CN100578922C

CN100578922C - 高效功率放大器

Info

Publication number: CN100578922C
Application number: CN200710179732A
Authority: CN
Inventors: 苏永革; 叶四清; 何丹东; 殷为民; 张希坤; 王晓仑; 韦前华
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Priority date: 2007-12-17
Filing date: 2007-12-17
Publication date: 2010-01-06
Anticipated expiration: 2027-12-17
Also published as: US20100253426A1; WO2009082922A1; US8013676B2; CN101207366A

Abstract

本发明实施例涉及一种高效功率放大器，包括驱动放大器和末级功率放大器，还包括：第一数字预失真校正模块，用于对驱动放大器输出的驱动信号的非线性特性进行预失真处理；第二数字预失真校正模块，与第一数字预失真校正模块串接，用于对末级功率放大器输出的放大信号的非线性特性进行预失真处理。本发明实施例还涉及一种高效功率放大器，包括驱动放大器和末级功率放大器，还包括第二多路控制模块、第四数字预失真校正模块和第二选通模块。本发明实施例的高效功率放大器，通过提高驱动放大器的工作效率，实现了高效功率放大器的整体效率的提高，若用在增益较高的功放上面，也可进一步提高整体效率。

Description

高效功率放大器

技术领域

本发明涉及电子通信技术领域，特别涉及一种高效功率放大器。

背景技术

射频和微波功率放大器(以下简称：功放)在通信系统中用来放大携带信息的射频和微波调制信号。为了提高频谱利用效率，很多制式的调制信号同时携带相位和幅度信息，例如码分多址(Code-Division Multiple Access，简称：CDMA)技术、正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，简称：OFDM)技术等等。此类信号的信息调制在幅度与相位两个维度上，要用线性放大器来放大，以保证在幅度、相位上产生较小的失真，但是由于功放固有的非线性，一定会带来一定程度上幅度、相位的失真。解决这个问题的一个方法是使功放工作在A类或AB类放大器的准线性状态，通过采用功率较大的放大器件输出较小的功率，即功率回退的方法来减小功放本身带来的信号传输上的幅度、相位的失真，保证其线性度，使之符合协议中对频谱模板和邻道泄漏比的要求。但是，这样的话会导致功放效率的降低及功耗的增加，而功耗的增加，就需要大体积的散热器和风扇等散热设备，产品很难小型化，系统成本增加，并且可靠性会显著降低。所以目前出现了多种线性化技术，通过这些线性化技术来消除功放本身的非线性，从而使功放的回退量降低，提高功放的效率。随着数字信号处理技术的发展，当前较多采用的方案是：用非线性较强的高效率功放，如C/D/E/F类功放，并应用在这类功放前增加一个非线性电路来补偿功放的非线性失真的预失真线性化技术，尽可能在保证功放线性输出的情况下提高功放效率。预失真线性化技术的优点在于：不存在稳定性问题，有更宽的信号频带，能够处理含多载波的信号，且成本低。

预失真分为射频预失真和数字预失真(Digital Pre-distortion，以下简称：DPD)两种基本类型，射频预失真一般采用模拟电路来实现，具有电路结构简单、成本低、易于高频、宽带应用等优点，缺点使频谱再生分量改善较少、高阶频谱分量抵消较困难。DPD由于工作频率低，可以用数字电路实现，适应性强，而且可以通过增加采样频率和增大量化阶数的办法来抵消高阶互调失真，是一种很有发展前途的方法。DPD包括查表法、多项式法、神经网络法等多种预失真方法，其中查表法的实现相对简单，算法也比较灵活，是DPD技术使用较多的方法。

非线性较强的高效率功放加DPD技术来实现信号幅度、相位的线性放大主要包括：多赫蒂(Doherty)功放与DPD结合、包络跟踪(Envelope Tracking，简称：ET)功放与DPD结合、包络消除与恢复(Envelope Elimination andRestoration，简称：EER)功放与DPD结合等，这类技术一般应用在末级即最大功放上，提高末级效率，而驱动级通常还是采用功率回退的A或AB类功放。

