芯耀
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系统设计师常常为功耗问题而烦恼。在依靠电池供电的移动设备中，一次充电后的通话时长取决于电池容量和设备的功耗。功耗越低，设备的续航时间就越长。对于基站而言，虽然可能不存在电池供电的问题，但网络的能耗成本会不断累积。当然，任何设备中浪费的电能都会产生热量，而这些热量必须被散发出去。
一、功率附加效率（PAE）及功率效率（PE）
功率放大器（PA）是无线系统中功耗较大的部件之一，因此放大器的效率至关重要。下图展示了一个功率放大器，它根据输入功率（Pin）和所提供的直流功率（Pdc）产生输出功率（Pout）。
工程师们通常用dB来表示放大器的功率增益：
功率附加效率（PAE）表示功率放大器的整体效率，其中涵盖了输入功率所产生的影响。
功率附加效率（PAE）通常以百分比的形式表示。例如，一台功率放大器的输出功率为10W，输入功率为0.5W，直流功率为30W，那么它的功率附加效率PAE=(10-0.5)÷30=32%。该放大器的功率增益为GdB=10×log(10÷0.5)=13dB。
功率效率（PE）是另一个用于描述放大器效率的参数，它忽略了输入功率的影响。在这种情况下，效率仅根据输出功率和所提供的直流功率来定义。
当关注单个晶体管的功率效率时，它有时被称为漏极效率（场效应晶体管器件）或集电极效率（双极型晶体管）。这样的表述反映了一个事实，即直流功率在很大程度上是通过测量流经漏极或集电极的电流，再乘以直流电源电压来确定的。
请注意，当放大器的增益相当高时，输入功率的影响就变得不那么重要了，这使得功率附加效率（PAE）大致与功率效率（PE）相同。
下图是某功放的增益和效率曲线图
二、峰均功率比以及CCDF曲线
在使用功率放大器时，输入信号的变化会影响其实际效率。现代数字调制方法常常会产生瞬时功率变化很大的信号。下图展示了一个具有较高峰值功率（Ppeak）的信号与其平均功率（Pavg）相比的瞬时功率电平。描述这种波形 “峰值特性” 的一种方法是峰均功率比（PAPR），以dB为单位来表示。
CCDF是一种统计函数，用于描述信号超过某一特定功率电平的概率。对于给定的信号x(n)，其CCDF定义为CCDF(P)=Pr(∣x(n)∣^2>P)，即信号功率大于P的概率。CCDF通常用于评估信号的峰值特性，它可以帮助我们了解信号在不同功率电平下的分布情况。
我们通常用CCDF来描述PAPR的分布特性。具体来说，CCDF曲线给出了信号功率超过某个阈值的概率，而这个阈值与PAPR密切相关。例如，如果我们知道信号的CCDF曲线，那么我们可以通过查找曲线来确定信号功率超过平均功率一定倍数（即 PAPR 的某个值）的概率。
在实际应用中我们通常以CCDF=0.01%对应的值来定义信号的PAPR，下图展示的是某信号的CCDF曲线图，其中M=2曲线的（0.01%对应的PAPR大约是9.8dB）。
放大器设计者们喜欢恒定的功率电平，这样他们就可以对放大器进行调试，使其在特定的功率电平下达到最佳性能。下图展示了典型功率放大器的功率效率（PE）与输出功率的关系。
在低功率电平下，放大器的效率往往会下降。就我们的研究目的而言，曲线的形状比具体数值更为重要。功率放大器必须能够处理峰值功率，但信号的平均功率在很大程度上决定了其实际的功率效率。下图还显示了效率最佳的工作点，这也是我们希望放大器能够达到的工作状态。遗憾的是，信号的峰均功率比（PAPR）会使工作点向左移动，以防止峰值功率使放大器过载。
三、功放设计方案
降低放大器的工作点（以及输出功率）是应对高峰均功率比（PAPR）问题的一个显而易见的解决方案。然而，这样做会导致放大器的效率降低。幸运的是，射频工程师们已经开发出了两种能够实时调整放大器工作状态并提高效率的方法。
这两种方法最早都是在20世纪30年代提出的，但如今已成为21世纪常用的设计方法。这些放大器设计方法分别是：
