CN101645864B - 基于自适应削峰的linc发射机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种改进的LINC发射机装置。该LINC发射机包括：峰值抵消削峰单元，降低输入信号的峰均比；信号分离单元，将削峰后的信号分解成两路包络幅度相等的反相信号；变频单元，将信号分离单元输出的两路信号分别转换成射频信号；信号放大单元，放大两路射频信号功率；信号合成单元，对信号放大单元输出的两路信号进行功率合成，得到用于射频天线发射的输出信号。本发明所述改进式系统通过窗函数削峰单元的引入，能够通过提高信号合成效率改善系统总体效率指标。

Description

基于自适应削峰的LINC发射机

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种应用于无线通信领域的LINC发射机结构。 

背景技术

随着3G标准的确立，新一代移动通信技术已进入实际应用阶段。为了满足客户在任何时间，任何地点，同任何人进行高速率数据传输的要求，新一代无线通信系统的调制方式日益复杂化，普遍采用了QPSK，16QAM，64QAM等频谱利用率较高的调制方式。这些信号具有的非恒包络特性，高峰均比特性对发射机末端功率放大器的线性度提出了很高的要求。此外，如何提高现代无线通信系统的效率也是实际应用中亟待解决的问题——工作效率低，功率损耗大导致现有的基站系统不得不花费大量成本用于冷却基站设备维持通信系统的稳定工作。 

常见的无线通信发射机，很难同时满足高效率和高线性度要求。作为发射机的核心部位的功率放大器，若想满足高效率的指标，就不得不工作在接近饱和区的非线性区域，若想取得优良的线性性就得工作在低效率的线性区。因此在传统应用中，设计者一般选择单独实现高效率指标，或单独实现高线性度指标，很难同时兼顾效率和线性度。 

LINC(Linear amplification with Nonlinear Components)，最先由Chireix提出，并命名为反相调制(Outphasing Modulation)技术。其核心思想是利用非线性高效率放大器实现对信号的线性放大。随着无线网络对数据传输速率要求的不断提高，这种能使功率放大器能够同时满足高效率和高线性度指标的技术开始逐渐受到研究者的关注。 

图1为传统的LINC发射机结构原理框图，模块110是信号分离器，将输入信号分解成两路包络幅度相等但是相位不等的恒包络反相信号。模块121，122是两个具有完全相同特性的变频器，分别对两路反相信号上变频，将基带信号变频为射频(RF)信号。模块131，312是两个具有完全相同特性的功率放大器，对两路射频信号进行功率放大。模块140是一个功率合成器，对两路放大后的反相信号进行功率合成，最终输出信号利用射频天线150进行发射。在无线通信领域中，传统的LINC发射机结构是公知的，故在此不再对其结构的各个单元进行详细描述。 

在对现有技术的研究和实践中，发明人发现传统的LINC技术至少存在以下问题：为了满足系统的线性度指标，设计应用中功率合成器往往采用隔离式功率合成器。隔离式功率合成器的瞬时效率由包络信号附加相位调制角度决定。隔离合成器平均效率的高低取决于包络信号附加相位调制角度的概率分布曲线与隔离合成器的瞬时效率曲线是否匹配良好。隔离合成器的平均效率将严重影响LINC发射机的整体效率。 

发明内容

本发明实施例要解决的技术问题是：提供一种改进的LINC发射机装置，能够改善隔离功率合成器瞬时合成效率特性对系统整体效率的影响，提高LINC发射机的效率，使其实现对无线通信信号的高效率高线性放大。 

根据本发明实施例的一个方面，提供一种改进的LINC发射机装置，该LINC发射机包括： 

峰值抵消削峰单元，降低原始信号的峰均比；信号分离单元，将削峰后的信号分解成两路包络幅度相等但是相位不等的反相信号；变频单元，将信号分离单元输出的两路信号分别转换成射频信号；信号放大单元，放大两路射频信号功率；信号合成单元，对信号放大单元输出的两路信号进行功率合成，得到用于射频天线发射的输出信号。 

该峰值抵消削峰单元应该包括延迟器，峰值提取器，带通滤波器。该带通滤波器应具有较短的脉冲响应序列，尽量减少峰值抵消削峰单元引入系统的时域误差。该峰值提取器能够自适应的调整峰值门限。其自适应调整算法利用数字信号处理技术实现，应至少包含模拟/数字(A/D)转换器将模拟信号转化为DSP能够处理的数字信号，存储单元。 

该信号分离单元包括一个信号分离器，利用数字信号处理技术实现LINC技术中的信号分解算法。该信号分离器中应该包含有模拟/数字(A/D)转换器将模拟信号转化为DSP能够处理的数字信号，数字/模拟(D/A)转换器，将信号分离后得到的数字信号转换为模拟信号。 

