專利名稱：一種功率放大器線性化方法和線性功率放大器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于信號處理領(lǐng)域，特別涉及一種放大器的線性化方法和裝置。
背景技術(shù)：
由于現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)對線性功率放大器需求的急劇膨脹，各種線性化技術(shù)及功率放大器線性化方法得以迅猛發(fā)展。目前主要的線性化技術(shù)和方法包括三種類型前饋(Feed-Forward)、預(yù)失真(Predistortion)和包絡(luò)反饋(Envelop-Feedback)。它們分別從三個角度提高功率放大器的線性指標(biāo)。
理想的放大器是為射頻載波信號提供一個完全透明的傳輸通道對工作頻帶內(nèi)任意頻點(diǎn)的輸入信號，在全動態(tài)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)固定比率地幅度放大、穩(wěn)定地相位偏移以及不變地時間延遲，同時不產(chǎn)生任何其他分量的信號成分，即對輸入信號進(jìn)行線性的功率放大。但是，由于實(shí)際中任何放大器的傳輸函數(shù)均存在非線性分量，即在輸入射頻載波信號的放大輸出中不僅存在有被放大的載波成分，而且還存在著諧波、雜散、互調(diào)(如果輸入載波為多音(Muti-tone)調(diào)制信號)失真分量，同時放大器的增益、相移以及群時延等指標(biāo)還會隨著信號的頻率、幅度、環(huán)境溫度、器件老化等因素發(fā)生變化。所以需要采用外加的線性化手段提高功率放大器的線性指標(biāo)，以滿足現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)的基本要求。
前饋線性化方法是利用一個前饋信號抵消環(huán)路提取主功率放大器輸出信號中的非線性失真信息，并利用另一個前饋信號抵消環(huán)路在系統(tǒng)輸出端抵消消除主功放輸出信號中的非線性失真成分，實(shí)現(xiàn)功率放大器的線性化目標(biāo)。在美國專利US4389618中提供了一種典型的前饋線性化方法。這種方法具有非常高的線性化改善指標(biāo)(理論修正能力可達(dá)30dB，處理帶寬可達(dá)25MHz)，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。譬如美國US4389618，除了兩個基本的信號抵消環(huán)路及自適應(yīng)跟蹤機(jī)制外，為提高誤差環(huán)(非線性失真抵消環(huán))的自適應(yīng)能力，另外增加了一個信號抵消環(huán)路，以檢測跟蹤非線性信號的抵消效果控制誤差放大鏈路的增益和相移特性，保證系統(tǒng)全動態(tài)的線性改善性能。因此，構(gòu)造非常復(fù)雜。同時，由于誤差環(huán)實(shí)現(xiàn)的是一個弱信號(相對于主信號)的抵消過程，很難達(dá)到理想效果，因此系統(tǒng)的線性改善難以實(shí)現(xiàn)理想目標(biāo)。另外，由于主功放輸出通道的插入功率損耗和其它(除主功放外)有源電路的功率消耗，應(yīng)用前饋線性化方法實(shí)現(xiàn)的線性功率放大器裝置很難獲得比較高的直流-射頻轉(zhuǎn)換效率。
如圖1所示，輸入信號經(jīng)功分器1等分輸出，一路信號送入主功率放大器2進(jìn)行功率放大，另一路經(jīng)過延時線6、電調(diào)衰減器7、電調(diào)移相器8調(diào)節(jié)后輸入和路器9；主功率放大器2的輸出信號經(jīng)過取樣耦合器3取樣后，進(jìn)入和路器9另一個輸入端，與延時支路來的輸入信號進(jìn)行信號抵消，消除掉主功放輸出取樣信號中的輸入信號頻譜分量，得到功率放大引入的非線性失真的代表信號——誤差信號，并經(jīng)過電調(diào)衰減器10、電調(diào)移相器11送入誤差放大器12；放大后的誤差信號通過定向耦合器5進(jìn)入功放輸出通道，與經(jīng)過延時線4延時的主功放輸出信號進(jìn)行信號抵消，消除掉其中的非線性失真產(chǎn)物，在功放輸出端得到線性度很高的大功率信號輸出。
由圖1可以看出，前饋式線性功率放大器包括兩個基本的信號抵消環(huán)路——主環(huán)和誤差環(huán)。
主環(huán)進(jìn)行的是兩個主信號的抵消過程經(jīng)過主功率放大器2放大并由取樣耦合器3取樣后的被放大主信號與經(jīng)過延時的輸入主信號在和路器9中反相相加。當(dāng)兩路主信號幅度相等、相位相差180°時抵消達(dá)到理想效果(完全消除掉主功率放大器2輸出取樣信號中的主信號成分)，但是主功率放大器2的增益和相移特性會隨著輸入功率、工作頻率、環(huán)境溫度以及器件老化等因數(shù)而變化，為動態(tài)保證主信號的良好抵消，在延時支路中插入了幅度和相位調(diào)節(jié)部件一電調(diào)衰減器7和電調(diào)移相器8，并結(jié)合外加的自適應(yīng)檢測控制環(huán)節(jié)，動態(tài)跟蹤主功率放大器2的增益和相移變化。由于參加抵消的兩路信號均是幅度相當(dāng)?shù)拇笮盘?，可以通過直接檢測抵消結(jié)果或間接比較兩路信號的幅度和相位誤差實(shí)現(xiàn)抵消環(huán)路的自適應(yīng)跟蹤控制，進(jìn)而保證良好的抵消效果。
