包络跟踪技术在移动终端中的应用与研究-硕士毕业论文

Error! No text of specified style in document.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 中国科学院上海高等研究院硕士学位论文 67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，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，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，自动化校准，包络整形AbstractModern 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, 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 electronic 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 technology 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, focusing 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 the 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 tracking 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 achieve the whole system, a class AB amplifier was first designed with the ADS simulation software, whose simulation results just verified the previous theoretical analysis and derivation. On the other hand, an envelope tracking simulation platform was finished 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 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 compared 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 terminal 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 envelope 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 tracking, looking-up table, automated calibration, envelope shapping目 录致 谢IV摘 要VAbstractVI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515.4 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攻读学位期间发表的学术论文与研究成果55作者简历56参考文献57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 格列比翁尼科夫. 射频与微波发射机设计M. 国防工业出版社, 2013，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，从此世界步入移动通讯时代 鲍华景. 移动通信的发展历程J. 城市建设理论研究:电子版, 2014(7).。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 Mbps 范佳玥. 4g移动通信技术的特点分析及实践应用J. 城市建设理论研究:电子版, 2014(20).，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 何维武, 冯辉, 谭淇文,等. 基于部分传输序列技术降OFDM系统PAPR的改进算法J. 广东通信技术, 2016(2).。表1.1是目前主流的移动通信技术下行链路的参数 孙顺凯. TD-LTE通信系统抑制PAPR的研究D. 浙江师范大学, 2012.。表1. 