解讀5G新技術：包絡跟蹤 (ET)設計技術

射頻功率放大器（PA）是耗能大戶，這是與5G相關特點有關。包絡跟蹤技術有助于降低功耗，但也有利弊。

在計算射頻功率放大器效率中，涵蓋了放大器的功率效率（PE）和峰值平均功率射頻（PAPR）的基本概念。此外，無線信號中的高峰值平均功率比（PAPR）阻礙了實現(xiàn)最佳功率效率的。由于無線調(diào)制具有較高的均峰比（PAPR），功率放大器（PA）的設計采用了新的方法。其中一種設計方法被稱為包絡跟蹤。

簡單說一下這個技術的由來。隨著智能手機的普及，越來越大的屏幕尺寸和越來越多的需要顯示屏常亮應用，這就需要移動電話具備更長的電池壽命、基站需具備更高電源效率，以及昂貴的射頻傳送器需要實現(xiàn)更大輸出功率。一般而言，手機上常用的有兩種PA的省電技術，一種是平均功率跟蹤技術（APT），另外一種是包絡跟蹤（ET）。由于，APT相對比較粗糙，ET比較精細。與平均功率跟蹤技術相比，包絡跟蹤（ET）技術更像是按需定制，讓功放的供電電壓隨輸入信號的包絡變化。行業(yè)逐漸從APT向ET過渡。

包絡跟蹤并不是一個新想法。人們普遍認為，20世紀30年代早期Loy Barton發(fā)明了這項技術。Barton致力于提高功率放大器的效率，包括發(fā)明B類放大器。那是在AM廣播和真空管功率放大器的時代。功率放大器的效率在當時是一個大問題，因為廣播電臺努力發(fā)出盡可能大的信號。使用包絡跟蹤來改善射頻功放（PA）系統(tǒng)的效率逐漸成為了一種行之有效的解決辦法。包絡跟蹤已被應用于無線基站和移動設備的半導體放大器。

ET如何提高PA效率？

包絡跟蹤能否提高效率關鍵在于功放的峰值與平均功率比（PAPR）的要求。其工作原理如下圖：包絡跟蹤系統(tǒng)原理框圖包含包絡檢波、電源調(diào)制器和功率放大器三個部分。射頻信號經(jīng)過檢波后產(chǎn)生包絡信號，包絡信號通過電源調(diào)制器放大后輸入給功率放大器作為電源信號。

研究顯示，在使用固定的供電電壓時，功放的峰值效率可以高達65%，但由于給定的峰均比（PAPR）高達10，因此，平均效率有可能低于25%。通過調(diào)制功放的供電電壓，可改善功放平均效率達50%以上——相當于效率增長達一倍和減少功放損耗達三分之二。這樣不僅降低功耗，也降低操作成本，并滿足散熱及尺寸等各方面的要求。

理想功放效率與使用固定供電電壓時輸出功率及包絡跟蹤工作時的比較

固定電源

下圖顯示了常規(guī)PA設置。無線發(fā)射機通常有一個數(shù)字基帶，它使用相位和正交（I/Q）值進行數(shù)字調(diào)制。升頻器將基帶信號把基帶信號轉(zhuǎn)換成相應的頻段，這個頻段再被PA放大。對于傳統(tǒng)的PA，電源（VS）提供一個恒定、可靠的電壓，以提供足夠的電流來保持PA正常工作。PA必須有一個足夠大的電源電壓來處理峰值功率，這是PA最有效的地方。但大多數(shù)時候，PA的輸出功率和效率都比較低。

通常，PAPR的范圍從5 dB到13 dB，這取決于特定的調(diào)制格式。例如，在10 dB PAPR時，峰值功率是平均功率的10倍。能產(chǎn)生10 W輸出功率的PA平均只能以1 W輸出功率的速度滑行。

下圖用圖形說明了這一現(xiàn)象，顯示了當電源電壓和信號電壓之間存在顯著差異時所產(chǎn)生的功率浪費。當信號接近峰值時，擴音器的工作效率非常高，但當信號電平下降時，大量的電力被浪費。

傳統(tǒng)的功率放大器使用固定的供電電壓，當信號電平較低時，往往會浪費功率。

可變電源

包絡跟蹤的核心思想是實時改變電源電壓，以滿足PA電源電壓的需求。當信號達到峰值時，電源電壓被驅(qū)動得更高，但當信號電平下降時，電源電壓也隨之下降。這種技術可以顯著減少電路中的功率浪費。

包絡跟蹤功率放大器系統(tǒng)改變電源電壓，跟蹤所需的信號水平。

下圖顯示了使用包絡跟蹤的PA系統(tǒng)。包絡檢測器監(jiān)測基帶信號的大小。這可能是一個模擬電路，但今天大多數(shù)基帶系統(tǒng)是數(shù)字的，所以包絡檢測器也是數(shù)字的。包絡檢測器使用I/Q基帶數(shù)據(jù)實時計算信號的幅度。

包絡成形塊將包絡電平轉(zhuǎn)換為所需的電源電壓。將包絡電平轉(zhuǎn)換為所需的電源電壓。這可能是一個直線函數(shù)，但更有可能的系統(tǒng)設計會包括一些非線性整形，以優(yōu)化PA的整體性能。設計人員通常對PA電源電壓施加一個較低的限制，這樣即使信號消失，電路仍然有偏置。

包絡跟蹤電源（ETPS）使用包絡整形輸出產(chǎn)生可變電源電壓（VPA），并進入PA。ETPS被示為放大器符號，以強調(diào)該塊必須具有通常與放大器相關聯(lián)的動態(tài)性能：帶寬、噪聲、增益和精度。這不是一個簡單的直流穩(wěn)壓器。ETPS必須有足夠的帶寬來跟上調(diào)制速率，這意味著大約是調(diào)制帶寬的兩到三倍。LTE的信道帶寬高達20 MHz，在ETPS帶寬中需要50 MHz。隨著吞吐量的提高，5G通道需要更高的帶寬。為了保持系統(tǒng)的整體功率效率，ETPS自身必須具有更高的功率效率。

包絡跟蹤系統(tǒng)中有兩條主要路徑，即通過PA信號路徑和包絡跟蹤路徑，必須是時間同步的。PA電源電壓必須在適當?shù)臅r間對信號包絡的變化作出響應——既不能太早也不能太晚。路徑間的不匹配會降低功率效率，并給傳輸信號帶來失真。一個延遲匹配塊可以被添加到系統(tǒng)圖中，以促進這個延遲匹配要求。

系統(tǒng)設計

包絡跟蹤的基本概念比較容易理解。然而，這種設計方法的實現(xiàn)要比使用固定電壓的電源復雜得多。ETPS是一種高帶寬放大器，它要為PA提供足夠的功率保證正常工作。這就需要來自ETPS的高電流，所以說PA通常是系統(tǒng)中最耗能的設備。ETPS也必須有低的輸出噪聲，以避免射頻信號的退化。

有時PA增益會隨著電源電壓的變化而變化，這會給射頻信號引入調(diào)幅。這可能會限制PA電源的耐受電壓變化量。重要的是要了解PA的特性并使用包絡整形來優(yōu)化系統(tǒng)的整體性能。

總結(jié)

隨著手機RF復雜性不斷提高，加上5G規(guī)范讓困難度成倍增加，手機行業(yè)將面臨前所未有的RF挑戰(zhàn)。包絡跟蹤 （ET）技術憑借出色的線性功率、最低的電流消耗，以及出色的熱管理性能，已經(jīng)成為手機實現(xiàn)高效RF功率放大的首選技術。
編輯：hfy