CN101478319A - 高效率linc发射机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高效率LINC发射机，该发射机包括：数字信号处理单元，完成该发射机输入信号的处理和对发射机的控制；模拟信号处理单元，把数字基带信号转换成模拟基带信号并直接通过正交调制到发射载频；信号放大单元，使用高效率的非线性功率放大器完成对射频信号的放大；合成单元，对两路信号进行合成输出。其中数字信号处理单元通过设置门限将输入信号分为两类并对其用不同的归一化电平进行分离，并且能够计算分离后信号的异相角从而动态调整合成器的输入阻抗。

Description

高效率LINC发射机

技术领域：

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种高效率LINC发射机。

背景技术：

随着移动通信向高速率、大容量、宽带方向发展，对射频前端要求也越来越高。近些年来对于射频发射机来说，必须考虑宽带、高速、高PAPR(峰均功率比)和信号高质量等引起的新的要求，特别是发射机的高效率和高线性已经成为人们关心的焦点。使用非线性器件的线性放大技术--LINC(Linear Amplification With Nonlinear Component)技术自提出以来，由于其极高的效率和线性成为最具潜力的发射机技术之一，传统LINC发射机框图如图1所示。通过一个信号分离模块10将同时包含幅度和相位信息的输入信号分离成两路包络恒定但相位变化的信号，之后经调制器21和调制器22将两路信号调制到射频，然后用两个非线性高效率的功率放大器31和功率放大器32放大，最后用合成器40将两路信号合成输出。这种结构由于可以使用高效率的非线性放大器(如B类和开关类放大器)从而使整个发射机的效率很高，而且由于通过放大器的信号为恒包络的信号，所以放大器的非线性失真对被放大信号没有影响，信号以恒定的增益G被放大，所以这种结构同时具有很高的线性。对本领域的技术人员来说，图1的传统的LINC发射机结构是公知的，在此不做详细描述。

在对现有技术的研究和实践过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

虽然图1的传统LINC发射机在线性方面优于其它的发射机结构，尤其在低功率电平下其线性几乎可以认为是理想的。但其在效率方面却有待提高，虽然LINC结构可以使用高效率的非线性放大器，使得发射机的效率得到一定的提高。但整个发射机的效率由功率放大器和合成器的效率共同决定。而合成器的效率和输入信号的幅度密切相关，对于高峰均比的输入信号传统LINC发射机很难在功率合成时保持高的平均效率，所以传统的LINC发射机受限于信号的高峰均比，很难在一个大的功率电平范围内保持高效率。

发明内容

本发明实施例要解决的技术问题就是要提供一种高效率的LINC发射机，能够完成对高峰均比信号的线性放大并且在功率合成时保持非常高的平均效率。

为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现的：

本发明实施例提供一种新的信号分离的方法，在信号分离前，通过对输入信号的幅度进行提取，并根据预先设定的门限r_th将输入信号按照幅度大小分为两类。对于包络幅度小于所设门限的信号在信号分离时用门限电平值r_th代替传统的LINC信号分离方法中的r_max；对于包络幅度大于所设门限的信号在分离时仍使用传统LINC信号分离方法中的r_max。这种信号分离方法通过将高峰均比的输入信号按幅度大小分别处理，减小了分离后信号的异相角θ，从而保证了信号在合成时的高效率。此外，本发明还通过提取信号分离时的异相角θ，控制合成器的输入阻抗，从而提高了合成器的瞬时效率。

该高效率LINC发射机包括：数字信号处理单元，完成对基带信号的处理和对发射机的控制；模拟信号处理单元，把数字基带信号转换成模拟基带信号并直接通过正交调制到发射载频；放大单元，完成对射频信号的放大；合成单元，对两路信号进行合成输出

该数字信号处理单元最好包括一个包络检波器，用来提取输入信号的幅度信息；一个门限判决器，用来将输入信号的幅度与门限值进行比较；一个信号分离器，完成对输入信号的分离；一个反余弦差值表，将输入信号幅度映像成信号分离时的异相角；一个相位控制器，根据信号分离时的异相角输出对数字移相器的控制信号。

