CN101427459A - 用于优化功率放大器效率的方法和布置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及优化发射器的功率放大器的效率。在根据本发明的方案中，利用非线性滤波器(307)对功率放大器输入信号的检测到的包络(306)进行滤波，其中非线性滤波器(307)基本上保持包络的波形中波峰的上升时间但延长所述波峰的持续时间。将经过滤波的包络用作对功率放大器的供电电压进行控制的控制系统的输入量(308)。对于控制系统而言，对经过滤波的包络的波峰进行反应要易于对包络的波峰进行反应，因为经过滤波的包络的波峰的持续时间比包络的波峰的持续时间长。

Description

用于优化功率放大器效率的方法和布置
技术领域
本发明涉及用于通信设备的发射器。本发明具体地涉及优化发射器的功率放大器的效率。
背景技术
为了优化功率放大器的效率，需要将功率放大器的供电电压保持得尽可能低；在本文中，效率表示：输出信号功率/(输入信号功率+功率放大器的激励(energizing)功率)。另一方面，供电电压必须足够高，使得在功率放大器的输出信号中不会出现削波(clipping)。在包络跟踪功率放大器中，检测放大器的输入信号的包络，并且供电电压是包络检测值的函数。功率放大器靠近所有包络值的压缩点进行操作，由此提供良好的效率。将供电电压保持在最优值是一个具有挑战的任务，特别是在功率放大器的输出信号具有较高的峰均值比时。供电电压的值必须能够很接近地跟随包络值的变化，使得不会发生削波，并且另一方面使功率放大器的效率足够好。为了满足该要求，产生供电电压的可控电压源必须具有足够高的带宽。然而，可控电压源的高带宽意味着可控电源中的高功率损失。例如，在开关模式电源(SMPS)作为可控电压源的情况下，在提高带宽时，必须提高切换频率。提高切换频率提高了切换损失。为了将包络的快速变化考虑在内，一种简单的方案是将供电电压的值保持得很高，使得在不同情况下具有足够的安全限度。然而，这类方法导致了如下情形：供电电压不必要地在很长时间段内较高。供电电压过高意味着不必要的功率损失，特别是在功率放大器的输出级晶体管中。
现有技术描述
图1示出了根据现有技术的包络跟踪功率放大器的高层框图。通过包络检测器103来检测输入信号S_in的包络。通过增益单元104将包络值按比例缩放到适当的范围。通过最大值选择单元108和最小值选择器单元109将增益单元104的输出信号强制在预定最小值Min_V和预定最大值Max_V之间的范围内。最小值选择器单元109的输出信号是控制值Vc，该控制值Vc控制为放大器级101产生供电电压Vs的可控供电单元107。放大器级101的负载由阻抗102表示。增益单元105被配置为将输入信号S_in按比例缩放到适当的范围。从包络的改变到供电电压Vs的相应改变总是存在延迟。这是由于以下事实：包络检测器103、增益单元104、最大值选择器单元108、最小值选择器单元109以及可控供电单元107的带宽是受限的。带宽的共同效应构成了供电电压的控制带宽。包络检测器103、增益单元104、最大值选择器单元108、最小值选择器单元109以及可控供电单元107构成了供电电压Vs的控制系统110。为了对上述延迟效应进行补偿，通过延迟单元106来延迟输入信号S_in。在此例子中，可控供电单元是开关模式电源(SMPS)，其由直流电压Vbatt激励。
图2示出了输入信号S_in、输入信号的包络、以及针对与供电电压的不同控制带宽相对应的两种不同情况的作为时间的函数的供电电压Vs值的示例性波形。在两种情况下，曲线201表示输入信号S_in，并且曲线202表示输入信号S_in的包络。仅针对时间轴的一部分绘出曲线201，而输入信号S_in则在图2所示的整个时间轴上延伸。在第一情况下，供电电压的控制带宽比第二情况中的更窄。在第一情况下，曲线203表示供电电压Vc，并且虚线204表示供电电压的时间平均。在第二情况下，曲线205表示供电电压Vc，并且虚线206表示供电电压的时间平均。在这些示例性情况下，输入信号201的波峰与RMS(均方根)的比是相当高的。必须以如下方式来选择时间平均204和206：使供电电压203和205始终充分地位于包络202以上。当图1中的延迟单元106所产生的延迟改变时，表示输入信号及其包络的曲线201和202在图2中沿电平方向移动。必须以如下方式来调节延迟：使表示包络的曲线202与表示供电电压Vc的曲线203或者205不相交。从图2可以看出，当控制带宽较大时，可以使供电电压的时间平均较低。供电电压Vc的时间平均的较低值意味着图1中放大器级101的良好效率。另一方面，当控制带宽较大时，延迟调节的精度必需更好。延迟调节所需的高精度意味着复杂的实现以及放大器的缓慢校准过程。此外，控制带宽的较高值意味着图1中的可控电源107中的高功率损失。当包络202具有低时间平均和高尖锐波峰时，情况尤其不利。在这类情况下，为了达到放大器的可接受效率，应当将供电电压Vs的时间平均控制为较低，但是图1中的供电电压控制系统110必须能够对包络的高尖锐波峰进行反应，也即，控制带宽必须足够高。
