CN100477493C - 改进的功率放大器配置 - Google Patents

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Abstract

用于接收电源输入的功率放大器设备、方法和软件，该电源输入是响应于至少一个表示数据信号的控制信号电压可调的。功率放大器的数据输入被预失真，而且功率放大结果基本为线性。该设备可用于无线基站发射机中，但不只限于此类应用。还提供改进了的利用这种功率放大器的数据传输业务。

Description

改进的功率放大器配置
技术领域
本发明涉及一种用于功率放大的方法和设备，以及结合了这种方法和设备的系统。本发明尤其但不专门用于无线通信基站。
背景技术
已知的无线通信系统要求提供大功率信号用于传输以便确保在适当的广域上接收。这是通过放大要发送的数据信号，典型地在无线基站自身放大，并将所产生的放大信号馈送给天线阵用于无线传输实现的。这些应用所需的高放大级别可能会导致数据信号的非线性失真，而这是不希望看到的。因此，非常希望在这些应用中使用高性能的、线性功率放大器结构。
已知的线性功率放大器(PA)技术的问题是需要与信号统计特性(互补累积分布函数(CCDF))成正比的静态的补偿(back-off)，以在系统中获得线性特性。这种补偿降低了系统的最大可获得效率，并推动了无线发射结构的机械的、热的和一般的(overhead)供电(powering)成本。已知的技术对诸如码分多址(CDMA)或宽带码分多址(W-CDMA)等具有高峰值-平均值比的信号的高功率设计产生10-12％量级的PA效率。因此，希望改善功率放大器的效率以便降低运行成本。
已知的解决方案包括包络消除和恢复(EER)，由于施加到设备输出端的DC电压变化导致的交叉调制，因此这些解决方案的性能有限。EER无法简单地结合到宽带体系结构中，因为交叉调制最终将限制系统的线性，并由此限制满足当前标准要求的能力。大的存储部件被加入到宽带信号包络中，由此产生本质上的非线性系统。
如今的功率放大器能解决无线基站发射机系统(BTS)成本的高比例。另外，基础设施支持功率放大器(在机械、制冷和DC供电方面)，与基本的功率放大器成本结合，其总计为BTS成本的大部分。由此希望确定通过什么方式可降低此类系统的安装和/或运行成本。
发明内容
本发明寻求提供一种改进的用于在无线基站应用和其它应用中的功率放大，特别是用于线性功率放大的方法和设备。
根据本发明的第一方面，提供一种功率放大器，包括：功率放大器，用于接收输入信号和放大所述输入信号以形成输出信号；电源，用于为功率放大器提供电源电压；信号处理单元，用于接收所述输入信号和为电源提供控制信号，所述信号处理单元包括用于响应所述输入信号形成所述控制信号的装置；其中该电源响应控制信号调节电源电压，以相对于输入信号中的变化按比例地改变所述电源电压；以及，其中延时功率放大器的输入信号，以允许随功率放大器对输入信号的放大及时调节电源电压。
用调节电源来对输入信号进行时间调整(alignment)使得功率放大器能以最佳电平方式工作。
在一个优选实施例中，功率放大器还包括预失真模块，用于为功率放大器提供预失真型式(version)的输入信号，所述预失真模块从信号处理单元接收用于失真所述输入信号的预失真系数，所述预失真系数由所述信号处理单元响应所述输入信号形成。
优选在输入信号到达预失真模块的同时将预失真系数施加到输入信号。这导致输入信号以最佳方式被预失真，并确保功率放大器的结果输出信号尽可能地线性。
关于这点，本领域的技术人员将理解的是，无预失真信号是相对于数据信号无预失真的，而不排除用于除当前的功率放大之外的其它目的的预失真。
有利地是，前置补偿器(predistorter)用于校正由电源调节引起的任何非线性，作为电源调节和固有的装置非线性的结果而产生的存储部件，由此提供相当好的线性放大性能。
优选信号处理单元接收来自功率放大器和电源中的至少一个的反馈信号，而且其中由信号处理单元形成的所述控制信号利用输入信号，电源反馈信号和功率放大器反馈信号中的至少一个形成。
在另一个优选实施例中，数据信号是CDMA信号和W-CDMA信号中的一个。如果使用了预失真，则将本上下文中的数据信号理解为指的就是非预失真信号。
本发明还提供一种包括根据权利要求1的功率放大器设备的无线通信基站发射机，以及一种包括根据权利要求1的功率放大器设备的通信网络。
