一種雙功率模式包絡跟蹤方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙功率模式包絡跟蹤方法，包括以下幾個步驟：步驟1：獲取最大PAE整形表和恒定增益整形表；步驟2：通過誤差矢量幅度不超過閾值EVMth，來獲得功率區(qū)域分界點P′o；步驟3：確定恒定增益整形方法的最低增益值Glow，最高增益值Ghigh；步驟4：采用恒定增益整形方法時，放大器在高功率區(qū)域使用低增益值Glow，低功率區(qū)域使用高增益值Ghigh，來分別獲得最好的性能。本發(fā)明在不同的功率區(qū)域選用不同恒定增益值的恒定增益整形方法，使低功率區(qū)域，此時效率也較低，提高線性性能；在高功率區(qū)域，滿足一定線性的條件下，盡可能的提高效率。
【專利說明】一種雙功率模式包絡跟蹤方法

【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明屬于高效率通信（節(jié)能）領域，涉及采用包絡跟蹤放大器的包絡整形方法 研究，具體涉及一種對于不同的輸出功率區(qū)域（低功率區(qū)域和高功率區(qū)域），采用不同的包 絡整形方法，提高線性和效率。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代移動通信演進到 46(4^1 generation)，LTE (Long term evolution)移動 終端需要能在有限的功率內(nèi)提供更高速率的數(shù)據(jù)服務。盡管高階調(diào)制技術(shù)能改善頻譜效 率，但這會使已調(diào)信號具有較高的峰均比（PAPR)。為了放大這種高峰均比的信號，傳統(tǒng)固定 偏壓的放大器需要工作在相對高的輸出功率回退區(qū)域來避免信號在峰值處的失真。但是， 功率回退的越多，功放的效率越低。而在收發(fā)機中，功放（PA)是移動終端中最重要的功耗 部件，在功率回退區(qū)域的較低的效率意味著更短的電池壽命【1】。
[0003] 為了改善在相對低的輸出功率區(qū)域，幾種效率增強的PA結(jié)構(gòu)被提出，包括多爾蒂 功率放大器（DPA)、使用非線性組件的線性放大（LINC)、包絡消除和恢復（EER)以及包絡跟 蹤技術(shù)（ET)【2】。
[0004] 包絡跟蹤是指根據(jù)輸入信號的瞬時包絡，通過電源電壓調(diào)制器控制輸出放大器的 供電電壓。目前主要有這幾種，【3】中PA的膝電壓被用于補償?shù)洼敵龉β蕰r膝效應帶來的 強的非線性，電源調(diào)制器必須提供一個比膝電壓大的電源電壓。考慮到膝電壓的變化，【4】 使用了 α因子的指數(shù)函數(shù)來調(diào)制電源電壓，【5】中的方法是通過減少包絡信號的帶寬來減 輕電源調(diào)制器的負擔。【6】中通過雙音互調(diào)仿真3階和5階互調(diào)來獲得最佳點，通過最小 互調(diào)點來跟蹤輸入信號包絡調(diào)制電源電壓，從而改善ΕΤΡΑ的線性。【7】是通過兩并聯(lián)支路 獲得兩路不同的射頻放大器特性來改善性能。其中，【4】和【5】的具有較高的實現(xiàn)復雜度， 【7】會增加額外支路的復雜度，并且以上的方法都沒有在非線性和效率的角度上進行綜合 考慮。
[0005] 常用的包絡跟蹤方法有恒定增益跟蹤、恒定增益壓縮整形、最大ΡΑΕ(功率附加效 率）跟蹤。
[0006] 恒定增益整形（constant gain shaping):
[0007] 當包絡信號隨時間變化時，通過包絡來調(diào)制射頻功放的電源電壓，使放大器始終 能夠獲得相同的增益。
[0008] 恒定增益壓縮整形（Constantgain compression shaping):
[0009] 當包絡信號不斷變化時，通過包絡來調(diào)制射頻功放的電源電壓，使放大器始終工 作在相同的增益壓縮點上，其中增益壓縮指的是相對于最大增益而減小的增益值。
[0010] 最大 PAE 整形（max PAE shaping): toon] 當包絡信號不斷變化時，根據(jù)包絡變化來調(diào)制電源電壓，使得放大器始終獲得最 大的PAE。PAE (power added efficiency)指的是功率附加效率。
[0012] 盡管最大PAE整形具有最好的效率，但它由于線性最差，經(jīng)常與一些非線性技術(shù) (比如預失真）一起使用來滿足LTE終端的要求，這會引入額外的系統(tǒng)實現(xiàn)復雜度。
[0013] 參考文獻：
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[0020] [7] Cho Y，Kang D，Kim J，et al.，'A Dual Power-Mode Multi-Band Power Amplifier With Envelope Tracking for Handset Applications, Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, Volume. 61, Issue. 4, pp. 1608-1619, April. 2011.