誤差環(huán)是將經(jīng)過誤差放大器12放大的誤差信號通過定向耦合器5耦合進(jìn)入主通道與經(jīng)過延時線4延時的主功率放大器2輸出信號反相相加，抵消消除其中的非線性失真信號，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)線性改善的目標(biāo)。為克服誤差放大器12的增益和相移不穩(wěn)定性，在它的輸入通道中加入了幅度和相位調(diào)整部件—電調(diào)衰減器11和電調(diào)移相器12，并結(jié)合外加的自適應(yīng)檢測控制機(jī)制，動態(tài)修正穩(wěn)定誤差放大通道的增益和相移量，保證非線性失真信號的良好抵消。由于這個環(huán)路實(shí)現(xiàn)的是用一個小信號(誤差信號)抵消消除一個大信號(被放大后的主信號)加小信號(非線性失真信號)構(gòu)成的復(fù)合信號中小信號的過程，一方面兩路信號幅度相差較大，另一方面復(fù)合信號中的大信號是小信號抵消檢測環(huán)節(jié)無法避免的強(qiáng)烈干擾，因此誤差環(huán)無法實(shí)現(xiàn)類似主環(huán)的實(shí)際抵消信號自適應(yīng)檢測和控制方式及相應(yīng)機(jī)制，所以信號抵消總是難以達(dá)到理想效果，也就是說前饋線性化手段無法達(dá)到理論線性改善目標(biāo)。
預(yù)失真是利用在放大器前端插入非線性(非線性性能與放大器的非線性特性正交相反)部件(預(yù)失真器)，通過在放大器輸入信號中直接引入失真信號來抑制修正其傳輸函數(shù)中的非線性分量，達(dá)到功率放大器線性化的目標(biāo)。這種方法由于不需要在功放輸出通道中加入具有插入損耗的部件，同時也不需要誤差放大器之類的有源功率消耗電路，不僅結(jié)構(gòu)簡單而且直流-射頻轉(zhuǎn)換效率比較高。但是，由于不可能實(shí)現(xiàn)與功率放大器的非線性特性完全匹配的預(yù)失真器，而且功率放大器的非線性特性會隨著工作頻率、輸入功率、環(huán)境溫度以及器件老化等因數(shù)發(fā)生變化，所以這種線性化方法的改善指標(biāo)比較低(理論線性改善指標(biāo)可達(dá)3~7dB(加入自適應(yīng)機(jī)制后可達(dá)20dB)，處理帶寬可達(dá)25MHz)。另外，由于預(yù)失真器帶來的插入損耗，需要通過增加放大器的增益指標(biāo)來補(bǔ)償，提高了放大器的設(shè)計(jì)難度。該方法可在美國專利US4992754中檢索到。
如圖2所示，通過在放大器22輸入通道中插入預(yù)失真器21造成輸入信號20的預(yù)先包絡(luò)崎變，由于預(yù)失真器21的崎變特性與放大器22的非線性失真特性正交相反，經(jīng)過放大器22后輸出的信號23將恢復(fù)輸入信號20的原始包絡(luò)特性，從而達(dá)到放大器22線性化的目標(biāo)。因?yàn)椴荒苤苯诱业脚c放大器22失真特性完全匹配的預(yù)失真器21，而且放大器22的失真特性會隨工作頻率、輸入功率、環(huán)境溫度以及器件老化等因素發(fā)生變化，這種線性化技術(shù)無法達(dá)到很好的效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種功率放大器線性化方法和線性功率放大器裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)中精確不高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且工作不可靠的問題。
本發(fā)明所采用的方法為這種功率放大器線性化方法，在包括前饋信號抵消環(huán)路的放大系統(tǒng)中，從前饋信號抵消環(huán)路獲取功率放大器的非線性失真信號包絡(luò)頻譜信息，并利用負(fù)反饋回路將其實(shí)時饋送給功率放大器的輸入通道，與輸入信號疊加調(diào)制其包絡(luò)頻譜，造成輸入信號預(yù)失真，實(shí)現(xiàn)功率放大器線性化放大；
所述的前饋信號抵消環(huán)路通過檢測功率放大器的輸入和輸出信號的幅度差和相位差，生成前饋抵消環(huán)路增益和相位控制增益，經(jīng)動態(tài)調(diào)諧，使主信號獲得良好抵消，得到功率放大器的非線性失真包絡(luò)頻譜取樣信號；所述的非線性失真包絡(luò)頻譜經(jīng)功率檢測，跟隨調(diào)整負(fù)反饋回路的增益和相移量，使非線性失真包絡(luò)頻譜取樣信號幅度最?。贿@種線性化方法采用如下控制步驟步驟一檢測前饋抵消環(huán)路兩路參加抵消信號幅度差ΔG和相位差ΔP；步驟二利用ΔG和ΔP生成前饋抵消環(huán)路增益和相位控制器的增益控制電壓VG和相位控制電壓VP；步驟三負(fù)反饋非線性失真包絡(luò)頻譜取樣信號進(jìn)入功率放大器輸入通道；步驟四檢測并控制負(fù)反饋參數(shù)使非線性失真包絡(luò)頻譜取樣信號幅度最小。
