CN101247153A - 一种提升功放效率的方法及其数字预失真宽带发信机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提升功放效率的方法及其数字预失真宽带发信机，其数字预失真宽带发信机包括数字信号处理模块、包络信号通道、前向信号通道、反馈信号通道和射频功率放大器；所述数字信号处理模块用于接收基带IQ复信号，用于解复用后分载频以生成包络信号、前向信号和反馈信号；所述包络信号通道对包络信号进行A/D转换、滤波，并包括一宽带包络电源调制器，用于根据包络信号的实时变化产生实时变化的电压，供给所述射频功率放大器做为漏极电压偏置。本发明方法及其数字预失真宽带发信机由于采用基带削峰技术、数字预失真技术、包络跟踪技术、宽带包络电源调制技术等，大大提升了功放效率，促进了包络跟踪技术在宽带信号系统领域中的应用。

Description

一种提升功放效率的方法及其数字预失真宽带发信机

技术领域

本发明属于移动通信领域的一种提升功放效率的方法和基站系统发信机，具体涉及的是，一种应用包络跟踪技术提升功放效率的方法及其数字预失真宽带发信机。

背景技术

现有技术的移动通讯技术发展日新月异，发信机的效率提升，特别是功放的效率提升，始终是信号发射技术不断面临的挑战。一直以来手机等终端产品对效率需要很高，随着绿色环保理念在全球的不断加强，能源短缺等资源的限制，为了不断降低运营成本OPEX(Operating Expense)，移动运营商对于移动基站设备的效率需求也越来越高。

对于CDMA、WCDMA、WiMAX等宽带系统，高峰均比的信号在放大过程很容易引起非线性失真，带来通信信号质量下降。目前广泛使用的是采用基于数字预失真方案的发射方案，这种方案对比以前的线性功放方案来是已经大大提升了功放效率，但仍然难以满足运营商不断提高的功放效率要求。

包络跟踪技术是提升功放效率的崭新技术，从输入调制信号采样得到包络调制信息，或者从基带信号中直接获取包络调制信息，将调制信息输入到包络电源调制器，包络电源调制器根据包络的实时变化为射频功放提供实时变化的漏极电压偏置，从而减少在低功率电平时的功放管的无效功耗，提高功放的平均效率。

但目前包络跟踪技术主要在手机等窄带信号系统中应用。因为包络跟踪技术要用到高效率的包络电源调制器，一般由DC-DC转换器实现，但开关频率一般要求是信号带宽的5倍以上，6～7倍更佳。对于窄带应用，开关模式的DC-DC转换器可以通过delta调制(delta-M)或者脉冲宽度调制(PWM)来实现，但对宽带信号来说，这种高开关频率一是难以实现，二是也会引入相当大的信息损失，比如对于20M带宽的WCDMA信号或者OFDM信号，这种传统的开关模式DC-DC转换器开关频率至少100M。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明所要解决的主要技术问题是提供一种提升功放效率的方法及其数字预失真宽带发信机，通过应用包络跟踪技术，解决宽带信号系统的功放效率问题，大大提升功放效率。