发明内容
本发明的目的是提供一种包络跟踪功率放大器，可以对其效率进行优化，使得与现有技术相关联的局限性和缺点得以消除或者减少。本发明的目的还包括提供一种具有包络跟踪功率放大器的移动通信设备，其中可以对该包络跟踪功率放大器的效率进行优化，使得与现有技术相关联的局限性和缺点得以消除或者减少。本发明的目的还包括提供一种用于优化包络跟踪功率放大器的效率的方法，使得与现有技术相关联的局限性和缺点得以消除或者减少。本发明的目的还包括提供一种例如可以在移动通信设备中使用的发射器，从而使与现有技术相关联的局限性和缺点得以消除或者减少。
通过一种方案来实现本发明的目的，其中通过非线性滤波器对包络信号进行滤波，所述包络信号表示功率放大器的输入信号的检测到的包络，该非线性滤波器基本上保持包络信号的波形中波峰的上升时间，但延长所述波峰的持续时间。将经过滤波的包络信号用作对供电电压值进行控制的控制系统的输入信号。对于控制系统而言，其对经过滤波的包络信号的波峰进行反应要易于对包络信号的波峰进行反应，因为经过滤波的包络信号的波峰的持续时间比包络信号的波峰的持续时间长。
与现有技术方案相比，本发明得到了显著的益处：
降低了功率放大器的功率损失，因为与特定控制带宽相对应的放大器级的效率得以改进，另一方面，可以使用较低控制带宽并且可以达到较好的供电单元效率，而无需牺牲放大器级的效率，由此，降低了功率放大器的电子部件的温度，以及
功率放大器的延迟单元的校准，即供电电压与放大器级输入信号的包络之间的调节定时，更快且更容易，因为上述经过滤波的包络信号的波形中波峰的持续时间比包络的波形中的相应波峰持续时间要长。
在开关模式电源(SMPS)的情况下，可以降低切换频率并由此可以达到更好的供电单元效率，而无需牺牲放大器级的效率。在电池激励的移动通信设备中，功率损失的降低意味着后续电池充电之间操作时间的增加。
根据本发明的一种具有放大器级的包络跟踪功率放大器，其特征在于，该包络跟踪功率放大器包括：
包络检测器，其被配置为产生包络信号，该包络信号表示该包络跟踪功率放大器的输入信号的包络，
非线性滤波器，其被配置为对该包络信号进行滤波，使得基本上保持该包络信号的波形中波峰的上升时间，并且延长所述波峰的持续时间，所述滤波器产生经过滤波的包络信号，以及
可控供电单元，其被配置为至少部分地根据所述经过滤波的包络信号来确定供电电压的值，以及产生该供电电压以激励放大器级。
根据本发明的一种移动通信设备，其特征在于，其包括：
具有放大器级的包络跟踪功率放大器，
包络检测器，其被配置为产生包络信号，该包络信号表示该包络跟踪功率放大器的输入信号的包络，
非线性滤波器，其被配置为对该包络信号进行滤波，使得基本上保持该包络信号的波形中波峰的上升时间，并且延长所述波峰的持续时间，所述滤波器产生经过滤波的包络信号，以及
可控供电单元，其被配置为至少部分地根据所述经过滤波的包络信号来确定供电电压的值，以及产生该供电电压以激励放大器级。
根据本发明的一种方法，用于优化具有放大器级的包络跟踪功率放大器的效率，其特征在于，该方法包括：
检测包络信号，该包络信号表示包络跟踪功率放大器的输入信号的包络，
通过利用非线性滤波器对包络信号进行滤波来产生经过滤波的包络信号，其中该非线性滤波器基本上保持包络信号的波形中波峰的上升时间并且延长所述波峰的持续时间，
至少部分地根据所述经过滤波的包络信号来确定供电电压值，以及
将放大器级的供电电压设置为该供电电压值。
根据本发明的一种发射器，其特征在于，其包括：
基带级，其被配置为产生基带信号，以及向上调制器(up-modulator)，其被配置为对该基带信号进行向上调制(up-modulate)，
具有放大器级的功率放大器，该放大器级的输入信号基本上是该向上调制器的输出信号，
包络检测器，其被配置为从该基带信号检测包络信号，该包络信号表示放大器级的输入信号的包络，
非线性滤波器，其被配置为对包络信号进行滤波，使得基本上保持该包络信号的波形中波峰的上升时间并且延长所述波峰的持续时间，所述滤波器产生经过滤波的包络信号，以及
可控供电单元，其被配置为至少部分地根据所述经过滤波的包络信号来确定供电电压值，以及产生该供电电压以激励放大器级。
在下文描述本发明的各种有益实施方式的特征。
不应将本文中的本发明的示例性实施方式解释为限制所附权利要求书的适用性。在本文中，将动词“包括”作为开放性限制加以使用，其并不排除未引用特征的存在。除非特别声明，从属权利要求中引用的特征相互之间可以自由组合。
附图说明
下面将参考通过从示例意义上给出的优选实施方式以及参考附图来更为详细地阐释本发明及其其他优点，其中：
图1示出了根据现有技术的包络跟踪功率放大器的高层框图，