本发明还针对所描述的装置的操作方法，而且包括用于完成该设备的每个功能的方法步骤。特别地，根据本发明的还一个方面，提供一种用于操作功率放大器的方法，包括步骤：为功率放大器提供输入信号，功率放大器放大输入信号以形成输出信号；为放大器提供电源电压以使功率放大器能够放大输入信号；响应由电源从信号处理单元接收的控制信号为功率放大器调节电源电压，所述信号处理单元响应输入信号形成所述控制信号，其中电源调节电源电压以相对于输入信号中的变化按比例地改变所述电源电压；以及，延时输入该输入信号到功率放大器，以使随着功率放大器对输入信号的放大能及时调节电源电压。
本发明的其它方面包括用于实现放大器设备或用于完成(其包含控制)上述方法步骤的软件。这就承认这种软件可以是有价值的，独立可交易的商品。这种软件想要包含在“哑”或标准硬件之上运行或对其进行控制以完成所期望的功能的软件，(由此该软件基本上定义了该设备的功能)。出于类似的原因，该软件也想要包含描述或定义硬件配置的软件(例如HDL(硬件描述语言)软件)，如同用于设计硅片，或用于配置通用可编程芯片，以完成所期望功能一样。
特别地，根据本发明的还一个方面，提供一种计算机程序，用于控制包括功率放大器、电源和信号处理单元的功率放大器设备，所述程序包括用于执行以下步骤的代码：为功率放大器提供输入信号，功率放大器放大输入信号以形成输出信号；为放大器提供电源电压以使功率放大器能够放大输入信号；响应由电源从信号处理单元接收的控制信号为功率放大器调节电源电压，所述信号处理单元响应输入信号形成所述控制信号，其中电源调节电源电压以相对于输入信号中的变化按比例地改变所述电源电压；以及，延时输入该输入信号到功率放大器，以使随着功率放大器对输入信号的放大能及时调节电源电压。
根据本发明的另一方面，提供一种在使用这种功率放大器的网络之上提出或提供一种数据传输业务的方法。因为本发明的优点能使网络表现得更好，其更为可靠，更灵活，或具有更大的容量，或更为成本有效，例如，从而网络上的数据传输业务能够表现出相应改进，以及此类业务的价值增加。这种贯穿系统生命期的增值能够证明是远大于设备的销售价值的。
有利地是，功率放大成本得以改善。由于降低了BTS上的热载荷，不但就长期的AC功率成本而言，而且就改善的可靠性而言，也有利地降低了此类设备对消费者的所有权价格。
对本领域的技术人员明显的是，可适当结合优选特征，以及结合本发明的任何方面。
附图说明
为了示意本发明是如何实现的，下面仅通过举例并参考附图描述本发明的实施例，其中：
图1示出了根据本发明的功率放大器设备；
图2示出了根据本发明的电源调节的例子的曲线图；
图3示出了根据本发明的改进的放大器效率的示例图；
图4示出了根据本发明的功率放大方法；
图5示出了在使用了根据本发明的功率放大器设备的通信网络之上提供的示例数据传输业务。
具体实施方式
参考图1，图1示出了一种功率放大器设备，其包括预失真模块10，功率放大器模块12，检错及数字信号处理单元14，以及可调电源16。在这个设备中，包络信号路径9用于既为预失真模块10又为检错及数字信号处理单元14提供包络信号，检错及数字信号处理单元用于为预失真模块提供(17)预失真系数。预失真模块为功率放大器模块12提供(11)预失真型式的包络信号，功率放大器模块12又提供(13)放大型式的预失真信号。可调电源16响应从检错及数字信号处理单元14接收的输入15a为功率放大器模块12提供(19)电源输入。检错及数字信号处理单元14既从(15b)可调电源又从(13)功率放大器模块的输出接收反馈。
该设备在功率放大器设备内提供有源DC电源调节，由此改进并优化高动态范围信号(包括但不限于CDMA和W-CDMA)中的功率放大器效率。检错及数字信号处理单元14检测输入波形9，输入波形9可随后用于(15a)以使功率放大器模块12在其包络期间一直工作于非常接近其压缩点的方式控制可调电源16，也就是说，对于给定电源电压，使装置以最大可用功率有效工作。当工作于放大器的线性区域内时，增益基本一致。随着输入信号功率增大，将到达一个点，在该点处输入信号的放大量与较低功率输入信号的不同。该点被称为压缩点。非常接近压缩点工作使功率放大器容易工作于其最高效率点。
电源输出电压以如下的方式调节：与包络电压的降低成比例地降低输出电压，以便使RF功率器件在整个包络范围内工作于非常接近最大压缩功率的工作点。
预失真模块10用于补偿调幅/调幅(AM/AM)和调幅/调相(AM/PM)转换失真，该失真是对功率放大器模块应用DC偏压调节和固有的装置非线性特性的结果，以便在该设备的工作范围内提供基本上线性的放大特性。该设备与经典的包络消除和恢复(EER)技术的不同至少在于，该设备允许复合波形经过整个系统传播，由此允许包络信号的有效预失真并由功率放大器产生线性复合输出。另外，该设备对信号包络补偿系统中因追踪电源的缺陷产生的存储。