本发明的技术方案包括：

一种提升功放效率的数字预失真宽带发信机，其中，包括数字信号处理模块、包络信号通道、前向信号通道、反馈信号通道和射频功率放大器；

所述数字信号处理模块用于接收基带IQ复信号，用于解复用后分载频以生成向所述包络信号通道、前向信号通道和反馈信号通道的包络信号、前向信号和反馈信号；

所述前向信号通道对所述数字信号处理模块输出的前向信号上变频处理输出合成的多载波模拟信号到所述射频功率放大器进行功率放大后输出；

所述反馈信号通道对经所述射频功率放大器放大后耦合来的射频信号进行下变频处理，送给数字信号处理模块，作为数字预失真和包络时延处理的反馈输入信号；

所述包络信号通道对包络信号进行转换处理，并包括一宽带包络电源调制器，用于根据包络信号的实时变化产生实时变化的电压，供给所述射频功率放大器做为漏极电压偏置。

所述的数字预失真宽带发信机，其中，所述上变频处理包括：对前向信号的内插、复调制、D/A变换、滤波、上变频、放大、滤波处理。

所述的数字预失真宽带发信机，其中，所述下变频处理包括：中频滤波、放大处理，以及输入到A/D转换器进行模数转换。

所述的数字预失真宽带发信机，其中，所述转换处理包括：A/D转换、滤波处理。

所述的数字预失真宽带发信机，其中，还包括一功放输出匹配调节控制模块，连接所述射频功率放大器，用于根据包络信号的特征来调节所述射频功率放大器的输出匹配。

所述的数字预失真宽带发信机，其中，所述宽带包络电源调制器设置包括：一高宽带的线性源，用于提供高宽带的电压源；并联设置的一高效率的窄带开关源，用于提供高效率的电流源。

所述的数字预失真宽带发信机，其中，所述数字信号处理模块包括一基带削峰与载波合路器、一数字预失真处理器、一DSP处理器、一包络产生器和一包络时延处理器；

所述基带削峰与载波合路器对传输来的基带下行IQ数据进行接入、解复用后分载频进行数字成型滤波、数字削峰处理、多载波基带数字合路，并根据需要进行数字上变频处理；

所述数字预失真处理器和DSP处理器分别处理输入的削峰后的数字信号和经功放耦合反馈回来的数字中频信号，产生预失真发射信号送给前向信号通道；

所述DSP处理器用于进行预失真运算，以及，包络信号通道和前向信号通道时延分析运算；

所述包络信号产生器用于提取幅度包络，得到实时的包络信号，并送给所述包络时延处理器；

所述包络时延处理器得到包络产生器送来的包络信号，根据所述DSP处理器送来的时延补偿参数进行时延处理，减小信号失真。

一种提升功放效率的方法，其包括以下步骤：

A、基带削峰与载波合路对传输来的基带下行IQ数据进行接入、解复用后分载频进行数字成型滤波、数字削峰处理、多载波基带数字合路；

B、数字预失真处理器和DSP处理器处理输入的削峰后的数字信号和经功放耦合反馈回来的数字中频信号，产生预失真发射信号送给前向信号通道；

C、前向信号通道把数字预失真处理器送来的信号处理输出合成的多载波模拟信号到射频功率放大器进行功率放大后输出，经天线端口发射；

D、反馈信号通道对经射频功率放大器放大后耦合来的射频信号进行模拟下变频处理，处理后送给数字信号处理模块的DSP处理器，作为数字预失真和包络时延处理的反馈输入信号；

E、包络信号产生器从基带IQ复信号中提取幅度包络，得到实时的包络信号，并送给包络时延处理器；

F、包络时延处理器根据DSP处理器送来的时延补偿参数进行时延处理，经包络信号通道，并通过宽带包络电源调制器根据包络信号的实时变化产生实时变化的电压，供给射频功率放大器作为漏极电压偏置，以提高功放平均效率。

所述的方法，其中，所述DSP处理器用于进行预失真运算的过程包括：通过对输入信号和反馈信号的比较运算得到预失真参数，送给预失真处理器进行预失真处理，消除射频功率放大器本身的非线性失真和由于功放漏极偏置电压变化带来的非线性失真。

所述的方法，其中，所述DSP处理器还用于包络信号通道和前向信号通道时延分析运算，其过程包括：通过对输入信号和反馈信号的比较运算得到时延补偿参数，送给包络时延处理器进行包络信号时延处理。

本发明所提供的一种提升功放效率的方法及其数字预失真宽带发信机，由于采用基带削峰技术、数字预失真技术、包络跟踪技术、宽带包络电源调制技术等，大大提升了功放效率，促进了包络跟踪技术在宽带信号系统领域中的应用。

