CN100471042C - 优化功率放大器效率的方法和闭环功率放大器控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及优化功率放大器效率的方法和闭环功率放大器控制器。蜂窝移动无线电系统中的基站成本的重要部分是功率放大器。从而，所希望的是最大化功率放大器的使用率并且特别是获得放大器的最佳功率输出或者提高其效率。然而，这类功率放大器必须运行在严格的频谱边界内，并且从而功率放大器一般都超过规格以便确保满足频谱需求。通过测量放大器的输出和确定失真因素并且然后适应地调整放大器的操作特性，放大器需要超过规格的程度可以被减少，并且节省了成本和环境。

Description

优化功率放大器效率的方法和闭环功率放大器控制器
技术领域
本发明涉及闭环功率放大器失真控制器和优化功率放大器效率的方法。
背景技术
所有的功率放大器都会导致一个较小或较大程度的失真。失真一般可以按照相位和幅度失真来测量，其中，经过放大器的信号受到不希望的相位和幅度调整，即放大器有非线性的幅度和/或相位特性。在功率放大器用于射频传输的情况下，例如，对于蜂窝移动无线电网络的基站来说，相位和幅度失真本身表明了在期待发射频率外的所谓频率＂再生＂。从而，在例如载波信号正在被放大的情况中，通过放大器非线性而导致的互调失真和其它失真产生了该载波的副波瓣，副波瓣在相邻信道中产生不能接受的干扰从而违反了传输要求。
例如，在宽带码分多址(W-CDMA)3G蜂窝系统中，每个信道在1.96GHz左右的频率处被分配了5MHz的频谱。所谓的3dB点分别地被隔开3.84MHz。这些需求被设置来允许相邻的5MHz信道在没有不能接受的干扰之下被发射(并且实际上说明书比这说得更加详细)。从而，如果功率放大器中的失真(或基站中别处的失真)使得功率在3.84MHz频带外被发射，则其它通信信道可能受到不利影响，并且基站的运行将会违反正式标准并且不能被使用。
为了克服这个问题的＂线性＂功率放大器的现有技术中的几个技术是已知的。传统方法是使用围绕放大器的前馈网络，该前馈网络调谐放大器和网络组合的特征来补偿放大器中的非线性。然而，这些网络布置起来很复杂并且围绕主功率放大器的网络需要与主功率放大器有类似功率容量的第二个＂误差放大器＂。因为功率放大器构成了无线电发射机(例如用于蜂窝无线电通信基站)成本的重要部分，所以用作误差放大器的附加放大器的成本是一个很重大的不利因素。
标题为＂Amplitude and Phase Comparator for MicrowavePower Amplifier＂(微波功率放大器的幅度和相位比较器)的，在共同未决的美国申请号09/945,171中描述的另一个方法是在信号进入放大器之前对其施加所谓的＂预失真＂。预失真一般应用反向的相位和幅度失真(它是相位和幅度失真的反向，相位和幅度失真，已知将当信号经过放大器时由放大器所导致)。从而，通过在放大之前给信号施加反向的失真，预失真和功率放大器固有的非线性之和使得放大器的输出失真得到明显的净减少。然而，还可以如下所述地对该技术进行完善。
发明内容
因此，本发明的目的是在现有技术方案中对失真控制、功率放大器效率和/或最大许可发射功率提供改进，并且特别是对于用于蜂窝移动无线基站的功率放大器。
根据本发明的第一方面，提供了闭环功率放大器失真控制器，包括：输出测量装置，可操作来测量放大器输出的预定输出特性；处理装置，用于处理由输出测量装置产生的测量以确定相对于操作特性中的改变的测量梯度；和控制装置，用于响应于被处理的测量而定期调整放大器操作参数以实质上实现所述梯度的期待值。
例如，输出特性可以是相位失真、幅度失真。
根据本发明的第二方面，提供了闭环功率放大器失真控制器，包括：输出测量装置，可操作来测量放大器输出的预定输出特性；(b)处理装置，用于处理由输出测量装置产生的测量以比较输出特性测量和预定阈值；和(c)控制装置，用于响应于被处理的测量来定期调整放大器操作参数以及把所测量的输出特性保持在所述阈值的期待侧，其中，所述的预定输出特性是频谱，并且阈值是预定频谱掩模。
