射频发射机的能源效率

在任何发射机中添加动态电源（DPS，dynamic power supplies）功能都是需要花钱的，因此必须存在令人信服的经济原因以及从中获得的性能提升，以证明值得花费这笔钱。引人注目的动机源于采用具有高峰值平均功率比（PAPR）的通信信号。任何功率放大器都是峰值功率受限器件，这意味着PA必须能够产生信号峰值功率。对于放大器线性度，电压限幅的上限必须超过峰值包络电压。因此，随着所使用的调制信号的PAPR增加，从放大器获得的平均功率成比例地减小。

图1-4 四个常见信号的信号PAPR对线性放大器的能效影响：较高的PAPR必然导致较低的能效。

这种情况如图1-4所示。一个完美的线性放大器将使其传递函数遵循直线虚线。但任何实际放大器对其最大输出电压都有一个数量有限的限制，并且该放大器响应曲线归一化为该峰值电压值。设置电压限幅边界，当达到该边界时输出电压不再增加。点状曲线也显示了良好晶体管放大器的输出效率。该输出效率略高于达到电压限幅边界的放大器输入信号电压，这对应于获得最大能量效率所需的方波形状。

图1-3 广泛使用的上行链路信号调制类型的PAPR（实线）和带宽效率（虚线）:( a）对数标度; （b）线性标度。

信号调制的包络变化定义了信号的PAPR（峰均比）是多少。这些包络变化也决定了放大器的线性度要求。采用图1-3中的四种信号示例并将PAPR评估中使用的功率值转换为包络电压比，可以在图1-4中评估信号包络变化对能量效率的影响。用于GSM的GMSK（高斯最小频移键控）调制没有包络变化，因此它可以在放大器的峰值效率点上工作，这个值大概是61％。基本UMTS调制是一种特殊形式的正交幅度调制（QAM），PAPR为3.5 dB。在放大器电压限幅边界设置包络峰值时，信号平均值向下移动到放大器输出效率仍高于40％的位置。用于高速分组接入（HSPA）的更复杂的QAM调制具有更大的PAPR，这将放大器操作推至最高20％的操作效率。最后，长期演进（LTE）所基于的正交频分调制（OFDM）信号具有足够大的PAPR，以迫使该PA的操作效率低于10％。重要的是要明确这些效率是这些信号的最大可用效率。在输出功率降低时，PA效率会从这些最大值沿着效率曲线进一步下降。

效率为10％时，从电池汲取的每10个电子中，只有一个电子对于产生所需的输出信号非常有用，其余9个电子通过放大器功率消耗而滞后并产生热量。这是一种可怕的性能，它迫使发射机设计人员从这种单线性功率放大器中找到不同的架构，它仍能提供准确的输出信号，同时还能提供接近40％的效率。

历史认为，当PA效率达到或超过40％时，产品是可以接受的。对于图1-4所示的放大器，该效率对应于信号PAPR为6 dB，对应的功率比为4：1，等效电压比为2：1。当信号PAPR小于6dB时，传统线性放大器的效率下降在历史上也是可以容忍的，并且被认为不能证明对这种简单信号调制的简单架构做出的任何改变是值得的。随着信号PAPR增加到6 dB或4 W / W以上，效率下降的可容忍度降低，并且开始证明改变发射机架构并接受由此产生的生产成本和复杂性增加的努力是合理的。动态电源发射机（DPST，Dynamic power supply transmitters）是满足这一新要求的可行技术选择之一。

当主要能源是电池，或者特别是某种类型的能量收集机制时，来自电子源的电子经常被认为是有限的。存在无线通信特征以进行通信，并且考虑无线电在将这些电子用于所需通信方面的有效性是可行的。实现架构和电路必须考虑这个电子效用因素，从主要能源汲取的电子与实际产生所需通信信号的电子之比，选择最有效的方案。

图1-5 发射机的电子使用率取决于PA的运行能效：当能源有限时（如电池），能够实现更高电子效用的信号和电路更具可行性和价值。

互联网小常识：OSPF使用分布式链路状态协议，当链路状态发生变化时用洪泛法向所有路由器发送此信息，一个区域内路由器的个数不超过200个。BGP-4采用了路由向量（path vector）路由协议。BGP发言人之间的通信需要先建立TCP连接。

