O que é Envelope Tracking?

Postado por leopedrini domingo, 24 de abril de 2016 08:15:00 Categories: Componentes de RF Curso LTE
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Talvez você já tenha ouvido falar que alguns dispositivos móveis consomem menos ou mais bateria que outros.

Ou talvez tenha ouvido o seguinte: “Quando coloco meu móvel no modo LTE, ele consome muito mais bateria!”.

 

Infelizmente, isso é verdade, principalmente para o caso do LTE. Esta é uma das razões pela qual a primeira ‘leva’ de dispositivos LTE ficou conhecida pelo ‘péssimo’ consumo de bateria.

 

 

A ‘solução’ adotada por alguns fabricantes foi aumentar o tamanho das baterias. E hoje em dia, não é raro encontramos pessoas carregando uma bateria extra. (A bateria era aumentada para compensar o ‘desperdício’ de energia, como veremos logo mais).

 

Analisando algumas características das tecnologias de acesso móvel, vemos que cada vez mais aumentam a complexidade (em vermelho na tabela abaixo).

 

Embora essa complexidade seja necessária para suportar altas taxas cada vez mais demandadas, acabam trazendo algumas desvantagens.

A principal delas, e a explicação técnica para o consumo de bateria maior do LTE se deve à própria característica da forma onda do sinal de RF OFDM(A), onde as ondas possuem ‘picos’ e ‘vales’ muito mais extremos que seus antecessores (3G por exemplo), para que consigam ser alcançado alto throughput de dados com recursos de espectro limitado.

 

Quando comparamos sinais típicos WCDMA, HSUPA e LTE, onde vemos claramente que os picos no LTE são bem mais destacados.

 

Observação importante: É claro que existem outros fatores que podem fazer com que um móvel LTE consuma mais bateria que um móvel 3G, mas certamente essa relação é a mais impactante: a relação ‘pico/média’ da potência do sinal.

Então vamos entender o que significa essa relação. Considere agora um sinal de saída típico de um transmissor OFDMA (LTE). A linha vermelha indica o Pico, e a verde a Média RMS (da potência do sinal).

 

A relação de potência do pico com a potência média é chamada de PAPR (Peak-to-Average Power Ratio).

Mas como posso entender melhor essa relação?

Através de exemplo. Suponha que no sinal acima, a média seja de 200 mW. E o pico do sinal atinja 2 W. Então, para que consigamos transmitir todo o sinal (que tem uma média de 200 mW), o amplificador precisa ser capaz de lidar com um sinal dez vezes maior (10 dB) que isso, ou seja, uma potência de 2W.

Parabéns: você acabou de ver na prática o que significa PAPR igual a 10 db!

Valores práticos (típicos) dessa relação varia de acordo com a tecnologia (ou mais precisamente com a forma de onda característica. Por exemplo para o WCDMA é em torno de 3.5 dB, para o HSUPA em torno de 6.5 dB e para o LTE cerca de 8.5 dB.

 

Vamos prosseguir, e considerar um sinal de RF LTE como o mostrados abaixo.

 

Observação importante: para fins de simplificação, nós ‘envelopamos’ o sinal de RF, ou seja, a forma de onda mostrada é o ‘envelope’ da forma de onda de RF real, como vemos abaixo.

 

Entendido o conceito de envelope, e como demonstramos as formas de onda neste tutorial, vamos continuar.

 

Amplificador com Saída Constante

Para ‘suportar’ todo esse sinal, uma bateria deveria ter um nível constante, como mostrado na figura abaixo, em amarelo. Em laranja temos a parte que é perdida – dissipada na forma de calor.

 

Em outras palavras, a forma mais simples possível para um sistema de alimentação seria uma conexão direta com a bateria, com um nível de sinal contínuo (independente do sinal de RF). Porém nesse caso, é fácil perceber que a eficiência seria extremamente ruim, já que ela é diretamente relacionada com a PAPR da forma de onda.

Em casos como o mostrado (saída contínua), comparando o consumo LTE versus WCDMA, o LTE consome praticamente o dobro (duas vezes mais) que o WCDMA.

 

Eficiência do Amplificador

Dissemos acima que o amplificador de potência tem uma eficiência ruim. Mas o que significa isso?

Aproveitando este nosso primeiro exemplo, vamos entender o que é a ‘eficiência’ dos amplificadores de RF, uma vez que dela depende o dimensionamento de diversos outros elementos, como qual a fonte de energia que será usada, se devemos ter dissipadores de calor ou não, etc. Em outras palavras, o projeto de RF de todos os modernos sistemas móveis dependem da ‘eficiência’ dos amplificadores de RF.

Em um amplificador de RF, a energia é fornecida ao circuito, e um sinal de saída é gerado (sempre menor que a potência DC de entrada).

A relação da energia de saída sobre a energia de entrada (DC) é o que chamamos de eficiência.

 

Se o sinal a ser processado tem uma forma fixa (sinal modulado, mas com amplitude fixa), e o amplificador não precisa ser ajustado, temos uma alta eficiência.

Entretanto, a forma de onda dos sistemas celulares modernos e o modo de operação do amplificador definem a eficiência.

E é por isso que técnicas alternativas surgem, como veremos a seguir.

 

Amplificador APT (Average Power Track)

Continuando a partir do exemplo acima, vimos que ele representa o pior caso possível: um sistema onde não temos nenhum tipo de controle de potência. Na realidade o controle de potência existe (em intervalos de tempos períodicos a energia é variada).

