CN101567667B - 增强型模拟预失真线性化功率放大器 - Google Patents

Abstract

一种增强型模拟预失真线性化功率放大器，包括信号分路单元、第一主功放、预失真产生单元、延时滤波器、误差功放、3dB电桥、控制单元，及接收机，信号分路单元的输入端为射频输入端口，第一主功放的输入端及预失真产生单元的第一输入端分别连到信号分路单元的输出端，第一主功放的第一输出端连到延时滤波器的输入端，第二输出端连到预失真产生单元的第二输入端，预失真产生单元的输出端连到误差功放的输入端，控制单元对各设备进行控制，延时滤波器与误差功放的输出端均连到3dB电桥的输入端，3dB电桥的输出端为射频输出端口。本发明的优点在于：除了可以很好的改善ACPR，还具有自适应功能、同时还大大提高了功放的整体效率，完全满足工程应用的要求。

Description

增强型模拟预失真线性化功率放大器

【技术领域】

本发明是关于一种线性化功率放大器，特别是指一种在WCDMA移动通信基站及直放站系统中的线性化功率放大器。

【背景技术】

现代无线通信系统为实现更高的数据传输速率和频谱效率，广泛地采用了线性调制技术，提高了射频功率放大器的性能要求。功率放大器需在宽频带内，具有高输出功率、效率和线性度。应用在WCDMA移动通信基站及直放站系统中的功率放大器，应具有很高的线性度，才能够最小化对相邻信道的干扰。实现高线性度功率放大器的方法很多，主要有功率回退法、反馈法、前馈法、和预失真法等。功率回退法是一种最简单、最可靠的线性化措施，但存在功率利用率低、效率低等缺点且线性度改善有限，在高线性度要求的应用领域，其常与其他线性化技术组合使用。反馈法带宽有限，稳定性差。前馈法具有线性度改善显著和宽带等优点，但由于要求额外的误差放大器和复杂的控制电路，导致成本较高且功放效率较低。预失真法包括射频预失真和数字基带预失真等各种技术类型。数字基带预失真法改善功放线性度效果显著，但不易应用于功放输入输出信号均为射频信号的直放站系统中。射频预失真法具有电路简单、成本低、效率高、宽带等优点，在当代无线移动通信基站和直放站系统中得到了广泛应用。

射频预失真线性化功率放大器的设计目标是使射频预失真信号发生器输出的三阶交调信号，经功率放大器放大后，其幅度与功率放大器自身的三阶交调分量相等，而两者的相位彼此相反，完全抵消掉功率放大器自身的三阶交调分量。功率放大器的特性常受到环境温度的变化、供给电压的波动、信道的切换、器件的老化等一系列因素的影响，致使功率放大器自身产生的三阶交调分量的幅度和相位会随之变化。为了保证在各种工作条件下均能够获 得最佳的线性化效果，实用的功率放大器应采用自适应策略跟踪上述因素所引起的功放非线性特性变化，实时优化射频预失真信号发生器输出的三阶交调信号的幅度和相位，使其能最大化对消掉功放自身的三阶交调分量，维持功放输出高线性度。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于提供一种可以很好的改善ACPR(邻信道功率比)，并具有自适应功能、同时还能够提高功放的整体效率的增强型模拟预失真线性化功率放大器。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种增强型模拟预失真线性化功率放大器，包括信号分路单元、第一主功放、预失真产生单元、延时滤波器、误差功放、控制单元，以及接收机，其中信号分路单元的输入端作为射频输入的端口，第一主功放的输入端以及预失真产生单元的第一输入端分别连接到信号分路单元的输出端，第一主功放的第一输出端连接到延时滤波器的输入端，第一主功放的第二输出端连接到预失真产生单元的第二输入端，预失真产生单元的输出端连接到误差功放的输入端，接收机连接到射频输出的端口，控制单元实现对信号分路单元、第一主功放、预失真产生单元、误差功放、以及接收机的控制，该增强型模拟预失真线性化功率放大器还包括3dB电桥，延时滤波器的输出端与误差功放的输出端同时连接到3dB电桥的输入端，3dB电桥的输出端作为射频输出的端口，控制单元同时控制3dB电桥；