图2示出了根据现有技术的包络跟踪功率放大器的输入信号、所述输入信号的包络以及供电电压的示例性波形，
图3示出了根据本发明实施方式的包络跟踪功率放大器的高层框图，
图4示出了描述根据本发明实施方式的包络跟踪功率放大器的操作原理的示例性波形，
图5a-图5f示出了根据本发明实施方式在包络跟踪功率放大器中使用非线性滤波器的原理，
图6a-图6c示出了根据本发明实施方式在包络跟踪功率放大器中使用的非线性滤波器，
图7和图8示出了图6a-图6c中所示的非线性滤波器的操作，
图9示出了根据本发明实施方式用于优化包络跟踪功率放大器的效率的方法的流程图，
图10示出了根据本发明实施方式的发射器，
图11示出了根据本发明实施方式的发射器，以及
图12示出了根据本发明实施方式的移动通信设备。
具体实施方式
上文已经在现有技术的描述中阐释了图1-图2。
图3示出了根据本发明实施方式的包络跟踪功率放大器的高层框图。通过包络检测器304对表示输入信号S_in包络的包络信号306进行检测。从操作原理的角度看，是从输入信号S_in中还是从能提取出与包络相关联的信息的某个其他信号中检测包络并不重要。在许多应用中，输入信号S_in是通过基带级和向上调制器产生的；基带级和向上调制器未在图3中示出。在这些应用中，可以从基带信号检测包络。
通过非线性滤波器307对包络信号306进行滤波，该非线性滤波器307产生经过滤波的包络信号308。将非线性滤波器307配置为对包络信号306进行滤波，使得基本上保持该包络信号的波形中波峰的上升时间，并且延长所述波峰的持续时间。将经过滤波的包络信号308用作对可控供电单元309进行控制的控制值Vc，该可控供电单元309产生用于放大器级301的供电电压Vs。放大器级301的输出信号由S_out表示。将增益单元303配置为将输入信号S_in按比例缩放到适当的范围。从S_in的包络的改变到供电电压Vs的相应改变总是存在着延迟。这事由于以下事实：包络检测器304、非线性滤波器307以及可控供电单元309的带宽是受限的。带宽的共同效应构成了供电电压的控制带宽。包络检测器304、非线性滤波器307以及可控供电单元309构成了供电电压Vs的控制系统310。为了对上述延迟效应进行补偿，通过延迟单元302来延迟输入信号S_in。
在本发明的此实施方式中，可控供电单元309是开关模式电源(SMPS)，其由直流电压Vbatt激励。在本发明的备选实施方式中，可控供电单元309是线性调节器。
在根据本发明实施方式的一种包络跟踪功率放大器中，根据经过滤波的包络信号308以及可控供电单元309的控制参数来确定供电电压Vc。控制参数例如可以确定最小供电电压和/或最大供电电压，也即，供电电压被控制在其间的范围。
图4中示出的示例性波形用于示出图3所示包络跟踪功率放大器的操作原理。曲线401表示包络信号306。曲线402表示经过滤波的包络信号308。图4中通过黑色圆圈来标记经过滤波的包络信号。当通过非线性滤波器307对包络信号进行滤波时，基本上保持了包络信号401的波形中波峰的上升时间。在图4中，这一特性通过以下事实示出：经过滤波的包络信号402与包络信号401中波峰的上升沿上的包络信号401相一致。当通过非线性滤波器307对包络信号进行滤波时，延长了包络信号401中波峰的持续时间。该特性也在图4中给出。曲线403表示供电电压Vs的波形。供电电压的波形是经过滤波的包络信号402的低通滤波型式。作为时间的函数的供电电压Vs是通过适当的电平偏移而从曲线403获得的。低通滤波归因于以下事实：可控供电单元309的带宽是受限的。从图4可以看出，低通滤波使得曲线403中的局部最大值没有与包络信号401中的局部最大值同时出现。通过以下方式对延迟单元302进行调节，即，使延迟信号311的包络中的局部最大值与供电电压Vs的波形中的局部最大值充分同时。对为了获取供电电压Vs而应用于曲线403的电平偏移进行选择，使得供电电压总是以充分的安全限度位于延迟信号311的包络以上。
在下文中，我将对使用非线性滤波器307的情况和不使用非线性滤波器的情况进行比较。曲线404(虚线)与不使用非线性滤波器的情况相关联，其表示包络信号401的低通滤波型式。低通滤波归因于以下事实：可控供电单元309的带宽是受限的。与没有通过非线性滤波器307对包络信号进行滤波的情况相对应的供电电压是通过适当的电平偏移从曲线404获取的。从图4可以看出，对于曲线404而言所需的电平偏移比对于曲线403而言所需的电平偏移显著更大。因此，在没有使用非线性滤波器307的情况中，供电电压的时间平均明显大于使用非线性滤波器307的情况中的对应时间平均。供电电压Vs的较高时间平均意味着放大器级301中较高的功率损失。