该模拟信号处理单元最好包括一个D/A(数/模)转换器，用来将数字信号处理单元输出的数字信号转换成模拟信号；一个正交调制器，用来把基带模拟信号正交调制到射频；一个本地振荡器，用来提供一个振荡信号以便正交调制器操作。

该放大单元最好包括一个高效率的非线性功率放大器，完成对射频信号的放大。

该功率合成单元最好包括一个数字移相器，控制合成器的输入阻抗；一段四分之波长微带线。

附图说明

图1为现有技术提供的传统LINC发射机的结构框图

图2为本发明实施例提供的高效率LINC发射机的结构框图

图3为本发明实施例提供的高效率LINC发射机的信号分离示意图

图4为传统LINC发射机分离后信号的θ分布和本发明实施例提供的高效率LINC发射机的θ分布的对比图

图5为本发明实施例提供的合成器的合成效率曲线随β的变化

具体实施方式

为了使本发明的技术方案更加清楚明白，在下文中，将参照发明实施例的附图详细描述本发明。

本发明涉及一种高效率的LINC发射机，更具体的说在信号分离时通过设定门限将输入信号分为两类，对于输入信号幅度小于门限值的信号在分离时用门限值代替传统LINC发射机信号分离时的r_max，对于输入信号幅度大于所设门限的信号在分离时仍使用传统LINC发射机信号分离时的r_max。这样做的好处是通过在信号分离时设置门限来减小了分离后信号的异相角θ的值，从而使进入合成器的信号的异相分量减小以提高合成器的效率。此外，本发明还通过计算信号分离时的异相角θ的值来控制合成器的输入阻抗，从而动态的调整合成器的瞬时效率使得整个发射机效率提高。

参考图2，本发明的一个实施例的高效率LINC发射机包括：数字信号处理单元100，完成对基带信号的处理和对发射机的控制；模拟信号处理单元200，把数字信号处理单元输出的数字基带信号转变为模拟基带信号并将其正交调制到发射载频；放大单元300，完成对射频信号的放大；合成单元400，将两路被放大的射频信号合成为一路输出。

如图2所示，数字信号处理单元100包括：包络检波器101，计算输入信号的包络幅度；门限判决器102，将信号的包络幅度和门限值进行比较并输出控制信号；信号分离器103，完成度输入信号的分离；反余弦查值表104，将信号的幅度映射成信号分离时的异相角；相位控制器105，根据异相角输入对数字异相器的控制信号。

该模拟信号处理单元200包括：数字/模拟(D/A)转换器202和204，它们从前面的模块接受数字信号并将其转换成模拟信号；正交调制器212和214，它们将所接受的基带模拟信号正交调制到发射载频；本地振荡器222，提供一个振荡信号以便操作正交调制器212和214。

该信号放大单元300包括：高效率的非线性功率放大器302和304，完成对模拟信号处理单元输出信号的功率放大。

该功率合成单元400包括：数字移相器402和404，根据相位控制器产生的信号调整合成器的输入阻抗；四分之一波长线412和414。

下面参照图2至图5更详细的描述图2的高效率LINC发射机的操作。

输入高效率LINC发射机的信号是同时含有幅度信息和相位信息的信号，其信号的复数形式用

表示，其中r(t)表示输入信号的幅度，

表示输入信号的相位。包络检波器101用来提取输入信号的幅度信息r(t)，并将其值送给门限判决器102，门限判决器将输入信号的幅度r(t)和预先设置好的门限值r_th进行比较并将比较的结果作为控制信号送给信号分离器：如果r(t)<r_th，门限判决器输出0；如果r(t)>r_th，门限判决器输出1。信号分离器根据门限判决器输出的控制信号将输入信号分解为两路幅度恒定的恒包络信号。更具体的说，当门限判决器的输出信号为1时，即输入信号的幅度大于所设判决门限时，此时的输入信号用复信号S_A(t1)表示：

     r_th≤r(t1)≤r_max       (1)

