¿Qué es Envelope Tracking?

Escrito por leopedrini lunes, 25 de abril de 2016 0:37:00 Categories: Curso LTE
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Tal vez usted ha oído que algunos dispositivos móviles consumen menos o más batería que otros.

O usted puede haber oído lo siguiente: "Cuando pongo mi móvil en modo LTE, drena más batería."

 

Desafortunadamente, esto es cierto, sobre todo en el caso de LTE. Esta es una razón por la que los primeros dispositivos LTE fueron conocidos como "malos" - escurridor batería.

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La "solución" adoptada por algunos fabricantes ha sido aumentar el tamaño de las baterías. Y hoy en día, no es raro encontrar personas que llevan una batería adicional. (La batería se incrementó para compensar el "desperdicio" de la energía, como veremos en breve).

 

Analizando algunas características de las tecnologías de acceso móvil, vemos que cada vez más aumenta la complejidad (de color rojo en la tabla de abajo).

 

A pesar de esta complejidad se requiere para soportar las altas tasas cada vez más demandadas, terminan provocando algunas desventajas.

La principal, y la explicación técnica para el mayor uso de la batería en LTE se debe a la característica específica de la forma de onda de señal de radiofrecuencia OFDM (A), donde las olas tienen "picos" y "valles" más extremas que sus predecesores (3G, por ejemplo, ), de modo que se puede lograr un alto rendimiento de datos con recursos de espectro limitado.

 

Cuando estamos comparando los señales típicos de WCDMA, HSPA y LTE, vemos claramente que los picos en LTE son más prominentes.

 

Nota importante: Por supuesto que hay otros factores que pueden causar un móvil LTE drene más de la batería de un móvil 3G, pero sin duda esta relación es la más llamativa: la relación de 'pico / promedio' de la intensidad del señal.

Así que vamos a saber lo que significa que la relación. Consideremos ahora uno señal de salida típico de un transmisor OFDM (LTE). La línea roja indica el pico, y los verdes el promedio RMS (de la intensidad del señal).

 

La relación de potencia de pico a de potencia promedia se denomina PAPR (Peak-to-Average Power Ratio).

Pero, ¿cómo puedo entender mejor esta relación?

Por medio de ejemplo. Supongamos que en la señal por encima de la media es de 200 mW. Y el pico de la señal llega a 2 W. Entonces, para que podamos transmitir toda el señal (que tiene un promedio de 200 mW), el amplificador debe ser capaz de manejar uno señal diez veces más alto (10 dB) que es, una potencia de 2W.

Enhorabuena: acaba de ver en la práctica, lo que significa PAPR igual a 10 db!

Valores prácticos (típicos) de esta relación varían en función de la tecnología (o más precisamente a la forma de onda característica. Por ejemplo, para el WCDMA es alrededor de 3,5 dB, para el HSUPA alrededor de 6,5 dB y LTE 8,5 dB aproximadamente.

 

Vamos a pasar, y considerar uno señal de RF LTE como se muestra a continuación.

 

Nota Importante: Para fines de simplificación, nosotros "envolvemos" el señal de RF, es decir, la forma de onda que se muestra es la "envoltura" de la forma de onda de RF actual, como se muestra a continuación.

 

Entendido el concepto de envoltura, y como hemos demostrado la formas de onda en este tutorial, vamos a seguir.

 

Salida Constante

Para "encargarse" de todo esto señal una batería debe tener un nivel constante, como se muestra en la figura siguiente, en amarillo. En naranja tenemos la parte que se pierde - disipa en forma de calor.

 

En otras palabras, la forma más simple posible para un sistema de energía sería una conexión directa a la batería, con un nivel de señal contínuo (independiente del señal de RF). Pero en este caso, es fácil ver que la eficiencia sería extremadamente mala, ya que está directamente relacionada con la forma de onda PAPR.

En casos como se muestra (salida continua) que comparan el consumo de WCDMA vs LTE, LTE consume casi el doble (dos veces) que las redes WCDMA.

 

Eficiencia del Amplificador

Hemos dicho anteriormente que el amplificador de potencia tiene una "mala eficiencia". Pero, ¿qué significa?

Aprovechando este nuestro primer ejemplo, vamos a entender lo que es la "eficiencia" de los amplificadores de RF, ya que de ella depende el diseño de muchos otros elementos, tales como la fuente de energía que se va a utilizar, si tenemos disipadores de calor o no, etc. en otras palabras, el diseño de RF de todos los sistemas móviles modernos dependen de la "eficiencia" de los amplificadores de RF.

En un amplificador de RF, se suministra potencia al circuito, y se genera una señal de salida (siempre menor que la potencia de entrada DC).

La relación entre la potencia de salida y la de entrada (CC) es lo que llamamos la eficiencia.

 

Si se está procesando el señal que tiene una forma fija (señal modulado pero con amplitud fija) y el amplificador no necesita ajustes, tenemos una alta eficiencia.

Sin embargo, la forma de onda de los sistemas celulares modernos y el modo de funcionamiento del amplificador establece la eficiencia.

Y es por eso que surgen técnicas alternativas, como veremos a continuación.

 

Amplificador APT (Average Power Track)

Siguiendo con el ejemplo anterior, vimos que es el peor de los casos posibles: un sistema que no tenemos ningún control de potencia. De hecho existe el control de potencia (en intervalos periódicos de veces la energía es variada).

Y la solución más común usado es el circuito amplificador de APT (Average Power Track).

En la solucion APT DC:DC, cada slot es rastreado en base a los niveles de transmisión del control de potencia.