图5a-图5f示出了使用非线性滤波器的原理，该非线性滤波器被配置为基本上保持包络信号的波形中波峰的上升时间并且延长所述波峰的持续时间。在图5a-图5f所示的例子中，出于说明目的，将包络信号的波形和可控供电单元的低通效应的传递函数选择为相当简单，使得可以在无需仿真和/或测量的情况下对操作进行分析。在此示例情况中，将可控电源的传递函数假设为具有单个时间常数的一阶线性低通函数。图5a中示出了包络信号501。图5b中示出了包络信号501的低通滤波型式502。包络信号的低通滤波型式的波形与没有使用根据本发明实施方式的非线性滤波器时的供电电压的波形相对应。图5c示出了供电电压503，其是包络信号的低通滤波型式的电平和时间偏移型式。图5d示出了通过非线性滤波器产生的经过滤波的包络信号504，其中该非线性滤波器被配置为基本上保持包络信号的波形中波峰的上升时间并且延长所述波峰的持续时间。图5e中示出了经过滤波的包络信号504的低通滤波型式505。经过滤波的包络信号的低通滤波型式的波形对应于根据本发明实施方式在使用非线性滤波器时的供电电压的波形。图5f示出了供电电压506，其是包络信号的低通滤波型式的电平和时间偏移型式。正如图5c和图5f中明显示出的那样，供电电压506的时间平均低于供电电压503的时间平均。
图6a示出了在根据本发明实施方式的包络跟踪功率放大器中使用的数字非线性滤波器。该非线性滤波器包括信号输入终端911和信号输出终端912。该非线性滤波器包括可调增益单元914和915、加法器918、延迟单元916以及控制单元917。非线性滤波器的传递函数是：
F ( z ) = a 1 - b z - 1 , - - - ( 1 )
其中，a是可调增益单元914的增益，b是可调增益单元915的增益，并且z-1表示延迟单元916的延迟。控制单元917适于根据非线性滤波器的输入信号值以及非线性滤波器的输出信号值来设置增益a和b。优选地，选择增益a和b，使得当输入信号的值大于输出信号的值时，传递函数是一(也即，a＝1且b＝0)；并且当输入信号的值小于输出信号的值时，传递函数代表低通滤波器(也即，0<b<1且a＝1-b)。
在图7中针对输入信号1001(细线)的波形中单个波峰示出了图6a所示的非线性滤波器的操作。在输入信号1001的上升沿，输出信号1002(粗线)跟随输入信号。在上升边缘之后，输出信号根据阻尼半径，即增益b，进行衰减。由此，图6a中所示的非线性滤波器基本上保持了输入信号波形中波峰的上升时间，并且延长了所述波峰的持续时间。
图6b示出了在根据本发明实施方式的包络跟踪功率放大器中使用的数字非线性滤波器。该非线性滤波器包括信号输入终端921、信号输出终端922、延迟单元924以及最大值选择单元925。
图6c示出了在根据本发明实施方式的包络跟踪功率放大器中使用的数字非线性滤波器。该非线性滤波器包括信号输入终端931、信号输出终端932、延迟单元链934以及最大值选择单元935。
在图8中针对输入信号(1101细线)波形中单个波峰示出了图6c中所示的非线性滤波器的操作。通过最大值选择单元935产生输出信号1103(粗线)，该最大值选择单元935选择输入信号1101和输入信号的延迟型式1102(虚线)的最大值。图6b中示出的非线性滤波器以类似方式进行操作。由此，图6b和图6c中示出的非线性滤波器基本上保持了输入信号波形中波峰的上升时间，并且延长了所述波峰的持续时间。
当在图 3所示的包络跟踪功率放大器中使用图6a、图6b或者图6c所示的非线性滤波器时，非线性滤波器的输入信号是包络信号306，而非线性滤波器的输出信号是经过滤波的包络信号308。
图9示出了根据本发明实施方式的一种用于优化包络跟踪功率放大器效率的方法的流程图。阶段1401包括检测包络信号ENV，该包络信号ENV表示包络跟踪功率放大器的输入信号的包络。阶段1402包括通过利用非线性滤波器对包络信号ENV进行滤波来产生经过滤波的包络信号FENV，其中该非线性滤波器基本上保持包络信号的波形中波峰的上升时间，并且延长所述波峰的持续时间。阶段1403包括至少部分地根据经过滤波的包络信号FENV来确定供电电压值。阶段1404包括将包络跟踪功率放大器的放大器级的供电电压设置为在阶段1403中确定的供电电压值。
在根据本发明实施方式的一种方法中，检测包络信号ENV(阶段1401)包括强制1411包络信号至少为预定最小值Min_value，并且产生经过滤波的包络信号FENV(阶段1402)包括强制1412经过滤波的包络信号至多为预定最大值Max_value。
在根据本发明备选实施方式的一种方法中，检测包络信号ENV(阶段1401)包括强制包络信号至多为预定最大值，并且产生经过滤波的包络信号FENV(阶段1402)包括强制经过滤波的包络信号至少为预定最小值。
在根据本发明备选实施方式的一种方法中，检测包络信号ENV(阶段1401)包括将包络信号强制为处于预定最大值和预定最小值之间。
在根据本发明备选实施方式的一种方法中，产生经过滤波的包络信号FENV(阶段1402)包络将经过滤波的包络信号强制为处于预定最大值和预定最小值之间。