经过信号分离后的两个恒包络信号为：

其中： $e_A\left(t1\right)=j{S}_A\left(t1\right)\sqrt{\frac{{r_{\max }}^2}{r{\left(t1\right)}^2}-1}---\left(4\right)$

$\mathrm{\&theta;}\left(t1\right)=\arccos \frac{r\left(t1\right)}{r_{\max }}---\left(5\right)$

r_max为输入信号的幅度的最大值，θ(t1)为附加相位调制角度即分离后信号的异相角。此时的信号分离和传统LINC发射机的信号分离无异。

当门限判决器的输出信号为0时，即输入信号的幅度小于所设的门限值时，将输入信号用复信号S_B(t2)表示：

        0≤r(t2)≤r_th     (6)

经过信号分离后的两个恒包络信号为：

其中： $e_B\left(t2\right)=j{S}_B\left(t2\right)\sqrt{\frac{{r_{\mathrm{th}}}^2}{r{\left(t2\right)}^2}-1}---\left(9\right)$

$\mathrm{\&theta;}\left(t2\right)=\arccos \frac{r\left(t2\right)}{r_{\mathrm{th}}}---\left(10\right)$

r_th为预先设定好的门限值，θ(t2)为分离后信号的异相角。此时的信号分离用门限值r_th代替了传统LINC发射机信号分离时的r_max。由式10可以看出，当输入信号的幅度r(t2)很小的时候，如果仍然使用输入信号的最大值r_max作为归一化电平进行分离，必然会使分离后信号的异相角θ(t2)增大，所以为了使得异相角减小，本发明对幅度较小的信号用门限值r_th作为归一化电平进行分离，因为r_th<r_max，根据异相角的计算公式，这样处理可以减小分离后信号的异相角θ。图3为本发明所提供的信号分离的示意图。因为θ的分布和输入信号的幅度及其最大值有关，r_max越大，θ越大，合成效率越低，因此减小θ的一种方法就是减小r_max，本发明提的信号分离方法就是通过取两个归一化电平值r_th和r_max，将输入信号根据幅度的不同分为S_A(t1)和S_B(t2)，并对它们用不同的归一化电平进行分离，从而改变了异相角θ的分布，提高了合成器的效率。传统LINC发射机分离后信号的θ分布和本发明所提供的高效率LINC发射机的θ分布如图4所示，由图4可以看出，本发明通过改变θ的分布状态，使得采用新算法后θ分布在小角度的概率比采用旧算法有很大提高，从而导致合成器合成效率的提高。

经过分离后的信号被送入模拟信号处理单元200进行数模转换并正交调制到发射载频(RF)。经模拟信号处理单元处理后信号的表达式如下：

$\begin{array}{cc}\left\{\begin{array}{c}{S}_{A1}\&prime;\left(t1\right)=S_{A1}\left(t1\right)\&CenterDot;e^{j{\mathrm{\&omega;}}_{c}t1}\\ S_{A2}\&prime;\left(t1\right)=S_{A2}\left(t1\right)\&CenterDot;e^{j{\mathrm{\&omega;}}_{c}t1}\end{array}\right.& r_{\mathrm{th}}\&le;r\left(t1\right)\&le;r_{\max }\end{array}---\left(11\right)$

$\begin{array}{cc}\left\{\begin{array}{c}{S}_{B1}\&prime;\left(t2\right)=S_{B1}\left(t2\right)\&CenterDot;e^{j{\mathrm{\&omega;}}_{c}t2}\\ S_{B2}\&prime;\left(t2\right)=S_{B2}\left(t2\right)\&CenterDot;e^{j{\mathrm{\&omega;}}_{c}t2}\end{array}\right.& 0\&le;r\left(t2\right)\&le;r_{\mathrm{th}}\end{array}---\left(12\right)$

其中ω_c为载波频率。

经过数模转换和正交调制的信号被送入信号放大单元进行功率放大。因为输入功率放大单元的信号S_A1＇(t1)，S_A2＇(t1)，S_B1＇(t2)，S_B2＇(t2)都为恒包络信号，所以不受功率放大器302和304非线性特性的影响，它们都以恒定的增益G被放大。经过信号放大单元信号的表达式如下：

