CN101051818A - 前馈线性功率放大器中载波对消的智能控制系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种前馈线性功率放大器中载波对消的智能控制系统及方法，该系统包括：载波对消环路，载波信号输入第一耦合器，其直通输出信号经第一功率放大器和第一衰减器，输出一路载波对消信号至合路器；而第一耦合器的耦合输出信号经过延时器、第二衰减器以及用于作幅度和相位调整的矢量调制器，输出另外一路载波对消信号至合路器，合路器将两路载波对消信号作对消处理；检测器，检测合路器的输出端的信号，将其转化为直流电平输出；微处理器，根据检测器输出的直流电平，自动调整输出的控制电压，使经过矢量调制器处理后的一路载波对消信号与输入合路器的另一路载波对消信号进行对消。本发明无需加入导频信号，具有电路结构简单的优点。

Description

前馈线性功率放大器中载波对消的智能控制系统与方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域中前馈线性功率功率放大器技术，更确切的说，本发明涉及一种前馈线性功率放大器中载波对消的智能控制系统与方法。

背景技术

随着无线通信技术的迅猛发展，特别是CDMA和第三代无线通信的发展，使得系统对功率放大器(简称为功放)线性的要求越来越高。对于大功率的功率放大器，如果采用传统的功率回退的办法来提高功放的线性，将会导致功放的效率较低(一般小于5％)，过低的效率使功放的散热问题较难解决，过高的温度也进一步的增加了功放的不稳定性，缩短了大功率功放管的使用寿命。

前馈线性技术作为一种成熟的功放线性化技术，由于其宽带的处理能力及较高的线性改善度，从而获得了广泛的应用。一个前馈线性功放都至少包括两个基本环路：载波对消环路和误差对消环路。其中，载波对消环路完成载波信号的对消，从而使载波信号与误差信号分离，将误差信号提取出来；而误差对消环路则实现误差信号的对消，提取出来的误差信号经过增益、相位的调整。最终这两种误差信号幅度相等、相位相反，从而误差信号被对消消除，获得比较干净的输出信号，以提高了功放的线性。

其中，信号对消的基本原理就是两个信号的幅度相等、相位相反而相加，所以信号对消的结果由两路信号的幅度和相位差决定，当两路信号的幅度和相位差不平衡时，将会对对消效果产生很大的影响；而信号的幅度和相位受到环境温度、输出功率、频率、供电电压、器件老化等因素的影响，所以两路信号不能始终处于一个最佳的对消状态。因此需要对这两路信号加入智能控制，也就是自适应，来跟踪信号的幅度和相位的变化，根据对消的效果来自动调整幅度和相位的值，使对消始终处于一种最佳状态。

对于前馈功率放大器载波对消环路的智能控制，目前广泛采用的是在载波中加入导频信号的控制方式，请参考图1所示的原理框图。导频信号发生器107产生的导频信号通过耦合器101注入到主功率通道，经过耦合器102的耦合和直通输出，直通信号经过主放大器103的放大后，经过耦合器106的耦合输出到达合路器110的一个输入端；而经过耦合器102的耦合输出信号经过延时器108的延时后，再经过调幅调相器109的幅度和相位的调整，到达合路器110的另一个输入端；到达合路器110输入端的这两路信号幅度相等、相位相反，从而实现对消。经过合路器110对消处理后的输出信号(含有残留的载波信号、误差信号、导频信号)通过耦合器113的耦合输出后被送到检测器116，检测器116检测导频信号，转化为直流电平后送到微处理器(MCU)118，微处理器118根据检测的电平来自动控制调幅调相器109，使检测到的电平最小，也就是使对消处于最佳状态。

虽然采用导频的自适应控制方式已经广泛应用，但是，这种控制方式存在如下缺点：

1、由于导频信号频率不能保持与载波信号频率相同，而两者存在一定的间隔，故对载波对消环路中的两路对消信号通道的增益平坦度(增益随频率的变化量)和相移线性度(相移量随频率变化的值)要求极高，否则就有可能出现当导频信号处于对消的最佳状态时，而载波信号并不是处于对消的最佳状态的情况；而器件本身不可能做到增益的完全平坦和相移的完全线性，尤其是多个器件叠加，更使增益平坦度和相移线性度的指标恶化，且这两个指标过高的要求也给实际的生产调试增加了难度，影响批量生产的效率，其可操作性较差；

2、如果由于增益平坦度和相移线性度等因素引起载波对消环路的载波信号对消和导频信号对消没有达到理想效果，导频信号与载波信号在误差对消环路会相互影响，产生新的交调信号。

发明内容

本发明的目的在于提出一种前馈线性功率放大器中载波对消的智能控制系统与方法，无须加入导频信号，使载波对消环路能根据载波信号的幅度和相位的变化而自动调整，以达到载波信号对消的最佳状态。