所述的步驟一中包括如下控制過程首先，構(gòu)建前饋信號抵消環(huán)路，分別取樣功率放大器的輸入和輸出信號，并將它們同時送入信號抵消器，形成前饋信號抵消環(huán)路；其次，取樣信號抵消器的兩路輸入信號；然后，檢測兩路取樣信號的幅度差ΔG將兩路取樣信號分別進(jìn)行幅值檢波，并經(jīng)過減法器獲得參加抵消信號的幅度差ΔG；最后，檢測兩路取樣信號的相位差ΔP利用鑒相器檢測獲得參加抵消信號的相位差ΔP。
所述的步驟二中包括如下控制過程首先，建立前饋抵消環(huán)路增益控制電壓VG采用VG＝-KGΔG+G1的控制結(jié)構(gòu)獲得增益控制電壓VG，并實(shí)時控制位于功率放大器輸入通道中的增益控制器；其次，建立前饋抵消環(huán)路相位控制電壓VP采用VP＝-KPΔP+P1的控制結(jié)構(gòu)獲得相位控制電壓VP，并實(shí)時控制位于功率放大器輸入通道中的相位控制器；然后，調(diào)諧KG、G1、KP、P1動態(tài)調(diào)諧KG、G1、KP、P1，使ΔG和ΔP最小，進(jìn)而保證主信號的良好抵消，得到功率放大器的非線性失真包絡(luò)頻譜取樣信號。
所述的步驟三中包括如下控制過程首先，將非線性失真包絡(luò)頻譜取樣信號引入功率放大器輸入通道將得到的非線性失真包絡(luò)頻譜取樣信號，經(jīng)過受控增益放大和可調(diào)移相后，耦合送入功率放大器的輸入通道；然后，預(yù)失真功率放大器輸入信號耦合引入的非線性失真包絡(luò)頻譜信號與輸入信號疊加送給功率放大器，進(jìn)行功率放大。
所述的步驟四中包括如下控制過程首先，檢測非線性失真包絡(luò)頻譜功率利用功率檢測電路，監(jiān)測前饋抵消環(huán)路抵消輸出的非線性失真包絡(luò)頻譜取樣信號幅度；然后，閉環(huán)控制預(yù)失真效果跟隨調(diào)整負(fù)反饋回路的增益和相移量，使非線性失真包絡(luò)頻譜取樣信號幅度最小。
這種實(shí)現(xiàn)上述方法的線性功率放大器裝置，包括前饋信號抵消模塊81，還包括非線性失真包絡(luò)頻譜負(fù)反饋模塊84，該非線性失真包絡(luò)頻譜負(fù)反饋模塊84由前饋信號抵消模塊81獲取功率放大器的非線性失真信號包絡(luò)頻譜信息，并將其負(fù)反饋至功率放大器的輸入通道與輸入信號疊加調(diào)制包絡(luò)頻譜；所述的前饋信號抵消模塊81包括耦合器8101，耦合器8102，增益控制器8103，相位控制器8104，功率放大器8105和耦合器8106，并依次相連構(gòu)成主通道；還包括延時線8110和耦合器8111，以及耦合器8107分別接收功率放大器的輸入和輸出信號；所述的兩路信號分別通過耦合器8107和耦合器8111輸至幅度相位檢測器8109，再通過自適應(yīng)抵消控制器8108，連至增益控制器8103和相位控制器8104，且所述的兩路信號輸出信號至信號抵消器8112；所述的幅度相位檢測器8109包括幅度相位檢測模塊91和運(yùn)算模塊92；幅度相位檢測模塊91中的檢波器911、912檢出信號幅值，并通過減法器913輸出幅度差ΔG至運(yùn)算模塊92中的運(yùn)算電路921；幅度相位檢測模塊91中的鑒相器914輸出相位差ΔP至運(yùn)算模塊92中的運(yùn)算電路922；所述的非線性失真包絡(luò)頻譜負(fù)反饋模塊84包括耦合器8401，受控放大器8403和移相器8404，并依次相連，將非線性失真信號包絡(luò)頻譜信息反饋至功率放大器的輸入通道；所述的非線性失真包絡(luò)頻譜負(fù)反饋模塊84還包括功率檢測器8402和自適應(yīng)線性控制器8405，功率檢測器8402監(jiān)測非線性失真包絡(luò)頻譜取樣信號幅度，通過自適應(yīng)線性控制器8405對移相器8404和受控放大器8403跟隨調(diào)整。
本發(fā)明的原理和有益效果為包絡(luò)反饋是自適應(yīng)預(yù)失真線性化方法的一種特例，也是放大器負(fù)反饋技術(shù)的一個特例。它是通過取樣放大器輸出信號，并利用其包絡(luò)特性調(diào)制修改放大器輸入信號的包絡(luò)，然后再利用放大器的非線性包絡(luò)調(diào)制傳遞特性修正恢復(fù)輸入信號原有的包絡(luò)特性。這種方式對于CDMA(碼分多址)之類寬帶包絡(luò)調(diào)制信號放大器的線性化非常有用，因?yàn)镃DMA信號經(jīng)過非線性放大后最典型的失真就是頻譜擴(kuò)散性的包絡(luò)崎變，那么將這種崎變特性經(jīng)過負(fù)反饋回路傳遞進(jìn)入放大器的輸入通道，調(diào)制改變輸入CDMA信號的頻譜包絡(luò)，由于該調(diào)制過程是完全依據(jù)放大器的非線性失真特性正交反饋進(jìn)行的，所以通過放大器后能夠?qū)崟r修正恢復(fù)輸入CDMA的原始包絡(luò)特性，從而達(dá)到對CDMA信號線性功率放大的效果。
