【无线射频芯片】-利用RF包络检波实现漏极调制系统

1/1利用RF包络检波实现漏极调制系统无线设备行业竭力削减设备的成本、尺寸和功耗，而提上升功率放大器的功率附加效率(PAE)仍旧是一个极具挑战性的目标。目前有多种技术正在研发之中。大多数状况下，任何技术的商业化都将取决于能否开发出突破性的技术。本文主要争论用来提高PAE的一些技术以及支持该技术的一些RF信号处理模块。

峰均比

图1所示为一个20MHz带宽正交频分多路复用(OFDM)信号的时间包络。该信号包括大量码元速率相对较低的正交QAM调制子载波。基于OFDM的无线传输正变得越来越流行，部分缘由是低码元速率的子载波对衰落相对不敏感。它目前用于无线LAN和WiMax系统，将来也会用于下一代长期演进(LTE)移动数据和语音系统。高级OFDM系统允许子载波的调制随着工作和环境条件的转变而变化。例如，假如一个用户位于小区的边缘，系统可能打算用正交相移键控方法来调制子载波，这就需要相对较低的信噪比，才能胜利进行解调。其代价是数据速率相对较低。另一方面，假如用户靠近小区中心并需要高数据速率，则可以放射更高阶调制子载波，从而带来更高的数据速率。

图1.20MHz带宽正交频分多路复用(OFDM)载波的时间包络。

更高阶QAM信号（如64-QAM和128-QAM）具有高峰均比，而OFDM信号可以轻松包括1024个子载波，因此OFDM信号的峰均比也很高。图1清晰地显示了这一点。从图1中还可以看到，该信号也有一些深谷。因此，虽然一般是争论峰均比，但稍后我们会看到，当设计更高效率的功率放大器时，信号的峰值最小值比（可能达到40dB）也具有重要意义。

图2显示了一个功率放大系统的最基本框图。供应给负载的电流由高功率放大器(HPA)电源（本例中为4V）发出。有效值输出信号具有有效值电平(VRMS)和峰值电平(VPEAK)。为获得良好的信号保真度，输出信号与电源之间必需存在足够的裕量，使得信号波峰不会被削波。

图2.高峰均比信号的功率放大

这一裕量要求导致该系统存在效率低下的弱点。假如信号具有高峰均比，则电源必需偏置以支持峰值电平，有效值而不是有效值电平。

假设输出有效值有效值电平为1Vrms，并且信号的峰均比为4，即12dB。这意味着，信号的峰值为4V，峰到峰摆幅为8V。因此，系统的肯定最小电源电压可能是4V（单电源系统则为8V）。供应给负载的功率等于20mW(1Vx1V/50)，负载电流等于20mA。然而，电源供应的功率等于80mW(4Vx20mA)。因此，效率只有25%(100x(20mW/80mW))。

虽然上例并不能真正代表一个实际的系统，但它的确说明传输高峰均比信号自然会降低功率放大系统的效率。

漏极调制

图3显示了一个尝试解决上述裕量问题的替代功率放大方案。本例中，输入信号分为两部分。一部分信号是受限的，即放大到饱和状态，但其相位信息保持不变。另一部分信号则施加于一个包络检波器，然后利用包络检波器的输出来调制PA的电源，这样可以确保PA的偏置电压仅在需要时才变为高电压，从而显著节约常备功率，提高电源效率。

图3.包络消退与恢复或漏极调制

这样的系统通常称为包络消退与恢复(EER)或漏极调制（其中"漏极'指功率FET晶体管的漏极），要实现它并不简单，包络路径中存在特别艰难的挑战。对于带宽为20MHz的载波，其包络带宽也是20MHz。这意味着，为了避开相位延迟，包络检波器和PA电源的带宽至少必需与20MHz一样快，可能需要比20MHz快得多。对于需要供应数十或数百瓦功率的电源，其难度特别大。迄今为止，漏极调制主要用于带宽只需数百KHz的窄带系统，例如单载波GSM-EDGE手机传输等。

包络检波技术的最新进展有助于将这一架构变为现实。图4所示为ADI公司最近发布的TruPWRRMS和包络检波器ADL5511的功能框图。

ADL5511通过一路RF输入供应两路独立的输出。VRMS引脚的电压相当于输入信号的RMS电压（放大3倍）。VENV引脚的电压相当于输入信号的包络。VENV输出参考EREF输出供应的1.1V固定电压。让包络输出电压参考非零值可以确保净包络电压(VENV-VEREF)的摆幅可以始终达到0V，并且失调电压误差特别低。

图4.ADL5511功能框图

ADL5511支持-25dBm至+15dBm的输入功率水平，即动态范围为40dB。在整个温度范围内，RMS和包络输出的精度为0.25dB。该检波器还能在1MHz至4GHz的宽输入频率范围工作，而不需要外部巴伦或外部电抗性匹配。

通过ADL5511的包络延迟已降至小于5nS的最低水平。因此，要传输的信号与漏极调制包络能够保持精密同步，而不需要使用长延迟线。

除了漏极调制以外，PA设计人员还可以利用VRMS和VENV输出及外部峰值保持运放电路来计算输入信号的峰均比。此外，也可以利用ADI公司内置峰值保持电路的RMS和包络检波器ADL5502来测量峰均比。

图5.ADL5511的包络和rms响应图

图5显示了ADL5511的RMS和包络输出对单个宽带码分多址(WCDMA)载波的响应。黄色实线表示WCDMA载波。蓝色线表示器件的VENV输出。码片速率为3.84MHz，WCDMA信号的载波带宽也是3.84MHz。由于ADL5511包络输出的带宽约为80MHz，因此VENV输出能够精确地追随快速变化的包络。此外，该检波器的40dB检波范围（适用于RMS和包络两路输出）能够确保捕获到信号的峰值和谷值。

图5还显示了一条直线（粉红色），有效值它表示输入信号的有效值电压（放大1.5倍）。该输出信号由连接到FLT4引脚的RMS均值电容(1F)进行平均。虽然此电容大大延缓了有效值输出的响应时间，但它对包络输出的响应无任何影响。

总结

通过供