输入信号波形由抽样单元21抽样。抽样接着被处理以便为所需的波形功率电平确定将应用于可调电源16内的输出装置的准确的DC电压值。在这个处理的同时，波形抽样被用于确定将应用于波形的最佳预失真系数17以确保系统线性。
输入波被延时以虑及预失真系数的适当处理和包络调整，以及波形上的DC电源调节的适当定时。
在离线处理中，输出波形被分别抽样并与干净的输入波形作比较，以主动适应预失真和DC调节系数来优化系统效率和线性。
参考附图1讨论主路径和次路径。主路径是在主输入端被接收的输入信号所采用的路径，其经过预失真模块10并施加到功率放大器12。次路径是沿图1下部的路由的信号处理路径。
在主路径中，系统的输入信号在其到达预失真模块10之前被延时单元20延时。该延时可以用各种各样的方式实现。为避免信号处理，可使信号通过一个适当长度的大同轴电缆线圈。或者，通过经存储装置保持和偏移抽样信号，可使用标准信号处理技术来抽样和延迟信号。延迟单元20提供的延迟至少要与在次路径内的信号处理导致的延时一样长。
在次路径中，输入信号在被处理(30)之前被抽样(21)以推导出信号包络的大小并被延迟(22)(如果需要的话)，以推导出将应用于预失真模块10的适当预失真系数17。该系数是通过参考存储在检错及数字信号处理单元14内的查询表28选择的。正是抽样和处理信号的这些步骤，以及模拟电路限制，引起次路径内的延迟。
延迟22为可变延迟，其可由标准数字存储技术实现。选择延迟22的值使得沿主路径行进的输入信号到达预失真模块10与应用适当的预失真系数17到模块10正好同时进行。换句话说，基于抽样的输入信号的特定部分的预失真系数17在输入信号(该系数即是基于该输入信号的)的该部分到达预失真模块10的同一时间被应用。这样，预失真模块10对输入信号的正确部分应用正确数量的失真，使功率放大器的结果输出尽可能地线性。预失真模块10能够校正输入信号的幅度(增益)和相位。
类似地，在主路径延时输入信号导致随着输入信号沿主路径到达功率放大器12及时调节电源电压。这可用另一种方式解释。处理单元30基于输入信号9的一部分的抽样值确定用于电源调节控制信号15a的一个适当值。延迟输入信号确保控制信号15a在输入信号的该部分(控制信号15a即是基于该输入信号的)到达功率放大器12的同时调节电源16。由此，在任一时间点，由电源16施加的电压都与经过放大器的输入信号匹配。
如图1所示，来自电源16的反馈信号15b和来自输出端的反馈信号均在检错及数字信号处理单元14，功能块23、24和25、26的输入端被抽样和延时，以确保反馈信号能够正确地与输入信号进行比较。
优选所述功率放大器的传输特性依赖于电源单元(PSU)供电电压(其是可调节的)和输入包络调节。优选的功率放大器传输特性为：
增益＝f(包络电压，PSU电压)
相位＝f(包络电压，PSU电压)
效率＝f(Psat，Pout)；Psat＝f(包络电压)
现在参考图2，图2示出了随着时间流逝相应电压的图形表示：
●输出信号包络40；
●在足够放大数据信号包络中的波峰42的电平保持电源电压(Vdd)恒定(41)的常规放大器，以及
●用于遵循数据信号包络40的动态可调电源电压(Vdd)包络43。
如图所示，如动态可调电源电压43和常规恒定电压41之间的功率差所体现的那样，用于跟踪信号包络的电源电压的调节显著降低了放大器功率损耗。例如，研究显示对不可调电源具有大约13％的平均效率，使用根据本技术的电源单元的供电电压调节可达到27.5％的相应效率。
现在参考图3，图3示出了对于4通道W-CDMA系统的平均功率效率与PA设备的RMS输出功率之间的关系的图形表示。该曲线图示出了具有静态电源电压(Vdd)的常规放大器设备的效率的第一曲线51，以及示意其中电源电压随信号包络动态可调的类似设备的对应效率的第二曲线52。如图所示，当上面的线性化电路开始(53)占优势时，在功率控制范围内效率适度降低，但是甚至在功率降低时也可获得显著的益处54。
现在参考图4，图4示出了一种方法，包括步骤：接收(420)包络信号；预失真(422)包络信号以便为补偿在所述设备内的别处引起的非线性的功率放大器提供预失真输入；放大(424)预失真包络信号以产生放大的包络信号；以及为功率放大器调节(426)电源。响应包络信号9、包络反馈信号13和电源反馈信号15b中的至少一个执行该调节。
