Volt idő, amikor a mobiltelefonunk akkumulátora napokig bírta feltöltés nélkül. Ma viszont – az akkumulátorok fejlődésének dacára – a sok új követelmény minden eddiginél jobban igénybe veszi az akkumulátorokat. (Gondoljunk csak az egyre több beépített rádiós modulra vagy a mind nagyobb felbontású képernyőkre!) A mérnököknek ezért folyamatosan csökkenteniük kell a telefonok fogyasztását, hogy az egyre komplexebb, újabb technológia beépíthető legyen a készülékekbeNapjainkban mindinkább burkológörbe-követéssel optimalizálják a rádiófrekvenciás teljesítményerősítők teljesítménynövelési hatásfokát. Ez azért fontos, mert a teljesítményerősítő a mobileszközeink egyik „legéhesebb" komponense. A jelen cikk egy rádiófrekvenciás teljesítményerősítőn keresztül mutatja be a burkológörbe-követés alapjait és legfontosabb jellemzőit. E paraméterek alapján javasolunk és elemzünk egy olyan PXI-alapú mérési elrendezést, amely kielégíti a burkológörbe-követési vizsgálatok szigorú követelményeit.
Mire jó a burkológörbe-követés?
A teljesítményerősítők hatásfoka akkor a legjobb, amikor a kimeneti csúcsteljesítményen működnek, ahol már kompressziós jelenségek lépnek fel. Egy tipikus W-CDMA/HSPA+/LTE teljesítményerősítőnél akár 50%-os hatásfok is elérhető, ha az eszköz a kimeneti csúcsteljesítményen üzemel. Bár a hatásfokot jelentősen csökkenti, hogy a korszerű adatátviteli szabványok, például a W-CDMA és az LTE egyre nagyobb csúcs/átlag teljesítményarányú (PAPR) modulációt használnak. Ezenfelül, mivel az erősítő amplitúdóátvitele a kompressziós pont környékén rendkívül nemlineárissá válik, a kimeneti teljesítményt a PAPR arányában visszaszabályozzák a csúcsteljesítményhez képest. LTE szabványú jelek esetén a PAPR akár 7-8 dB is lehet, ami azt jelenti, hogy a teljesítményerősítő átlagos kimeneti teljesítménye jóval az optimális érték alatt lesz.
Bár az erősítő teljesítmény-növelési hatásfoka számos technikával – például digitális előtorzítással – javítható, a kereskedelemben forgalmazott teljesítményerősítők gyártói egyre elterjedtebben a burkológörbe-követést alkalmazzák. A bázisállomásoknál már több mint egy évtizede alkalmazzák ezt a módszert a hatásfok növelésére és a hőként disszipált energia – ezzel együtt pedig a hűtési követelmények – csökkentésére.
A burkológörbe-követés alapelvei
A burkológörbe-követés lényege, hogy az erősítőt lehetőleg a kompressziós tartomány határán üzemeltessük. Ez a technika azon alapul, hogy mind a legnagyobb hatásfok pontja, mind a legnagyobb kimeneti teljesítmény pontja módosul, ha a tápfeszültség változik. Ez látható az 1. ábrán, amely különböző tápfeszültségekhez tartozóan szemlélteti a teljesítmény-növelési hatásfokot a kimeneti jelszint függvényében. Látható, hogy a tápfeszültség növelésével nő a legnagyobb hatásfokhoz tartozó kimeneti teljesítmény is.
A burkológörbe-követés alapötlete az, hogy mindig a pillanatnyi kimeneti teljesítményhez igazítjuk a tápfeszültséget úgy, hogy az erősítő az idő minél nagyobb részében a kompressziós tartomány határán üzemeljen. A burkológörbe-követéssel elérhető legjobb elméleti teljesítmény-növelési hatásfokot a zöld vonal mutatja az 1. ábrához tartozó erősítő esetében.