$\begin{array}{cc}\left\{\begin{array}{c}{S}_{A1}\&prime;\&prime;\left(t1\right)=G\&CenterDot;S_{A1}\left(t1\right)\&CenterDot;e^{j{\mathrm{\&omega;}}_{c}t1}\\ S_{A2}\&prime;\&prime;\left(t1\right)=G\&CenterDot;S_{A2}\left(t1\right)\&CenterDot;e^{j{\mathrm{\&omega;}}_{c}t1}\end{array}\right.& r_{\mathrm{th}}\&le;r\left(t1\right)\&le;r_{\max }\end{array}---\left(13\right)$

$\begin{array}{cc}\left\{\begin{array}{c}{S}_{B1}\&prime;\&prime;\left(t2\right)={G\&CenterDot;S}_{B1}\left(t2\right)\&CenterDot;e^{j{\mathrm{\&omega;}}_{c}t2}\\ S_{B2}\&prime;\&prime;\left(t2\right)=G\&CenterDot;S_{B2}\left(t2\right)\&CenterDot;e^{j{\mathrm{\&omega;}}_{c}t2}\end{array}\right.& 0\&le;r\left(t2\right)\&le;r_{\mathrm{th}}\end{array}---\left(14\right)$

其中G为功率放大器的增益。功率放大器302和304为高效率的非线性功率放大器。

两路恒包络信号经过功率放大后进入功率合成单元400进行功率合成。合成后信号的表达式为：

$S_{\mathrm{Aout}}\left(t1\right)=S_{A1}\&prime;\&prime;\left(t1\right)+S_{A2}\&prime;\&prime;\left(t1\right)=G\&CenterDot;S_A\left(t1\right)e^{j{\mathrm{\&omega;}}_{c}t1}$    r_th≤r(t1)≤r_max     (15)

$S_{\mathrm{Bout}}\left(t1\right)=S_{B1}\&prime;\&prime;\left(t2\right)+S_{B2}\&prime;\&prime;\left(t2\right)=G\&CenterDot;S_B\left(t2\right)e^{j{\mathrm{\&omega;}}_{c}t2}$   0≤r(t2)≤r_th          (16)

通过上面的公式分析得到S_A(t1)和S_B(t2)都以恒定的增益G被放大，且因为t1和t2在时间上紧密连接但是没有任何重叠，因此输入信号S(t)可以得到复原。整个发射机等效为一个功率增益为G的线性放大器，输入信号和输出信号的关系如下：

$S_{\mathrm{out}}\left(t\right)=G\&CenterDot;S\left(t\right)\&CenterDot;e^{j{\mathrm{\&omega;}}_{c}t}---\left(17\right)$

以上的分析说明本发明所提供的高效率LINC发射机在保持传统LINC发射机高线性特点的同时通过在信号分离时采用两个量化电平的方法使得合成器的效率得到提高。为了使得合成器的效率进一步提高，本发明对合成器的输入阻抗进行了控制，具体的过程参见图2和图5。

本发明所提供的高效率LINC发射机的合成器的组成参见图2：两个数字移相器402和404，通过调整移相器的异相值可以动态的调节合成器的输入阻抗：两段特性阻抗为R_L的四分之波长传输线412和414。

研究表明合成器表现出一个动态阻抗，且阻抗大小与输入信号的相位有关，具体的表达式如下：

首先令： $y=\frac{R_0}{R_L}$ 和 $\mathrm{\&beta;}=\frac{{R_L}^2}{R_0}B,$ 其中R_L为两段四分之波长线的特性阻抗，R₀为合成器的输出阻抗，B为移相器所提供的并联电纳值。则合成器两个输入端的导纳可以表示如下：

$Y1(\mathrm{\&theta;}\&prime;)=\frac{y^2}{R_L}(2{\cos }^2(\mathrm{\&theta;}\&prime;)+j(\mathrm{\&beta;}-\sin (2\mathrm{\&theta;}\&prime;)))---\left(17\right)$