在根据本发明实施方式的一种方法中，当包络信号大于经过滤波的包络信号(ENV>FENV)时，使用第一传递函数来执行产生经过滤波的包络信号FENV(阶段1402)；当包络信号小于经过滤波的包络信号(ENV<FENV)时，使用第二传递函数来执行产生经过滤波的包络信号FENV(阶段1402)。
在根据本发明实施方式的一种方法中，通过使用延迟元件和最大值选择单元来执行产生经过滤波的包络信号FENV(阶段1402)，其中，延迟单元形成延迟包络信号，而最大值选择单元将经过滤波的包络信号FENV形成为延迟包络信号和包络信号的最大值。
图10示出了根据本发明实施方式的一种发射器。该发射器包括基带级1550、向上调制器1508以及功率放大器1551。该发射器适于将输入比特Bits_in的信息发送到通信信道1501中。通信信道可以是无线信道或者铜缆。通过比特-符号映射器1552将输入比特Bits_in映射为具有X分量1502和Y分量1503的符号。分别通过数字信道滤波器1504和1505对符号的X分量和Y分量进行滤波。数字信道滤波器1504和1505产生用于符号的X分量和Y分量的期望脉冲波形。该脉冲波形例如可以是平方根升余弦。数字信道滤波器1504和1505的输出信号分别是数字基带同相信号I和数字基带正交信号Q。数字信道滤波器1504和1505还用于获取针对数字基带同相和正交信号I和Q的期望采样率。可以将信道滤波器实现为数字滤波器链，从而将链开始处的一个或多个滤波器配置为执行插值以提升采样率，并且将链中最后的滤波器配置为执行脉冲整形。可以通过可调延迟单元1506和1507来调节数字基带同相和正交信号I和Q之间的相互延迟差异。数字基带同相和正交信号I和Q是用于向上调制器1508的输入信号。向上调制器是QAM调制器(正交振幅调制)，其被配置为将数字基带同相和正交信号I和Q调制到期望频带。向上调制器包括数-模转换器1509和1510，其被配置为将数字基带同相和正交信号I和Q转换为模拟形式。将模拟低通滤波器1511和1512配置为在采样率的倍数附近对图像频谱进行衰减。模拟基带同相信号与同相载波音(carrier tone)1513相混合，并且模拟基带正交信号与正交载波音1514相混合。同相和正交载波音1513和1514是利用本地振荡器1515并利用90度移相器1516而产生的。将混合信号相加在一起，并且通过可调增益单元1517将结果的电平调节到适当的范围。可调增益单元1517的输出信号是功率放大器1551的放大器级1519的输入信号1518。
通过包络检测器1521来产生包络信号1520，其表示放大器级1519的输入信号1518的包络。包络检测器1521是数字信号处理实体，其被配置为根据数字基带同相信号I和数字基带正交信号Q来计算包络信号1520的值ENV，使得
ENV = I 2 + Q 2 . - - - ( 2 )
可以通过可编程处理器或者通过专用集成电路来实现包络检测器1521。
通过数字非线性滤波器1522对包络信号1520进行滤波，该数字非线性滤波器1522产生数字滤波包络信号1523。将非线性滤波器1522配置为对包络信号1520进行滤波，使得基本上保持包络信号波形中波峰的上升时间，并且延长所述波峰的持续时间。该数字非线性滤波器1522可以是图6a、图6b或者图6c中所示的数字非线性滤波器。
将数字滤波包络信号1523基本上用作控制值Vc，该控制Vc对可控供电单元1524进行控制。可控供电单元产生用于放大器级1519的供电电压Vs。放大器级的输出信号经由信道前端电路1525耦合至信道1501。根据可控供电单元1524的类型，可能必须通过数-模转换器1528将控制值Vc转换为模拟形式。
根据本发明实施方式的一种发射器包括：最大值选择器单元1525，其被配置为强制包络信号1520至少为预定最小值Min_v；最小值选择器单元1527，其被配置为强制经过滤波的包络信号1523至多为预定最大值Max_V。
最大值选择器单元和最小值选择器单元可以按照各种方式相对于非线性滤波器定位。例如，根据本发明第一备选实施方式的发射器包括在信息传播方向上位于非线性滤波器之前的最小值选择器单元以及位于非线性滤波器之后的最大值选择器单元，根据本发明第二备选实施方式的发射器包括位于非线性滤波器之前的最小值选择器单元和最大值选择器单元二者，并且根据本发明第三备选实施方式的发射器包括位于非线性滤波器之后的最小值选择器单元和最大值选择器单元二者。
根据本发明实施方式的一种发射器包括数字低通滤波器1529，其被配置为将经过滤波的包络信号1523的频谱限制在适合于可控供电单元1524的范围内。
在根据本发明实施方式的一种发射器中，将非线性滤波器1522配置为：当包络信号大于经过滤波的包络信号时，具有第一传递函数；而当包络信号小于经过滤波的包络信号时，具有第二传递函数。
在根据本发明实施方式的一种发射器中，非线性滤波器1522包括延迟元件和最大值选择单元，其中，延迟元件被配置为形成延迟包络信号，并且最大值选择单元被配置为将经过滤波的包络信号形成为延迟包络信号和包络信号的最大值。
