CN101237265B - 无线传感网td-scdma多载波功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感网TD-SCDMA多载波功率放大器，它包括功率放大模块和控制模块；其中，功率放大模块主要由输入匹配网络、输出匹配网络、驱动模块、功率模块和滤波器模块组成；控制模块主要由衰减网络、增益控制模块和环路控制模块组成；本发明极大地改善了信号的质量，降低了对邻近信道的干扰，也降低了基站及端机对外界信号的干拢。

Description

无线传感网TD-SCDMA多载波功率放大器

技术领域

本发明属于是用来配合无线传感网TD-SCDMA蜂窝基站解决OFDM(正交频分复用)调制信号盲区覆盖的设备。

背景技术

随着通信和信息技术的迅猛发展，人类获取信息的发展趋势正在由固定走向移动，由语音走向多媒体。目前，能够在移动环境向大量观众提供多媒体内容的网络架构主要有三种：移动通信网络(WiMAX)，基于OFDM技术，双向传输，工作频率为2.3GHz、2.5GHz、3.5GHz、5.8GHz；无线局域网(WLAN)，基于DSSS技术，双向传输，工作频率为2.4GHz、5.8GHz；地面数字广播网络(DVB-T)，基于COFDM技术，单向传输，工作频率为VHF(174MHz～230MHz)、UHF(470MHz～862MHz)。此外，DVB组织已经正式发布了为通过地面数字电视广播网络向便携/手持终端提供多媒体业务所专门制定的DVB-H标准(Digital VideoBroadcasting Handheld)，从而使这一领域的竞争更为激烈。

城市的现代化建设和经济的快速发展，对城市公共安全系统的监控质量提出了更高的要求。在有大量高楼及高架公路阻隔的大城市市区，如何解决无线信号的信道传输是国内外研发机构正在努力的一个方向。无线传感网TD-SCDMA多载波功率放大器也正孕育而生。TD-SCDMA系统本质上是CDMA的，信号的调制方式是QPSK调制，其信号特点就是具有很高的峰均比(峰值功率与平均功率之比)及线性度。

当今蜂窝和个人通信网络的讯速增加，使已经拥挤的频谱负担更重，特别是第三代无线移动通信系统的提出，频带加宽，动态范转变大，功率输出增加，对高功率放大器的频带宽度、线性度和效率都有更高的要求，为此，要针对未来的通信体制，研究高效率高线性度功率放大器可行的实施方案。这些系统对射频功率放大器要求有高的效率和最小的邻道干扰，而良好的线性传输性能充分利用频谱资源。在传统的功放电路设计中是利用大功率器件，并结合功率回退来满足系统线性的要求，结果使系统效率降低；另一方面，当需要较高的发射功率时，往往受器件输出能力的的局限而无法实现。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种无线传感网TD-SCDMA多载波功率放大器。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种无线传感网TD-SCDMA多载波功率放大器，它包括功率放大模块和控制模块；其中，所述功率放大模块主要由输入匹配网络、输出匹配网络、驱动模块、功率模块和滤波器模块组成；所述控制模块主要由衰减网络、增益控制模块和环路控制模块组成。