为解决上述问题，本发明公开一种前馈线性功率放大器中载波对消的智能控制系统，包括：

载波对消环路，包括将输入的载波信号分别处理为幅度相等、相位相反的两路载波对消信号，以及将两路载波对消信号作对消处理的合路器，其中，载波信号输入第一耦合器，其直通输出信号经第一功率放大器和第一衰减器，输出一路载波对消信号至合路器；而第一耦合器的耦合输出信号经过延时器、第二衰减器以及用于作幅度和相位调整的矢量调制器，输出另外一路载波对消信号至合路器；

检测器，耦接于载波对消环路中合路器的输出端，检测合路器的输出端的信号，将其转化为直流电平输出；

微处理器，连接在检测器与对消环路中矢量调制器之中，根据检测器输出的直流电平，自动调整输出至矢量调制器，用于控制矢量调制器作幅度和相位调整的控制电压，使经过矢量调制器处理后的一路载波对消信号与输入合路器的另一路载波对消信号进行对消。

较优的，所述载波对消环路还包括第二功率放大器，连接在矢量调制器与合路器之间，用以补偿矢量调制器的衰减。

较优的，所述载波对消环路还包括第二耦合器，其输入端与第一功率放大器的输出端连接，耦合输出端与第一衰减器的输入端连接。

较优的，所述载波对消环路还包括第三耦合器，其输入端与合路器的输出端连接，耦合输出端与检测器的输入端连接。

相应的，本发明还公开一种前馈线性功率放大器中载波对消的智能控制方法，包括：

步骤A、将输入的载波信号处理为幅度相等、相位相反的两个载波对消信号，由合路器对输入的两路信号作载波对消处理；

步骤B、检测对消处理后的信号，将其转化为直流电平输出至微处理器；

步骤C、微处理器根据直流电平，自动调整输出端输出用于控制对载波信号作幅度和相位的矢量调制处理的控制电压Q和I，使经过矢量调制处理后的一路载波对消信号与输入合路器的另一路载波对消信号进行对消；

其中，步骤A中将输入的载波信号处理为两路载波对消信号的步骤包括：

步骤A1、输入的载波信号经过耦合处理，其直通输出信号经功率放大、衰减处理后，输出一路载波对消信号至合路器；

步骤A2、耦合处理后的耦合输出信号经过延时处理、衰减处理以及作幅度和相位调整的矢量调制处理，输出另外一路载波对消信号至合路器。

较优的，所述步骤A2中，还包括：

将矢量调制处理的信号进行功率放大处理，调整信号的增益。

较优的，所述步骤C中，微处理器自动调整输出端输出的控制电压Q和I的步骤具体包括：

步骤C1、确定设置控制电压Q和I的收敛点；

步骤C2、微处理器判断检测器输出端的输出电平是否超出临界值，若是，转入步骤C1，否则保持输出的控制电压Q和I不变。

较优的，所述步骤C1具体包括：

步骤C11、设置控制电压Q和I的一个初始值；

步骤C12、以固定其中一个控制电压Q或I，另一个控制电压I或Q朝一个方向步进N变化；

步骤C13、通过读取检测器的输出电平，判断输出电平的变化是否变小，若是，则重复步骤C12，否则，控制电压I或Q朝反方向步进N变化，直到找出控制电压I或Q的收敛点；

步骤C14、以步骤C12和步骤C13相同方式，找到另外一个控制电压Q或I的收敛点。

较优的，于步骤C14之后，还包括：

以步进为N/m(m为大于等于2的自然数)变化，重复步骤C12至步骤C14。

较优的，所述m为2或/和4。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明是直接检测载波对消后的残留的信号电平大小，以此作为判断载波对消是否最佳的依据，因此，本发明不再需要导频信号，因此不再需要导频信号发生电路，载波对消后的信号检测电路也比导频方式的简单，不再需要滤波电路将导频与载波分离开来，因此电路结构简单，可以降低成本。

另外，本发明通过降低前馈功率放大器载波对消环增益平坦度和相移线性度指标要求，降低前馈线性功放载波对消环的调试难度，提高其实际可操作性。

附图说明

图1是现有采用加入导频信号的前馈功率放大器载波对消环路的智能控制系统示意图；

图2是本发明的前馈功率放大器载波对消环路的智能控制系统示意图；

图3是本发明的前馈功率放大器载波对消环路的智能控制方法流程示意图。

具体实施方式

如图2所示，是本发明的前馈功率放大器载波对消环路的智能控制系统示意图。本发明的载波对消环路包括两条对消信号通路：一是由第一耦合器201、第一功率放大器202、第二耦合器203、第一衰减器208和合路器210构成；另一条通路是由第一耦合器201、延时器204、第二衰减器205、矢量调制器206、第二功率放大器207和合路器210构成。