如图1所示，为现有功率放大器线性化技术结构示意图，包括：采用较小功率输出的AB类功放的驱动放大器101，以保证提供给末级的驱动信号的线性输出，末级采用ET或EER功放作为末级功放102，ET/EER功放非常适合高效率的放大较大峰均比的非恒包络信号，峰均比为一定时间间隔内信号峰值功率与平均功率之比。ET或EER功放除了包括作为末级功放102的高效率开关放大器，还包括有携带幅度调制信号的VDD放大器103为末级功放提供电源，VDD放大器103根据输入末级功放102中信号的包络的变化，为末级功放102提供变化的VDD电压，大的包络信号采用高VDD电压，小的包络信号采用低VDD电压，这样在放大较小包络信号时节省了功耗，功放始终工作在高效率状态。为提高效率末级功放会工作在开关状态或者饱和状态，这样会带来强烈的非线性效应，导致输出的包络中携带的信号幅度、相位信息的失真，所以采用了DPD线性化技术对末级功放102输出的信号进行校准。从末级功放102的输出中耦合出一部分失真的信号通过下变频器104进行下变频(把特定的频率经过变频器变换成比较低的频率，以利于解调出载有的信息)，再通过A/D转换器105转换成数字信号后发送到DPD校正模块106进行分析，对提取出的信号的幅度、相位进行预失真处理，产生可以补偿末级功放102输出的失真信号的信号，然后再通过D/A转换器107和上变频器108进行变频(变换成更高的适合发射或传输的频率)，最后再送回末级功放102，输出线性满足要求的放大信号。

由于末级功放102工作在开关状态或饱和状态，又有VDD放大器103为其提供变化的电压，该末级功放102的漏级效率可以高达70％以上，计入VDD放大器103的功耗，末级功放102的总效率也能达到50％以上。但是由于功放的固有特性，功放增益会随VDD的降低而降低，当信号中有大量低电平包络时，信号的平均增益会比恒定VDD情况降低几个dB。末级增益降低意味着驱动功率必须提高，而驱动放大器101本是工作在低效率状态的，要想提高驱动功率的效率，就会导致驱动放大器101功耗的增加，从而拉低了驱动放大器101和末级功放102的整体效率。如表一中所示：

表一

驱动放大器1漏级效率	末级功放2漏级效率	末级增益	总效率
驱动放大器1漏级效率	末级功放2漏级效率	末级增益	总效率	15％	50％	10dB	37.5％
15％	50％	8dB	32.7％	15％	50％	10dB	37.5％
15％	50％	8dB	32.7％	24％	50％	8dB	37.6％
15％	62％	8dB	37.5％	24％	50％	8dB	37.6％

从以上计算可以看到，驱动放大器101的漏级效率相同的情况下，末级增益从10dB下降到8dB，总效率下降了5％，要想用提高末级功放102的漏级效率来弥补这5％，末级功放102漏级效率要提高到62％才行，这是现有技术中难以达到的。采用非恒定VDD来提高效率的功放技术都存在末级增益低的问题，在末级增益和末级功放102漏级效率都难以进一步提高的情况下，要提高整体效率，唯一的办法就是提高驱动放大器101漏级效率。

但是在末级增益较低时提高驱动放大器101漏级效率又很少被考虑，原因是，驱动放大器101一般采用的是AB类功放，效率同样难以进一步提高；如果采用Doherty或ET或EER等高效率功放技术做驱动放大器，驱动放大器自身的幅度、相位失真结合末级功放的幅度、相位失真，会导致末级功放输出失真幅度增加，失真带宽展宽，记忆效应增加，给硬件设计和DPD校正算法带来困难。实际上带记忆效应的多级非线性放大器级联，只采用一个反馈点来取样，这方面的预失真算法目前在理论上还不成熟。

发明内容

本发明实施例提供一种高效功率放大器，通过提高驱动放大器的效率及输出信号的线性度，来提高功率放大器的整体效率。

本发明实施例一方面提供了一种高效功率放大器，包括驱动放大器和末级功率放大器，还包括：

第一数字预失真校正模块，用于对所述驱动放大器输出的驱动信号的非线性特性进行预失真处理，输出非线性特性与所述驱动信号的非线性特性相反的第一信号，校正所述驱动信号的非线性特性，所述驱动信号的一部分用于驱动末级功率放大器，所述驱动信号的另一部分经过下变频和模数转换后输入到所述第一数字预失真校正模块；