附图说明

图1是本发明提升功放效率的数字预失真宽带发信机示例结构框图；

图2是本发明数字预失真宽带发信机所采用的宽带包络电源调制器的示例结构图。

具体实施方式

下面结合附图，将对本发明各较佳实施例做进一步详细说明：

如图1所示，本发明应用包络跟踪技术数字预失真宽带发信机包括数字信号处理模块、包络信号通道、前向信号通道、反馈信号通道和射频功率放大器RFPA及功放输出匹配调节控制模块；其中：数字信号处理模块包括基带削峰与载波合路器、数字预失真处理器、DSP处理器、包络信号产生器和包络时延处理器。

所述基带削峰与载波合路对传输来的基带下行IQ数据进行接入、解复用后分载频进行数字成型滤波、数字削峰处理、多载波基带数字合路，并根据需要进行数字上变频处理。其中，宽带信号，比如码分多址信号，是高峰均比的信号，削峰处理可以降低输入信号的峰均比，从而可以减少后级功放的回退量，也是提高功放效率的重要手段，但是，削峰处理也给输入信号带来一定的失真，随着削峰的程度增大，输出信号的EVM的恶化也随之增加。所以，必须通过控制采用合适的削峰处理，将EVM指标控制在允许范围内。削峰基本上是在数字域实现，可以在FPGA芯片上开发自己的削峰算法来实现削峰功能，并采用灵活的削峰策略，以达到较优的削峰效果。

数字预失真处理器和DSP处理器处理输入的削峰后的数字信号和经功放耦合反馈回来的数字中频信号，产生预失真发射信号送给前向信号通道。分别对输入信号和反馈信号进行功率求模，得到输入信号现在的特性；功率积分integrator，得到输入信号过去的特性；以及功率微分diffentiator，得到输入信号未来的特性；经过上述处理，来计入记忆效应的影响。

并比较输入信号和反馈信号的特性，用非实时的复杂运算得到的预失真参数(复杂运算过程为现有技术所熟知，在此不再赘述)，在其中包括了记忆效应的影响，AM-AM和AM-PM失真非线性效应的影响，以及由于本发明采用实时变化的功放漏极偏置电压所产生的Vdd-AM和Vdd-PM非线性失真的影响。所述预失真处理器根据这些参数进行预失真处理，就可以抵消由记忆效应、AM-AM、AM-PM失真、Vdd-AM和Vdd-PM失真非线性效应的影响引起的非线性失真。

所述DSP处理器，一部分功能为进行预失真运算，通过对输入信号和反馈信号的比较运算得到预失真参数，送给预失真处理器进行预失真处理，消除功放本身的非线性失真和由于功放漏极偏置电压变化带来的非线性失真。

所述DSP处理器的另一部分功能为进行包络信号通道和前向信号通道时延分析运算，通过对输入信号和反馈信号的比较运算得到时延补偿参数，送给包络时延处理器进行包络信号时延处理。

所述实时控制功放漏极偏置电压的包络电源调制器设计有两大难点：一是要求效率高，功放系统的整机效率由功放的效率络电源调制器的效率共同决定；二是要求输出频带宽，开关频率一般要求是信号带宽的5倍以上，6～7倍更佳，比如对于20M带宽的WCDMA信号或者OFDM信号，使用传统的开关模式DC-DC转换器做为包络调制器难以实现。

所述包络信号产生器主要用于从基带IQ复信号中提取幅度包络，得到实时的包络信号，并送给包络时延处理器处理。所述包络时延处理器得到包络信号产生器送来的包络信号，根据DSP处理器送来的时延补偿参数进行以下时延处理，减小信号失真：

当基带IQ信号为：SBB＝I(t)+jQ(t)

则包络信号为：A(t)＝sqrt(I(t)*I(t)+Q(t)*Q(t))

所述前向信号通道把数字预失真处理器送来的信号经上变频处理后输出合成的多载波模拟信号到功放进行功率放大后输出。该上变频处理过程包括：内插、复调制、D/A变换、滤波、上变频、放大、滤波等处理。

所述反馈信号通道对经功放放大后耦合来的射频信号进行模拟下变频处理，该模拟下变频处理过程包括中频滤波、放大后输入到A/D转换器进行模数转换，然后送给数字信号处理模块的DSP处理器，做为数字预失真和包络时延处理的反馈输入信号。