En los casos de baja potencia, esta solución realmente mejora la eficiencia, pero no ayuda mucho en casos de alta potencia. Además, la eficacia depende también de la forma de onda.

En el modo de APT de acuerdo con un cierto tiempo periódico, la tensión de drenaje de la batería se ajusta por el dispositivo - sin embargo, este valor se mantiene hasta la siguiente slot de control! Pero incluso si se ajusta la tensión, simplemente desperdiciamos gran parte de la energía - 'nivelación por arriba'. El PA debe ajustarse de modo que la potencia 'soporte' los picos y valles.

 

En la siguiente figura, vemos de nuevo en la energía de la batería de color amarillo y naranja en la cantidad de energía desperdiciada. En otras palabras, que consumen más energía de la necesaria!

 

Lo ideal es que no hay que tener un área de color naranja, es decir, el dispositivo debe tirar de la batería sólo la energía que necesita para transmitir.

Suena simple, pero en realidad fue una cosa muy difícil de lograr, especialmente en los teléfonos inteligentes LTE, como ya hemos visto que consumen mucha más energía en sus amplificadores de potencia que los equipos 3G o 2G.

Afortunadamente, esta historia ha cambiado. La compañía Nujira ha desarrollado (y ya es comercial durante mucho tiempo, incluso con numerosos dispositivos disponibles en el mercado) una nueva técnica que elimina este enorme desperdicio que tenemos en estos radios (especialmente LTE).

 

Amplificador ET (Envelope Tracking)

La nueva técnica se denomina Envelope Tracking (Rastreo de la Envolvente). Sin tener en cuenta el concepto intuitivo de la envolvente que utilizamos cuando enviamos una carta a alguien (aunque el concepto es similar) el concepto de la envolvente en Ingeniería y Física se refiere a una función. Para cualquier señal oscilante, la envolvente es una curva suave que implica o describe sus límites. El señal está contenido dentro de la envoltura.

Puede que no haya notado, pero hemos hablado con anterioridad sobre él (nosotros dimos un toque). Los señales que representamos en este tutorial tienen una forma de la envolvente!

 

Así que es fácil de describir: ET (Envelope Tracking) es la técnica que 'coincide' la energía que se tiene enchufada al dispositivo con la potencia que transmite.

Este esquema es mucho más dinámico que el APT, y permite el seguimiento de la amplitud de la señal.

El uso de ET, la voltaje de la fuente de potencia aplicada al amplificador se ajusta continuamente para asegurar que el dispositivo siempre está funcionando a su máxima eficiencia para la salida de potencia deseada.

A diferencia de la APT ello no depende de la forma de onda. Y con el uso de ET, el consumo de LTE está muy cerca de las redes WCDMA (aproximadamente 1,2 veces).

El señal de banda de base alimenta el chip (ET) y varía la fuente de alimentación de CC a fin de mantener el PA en el punto de compresión (o al menos cerca de ello), resultando en una eficiencia mucho mayor.

Otra diferencia en comparación con el APT es que el ET sustituye a la fuente de CC fija con una fuente de alimentación DC variable (que cambia rápidamente) que rastrea dinámicamente la amplitud (o envolvente) del señal de RF. Los señales de banda base del chipset móvil se envían a chip de fuente de alimentación ET.

 

Volviendo a la misma figura anterior, pero ahora con la ET en lugar de APT, vemos que la zona naranja (desperdicio) es mínimo!

 

Se alcanza el objetivo del ET: obtener la conversión de energía eficiente. Es decir, que en cada momento sólo se proporciona la energía necesaria (para ese momento de la transmisión). Aunque esta relación exacta es prácticamente imposible lograr el ajuste continuo del PA nos permite una muy buena aproximación.

 

Comparaciones

En la comparación de manera simplificada de las 3 implementaciones vistas, podemos ver claramente que la energía se aprovecha mejor con el uso de la técnica de Envelope Tracking.

 

En la práctica, la eficiencia de un amplificador convencional (APT) es de alrededor de 25%, mientras que con la ET es de alrededor de 60%.

 

Disponibilidad

Como ya se ha mencionado, el ET ha estado disponible desde hace algunos años. Samsung, por ejemplo, debutó con un chip Qualcomm QFE1100 en el Galaxy Note 3. LG con el Nexus 5. Apple con el iPhone 6.

Actualmente, su uso es muy amplio - prácticamente todos los nuevos modelos de todos los fabricantes.

 

Conclusión

Con el tiempo, varias técnicas se utilizaron con el fin de mejorar la eficiencia de los amplificadores de potencia en sistemas de comunicaciones, cada uno con sus ventajas y desventajas, pero todos con el mismo objetivo - para mejorar la eficiencia y linealidad de los amplificadores de potencia y por lo tanto reducir el consumo de energía (que cuesta dinero) de BS (estaciones base) y para ahorrar la batería del móvil (prolongación de la duración del uso y la disminución de calentamiento).

Hemos visto aquí hoy algunas de estas técnicas como el ATP y ET (Envelope Tracking), siendo este último más adecuado - y usados - en los sistemas celulares modernos, tales como LTE, con grandes PAPR (Peak-to-Average Power Ratio).

También hemos visto que la técnica de Envelope Tracking es muy eficaz, e incluye un nuevo componente - la amplitud, que ahora se hace un rastreo y se utiliza como entrada: las 'envoltura' de la amplitud del señal se rastrea y es utilizada por el amplificador!

Esperamos que hayan disfrutado.

Hasta nuestro próximo tutorial.