本發(fā)明采用性能可變的預(yù)失真器并結(jié)合外加的檢測控制環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)預(yù)失真線性化方法的自適應(yīng)功能，充分提高它的線性改善能力。從另外一個角度講，只有放大器造成的失真結(jié)果才是與其自身的失真特性完全匹配的，也就是說，通過相應(yīng)的處理環(huán)節(jié)將放大器輸出信號中的失真分量反饋回其輸入端，進(jìn)而引入的預(yù)失真是最合理的，線性改善效果也是最接近理想值的，因此，本發(fā)明將前饋技術(shù)中通過良好主信號抵消(在主環(huán)中)提取放大器非線性失真信號的機(jī)理與包絡(luò)反饋理論完美結(jié)合提供了這種功率放大器線性化方法，這種功率放大器線性化方法不僅繼承了預(yù)失真技術(shù)構(gòu)成簡單、直流-射頻轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn)，而且因?yàn)椴恍枰诜糯笃鬏斎胪ǖ啦迦腩A(yù)失真器而造成輸入信號的幅度損耗，所以不增加放大器的增益設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)，同時由于增加了輸出端至輸入端的負(fù)反饋回路，從而使放大器的增益穩(wěn)定度和相移線性指標(biāo)得到充分提高，所以說，本發(fā)明精確高、結(jié)構(gòu)簡單而且工作可靠，可適用于移動通信系統(tǒng)。
具體地說，本發(fā)明具有如下優(yōu)良效果第一，自適應(yīng)控制機(jī)制更加完備。本發(fā)明采用完全的實(shí)際信號參照方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自適應(yīng)控制功能，檢測靈敏度高，控制精確，因此對非線性失真包絡(luò)頻譜的取樣提取準(zhǔn)確精密，同時包絡(luò)反饋環(huán)節(jié)線性度很好，引入的二次失真比較低，預(yù)失真性能與功率放大器非線性匹配比較好，所以線性改善程度更加接近理想結(jié)果；第二，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度比較小。本發(fā)明提供的線性功率放大器裝置均采用通用的電路及設(shè)計(jì)方案，不需要專用的器件或?qū)崿F(xiàn)技術(shù)，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)難度比較小，研制和生產(chǎn)風(fēng)險比較低；第三，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可靠、穩(wěn)定。一方面，在本發(fā)明提供的線性功率放大器裝置實(shí)施例中，功率放大器8105輸出通道中沒有功率損耗(耦合器8106的直通損耗可以忽略)，同時，其它外圍部件沒有太大功率消耗的器件，因此采用該實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品能夠達(dá)到比較高的直流一射頻轉(zhuǎn)換效率，系統(tǒng)功耗比較低，可靠性相應(yīng)得以提高；另一方面，本發(fā)明中的包絡(luò)反饋通道對功率放大器8105具有負(fù)反饋的作用，使其工作穩(wěn)定程度以及噪聲、雜散抑制性能得到充分提高。


圖1為采用前饋線性化方法的線性功率放大器裝置原理性框架圖；圖2為采用預(yù)失真線性化方法的線性功率放大器裝置原理性框架圖；圖3為本發(fā)明的方法總體流程圖；圖4為本發(fā)明步驟一具體控制過程示意圖；圖5為本發(fā)明步驟二具體控制過程示意圖；圖6為本發(fā)明步驟三具體控制過程示意圖；圖7為本發(fā)明步驟四具體控制過程示意圖；圖8為本發(fā)明的線性功率放大器裝置實(shí)施例框架圖；圖9為本發(fā)明的線性功率放大器裝置中幅度相位檢測器和自適應(yīng)抵消控制器的實(shí)施例框架圖；圖10為采用本發(fā)明的線性化方法處理前后功率放大器的增益隨輸入功率變化曲線對比圖；圖11為采用本發(fā)明的線性化方法處理前后功率放大器的相移隨輸入功率變化曲線對比圖。
具體實(shí)施例方式
下面根據(jù)附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明根據(jù)圖8和圖9，本發(fā)明包括前饋信號抵消模塊81和非線性失真包絡(luò)頻譜負(fù)反饋模塊84，該非線性失真包絡(luò)頻譜負(fù)反饋模塊84由前饋信號抵消模塊81獲取功率放大器的非線性失真信號包絡(luò)頻譜信息，并將其負(fù)反饋至功率放大器的輸入通道與輸入信號疊加調(diào)制包絡(luò)頻譜。