$Y2(-\mathrm{\&theta;}\&prime;)=\frac{y^2}{R_L}(2{\cos }^2(\mathrm{\&theta;}\&prime;)+j(-\mathrm{\&beta;}+\sin (2\mathrm{\&theta;}\&prime;)))---\left(18\right)$

其中θ＇为考虑了信号反射后的两路信号的异相角，它与分离后信号的异相角存在下式的关系：

$\cos (\mathrm{\&theta;}\&prime;)=\frac{y^2\&CenterDot;\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;\mathrm{tg}\left(\mathrm{\&theta;}\right)+1}{\sqrt{{[y^2\&CenterDot;\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;\mathrm{tg}\left(\text{\&theta;}\right)+1]}^2+{[(1+2\&CenterDot;y^2)\&CenterDot;\mathrm{tg}\left(\mathrm{\&theta;}\right)-y^2\&CenterDot;\mathrm{\&beta;}]}^2}}---\left(19\right)$

由式17，18，19可以看出合成器的输入阻抗是输入信号异相角的函数，输入信号异相角θ发生变化，合成器两个输入端的阻抗也会随之改变，从而影响合成器的瞬时效率。研究表明合成器的瞬时效率可以表示如下：

$\mathrm{\&eta;}\left(\text{\&beta;,\&theta;\&prime;}\right)=\frac{8\&CenterDot;y^2\&CenterDot;{\cos }^2\left(\text{\&theta;\&prime;}\right)}{{(1+2\&CenterDot;y^2\&CenterDot;{\cos }^2(\mathrm{\&theta;}\&prime;))}^2+y^4\&CenterDot;{(\mathrm{\&beta;}-\sin (2\&CenterDot;\mathrm{\&theta;}\&prime;))}^2}---\left(20\right)$

式19和20表明合成器的瞬时效率是异相角θ以及y和β的函数，通过调整这三个变量的值可以改变合成器的瞬时效率。本发明就是通过改变参数β的值来改变合成器的输入阻抗，进而改变合成器的瞬时效率。更具体的说是通过改变合成器的并联电纳B来改变β的值。合成器的合成效率曲线随β的变化参见图5，从图5中可以看出，通过调整β的值合成效率的最大值会出现在不同的θ值处，如果某一时刻信号分离后的异相角为θ，通过调整合成器的输入阻抗可以使得合成效率的最大值出现在θ处，则合成器的效率会进一步得到提高。本发明控制合成器输入阻抗的具体实施方式如下：

首先将包络检波器101输出的信号幅度r(t)送入反余弦查值表104，因为信号分离时的异相角和输入信号的幅度存在下式关系：

$\mathrm{\&theta;}=\left\{\begin{array}{cc}\arccos \frac{r\left(t\right)}{r_{\max }}& r_{\mathrm{th}}<r\left(t\right)<r_{\max }\\ \mathrm{arc}\cos \frac{r\left(t\right)}{r_{\mathrm{th}}}& 0<r\left(t\right)<r_{\mathrm{th}}\end{array}\right.---\left(21\right)$

因此可以预先将信号分离后的异相角θ以输入信号的幅度r(t)为地址存入反余弦查值表104，则反余弦查值表可以将输入信号的幅度映射为信号分离的异相角θ输出。

然后将反余弦查值表104输出的信号θ送入相位控制器105，105根据θ值输出对数字异相器的控制信号。因为式19和式20确定了合成器的瞬时合成效率与合成器并联电纳的模值B和异相角θ之间的关系，所以本发明的相位控制器仍然可以用查表的方式来实现。令式20中的合成效率为1，计算处不同θ所对应的并联电纳B，将并联电纳的模值B以θ角为地址存入相位控制器中，则每输入一个时刻的θ，相位控制器105可以输出在此θ下使合成器效率最大的并联电纳的模值B。

最后将并联电纳的模值B送给两个数字异相器402和404完成移相，使得两个支路的并联电纳分别为jB和-jB。

从上实施例可以看出，本发明通过设置门限将输入信号分为两部分并用不同的归一化电平进行分离，从而改变了分离后信号的异相角θ的分布，使得合成器的合成效率提高。并通过动态的调整合成器的输入阻抗使得合成器的瞬时合成效率明显改善。从而在保持传统LINC发射机的高线性的基础上使得发射机的效率得到提高。