【發(fā)明內(nèi)容】

[0021] 本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，提出一種雙功率模式包絡跟蹤方法，本發(fā)明 采用雙功率模式包絡跟蹤方法，通過將輸出功率分為高功率區(qū)域和低功率區(qū)域，分別在不 同區(qū)域采用增益值不同的恒定增益整形方法。在高功率區(qū)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時，保持較好的線性，在低輸出功率時，效率較低的情形 下，保證線性。
[0022] 一種雙功率模式包絡跟蹤方法，包括以下幾個步驟：
[0023] 步驟1 :獲取最大PAE整形表和恒定增益整形表；
[0024] 采用單音仿真，掃描不同放大器的偏置電壓，獲得放大器射頻特性，射頻特性包括 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，即檢測到的輸入功率和 偏置電壓的關系；其中，采用最大PAE整形方法，獲取最大PAE整形表，采用恒定增益整形方 法，獲取恒定增益整形表；
[0025] 步驟2 :通過誤差矢量幅度不超過閾值EVMth，來獲得功率區(qū)域分界點P'。；
[0026] P，。= min {P。| EVM (PQ，G)彡 EVMth}
[0027] 其中，EVM(P。，G)是在不同輸出功率和增益下的EVM，閾值EVMth通過對放大器非線 性的要求確定；
[0028] 步驟3 :確定恒定增益整形方法的最低增益值GlOT，最高增益值Ghigh ;
[0029] 設置恒定增益整形方法的最低增益值GlOT為最大PAE整形方法所能達到的最大增 Μ :
[0030] G；"w = i-mx{G'k),k = I,...,η
[0031] 恒定增益整形方法的最高增益值Ghigh由放大器所能達到的最大增益值確定：
[0032] Ghigh = max (G (Vk, P0)), k = 1, . . . , n
[0033] 其中，G(Vk，P。）為在電壓為Vk、輸出功率為P。時，放大器所能達到的增益；
[0034] 步驟4 :采用恒定增益整形方法時，放大器在高功率區(qū)域使用低增益值GlOT，低功 率區(qū)域使用高增益值Ghigh，來分別獲得最好的性能。
[0035] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0036] (1)本發(fā)明ET PA(包絡跟蹤放大器）選用恒定增益整形方法跟蹤包絡，相對于最 大PAE整形方法具有較好的線性；
[0037] (2)本發(fā)明在不同的功率區(qū)域選用不同恒定增益值的恒定增益整形方法，使低功 率區(qū)域，此時效率也較低，提高線性性能；在高功率區(qū)域，滿足一定線性的條件下，盡可能的 提1?效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0038] 圖1是本發(fā)明的方法流程圖；
[0039] 圖2是本發(fā)明的單音信號仿真電路圖；
[0040] 圖3是本發(fā)明的不同偏置電壓下PAE特性；
[0041] 圖4是本發(fā)明的不同偏置電壓下Gain特性；
[0042] 圖5是本發(fā)明的包絡輸入功率和偏置電壓關系圖；
[0043] 圖6是本發(fā)明的ADS仿真結(jié)構(gòu)框圖；
[0044] 圖7是本發(fā)明的恒定增益整形和最大PAE整形方法的Gain、PAE、EVM性能；
[0045] 圖8是本發(fā)明的低功率模式下的PAE和EVM性能；
[0046] 圖9是本發(fā)明的雙模式包絡跟蹤性能圖。

【具體實施方式】
[0047] 下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0048] 本發(fā)明是一種雙功率模式包絡跟蹤方法，流程如圖1所示，包括以下幾個步驟：
[0049] 步驟1 :獲取最大PAE整形表和恒定增益整形表。
[0050] 單音仿真是一種測試放大器特性的方法，通過輸入信號為單頻信號，分析輸入輸 出，獲得放大器相關特性，采用單音仿真，掃描不同放大器的偏置電壓（單音仿真就是放大 器輸入是單頻信號，掃描偏置電壓是放大器的供電電壓，通過變化電壓值，獲得不同電壓下 的放大器特性），獲得放大器射頻特性，射頻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，即檢測到的輸入功率和偏置電壓的關系。