本发明的有益效果是，

1.较高的效率，采用模拟预失真技术可以达到期10％；

2.采用高线性功率放大技术，满足杂散发射模板、ACPR等技术指标要求；

3.支持多载波配置，最多可支持六载波；

4.支持特征窗搜索同步、GPS同步方式；

5.紧凑的电路设计，较小的尺寸，较低的成本；

6.单时隙内功率控制功能，实现了时隙内自动电平控制功能；

7.通过软件设置，支持多种时隙分配方案。

附图说明

图1为无线传感网TD-SCDMA多载波功率放大器示意图，

图2为无线传感网射频发射系统示意图，

图3为前馈环路原理图，

图4为增益调整和环路控制图，

图5为腔体滤波器示意图，

图6为功放结构图(功率放大模块及控制模块均在PA里面)。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明中，TD-SCDMA多载波功率放大器就是用来配合无线传感网TD-SCDMA蜂窝基站解决OFDM(正交频分复用)调制信号盲区覆盖的设备。该功率放大器采用先进的预失真前馈技术，这种技术能够保证具有高峰增均比信号的无失真放大，并保证它的高线性度。使功率放大器在20W输出时的ACPR(相临信道功率抑制)指标超过了55dBc，远远高于45dBc的3GPP协议指标，极大的改善了信号的质量，降低了对临近信道的干扰，也降低了基站及端机对外界信号的干扰。这样也正适用于需要高线信放大的OFDM调制信号，OFDM调制将单一信号载波调制成数千个小的子载波发射出去，而在接收端再将这些子载波接收处理还原成原始信号，使以往被当成干扰信号的反射波、折射波、多径效应变成了有用信号，大大提高了接收信噪比，从而使以往技术不能达到的在严重遮挡条件下传输宽带图象数据的要求得以实现。多载波同时发射，如果信道线性度不高，产生交调和互调，会直接破坏OFDM调制性能，影响信号传输效果。它包括功率放大模块和控制模块；

功率放大模块包括输入匹配网络、输出匹配网络、驱动模块、功率模块及滤波器模块。其中输入输出匹配网络采用微波电感实现输入输出端匹配到50Ω，电感参数由ADS(一种射频仿真软件)仿真得出；驱动模块采用Sirenza公司的驱动放大器，并结合3dB-90度电桥实现双平衡放大输出；功率模块则采用Sirenza公司最新制造出的一种高线性LDMOS管，该功率管在输出功率20W时，三阶互调达-50dBc，很好的满足了我射频发射系统对线性度的要求；滤波器模块采用中电科技38所研制的腔体滤波器，该滤波器具有很好的矩形系数，并且带外抑制都在-75dBc以上，这样很好的保证了我设备不会对带外的信号产生干扰。

控制模块包括衰减网络、增益控制模块、环路控制模块。其中衰减网络采用MACOM公司所生产0～31dB压控衰减器，三级衰减使各级放大器均能工作在1dB压缩点内线性工作；益控制模块使得整个功率放大模块总增益维持在45dB；环路控制模块则主要起到环路对消带宽和环路抑制的作用。

下面针对本发明的前馈技术进行简单介绍，前馈放大器原理可用图3来描述该放大器由环路1和环路2组成对于一个双音信号通过非线性放大器时所产生的失真失真信号通过前馈对消在第一环路中把失真信号分离出来然后再在第二个环中实现失真对消。信号对消原理对于由许多具有相同间隔的载波组成的输入信号所产生的互调失真是无法采用滤波器消除在多载波频率上消除失真成分可以通过前馈来实现失真在第一环路中分离出来在第二个环路中对消只要在第一环路保持对消载波的输出就不受影响。

前馈是对误差信号的隔离和对失真信号的消除这两个过程都包括在同频段上的信号对消从数学角度讲在单个频率上的信号对消是相等振幅的两个信号相减其结果是振幅为零或为-dB∞实际上对消的过程是通过信号向量相加而得到的即信号的振幅相等但相位相反在宽带范围对消是在频带内的向量对消信号必须满足1相等的振幅2180度相位差异3相等的延迟相等的振幅和相反的相位在单一频率上是很容易实现但是在宽带信号对消中最重要的是应具有相等的延迟因此在前馈系统中必须引入延迟单元此外AM-PM和相位的波动的都会影响宽带信号的对消效果采用前馈技术的另一个特性是除对消互调失真外还在第二环路中加到主放大器路径上的噪声也得到抵消。增益和相位的调整前馈路径上的增益和相位是多参变量的函数包括信号电平和温度波动等此外为了保证信号具有良好的匹配还必须进行适当调整增益和相位。射频信号增益和相位的调整有几种方法包括使用分离的振幅和相位控制网络或者IQ网络采用IQ控制回路是用两个直流电压去控制射频信号增益和相位的调整图4示出了一种信号增益和相位控制网络一个特定的增益和相位控制网络可以有20dB的合成范围和360度相位控制在1dB压缩点功率为10dBm噪声系数为10dB另一个网络90度相位控制在1dB压缩点功率为0dBm噪音系数为20dB在前馈环中增益和相位控制网络的位置非常重要为了保证整个前馈系统增益的恒定性增益和相位控制网络必须与误差放大器级联起来。

增益和相位的准确性理想信号的对消是信号合成即抑制信号相对于非抑制信号的振幅为-dB∞实际应用中只需知道对于一个确定的有限抑制信号需要多大的信号去匹配Aδ+1对于两个电压的向量合成参考信号振幅为1和相位为0度非理想对消信号振幅为相位为180φ+合成的向量为rr与对消信号有相同的频率可以用下面的公式计算。

r²＝(1+δA)²+1-2·(1+δA)·cos(φ)