该变频单元包括具有完全相同特性的两个变频器，分别对两路反相信号上变频。 

该信号放大单元包括两个具有完全相同特性的高效率开关类功率放大器，对两路反相信号进行高效率放大。 

该信号合成单元包括一个信号合成器，对两路反相信号功率合成。为了满足系统的线性性指标，该合成器选择隔离合成器。 

以上技术方案可看出，由于利用峰值抵消削峰单元对LINC发射机的输入信号进行了峰均比抑制，并采用高效率的开关类功率放大器对信号进行功率放大，使得LINC发射机能够减少因隔离合成器自身效率特性带来的能量损失，提高了发射机的平均效率，降低了系统功率损耗，有利于维持系统的稳定性，降低系统运营成本。 

附图说明

通过参照附图的最佳实施例的详细描述，本发明的上述和其它特征以及优点将变得显见，其中： 

图1是传统LINC发射机结构原理框图； 

图2是本发明实施例提供的LINC发射机结构框图； 

图3是本发明实施例提供的峰值抵消削峰单元结构框图； 

图4是本发明实施例提供的自适应峰值提取算法流程图 

图5是未使用本例峰值抵消削峰技术的包络信号附加相位调制角度分布曲线和功率合成器合成效率仿真曲线； 

图6是本发明实施例提供的LINC发射机抵消削峰后包络信号附加相位调制角度的概率分布曲线和功率合成器合成效率仿真曲线。 

图7是本发明实施例提供的LINC发射机抵消削峰前、后包络信号附加相位调制角度的概率分布对比。 

具体实施方式

在下文中，将参照本发明实施例的附图详细描述本发明。 

在本公开中所有采用的术语是根据其在本发明中的功能定义的。 

本发明涉及一种基于优化匹配隔离合成器的相位效率曲线和包络信号附加相位调制角度概率分布曲线思想的LINC发射机结构。参考图2为本发明实施例提供的LINC发射机结构框图。根据本发明实施例的LINC发射机包括： 

峰值抵消削峰单元210。将输入信号进行峰值抵消削峰处理。 

输入信号为S_in(t)＝r(t)e^j[ωt+φ(t)]；o≤r(t)≤R_max； 

削峰后的信号为S_in′(t)＝r(t)e^j[ωt+φ(t)]；o≤r(t)≤r_max； 

信号分离单元220，将输入信号分解成两路包络幅度相等但是相位不等的反相信号。该单元包括一个信号分离器221。 

本实施例中，削峰后的输入信号S_in′(t)＝r(t)e^j[ωt+φ(t)]；o≤r(t)≤r_max；输入信号分离器221进行信号分离处理。信号分离器221基于数字信号处理技术对输入信号S(t)进行反相分离，其具体分离算法与传统LINC发射机分离算法一致，属公知技术，故在此不进行详细阐述。信号分离器221应包含数字/模拟(D/A)转换器，将分离后的两路数字信号分别转换为模拟信号S₁(t)和S₂(t)。S₁(t)和S₂(t)即为两路反相信号： 

S₁(t)＝(r_max/2)e^{j[ωt+φ(t)+θ(t)]}； 

S₂(t)＝(r_max/2)e^{j[ωt+φ(t)-θ(t)]}； 

其中，θ(t)＝arccos(r(t)/r_max)；r_max＝max|r(t)| 

变频单元230，将信号分离单元输出的两路反相信号分别转换成射频信号。该单元包括两个变频器231，232。 

本实施例中，变频器231，232分别对反相信号S₁(t)和S₂(t)进行上变频。得到射频信号X₁(t)和X₂(t)： 

$X_1\left(t\right)=B_1{e}^{j[(\mathrm{\ω}+{\mathrm{\ω}}_c)t+\mathrm{\φ}\left(t\right)+\mathrm{\θ}\left(t\right)]};$

$X_2\left(t\right)=B_2{e}^{j[(\mathrm{\ω}+{\mathrm{\ω}}_c)t+\mathrm{\φ}\left(t\right)-\mathrm{\θ}\left(t\right)]};$ 其中，ω_c＞＞ω且B₁，B₂为常数，假设所选用变频器理想，则B₁＝B₂＝(r_max/2)。 

信号放大单元240，该单元包括两个开关类功率放大器(可以选用D，E，F或E/F类功率放大器)241，242分别对两路反相信号进行功率放大，得到信号Y₁(t)和Y₂(t)： 