[0051] 采用最大PAE整形方法，獲取最大PAE整形表，具體為：
[0052] 電源電壓分別設置為V1，V2, ···，"，電源電壓為放大器的供電電壓，η為掃描的放 大器的電壓值的個數(shù)，放大器的ΡΑΕ特性表示為PAE (Vn，Ρ。)，PAE (Vn，Ρ。）是以Vn和Ρ。為變 量的函數(shù)，P。是PA(Power amplifier是功率放大器）的輸出功率。當電源電壓Vk固定時， PA將會在輸出功率處獲得最大PAE。
[0053] P'-j =；ΗΕΠ?;ιχ(Λ·?￡(Ι'：,/^)),? = I,...,η
[0054] 由于在不同的偏置電壓下，隨著輸出功率的變化，增益也隨之變化。所以當ΡΑ在 Vk處獲得最大PAE，PA此時的增益G為：
[0055] 6* = Gain (?*. ^ ^ = 1--
[0056] 由于增益為輸出功率和輸入功率之差，當檢測到的輸入功率Pin滿足：
[0057] Pl.k-Gl<Pin<^k^-GlA
[0058] 此時，ET PA的電源電壓將被調(diào)制為Vk。
[0059] 為了使電源電壓能夠跟蹤LTE信號的瞬時輸入功率的變化，在Vk和Vk+1之中，采用 線性插入算法。
[0060] 最大PAE整形表是檢測到的瞬時輸出功率Pin和放大器的供電電壓Vk的一種對應 關系，就是說當輸入信號為包絡不斷變化的LTE信號時，根據(jù)檢測到的瞬時輸出功率P in，通 過最大PAE整形表得到放大器的供電電壓，使得功率放大器在不同輸入功率下始終能獲得 最大的PAE。
[0061] 采用恒定增益整形方法，獲取恒定增益整形表，具體為：
[0062] 電源電壓分別設置為％，V2，…，Vn，電源電壓為放大器的供電電壓，η為掃描的放 大器的電壓值的個數(shù)，當放大器的供電電壓為V k時，放大器的輸出功率和增益G的關系可 表示為
[0063] P0 = Power (Vk, G), k = 1, . . . , n
[0064] 當增益G為一恒定值，即G' k時，此時的輸出功率P' ^
[0065] P' 0；k = Power (Vk, k),k= 1,..., n
[0066] 由于增益為輸出功率和輸入功率之差，當檢測到的輸入功率Pin滿足：
[0067] P/0,k-G/k^Pin<P/0,k-G/k+1
[0068] 此時，ET PA的電源電壓將被調(diào)制為Vk。
[0069] 為了使電源電壓能夠跟蹤LTE信號的瞬時輸入功率的變化，在Vk和Vk+1之中，采用 線性插入算法。
[0070] 恒定增益整形表是檢測到的瞬時輸出功率Pin和放大器的供電電壓Vk的另一種對 應關系，就是說當輸入信號為包絡不斷變化的LTE信號時，根據(jù)檢測到的瞬時輸出功率，通 過恒定增益整形表得到放大器的供電電壓，使得功率放大器在不同輸入功率下始終能獲得 恒定的增益。
[0071] 步驟2 :通過誤差矢量幅度（EVM)不超過閾值EVMth，來獲得功率區(qū)域分界點P。'。
[0072] P，。= min {P。| EVM (P〇，G)彡 EVMth}
[0073] 其中，EVMTc G)是在不同輸出功率和增益下的EVM，上式求得滿足一定線性條件 下的最小的輸出功率值來作為功率區(qū)域的分界點，其中，閾值EVM th通過對放大器非線性的 要求確定，越小越好，本發(fā)明中小于5%。
[0074] 步驟3 :確定恒定增益整形方法的最低增益值GlOT，最高增益值Ghigh。
[0075] 選用恒定增益整形表來跟蹤信號包絡，并通過調(diào)節(jié)恒定增益整形方法的增益值來 改善性能。由于恒定增益整形方法可以減少帶內(nèi)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續(xù)減小來獲得更高的效率，但不能小于最大PAE整 形方法的增益值。
[0076] 設置恒定增益整形方法的最低增益值GlOT為最大PAE整形方法所能達到的最大增 Μ :
[0077] G^, = =
[0078] 恒定增益整形方法的最高增益值Ghigh可由放大器所能達到的最大增益值確定：
[0079] Ghigh = max (G (Vk, P0)), k = 1, . . . , n
[0080] 其中，G(Vk，P。）為在電壓為Vk、輸出功率為P。時，放大器所能達到的增益。
