1、Error! No text of specified style in document.中国科学院上海高等研究院硕士学位论文 I硕士学位论文包络跟踪技术在移动终端中的应用研究作者姓名： * 指导教师: *研究员 中国科学院上海高等研究院 学位类别: 工程硕士 学科专业: 电子与通信工程 研究所: 中国科学院上海高等研究院 年 月致 谢* 年 月 Error! No text of specified style in document.中国科学院上海高等研究院硕士学位论文 III包络跟踪技术在移动终端中的应用与研究*（电子与通信工程）指导老师：摘 要现代移动通信技术采用高阶非恒包络调制技术
2、，能够以较高的频谱利用率实现高速数据传输。为了保证信号质量，射频发射机常常采用效率较低的线性功率放大器对信号进行放大，造成移动终端的功耗增加与发热。包络跟踪技术作为解决降低移动终端功耗与发热问题的解决方案，可有效提高线性功率放大器效率。本文围绕着包络跟踪技术在移动通信终端上的应用展开了研究。首先对放大器效率提升技术、包络跟踪技术的国内外发展情况与 LTE 技术部分射频指标进行了简要介绍。其次对线性功率放大器进行了理论推导与分析，重点论述功率放大器的增益、效率、非线性特性（谐波、交调、邻道泄漏比）等指标，及这些指标在不同的输出功率与不同的偏置电压下的变化。再次，对包络跟踪技术的基本原理做了阐述，
3、对比了采用了包络跟踪技术的发射机系统与传统发射机系统的异同，简要介绍了包络跟踪调制器的架构，对包络参考信号的生成，通路的时延及使用场景进行分析与设计。再次，利用仿真软件，设计了一款 AB 类放大器，通过仿真验证功率放大器的理论分析与推导。同时对包络跟踪技术中生成包络参考信号的几种方法进行对比与分析，提出并确定采用固定增益法来生成包络跟踪查找表。最后，通过实测实际功率放大器，生成一张查找表，将其载入包络跟踪评估板上进行测试，评估采用固定增益法查找表的功率放大器的效率与性能。测试结果显示，输出功率达到 26dBm 时，工作在包络跟踪模式下采用固定增益法查找表的功率放大器效率提升了 5.1%。最后将
4、查找表载入移动通信终端整机对整机电流，信号质量进行测试。整机测试结果显示，天线口发射功率达到 20.5dBm 时，相比工作在APT 模式下的移动终端，使用 ET 技术的终端整机电流降低了 59mA。同时还提出查找表的自动生成，功率，时延的自动化校准算法。本文从功率放大器与包络跟踪技术的基本原理出发，对包络跟踪技术在高阶调Error! No text of specified style in document.制移动终端上的应用提出了生成包络信号查找表算法，查找表自动化生成算法，自动化校准算法，对包络跟踪技术在大规模应用中的自动化生产具有一定的参考意义。关键词：包络跟踪，效率，查找表，自动化校
5、准，包络整形Error! No text of specified style in document.中国科学院上海高等研究院硕士学位论文 VAbstractModern communication technologies can provide high speed data transmission with high spectral efficiency by using high level modulation technology and non-constent envelope modulation. Inorder to ensure signals linearity
6、, transmitter usually use linear radio frequency power amplifier which efficiency is very low to amplifier RF signal. This leads to high power consumption and heat problem of mobile communication terminal. At the same time, portability and long battery life is the new requirement of consumption elec
7、tronic equipment that asking mobile that communication terminal is not only high data rate but also low power consumption. As a solution for hate problem of LTE terminal, envelope tracking technology can improve PAs efficiency obviously. This paper focuses on the the application of envelope technolo
8、gy in mobile communication terminal.First of all, we introduced technologies that enhance PAs efficiency, the development of envelope tracking technology and main spec of LTE transmitter briefly.Secondly, this paper accomplished the theoretical derivation and analysis of linear power amplifiers, foc
9、using on how the indicators change with different output power and different bias voltages, where these indicators include the amplifier gain, efficiency, nonlinear characteristics (harmonic, intermodulation, adjacent channel leakage ratio) and so on. At the same time, it also smooths the way for th
10、e following simulation of power amplifiers and the design of the envelope tracking system.Thirdly, the fundamental working principles of the envelope tracking technology were explained in detail based on the above power amplifier theory. It introduced the modulator architecture of the envelope track
11、ing system, the generation of envelope reference signals, the delay of envelope path and RF path, and the usage scenarios of envelope tracking technology. In this part, a comparison between the transmitter system with the envelope tracking technology and the conventional one can be seen clearly.To a
12、chieve the whole system, a class AB amplifier was first designed with the ADS simulation software, whose simulation results just verified the previous theoretical analysis Error! No text of specified style in document.and derivation. On the other hand, an envelope tracking simulation platform was fi
