by juha pennanen, john hoversten and sasa radovanovic, texas instruments
lte能够提供比3g高得多的数据速率,而高数据速率也意味着更复杂的rf调制以及更高的平均输出功率，这些都会进一步降低传统rf pa的效率，无论是从散热和电池耗电的角度来说这都是难以接受的。而包络跟踪（et）是一种新的射频功耗管理技术，可以提高效率、最小化发热、延长电池寿命，进一步优化用户体验。
lte对于pa效率的影响
更高的数据传输效率同时也意味着更大的传输功率，与此同时超过20个不同的lte频段的存在也增加了包括pa, 开关、滤波器等在内的射频前端的复杂性。多频段的mmpa效率相对于单频段pa更低，更复杂的射频前端架构会导致post-pa损耗的增加，这反过来又要求更高的pa输出功率。当然上行ca也会进一步增加射频前端的复杂性。
lte信号峰均比相对较高，上行采用sc-fdma单载波频繁多址的调制技术。sc-fdma的蜂聚比大约是6-7db,高于之前的wcdma(3-4)以及gmsk（0db）。
与3g时代相比，基于高功率以及高峰均比而设计的pa，在低功率时的效率相对会很低，这就会导致当用户靠近基站或进行低数据率传输的时候pa的无谓耗电较高，导致发热同时也会减少电池使用时间。et就是一种新的pa耗电控制技术，能够在较高的峰均比的情况下帮助优化系统效率。
etps，et电源模块
目前市场上手机使用较多的降低pa功耗的技术是apt，在电池与pa-vcc之间连接有一个高效的dc/dc转换器，根据pa的平均输出功率动态地调节pa-vcc。当pa输出功率低于最大值时，降低pa电源电压一提高pa效率。每当平均输出功率变化时，pa-vcc也会相应的调节。这种调节可以是很频繁的，所以一个高效率的dc-dc转换器是高效率apt系统的保障。
然而apt并不能完全解决lte射频发射的关键问题：高par和高平均输出功率。因为在最大功率输出时如果降低apt电压将会不可避免的导致线性度的恶化。而包络跟踪采用动态的pa-vcc，追踪射频调制信号的幅度（瞬时输出功率水平），而不是平均输出功率电平，来决定瞬时供应给pa的vcc电压。
包络跟踪电源（etps），我们也称之为et-modulator,是一种用于射频功放的动态电源，根据pa的瞬时输出功率大小来调整pa-vcc，以实现效率的最优化。因此，et在高平均输出功率下提高了高par调制的效率。高效率的etps能够极大的改善pa的发热，优化线性度；在此基础上也使得pa能够进一步提升输出功率。
图1显示了pa在满功率发射（左图）和回退功率发射（右图）时的供电曲线以及对应的pa效率
效率的提升
et的主要好处是提高了pa的效率。例如图2中28 dbm的pa平均输出功率下，系统效率提高了23%以上（从30% apt到39% et），从最大功率一直到20dbm输出这段use range都能够实现效率的优化。随着系统器件性能的不断改进，et会能够在更低功率下使用。
图2a中显示了3.8v电池电压，25rb qpsk lteband1信号的测试结果，在28dbm时et比起apt能够省电约125ma.
降低发热
如图2中显示的电流减低，相应地也会导致pa的工作温度降低约20°c (figure3)。这也大大减少了手机散热设计的难度。
更高的输出功率
好的et电源比如ti的lm3290/91能够给pa提供最优的电压，有时甚至需要高于电池电压。从图4的结果中可以看到，基于et技术的pa相对于apt能够输出高3db的输出功率。所以即使在电池电压较低时，也能保证足够的输出功率已达到更高的数据传输速率，满足用户体验需求。
图4中显示了3.8v电池电压，25rb qpsk lteband1信号下et效率的测试结果
降低接收频段带内噪声
在fdd系统中，接收与发射同时进行，因此发射机的带外噪声就是一个重要的指标，以保证不会影响到接收机的灵敏度。虽然发射与接收的频率不同，并且通过双工器进行隔离，但是由于二者频率相近，所以收发之间的耦合依然存在，隔离一般都会在-50db左右，这种耦合也会限制pa的输出功率，通常来说要求pa输出的rxbn性能低于-130dbm/hz。
同样的et的包络调制以及et电源的噪声也会对发射机的rxbn性能有影响；et系统的噪声可能高于apt系统，也有可能低于apt系统，这都取决于et电源的噪声性能。图5，是一个lte band1 5mhz 25rb的性能，et系统的噪声性能比apt好2-3db，总体的et噪声低于-130dbm/hz，达到系统性能要求。
优化线性
高性能的et modulator能够提升pa的aclr（如图2），如果aclr的余量足够，更可以进一步的改善系统效率。