仅看发射机PA，电子的效用因子恰好等于放大器的效率因子，如图1-5所示。这很明显，但在这种电子的使用格式进行描述仍然是有用的，因为它是控制电子实际应用中的真实设计目标：电池寿命。

效率提高与信号的PAPR

从图1-4中可以看出，只有当输入驱动电平增加时，放大器的输出效率才能提高，当输入驱动电平增加时，放大器的输出效率会提高，从而迫使放大器对信号峰值进行限幅，因此不再支持调制所需的整个包络变化范围。通过定义，这是一种PA的非线性操作。这是查看任何线性放大器的线性度和效率之间众所周知的权衡的另一种方法。同样，我们只能选择一个。幸运的是，图1-4中的关系也说明了通信系统设计中存在另一个自由度以提高其效率，即选择提供了所需的通信属性的具有较低PAPR值的调制信号。

动态电源（DPS，dynamic power supplies）架构在提供所需输出效率方面的有效性因可用的DPS架构而异。最简单的DPS架构称为平均功率跟踪（APT，average power tracking），实际上这是一个误称，因为真正发生的是峰值功率跟踪。在这种DPS架构中，施加到PA的电压设置为略高于峰值信号包络电压，因为输出功率是变化的，以便始终以所使用信号的最大可用输出效率操作PA，如图1-4所示。

在动态电源（DPS，dynamic power supplies）架构的另一个极端是根据图1-2（c）操作功率放大器，但放大器内的电压降设置为零。这提供了发射器可以具有的尽可能高的总能量效率，尽管应用可能不希望接受某些成本。暂时将这些成本放在一边，图1-6显示了整体发射机能量效率，PA能量效率和信号PAPR之间的顶层关系。

图1-6 DPS操作选项时的PA能效收益：（a）UMTS; （b）OFDM。

高效发射机设计的第一步是使PA本身最大限度地发挥作用。这是通过消除所有放大器电路线性度来完成的，我们将在后面介绍这些技术。在图1-6中，这些最大效率结果显示在顶部标记为PA输出效率模型。两种信号调制情况如图1-6所示，UMTS信号在图1-6（a）中具有3.5 dB PAPR，而正交频分调制（OFDM）信号在图1-6（b）中具有10 dB PAPR 。 UMTS设计图还包括直接测量各种UMTS输出功率水平下的最大可用PA输出效率，从而验证了该模型。

现在，采用所采用的架构的任务是使该效率对本地能源可见。底部实线是该放大器在作为传统的固定电源A类线性放大器（如图1-4中所示）运行时的相应效率的量度。整体效率很低，这是线性A类放大器的一个众所周知的问题。该曲线的峰值效率对应于图1-4中的空心圆，以及该图中的效率曲线。虚线表示平均功率跟踪（APT）技术的整体效率，该技术仅将放大器的电源电压降低到最高信号峰值的极限，如图1-2（b）所示。 。在最高输出功率下，APT实际上不比仅仅线性放大器本身更有效。这是因为实现APT降低的电源电压的DPS其自身具有一些功耗，当DPS不存在时就不会有这一部分功耗了。在较低的输出功率水平下可以看到APT的主要的优势，其总体效率下降得更慢，现在与PA自身提供的效率曲线更接近。虚线曲线表示当DPS设计为一路走向DPS发射机操作的最大可用效率时的总输出效率。此曲线与可用PA输出效率之间的差异是由于DPS本身的效率导致的。在较低的输出功率下，DPS所需的偏置电流变得更加显着，并且操作效率下降得比PA本身要更快。

从图1-6中可以注意到的最重要的是，这两个示例信号的DPS操作的效率优势是显著不同的。当使用UMTS调制时，简单APT和更复杂的DPS操作之间的操作效率差异相当小。这种差异不足以证明采用该信号的DPS操作的复杂性和成本是合理的。当使用更高的OFDM的PAPR时，该结论被改变。 DPS操作的操作效率远高于APT操作的操作效率，APT操作本身远远高于线性操作的非常低的效率。为了达到40％的运行能源效率，只有DPS运行架构才能接近这一目标。从营销和经济角度来看，这种性能改进现在证明了这种对DPS操作的架构改变的合理性。

我们后面会详细介绍所有这些DPS电路和架构选项中涉及的物理过程。提供了重要的新设计方程，以及这种设计不同方式的发射机所需的新测试要求。

（完）