某些4G手機一天要充電兩次，這是因為高速資料的需求持續增加，而電池效能卻無法隨著通訊技術一起進步。不過，其實這並非電池的問題，問題是出在手機的功率放大器(Power Amplifier, PA)技術。
這麼多年以來，都是一般的直流對直流(DC-DC)轉換器負責把手機的電池電力傳送到不同的晶片，其中包含功率放大器，將手機訊號傳回基地台，如果2G和3G訊號的峰值功率比(Peak-to-Average Power Ratio, PAPR)相對較低的話，就不會有什麼大問題。
隨著技術日新月異，全球行動通訊系統(GSM)演變成通用封包無線服務(GPRS)，又變成寬頻分碼多重存取(WCDMA)和高速封包存取(HSPA)，同時PAPR也逐漸增加。現在長程演進計畫(LTE)和4G的PAPR非常高，影響了手機的供電功能。圖1為根據裝置電池的特定電源輸入，標準功率放大器的輸出技術演變。
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| 圖1 不同無線標準的PAPR演變：此圖比較了電池的功率輸入(Pin)與標準功率放大器的功率輸出(Pout)。取決於不同的功率放大器設計，訊號的功率壓縮可能會有所差異，但PAPR還是一樣。 |
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| 圖2 傳輸波形(下方色塊部分)位於尖峰功率外時，Envelope Tracking電源供應(上方曲線部分)就可以大幅減少可能會被浪費掉的電力。 |
DC-DC轉換器會在訊號功率的尖峰點汲取裝置電池的電力，這種方式很沒效率。更好的電力汲取方式就是預測手機訊號的尖峰期，並且僅提供必要的電力給功率放大器；這種供電方式就是所謂功率的封包追蹤(Envelope Tracking)技術，又稱包絡追蹤技術(圖2)。
過去10年來，功率Envelope Tracking技術替基地台解決了這類的難題，不但可以節省電力，還能夠避免過熱，因為功率放大器可處理200瓦(W)左右或更高的功率。
現在的半導體技術也進步了，因此DC-DC轉換器可用於行動裝置，提供必要的調變功率給功率放大器；由於LTE等4G技術需要更優異的功率放大器效能，所以這樣的新技術出現的正是時候，接著說明功率放大器測試解決方案的程序概要。
封包追蹤測試面臨挑戰
Envelope Tracking測試讓原本就很複雜的系統變得更複雜。該技術帶來的第一波挑戰是產生調變功率供應，這樣一來可能需要高達2瓦的功率與二位數MHz的頻寬。
對電源供應器來說，這種規格不太常見，所以很多功率放大器製造商都會調整現有的DC-DC轉換器，以便執行功率調變作業。
這種晶片包含輸入用的直流電電源供應器、用來控制放大器增益的封包波形，以及某些可控制晶片的數位通道。最後會輸出經過調變的高功率波形，供電給待測的放大器。圖3是標準的射頻(RF)PA測試設定，經過擴充後可支援Envelope Tracking技術。
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| 圖3 搭載Envelope Tracking技術的標準RF PA測試設定。 |
站在測試與特性測試的立場來看，主要的挑戰就是同步執行Envelope Tracking技術所需的不同儀器。最重要的是，必須同步化射頻訊號產生器與基頻任意波形產生器(Arbitrary Waveform Generator, AWG)，並且把抖動(Jitter)情況降到最低。此外，還必須根據射頻波形，以亞毫微秒(sub-nanosecond)的精確度來歪曲(Skew)基頻封包的延遲。傳統的桌上型儀器根本很難完成上述同步化作業，就算真的要這麼做，可能還要整合多個廠商的硬體，而把應用軟體變得更複雜。
PXI平台能簡化這些同步化作業，將軟硬體整合至單一平台，進而提供簡便的解決方案。PXI背板(圖4)在機箱中配置了同步化所需的時脈與觸發器線路，所以不用外接時脈和觸發器路由網路。為了達到亞毫微秒等級的同步化與重複效能，這裡使用NI-TClk(一種能以最低20ps的抖動程度來同步化多個模組化儀器與觸發器)。
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| 圖4 PXI Express背板的時脈與觸發器配置圖 |
最後，市場上多樣的PXI模組化儀控產品提供相當的彈性，有助於打造Envelope Tracking系統並完成RF PA測試設定。工程師可以把完整的功率放大器測試系統整合至單一PXI機箱，同時運用一致的硬體驅動程式應用程式介面(API)組合，進一步簡化系統整合與測試開發作業。
做好相關硬體設定
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| 圖5 PXIe-5673E向量訊號產生器的正面包含三個不同的模組。 |
如果要修改標準的功率放大器測試解決方案並加入Envelope Tracking測試功能，就必須在系統內加入任意波形產生器(圖3)，任意波形產生器必須能夠驅動單端點與差動負載，同時還要套用常見的模式與差動DC偏移值、可變的增益設定，以及靈活的時脈設定選項。美商國家儀器(NI)PXIe-5451是一款400MS/s的雙通道任意波形產生器，可滿足上述所有需求。此外還內建一些訊號處理功能，比如說平整度校正、可用於脈波整形與補間的有限脈波響應(Finite Impulse Response, FIR)濾波功能，以及可減少軟體預先處理需求的數位升頻轉換器。