Mint látható, burkológörbe-követéssel lényegesen jobb teljesítmény-növelési hatásfok érhető el, mint rögzített tápfeszültség esetén. A fenti adatok alapján egyszerűen létre lehet hozni egy keresőtáblát, amely a kimeneti teljesítmény minden egyes értékéhez megadja a teljesítmény-növelési hatásfokra optimalizált tápfeszültségértéket (lásd 2. ábra).
Fontos, hogy a tápfeszültségnek van egy 1 V-os alsó határa, és ez kihat a sávszélességre, mint később majd látni fogjuk. A teljesítmény-növelési hatásfok maximalizálása érdekében történő tápfeszültség-szabályzás elméletben jó ötletnek tűnik ugyan, a gyakorlatban azonban nehéz megvalósítani. A tápfeszültségnek a kimeneti teljesítménytől függő változtatása azzal jár, hogy az erősítés is dinamikusan változik a tápfeszültség változtatásával, ami növeli az AM-AM-torzítást. Ez a hatás csökkenthető, ha a tápfeszültség-értékek tartományának korlátozásával kompromisszumot keresünk a teljesítmény-növelési hatásfok és az AM-AM-torzítás között. Az alapsávi RF-jelalak digitális előtorzításával korrigálni lehet a burkológörbe-követés okozta járulékos torzítást.
A teljesítmény-növelési hatásfok 1. ábra szerinti eredményei modulálatlan jelre vonatkoznak. Ezeket az értékeket, valamint egy adott jeltípus kimeneti teljesítményének sűrűségfüggvényét felhasználva megbecsülhető, hogy mekkora teljesítmény-növelési hatásfok várható modulált jel esetén. A vonatkozó képletet az alábbi egyenlet mutatja.
Ezen egyenletbe való behelyettesítéshez a 3. ábra szemlélteti egy 0 dBm rádiófrekvenciás átlagteljesítményű WCDMA-jelalak teljesítménysűrűség-függvényét (1. vizsgálati eset). A jelszintet egy adott átlagos kimeneti teljesítményre eltolva megbecsülhető, mekkora lesz az erősítő hatásfoka ilyen modulált jel esetén.
E számítás során a teljesítmény-növelési hatásfokot véletlen változóként kezeljük, és azt feltételezzük, hogy a kimeneti teljesítmény függvényében felvett teljesítmény-növelési hatásfok jelleggörbéi statikusak, azaz időben nem változnak. Bár a 3. ábra szerinti számítás jó közelítést ad a teljesítmény-növelési hatásfokra, az erősítőben jelen lévő memóriás hatások és a hőmérséklet okozta erősítésváltozás miatt a tényleges teljesítmény-növelési hatásfok időben nem konstans. A 4. ábra a számított és a mért teljesítmény-növelési hatásfokot szemlélteti az 1-es vizsgált eset szerinti WCDMA-jelre vonatkozóan, rögzített tápfeszültség esetén, valamint a burkológörbe-követés mellett várható teljesítmény-növelési hatásfokot, ideális burkolókövető modulátort feltételezve.
Látható, hogy a teljesítmény-növelési hatásfok várt és mért görbéje nagyon közel fut egymáshoz, eltérés csak nagyobb kimeneti teljesítményeknél tapasztalható. Ezt a jelenséget valószínűleg a teljesítményerősítőn belüli memóriás hatások okozzák. A burkológörbe-követést alkalmazó, ideális tápegység mellett várt teljesítmény-növelési hatásfokot (zöld görbe) és a rögzített tápfeszültség mellett mért teljesítmény-növelési hatásfokot (kék görbe) összehasonlítva azt látjuk, hogy burkológörbe-követéssel elméletileg megduplázható a teljesítmény-növelési hatásfok, a kimeneti jelszint széles tartományában.
A burkológörbe-követés jelentős hatásfokjavulást ígér, de világosan kell látnunk, hogy az ilyen elven működő teljesítményerősítő konstrukciójánál sok kompromisszumra van szükség. Bármelyik paraméter optimalizálása kompromisszumokkal jár a rendszer más jellemzői tekintetében. Egy adott kimeneti teljesítményhez tartozó optimális tápfeszültségszint kiválasztása ezért erősen iteratív folyamat, melynek során gyorsan és megbízhatóan kell tudni vizsgálni a konstrukciós döntéseket.