1 主流通信技术参数通信技术GSMEDGEWCDMAHSPA+LTELTE-A代数划分2G2.75G3G3.5G3.9G4G传输速率14 kbps59.2 kbps5.76 Mbps 100 Mbps100 Mbps3 Gbps最大带宽200 kHz200 kHz5 MHz20MHz20MHz100MHz调制方式GMSK8-PSKQPSK16QAM64QAM64QAMPAPR0 dB2 dB5.5 dB6.5 dB8-10 dB8-12 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，PAPR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 3GPP TS 36.101 V9.10.0：User Equipment (UE) radio transmission and reception。（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01223QPSK2224（3）邻道泄漏比表1. 3 LTE终端发射机ACLR指标ACLRRB起始位置RB数目标功率（dBm调制方式上下限（dBcE-UTRA positive05023QPSK-100-30E-UTRA negative05023QPSK-100-30（4）矢量误差幅度表1. 4 LTE终端发射机EVM指标EVM（%）RB起始位置RB数目标功率（dBm）调制方式上下限（%EVM RMS Low Window01223QPSK017.5EVM RMS High Window01223QPSK017.5高阶调制方式的信号在幅度与相位上都有信息，必须保证发射信号的线性度，因此射频发射机系统必须采用线性功率放大器放大射频信号。射频功率放大器是射频发射机的重要组成部分，位于发射机链路的后端，介于混频器与天线之间，因此功率放大器的性能直接影响到发射机整机的指标与射频信号的信号质量。由于功率放大器承担着将射频信号功率放大的任务，因此功率放大器是整个发射机中功耗最高的单元，几乎占到发射机的75%。有限的频谱资源要提供更高的传输速率需要更高阶的调制方式，更高阶调制方式意味着采用在幅度与相位上都携带有信息非恒包络信号 杨刚. OFDM通信系统中PAPR抑制技术的研究D. 西安电子科技大学, 2006.。为了保证信号的线性度，功率放大器对必须对信号进行线性放大。因此在大功率的时候，功率放大器通常采用功率回退，以保证线性放大，这意味着功率放大器始终工作在一个低效率的状态。低效率的功率放大器耗电量大，大幅提升整机的功耗，使得整机的发热十分严重。从以上分析可知，功率放大器是手机中的功耗大户，因此首当其冲进入了人们的研究视野，如何提升功率放大器的效率已经成为了一个亟待解决的问题。1.2 国内外研究现状1.2.1 线性功率放大器效率提升技术为了解决功率放大器的效率问题，多种技术被提出与研究，其中研究与应用最为广泛的几种技术包括非线性元件线性放大（linear amplifier using non-linear components：LINC）技术、Dohert技术、包络消除与恢复（envelope elimination restoration: EER）技术、平均功率跟踪（average power tracking：APT）技术与包络跟踪（envelope tracking：ET）技术。（1）LINC技术LINC技术是从移相调制技术发展而来的，即采用两个功率放大器，将输入的非恒包络射频信号通过转换，变成两路恒包络信号 Stengel B, Eisenstadt W R. LINC power amplifier combiner method efficiency optimizationJ. Vehicular Technology IEEE Transactions on, 2000, 49(1):229-234.。LINC技术的系统框图如图1.2所示。由于输入LINC系统的非恒包络信号被分解为两路非恒包络信号，只在相位上携带信息，因此就可以采用效率很高的非线性功率放大器进行放大，然后将两路经过放大的很包络信号再复合起来，重构出经过放大的非恒包络信号，使用这种技术可以实现窄带信号的线性放大45。由于分解放大的两路信号是非恒包络信号，可以使用非线性放大器进行放大，理论上非线性放大器的最小效率可以达到100%。因此这种方法对功率放大器的效率提升十分可观。但是需要信号分解和复合算法，相对比较复杂 Yao J, Long S /. Power Amplifier Selection for LINC ApplicationsJ. Circuits & Systems II Express Briefs IEEE Transactions on, 2006, 53(8):763 - 767.。