合器222。I/Q資料110由延遲調整器216所延遲，使得其對準於在包絡追蹤電路130中產生的該包絡信號，且最終用於供電給功率放大器150。該經延遲的I/Q資料由DAC 218轉換成一類比波形。該類比波形傳送通過基帶濾波器220，並由射頻混合器222升頻轉換到一載波頻率。所得到的射頻信號即由功率放大器150放大，並由天線160傳輸。

包絡追蹤電路130包括一振幅計算器202、一振幅取樣器與峰值偵測器204、一預失真查找表224、一乘法器206、一DAC 210和一平滑濾波器212。振幅計算器202使用I/Q資料110來近似於該波形之該振幅。已有多種方法可用於進行此近似，其中包括線性振幅近似與遞迴演算法，例如在座標旋轉數位計算器(CORDIC,“Coordinate rotation digital computer”)中所使用者。

振幅取樣器和峰值偵測器204在一段時間或該時間窗內一群組的樣本中取樣該振幅資料，並偵測一峰值振幅。該振幅資料被區分成一系列的時間窗，其中針對每一者偵測一峰值振幅。該時間窗的持續時間和在每一時間窗中樣本的數目皆為可設定的，且共同建立一取樣速率。振幅取樣器和峰值偵測器204之輸出為一包絡信號，或是對應於每一時間窗 的該峰值振幅的一系列之DC電壓位準。此亦可稱為一「包絡」信號。

然後該包絡信號由預失真查找表224進行處理。功率放大器150理想上必須線性地執行，但其具有固有的非線性特性。這些非線性特性顯示為增益失真，並使得該功率放大器之電力較無效能。此增益失真通常稱之為增益壓縮，其為當在該裝置的線性區域之外運作或以「壓縮」(in compression)方式運作時，該經降低的輸出之一基準。由包絡追蹤電路130進行的隱性供應變化有可能藉由驅動功率放大器150之供應該線性範圍之內與之外的區域，加重此增益失真的問題。預失真查找表224映射一非線性增益曲線，其抵銷功率放大器150之該非線性響應，並產生功率放大器150的一致性線性增益曲線。另外，查找表224可被實作成永遠以壓縮方式驅動功率放大器150。

乘法器206根據一增益控制信號208調整該包絡信號的增益，使得該包絡信號的標度可匹配於來自RFIC 120的該射頻信號之功率標度。然後DAC 210傳送通過平滑濾波器212，並轉換該包絡信號為類比。然後該「經調整」的包絡信號驅動DC-DC轉換器214，其即供應電力給功率放大器150。

圖3為具有一閉迴路增益控制電路的一包絡追蹤射頻傳輸器300的另一具體實施例之功能性方塊圖。傳輸器300包括I/Q資料110、RFIC 120、包絡追蹤電路130、功率放大器150和天線160，其皆來自於圖1。傳輸器300亦包括來自圖2的DC-DC轉換器214，一耦合器360之外，還有一功率測量裝置370、一加法器380、一增益和濾波裝置330和一多工器320。一經放大的射頻信號由功率放大器150產生，並傳送通過耦合器360。耦合器360傳送大部份的該經放大的射頻信號到天線160上進行傳輸，而該信號的一部份反饋回到功率測量裝置370。經測量的功率由加法器380與一基準位準或功率控制信號382做比較。該差異在到達多工器320之前傳送通過增益和濾波模組330。多工器320在一閉迴路增益控制電路與一 開迴路增益控制384之間做選擇。多工器320的輸出為一增益控制字元(GCW,“Gain control word”)310。GCW 310說明包絡追蹤電路130與RFIC 120中的個別增益。

RFIC 120包括延遲調整器216、DAC 218、基帶濾波器220和射頻混合器222，其皆來自於圖2。此外，RFIC 120包括一數位乘法器350和一數位可變增益放大器(DVGA,“Digital variable gain amplifier”)340。數位乘法器350根據GCW 310施加一增益到I/Q資料110。DVGA 340根據GCW 310施加一增益到該經升頻轉換的射頻信號。在某些具體實施例中，額外增益會施加到基帶濾波器220的輸出。

包絡追蹤電路130包括振幅計算器202、振幅取樣器和峰值偵測器204、乘法器206、DAC 210、和平滑濾波器212，其皆來自於圖2。乘法器206根據GCW 310施加一增益到由振幅取樣器和峰值偵測器204所產生的該包絡信號，在其它具體實施例中，一增益可在取樣和峰值偵測之前，施加到振幅計算器202之該振幅資料。