在至少存在相位和/或幅度失真的情况中，注意到当达到放大器的削波点时，失真突然增加。削波点一般是输出电压摆幅接近放大器的电源电压时的点，因为在典型的放大器设计中，输出电压不能超过电源电压。类似地，当放大器提供的电流超过电源可用电流时，削波可能出现。从而，随着放大器消波时的功率输出电平，相位和幅度失真突然增加。如果放大器的操作参数是电源电压和/或放大器增益，则当削波出现时，在放大器输出端测量的相对于放大器功率输出的相位梯度和/或失真误差接近1。从而如下所述，通过调整放大器操作参数来使放大器只运行在削波下(通过测量预定的放大器输出特性来确定)，放大器可以用最大功率输出(给出的增益和/或电源电压)运行，这样便提高了效率。
类似地，如果输出特性是频谱，则电源电压和/或放大器增益可以一直被改变到输出频率特性正好在期待频率掩模的可接受边缘内为止(在上面的介绍中被讨论)。因为当放大器达到消波点时，频率掩模将受到很大的干扰(由于相位和幅度失真)，所以这两个方案一般产生相同的结果，并且从而使放大器的运行保持在可接受的频率掩模边缘内一般将会正好在其削波点或低于其削波点来运行放大器。
根据本发明的第三方面，因此，本发明提供了优化闭环功率放大器的效率的方法，包括：测量放大器的输出特性，其表示放大器导致的失真；响应于测量的特性来控制放大器的工作参数；和处理输出特性测量来确定相对于操作特性中的改变的测量梯度，和定期调整操作参数来实质上实现所述梯度的期待值。
根据本发明的第四方面，提供了优化闭环功率放大器效率的方法，包括：测量放大器的输出特性，其表示由放大器导致的失真；响应于所测量的特性来控制放大器操作参数；和比较输出特性测量和预定阈值以及定期调整操作参数，以及把所测量的输出特性保持在所述阈值的期待侧。
如下所述，因为当放大器正在被艰难＂驱动＂时，放大器效率通常可以被提高，所以使用这个方法在其消波点或低于其削波点来运行放大器提高了效率。从而，通过在其削波点或低于其削波点驱动放大器，一般可以达到18-20％的效率，然而，操作边缘必须被嵌入电路设计以允许元件变化和温度变化的当前构造只能够实现放大器正常效率的10％。
如上所述，功率放大器构成了蜂窝移动通信基站的成本的重要部分。从而，提高效率意味着尽可能少的功率放大器是给定发射功率所需要的，和/或需要减少电源的输出功率和冷却设备。根据基站的成本、和诸如基站的大小之类的环境状况以及基站的总的电效率，所有的这些减少都是所希望的。
附图说明
对于本领域普通技术人员来说，通过结合附图的本发明具体实施例的下列描述，本发明的其它方面和特征会变得明显。
图1是示出在单一信道宽带码分多址(W-CDMA)基站放大器中相对于相邻信道功率(ACP)的功率放大器的输出功率的图表；
图2是示出在5MHz信道间隔和希望的频率掩模的典型W-CDMA信号的图表；
图3是示出预失真电路结构的示意框图；
图4是示出单一信道5MHz W-CDMA基站增加了放大器功率输出的情况下，所应用的幅度和相位预失真的示意图表；
图5A是被用于图3的预失真电路结构的内部幅度和相位查询表的示意图表；
图5B是被用于图3的预失真电路结构的内部输入包络二进制计数器的示意图表；
图6是示出放大器效率和相对于放大器输出功率的相邻信道功率的示意图表；
图7是示出相邻信道功率比(ACPR)和相对于放大器输出功率的放大器效率的又一个图表；和
图8是示出频谱分析器的电路结构的示意框图。
具体实施方式
参考图1，相对于放大器输出功率的相邻信道(相邻信道功率-ACP)功率的典型曲线2被示出。线条2示出没有采取测量来处理放大器非线性的典型的放大器特征。实线4表示按照W-CDMA标准来重新定义的频带。信号将不会进入由实线4(包括图表关键)界限的图表区域。