[0081] 步驟4 :采用恒定增益整形方法時，放大器在高功率區(qū)域使用低增益值GlOT，低功 率區(qū)域使用高增益值Ghigh，來分別獲得最好的性能。
[0082] 實施例：
[0083] 一種雙功率模式包絡跟蹤方法，包括以下步驟：
[0084] 步驟1 :獲取最大PAE整形表和恒定增益整形表。
[0085] 通過掃描不同放大器的偏置電壓，來獲得放大器的功率附加效率（PAE)、增益 (Gain)特性。從而獲得最大PAE整形表和恒定增益整形表，即檢測到的輸入功率和偏置電 壓的關系。
[0086] 如圖2所示，圖中，Source為單音仿真信號源，它的負極接地，正極接到PA的輸入 端，輸入端端口為in，V-DC SRC2是基極偏置電壓，它的負極接地，正極接正極接到PA的基 極，端口為Gate、V-DC SRC1是漏極偏置電壓，，它的負極接地，正極接正極接到PA的漏極， 端口為Drain,即本發(fā)明中的電源電壓，Term Load為負載，它的負極接地，正極接正極接 到PA的輸出端，端口為Drain，owerAmp_wBiasPins為功率放大器，它有四個端口 in, Gate、 Drain和Out。單音仿真時，通過掃描漏極偏置電壓和改變單音信號的功率，得到放大器的 射頻特性。仿真平臺：Advanced Design System。
[0087] 仿真參數(shù)：輸入信號為單音信號，頻率為2GHz，放大器由NEC900晶體管搭建而成。 基極偏置為1. 5V，使放大器工作在A類，掃描漏極偏置電壓從1. 5V到6V。
[0088] 其中恒定增益整形取了 12dB和10dB，恒定增益壓縮整形取了 2dB，如圖3、圖4所 /_J、1 〇
[0089] 然后按上述步驟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 輸出功率的對應關系，進而求得輸入功率和漏接偏置電壓的對應關系。其中，為了與傳統(tǒng)恒 定6V固定偏壓情形對比，恒定6V也被加入其中。在在V k和Vk+1之中，采用線性插入算法。 它們之間的關系如下圖5所示。
[0090] 步驟2 :通過EVM來測量輸入輸出信號的誤差矢量幅度，通過EVMth來決定輸出功 率的分界點。
[0091] 輸入信號為LTE信號，可以得到不同整形方法的EVM性能。ET仿真結(jié)構(gòu)框圖如圖 6所示，Modulated signal為已調(diào)LTE信號、I/Q代表信號I路/Q路信息，通過I/Q計算 出Envelope information (包絡信息），通過shaping (整形方法）調(diào)制放大器的Supply Voltage (電源電壓），放大器是NEC900系列的晶體管搭建的，放大器輸出接負載load來獲 得輸出功率熱性。
[0092] 仿真參數(shù)：5M帶寬上行LTE信號，16QAM調(diào)制，全資源塊分配（RB)、載波頻率2GHz， 包絡調(diào)制器為一行為級模型，能根據(jù)檢測到的包絡信息輸出相應的電壓。
[0093] PAPR :6· 454 ;過采樣率：4 ;仿真采樣間隔 1/(2*3· 84*106*4) = 32. 55ns ;仿真時 長 lms ;則 N = 1八32· 55*1(Γ6) = 30721
[0094] 如圖7所示，EVM閾值取3%時，通過EVM〈3%時，最小的輸出功率點Ρο'作為雙模 式輸出功率的分界點；
[0095] 步驟3 :本仿真中恒定增益整形方法的最小增益值為9. 2dB，最大值為12dB。
[0096] 步驟4 :在不同的功率區(qū)域選用合適增益值的包絡整形方法來獲得性能提升。在 高功率區(qū)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時，保持較好的 線性；在低輸出功率時，效率較低的情形下，保證線性。結(jié)果如圖9所示。
[0097] 圖7可以看出，盡管最大PAE整形使放大器獲得最大的效率，但在高功率區(qū)域，它 的EVM性能至少比恒定整形的性能差2倍。當平均輸出功率位于[12, 22] dBm，恒定9. 2dB 整形方法能夠使EVM保持在3%以下的同時，盡可能的最大化PAE。當輸出功率高于22dBm 時，由于放大器工作在飽和區(qū)域，EVM的性能將會迅速惡化。