本發(fā)明所采用的線性化方法為在這種包括前饋信號抵消環(huán)路的放大系統(tǒng)中，從前饋信號抵消環(huán)路獲取功率放大器的非線性失真信號包絡(luò)頻譜信息，并利用負(fù)反饋回路將其實(shí)時饋送給功率放大器的輸入通道，與輸入信號疊加調(diào)制其包絡(luò)頻譜，造成輸入信號預(yù)失真，實(shí)現(xiàn)功率放大器線性化放大；其中，前饋信號抵消環(huán)路通過檢測功率放大器的輸入和輸出信號的幅度差和相位差，生成前饋抵消環(huán)路增益和相位控制增益，經(jīng)動態(tài)調(diào)諧，使主信號獲得良好抵消，得到功率放大器的非線性失真包絡(luò)頻譜取樣信號；非線性失真包絡(luò)頻譜經(jīng)功率檢測，跟隨調(diào)整負(fù)反饋回路的增益和相移量，使非線性失真包絡(luò)頻譜取樣信號幅度最小。
如圖3所示，本發(fā)明中的線性化方法需要按照四個基本步驟進(jìn)行步驟一，檢測前饋抵消環(huán)路兩路參加抵消信號幅度差ΔG和相位差ΔP。由于本發(fā)明依靠前饋信號抵消技術(shù)，從功率放大器輸出取樣信號中提取功率放大器引入的非線性失真包絡(luò)頻譜信號，實(shí)際上，就是從其中抵消消除主信號分量的過程，因此必需保證兩路主信號幅度相等、相位相差180°加入的增益和相位調(diào)整部件及外圍的自適應(yīng)檢測控制環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)的，所以必需首先檢測出兩路參加抵消信號中主信號的幅度差ΔG和相位差ΔP；如圖4所示，步驟一中包括如下具體控制過程第一步，構(gòu)建前饋信號抵消環(huán)路?；景凑涨梆伨€性化方案的主環(huán)原理構(gòu)成框架搭建一個信號抵消環(huán)路，利用取樣的輸入信號抵消消除功率放大器輸出取樣信號中的載頻成分；第二步，取樣信號抵消器的兩路輸入信號。利用兩個定向耦合器分別取樣參加抵消的兩路輸入信號。
第三步，檢測兩路取樣信號的幅度差ΔG。結(jié)合幅值檢波和減法運(yùn)算得到兩路參加抵消信號的幅度差。
第四步，檢測兩路取樣信號的相位差ΔP。利用鑒相器檢測兩路參加抵消信號的相位差。
步驟二，利用ΔG和ΔP生成前饋抵消環(huán)路增益和相位控制器的增益控制電壓VG和相位控制電壓VP。外圍檢測控制環(huán)節(jié)在上一步獲得的幅度差ΔG和相位差ΔP的基礎(chǔ)上，通過兩個公式算法VG＝-KGΔG+G1和VP＝-KPΔP+P1獲得增益和相位控制電壓VG和VP，閉環(huán)控制前饋主信號抵消過程，并在適當(dāng)手動調(diào)諧算法參量KG、G1、KP、P1的基礎(chǔ)上，使信號抵消點(diǎn)參加抵消信號的幅度和相位始終保持良好匹配，達(dá)到動態(tài)的最佳抵消；如圖5所示，步驟二中包括如下具體控制過程第一步，建立前饋抵消環(huán)路增益控制電壓VG。以步驟二得到的幅度差ΔG為輸入量，通過算法VG＝-KGΔG+G1得到前饋抵消環(huán)路的增益控制電壓VG；第二步，建立前饋抵消環(huán)路相位控制電壓VP。以步驟二得到的相位差ΔP為輸入量，通過算法VP＝-KP+P1得到前饋抵消環(huán)路的相位控制電壓VP；第三步，調(diào)諧KG、G1、KP、P1。實(shí)時調(diào)節(jié)增益反饋增益KG、增益偏置G1和相位反饋增益KP、相位偏置P1，使參加抵消的兩路信號的增益差ΔG和相位差ΔP最小，進(jìn)而良好抵消掉功率放大器輸出取樣信號信號中載頻成分，得到功率放大器的非線性失真包絡(luò)頻譜取樣信號。
步驟三，負(fù)反饋非線性失真包絡(luò)頻譜取樣信號信號進(jìn)入功率放大器輸入通道。將上兩個步驟運(yùn)行獲得的功率放大器引入的非線性失真包絡(luò)頻譜取樣信號通過一定的可調(diào)增益放大和可變相位移動后，耦合引入功率放大器的輸入通道，與系統(tǒng)輸入信號疊加調(diào)制，獲得預(yù)失真的輸入信號給功率放大器；如圖6所示，步驟三中包括如下具體控制過程第一步，將非線性失真包絡(luò)頻譜取樣信號引入功率放大器輸入通道。通過受控增益放大、可調(diào)移相等處理后，通過一個定向耦合器將步驟二得到的非線性失真包絡(luò)頻譜取樣信號引入功率放大器的輸入通道；第二步，預(yù)失真功率放大器輸入信號。將耦合引入的非線性失真包絡(luò)頻譜信號與輸入信號疊加后，一起進(jìn)入功率放大器，從而造成功率放大器輸入信號的預(yù)失真效果。
步驟四，檢測并控制負(fù)反饋參數(shù)使非線性失真包絡(luò)頻譜取樣信號幅度最小。預(yù)失真信號經(jīng)過功率放大器的線性放大和非線性傳輸，在其輸出端獲得被放大的系統(tǒng)輸入信號和非線性產(chǎn)物，監(jiān)測由第一步和第二步獲得的非線性失真包絡(luò)頻譜取樣信號功率，并動態(tài)調(diào)諧負(fù)反饋通道的增益和相移量，使之最小化，即功率放大器的非線性產(chǎn)物保持最小幅度功率譜，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)功率放大器的線性化目標(biāo)。