从而应当注意，标准的未调整放大器的输出功率没能符合大约大于36dBm的标准。
如下所述，曲线6表示施加了预失真的相同的放大器。应当注意，放大器(在这个曲线中示出的)甚至在功率电平接近48dBm时充裕地超过标准中定义的边界条件。还应当注意，曲线6的梯度在48dBm功率电平处接近1。曲线中的＂拐点＂表示放大器的消波点。因此还应当注意，如果放大器的电源电压被降低，则表示放大器消波的渐近点(目前大约在48dBm处)会沿着水平轴向图表下移，直到它达到标准边界被干扰的那一点。还应当注意，不同的放大器可能有不同的消波点并且消波点可以随着温度而变化。从而，边缘实际上必须被保持在曲线6和边界4之间，以使得边界需求在所有运行情况之下都被满足。
图2示出典型的W-CDMA单信道频谱。曲线8表示被发射的信号(即功率放大器的输出)和梯形线10表示标准频率掩模。图2中示出的频谱遵守掩模。然而，在相邻信道功率干扰图1的边界4那一点，可以预料图2的频谱会干扰频率掩模。
其原因可以通过参考图3和4可知。
图3示出用于把预失真引入放大器来补偿放大器内非线性的修改方案。
功率放大器20具有可变输出电压电源单元22。输入信号24经由调幅器26和调相器28被输入功率放大器的输入端。(只是需要延迟线30来提供将预失真被施加给信号的时间并且为了解释起见而被忽略。)
输出信号的一小部分(典型地感应耦合)被反馈到误差检测器子系统32，误差检测器子系统32比较输出抽样和输入信号抽样并且执行相位和幅度误差测量。包络检测器36和相关的图形保真滤波器38以及量化器40提供用于预失真查询表34的量化索引。例如，从图1应当注意，(一般说来)失真随着放大器功率输出和因此随着包络幅值而增加。
查询表34包括测量的输入包络和调相器28和调幅器26的期望输入(驱动)值之间的映射，调相器28和调幅器26需要校正由放大器导致的相位和幅度失真。
通过用误差检测器子系统和适应32在每个包络值36实际测量的相位和幅度失真的反馈，调整查询表的内容。
从而，误差检测器子系统32和查询表34合作产生将由调幅器26和调相器28来施加的适当预失真值以补偿特别参考图4被测量的失真，曲线42示出用于相位校正的查询表值(对应于由调相器28施加的相位校正值)和用于由调幅器26施加的幅值(或幅度)校正的查询表值。水平轴示出由包络检测器提供的值，其与放大器输出功率成正比。从而，应当注意，幅度预失真在刚好小于224的量化功率值处变成渐近的。这是放大器中的固有失真很大以至于不能通过预失真来校正的情况(并且实际上对应于放大器的消波点)。
通过修改预失真方案，适应地强迫放大器运行在预定的消波点的小边缘内是可能的(其在下面被解释极大地提供了放大器效率的改进)。从而，应当注意，确定是否即将到达消波点的一个特别简单的方法就是设置图4的幅度校正曲线上的工作状态最大目标值和改变一些可控制的参数来实现这类操作。
明显地，因为这类变化是早些在信号通路中的系统领域(未示出)，所以改变输入信号是不实际的。图3中示出的系统功能只不过是在其输入端放大信号，而没有导致太多失真以致违反定义传输带宽等等的标准。
然而，例如放大器电源电压和/或系统增益的两个示范参数可以被改变。在图3示出的实施例中，可变输出电压的电源单元22给放大器提供电源并且基于预失真查询表上的工作状态而被控制。正如以上的讨论，电源电压的减少一般会减少输出功率，这可以通过没有消波的放大器来产生。从而，电源电压的减少可以使放大器接近其消波点来运行(即可以把图4中的线44的渐近部分向着图表左边移动)。
图5B示出输入包络′二进制计数器′。这个′二进制计数器′记录上一个适应循环中的次数，在该循环中每个输入包络值都被记录。(在这个实施例中，计数器在16停止)。二进制计数器让系统知道在上一个计数(适应)期间的输入信号包络范围。图5B示出在上一个适应期间，最高的输入信号包络大约在170的值处被记录。这个信息结合来自校正查询表(图5A)的数据来确定怎样关闭将要削波的系统。如果查询表中的幅度和/或相位校正值在峰值输入电平低于它们的最大容许值，则系统被削波运行。