第二数字预失真校正模块，所述第二数字预失真校正模块的输出端与所述第一数字预失真校正模块的输入端串接，用于对所述末级功率放大器输出的放大信号的非线性特性进行预失真处理，输出非线性特性与所述放大信号的非线性特性相反的第二信号，校正所述放大信号的非线性特性，所述放大信号的一部分经过下变频和模数转换后输入到所述第二数字预失真校正模块。

本发明实施例另一方面提供了一种高效功率放大器，包括驱动放大器和末级功率放大器，还包括：

第二多路控制模块，用于接收多路需选通的信号，至少接收所述驱动放大器和末级功率放大器输出的带有非线性特性的驱动信号和放大信号，并选通驱动信号或放大信号输出；

第四数字预失真校正模块，用于至少对所述驱动放大器输出的驱动信号或末级功率放大器输出的放大信号的非线性特性进行预失真处理，输出非线性特性与所述驱动信号或放大信号的非线性特性相反的信号，校正所述驱动信号或放大信号的非线性特性；

第二选通模块，用于控制所述第二多路控制模块上的多个待选通信号，至少要选通驱动信号或放大信号输入到所述第四数字预失真校正模块，与所述第四数字预失真校正模块和第二多路控制模块相连接，由所述第四数字预失真校正模块控制该第二选通模块。

由以上技术方案可知，本发明实施例的高效功率放大器，通过提高驱动放大器的工作效率，实现了高效功率放大器的整体效率的提高，使得较低增益的高效功放更加实用，若用在增益较高的功放上面，则也可以进一步提高整体效率。

下面通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

附图说明

图1为现有功率放大器线性化技术结构示意图；

图2为本发明高效功率放大器实施例一的结构示意图；

图3为本发明高效功率放大器实施例二的结构示意图；

图4为本发明高效功率放大器实施例三的结构示意图；

图5为本发明高效功率放大器实施例四的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例中所用高效功率放大器中，为了提高驱动放大器的效率在高效功放设计中采用高效驱动放大器，而采用高效驱动放大器后必定会带来非线性效应，与末级功率放大器级联后给通常的DPD校正带来难以克服的困难，本发明实施例中采用多个反馈点以及多个DPD校正环，对驱动放大器进行单独校正。

如图2所示，为本发明高效功率放大器实施例一的结构示意图。包括驱动放大器201，该驱动放大器201采用高效驱动放大器，采用高效驱动放大器作为驱动放大器201的目的在于提高驱动级的效率，使得在末级功率放大器202的末级增益较低时可以通过提高驱动级的效率来提高功率放大器的整体效率。但是由于采用高效驱动放大器作为驱动放大器201后，会影响驱动信号输出的线性化，所以在驱动信号输出端增加一反馈点，将部分非线性驱动信号耦合进下变频器203进行下变频，再通过A/D转换器204转换成数字信号后发送到第一DPD校正模块205进行分析，对提取出的驱动信号的幅度、相位进行预失真处理，输出非线性特性与驱动信号的非线性特性相反的信号来补偿驱动放大器201输出的非线性驱动信号，然后再通过D/A转换器206和上变频器207进行变频，最后再送回驱动放大器201，输出线性化满足要求的驱动信号，使得采用高效率的驱动放大器后还可以线性输出驱动信号。驱动信号驱动末级功率放大器202，输出的放大信号一部分耦合进下变频器203′进行下变频，再通过A/D转换器204′转换成数字信号后发送到第二DPD校正模块205′，同样进行非线性的补偿，输出线性度好的放大信号。本实施例通过利用现有DPD预失真技术，在改进的驱动放大器201上设置反馈回路，用DPD预失真技术来校正其非线性特性，从而在提高驱动放大器201的效率基础之上，又可以保证其驱动信号输出的线性度，使得驱动末级增益较低的末级功率放大器202是可以获得较高的功放整体效率。

本发明实施例中的高效功率放大器采用的DPD预失真技术包括查表法、多项式法、神经网络法等多种预失真方法。其中查表法的实现相对简单，算法也比较灵活，是数字预失真技术使用较多的方法。当然本发明实施例中所用到的DPD预失真技术并不限于上述方法，只要是为了校正驱动信号的非线性特性的DPD预失真技术都是可以的。