[0098] 圖8所示，在低功率區(qū)域，平均PAE的性能差異遠小于EVM性能的差異，所以在低 功率區(qū)域，減少射頻放大器的非線性顯得更為重要。恒定6V整形（非包絡跟蹤）和恒定 12dB增益整形（包絡跟蹤），在輸出功率小于12dBm時，都有很好的線性。但考慮到采用包 絡跟蹤技術(shù)會有更好的效率，所以恒定12dB增益整形是在低功率區(qū)域最適合的整形方法， 并且在改善線性的同時不會損失太多的效率。
[0099] 總之，一種雙模式整形方法被應用于不同的輸出功率。在低功率區(qū)域，具有高增益 值的恒定增益整形方法被用于改善線性；在高功率區(qū)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過多的失真。
【權(quán)利要求】
1. 一種雙功率模式包絡跟蹤方法，包括以下幾個步驟： 步驟1 :獲取最大PAE整形表和恒定增益整形表； 采用單音仿真，掃描不同放大器的偏置電壓，獲得放大器射頻特性，射頻特性包括功率 附加效率、增益，然后得到最大PAE整形表和恒定增益整形表，即檢測到的輸入功率和偏置 電壓的關系；其中，采用最大PAE整形方法，獲取最大PAE整形表，采用恒定增益整形方法， 獲取恒定增益整形表； 步驟2 :通過誤差矢量幅度不超過閾值EVMth，來獲得功率區(qū)域分界點P'。； P，0 = min{PQ|EVM(P()，G)<EVMth} 其中，EVM(PQ，G)是在不同輸出功率和增益下的EVM，閾值EVMth通過對放大器非線性的 要求確定； 步驟3 :確定恒定增益整形方法的最低增益值GlOT，最高增益值Ghigh ; 設置恒定增益整形方法的最低增益值GlOT為最大PAE整形方法所能達到的最大增益： Gltm = max((fk^,k = Ι,,,,,η 恒定增益整形方法的最高增益值Ghigh由放大器所能達到的最大增益值確定： ^high = rnax (G (Vk, P0)), k = 1,. . . , η 其中，G(Vk，P。）為在電壓為Vk、輸出功率為P。時，放大器所能達到的增益； 步驟4 :采用恒定增益整形方法時，放大器在高功率區(qū)域使用低增益值GlOT，低功率區(qū) 域使用高增益值Ghigh，來分別獲得最好的性能。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙功率模式包絡跟蹤方法，所述的步驟1中，采用最大 PAE整形方法，獲取最大PAE整形表，具體為： 電源電壓分別設置為Vp v2，…，Vn，電源電壓為放大器的供電電壓，η為掃描的放大器 的電壓值的個數(shù)，放大器的ΡΑΕ特性表示為PAE (Vn，Ρ。)，PAE (Vn，Ρ。）是以Vn和Ρ。為變量的 函數(shù)，P。是PA的輸出功率；當電源電壓Vk固定時，PA將會在輸出功率處獲得最大PAE ; ff)t = arg max ( PA E{Vt,P〇)),k = Ι,.,.,ιι 廠:. 當PA在Vk處獲得最大PAE，PA此時的增益G!為： (ζ = Gain (κ ? Ρ*, ) , A' = I,, η 由于增益為輸出功率和輸入功率之差，當檢測到的輸入功率Pin滿足： 此時，ΕΤ PA的電源電壓將被調(diào)制為Vk，為了使電源電壓能夠跟蹤LTE信號的瞬時輸入 功率的變化，在Vk和Vk+1之中，采用線性插入算法。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙功率模式包絡跟蹤方法，所述的步驟1中，采用恒定增 益整形方法，獲取恒定增益整形表，具體為： 電源電壓分別設置為Vp v2，…，Vn，電源電壓為放大器的供電電壓，η為掃描的放大器 的電壓值的個數(shù)，當放大器的供電電壓為Vk時，放大器的輸出功率和增益G的關系表示為： P0 = Power (Vk，G)，k = 1，…，η 當增益G為一恒定值，即G' k時，此時的輸出功率Ρ' 0 p' 〇，k = Power (Vk，G' k)，k=l，...，n 由于增益為輸出功率和輸入功率之差，當檢測到的輸入功率Pin滿足： 〇,k-G，k^Pin<P/ 〇,k-G/k+1 此時，ET PA的電源電壓將被調(diào)制為Vk，為了使電源電壓能夠跟蹤LTE信號的瞬時輸入 功率的變化，在Vk和Vk+1之中，采用線性插入算法。
【文檔編號】H03F1/32GK104124930SQ201410374570
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月31日
【發(fā)明者】朱新寧, 吳勇彬, 曾志民, 李欣書林, 馮春燕 申請人:北京郵電大學, 羅德與施瓦茨（中國）科技有限公司