所述增强型模拟预失真线性化功率放大器包括三个环路，第一个环路为载波对消环，包括信号分路单元、第一主功放，以及预失真产生单元，在该环路里，将交调失真信号提取出来；第二个环路为功率合成环，包括第一主功放、延时滤波器、误差功放，以及3dB电桥，在该环路里，第一主功放与误差功放的失真信号抵消，载波信号合成；第三个环路为交调对消环，包括预失真产生单元以及误差功放，在该环路里，第一主功放的交调信号与误差功放交调对消。

该发明进一步具体为：

所述信号分路单元与所述第一主功放之间还包括依次串联的一第一电调衰减器以及一第一移相器，所述第一主功放与所述预失真产生单元之间还包括一耦合器。

该控制单元包括一第二耦合器以及一功率检测器，该第二耦合器的一端接到预失真产生单元的输出端，另一端接到所述功率检测器，所述第二耦合器耦合一部分信号，然后进入功率检测器把功率变化转化为电压变化，控制单元通过采集电压值的变化知道功率的变化情况，再通过最小功率算法去调整所述第一电调衰减器以及所述第一移相器。

所述预失真产生单元以及所述误差功放之间还包括依次串联的一第二电调衰减器以及一第二移相器。

该控制单元还包括一第三耦合器，该第三耦合器的一端接到3dB电桥的输出端，另一端接到功率检测器，所述第三耦合器耦合一部分信号，然后进入功率检测器把功率变化转化为电压变化，控制单元通过采集电压值的变化知道功率的变化情况，再通过最小功率算法去调整所述第二电调衰减器跟所述第二移相器。

所述预失真产生单元包括第一功分器、第一合路器、第三电调衰减器、第三移相器、第二主功放、第四电调衰减器以及第二合路器，所述第一功分器的输入端接信号分路单元，两输出端分别接第一合路器的一输入端以及第四电调衰减器，第一合路器的输出端后面依次串行连接有第三电调衰减器、第三移相器、第二主功放，第一主功放的输出端口连接到该第一合路器的另一输入端，第一合路器的输出端接到控制单元，第二主功放的输出端以及第四电调衰减器的另一端分别接到第二合路器的输入端，第二合路器的输出端接到误差功放。

本发明增强型模拟预失真线性化功率放大器的优点在于：除了可以很好的改善ACPR，还具有自适应功能、同时还大大提高了功放的整体效率，完全满足工程应用的要求。另一方面，该功放跟移动通信基站及直放站系统中的检测设备结合在一起，可以检测输入功率告警、驻波告警、增益告警。

【附图说明】

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的描述。

图1是本发明增强型模拟预失真线性化功率放大器的整体结构框图。

图2是图1中载波对消环的电路原理图。

图3是图1中功率合成环的电路原理图。

图4是图1中交调对消环的电路原理图。

【具体实施方式】

请参阅图1，本发明增强型模拟预失真线性化功率放大器综合运用了现有的前馈和预失真技术。本发明增强型模拟预失真线性化功率放大器包括信号分路单元1、第一主功放2、预失真产生单元3、延时滤波器4、误差功放5、3dB电桥6、控制单元7，以及接收机8。其中信号分路单元1的输入端作为射频输入的端口，第一主功放2的输入端以及预失真产生单元3的第一输入端分别连接到信号分路单元1的输出端，第一主功放2的第一输出端连接到延时滤波器4的输入端，第一主功放2的第二输出端连接到预失真产生单元3的第二输入端，预失真产生单元3的输出端连接到误差功放5的输入端，延时滤波器4的输出端与误差功放5的输出端同时连接到3dB电桥6的输入端，3dB电桥6的输出端作为射频输出的端口。控制单元7实现对信号分路单元1、第一主功放2、预失真产生单元3、误差功放5，以及3dB电桥6的控制。接收机8连接在3dB电桥6的输出端，实现射频信号的接收，接收机8同时与控制单元7相连，从而实时监控射频信号的输出。