1、包络跟踪放大器：
工作原理
包络跟踪放大器通过实时跟踪输入信号的包络变化，动态地调整放大器的电源电压，使得放大器在不同的信号功率电平下都能保持较高的效率。具体来说，它由包络检测电路、电源调制器和射频功率放大器组成。
应用领域
移动通信基站：在4G、5G乃至未来的移动通信系统中，为了满足高速数据传输和大容量通信的需求，采用了复杂的调制方式，这些调制信号具有较高的峰均功率比。包络跟踪放大器能够有效提高基站发射机的效率，降低功耗，减少运营成本，同时保证信号的线性度，满足通信系统的性能要求。
卫星通信：卫星通信系统对功率放大器的效率和线性度要求很高，因为卫星上的能源有限，需要高效的功率放大器来节省能源，延长卫星的使用寿命。包络跟踪放大器可以在卫星通信的上行和下行链路中发挥重要作用，提高系统的性能和可靠性。
无线广播电视：在数字电视广播、调频广播等无线广播电视系统中，也需要高效的功率放大器来提高发射效率，降低成本。包络跟踪放大器能够适应广播电视信号的动态变化，提供高质量的放大信号，同时减少能源消耗。
优缺点
优点
高效率：通过动态调整电源电压，使放大器在不同功率电平下都能保持较高的效率，尤其在处理高峰均功率比信号时，效率提升明显，相比传统的固定电源放大器，可显著降低功耗。
良好的线性度：由于能够实时跟踪信号包络，包络跟踪放大器可以更好地保持信号的线性度，减少信号失真，满足现代通信系统对信号质量的严格要求。
缺点
复杂度高：包络跟踪放大器需要复杂的包络检测和电源调制电路，增加了系统的复杂度和成本。
带宽限制：包络检测电路和电源调制器的带宽有限，可能会限制放大器对高速变化信号的跟踪能力，影响其在宽带信号处理中的性能。
稳定性挑战：动态调整电源电压可能会引入一些稳定性问题，如电源纹波、电磁干扰等，需要采取额外的措施来保证系统的稳定性和可靠性。
2、Doherty放大器
工作原理
Doherty放大器通过使用两个放大器电路来适应不同的信号电平，从而在保持良好功率效率的同时实现较高的线性度。其中一个是载波放大器，通常工作在A类或AB类，用于处理较低幅度的信号，在任何功率水平下都能提供增益；另一个是峰值放大器，一般偏置在C类工作状态，当载波放大器接近其极限，信号出现较大峰值时开始工作，提供额外的功率能力。信号进入Doherty功率放大器后，会被送到一个分配器，生成两个相位相差 90°的信号，分别送到载波放大器和峰值放大器。两个放大器的输出再通过合成器合并，以提供复合输出。
应用领域
主要应用于对高效率射频功率放大器有需求的领域，尤其是峰均功率比较高的场景。例如，在蜂窝电信系统的基站发射机中，随着 3G、4G、5G 等移动通信系统中调制格式的峰均功率比不断增加，Doherty 放大器能够在保持线性的同时提高效率，有助于降低基站的功耗和运营成本。此外，它还用于其他需要高功率和高效率的无线电通信系统，如数字广播发射机等。
优缺点
优点：能够实现更高的效率水平，相比普通线性放大器，在处理具有较高峰均功率比的信号时，可在保持线性度的同时提高功率附加效率，有效解决了传统功放功率降低时效率大幅下降的问题；技术复杂度不像包络跟踪等提高射频放大器效率的技术那么高。
缺点：难以在宽带宽内保持分配器的相位偏移，通常只能在有限的带宽内使用；成本高于单个放大器；设计难度较大，不易进行且难以获得最佳性能。
总结：
系统设计师需关注功耗问题，功率放大器效率至关重要。功率附加效率（PAE）涵盖输入功率影响，功率效率（PE）仅由输出与直流功率定义，高增益时二者趋同。现代数字调制信号峰均功率比（PAPR）高，影响放大器效率，可用CCDF曲线描述其分布特性。为应对高峰均功率比，可采用包络跟踪放大器（高效率、良好线性度，但复杂度高、有带宽限制和稳定性挑战）和Doherty放大器（高效、技术复杂度相对低，但带宽有限、成本高、设计难度大）等设计方案。