A burkológörbe-követés tesztelésének problémái
A burkológörbe-követési vizsgálat további elemmel bővíti az amúgy is bonyolult mérőrendszereket. A rádiófrekvenciás alapsávi jelalakot és a tápfeszültséget gondosan kell szinkronizálni, hogy a teljesítményerősítő sikeresen tudja követni a burkológörbét. Mint az 5. ábrán látható, a burkológörbe-követést mérő tipikus rendszer a következő összetevőkből áll: RF-jelgenerátor és -jelanalizátor, nagy sebességű digitális jelalak-generátor a teljesítményerősítő vezérléséhez, valamint az erősítőt tápláló tápegység.
A tápegység
A burkológörbe-követés egyik jelentős megoldandó problémája a tápegység jelalakjának előállításához szükséges nagy sávszélesség-igény. A burkoló jelalakja általában lényegesen nagyobb sávszélességet igényel, mint a rádiófrekvenciás jelalak. A jelenség elemzéséhez tekintsük a 2. ábra szerinti Vcc – Pki keresőtáblát és vegyünk egy 10 MHz sávszélességű LTE-jelet! A 6. ábra a teljesítmény-növelési hatásfokra optimalizált tápfeszültség jelalakját, valamint a megfelelő LTE-jel teljesítmény–idő-diagramját mutatja.
Spektrális elemzéssel kimutatható, hogy a tápfeszültség jelalakjának sávszélessége legalább háromszor akkora, mint a rádiófrekvenciás jelé. E nagy sávszélességigénynek két oka van: egyrészt a tápfeszültség az RF-jelszint-függvénye, másrészt a keresőtáblára érvényes alsó korlát miatt (lásd 2. ábra) határolás lép fel.
20 MHz-es LTE-jel esetén a tápfeszültség jelalakja legalább 60 MHz-es sávszélességet igényel, amint az a 7. ábrán látható. Ezenfelül, szélessávú digitális előtorzítás esetén a tápfeszültség jelalakjának sávszélesség-igénye akár az RF-jel sávszélességének ötszöröse is lehet. Továbbá – amint azt a következő részben kifejtjük – a tetszőleges hullámforma-generátornak (AWG) nemcsak nagy sávszélességgel, hanem kiváló időtartomány-beli felbontással is kell rendelkeznie.
A tápfeszültség vonatkozásában a második leküzdendő probléma az, hogy a tetszőleges hullámforma-generátorok árama túl kicsi egy teljesítményerősítő meghajtásához, és a tápegységek sávszélessége kevés a burkológörbe-követéshez. Ezek kiküszöbölhetők, ha a teljesítményerősítőt egy nagy teljesítményű modulátor hajtja meg, amelyet egy egyenfeszültségű jelforrás táplál, és egy tetszőleges hullámforma-generátor jele modulál, amint azt az 5. ábra szemlélteti.
Műszerszinkronizálás
A burkológörbe-követés vizsgálatánál a legnehezebb feladat a műszerek szinkronizálása a rádiófrekvenciás jelgenerátor és a tetszőleges hullámforma-generátor között. Mivel a végerősítő teljesítmény-növelési hatásfoka akkor maximális, ha a bemeneti teljesítménynek megfelelő optimális tápfeszültségértéket választunk, a műszerek közötti rossz szinkronizálás esetén a tápfeszültség vagy túl nagy, vagy túl kicsi lenne egy adott kimeneti teljesítményhez.
Gondoljunk bele, mi történne, ha a tápfeszültség késne a rádiófrekvenciás jelhez képest: a nagy teljesítményű modulátor nem tudna elegendő teljesítményt leadni az eszköznek, amikor a jelszint maximális, ezért az RF-kimenet több decibellel a kívánt kimeneti teljesítmény alatt már levágna. Emellett, közvetlenül a jel teljesítményének csúcsa után a nagy teljesítményű modulátor sokkal nagyobb teljesítményt adna le, mint amennyit az erősítő igényel, ez pedig csökkentené a hatásfokot. Hasonló a helyzet, amikor a tápfeszültség siet az RF-jelhez képest. Az RF jelgenerátor és a tetszőleges hullámforma-generátor szinkronizálása önmagában nem elég: az is követelmény, hogy a szinkronizálás reprodukálható legyen.