基于模拟电路的LINC发射机如图1.4所示：图1. 1 LINC技术示意图（2）Dohert技术Dohert技术的系统框图如图1.5所示 Kim, Bumman, Kang, Daehyun, Jinsung Choi, et al. Doherty power amplifiers for handset applicationsC/ Microwave Radar and Wireless Communications (MIKON), 2010 18th International Conference on. IEEE, 2010:1-3.。Doherty技术主要是采用两个功率放大器,一个功率放大器是主放大器，主要用于放大中小功率的射频信号，当输入的射频信号功率变大超过一定阈值的时候，便采用辅放大器进行放大 刘本杰. Doherty功率放大器效率问题的研究D. 电子科技大学, 2014.。主辅两路分别用1/4波长传输线进行阻抗变换。这种技术在效率上确实可以获得一定的提升，但是同时需要两个PA，此外需要传输线进行阻抗变换，对PCB布局布线十分敏感，还需要另外设计合路器 Kim I, Moon J, Jee S, et al. Optimized Design of a Highly Efficient Three-Stage Doherty PA Using Gate AdaptationJ. IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques, 2010, 58(10):2562-2574.。因此不仅仅会大大提升印刷电路板面积，还会大幅度提高成本，因此主要用于基站等设备，在移动端较少采用。图1. 2 Dohert技术的系统框图（3）EER技术EER技术的系统框图如图1.6所示 Walling J S, Allstot D J. Design considerations for supply modulated EER power amplifiersC/ Wireless and Microwave Technology Conference (WAMICON), 2013 IEEE 14th Annual. 2013:1-4.。EER技术是将输入的RF信号分成两路，一路信号经过一个硬限幅器，变成只带有相位信息的恒包络信号，再经这个信号送到PA里面进行放大，另一路信号通过一个包络生成模块，提取出包络信号，经过整形之后，这个信号控制包络信号放大器（DC/DC），为功率放大器提供动态供电，RF信号的幅度信息在功率放大器里面进行重构 Funahashi Y, Kato T, Tango T, et al. An analysis of performance degradation of a memoryless DPD due to frequency response of an envelope amplifier in an EER Power AmplifierC/ Microwave Conference (EuMC), 2010 European. IEEE, 2010:723 - 726.。由于在EER系统中，功率放大器常常使用非线性功率放大器对信号进行放大，因此效率较高，但是对时间失配非常敏感 支传德, 杨华中. 射频包络消除与恢复功率放大器性能分析J. 半导体学报, 2007, 28(4):582-586.。图1. 3 EER技术的系统框图（4）APT技术平均功率跟踪（average power tracking：APT）技术采用的是一种非连续的动态供电技术。图1.7是APT技术的示意图。APT技术利用检测每一个时隙的RF信号的平均功率，根据RF信号的平均功率来调整功率放大器的偏置电压。APT技术的优势使得APT适用于信号峰均比较小的GSM，WCDMA等终端。由于LTE终端采采用了16QAM，64QAM等调制方式，并且引入了OFDM技术，信号峰均比相对GSM、WCDMA大幅提升，因此APT技术在LTE终端效率提升方面表现并不十分突出。但是在小功率信号的情况下，由于ET技术所使用的动态供电模块效率低于APT模式的固定DC-DC模块，采用APT模式的系统效率比ET技术高，因此在使用ET技术的LTE终端上常常也会搭配APT技术吴勇彬. 引入包络跟踪放大器的LTE终端发射机射频特性及测试研究D. 北京邮电大学, 2014.。图1. 4 APT技术示意图（5）ET技术图1.8是ET技术示意图。从图中可以看到ET技术采用的是连续动态供电的技术，利用监测RF信号的瞬时功率或者瞬时包络，根据RF信号的瞬时功率或者包络信号的大小来调整功率放大器的偏置电压24。相较于APT技术，ET技术具有更高的效率，但是同时线性失真却比APT技术大。相较于LINE技术与EER技术，实现复杂度相对较低。