载波信号输入至第一耦合器201，经过第一耦合器201的耦合处理，其直通输出端输出的直通信号被送到第一功率放大器202进行功率放大；由于第一功率放大器202的非线性，此时的信号既含有载波信号，也含有杂散信号，也就是误差信号；然后经过第二耦合器203的耦合，其直通输出端输出的直通信号进入误差对消环路213，而耦合输出端输出的耦合信号进入第一衰减器208作衰减处理后，进入合路器210的一个输入端。

而第一耦合器201的耦合输出端输出的耦合信号被送入到延时器204，经过延时处理后被传送至第二衰减器205，经过衰减处理后被传送至矢量调制器206，经过矢量调制器206作幅度和相位的调整处理后，由第二功率放大器207作功率放大处理，传送至合路器210的另外一个输入端。

输入到合路器210的两路信号，其中一路信号含有载波信号和误差信号，另外一路为比较干净的载波信号，两路信号幅度相等，相位相反。经过合路器210的对消处理后，剩余的信号中含有残留的载波信号和误差信号，虽然此时载波信号大部分被抵消，但由于对消前误差信号相对于载波信号要小40dB左右；而实际的载波对消在30dB左右，所以对消后的剩余信号中仍然是残留的载波信号占主导地位，故可以用对消后的剩余信号大小作为判断载波对消的依据。

经过合路器210的对消处理后的剩余信号，由第三耦合器209耦合，其耦合输出端输出的耦合信号输入至检测器211，由检测器211检测信号，将其转化为直流电平输出至微处理器(MCU)212。而微处理器212根据接收到的直流电平的大小来自动调整矢量调制器206用于控制自动调整信号的幅度和相位的控制电压，使微处理器212接收到的直流电平最小，也就是使本载波对消环路的载波对消处理达到最佳的对消效果。

其中，由合路器210的对消处理后信号，经第三耦合器209进行耦合处理，其直通输出端输出的直通信号输入至误差对消环路213；误差对消环路213将分别从第二、第三耦合器203和209的直通输出端输出的直通信号作误差信号的对消处理。

另外，本发明的图2相对图1所示的现有技术，在矢量调制器206的前面增加了一个第二衰减器205，后面增加了一个第二功率放大器207。该第二功率放大器207是用来补偿矢量调制器206的增益衰减，而第二衰减器205一方面能够灵活调整矢量调制器206的衰减范围，使矢量调制器206处于一个最佳的衰减范围，不必重新更换增益不同的第二功率放大器207；另一方面，第二衰减器205可以改善矢量调制器206的输入驻波。而第一衰减器208的作用与衰减器205的作用相似，能够灵活调整从第一功率放大器202到合路器210之间的衰减量。其中，第一、第二衰减器208和205用普通的电阻即可组成，成本十分低廉，且调试方便。

本发明是直接检测载波对消后的残留的信号电平大小，以此作为判断载波对消是否最佳的依据。由于实际的载波对消过程中，并不会出现对消处理后信号中残留载波信号电平比误差信号电平小的情况，所以对消后的信号中仍然是残留载波信号占主导地位，故可以直接检测对消后信号电平值来判断载波对消的情况，当对消后的信号电平值最小时，也就是对消后残留的载波信号电平值最小，此时对消处于最佳状态。

结合图2，同时请参见图3所示，为本发明中微处理器212根据接收到的直流电平的大小来自动调整矢量调制器206分别用于控制调整信号的幅度和相位的控制电压Q和1的实现流程示意图。

步骤s310：先给矢量调制器206的控制电压Q和I设置一个初始值，这个初始值可以是以往载波对消的收敛值；

步骤s320：固定一个控制电压I，另外一个控制电压Q朝一个方向以一个大的步进N变化，微处理器212读取检测器211的输出电平，如果输出电平变小，则说明此方向趋于收敛，控制电压Q继续朝该方向以步进N变化，否则是反方向趋于收敛，控制电压Q朝反方向以步进N变化，直到找到控制电压Q的收敛点后，并将控制电压Q的收敛点固定；

步骤s330：再以步骤s320相同的方法找到控制电压I的收敛点；

其中，步骤s320和步骤s330之间可以调序。

步骤s340和s350：以步骤s320和步骤s330找到的控制电压I、Q的收敛点为基础，将变化步进改为(N/2)，以与步骤s320和步骤s330相同的方法找到控制电压I、Q的收敛点；

步骤s360和步骤s370：以步骤s340和步骤s350找到的控制电压I、Q的收敛点为基础，将变化步进改为(N/4)，以与步骤s320和步骤s330相同的方法找到控制电压I、Q的收敛点；

