ET技术在手机PA上的应用 技术基础
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。