对消电平和抑制信号是失配振幅和相位失配两个变量的函数Aδφ对于抑制和振幅失配AΔ式(1)可改写为：

$R^2=10\·\log \left(\right|{10}^{\frac{\mathrm{\ΔA}\left(\mathrm{dB}\right)}{{10}^{10}}}+1-2\·10^{\frac{\mathrm{\ΔA}\left(\mathrm{dB}\right)}{20}}\·\cos \left(\mathrm{\φ}\right)\left|\right)$

对于固定环的抑制计算振幅和相位的失配范围2式给出了关于的二次解法：

$\mathrm{\ΔA}=20\log (\cos \left(\mathrm{\φ}\right)\±\stackrel{4}{\sqrt{\cos \left(\mathrm{\φ}\right)-1+{10}^{R/10}}})$

在实际中反馈放大器抑制电平在20-40dB范围匹配信号控制在1/10dB和1度的范围内是非常困难的同时在宽带上要保持相同的准确率更加困难一般来说在信号对消中希望减小增益和相位带宽准确性的需要如果放大器的线性被提高那么在前馈放大器的输出对于失真信号匹配的需要不是很严格放大器的线性和效率互相矛盾增加线性时效率将降低功率放大器的器件应选择线性好的效率高的LDMOS场效应晶体管。

环路控制系统(见图4)环路对消带宽，在第一个环路中延迟输入信号与失真的主放大器的输出相比较理想的输出结果只有放大器的输出的失真产物在第一环的对消带宽应该和输入信号的最大带宽相等也就是发射机的带宽例如如果发射机的带宽为20MHz那么对消环的带宽也是20MHz在第二个环中失真成分在发射机的频带外因此对消带宽要比第一个环大第二环的对消带宽定义由失真信号的出现和主放大器的本身的非线性决定例如使用相同带宽的发射机带宽为20MHz典型的甲乙类放大器产生的失真带宽为100MHz二环对消带宽是一环对消带宽的5倍。2)环路抑制，对消需要相等的带宽即对消带宽决定所需的环抑制因此决定相位和增益的匹配需要例如典型的甲乙类双级放大器和GaAs放大器互调失真大约为-30dBc如果所需的输出失真电平为-70dBc就必须提供40dBc的失真对消量对于甲乙类放大器互调失真为-40dBc时只须对消30dB当载波对消环必须对残余的载波信号进行充分的抑制在失真对消环部分误差信号并不会对输出载波产生影响需要注意任何残余载波在失真对消点都会增加向量的值在实际应用中30dB的抑制对于载波对消环已经足够。理论上前馈允许无限制带宽但是如完全开环设置则对于时间温度电压信号电平等变化都不能得到补偿除非前馈系统有自动控制系统来控制它的性能增益和相位持续的调整来获得最佳的对消和输出的线性在图2所示的环控制基本原理图中第一步是获得特定环的平衡信息其后为了调整增益和相位反馈回此信息直到达到所需的环控制这样自动控制网络时刻监视着前馈环并保持所需输出的线性这个技术适合于数字和模拟技术很明显自动控制网络对于增益和相位的调整是前馈设计中的主要部分目前都是采用DSP技术的自适应控制。

Claims (1)

1.一种无线传感网TD-SCDMA多载波功率放大器，其特征在于，它包括功率放大模块和控制模块；其中，所述功率放大模块主要由输入匹配网络、输出匹配网络、驱动模块、功率模块和滤波器模块组成；所述控制模块主要由衰减网络、增益控制模块和环路控制模块组成；

输入输出匹配网络采用微波电感实现输入输出端匹配到50Ω，电感参数由ADS仿真得出；驱动模块采用驱动放大器，并结合3dB-90度电桥实现双平衡放大输出；功率模块则采用高线性LDMOS管，功率管在输出功率20W时，三阶互调达-50dBc，满足了射频发射系统对线性度的要求；滤波器模块采用腔体滤波器，该滤波器具有矩形系数，并且带外抑制都在-75dBc以上，保证了设备不会对带外的信号产生干扰；

衰减网络采用0～31dB压控衰减器，三级衰减使各级放大器均能工作在1dB压缩点内线性工作；增益控制模块使得整个功率放大模块总增益维持在45dB；环路控制模块则起到环路对消带宽和环路抑制的作用。

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