现在参考图5，功率放大器为在使用此类功率放大器设备35的网络530之上提供的数据传输业务提供改进的服务质量。在该示例中，在无线基站34中提供该PA设备。此类业务可在商用服务提供商31a-b或在专用服务提供商32a-b，以及在商用用户33a-b或在专用用户34a-b之间提供。如本技术领域众所周知的那样，就此类业务来说，单个实体既可充当提供商或用户或同时为二者。
本领域的技术人员通过理解在此讲授的内容，可扩展或改变在此给出的任意范围或装置值而不失去所寻求的效果。

Claims (11)

1.一种功率放大器设备，包括：
功率放大器，用于接收包络输入信号和放大所述包络输入信号以形成包络输出信号；
电源，用于为功率放大器提供电源电压；
信号处理单元，用于接收所述包络输入信号，检测输入波形，以及为电源提供控制信号，所述信号处理单元包括用于响应所述包络输入信号形成所述控制信号的装置；
其中电源响应控制信号调节电源电压，以便相对于包络输入信号中的变化按比例地改变所述电源电压；以及
其中延时功率放大器的包络输入信号，以允许随功率放大器对包络输入信号的放大及时调节电源电压；
这样就使得功率放大器在包络期间一直非常接近地工作于功率放大器的线性区域内的压缩点，而且复合波形通过功率放大器传播以产生线性复合输出；
其中信号处理单元接收来自功率放大器和电源中的至少一个的反馈信号，而且其中通过比较干净的输入波形与电源反馈信号和功率放大器反馈信号中的至少一个，来形成由信号处理单元形成的所述控制信号。
2.根据权利要求1的功率放大器设备，还包括预失真模块，用于为功率放大器提供预失真型式的包络输入信号，所述预失真模块从信号处理单元接收用于失真所述包络输入信号的预失真系数，所述预失真系数由所述信号处理单元响应所述包络输入信号形成。
3.根据权利要求2的功率放大器设备，其中在包络输入信号到达预失真模块的同时将预失真系数应用于包络输入信号。
4.一种用于操作功率放大器的方法，包括步骤：
为功率放大器提供包络输入信号，功率放大器放大包络输入信号以形成包络输出信号；
为放大器提供电源电压以使功率放大器能够放大包络输入信号；
响应由电源从信号处理单元接收的控制信号为功率放大器调节电源电压，所述信号处理单元响应包络输入信号检测输入波形和形成所述控制信号，其中电源调节电源电压以便相对于包络输入信号中的变化按比例地改变所述电源电压；以及
延时对功率放大器的包络输入信号的输入，以允许随功率放大器对包络输入信号的放大及时调节电源电压；
这样使得功率放大器在包络期间一直非常接近地工作于功率放大器的线性区域内的压缩点，而且复合波形通过功率放大器传播以产生线性复合输出；
其中信号处理单元接收来自功率放大器和电源中的至少一个的反馈信号，而且其中通过比较干净的输入波形与电源反馈信号和功率放大器反馈信号中的至少一个，来形成由信号处理单元形成的所述控制信号。
5.根据权利要求4的方法，还包括预失真包络输入信号以便为功率放大器提供预失真型式的包络输入信号用于放大的步骤。
6.根据权利要求5的方法，其中通过接收由信号处理单元生成的预失真系数的预失真模块预失真包络输入信号，所述预失真系数由信号处理单元响应包络输入信号生成。
7.根据权利要求4到6任一项的方法，还包括为信号处理单元提供来自功率放大器和电源中的至少一个的反馈信号，而且其中控制信号由信号处理单元利用输入信号，及电源反馈信号和功率放大器反馈信号中的至少一个形成。
8.一种包括根据权利要求1到3任一项的功率放大器设备的无线通信基站发射机。
9.一种包括根据权利要求1到3任一项的功率放大器设备的通信网络。
10.一种利用具有电源输入的功率放大器放大包络输入信号的方法，该方法包括步骤：
接收包络输入信号；
利用功率放大器放大包络输入信号以提供输出信号；
检测输入波形；以及
根据响应于所述包络输入信号的控制信号调节功率放大器的电源输入，
其中该方法包括延时对功率放大器的包络输入信号输入，以允许随功率放大器对包络输入信号的放大及时调节电源输入的步骤；
这样使得功率放大器在包络期间一直非常接近地工作于功率放大器的线性区域内的压缩点，而且复合波形通过功率放大器传播以产生线性复合输出；
其中信号处理单元接收来自功率放大器和电源中的至少一个的反馈信号，而且其中通过比较干净的输入波形与电源反馈信号和功率放大器反馈信号中的至少一个，来形成由信号处理单元形成的所述控制信号。
11.一种在包括根据权利要求1到3任一项的功率放大器设备的通信网络之上提供信号传输业务的方法。
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