E a solução mais comum utilizada é o circuito amplificador do tipo APT (Average Power Track).

Na solução APT DC:DC, cada slot é rastreado baseado nos níveis do controle de potência da transmissão.

Em casos de baixa potência, essa solução realmente melhora a eficiência, porém não ajuda muito em casos de alta potência. Além disso, a eficiência também depende da forma de onda.

No modo APT, de acordo com um certo tempo periódico, a tensão drenada da bateria pelo dispositivo é ajustada - porém permanece nesse valor até o próximo slot de controle! Mas mesmo que essa tensão seja ajustada, acabamos desperdiçando grande parte da energia – ‘nivelando por cima’. O PA deve ser ajustado de forma que a potência ‘acomode’ os picos e vales.

 

Na figura a seguir, vemos novamente em amarelo a energia da bateria, e em laranja a quantidade de energia desperdiçada. Em outras palavras: consumimos mais energia que o necessário!

 

Idealmente, não deveríamos ter área laranja, ou seja, o dispositivo deveria puxar da bateria somente a energia que ele necessita para transmitir.

Parece simples, mas na verdade era uma coisa muito difícil de realizar, especialmente em smartphones LTE, que como vimos consomem muito mais energia em seus amplificadores de sinal do que os dispositivos 3G ou 2G.

Felizmente, essa história já mudou. A empresa Nujira desenvolveu (e já está comercial há bastante tempo, inclusive com inúmeros dispositivos disponíveis no mercado) uma nova técnica que elimina esse enorme desperdício que temos nesses rádios (principalmente o LTE).

 

Amplificador ET (Envelope Track)

A nova técnica chama-se Envelope Track. Desconsiderando o conceito intuitivo daquele envelope que utilizamos quando enviamos uma carta a alguém (embora o conceito seja similar), na Engenharia e Física o conceito de envelope refere-se a uma função. Para qualquer sinal oscilante, o envelope é a curva suave que envolve, ou delineia seus limites. O sinal está contido dentro do envelope.

Talvez você não tenha percebido, mas anteriormente já falamos disso (demos a dica). Os sinais que representamos neste tutorial estão na forma do envelope!

 

Então fica fácil descrever: o ET (EnvelopeTrack) é a técnica que ‘casa’ a energia que está alimentando o dispositivo, com a energia que ele transmite.

Esse esquema é muito mais dinâmico que o APT, e permite rastreio da amplitude do sinal.

Usando ET, a voltagem da fonte de energia aplicada ao amplificador é continuamente ajustada a fim de garantir que que o amplificador esteja sempre funcionando em sua eficiência de pico, para aquela potência de saída desejada.

Diferentemente do APT, não depende da forma de onda. E com a utilização do ET, o consumo do LTE fica bem próximo do WCDMA (cerca de 1.2 vezes).

O sinal de banda base direciona o chip (ET) e varia a fonte de alimentação DC de forma a manter o PA no ponto de compressão (ou pelo menos próximo dele), resultando em uma eficiência muito maior.

Outra diferença em relação ao APT é que o ET substitui a fonte DC fixa por uma fonte DC variável (mudando rapidamente), que rastreia dinamicamente a amplitude (ou envelope) do sinal de RF. Os sinais do chipset de banda base do móvel são enviados para chip de fornecimento de energia ET.

 

Voltando à mesma figura anterior, mas agora com o ET no lugar do APT, vemos que a área laranja (desperdício) é mínima!

 

O objetivo do ET é alcançado: obter uma conversão de energia eficiente. Ou seja, que a cada instante seja fornecida apenas a energia necessária (para aquele instante de transmissão). Embora essa relação exata seja praticamente impossível de ser alcançada, o ajuste contínuo no PA nos permite uma aproximação muito boa.

 

Comparações

Comparando de forma bem simplificada as 3 implementações vistas, podemos ver claramente como a energia é melhor aproveitada com a utilização da técnica de Envelope Tracking.

 

Na prática, a eficiência de um Amplificador Convencional (APT) é da ordem de 25%, enquanto com o ET fica em torno de 60%.

 

Disponibilidade

Como já mencionamos, o ET já está disponível há alguns anos. A Samsung por exemplo estreou com o chip Qualcomm QFE1100 no Galaxy Note 3. A LG com o Nexus 5. Apple com iPhone 6.

Atualmente, é bem ampla a utilização – praticamente todos os novos modelos de todos os fabricantes.

 

Conclusão

Ao longo dos tempos, diversas técnicas foram utilizadas com a finalidade de melhorar a eficiência dos amplificadores de potência em sistemas de comunicações, cada uma delas com suas vantagens e desvantagens, porém todas com o mesmo objetivo - melhorar a eficiência e linearidade dos amplificadores de potência e consequentemente diminuir o consumo de energia (que custa muito dinheiro) das BS (Base Stations) e economizando a bateria dos móveis (prolongando o tempo de uso e diminuindo o aquecimento).

Conhecemos hoje aqui algumas dessas técnicas como o APT e o ET (Envelope Tracking), sendo essa última mais adequada – e utilizada – nos modernos sistemas celulares, como o LTE, com uma alta PAPR (Peak-to-Average Power Ratio).

Vimos que a técnica Envelope Tracking é bastante eficiente, e inclui um novo componente – a amplitude, que agora é rastreada, e utilizada como input: o ‘envelope’ de amplitude do sinal é rastreado e utilizado pelo amplificador!

Esperamos que você tenha gostado.

Até nosso próximo tutorial.