如圖7所示，步驟四中包括如下具體控制過程第一步，檢測非線性失真包絡(luò)頻譜功率。耦合取樣并通過幅值檢波得到步驟二獲得的非線性失真包絡(luò)頻譜信號的頻譜功率值；第二步，閉環(huán)控制預(yù)失真效果。連續(xù)監(jiān)測非線性失真包絡(luò)頻譜功率值，并實(shí)時調(diào)整非線性失真包絡(luò)負(fù)反饋回路的增益和相移量，使非線性失真包絡(luò)頻譜取樣信號幅度最小，實(shí)現(xiàn)最佳的預(yù)失真線性化效果。
如圖8所示，前饋信號抵消模塊81包括耦合器8101，耦合器8102，增益控制器8103，相位控制器8104，功率放大器8105和耦合器8106，并依次相連構(gòu)成主通道；還包括延時線8110和耦合器8111，以及耦合器8107分別接收功率放大器的輸入和輸出信號；所述的兩路信號分別通過耦合器8107和耦合器8111輸至幅度相位檢測器8109，再通過自適應(yīng)抵消控制器8108，連至增益控制器8103和相位控制器8104，且所述的兩路信號輸出信號至信號抵消器8112；如圖9所示，幅度相位檢測器8109包括幅度相位檢測模塊91和運(yùn)算模塊92；幅度相位檢測模塊91中的檢波器911、912檢出信號幅值，并通過減法器913輸出幅度差ΔG至運(yùn)算模塊92中的運(yùn)算電路921；幅度相位檢測模塊91中的鑒相器914輸出相位差ΔP至運(yùn)算模塊92中的運(yùn)算電路922。
如圖8所示，非線性失真包絡(luò)頻譜負(fù)反饋模塊84包括耦合器8401，受控放大器8403和移相器8404，并依次相連，將非線性失真信號包絡(luò)頻譜信息反饋至功率放大器的輸入通道；該非線性失真包絡(luò)頻譜負(fù)反饋模塊84還包括功率檢測器8402和自適應(yīng)線性控制器8405，功率檢測器8402監(jiān)測非線性失真包絡(luò)頻譜取樣信號幅度，通過自適應(yīng)線性控制器8405對移相器8404和受控放大器8403跟隨調(diào)整。
如圖8所示，輸入信號80通過耦合器8101進(jìn)入前饋信號抵消模塊81，耦合取樣信號送往延時線8110，直通信號經(jīng)過耦合器8102直通和增益控制器8103及相位控制器8104的幅度、相位調(diào)節(jié)進(jìn)入功率放大器8105進(jìn)行功率放大，其輸出信號一方面經(jīng)過耦合器8106直通輸出系統(tǒng)輸出信號82，另一方面則由其耦合取樣給耦合器8107；耦合器8107則將功率放大器8105的輸出取樣信號進(jìn)行直通和取樣處理，取樣信號Sm送入幅度相位檢測器8109，直通信號進(jìn)入信號抵消器8112參加主信號抵消；由延時線8110延時的輸入取樣信號經(jīng)過耦合器8111取樣和直通，取樣信號Ss進(jìn)入幅度相位檢測器8109，直通信號送入信號抵消器8112，與功率放大器8105輸出取樣信號抵消消除其中的主信號成分，得到非線性失真包絡(luò)頻譜取樣信號83送入非線性失真包絡(luò)頻譜負(fù)反饋模塊84；信號Sm和Ss由幅度相位檢測器比較檢測出它們的幅度差ΔG和相位差ΔP，并饋送給自適應(yīng)抵消控制器8108，生成增益控制器8103和相位控制器8104的閉環(huán)控制電壓VG及VP，實(shí)現(xiàn)主信號抵消過程的自適應(yīng)檢測控制功能；非線性失真包絡(luò)頻譜取樣信號83經(jīng)過耦合器8401直通、取樣，直通信號經(jīng)過受控放大器8403的線性放大和移相器8404的相位調(diào)節(jié)，輸出非線性失真包絡(luò)頻譜反饋信號85給前饋信號抵消模塊81，并通過耦合器8102引入功率放大器8105的輸入通道，與輸入信號80疊加調(diào)制實(shí)現(xiàn)預(yù)失真；耦合器8401的耦合輸出信號進(jìn)入功率檢測器8402測量功率放大器8105產(chǎn)生的非線性失真信號取樣包絡(luò)頻譜能量P，然后由自適應(yīng)線性控制器8405根據(jù)P值調(diào)諧負(fù)反饋通道中受控放大器8403和移相器8404的控制電壓VG1及VP1，調(diào)諧目標(biāo)為P值低于門限值，進(jìn)而保證系統(tǒng)輸出信號82中的非線性失真信號包絡(luò)頻譜功率最小。
如圖8和圖9所示，幅度相位檢測器8109負(fù)責(zé)檢測兩路在信號抵消器8112中參加抵消信號的幅度差ΔG和相位差ΔP，它依靠幅度相位檢測模塊91中的檢波器911和912檢出信號Sm和Ss的幅值并通過減法器913實(shí)現(xiàn)的減法運(yùn)算檢測到Sm與Ss的幅度差ΔG，同時依靠鑒相器914獲得Sm與Ss的相位差ΔP；圖8中的自適應(yīng)抵消控制器8108通過運(yùn)算模塊92中的運(yùn)算電路921和922實(shí)現(xiàn)VG＝-KGΔG+G1和VP＝-KPΔP+P1算法，得到增益控制器8103的控制電壓VG和相位控制器8104的控制電壓VP。
