关于包络跟踪系统性能测试的结果介绍和应用

包络跟踪技术采用射频信号的包络作为功率放大器的电源，从而提高功率放大器的功率附加效率(PAE)。包络信号与射频信号的同步与对齐对于整体包络跟踪系统的效率提升具有重要影响，也给测试系统带来了较大的挑战。本文介绍了利用R&S公司的矢量信号发生器SMW200A和频谱与信号分析仪FSW对基于自主设计的SOI CMOS工艺的电源调制器芯片和功率放大器芯片搭建的4G LTE终端包络跟踪系统进行测试，同时获取最佳的效率和线性度性能。

Abstract: Envelope Tracking(ET) is a technology that radio frequency envelope is used as the supply of power amplifier, so the Power-added Efficiency(PAE) is improved. The synchronization and alignment between envelope and RF signals are very important for efficiency enhancement for the ET system, but also very challenge for test. In this paper, SOI CMOS based 4G LTE ET chipsets including supply modulator and power amplifier are tested with R&S SMW200A Vector Signal Generator and R&S FSW Signal & Spectrum Analyzer, and best trade-off between efficiency and linearity was obtained.

Key words: Envelope Tracking; Supply Modulator; Power Amplifier; SMW200A; FSW

1.引言

现代无线通信技术多采用高阶QAM调制以及OFDM等技术来提高频谱的利用率，例如4G LTE和802.11系列标准。复杂调制导致信号具有高达5-10 dB的峰均比PAPR (Peak to Average Power Ratio)，使得功率放大器必须进行更大的回退才能满足EVM的要求，大大降低了效率，减小了终端的待机时间。包络跟踪技术通过将射频信号的包络输入至电源调制器放大后作为功率放大器的电源电压，且跟随射频信号的幅度变化而变化，这将大大提高功率放大器的整体效率，延长移动终端的电池使用时间。

2.包络跟踪系统原理

图1 包络跟踪系统原理图

图2 包络跟踪功率放大器效率提升原理

如图一所示为包络跟踪系统原理框图，包含包络检波、电源调制器和功率放大器三个部分。射频信号经过检波后产生包络信号，包络信号通过电源调制器放大后输入给功率放大器作为电源信号，同时必须保证包络信号与输入功放的射频信号完全同步和对齐。如图二所示给出了包络跟踪功率放大器提升效率的基本原理：图中红色部分为作为热消耗的能量，蓝色部分为最终发射的有用射频信号，左侧图中固定电源功率放大器中一大部分能量作为热消耗掉，而右侧图中包络跟踪功率放大器中仅有很小一部分能量被热消耗。

3.包络跟踪功率放大器测试系统

包络跟踪技术给系统测试带来了巨大的挑战，包络跟踪功率放大器要在获得较高的整体效率同时还需要满足发射机EVM的要求，这就要求测试系统对包络信号具要有整形的功能以获取最佳效率和线性的折中。如图三所示为基于R&S设备的包络跟踪系统测试图，图四为R&S矢量信号发生器SMW200A-K540选件提供的包络跟踪系统软件界面，可以完成包络信号的整形优化，功能强大。包络跟踪系统最大的测试难点在于功率放大器的电源包络信号与射频输入信号的同步和对齐。要实现同步，射频信号与包络信号必须是同源信号，而要实现对齐，则要求矢量信号源必须具有延迟校准功能。本文使用R&S的矢量信号发生器SMW200A产生20 MHz LTE射频调制信号和包络信号，同时可以完成对包络信号的整形以及电源包络与射频信号的同步和对齐功能；使用R&S的频谱与信号分析仪FSW对LTE信号进行解调并测试其EVM, ACPR等性能。另外，R&S公司还可以提供单独测试功率放大器瞬时电源电压和电流的探头，并在FSW上显示其实际积分功率，最终可以单独测试功率放大器本身的PAE。

图3 R&S包络跟踪系统测试方案

图4 R&S SMW200-K540选件包络跟踪测试界面

4.包络跟踪系统测试结果

项目组基于Global Foundries 0.18微米SOI CMOS工艺设计了面向4G LTE终端的包络跟踪芯片组，其中包括了电源调制器芯片和功率放大器芯片，电源调制器支持20 MHz带宽，功率放大器工作频段为2.3-2.4 GHz，其芯片照片如图五所示，左侧为电源调制器芯片照片，右侧为功率放大器芯片照片。

图5 LTE电源调制器和功率放大器芯片照片

图6 电源包络信号 (红) 与射频信号 (紫) 对齐时域波形

采用基于图三和图四所示的R&S包络跟踪测试系统，完成了自主芯片搭建的包络跟踪系统的测试。信号源SMW200A输出了20 MHz LTE上行16QAM调制信号给功率放大器的射频输入端，同时信号源直接产生同步的包络信号给电源调制器输入端，通过放大后提供给功率放大器芯片作为电源。通过信号源SMW200A完成包络信号与射频信号的同步、对齐和整形处理，如图六所示为的时域波形图，其中红色信号为电源调制器输出给功率放大器电源的包络信号，紫色信号为射频信号，由图可见包络信号和射频信号实现了良好的同步和对齐。功率放大器输出的放大信号输入到R&S FSW频谱与信号分析中进行解调，最终测试星座图和EVM如图七所示，输出信号的ACPR如图八所示。测试结果显示，该包络跟踪功率放大器同时实现了30%的功率附加效率和3.4% EVM，详细测试结果参见论文[3]。

图7 20 MHz LTE包络跟踪系统EVM和星座图测试结果

图8 LTE包络跟踪系统ACPR测试结果

5.结束语

包络跟踪技术是提高功率放大器功率附加效率的重要方法，对于延长移动终端的待机时间具有重要意义。本文给出了包络跟踪技术的原理，基于R&S SMW200A矢量信号源和R&S SMW频谱和信号分析仪的包络跟踪功率放大器测试系统，并最终对自主研发的SOI CMOS电源调制器和功率放大器芯片进行了完整的采用20 MHz LTE调制信号的测试。