Egy PXI-alapú tesztelési megoldás
A műszerek szinkronizálása a burkológörbe-követés vizsgálati elrendezésének kulcsfontosságú eleme. A szigorú szinkronizálási követelmények miatt a PXI-platform kiválóan alkalmas a burkológörbe-követés mérési problémáinak megoldására. Egy PXI-alapú rendszerben moduláris műszereket kapcsoltak össze egy számos óra- és indítójel-elosztó vezetéket tartalmazó hátlapon keresztül. A közös készülékházba történő építés jelentősen megkönnyíti a műszerek elrendezését és javítja a rendszer szinkronizálását.
A korszerű hardverrel rendelkező PXI-platform és az NI-vektorjel analizátor-generátor (VST, Vector Signal Trasceiver) mellett a LabVIEW szoftverkörnyezet lehetővé teszi a jelek valósidejű tervezését és megjelenítését, aminek köszönhetően esetünkben is hatékonyabb lesz a fejlesztés, ill. a tesztelés.
A burkológörbe-követő végerősítők rádiófrekvenciás jelgenerátorának és tápfeszültség (modulált)-forrása közötti szinkronizáció jittere általában 1 ns alatti, ami azt jelenti, hogy a tesztelésre használt műszereknek ennél sokkal jobb – lehetőleg 100 ps nagyságrendű – jitterrel kell rendelkeznie. Egy PXI-rendszerben a „T-Clock" hátlapi szinkronizációs rutin szoros szinkronizálást tesz lehetővé. A „T-Clock" mechanizmusa a minta-órajeleket és az indítójeleket hangolja össze úgy, hogy minden eszköz egyszerre kezdjen el jeleket kibocsátani. Pl. az NI PXIe-5451 tetszőleges hullámforma-generátor és az NI PXIe-5644R vektorjel analizátor-generátor maximális szinkronizációs jitterértéke a referenciamérés szerint 50 ps alatti volt, ezek tehát teljesítik a fenti követelményt.
A rádiófrekvenciás jelgenerátor és a tetszőleges hullámforma-generátor szinkronizálása azonban a probléma megoldásának csak az egyik fele. A modulált tápfeszültség és a rádiófrekvenciás jel különböző útvonalon jut el az erősítőig, ezért mindegyik más-más késleltetést szenved. Fontos tehát, hogy programozhatóan késleltetni vagy siettetni lehessen a tápfeszültség-hullámalakot a rádiófrekvenciás jelhez képest, biztosítva, hogy a modulált tápegység jele és az RF-jel nanoszekundum alatti eltéréssel érkezzen meg az erősítő bemenetére.
A tápfeszültség egyszerűen késleltethető az RF-jelhez képest a tetszőleges hullámforma generátor mintáinak egész számú többszörösével, ha várakozóciklusokat iktatunk be a generáló parancssor elejére. Ennél még pontosabb késleltetést állíthatunk be, ha az RF-hullámformát szoftverben vagy hardverben egy digitális szűrő révén eltoljuk a vektorjel analizátor-generátor FPGA áramköre segítségével. A hardveres megoldás előnye az, hogy sokkal gyorsabban hajtja végre az időbeli eltolást, mint az azonos hatású szoftveres szűrő, így gyorsabban lehet felismerni a tetszőleges hullámforma-generátor és a vektorjel analizátor-generátor közötti optimális szinkronizálást. A tápfeszültség névleges 400 MS/s mintavételi frekvenciája mellett tetszőleges, pikoszekundum-felbontású késleltetés állítható be.