与Dohert技术相比，只使用了1个功率放大器，在成本上会大大节省。基于ET技术的以上特点，ET技术迅速成为研究的热点。图1. 5 包络跟踪技术示意图1.2.2 ET技术在国内外研究现状ET技术最早由贝尔实验室于1937年提出的。通过ET调制器，提供给功率放大器以跟随射频信号包络动态变化的供电电压。由于早期电源转换器主要是线性电源，采用的是分压的方式，效率很低，所以在ET技术在提出之后很长的时间没有得到广泛应用。随着无线通信技术的发展，射频信号的峰均比越来越高，PA的效率越来越低，同时得益于高效率的开关电源技术的成熟，包络跟踪技术才开始兴起。针对包络跟踪技术，国内外有很多研究团队都在进行相应的研究，其研究现状如下：目前，国外在包络跟踪技术相关领域进行深入研究的主要包括加州大学圣迭戈分校的Asbeck团队 Hassan M, Larson L E, Leung V W, et al. A Combined Series-Parallel Hybrid Envelope Amplifier for Envelope Tracking Mobile Terminal RF Power Amplifier ApplicationsJ. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2012, 47(47):1185-1198.， 都柏林大学的Anding Zhu团队 Yu C, Zhu A. A Single Envelope Modulator-Based Envelope-Tracking Structure for Multiple-Input and Multiple-Output Wireless TransmittersJ. IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques, 2012, 60(10):3317-3327.。研究的热点主要集中在以下几个方面：1、Modulator架构，包括Hybird架构的变种 Asbeck P, Popovic Z. ET Comes of Age: Envelope Tracking for Higher-Efficiency Power AmplifiersJ. IEEE Microwave Magazine, 2016, 17(3):16-25.；2、降带宽的ET方案，由于包络信号是信号带宽的数倍,大带宽会给信号处理、AD转换及ET调制器均造成巨大的压力，因此有研究通过信号处理限制包络带宽 Kim J, Kim D, Cho Y, et al. Envelope-Tracking Two-Stage Power Amplifier With Dual-Mode Supply Modulator for LTE ApplicationsJ. IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques, 2013, 61(1):543-552. Park B, Kim D, Kim S, et al. High-Performance CMOS Power Amplifier With Improved Envelope Tracking Supply ModulatorJ. IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques, 2016:1-12.；3、多通道ET方案，多通道TX要求每一个通道均有一套ETM电路，有用单个ETM是实现多路ET的方案；4、ET与DPD的配合。在国内，在相关领域研究的主要有电子科技大学的薛红喜团队与北京邮电大学的曾为民团队。其中电子科技大学的薛红喜团队主要研究的是包络跟踪电源的架构与设计 胡云, 薛红喜. 基于包络跟踪技术的功率放大器设计方法的研究J. 电路与系统学报, 2010, 15(6):6-10.，而北京邮电大学的团队，其研究方向则侧重于测试算法的仿真24。而本论文将在仿真的基础上，进行大量的实测与调试，实现包络跟踪技术在LTE手机中的应用。1.3 主要研究工作本次毕业设计的课题来自于展讯通信与中国科学院上海高等研究院联合研究项目，因此本论文从技术研究与应用的角度，对包络跟踪技术在高阶调制移动终端中的实际应用进行研究，在对理论进行了理论的分析，计算机仿真的基础上，着重解决LTE移动通信终端中包络跟踪技术的应用问题。本文的主要研究内容包括：（1）包络整形算法的分析，设计与验证；（2）应用包络跟踪技术的移动终端的性能调试。首先本文从功率放大器的特性入手，对功率放大器的特性进行大量仿真与实际测试，对得到的数据进行分析，提出了固定增益法来确定查找表，并将生成的查找表加载到包络跟踪系统中，进行实测。实测数据表明，采用固定增益法确定的查找表可在保证发射信号的质量的同时，有效提升功率放大器的效率。