如圖10和圖11所示，顯示了采用本發(fā)明的線性化方法處理前后功率放大器的增益和相移量隨輸入功率變化曲線對比圖。目前通信系統(tǒng)中廣泛使用的A類或AB類功率放大器均具有圖10和圖11中實(shí)線所示的增益和相移隨輸入功率變化的特性，即存在線性區(qū)、擴(kuò)張區(qū)和壓縮區(qū)，在擴(kuò)張區(qū)和壓縮區(qū)，特別是壓縮區(qū)，功率放大器存在很強(qiáng)的AM-AM(調(diào)幅-調(diào)幅)和AM-PM(調(diào)幅-調(diào)相)非線性失真。在圖8所示的本發(fā)明提供線性功率放大器裝置實(shí)施例中，一方面為了保證主信號良好抵消，通過環(huán)路的自適應(yīng)抵消檢測和控制機(jī)制配合串接于系統(tǒng)信號傳輸主通道中的增益控制器8103和相位控制器8104，閉環(huán)調(diào)節(jié)控制使主通道的增益和相移特性與延時通道(輸入信號經(jīng)耦合器8101、延時線8110和耦合器8111至信號抵消器8112)的增益和相移特性匹配一致，而延時通道均由無源器件組成，具有良好的增益和相移線性度，所以控制結(jié)果將使得主通道的增益和相移線性化，也就是說使得功率放大電路具有AGC(自動增益控制)和APC(自動相位控制)功能，其增益和相移量隨輸入功率的變化特性將被修正為圖10和圖11中虛線所示的曲線；另一方面，由于系統(tǒng)的預(yù)失真線性化改善能力，將使得功率放大器在擴(kuò)張區(qū)和壓縮區(qū)的AM-AM和AM-PM失真得到徹底或部分修正。因此，本發(fā)明提供的功率放大器線性化方法及線性功率放大器裝置實(shí)施例的線性改善效果是多方面的。
權(quán)利要求
1.一種功率放大器線性化方法，其特征在于在包括前饋信號抵消環(huán)路的放大系統(tǒng)中，從前饋信號抵消環(huán)路獲取功率放大器的非線性失真信號包絡(luò)頻譜信息，并利用負(fù)反饋回路將其實(shí)時饋送給功率放大器的輸入通道，與輸入信號疊加調(diào)制其包絡(luò)頻譜，造成輸入信號預(yù)失真，實(shí)現(xiàn)功率放大器線性化放大。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率放大器線性化方法，其特征在于所述的前饋信號抵消環(huán)路通過檢測功率放大器的輸入和輸出信號的幅度差和相位差，生成前饋抵消環(huán)路增益和相位控制增益，經(jīng)動態(tài)調(diào)諧，使主信號獲得良好抵消，得到功率放大器的非線性失真包絡(luò)頻譜取樣信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率放大器線性化方法，其特征在于所述的非線性失真包絡(luò)頻譜經(jīng)功率檢測，跟隨調(diào)整負(fù)反饋回路的增益和相移量，使非線性失真包絡(luò)頻譜取樣信號幅度最小。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的功率放大器線性化方法，其特征在于它采用如下控制步驟步驟一檢測前饋抵消環(huán)路兩路參加抵消信號幅度差ΔG和相位差ΔP；步驟二利用ΔG和ΔP生成前饋抵消環(huán)路增益和相位控制器的增益控制電壓VG和相位控制電壓VP；步驟三負(fù)反饋非線性失真包絡(luò)頻譜取樣信號進(jìn)入功率放大器輸入通道；步驟四檢測并控制負(fù)反饋參數(shù)使非線性失真包絡(luò)頻譜取樣信號幅度最小。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的功率放大器線性化方法，其特征在于所述的步驟一中包括如下控制過程首先，構(gòu)建前饋信號抵消環(huán)路，分別取樣功率放大器的輸入和輸出信號，并將它們同時送入信號抵消器，形成前饋信號抵消環(huán)路；其次，取樣信號抵消器的兩路輸入信號；然后，檢測兩路取樣信號的幅度差ΔG將兩路取樣信號分別進(jìn)行幅值檢波，并經(jīng)過減法器獲得參加抵消信號的幅度差ΔG；最后，檢測兩路取樣信號的相位差ΔP利用鑒相器檢測獲得參加抵消信號的相位差ΔP。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的功率放大器線性化方法，其特征在于所述的步驟二中包括如下控制過程首先，建立前饋抵消環(huán)路增益控制電壓VG采用VG＝-KGΔG+G1的控制結(jié)構(gòu)獲得增益控制電壓VG，并實(shí)時控制位于功率放大器輸入通道中的增益控制器；其次，建立前饋抵消環(huán)路相位控制電壓VP采用VP＝-KPΔP+P1的控制結(jié)構(gòu)獲得相位控制電壓VP，并實(shí)時控制位于功率放大器輸入通道中的相位控制器；然后，調(diào)諧KG、G1、KP、P1動態(tài)調(diào)諧KG、G1、KP、P1，使ΔG和ΔP最小，進(jìn)而保證主信號的良好抵消，得到功率放大器的非線性失真包絡(luò)頻譜取樣信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的功率放大器線性化方法，其特征在于所述的步驟三中包括如下控制過程首先，將非線性失真包絡(luò)頻譜取樣信號引入功率放大器輸入通道將得到的非線性失真包絡(luò)頻譜取樣信號，經(jīng)過受控增益放大和可調(diào)移相后，耦合送入功率放大器的輸入通道；然后，預(yù)失真功率放大器輸入信號耦合引入的非線性失真包絡(luò)頻譜信號與輸入信號疊加送給功率放大器，進(jìn)行功率放大。