et versus apt
apt和et系统在概念上相似。它们都由chipset、pa电源管理组件和一个射频pa组成（图6）。二者都根据不同时刻功率的不同进而调整rf pa供电电压水平。但是，et由于需要对电压波形进行调制，在系统上会有更多的要求。本节介绍了et系统中的关键功能模块以及相对于apt系统的额外性能要求。
et system
et系统包括支持et的rfic，为et优化的pa，et modulator 即et供电模块。rfic在产生3g / lte射频信号的同时，提供相应的参考信号给到et modulator。et modulator会生成一个调制的pa_vcc电压波形。
由于参考信号包括具有一定的带宽，所以它不能使用mipirffe接口来进行传输，需要使用一种称为etraktm（图6）的差分模拟接口进行传输。
etrak是一种新的mipi®联盟标准，用于rfic和et modulator之间的联通,目前已经被采用的主要平台供应商所采纳。rfic必须保持包络信号和射频信号通路之间的最佳时序对准，以防止pa线性和输出噪声的恶化。
et的pa与常见的apt pa有所不同，当然我们可以对apt pa采用et技术进行优化，但是并不能达到较优的性能改善，因为它其实没有根据et系统的特性来进行设计。
首先高速的包络调制需要pa的供电网络具有较低的寄生电容，以保证时序对齐；
其次大部分的et pa在相位与增益不会随 pa_vcc的变化而大幅度波动，这最大限度地减少信号失真，从而保证evm，aclr和rxbn性能； 或者，相位和增益变化可以用预失真技术来补偿。
第三，et pa的线性增益一般会更高，因为et pa通常需要工作在压缩状态下以得到更好的效率；而工作在压缩状态下也会使得pa输出到pa vcc噪声的影响，所以会要求et pa的供电网络具有更低的噪声。这些都是et相对于apt特别的要求。
pa供电电压与输入射频功率的关系影响了许多系统级的性能指标。例如vcc与rf输入功率的比值越高，则pa增益越大，导致pa的供电噪声灵敏度降低，影响et线性。因此，et系统并不只是pa相关的功能；相反，它是与整个系统相关.
et modulator 能即时调整pa的供电电压，换句话说是需要对供电的波形做相应的调制；这与apt有着本质区别，apt还是在pa平均输出功率等级变化时来改变供电电压；这种区别也导致了pa设计上不同的挑战，也包括调制器的带宽，噪声以及调制器本身的效率。
带宽
为了准确地跟踪射频信号调制的振幅，对供电电压波形进行调制，而不引入失真；这需要et modulator的调制器带宽达到射频信号带宽的一到两倍。lte信号带宽为20m，因此对et modulator需要达到20 mhz到40 mhz 的带宽，是传统apt dc/ dc转换器带宽的200倍以上。
电源输出噪声
et pa通常工作在增益压缩模式下，同时供电网络上的滤波电容值一般也比较小，相比于apt pa会对电源噪声更敏感。为了满足rxbn系统- 130 dbm/hz的要求,et电源输出噪声需要低于-135dbm /hz。对于et电源来说，这是一个非常严格但可以实现的设计挑战。在apt系统中，dc-dc转换器的噪声要求没那么高，因为在apt pa电源上有一个大的旁路电容滤除pa电源噪声。
电源效率
对于etmodulator而言，除了需要满足高带宽，低噪声，同时也必须保证足够高的效率。一般的aptdc/ dc能达到95%的效率水平，et电源某种程度上必须牺牲一定的效率以换取带宽及噪声的性能。虽然et系统能大幅度提升pa本身的效率，但是et modulator也必须要达到80%以上的效率，才能在整个系统层面上保证比apt足够好的功耗
et系统必须同时兼容apt
当传输信号功率较大，峰均比较高时，et是一种有效的提升rf pa效率的手段。但是对于较低的平均pa输出功率，apt将成为一个更有效的选择。因此，et电源必须支持两种操作模式:et和apt，如图7所示。
当需要同时支持et和apt系统时，两种模式下的切换能力也会是重要指标。否则会在切换点造成射频输出信号失真。图8显示了使用德州仪器lm3290/91etps，从apt到et的无缝过渡到apt模式。芯片组通过mipi rffe接口连接控制。
conclusion小结
包络跟踪是一种新型的电源管理技术，可以显著提高lte发射机的效率。et提供了更长的电池时间，大大降低了pa的工作温度。额外的好处包括改进的线性(aclr)，增加的输出功率能力，以及在电池电压较低时通过boost技术保证pa的输出功率。而在低功耗输出功率下，apt是提高系统整体效率的必要技术。因此，需要采用双模et/apt rf pa功耗控制技术。