$Y_1\left(t\right)=G_1{e}^{j[(\mathrm{\ω}+{\mathrm{\ω}}_c)t+\mathrm{\φ}\left(t\right)+\mathrm{\θ}\left(t\right)]};$

$Y_2\left(t\right)=G_2{e}^{j[(\mathrm{\ω}+{\mathrm{\ω}}_c)t+\mathrm{\φ}\left(t\right)+\mathrm{\θ}\left(t\right)]};$

其中(G₁/B)，(G₂/B)开关类功率放大器241，242的输出功率增益，在本实例中假设两个开关类功率放大器完全工作在理想状态，具有完全相同的功率增益。 

信号合成单元250，包括一个信号合成器251。该信号合成器251考虑实际运用中系统对线性性的要求，采用隔离合成器。在理想状态时，信号合成器251对信号Y₁(t)和Y₂(t)进行功率合成，得到信号Y(t)： 

Y(t)＝Y₁(t)+Y₂(t)。 

但在实际应用中隔离合成器的瞬时合成效率是关于包络信号附加相位调制角度θ(t)的函数。 

η_COMB＝cos²θ； 

设信号的概率密度函数为p(θ)，则系统的平均效率为： 

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{AVG}}={\∫}_0^{\mathrm{\π}/2}p\left(\mathrm{\θ}\right){\cos }^2\mathrm{\θd\θ};$

其中p(θ)为包络信号附加相位调制角度θ的概率分布。 

由cos²θ函数的特性，功率合成器的瞬时效率在θ取较小值时其值较大。如果能改变p(θ) 函数，提高θ较小取值的概率，则可提高系统的平均效率。由于θ(t)＝arccos(r(t)/r_max)；r_max＝max |r(t)|。通过削峰减小r_MAX，则可以提高平均效率。 

参考图3，为本发明实施例所采用的传统峰值抵消削峰单元结构框图。峰值抵消削峰单元210包括一个延迟器311，一个峰值提取器312，一个带通滤波器313。延迟器311由寄存器串联组成，保持输入信号通过延迟器的输出信号能与经过带通滤波器的输出信号相位同步。峰值提取器312通过将输入信号的瞬时功率与预设门限做比较，对超过门限的输入信号提取最大瞬时功率峰值。将峰值送入带通滤波器313。带通滤波器313对峰值提取器312送入的峰值带通滤波，滤波后的信号与通过延迟器411的信号相减。即可获得一个峰值为预设门限的信号。峰值提取器312的输入门限是一个自适应的变化值。该峰值提取器能够实时查看装置输入信号的瞬时功率是否超过了预先的瞬时功率门限，如果探测到信号超过了所设门限，则启动模块中的计数器，并将超过门限的瞬时功率值存入寄存器。在一定时钟周期内，计数器计数大小超过某个预设值，读取寄存器所存储的瞬时门限值为峰值提取器的门限值。 

为了更清楚的阐述本实施例峰值提取器312的工作方式，下面将参考图4进行说明。图4为本发明实施例提供的自适应门限峰值提取算法流程图。需要说明的该门限自适应算法运用了数字信号处理技术，输入该模块的信号先要经过模拟/数字(A/D)转换器将模拟信号转化为DSP能够处理的数字信号。具体算法流程如下： 

401：设定初始门限功率P₀。P₀＝p₂。可依据通信系统或者用户需要来设定此门限指标。选取合适的门限初值有利于门限值的快速收敛。进入402 

402：提取瞬时功率p，进入403 

403：将p的值存入存储器中，为p₁＝p。进入404 

404；p₁与门限功率P₀比较。如果p₁≤p₂，则进行操作408；如果p₁≥p₂则进行操作405。 

405：启动计数器，每出现一次超过门限P₀的p计数一次。 

406：等待计数器计数值超过预设值后，计数器清零，进入407。 

407：令p₃＝p₁，进入408。 

408：结束操作。； 

图5，图6。图5是未使用本例峰值抵消削峰技术的包络信号附加相位调制角度分布曲线和功率合成器瞬时合成效率仿真曲线；该发射机结构中采用的隔离合成器结构为hybrid合成器。图6是本发明实施例提供的LINC发射机抵消削峰后包络信号附加相位调制角度的概率 分布曲线和功率合成器合成效率仿真曲线。仿真基于ADS软件平台，输入信号为中心频率2.14GHz WCDMA测试信号。对比图5与图6，通过自适应抵消削峰，包络信号附加相位调制角度的概率分布曲线向左移动，在小角度区域出现概率增大。表1为削峰前后附加相位调制角度出现在各角度区间的概率对比。在合成器瞬时效率超过50％的角度区域，相位调制角度的出现概率由未削峰的0.0740提高到0.2343。在合成器瞬时效率小于50％大于34.20％的角度区域，相位调制角度的出现概率由未削峰的0.2271提高到0.2749。在合成器瞬时效率小于34.20％的角度区域，相位调制角度的出现概率由未削峰的0.6989减小到0.4908。由仿真计算结果表明，通过本发明实例所提供的自适应峰值抵消削峰算法，对极少出现的大幅度信号削峰抑制，可将系统的平均效率由最初的9.5％提升到16.91％。 