步骤s380：判断检测器211的输出电压是否超出临界值，如果超出，说明载波对消不完全，需要重复步骤s320至步骤s370的流程，使载波对消重新处于一个最佳状态，否则转入步骤s390；

步骤s390：保持控制电压I、Q不变。

采用上述控制流程，能快速准确的找到收敛点，减小收敛的时间，使微处理器212能快速跟踪载波对消处理的状态并使载波对消始终处于最佳状态，从而达到智能控制的目的。

Claims (10)

1、一种前馈线性功率放大器中载波对消的智能控制系统，其特征在于，包括：

载波对消环路，包括将输入的载波信号分别处理为幅度相等、相位相反的两路载波对消信号，以及将两路载波对消信号作对消处理的合路器，其中，载波信号输入第一耦合器，其直通输出信号经第一功率放大器和第一衰减器，输出一路载波对消信号至合路器；而第一耦合器的耦合输出信号经过延时器、第二衰减器以及用于作幅度和相位调整的矢量调制器，输出另外一路载波对消信号至合路器；

检测器，耦接在载波对消环路中合路器的输出端，检测合路器的输出端的信号，将其转化为直流电平输出；

微处理器，连接在检测器与对消环路中矢量调制器之中，根据检测器输出的直流电平，自动调整输出至矢量调制器，用于控制矢量调制器作幅度和相位调整的控制电压，使经过矢量调制器处理后的一路载波对消信号与输入合路器的另一路载波对消信号进行对消。

2、根据权利要求1所述的前馈线性功率放大器中载波对消的智能控制系统，其特征在于，所述载波对消环路还包括第二功率放大器，连接在矢量调制器与合路器之间，用以补偿矢量调制器的衰减。

3、根据权利要求1所述的前馈线性功率放大器中载波对消的智能控制系统，其特征在于，所述载波对消环路还包括第二耦合器，其输入端与第一功率放大器的输出端连接，耦合输出端与第一衰减器的输入端连接。

4、根据权利要求1所述的前馈线性功率放大器中载波对消的智能控制系统，其特征在于，所述载波对消环路还包括第三耦合器，其输入端与合路器的输出端连接，耦合输出端与检测器的输入端连接。

5、一种前馈线性功率放大器中载波对消的智能控制方法，其特征在于，包括：

步骤A、将输入的载波信号处理为幅度相等、相位相反的两个载波对消信号，由合路器对输入的两路信号作载波对消处理；

步骤B、检测对消处理后的信号，将其转化为直流电平输出至微处理器；

步骤C、微处理器根据直流电平，自动调整输出端输出用于控制对载波信号作幅度和相位的矢量调制处理的控制电压Q和I，使经过矢量调制处理后的一路载波对消信号与输入合路器的另一路载波对消信号进行对消；

其中，步骤A中将输入的载波信号处理为两路载波对消信号的步骤包括：

步骤A1、输入的载波信号经过耦合处理，其直通输出信号经功率放大、衰减处理后，输出一路载波对消信号至合路器；

步骤A2、耦合处理后的耦合输出信号经过延时处理、衰减处理以及作幅度和相位调整的矢量调制处理，输出另外一路载波对消信号至合路器。

6、根据权利要求5所述的前馈线性功率放大器中载波对消的智能控制方法，其特征在于，所述步骤A2中，还包括：

将矢量调制处理的信号进行功率放大处理，调整信号的增益。

7、根据权利要求5所述的前馈线性功率放大器中载波对消的智能控制系统，其特征在于，所述步骤C中，微处理器自动调整输出端输出的控制电压Q和I的步骤具体包括：

步骤C1、确定设置控制电压Q和I的收敛点；

步骤C2、微处理器判断检测器输出端的输出电平是否超出临界值，若是，转入步骤C1，否则保持输出的控制电压Q和I不变。

8、根据权利要求7所述的前馈线性功率放大器中载波对消的智能控制系统，其特征在于，所述步骤C1具体包括：

步骤C11、设置控制电压Q和I的一个初始值；

步骤C12、以固定其中一个控制电压Q或I，另一个控制电压I或Q朝一个方向步进N变化；

步骤C13、通过读取检测器的输出电平，判断输出电平的变化是否变小，若是，则重复步骤C12，否则，控制电压I或Q朝反方向步进N变化，直到找出控制电压I或Q的收敛点；

步骤C14、以步骤C12和步骤C13相同方式，找到另外一个控制电压Q或I的收敛点。

9、根据权利要求8所述的前馈线性功率放大器中载波对消的智能控制系统，其特征在于，于步骤C14之后，还包括：

以步进为N/m(m为大于等于2的自然数)变化，重复步骤C12至步骤C14。

10、根据权利要求9所述的前馈线性功率放大器中载波对消的智能控制系统，其特征在于，所述m为2或/和4。

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