从而，参考图5A和5B，通过设置幅度校正的目标值，例如按照查询表值(在图5A中线44的目标值是1000)，反馈算法可以被用来降低电源电压直到施加的最大幅度预失真对应于查询表中的值1000为止。这允许附加值23作为边缘(应当注意，在图4和5的曲线中给出的值是二进制值，其是用于控制由单元22和调制器26和28传递的可变电压的数模转换器的一般应用结果)。其它技术也可以被使用。例如，使相位和/或幅度曲线42和44变得很陡而超出期待限制可以通知消波的开始。
参考图6和7可以明显地看出在接近其消波点来运行放大器的优点。两个图表中的线50表示相邻信道功率(图7中的相邻信道功率比)，并且因此对应于放大器功率输出中的失真。与图1的曲线图相同，可以看出线50具有对应于放大器消波的拐点和渐近部分。实线52还对应于在传输标准中定义的边界，其不能被干扰以满足标准。另一条线54表示放大器效率(按照在相对RF功率输出中的直流电功率)。应当注意，当放大器接近消波点运行时，放大器效率突然地增加。一般来说，只要边缘考虑到元件变化、温度变化等等，基站中的放大器就在大约10％的效率边缘运行。从而，通过接近消波点来运行放大器，就可以产生实质性的补偿(从10％到18％的差异就增加了180％的效率)。
从而，通过适应地相对于给放大器的短期功率输出需求来设计放大器的消波点(为了确保放大器总是在接近其消波点被驱动)，可以产生惊人的效率改进和随之而来的上述成本和环境改进。
在上述实施例中，已经被测量的放大器的输出特性是相位和/或幅度失真。涉及到输出信号的频谱分析应用的替换技术被描述如下。该技术允许功率放大器以其最大输出功率或非常接近其最大输出功率来运行，从而减少考虑到最糟糕的运行情况和/或单元到单元变化的边缘以及尽可能地提供上述的效率益处。还应当理解，这两种技术可以被一起使用。
在这个实施例中，一个简易接收机(其可以混频例如下至中间频率或基带的信号)被用于放大器的输出，和一个简易频谱分析器(例如在FPGA或ASIC元件中被使用的)被用来处理＂接收的＂信号。
从而，参考图8，一个基站包括发射专用集成电路(ASIC)60，其把两个信道输入提供到BBPD现场可编程门阵列(FPGA)中。FPGA的输出被输入一对数模转换器64-1和64-2，然后被输入到一对图形保真滤波器66-1和66-2。然后使用一对放大器68-1和68-2以及混频器70来同时被放大和上混频信号。
信号然后被缓存并且通过可变增益装置72传递。在带通滤波之后，信号被传递到功率放大器74。除了FPGA62之外，这些通常是常规配置。
然而，图8的电路已经被进一步修改，其增加了从功率放大器的输出获取感应′sniff′的反馈回路，该反馈回路包括可变增益装置76、下混频器78、放大器80和一对带通滤波器82和84。反馈信号然后被隔离(隔离器86)并且使用模数转换器88被采样。数字化的下混频的信号然后被反馈到FPGA 62中。
在FPGA 62内，信号可以与频率掩模(例如图2中示出的掩模类型)比较，并且因此放大器输出功率使用可变增益装置72和/或76被调整直到确定它没有违反频率掩模10为止。放大器或收发信机的增益可以被改变以便最大化所给出放大器的输出功率和电源电压(这对于第一实施例也可行)，或者按照上述的满足图2的频率掩模10，电源电压可以被改变以便提高放大器效率。
执行综合频谱分析器(除了确保符合频率掩模之外)的特殊优点在于可以得到信号的其它质量测量，例如波形质量、误差矢量幅值和/或码域噪声。这可以被远程测量和监控。因为它可以被用来减少特殊的基站观测所需的访问频率，所以这还可以减少基站的运行成本。从而，在上面给出的两个实施例中，输出测量可以被用来提供一个综合诊断能力。例如，这可以通过在基站处理硬件中包含与测量值比较的典型值来实现。当测量值不同于存储值而超过预定量时，误差可以被标记，这是因为这可能表示基站内的正在产生或已经产生的故障。