13、nished to acquire the most suitable envelope reference signal and the envelope tracking lookup table with a fixed-gain method。Finally, we created a look-up table based on test result of PA. We load this table to evaluation board of envelope technology to test the performance of PA which used look-up
14、 table. The research and test result have been published on application of electronic technique. The testing result reveals that the efficiency of a power amplifier system can be improved by 5.1% with this method and related look-up table when the output power of the power amplifier reaches 26 dBm c
15、ompared with the one having the same output power but fixed bias. Then we load this table to mobile terminal and tested the power consumption and signal quality. The test result show that the current consume reduce 59mA, but the EVM deteriorate 1.5% and ACLR is deteriorate 3dB compared to the termin
16、al which without envelope tracking technology when the output power of terminal reaches 20.5dBm.This paper given a so-call fixed gain method which based on the the theory of envelope tracking technology and engineering design. This method is mainly for create look-up table of refrence signal of enve
17、lope tracking technology. At the same time, the method of look-up table automated generation; terminal automated calibration was given too. Those methods can be a reference for automated production of communication terminal which used envelope tracking technology.Keyword：Power amplifier, envelope tr
18、acking, looking-up table, automated calibration, envelope shapping目 录致 谢 .IV摘 要 .VAbstract.VI目 录 .VIII包络跟踪技术在移动终端中的应用研究 .1第一章 绪论 .11.1 研究背景与意义 .11.2 国内外研究现状 .31.3 主要研究工作 .61.4 本文结构安排 .7第二章 功率放大器分析 .82.1 功率放大器 .82.2 功率放大器的主要指标 .102.3 输出功率与偏置电压对功率放大器的影响 .17第三章 包络跟踪技术原理与系统设计 .203.1 包络跟踪技术原理 .203.2 包络跟踪
19、技术发射机架构 .223.3 包络跟踪调制器架构 .243.4 包络参考信号的生成 .273.5 时延 .293.6 ET 技术的适用场合 .31第四章 包络跟踪系统仿真 .334.1 功率放大器的设计与仿真 .334.2 包络跟踪技术查找表的仿真 .37第五章 包络跟踪系统的实现 .435.1 功率放大器的实测特性 .435.2 查找表的生成 .465.3 系统校准 .51Error! No text of specified style in document.5.4 调试校准后整机测试结果分析 .52第六章 总结与展望 .546.1 全文总结 .546.2 进一步研究方向 .54攻读学位
20、期间发表的学术论文与研究成果 .55作者简历 .56参考文献 .57Error! No text of specified style in document.中国科学院上海高等研究院硕士学位论文 1包络跟踪技术在移动终端中的应用研究第一章 绪论1.1 研究背景与意义20 世纪是科技迅猛发展的一个世纪，无线通信技术在上个世纪更是经历了从无到优的巨大飞跃。1901 年 Marconi 成功地将无线电信号发送过大西洋 1，标志着无线电技术的开始，两次世界大战的爆发以后，无线通讯技术更是得到迅猛的发展。1973 年，美国公司摩托罗拉的工程师 Martin Cooper 发明了世界上第一台移动电话，从
21、此世界步入移动通讯时代 2。第一代移动电话的标准是上世纪八十年代制定的，采用模拟调制技术提供语音通信服务。上世纪九十年代初，随着数字技术发展的兴起，从第二代移动通信技术开始采用数字调制的方式提供语音服务。本世纪初，第三代移动通信技术开始得到广泛应用，3G 技术可以以极高的速率传输包括语音，图片等多种类型的数据。目前 4G 技术已经研究成熟，并开始得到大规模应用。移动通信的数据传输速率从最初的第二代移动通信的 9.6 Kbps 提升到第四代移动通信的100 Mbps3，能以极高的速率满足人们对数据传输的需求。但是迅速提高的数据传输速率与有限的频谱资源对通信系统提出了更为复杂而苛刻的要求。为了解决
22、高传输速率与有限频谱资源之间的矛盾，数字调制方式有最初的调相演变为既调幅又调相的调制方式，射频信号的包络也由最初的恒包络变为非恒包络，使得信号峰均比（peak to average rate：PAPR ）大幅提升 4。表 1.1 是目前主流的移动通信技术下行链路的参数 5。表 1. 1 主流通信技术参数通信技术 GSM EDGE WCDMA HSPA+ LTE LTE-A代数划分 2G 2.75G 3G 3.5G 3.9G 4G传输速率 14 kbps 59.2 kbps 5.76 Mbps 100 Mbps 100 Mbps 3 Gbps最大带宽 200 kHz 200 kHz 5 MHz
23、20MHz 20MHz 100MHzError! No text of specified style in document.调制方式 GMSK 8-PSK QPSK 16QAM 64QAM 64QAMPAPR 0 dB 2 dB 5.5 dB 6.5 dB 8-10 dB 8-12 dB从表中可以看出，随着数据传输速率不断提升，信号的调制阶数不断提高，使得信号的 PAPR 不断得到提升。最初的 GSM 通信技术采用恒包络的 GMSK 调制方式，PAPR 为 0dB，WCDMA 技术采用 QPSK 的调制方式，PAPR 就提升到了5.5dB，而 LTE 技术采用 16QAM 的调制方式时，P
24、APR 就提升到了 812dB。虽然上行信号传输速率有所降低，但是其 PAPR 也逐步提高。4G（3.9G）移动通信标准采用 LTE（Long Term Evolution）技术，能够提供极高的数据传输速率。在技术方面，引入了 OFDM、MIMO 等技术能够以更高的频谱利用率提供更高的数据速率：20MHz 带宽，22MIMO，调制方式支持16QAM，64QAM。由于采用 OFDM 技术与 16QAM、64QAM 等高阶调制技术，信号的 PAPR 比 WCDMA， TD-SCDMA 等制式都高。根据 3GPP TS 36.101 标准，LTE 终端发射机关键指标如表 1.510 所示 6。（1）最大发射功率表 1. 2 LTE 终端发射机最大发射功率指标测试信道 RB 起始位置 RB 数 目标功率（dBm 调制方式 上下限（dBm）高、中、低0 12 23 QPSK 2224（3）邻道泄漏比表 1. 3 LTE 终端发射机 ACLR 指标ACLR RB起始位置RB 数 目标功率（ dBm调制方式 上下限（dBcE-UTRA positive 0 50 23 QPSK -100-30E-UTRA negative 0 50 23 QPSK -100-30（4）矢量误差幅度表 1. 4 LTE 终端发射机 EVM 指标EVM（% ） RB RB 数 目标功 调制方式 上下限