A méréshez szükséges utolsó vizsgálóeszköz egy olyan tápegység, amely nagy pontosságú mérő-feszültségforrásként képes működni. Ennél a felhasználásnál a szokásos nagy pontosságú mérő-feszültségforrás helyett szívesebben használnak akkumulátorszimulátort, mivel a teljesítményerősítők nagy jelváltozási sebességet igényelnek. (Fontos megjegyezni, hogy bizonyos esetekben MIPI-t támogató teljesítményerősítő vezérléséhez szükség lehet még egy 1,8 V-on akár 26 MHz-es mintákat előállítani képes, nagy sebességű digitális jelalak-generátorra is a digitális vezérlés megvalósításához.)
Az eredmények helyességének ellenőrzése
A tápfeszültség és az RF-jel szinkronizáltságát legegyszerűbben egy nagy sávszélességű digitalizálóval lehet ellenőrizni. Ebben a példában az NI PXIe-5644R vektorjel analizátor-generátor és az NI PXIe-5451 tetszőleges hullámforma-generátor egy 2,5 GS/s sebességű digitalizáló egy-egy csatornájára csatlakozott. A vektorjel-generátor a 2. ábrán látható Vcc-Pki keresőtábla segítségével egy 10 MHz sávszélességű felmenő ági LTE FDD jelalakot állított elő. Eleinte a két hullámalak közötti időeltolódás nagyjából 1 µs volt, ami a mindkét műszerben megtalálható pipeline-architektúráknak és DSP-késleltetésének a következménye. Az előző részben leírt módszerrel a két hullámalak fáziskésése megszüntethető az algoritmikus (várakozóciklusok beiktatása) és hardveres (a mintaidő alatti késleltetések beiktatása) módszerek kombinálásával.
A 8. ábra szemlélteti ezeket az eredményeket, amelyekben a hullámalakot úgy skálázták, hogy a nagysága összevethető legyen az RF-hullámalakkal. A grafikonon látható, hogy a két hullámforma szinkronizált. Talán ennél is fontosabb, hogy ez a szinkronizáltság az alkalmazás egymást követő futtatásai során még akkor is megmarad, ha közben a rendszert ki-, majd újra bekapcsolták.
Egy nagy sebességű digitalizáló segítségével jól megfigyelhető, hogy a két jelalak szinkronban jelenik-e meg az erősítő bemenetén, de nem mérhetők meg az erősítő jellemzői. Mint az előző részben a szinkronizálás fontosságának taglalásakor kifejtettük, a tápfeszültség és az RF-jel egymáshoz viszonyított időbeli eltolódása súlyosan rontja az erősítő linearitását, ezért szomszédos csatornás teljesítményméréssel is eldönthető, hogy a tápfeszültség és az RF-jel optimálisan szinkronizált-e. A szomszédos csatornás teljesítmény csökkenése eszközfüggő, de ennél a mérésnél optimális szinkronizálásnál jelentős javulást mutat a rádiófrekvenciás jelanalizátor.
Következtetések
Az elmúlt évtizedben bebizonyosodott, hogy a mobilhálózatok bázisállomásaiban alkalmazott burkológörbe-követés hatékonyan javítja a teljesítményerősítők viselkedését, és csökkenti a hűtési igényt, mivel így hőként kevesebb energia disszipálódik el. A vezeték nélküli átviteli szabványok fejlődésével a mobiltelefon-gyártók is ki szeretnék aknázni a burkológörbe-követés lehetőségeit, ugyanezen előnyök elérése érdekében. Bár a burkológörbe-követés a hagyományos, rögzített feszültségű tápegységekhez képest jelentősen csökkenti az energiaigényt és növeli az akkumulátorok élettartamát, nagy kihívások elé állítja a teljesítményerősítőket tervező és vizsgáló mérnököket. A PXI-alapú, itt ismertetett vizsgálati összeállítás megoldást kínál a legnagyobb mérési problémákra, és az eredmények alapján vonzó tesztelési elrendezés lehet a burkológörbe-követő teljesítményerősítők mérése terén.
A jelen cikk először a Microwave Journal 2013. júniusi számában jelent meg, itteni publikálása a Microwave Journal engedélyével történt.