本发明中的射频功率放大器RFPA用于对前向信号通道送来的小信号进行功率放大，输出到天线进行发射；与该射频功率放大器RFPA相连接还包括功放(PA)输出匹配调节控制模块，根据包络信号的特征来调节功放的输出匹配，辅助改善功放特性，提高功放稳定性。

本发明所述基带信号经提取转换为包络信号后，信号带宽大大展宽。经过分析WCDMA包络信号的功率频谱密度，显示接近85％的包络功率都集中在零频到300KHz范围内，根据这种频谱提示可以设计一种高性能的宽带包络电源调制器，“分段”来实现宽带宽范围内的高效率电源调制：即包络信号中零频到低频的部分由一个高效率的源来响应，包络信号中高频部分由另一个高线性的源来响应。

如图2所示，为本发明应用包络跟踪技术提升功放效率的数字预失真宽带发信机中的宽带包络电源调制器，其能够根据包络信号的实时变化，提供宽带的实时调制电压，供给射频功放作为漏极电压偏置，可用于宽带信号系统提高功放平均效率。

本发明的宽带包络电源调制器包括两部分：一个高宽带的线性源，提供高宽带的电压源；同时并联一个高效率的窄带开关源，提供高效率的电流源。示例图中线性源由一个宽带线性放大器实现，开关源由一个高效率的buck形式的DC-DC转换器来实现。

包络信号的DC和低频(AC)分量由开关源来响应输出，高频(AC)分量由线性源响应输出，这样便实现了包络信号的宽带响应和包络电源调制器的高效率。

本发明所述提升功放效率的信号处理方法过程如图1和图2所示，包括：

A、基带削峰与载波合路对传输来的基带下行IQ数据进行接入、解复用后分载频进行数字成型滤波、数字削峰处理、多载波基带数字合路，并根据需要进行数字上变频处理；

B、数字预失真处理器和DSP处理器处理输入的削峰后的数字信号和经功放耦合反馈回来的数字中频信号，产生预失真发射信号送给前向信号通道；

C、前向信号通道把数字预失真处理器送来的信号经上变频处理即内插、复调制、D/A变换、滤波、上变频、放大、滤波后输出合成的多载波模拟信号到功放进行功率放大后输出，经天线端口发射；

D、反馈信号通道对经功放放大后耦合来的射频信号进行模拟下变频处理，即中频滤波、放大后输入到A/D转换器进行模数转换，送给数字信号处理模块的DSP处理器，做为数字预失真和包络时延处理的反馈输入信号；

E、所述包络信号产生器从基带IQ复信号中提取幅度包络，得到实时的包络信号，并送给包络时延处理器，包络时延处理器根据DSP处理器送来的时延补偿参数进行时延处理，包络信号通道随后包络信号进行转换处理包括A/D转换、滤波等，并通过宽带包络电源调制器根据包络信号的实时变化产生实时变化的电压，供给射频功放做为漏极电压偏置，以提高功放平均效率。

本发明提升功放效率的方法及其数字预失真宽带发信机，由于采用了基带削峰技术、数字预失真技术、包络跟踪技术、宽带包络电源调制技术等，大大提升了功放效率，促进了包络跟踪技术在宽带信号系统领域中的应用。

应当理解的是，上述针对本发明较佳实施例的描述较为详细和具体，并不能因此而理解为对本发明专利专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1、一种提升功放效率的数字预失真宽带发信机，其特征在于，包括数字信号处理模块、包络信号通道、前向信号通道、反馈信号通道和射频功率放大器；

所述数字信号处理模块用于接收基带IQ复信号，用于解复用后分载频以生成向所述包络信号通道、前向信号通道和反馈信号通道的包络信号、前向信号和反馈信号；

所述前向信号通道对所述数字信号处理模块输出的前向信号上变频处理输出合成的多载波模拟信号到所述射频功率放大器进行功率放大后输出；

所述反馈信号通道对经所述射频功率放大器放大后耦合来的射频信号进行下变频处理输入到A/D转换器进行模数转换，送给数字信号处理模块，作为数字预失真和包络时延处理的反馈输入信号；