从结构上来看可以用三个环路来描述该增强型模拟预失真线性化功率放大器。第一个环路即为传统的载波对消环，包括信号分路单元1、第一主功放2，以及预失真产生单元3，将交调失真信号提取出来；第二个环路为功率合成环，包括第一主功放2、延时滤波器4、误差功放5，以及3dB电桥6；第三个环路即为交调对消环，包括预失真产生单元3、误差功放5。载波信号分成两路经过第一环路后把载波信号抵消掉，这样就可以把失真信号提取出来进入误差功放5。在第二、第三环路中，第一主功放2的交调信号与误差功放5交调对消，从而提高了线性化功率放大器的整体线性度。但是其误差路(也就是误差功放5所在的线路)并不是一个简单的交调提取与放大电路， 而是一个过预失真电路，信号经过过预失真电路放大后，交调信号与主路(这里指的是第一主功放2所在的线路)交调信号矢量相反，载波信号与主路信号矢量相同，所以经过3dB电桥6合路后，产生的效果是失真信号抵消，载波信号合成，从而不但达到线性化的要求，还大大提高了功放的整体效率。下面具体讲解各部分的工作原理。

(1)前面提到的三个环路中第一环就是载波对消环，载波对消环的闭环控制通常采用最小功率算法和正交调节环的方案，这种方案的优点是控制速度快。请同时参阅图1及图2所示，图2是载波对消环的电路原理图，载波从RFin进，经过信号分路单元1后分成两路，一路是RF1，RF1依次通过一第一电调衰减器21以及一第一移相器22后进入第一主功放2，然后通过一第一耦合器23耦合出载波RF3出来，另一路为RF2，RF2跟RF3这两路在预失真产生单元3合路后实现抵消载波信号，输出RF6。该控制单元7包括一第二耦合器37以及一功率检测器74，该第二耦合器37的一端接到预失真产生单元3，另一端接到功率检测器74，第二耦合器37耦合一部分信号，然后进入功率检测器74把功率变化转化为电压变化，控制单元7可以通过采集电压值的变化知道功率的变化情况，再通过最小功率算法去调整第一电调衰减器21以及一第一移相器22。

载波信号抵消，是在频带内的向量对消，信号必须满足相等的幅度和180度的相位差异。实际上，特别是在宽带范围内，很难做到两个信号幅度完全相同，相位完全相反，因此信号的抑制只能到一定的程度。

现在考虑两个抵消信号：

x＝Acos(ωt+θ)                     (1)

式中，ω为待抵消信号的频率，θ为信号的初始相位，α、 

分别为x.y这两个信号抵消的幅度误差和相位误差。

两个信号的合成输出为：

从上式可以得出，信号抵消条件是比较严格的，如信号抵消要达到30dB，相位误差必须在2度以内，幅度误差要求小于0.2dB。而宽带条件下，不同频点幅度波动较大，相位也有较大差异。在宽带内，我们可以通过增益补偿网络即电调衰减器21实现减小幅度误差的目的，通过调节移相器22减小相位误差。

(2)第2个环路就是功率合成环，就是两路功放(这里指的是主功放链路以及误差攻放链路)的合路，要达到最大功率输出，保证最大效率，请同时参阅图1及图3所示，图3是功率合成环的电路原理图。

图3中上面那路是主功放链路，主要包括第一主功放2以及延时滤波器4，下面那路的是误差功放链路，主要包括第二电调衰减器51，第二移相器52和误差功放5，RF1依次通过第一主功放2以及延时滤波器4后输出载波RF8，上述RF6依次通过第二电调衰减器51，第二移相器52，以及误差功放5后输出载波RF7，载波RF8与RF7通过3dB电桥6合路，最后载波输出RFOUT，该控制单元7还包括第三耦合器72，此时第三耦合器72的一端接到3dB电桥6，另一端接到功率检测器74，用来检测功率输出，要保证最大功率输出就要保证功率检测器74检测出来的功率是最小的，也就是PWR_OUT的电压最小，通过实时监测PWR_OUT的电压，并按一定的算法去调节第二电调衰减器51跟第二移相器52，达到最大功率输出。

(3)第三个环路即为交调对消环，在这个环路，第一主功放2的交调信号与误差功放5交调对消，从而提高了预失真线性功率放大器的整体线性度。该交调对消环包括预失真产生单元3，预失真产生单元3具有交调检测跟线性调节的功能。请同时参阅图4所示，该预失真产生单元3包括第一功分器31、第一合路器32、第三电调衰减器33、第三移相器34、第二主功放35、第四电调衰减器36以及第二合路器38。第一功分器31的输入端接信号分路单元1，两输出端分别接第一合路器32的一输入端以及第四电调衰减器36，第一合路器32的输出端后面依次串行连接有第三电调衰减器33、第三移相器34、第二主功放35，第一主功放2通过第一耦合器23的输出端口后连接到该第一合路器32的另一输入端，第一合路器32的输出端从第二耦合器37的耦合端口接到控制单元7，第二主功放35的输出端以及第四电调衰减器36的另一端分别接到第二合路器38的输入端，第二合路器37的输出端接到误差功放5。