本实施例中采用的对驱动信号进行反馈，入DPD校正环进行自适应校正的方式，可以有效的提高采用高效驱动放大器是输出信号的线性化程度。

如图3所示，为本发明高效功率放大器实施例二的结构示意图，包括驱动放大器301，该驱动放大器301仍采用高效驱动放大器，采用高效驱动放大器作为驱动放大器301的目的在于提高驱动级的效率，使得在末级功率放大器302的末级增益较低时可以通过提高驱动级的效率来提高功率放大器的整体效率。在驱动信号输出端增加一反馈点，将部分非线性驱动信号耦合进下变频器303进行下变频，再通过A/D转换器304转换成数字信号后发送到第一DPD校正模块305进行分析，对提取出的驱动信号的幅度、相位进行预失真处理，输出非线性特性与驱动信号的非线性特性相反的信号来补偿驱动放大器201输出的非线性驱动信号，然后再通过D/A转换器306和上变频器307，最后再送回驱动放大器301，输出线性化满足要求的驱动信号，使得采用高效率的驱动放大器后还可以线性输出驱动信号。如图3所示，驱动放大器经校正后输出的线性驱动信号用于驱动末级增益较低的末级功率放大器302(可为ET或EER功率放大器)，由于末级功率放大器302高效率输出非线性放大信号，所以也需要用DPD预失真技术对其进行校正，如图中所示，末级功率放大器302的输出端设置一反馈点，用于连接与其对应的第二DPD校正模块305′，第二DPD校正模块305′与第一DPD校正模块305相互串接在一起，用于对末级功率放大器302进行单独校正。在信号输入驱动放大器301之前还可以包括一个预放大器308，用于输出预放大信号到驱动放大器301，该预放大器308也采用一个第三DPD校正模块305″对其输出的信号进行校正。驱动放大器301、末级功率放大器302及预放大器308均由携带幅度调制信号的VDD放大器309为其提供电源，VDD放大器309根据输入驱动放大器301、末级功率放大器302及预放大器308中信号的包络的变化，为驱动放大器301、末级功率放大器302及预放大器308提供变化的VDD电压，大的包络信号采用高VDD电压，小的包络信号采用低VDD电压，这样在放大较小包络信号时节省了功耗，功放始终工作在高效率状态。

本实施例中采用不同的DPD校正模块对每一级放大器，包括驱动放大器301、末级功率放大器302及预放大器308的输出取样，并进行单独的DPD校正，这样多级放大器的非线性特性不会被累加，使实现DPD准确校正成为可能，有助于高效率功放的实现。

如图4所示，为本发明高效功率放大器实施例三的结构示意图，对于驱动放大器401和末级功率放大器402的校正和上述高效功率放大器实施例二相同。在该实施例中，采用了多级预放大器403对信号进行预放大，对多级预放大器403的校正采用了如下结构：第一多路控制模块404，接收多个预放大器403输出的多个带有非线性特性的预放大信号，通过一与第三DPD校正模块405″相连接的第一选通模块406来选通一个预放大信号输入到第三DPD校正模块405″；第一选通模块406，由第三DPD校正模块4005″来控制，让第一多路控制模块404依次选通某一个预放大信号输入到第三DPD校正模块405″中；第三DPD校正模块405″，对多级预放大器403输出的预放大信号的非线性特性进行预失真处理；该经过预失真处理的预放大信号经过传输线路，最后输出线性程度较好的放大信号。驱动放大器401、末级功率放大器402和多级预放大器403均由携带幅度调制信号的VDD放大器407为其提供电源，VDD放大器407根据输入驱动放大器401、末级功率放大器402和多级预放大器403中信号的包络的变化，为驱动放大器401、末级功率放大器402和多级预放大器403提供变化的VDD电压，大的包络信号采用高VDD电压，小的包络信号采用低VDD电压，这样在放大较小包络信号时节省了功耗，功放始终工作在高效率状态。

在本实施例中采用单独的第一DPD校正模块405对驱动放大器输出的驱动信号进行单独校正，采用单独的第二DPD校正模块405′对末级功率放大器402输出的放大信号进行单独校正，以保证它们较好的线性补偿效果，输出线性度好的驱动信号和放大信号；采用多路控制模块404来选通多级预放大器403的采样点反馈回的预放大信号，依次选通某一预放大信号进入第三DPD校正模块405″进行校正，这样可以仅使用一个第三DPD校正模块405″就可以对所有预放大器403输出的非线性放大信号进行校正，可减小体积，节约成本，又可以提高功率放大器的整体效率。