根据本发明实施方式的一种发射器包括可调节延迟单元1530，其被配置为在从信道滤波器1504和1505的信号输出到可控供电单元1524的控制输入的信号通路上产生延迟。可以通过可调延迟单元1506、1507和1530来执行放大器级的输入信号1518的包络与供电电压Vs的波形之间的延迟调节。
图11示出了根据本发明实施方式的一种发射器。该发射器包括基带级1701、向上调制器1702以及功率放大器1703。通过比特-符号映射器1706将输入比特Bits_in映射为具有X分量1704和Y分量1705的符号。分别通过数字信道滤波器1707和1708对符号的X分量和Y分量进行滤波。数字信道滤波器1707和1708的输出信号分别是数字基带同相信号I和数字基带正交信号Q。通过笛卡尔-极坐标(Cartesian-polar)转换器1709将数字基带同相和正交信号I和Q转换为极坐标形式。笛卡尔-极坐标转换器1709的输出信号是数字振幅信息信号R和数字相位信息信号φ。可以利用可调延迟单元1713和1714对数字振幅和相位信息信号R和φ之间的相互延迟差异进行调节。数字振幅和相位信息信号R和φ是用于向上调制器1702的输入信号。向上调制器1702是极坐标调制器(polar modulator)，其包括相位调制器1712和可变增益单元1715。相位调制器1712的输出信号的瞬时相位与数字相位信息信号φ成比例。相位调制器1712可以是根据现有技术的相位调制器设备。例如，相位调制器1712可以基于将数字相位信息信号φ转换为数字频率信息信号的时间微分器，以及基于在其反馈通路中具有分数分频器(fractional divider)的倍频器回路，其中，在德尔塔-西格玛(delta-sigma)调制的辅助下利用数字频率信息信号来控制所述分数分频器。相位调制器的输出信号是可变增益单元1715的输入信号。向上调制器1702包括数-模转换器1710，其被配置为将数字振幅信息信号R转换为模拟形式。模拟低通滤波器1711被配置为在数字振幅信息信号R的采样率的倍数附近对图像频谱进行衰减。低通滤波器1711的输出信号是模拟振幅信息信号1716。通过可变增益单元1715产生的瞬时增益与模拟振幅信息信号1716是成比例的。由此，向上调制器的输出信号的包络与模拟振幅信息信号1716也成比例。向上调制器1702的输出信号是功率放大器1703的放大器级1718的输入信号1717。
数字振幅信息信号R与放大器级1718的输入信号1717的包络成比例。由此，将数字振幅信息信号R用作包络信号1719。在本发明的此实施方式中，笛卡尔-极坐标转换器1709还充当包络检测器。实际上，在笛卡尔-极坐标转换器1709中，将数字振幅信息信号R计算为其中I和Q分别是数字基带同相和正交信号。
通过数字非线性滤波器1720对包络信号1719进行滤波，该非线性滤波器1720产生数字滤波包络信号1721。非线性滤波器1720被配置为对包络信号1719进行滤波，使得基本上保持包络信号的波形中波峰的上升时间，并且延长所述波峰的持续时间。该数字非线性滤波器1720可以是图6a、图6b或者图6c中所示的数字非线性滤波器。
将数字滤波包络信号1721基本上用作控制值Vc，该控制值Vc对可控供电单元1722进行控制。可控供电单元产生用于放大器级1718的供电电压。放大器级的输出信号经由信道前端电路1724耦合至信道1723。根据可控供电单元1722的类型，可能必须利用数-模转换器1726将控制值Vc转换为模拟形式。
在图10和图11所示的发射器中，表示放大器级的输入信号包络的包络信号是从基带信号检测的。在图10和图11所示的发射器中，基带信号是具有同相分量I和正交分量Q的复值量。从本发明原理的角度看，包络信号是从哪里检测的并不重要要，因为放大器级输入信号的包络，即，经过向上调制的RF(射频)信号的包络，基本上与基带信号的包络相同。从基带信号检测包络信号的优点与实现问题有关。与从放大器级的输入信号检测包络信号相比，从基带信号检测包络信号实现起来明显更容易且更具有成本效益，因为放大器级的输入信号的频带明显高于基带信号的频带。此外，在某些情况下，当从基带信号检测包络信号时，无需单独的包络检测器。这是图11中所示的发射器中的情况，其中，振幅信息信号R实际上就是包络信号。