交调检测就是检测失真信号大小，通过复杂的算法去调节预失真单元3中 的第三电调衰减器33、第四电调衰减器36以及第三移相器34，保证该预失真线性功率放大器的线性处于最好状态，达到自适应。在整个宽带内ACPR可以好15-20个dBc。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (6)

1.一种增强型模拟预失真线性化功率放大器，包括信号分路单元、第一主功放、预失真产生单元、延时滤波器、误差功放、控制单元，以及接收机，其中信号分路单元的输入端作为射频输入的端口，第一主功放的输入端以及预失真产生单元的第一输入端分别连接到信号分路单元的输出端，第一主功放的第一输出端连接到延时滤波器的输入端，第一主功放的第二输出端连接到预失真产生单元的第二输入端，预失真产生单元的输出端连接到误差功放的输入端，接收机连接到射频输出的端口，控制单元实现对信号分路单元、第一主功放、预失真产生单元、误差功放、以及接收机的控制，其特征在于：

还包括3dB电桥，延时滤波器的输出端与误差功放的输出端同时连接到3dB电桥的输入端，3dB电桥的输出端作为射频输出的端口，控制单元同时控制3dB电桥；

所述增强型模拟预失真线性化功率放大器包括三个环路，第一个环路为载波对消环，包括信号分路单元、第一主功放，以及预失真产生单元，在该环路里，将交调失真信号提取出来；第二个环路为功率合成环，包括第一主功放、延时滤波器、误差功放，以及3dB电桥，在该环路里，第一主功放与误差功放的失真信号抵消，载波信号合成；第三个环路为交调对消环，包括预失真产生单元以及误差功放，在该环路里，第一主功放的交调信号与误差功放交调对消。

2.如权利要求1所述的增强型模拟预失真线性化功率放大器，其特征在于：所述信号分路单元与所述第一主功放之间还包括依次串联的一第一电调衰减器以及一第一移相器，所述第一主功放与所述预失真产生单元之间还包括一第一耦合器。

3.如权利要求2所述的增强型模拟预失真线性化功率放大器，其特征在于：该控制单元包括一第二耦合器以及一功率检测器，该第二耦合器的一端接到预失真产生单元的输出端，另一端接到所述功率检测器，所述第二耦合器耦合一部分信号，然后进入功率检测器把功率变化转化为电压变化，控制单元通过采集电压值的变化知道功率的变化情况，再通过最小功率算法去调整所述第一电调衰减器以及所述第一移相器。

4.如权利要求1所述的增强型模拟预失真线性化功率放大器，其特征在于：所述预失真产生单元以及所述误差功放之间还包括依次串联的一第二电调衰减器以及一第二移相器。

5.如权利要求4所述的增强型模拟预失真线性化功率放大器，其特征在于：该控制单元包括一第三耦合器以及一功率检测器，该第三耦合器的一端接到3dB电桥的输出端，另一端接到功率检测器，所述第三耦合器耦合一部分信号，然后进入功率检测器把功率变化转化为电压变化，控制单元通过采集电压值的变化知道功率的变化情况，再通过最小功率算法去调整所述第二电调衰减器跟所述第二移相器。

6.如权利要求1至5任一项所述的增强型模拟预失真线性化功率放大器，其特征在于：所述预失真产生单元包括第一功分器、第一合路器、第三电调衰减器、第三移相器、第二主功放、第四电调衰减器以及第二合路器，所述第一功分器的输入端接信号分路单元，两输出端分别接第一合路器的一输入端以及第四电调衰减器，第一合路器的输出端后面依次串行连接有第三电调衰减器、第三移相器、第二主功放，第一主功放的输出端口连接到该第一合路器的另一输入端，第一合路器的输出端接到控制单元，第二主功放的输出端以及第四电调衰减器的另一端分别接到第二合路器的输入端，第二合路器的输出端接到误差功放。

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