如图5所示，为本发明高效功率放大器实施例四的结构示意图，主要包括：驱动放大器501，该驱动放大器501为高效驱动放大器，采用高效驱动放大器作为驱动放大器501的目的在于提高驱动级的效率，使得在末级功率放大器502的末级增益较低时可以通过提高驱动级的效率来提高功率放大器的整体效率。本实施例对于驱动放大器501、末级功率放大器502和一个或多个预放大器的输出端均增加一反馈点，用于反馈给第四DPD校正模块504对这些非线性信号进行校正；末级功率放大器502与驱动放大器501，预放大器503与驱动放大器501均串接在一起；第二多路控制模块505，接收驱动放大器501、末级功率放大器502及一个或多个预放大器503输出的带有非线性特性的信号，通过第二选通模块506来选通驱动信号或放大信号或预放大信号输入到第四DPD校正模块504；第二选通模块506，与第四DPD校正模块504和第二多路控制模块505相连接，由第四DPD校正模块504控制该第二选通模块506，该第二选通模块506控制第二多路控制模块505选通驱动信号或放大信号或一个或多个预放大信号输入到第四DPD校正模块504；第四DPD校正模块504，用于对驱动放大器501输出的驱动信号和末级功率放大器502输出的放大信号和一个或多个预放大器503输出的预放大信号的非线性特性进行预失真处理，输出非线性特性与驱动信号或放大信号或预放大信号的非线性特性相反的信号，用于校正所述驱动信号和放大信号或预放大信号的非线性特性。

本实施例采用第二多路控制模块505来选通驱动放大器501、末级功率放大器502及一个或多个预放大器的采样点反馈回的信号，依次选通驱动信号或放大信号或某一个预放大信号进入第四DPD校正模块504，这样可以仅使用一个第四DPD校正模块504就可以对驱动放大器501、末级功率放大器502和一个或多个预放大器输出的非线性放大信号进行校正，可进一步减小体积并节约成本，又可以提高功率放大器的整体效率。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1、一种高效功率放大器，包括驱动放大器和末级功率放大器，其特征在于还包括：

2、根据权利要求1所述的高效功率放大器，其特征在于还包括：

预放大器，所述预放大器的输出端与所述驱动放大器的输入端相串接；

第三数字预失真校正模块，所述第三数字预失真校正模块的输入端与所述第一数字预失真校正模块的输出端串接，用于对所述预放大器输出的预放大信号的非线性特性进行预失真处理，输出非线性特性与所述预放大信号的非线性特性相反的第三信号，校正所述预放大信号的非线性特性，所述预放大信号的一部分用于输入到所述驱动放大器，所述预放大信号的另一部分经过下变频和模数转换后输入到所述第三数字预失真校正模块。

3、根据权利要求2所述的高效功率放大器，其特征在于所述预放大器为多个，所述多个预放大器相串接。

4、根据权利要求3所述的高效功率放大器，其特征在于还包括：

第一多路控制模块，与所述第三数字预失真校正模块相连接，接收多个预放大器输出的多个带有非线性特性的预放大信号，并选通一个预放大信号输入到所述第三数字预失真校正模块；

第一选通模块，用于控制所述第一多路控制模块选通一个预放大信号输入到所述第三数字预失真校正模块，与所述第三数字预失真校正模块和第一多路控制模块相连接，由所述第三数字预失真校正模块控制该第一选通模块。

5、根据权利要求2、3或4所述的高效功率放大器，其特征在于还包括：电压放大器，用于为所述驱动放大器、末级功率放大器及预放大器提供携带有幅度调制信号的驱动电源信号。

6、一种高效功率放大器，包括驱动放大器和末级功率放大器，其特征在于还包括：

第二选通模块，用于控制所述第二多路控制模块上的多个待选通信号，至少要选通所述驱动信号或放大信号输入到所述第四数字预失真校正模块，与所述第四数字预失真校正模块和第二多路控制模块相连接，由所述第四数字预失真校正模块控制该第二选通模块。

7、根据权利要求6所述的高效功率放大器，其特征在于所述第二多路控制模块还连接有一个以上的预放大器，所述预放大器用于输出非线性的预放大信号到所述第二多路控制模块，所述预放大器与所述驱动放大器相串接。

8、根据权利要求6或7所述的高效功率放大器，其特征在于还包括：电压放大器，用于为所述驱动放大器、末级功率放大器及预放大器提供携带有幅度调制信号的驱动电源信号。