圖4為一包絡追蹤方法的一具體實施例之流程圖。該方法始於一開始步驟410。在步驟420，振幅資料由一數位輸入信號計算出來。步驟420的該振幅資料在步驟430中，於一時間窗中被取樣。然後偵測出在該時間窗之內的一峰值振幅。在步驟440，產生關於該峰值振幅的一包絡信號。然後該DC信號在步驟450中，基於來自步驟420的該數位輸入信號進行標度以匹配於由一RFIC產生的一射頻信號之該功率標度。該經標度的包絡信號在步驟460中由數位轉換成類比，並在步驟470中進行平滑濾波。該經調整的DC信號在步驟480中驅動一DC-DC轉換器。該DC-DC轉換器供應電力給一功率放大器，其被設置成放大該RFIC之該射頻信號來用於最終的傳輸。該方法結束於一結束步驟490。

本申請案相關領域的專業人士將可瞭解到可對該描述具體實施例進行其它的與進一步的加入、刪除、取代和修改。

110‧‧‧I/Q資料

120‧‧‧射頻積體電路

130‧‧‧包絡追蹤電路

150‧‧‧功率放大器

160‧‧‧天線

200‧‧‧包絡追蹤射頻傳輸器

202‧‧‧振幅計算器

204‧‧‧振幅取樣器和峰值偵測器

206‧‧‧乘法器

208‧‧‧增益控制信號

210‧‧‧數位-類比轉換器

212‧‧‧平滑濾波器

214‧‧‧DC-DC轉換器

216‧‧‧延遲調整器

218‧‧‧數位-類比轉換器

220‧‧‧基帶濾波器

222‧‧‧射頻混合器

224‧‧‧預失真查找表

Claims (10)

1. 一種用於射頻傳輸的包絡追蹤(ET)電路，其包括：一振幅計算器，其設置成產生一振幅信號來近似於一輸入信號的該振幅；一峰值偵測器，其耦合於該振幅計算器，並設置成在一時間窗內採取該振幅信號的樣本，且產生可代表在該等樣本當中一振幅峰值的一包絡信號；及一信號調節器，其耦合於該峰值偵測器，並設置成基於該輸入信號調節該包絡信號以驅動用於放大和傳輸一射頻信號的一功率放大器之一電源供應輸入級。
2. 如申請專利範圍第1項之該包絡追蹤電路，其中該信號調節器包括：一增益控制器，其設置成調整該包絡信號的該增益成該射頻信號的增益；一耦合於該增益控制器的數位-類比轉換器(DAC)；及一耦合於該DAC的平滑濾波器。
3. 如申請專利範圍第1項之該包絡追蹤電路，另包括一預失真查找表(LUT)，其設置成調整該包絡信號以減輕由該功率放大器所引致的增益失真。
4. 如申請專利範圍第1項之該包絡追蹤電路，其中該振幅計算器利用一線性振幅近似演算法。
5. 如申請專利範圍第1項之該包絡追蹤電路，其中該等樣本係以每個時 間充20個樣本的速率來採取，且該時間窗為250奈秒(ns)。
6. 如申請專利範圍第1項之該包絡追蹤電路，其中該輸入信號為一I/Q資料信號。
7. 如申請專利範圍第1項之該包絡追蹤電路，另包括一可調整延遲模組，其串聯地耦合於該振幅計算器和該峰值偵測器，且可操作來確保該包絡信號可與該射頻信號同步。
8. 如申請專利範圍第1項之該包絡追蹤電路，另包括一數位濾波器，該包絡信號在到達該信號調節器之前通過其中。
9. 一種用於射頻(RF)傳輸的包絡追蹤(ET)傳輸器，其包括：一射頻積體電路(RFIC)，其設置成基於一輸入I/Q資料信號產生一射頻信號；一具有一射頻輸入級和一電源供應輸入級的功率放大器，且其設置成放大該射頻信號用於後續的傳輸；及一包絡追蹤功率控制器，其設置成：於一系列的時間窗當中取樣該輸入I/Q資料信號的振幅資料，偵測在該等系列的時間窗內個別的振幅峰值，並基於該等個別的振幅峰值產生一包絡信號，及調整該包絡信號之該增益以匹配於該射頻信號的增益，並應用一數位-類比轉換器(DAC)和平滑濾波器來調節該包絡信號，用以驅動該功率放大器的該電源供應輸入級。
10. 如申請專利範圍第9項之包絡追蹤傳輸器，其中該RFIC包括： 一數位-類比轉換器(DAC)，其設置成轉換該輸入I/Q資料信號成為一類比信號；一基帶濾波器，其耦合於該DAC，並設置成在應用到該類比信號時傳送一基帶信號；及一射頻混合器，其耦合於該基帶濾波器，並可操作來調整該基帶信號的頻率到該射頻信號的頻率。