图 12示出了根据本发明实施方式的一种移动通信设备。该移动通信设备的发射器1901包括包络跟踪功率放大器1902，该包络跟踪功率放大器1902包括：放大器级；包络检测器，其被配置为产生表示包络跟踪功率放大器的输入信号包络的包络信号；非线性滤波器，其被配置为通过对包络信号进行滤波来产生经过滤波的包络信号，使得基本上保持包络信号波形中波峰的上升时间，并且延长所述波峰的持续时间；以及可控供电单元，其被配置为至少部分地根据所述经过滤波的包络信号来确定供电电压值，以及产生该供电电压以激励放大器级。包络跟踪功率放大器1902的信号输出接口1911经由双工器和天线前端元件1904耦合至天线1903。块1905表示移动设备中向包络跟踪功率放大器1902的信号输入接口1912提供RF(射频)输入信号的所有部件，例如，耳机、模-数转换器、编解码器、向上调制器等。块1906表示移动通信设备中对经由双工器和天线前端元件1904而从天线1903接收到的信号进行处理的所有部件，例如，解调器、均衡器、滤波系统、控制器、扬声器等。
此外，该移动通信设备可以包括可控增益单元，该可控增益单元在供电电压变化时对由放大器级输出级晶体管的工作点改变所引起的包络跟踪功率放大器1902的不期望增益变化进行补偿。可控增益单元可以位于块1905中。在该移动通信设备中，可以利用可控增益单元(也即，在向上调制之前)对基带信号进行放大或者衰减。在这种情况下，可控增益单元不必能够处理射频(RF)信号。在根据本发明实施方式的某些移动通信设备中，还可以以数字形式来获得基带信号。在这类情况下，可以通过数字信号处理装置来执行补偿。
在根据本发明实施方式的移动通信设备中，包络信号是从基带信号检测到的，其中基带信号存在于移动通信设备的发射器1901的基带级中。上文在图10和图11的辅助下描述了从基带信号检测包络信号。
在根据本发明实施方式的移动通信设备中，非线性滤波器被配置为：当包络信号大于经过滤波的包络信号时，具有第一传递函数；而当包络信号小于经过滤波的包络信号时，具有第二传递函数。
在根据本发明实施方式的移动通信设备中，非线性滤波器包括延迟元件和最大值选择单元，其中，延迟元件被配置为形成延迟包络信号，而最大值选择单元被配置为将经过滤波的包络信号形成为延迟包络信号和包络信号的最大值。
根据本发明实施方式的移动通信设备是移动电话。
对于本领域技术人员而言显然的是，本发明及其实施方式并不限于上述示例，而是可以在独立权利要求的范围内变化。例如，在许多应用中，可以存在模拟实现或者数字实现或者其组合。对于信号频率不是很高的低频(LF)无线电以及对于铜缆调制解调器而言(例如，在移动电话中)，模拟实现是可以的。此外，从本发明原理的角度看，包络是从包络跟踪功率放大器的放大器级的输入信号检测的还是从能从中提取出与包络相关联的信息某种其他信号(例如，从基带信号)检测的并不重要。
尽管已经示出、描述并指出了应用于本发明优选实施方式的本发明的基本新颖特征，但是应当理解，在不背离本发明精神的情况下，本领域的技术人员可以对所描述设备和方法的形式以及细节进行各种省略、替换和修改。例如，明确地是那些以基本上相同的方式执行基本上相同的功能以实现相同结果的元件和/或方法步骤的所有组合都包含在本发明的范围内。而且，应当意识到，结合本发明的任何公开形式或者实施方式而示出和/或描述的结构和/或元件和/或方法步骤可以作为一般性设计选择而并入到任何其他公开的或描述的或建议的形式或者实施方式中。因此，本发明仅受到所附权利要求书的范围所指明的限制。此外，在权利要求书中，装置加功能的条款意在涵盖在此描述的执行所描述功能的结构，并且不仅覆盖结构性等效物，还包括等效结构。因此，在固定木制部件的环境中，尽管由于钉子使用圆柱面来将木制部分固定在一起而螺钉则采用螺旋面，钉子和螺钉不是结构性等效物，但是钉子和螺钉可以是等效结构。

Claims (22)

1.一种具有放大器级的包络跟踪功率放大器，包括：
包络检测器，其被配置为产生包络信号，所述包络信号表示所述包络跟踪功率放大器的输入信号的包络，
非线性滤波器，其被配置为对所述包络信号进行滤波，使得基本上保持所述包络信号波形中波峰的上升时间，并且延长所述波峰的持续时间，所述滤波器产生经过滤波的包络信号，以及
可控供电单元，其被配置为至少部分地根据所述经过滤波的包络信号来确定供电电压值，以及产生所述供电电压以激励所述放大器级。
2.根据权利要求1所述的包络跟踪功率放大器，其中所述非线性滤波器被配置为：当所述包络信号大于所述经过滤波的包络信号时，具有第一传递函数；以及当所述包络信号小于所述经过滤波的包络信号时，具有第二传递函数。
3.根据权利要求1所述的包络跟踪功率放大器，其中所述非线性滤波器包括延迟元件和最大值选择单元，所述延迟元件被配置为形成延迟包络信号，并且所述最大值选择单元被配置为将所述经过滤波的包络信号形成为所述延迟包络信号和所述包络信号的最大值。
4.根据权利要求1所述的包络跟踪功率放大器，其中所述可控供电单元包括开关模式电源(SMPS)，其被配置为产生所述供电电压以激励所述放大器级。
5.根据权利要求1所述的包络跟踪功率放大器，包括：最大值选择器单元，其被配置为强制所述包络信号至少为预定最小值；以及最小值选择器单元，其被配置为强制所述经过滤波的包络信号至多为预定最大值。
6.一种移动通信设备，包括：
包络跟踪功率放大器，其具有放大器级，
包络检测器，其被配置为产生包络信号，所述包络信号表示所述包络跟踪功率放大器的输入信号的包络，