其次，本文对使用包络跟踪技术的LTE移动通信终端的性能进行了实际的调试，同时对于移动通信终端在生成过程中的产线校准方法进行了相关的研究与阐述。1.4 本文结构安排本文主要由六个章节组成，每个章节的主要内容如下：本文第一章主要介绍无线通系统的发展，而后介绍了五种在实际应用中得到使用的效率提升技术，并对它们的架构原理与性能加以分析与比较，最后详细介绍了一下包络跟踪技术和目前国内外的技术发展状况与趋势。第二章对功率放大器的各项指标进行理论分析。其中包括增益，效率，邻道泄漏比，误差矢量幅度，谐波等，为第三章使用包络跟踪技术的分析与仿真提供理论基础。第三章在第二章对功率放大器的各项指标的理论分析基础上，对包络跟踪技术的理论进行了分析，讨论并分析了包络信号的生成方式。利用仿真软件，设计了一款AB类功率放大器，仿真验证了功率放大器的相关特性，特别是功率放大器的增益，功率附加效率（power added efficiency： PAE）以及线性度参数进行仿真。此外还对ET 调制器进行了设计与仿真。最后，将设计的功率放大器与ET 调制器组成射频发射机系统，进行联合仿真。在这一环节，提出了两种对包络跟踪系统中使用的包络信号的整形算法并对这两种算法进行了仿真验证，通过对比，确定采用固定增益法确定包络整形查找表。第四章主要进行包络跟踪技术在高阶调制移动终端中的具体实现与调试，包络系统的设计，功率放大器的实测，以及功率和时延的校准。根据功率放大器的实测结果，制定了查找表。在实际的调试中，利用了去波谷技术对包络信号进行整形，最后讨论并设计了功率校准算法与时延校准的算法。第五章对数字预失真技术的技术原理与预失真技术与包络跟踪技术的联合使用进行了介绍。第六章对本课题的研究工作进行了相应的总结和展望。第二章 功率放大器分析功率放大器是射频发射机最重要的模块之一8，其性能的好坏直接影响着移动通信终端的整机性能。本文的研究重点是研究采用ET技术提升功率放大器的效率，进而降低整机系统的功耗。分析掌握功率放大器的特性和指标是ET技术应用的的重要基础。本章主要介绍了功率放大器的类别，并从理论角度研究功率放大器的主要指标及这些指标在不同的工作电压下的变化。通过本章的研究工作，为ET系统的仿真与设计提供理论依据。2.1 功率放大器功率放大器是放大器的一个类别，主要作用是对信号的功率进行放大，获得大功率的输出，广泛应用于通信，音响等电子设备。在工作原理上与其他放大器一样都是在输入信号的作用下，将直流功率转换为输出信号 袁凯. 动态偏置高效射频功率放大器研究D. 宁波大学, 2009.。不同的是，通用的放大器主要是对输入信号的电流或者电压进行放大，而功率放大器对信号的功率进行放大。射频功率放大器是无线发射机的核心模块之一，要求输出大功率给外部负载（通常是天线）。因此射频功率放大器通常是射频发射机中功耗最大的模块，为了降低功耗，延长电池寿命，要求其有很高的效率 陈波. 0.18m CMOS工艺5.25GHz WLAN功率放大器的设计D. 湖南大学, 2008.。功率放大器的主要指标有输出功率（Pout），增益（Gain），功率附加效率（power added efficiency： PAE），线性度等。在移动通信终端中，终端发出的信号需要发送给远距离基站，因此一方面需要有足够的发射功率，以进行远距离的传输，另一方面还需要根据距离基站的远近不断调节移动通信终端的发射功率。LTE标准要求射频发射机最大可以输出22dBm的信号，因此需要使用射频功率放大器将信号放大到目标功率值。目前，在无线通信中使用的射频功率放大器主要分为两大类，一类是线性功率放大器，一类是非线性功率放大器。由于目前射频信号的调制多采用非恒包络调制方式，也就是说RF信号在相位和幅度上都有信息，因此在放大的时候对射频功率放大器的线性度要求极高，因此在射频收发机中主要采用线性功率放大器。2.1.1 线性功率放大器线性PA要求功率放大器对信号进行放大，对信号造成的失真小或无失真。线性功率放大器线性度好，但是相比非线性功率放大器来说，这种线性度的保持是以牺牲效率为代价取得的。在信号的一个周期内，晶体管放大器导通时间所占整个周期的比例称为导通角。根据导通角的大小，线性放大器主要分为A类，B类，C类和AB类。每种功率放大器都有其特有的性质，有着不同的效率，应用于不同的场合。（1）A类功率放大器对于A类功率放大器来说，导通角为360，其工作周期内任何时候都是导通的，静态偏置点设置在晶体管的截止点与饱和点连线的中间。只要输入信号的电压幅度不超过功率放大器的偏置电压，则输入信号在整个周期内都会被功率放大器放大，具有最好的线性度。但是A类功率放大器的效率很低，其理论最大效率为50%，而实际效率低于30%。因此，A类功率放大器常使用在对效率要求低，线性要求高，信号功率低的场合。在输入大功率型号的条件下，此类功率放大器会工作在非线性区，产生大量非线性产物，如交调信号与谐波。