所述包络信号通道对包络信号进行转换处理，并包括一宽带包络电源调制器，用于根据包络信号的实时变化产生实时变化的电压，供给所述射频功率放大器做为漏极电压偏置。

2、根据权利要求1所述的数字预失真宽带发信机，其特征在于，所述上变频处理包括：对前向信号的内插、复调制、D/A变换、滤波、上变频、放大、滤波处理。

3、根据权利要求2所述的数字预失真宽带发信机，其特征在于，所述下变频处理包括：中频滤波、放大处理，以及输入到A/D转换器进行模数转换。

4、根据权利要求3所述的数字预失真宽带发信机，其特征在于，所述转换处理包括：A/D转换、滤波处理。

5、根据权利要求4所述的数字预失真宽带发信机，其特征在于，还包括一功放输出匹配调节控制模块，连接所述射频功率放大器，用于根据包络信号的特征来调节所述射频功率放大器的输出匹配。

6、根据权利要求5所述的数字预失真宽带发信机，其特征在于，所述宽带包络电源调制器设置包括：一高宽带的线性源，用于提供高宽带的电压源；并联设置的一高效率的窄带开关源，用于提供高效率的电流源。

7、根据权利要求1至6任一所述的数字预失真宽带发信机，其特征在于，所述数字信号处理模块包括一基带削峰与载波合路器、一数字预失真处理器、一DSP处理器、一包络产生器和一包络时延处理器；

所述基带削峰与载波合路器对传输来的基带下行IQ数据进行接入、解复用后分载频进行数字成型滤波、数字削峰处理、多载波基带数字合路，并根据需要进行数字上变频处理；

所述数字预失真处理器和DSP处理器分别处理输入的削峰后的数字信号和经功放耦合反馈回来的数字中频信号，产生预失真发射信号送给前向信号通道；

所述DSP处理器用于进行预失真运算，以及，包络信号通道和前向信号通道时延分析运算；

所述包络信号产生器用于提取幅度包络，得到实时的包络信号，并送给所述包络时延处理器；

所述包络时延处理器得到包络产生器送来的包络信号，根据所述DSP处理器送来的时延补偿参数进行时延处理，减小信号失真。

8、一种提升功放效率的方法，其包括以下步骤：

A、基带削峰与载波合路对传输来的基带下行IQ数据进行接入、解复用后分载频进行数字成型滤波、数字削峰处理、多载波基带数字合路；

B、数字预失真处理器和DSP处理器处理输入的削峰后的数字信号和经功放耦合反馈回来的数字中频信号，产生预失真发射信号送给前向信号通道；

C、前向信号通道把数字预失真处理器送来的信号处理输出合成的多载波模拟信号到射频功率放大器进行功率放大后输出，经天线端口发射；

D、反馈信号通道对经射频功率放大器放大后耦合来的射频信号进行模拟下变频处理，处理后送给数字信号处理模块的DSP处理器，作为数字预失真和包络时延处理的反馈输入信号；

E、包络信号产生器从基带IQ复信号中提取幅度包络，得到实时的包络信号，并送给包络时延处理器；

F、包络时延处理器根据DSP处理器送来的时延补偿参数进行时延处理，经包络信号通道，并通过宽带包络电源调制器根据包络信号的实时变化产生实时变化的电压，供给射频功率放大器作为漏极电压偏置，以提高功放平均效率。

9、根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述DSP处理器用于进行预失真运算的过程包括：通过对输入信号和反馈信号的比较运算得到预失真参数，送给预失真处理器进行预失真处理，消除射频功率放大器本身的非线性失真和由于功放漏极偏置电压变化带来的非线性失真。

10、根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述DSP处理器还用于包络信号通道和前向信号通道时延分析运算，其过程包括：通过对输入信号和反馈信号的比较运算得到时延补偿参数，送给包络时延处理器进行包络信号时延处理。

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