非线性滤波器，其被配置为对所述包络信号进行滤波，使得基本上保持所述包络信号波形中波峰的上升时间，并且延长所述波峰的持续时间，所述滤波器产生经过滤波的包络信号，以及
可控供电单元，其被配置为至少部分地根据所述经过滤波的包络信号来确定供电电压值，以及产生所述供电电压以激励所述放大器级。
7.根据权利要求6所述的移动通信设备，其中所述非线性滤波器被配置为：当所述包络信号大于所述经过滤波的包络信号时，具有第一传递函数；以及当所述包络信号小于所述经过滤波的包络信号时，具有第二传递函数。
8.根据权利要求6所述的移动通信设备，其中所述非线性滤波器包括延迟元件和最大值选择单元，所述延迟元件被配置为形成延迟包络信号，并且所述最大值选择单元被配置为将所述经过滤波的包络信号形成为所述延迟包络信号和所述包络信号的最大值。
9.根据权利要求6所述的移动通信设备，包括可控增益单元，其被配置为至少部分地对所述包络跟踪功率放大器的增益改变进行补偿，所述增益改变是由所述包络跟踪功率放大器的输出级晶体管的工作点改变而引起的。
10.根据权利要求6所述的移动通信设备，其中所述移动通信设备是移动电话。
11.根据权利要求6所述的移动通信设备，其中所述包络检测器被配置为从基带信号检测所述包络信号，其中所述基带信号存在于所述移动通信设备的发射器的基带级之中。
12.一种方法，用于优化具有放大器级的包络跟踪功率放大器的效率，所述方法包括：
检测包络信号，所述包络信号表示所述包络跟踪功率放大器的输入信号的包络，
通过利用非线性滤波器对所述包络信号进行滤波来产生经过滤波的包络信号，其中所述非线性滤波器基本上保持所述包络信号的波形中波峰的上升时间，并且延长所述波峰的持续时间，
至少部分地根据所述经过滤波的包络信号来确定供电电压值，以及
将所述放大器级的供电电压设置为所述供电电压值。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述检测所述包络信号包括强制所述包络信号至少为预定最小值，以及所述产生经过滤波的包络信号包括强制所述经过滤波的包络信号至多为预定最大值。
14.根据权利要求12所述的方法，其中当所述包络信号大于所述经过滤波的包络信号时，通过使用第一传递函数来执行所述产生经过滤波的包络信号；以及当所述包络信号小于所述经过滤波的包络信号时，通过使用第二传递函数来执行所述产生经过滤波的包络信号。
15.根据权利要求12所述的方法，其中通过使用延迟元件和最大值选择单元来执行所述产生经过滤波的包络信号，其中所述延迟单元形成延迟包络信号，并且所述最大值选择单元将所述经过滤波的包络信号形成为所述延迟包络信号和所述包络信号的最大值。
16.一种发射器，包括：
被配置为产生基带信号的基带级，以及被配置为对所述基带信号进行向上调制的向上调制器，
具有放大器级的功率放大器，所述放大器级的输入信号基本上是所述向上调制器的输出信号，
包络检测器，其被配置为从所述基带信号检测包络信号，所述包络信号表示所述放大器级的所述输入信号的包络，
非线性滤波器，其被配置为对所述包络信号进行滤波，使得基本上保持所述包络信号的波形中波峰的上升时间，并且延长所述波峰的持续时间，所述滤波器产生经过滤波的包络信号，以及
可控供电单元，其被配置为至少部分地根据所述经过滤波的包络信号来确定供电电压值，以及产生所述供电电压以激励所述放大器级。
17.根据权利要求16所述的发射器，其中所述向上调制器是正交振幅调制器(QAM)，并且所述包络检测器是信号处理实体，其被配置为根据所述基带信号的同相分量以及所述基带信号的正交分量来形成所述包络信号的值。
18.根据权利要求17所述的发射器，其中所述包络检测器被配置为将所述包络信号的所述值形成为
Figure A200780014576C0005104943QIETU
，其中I是所述基带信号的所述同相分量，而Q是所述基带信号的所述正交分量。
19.根据权利要求16所述的发射器，其中所述向上调制器是极坐标调制器，并且笛卡尔-极坐标转换器被配置为充当所述包络检测器。
20.根据权利要求16所述的发射器，其中所述非线性滤波器被配置为：当所述包络信号大于所述经过滤波的包络信号时，具有第一传递函数；以及当所述包络信号小于所述经过滤波的包络信号时，具有第二传递函数。
21.根据权利要求16所述的发射器，其中所述非线性滤波器包括延迟元件和最大值选择单元，所述延迟元件被配置为形成延迟包络信号，并且所述最大值选择单元被配置为将所述经过滤波的包络信号形成为所述延迟包络信号和所述包络信号的最大值。
22.根据权利要求16所述的发射器，包括：最大值选择器单元，其被配置为强制所述包络信号至少为预定最小值；以及最小值选择器单元，其被配置为强制所述经过滤波的包络信号至多为预定最大值。
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