至於射頻訊號產生器，則選用6.6GHz的PXIe-5673E向量訊號產生器(Vector Signal Generator, VSG)，頻寬超過100MHz。PXIe-5673E包含PXIe-5450任意波形產生器、PXIe-5652局部振盪器、PXIe-5611 I/Q向量調變器等三個不同的模組(圖5)。
圖6為向量訊號產生器與任意波形產生器同步化及可重複性的檢驗設定。
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| 圖6 此測試設定可檢驗任意波形產生器與向量訊號產生器的同步化狀況。 |
PXIe-5673E向量訊號產生器會產生射頻波形，PXIe-5451則會產生基頻封包波形。1GHz的PXIe-5154示波器可用來檢驗同步化作業，但只要取樣率與頻寬足夠的話，也可以選用其他示波器。
如果要同步化任意波形產生器與向量訊號產生器，這兩個裝置的參考時脈必須都是10MHz。PXI 10MHz背板時脈可提供所需的參考時脈，也可以外接10MHz的時脈。
設定必要軟體步驟
如果要產生Envelope Tracking技術所需的射頻與封包波形，必要的軟體步驟則如圖7所示。如果要產生LTE波形，可使用LTE Toolkit或從檔案中讀取。接著就會計算封包波形，這也是LTE波形的功能之一。這時工程師可能會想要執行其他的訊號處理作業，例如數位預失真和其他濾波功能，進一步優化Envelope Tracking波形。
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| 圖7 此軟體程序可產生Envelope Tracking所需的射頻與封包波形。 |
向量訊號產生器經過設定，可產生LTE波形，PXIe-5451的設定則是類似PXIe-5673E向量訊號產生器裡面的PXIe-5450任意波形產生器(圖5)。接著，封包波形會根據射頻波形來轉換時間，並且與用來控制波形產生的硬體指令碼一起寫入內建記憶體。最後，使用TClk來同步化裝置並加以啟動。
相較之下，用來同步化基頻封包產生器與射頻訊號產生器的軟體就簡單多了。只要向量訊號產生器與任意波形產生器的參考時脈相同，即可使用NI-TClk來同步化這些程序。
此時，任意波形產生器與向量訊號產生器所產生的波形都已經過相位鎖定，且兩者間的延遲會不斷重複。此延遲來自PXIe-5450任意波形產生器間的類比路徑，並且會通過NI-TClk無法控制的PXIe-5611 I/Q調變器(圖5)。由於延遲狀況會持續發生，只要根據向量訊號產生器來延遲任意波形產生器就可以避免這個狀況。
就許多Envelope Tracking應用而言，根據向量訊號產生器來延遲任意波形產生器(或反向操作)的功能非常重要，這樣才可以找到有助於充分發揮裝置效能的延遲狀況。重複延遲情況時，必須把抖動降到最低，因為就算是歪曲延遲時距離最佳值只有幾個毫微秒，也可能會影響裝置的線性度達數個dB。
實作波形產生延遲
對於Envelope Tracking晶片測試與特性測試來說，向量訊號產生器與任意波形產生器之間的延遲控制功能非常重要。如果要實作延遲，可以在硬體中加入等待樣本與歪曲樣本時脈，也可以透過數位訊號處理器(DSP)在軟體中實作延遲。
雖然可以在硬體中實作延遲，但必須以200MHz重新擷取Envelope Tracking波形樣本，才能以毫微秒的解析度來指定延遲。有些客戶可能不會考慮波形重新取樣，所以最好採用軟體實作方式。
軟體延遲演算法採用離散傅立葉轉換(Discrete Fourier Transform, DFT)定理來轉換時間；根據這項定理，如果透過nd個樣本來延遲週期性的時域波形，DFT表徵就會根據
系數有所修正，其中的k代表離散頻率指數。
只要執行以下步驟，即可使用上述結果，透過nd個樣本數來延遲x[n]：首先使用的N-point DFT來計算X[k]，同時
；接著，把X[k]乘以
；最後，計算轉換結果的DFT倒數。
圖8是LabVIEW範例程式碼搭配1GHz的PXIe-5154示波器來執行資料取樣的結果。此範例中的基頻封包訊號只是放大版的LTE波形。透過圖形觀察的話，就會發現基頻封包的軌跡與射頻波形相同。
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| 圖8 LTE波形與基頻封包 |
除了某些標準的硬體資源控制元件外，還有一些值得注意的參數，首先是波形IQ Rate。通常可以簡化這樣的參數，假設射頻與封包波形都採用相同的取樣率，任意值皆可。如前所述，如果要以任意值來延遲封包與射頻波形，兩個波形都會以200MHz重新開始取樣。第二個重要的控制參數就是根據向量訊號產生器來延遲任意波形產生器。只要輸入負延遲，此控制參數即可根據射頻波形來延遲封包波形，反向操作也可以。
翻新現有設備 支援封包追蹤
使用傳統的直流電電源供應器會浪費大量的電力，所以Envelope Tracking功能對LTE功率放大器來說非常重要。雖然這項技術可以大幅改善功率放大器效能，但為納入Envelope Tracking功能而調整現有的測試與特性測試設備不僅非常困難，還會耗費可觀的成本。但只要運用本文所述的平台與範例程式碼，即可全面翻修現有的PXI功率放大器測試台以支援Envelope Tracking功能，相較於傳統的桌上型設備，還能夠省下更多的時間與成本。
(本文作者任職於美商國家儀器)