虽然已经参照实施例具体的描述了本发明，但本发明普通技术人员将理解到，在不背离由随后权利要求的本发明精神和范围的条件下，可以做出形式和细节上的各种改变。

Claims (5)

1.一种高效率LINC发射机包括：数字信号处理单元(100)，处理并控制一种高效率LINC发射机的输入信号；模拟信号处理单元(200)，把数字信号处理单元输出的数字信号转换成模拟信号并调制到射频；放大单元(300)，完成对模拟信号处理单元输出信号的放大；合成单元(400)，将两路信号合成一路输出；

所述数字信号处理单元(100)至少包括一个信号分离器(103)，利用数字信号处理技术将输入信号S(t)分离成两路幅度恒定相位变化的恒包络信号S₁(t)和S₂(t)；

所述模拟信号处理单元(200)至少包括两个数/模转换器：第一数/模转换器(202)和第二数/模转换器(204)，用来将信号分离器(103)输出的两路数字信号转化为模拟信号；两个正交调制器：第一正交调制器(212)和第二正交调制器(214)，分别用来将第一数/模转换器(202)和第二数/模转换器(204)输出的基带模拟信号正交调制到发射载频，得到射频信号S₁′(t)和S₂′(t)；一个本地振荡器(222)，提供一个振荡信号以便第一正交调制器(212)和第二正交调制器(214)操作；

所述放大单元(300)至少包括两个非线性高效率功率放大器：第一功率放大器(302)和第二功率放大器(304)，分别对第一正交调制器(212)和第二正交调制器(214)输出的射频信号S₁′(t)和S₂′(t)进行功率放大，得到功率放大后的信号S₁＂(t)和S₂＂(t)；

所述合成单元(400)至少包括两段四分之波长传输线，第一四分之波长传输线412和第二四分之波长传输线414；

其特征在于，其数字信号处理单元(200)可以根据输入信号S(t)的大小和预先设定的门限值r_th将输入信号S(t)分成两类S_A(t)和S_B(t)并对其分别用不同的归一化点平r_th和r_max进行分离；同时数字信号处理单元(200)还可以根据输入信号的幅度计算信号分离时的异相角θ，并根据θ来动态地控制合成器的输入阻抗，使得合成效率最大。

2，根据权利1要求的一种高效率LINC发射机，其特征在于其数字信号处理单元还包括一个包络检波器(101)，一个门限判决器(102)，包络检波器(101)计算输入信号的包络幅度并将其值送给门限判决器(102)；门限判决器(102)将输入信号的幅度和门限值r_th进行比较并输出控制信号给信号分离器(103)，如果输入信号的幅度小于门限值，门限判决器(102)输出0，如果输入信号的幅度大于门限值，门限判决器(102)输出1。

3，根据权利2要求的一种高效率LINC发射机，其特征在于，信号分离器(103)可以根据门限判决器(102)输入的控制信号将输入信号分为两类并对其用不同的归一化电平进行分离，当门限判决器(102)输入0时，信号分离器(103)用r_th作为归一化电平对输入信号进行信号分离，当门限判决器(102)输入1时，信号分离器(103)用r_max作为归一化电平对输入信号进行信号分离。

4，根据权利3要求的一种高效率LINC发射机，其特征在于，合成单元(400)至少包括两个数字移相器，第一数字移相器(402)和第二数字移相器(404)，其中第一数字移相器(402)和第二数字移相器(404)具有相反的相位，且两个数字移相器的移相值均受相位控制器(105)的控制。

5，根据权利4要求的一种高效率LINC发射机，其特征在于，数字信号处理单元(100)还包括一个反余弦查值表(104)，一个相位控制器(105)，反余弦查值表(104)将输入信号的幅度映射成信号分离时的异相角并将其值送给相位控制器；相位控制器(105)根据反余弦查值表(104)输入的异相角信号输出对第一数字移相器(402)和第二数字移相器(404)的相位控制字，从而动态地控制合成器的输入阻抗。

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