总的来说，蜂窝移动无线电系统中的基站成本的重要部分是功率放大器。从而，所希望的是最大化放大器功率的使用率并且特别是获得放大器的最佳功率输出或提高它的性能。然而，这类功率放大器必须运行在严格的频谱边界内，从而功率放大器一般是超过规格的以确保满足频谱需求。通过测量放大器的输出和确定失真因素并且然后适应地调整放大器的操作特性，放大器需要超过规格的程度可以被减少，并且节省了成本和环境。

Claims (20)

1.一种闭环功率放大器失真控制器，包括：
(a)输出测量装置，可操作来测量放大器输出的预定输出特性；
(b)处理装置，用于处理由输出测量装置产生的测量以确定相对于操作特性中的改变的测量梯度；和
(c)控制装置，用于响应于被处理的测量来定期调整放大器操作参数以实质上实现所述梯度的期待值。
2.权利要求1的控制器，其中，所述的预定输出特性是相位失真并且其中，表示放大器中的削波失真的期待梯度接近无穷大。
3.权利要求1的控制器，其中，所述的预定输出特性是幅度失真并且其中，表示放大器中的削波失真的期待梯度接近无穷大。
4.一种闭环功率放大器失真控制器，包括：
(a)输出测量装置，可操作来测量放大器输出的预定输出特性；
(b)处理装置，用于处理由输出测量装置产生的测量以比较输出特性测量和预定阈值；和
(c)控制装置，用于响应于被处理的测量来定期调整放大器操作参数以及把所测量的输出特性保持在所述阈值的期待侧，其中，所述的预定输出特性是频谱，并且阈值是预定频谱掩模。
5.权利要求1或4的控制器，包括闭环预失真控制，其被安排来基于所测量的输出特性对放大器输入信号自动施加预失真，和其中，处理装置产生用以补偿所测量的输出特性的预失真值。
6.权利要求1-4中任何一个的控制器，其中，所述的操作参数是给功率放大器提供电源的电源输出电压。
7.权利要求1-4中任何一个的控制器，其中，所述的操作参数是功率放大器的增益。
8.一种优化闭环功率放大器效率的方法，包括：
(a)测量放大器的输出特性，其表示由放大器导致的失真；
(b)响应于所测量的特性来控制放大器操作参数；和
(c)处理输出特性测量来确定相对于操作特性中的改变的测量梯度，和定期调整操作参数来实质上实现所述梯度的期待值。
9.权利要求8的方法，其中，所测量的输出特性是相位失真，并且其中，表示放大器中的削波失真的期待梯度接近无穷大。
10.权利要求8的方法，其中，所测量的输出特性是幅度失真，并且其中，表示放大器中的削波失真的期待梯度接近无穷大。
11.权利要求8-10中任何一个的方法，其中，操作参数是功率放大器的电源电压。
12.权利要求8-10中任何一个的方法，其中，操作参数是放大器增益。
13.一种优化闭环功率放大器效率的方法，包括：
(a)测量放大器的输出特性，其表示由放大器导致的失真；
(b)响应于所测量的特性来控制放大器操作参数；和
(c)比较输出特性测量和预定阈值以及定期调整操作参数，以及把所测量的输出特性保持在所述阈值的期待侧。
14.权利要求13的方法，其中，输出特性测量是输出频谱，并且阈值是预定频谱掩模。
15.权利要求13的方法，其中，输出特性测量是输出的波形质量。
16.权利要求13的方法，其中，输出特性测量是误差矢量幅值。
17.权利要求13的方法，其中，输出特性测量是输出中的码域噪声。
18.权利要求1的控制器，其中，所述的预定输出特性从包括相位失真和幅度失真的组中选择。
19.一种无线电网络的基站，包括：
(a)功率放大器，和
(b)根据权利要求1或4所述的闭环功率放大器失真控制器。
20.一种包括基站的无线通信网络，包括：
(a)功率放大器，和
(b)根据权利要求1或4所述的闭环功率放大器失真控制器。
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