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的功率放大器線性化方法，其特征在于所述的步驟四中包括如下控制過程首先，檢測非線性失真包絡(luò)頻譜功率利用功率檢測電路，監(jiān)測前饋抵消環(huán)路抵消輸出的非線性失真包絡(luò)頻譜取樣信號幅度；然后，閉環(huán)控制預(yù)失真效果跟隨調(diào)整負(fù)反饋回路的增益和相移量，使非線性失真包絡(luò)頻譜取樣信號幅度最小。
9.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的線性功率放大器裝置，包括前饋信號抵消模塊(81)，其特征在于還包括非線性失真包絡(luò)頻譜負(fù)反饋模塊(84)，該非線性失真包絡(luò)頻譜負(fù)反饋模塊(84)由前饋信號抵消模塊(81)獲取功率放大器的非線性失真信號包絡(luò)頻譜信息，并將其負(fù)反饋至功率放大器的輸入通道與輸入信號疊加調(diào)制包絡(luò)頻譜。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的線性功率放大器裝置，其特征在于所述的前饋信號抵消模塊(81)包括耦合器(8101)，耦合器(8102)，增益控制器(8103)，相位控制器(8104)，功率放大器(8105)和耦合器(8106)，并依次相連構(gòu)成主通道；還包括延時線(8110)和耦合器(8111)，以及耦合器(8107)分別接收功率放大器的輸入和輸出信號；所述的兩路信號分別通過耦合器(8107)和耦合器(8111)輸至幅度相位檢測器(8109)，再通過自適應(yīng)抵消控制器(8108)，連至增益控制器(8103)和相位控制器(8104)，且所述的兩路信號輸出信號至信號抵消器(8112)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的線性功率放大器裝置，其特征在于所述的幅度相位檢測器(8109)包括幅度相位檢測模塊(91)和運(yùn)算模塊(92)；幅度相位檢測模塊(91)中的檢波器(911)、(912)檢出信號幅值，并通過減法器(913)輸出幅度差ΔG至運(yùn)算模塊(92)中的運(yùn)算電路(921)；幅度相位檢測模塊(91)中的鑒相器(914)輸出相位差ΔP至運(yùn)算模塊(92)中的運(yùn)算電路(922)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的線性功率放大器裝置，其特征在于所述的非線性失真包絡(luò)頻譜負(fù)反饋模塊(84)包括耦合器(8401)，受控放大器(8403)和移相器(8404)，并依次相連，將非線性失真信號包絡(luò)頻譜信息反饋至功率放大器的輸入通道。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的線性功率放大器裝置，其特征在于所述的非線性失真包絡(luò)頻譜負(fù)反饋模塊(84)還包括功率檢測器(8402)和自適應(yīng)線性控制器(8405)，功率檢測器(8402)監(jiān)測非線性失真包絡(luò)頻譜取樣信號幅度，通過自適應(yīng)線性控制器(8405)對移相器(8404)和受控放大器(8403)跟隨調(diào)整。
全文摘要
一種涉及信號處理領(lǐng)域的功率放大器線性化方法，在包括前饋信號抵消環(huán)路的放大系統(tǒng)中，從前饋信號抵消環(huán)路獲取功率放大器的非線性失真信號包絡(luò)頻譜信息，并利用負(fù)反饋回路將其實(shí)時饋送給功率放大器的輸入通道，與輸入信號疊加調(diào)制其包絡(luò)頻譜，造成輸入信號預(yù)失真，實(shí)現(xiàn)功率放大器線性化放大，該裝置包括前饋信號抵消模塊，還包括非線性失真包絡(luò)頻譜負(fù)反饋模塊，該非線性失真包絡(luò)頻譜負(fù)反饋模塊由前饋信號抵消模塊獲取功率放大器的非線性失真信號包絡(luò)頻譜信息，并將其負(fù)反饋至功率放大器的輸入通道與輸入信號疊加調(diào)制包絡(luò)頻譜，本發(fā)明精確高、結(jié)構(gòu)簡單而且工作可靠，可適用于移動通信系統(tǒng)。
文檔編號H04B7/005GK1516493SQ0311487
公開日2004年7月28日 申請日期2003年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月10日
發(fā)明者楊金鵬 申請人:深圳市中興通訊股份有限公司上海第二研究所, 深圳市中興通訊股份有限公司上海第二