（2）B类功率放大器对于B类功率放大器来说，导通角为180，在工作周期内有一半周期导通，量一半周期内，晶体管处于截止状态，不消耗能量，因此可以获得较高的效率 龙强. 射频CMOS功率放大器的研究与应用D. 西安电子科技大学, 2007.。理论上，B类功率放大器的最大理论效率为78.5%，实际使用中效率低于60%。通常，使用两个晶体管组成互补推挽式拓扑，两个晶体管都工作在B类，在整个工作周期内交替导通，即一个晶体管处于放大状态时，另一个晶体管处于截止状态 黄国栋. 单片集成射频收发模块功率放大器设计与研究D. 西安电子科技大学, 2012.。由于B类功率放大器有一半周期不工作，而推挽式拓扑的互补B类功率放大器虽然整个周期都有晶体管导通，但是在两个晶体管工作交替的时刻，互补对称式B类功率放大器存在着交越失真1314。通常，在线性度要求高的场合，不适用B类功率放大器。（3）C类功率放大器对于C类功率放大器，导通角小于180，在一个工作周期内，晶体管工作时间小于一半。由于C类功率放大器大部分时间都不工作，处于截止状态，因此C类功率放大器的理论最大效率可达100%。但是C类功率放大器在一个周期内存在大量失真，因此较少应用在线性放大场合。（4）AB类功率放大器对于互补对称式B类功率放大器，如果设计两个晶体管的偏置电压，使得两个晶体管的导通时间大于180，减少交越失真，此时功率放大器工作在AB类状态 石雯. Ku波段氮化镓功率放大器研究D. 杭州电子科技大学, 2012.。AB类功率放大器介于A类与B类功率放大器之间，无交越失真，线性度优于B类功率放大器，导通角介于180360，效率优于A类放大器。由于AB类功率放大器具有良好的线性度与较高的效率，因此在大功率线性放大的场合常常采用AB类功率放大器。表2.1总结了几种线性放大器主要特性：表2. 1 主要线性放大器特性类型导通角理论最大效率主要特点A类36050%线性度最好，效率低下B类18078.5%存在失真，常用推挽结构避免失真C类180100%严格意义上属于非线性AB类18036050%78.5%线性度与效率的折中，广泛应用从上表可以看到，在实际工程应用中常常采用的线性功率放大器为A类，B类或AB类功率放大器。这几种功率放大器的实际效率远远低于理论值，很大部分的能量，都被功率放大器吸收消耗，转换成热量被消耗。线性功率放大器的低效率，不仅导致移动终端设备特别是平板电脑与手机等手持式设备的功耗增加并大量发热。严重的发热不仅使得整机的热设计变得更加复杂，并且会恶化用户的实际使用体验。对于热设计不好的终端，还会对用户的操作带来严重的安全威胁。2.1.2 非线性功率放大器非线性功率放大器通常采用开关调制等方式，实现对输入射频信号的放大。由于采用了开关调制的方式，功率放大器工作在非线性状态，因此，非线性功率放大器的效率很高，理论上最高效率可以达到100%。非线性功率放大器效率很高，但是会引入极大的非线性产物，造成信号失真。常见的非线性功率放大器有D类，E类，F类功率放大器。D类功率放大器与E类功率放大器都是将晶体管作为开关管来使用的开关型功率放大器。其中D类功率放大器采用推挽拓扑，通过调节输入开关管导通时间占整个周期的时间的比例，调节输出信号的振幅。通过功率放大器输出短的LC谐振回路对输出信号进行滤波，就可以将经过放大的基频信号输出，传输到负载。而由于功率放大器的寄生电容与寄生电感的存在，是的电流与电压的波形存在延时，而信号的周期又很短，使得晶体管的功耗增加，并且存在着两个功率管同时导通，损坏晶体管的风险。因此E类功率放大器通过合理设计D类功率放大器的输出负载网络，使得晶体管栅电压与源电流不同时出现，通过减少电流与电压的乘积来提升功率放大器的效率。F类功率放大器是在过激励B类功率放大器上发展来的，其工作模式的目的是提高功率放大器的效率。2.2 功率放大器的主要指标功率放大器是移动通信终端中最重要的部件，其关注指标主要有增益，功率附加效率，邻道泄漏比，误差矢量幅度等。这些指标的好坏都与功率放大器的工作电压有很大的关系。2.2.1 增益功率放大器将输入的小功率信号经过放大后，输出大信功率号。输入输出信号的功率的比值就是增益。实际中讨论的增益分为两种，即资用增益和工作功率增益。在输入输出端匹配良好的情况下，输出信号与输入信号的比值被定义为资用增益，单位dB。而一般情况下，输入输出信号功率比值即为工作功率增益。通常意义上，功率放大器的增益指的是资用增益。不同的系统所要求的输出功率不同。在LTE个人无线通信系统中，要求天线发射的最大功率达到21.5dBm（3GPP），而射频发射机芯片最大输出的功率只能到0dBm左右，算上从发射机芯片输出口到天线口之间的开关，滤波器等器件的插入损耗，要求功率放大器的增益要达到25-30dB。2.1.2 效率功率放大器的效率指的是功率放大器将直流功率转为射频信号功率的能力，定