手机使用包络跟踪解决网络难题

Envelope Tracking in Handsets Solves a Network Problem

Joe Madden, Mobile Experts, Campbell, Calif.

译者：车延博

LTE系统是上行链路受限的。虽然基站无线电的下行链路发射功率一般为60 W或更高，但手机目前受限于Power Class 3，其天线端口的允许最大发射功率为+23 dBm ±2 dB。上行链路和下行链路具有相似的传输特性，而上行LTE的有效吞吐量可以远低于下行链路。这在更高的频带（例如，2.5GHz）中尤其存在问题，其下行链路可以穿透建筑物的墙壁，但上行链路信号大约弱6dB，造成双向连接失败。在LTE中，上行链路是不可随意选择的，因为系统需要连续的上行链路进行信道评估和功率控制。因此，上行链路问题被简单地感知为覆盖范围小。

对于TD-LTE而言，在上行链路中的时间消耗减少了下行链路的可用时间。这意味着低效的上行链路会降低系统中下行通信的容量。大的TD-LTE运营商，包括美国Sprint公司和中国移动公司，已经推出支持更高上行发射功率的标准。具有Power Class 2性能的手机会在明年进入市场，其输出功率在Band 41（即2.5GHz）为+ 26 dBm ±2 dB。这就是所谓的高功率用户设备（HPUE）。

在当今的移动电话设计中，若在天线端口实现26 dBm的目标功率，需要功率放大器（PA）的输出在+30到+32dBm范围内。带有15个或更多频段的手机其前端有复杂的管道，在PA和天线之间的开关和滤波器占4到6dB的损失。HPUE需要对支持手机高频段发射机的PA进行重新设计。输出功率加倍通常会导致更大的放大器；然而，在大多数运行条件下，效率将低于以前，并且将消耗更多的热量。简单地放大PA会造成电池功率的浪费。传统的放大器设计采用平均功率跟踪（APT），其根据平均射频功率水平将电源设置为静态电压。在许多情况下，可以通过将PA部分切入或切出电路来允许在较小的功率水平下使用较小的放大器以提高效率。与简单的PA相比，APT通常可提高效率。

包络跟踪（ET）是提高放大器输出功率的另一种方案。ET需要对放大器的电源电压进行动态调整（见图1）。当信号中波形上升到高峰值时，电源为PA提供更高的电源电压。在未来的HPUE中，电源将升高供电电压使之高于手机中的3.5 V电池电压。随着偏置电压的变化，PA的工作点跟踪使其效率最高。如果实施得当，这种方法会在每一个工作点都获得可能的最佳效率，使电池寿命更长，手机散热更少。图2比较了三种PA结构的效率。

图1：手机发射器中ET的简化框图

图2：三种PA结构的瞬时效率

ET设计面临的挑战

数字预失真（DPD）是保证ET工作的重要部分。随着ET技术在过去20年中的发展，设计师们发现半导体具有“记忆效应”，即器件的失真取决于之前10到20ns的射频功率。本质上，器件通道中的瞬时温度会影响失真。为了弥补，DPD结合近期的功率水平，应用量身定制的抵消信号来补偿互调失真。由于DPD补偿，允许设计师选择较小的PA以及使之在信号峰值期间进一步压缩，所以，DPD可以提高效率。

由于应用于电源的宽带调制器的性能不完善，ET会产生带外噪声。将ET PA与滤波器进行紧密集成对于消除这些杂散发射同时不降低效率非常重要。图1给出作为单独组件的滤波器，对滤波器和PA进行协同设计是重要的。将每个组件匹配至50 Ω将会大大降低效率。

ET法需要在调制解调器芯片组、电源IC和放大器之间进行紧密协调。这三个部件必须仔细平衡，以控制电源电压和射频波形之间的增益和时间延迟。对延迟进行精确校准在数亿台手机的生产中至关重要。实现这种严格的控制需要收发器、PA和电源供应商互相妥协。出于这个原因，领先的ET解决方案来自于提供所有这三个功能的芯片公司。

提高小放大器的输出功率可以避免使用更大的低效PA。ET系统将电源提高到更高的偏置电压——使用适当的电源组件使其比手机电池的标称3.5 V更高——使PA的工作点超越先前的限制而不牺牲效率。APT放大器还可以通过支持更高的偏置电压来提高功率。然而，对于高功率LTE来说，APT的效率较低，因为在高峰均差波形中的恒定功率波动在低效运行条件下会耗费大量的时间（见图3）。此外，ET比APT更容易为多数OEM所接受：采用ET解决方案，改进的电源由收发器供应商来提供。而对于APT的情况，手机必须另外增添电源，会占用线路板空间并增加成本。

图3：高PAR波形的APT与ET PA效率对比

制造方面的挑战

ET的生产制造已被证明与基本技术一样具有挑战性。在过去两年中将ET引入到大批量手机生产中揭示了在校准时间延迟和增益设置方面的问题。一个需求是对射频路径延迟的校准和对电源包络的时间标定。在ET的早期发展中，信号带宽为1.25 MHz，延迟不是关键，超过10 ns都曾经可以接受。对于20 MHz的LTE信号，在所有工作条件下的延迟失配必须低于约2 ns。明年，当40 MHz的LTE信道使用ET时，延迟失配必须小于1 ns。生产测试已经发展到可以应对这一挑战，方法是在收发器中内置额外的“钩子”（hook），这样收发器就可以接收到延迟失配的反馈，并能自动使之最小。

温度增益也是令人头痛的生产问题。手机OEM通常有大约10种型号的手机，涵盖10到15个频段，大约有10种温度。OEM通过创建查找表格来调整PA温度增益。这个乏味的任务要花费至少$100,000用于测试室、设备和技术人员支持。对于一个生产2亿部手机的OEM，每部手机0.0005美元的分摊成本是微不足道的。然而，对于每款手机只生产一百万部的OEM，每部手机的分摊成本就是0.10美元。为了解决这个问题，DPD引入感知输出信号的反馈路径，这个信息可以降低成本和减少测试麻烦。一旦实现，特性测试可以减少到只在室温下进行一次测试。

ET的好处已经在最新高端手机中实现，包括三星Galaxy S7（见图4）、小米5和许多其它型号。在这些产品型号中，校准和个性化仍然很昂贵，但很明显，大量的经验将节省成本，并随着时间的推移简化过程。旗舰智能手机平台上的新ET设备已经在简化制造方面迈出了重要的步伐。

图4：Galaxy S7智能手机

结论

随着视频聊天和增强现实（AR）应用的普及，上行数据容量变得越来越重要。今天，Band 41运营商正在推动使用HPUE。在未来几年，在所有TDD频段，以及没有传统2G/3G/4G技术的高频FDD频段比如Band 7（即2.5 GHz上行）中，将需要运行更高功率的手机。没有一家智能手机OEM想通过另加电源来提高电压，也没有人想浪费电池功率。在未来两年内，在中档手机和高档手机平台中，ET应该会变得非常普遍。