以上实施例可以看出，由于对LINC发射机中输入信号先进行了自适应抵消削峰，抑制了因功率合成器带来的效率恶化，从而提高了LINC发射机的效率，减小了系统功耗。依据本发明，可实现一个性能更好的高效率LINC发射机。而且采用的自适应抵消削峰模块能对削峰门限进行自适应的校准，避免因削峰幅度设置不当带来的信号误差严重，ACPR指标恶化。 

以上参照实施例具体地展示和描述了本发明，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。 

Claims (6)

1.一种LINC发射机，包括：峰值抵消削峰单元(210)，将输入信号S_in(t)做峰值抵消削峰，输出信号S_in′(t)；信号分离单元(220)，将削峰后信号S_in′(t)分解成两路包络幅度相等但是相位不等的反相信号S₁(t)和S₂(t)；变频单元(230)，将信号分离单元输出的两路信号S₁(t)和S₂(t)分别转换成射频信号X₁(t)和X₂(t)；信号放大单元(240)，对变频单元(230)输出的两路射频信号X₁(t)和X₂(t)进行功率放大，得到功率放大后的信号Y₁(t)和Y₂(t)；信号合成单元(250)，对信号放大单元(240)输出的两路信号Y₁(t)和Y₂(t)进行功率合成，得到用于射频天线(260)发射的输出信号Y(t)；射频天线(260)，将输出信号Y(t)发射到空域；所述峰值抵消削峰单元(210)包括延迟器、峰值提取器、带通滤波器、A/D转换、自适应峰值门限调节，信号S_in(t)分别作为延迟器、峰值提取器和A/D转换的输入端，A/D转换的输出端经过自适应峰值门限调节连接峰值提取器的输入端，峰值提取器的输出端经过带通滤波器与延迟器的输出端求差值，得到信号S_in′(t)；

所述信号分离单元(220)至少包括一个信号分离器(221)，利用数字信号处理技术将削峰后输入信号S_in′(t)分解成两路包络幅度相等但是相位不等的反相信号S₁(t)和S₂(t)；所述信号分离器(221)前端具有模拟/数字转换器，将输入信号S_in′(t)转换为数字信号；所述信号分离器(221)后端具有数字/模拟转换器，将两路包络幅度相等但是相位不等的反相数字信号转换为反相模拟信号；

所述变频单元(230)至少包括两个变频器：第一变频器(231)和第二变频器(232)，分别对两路包络幅度相等但是相位不等的反相信号S₁(t)和S₂(t)进行上变频，得到射频信号X₁(t)和X₂(t)；

所述信号放大单元(240)至少包括两个开关类功率放大器：第一开关类功率放大器(241)和第二开关类功率放大器(242)，分别对经上变频的两路射频信号X₁(t)和X₂(t)进行功率放大，得到功率放大后的信号Y₁(t)和Y₂(t)；

所述信号合成单元(250)至少包括一个信号合成器(251)，对功率放大后的信号Y₁(t)和Y₂(t)进行功率合成，得到用于射频天线(260)发射的输出信号Y(t)。

2.根据权利要求1所述一种LINC发射机，其特征在于，所述峰值抵消削峰单元(210)中的延迟器为寄存器串联组，系统的输入信号经此装置后的输出信号与带通滤波器的输出信号在相位上保持同步。

3.根据权利要求1所述一种LINC发射机，其特征在于，所述峰值抵消削峰单元(210)中的峰值提取器判断输入该模块信号的瞬时功率是否超过峰值门限，并实时提取超过门限的信号中的最大瞬时功率峰值，将该峰值送入带通滤波器，该峰值门限通过自适应方式获取。

4.根据权利要求1所述一种LINC发射机，其特征在于，所述峰值抵消削峰单元(210)中的带通滤波器对峰值提取器送入的峰值进行带通滤波，滤波后的信号与经过延迟器的输入信号相减，削去过高瞬时功率。

5.根据权利要求3所述一种LINC发射机，其特征在于，所述自适应峰值门限调节，是这样工作的：实时查看装置输入信号的瞬时功率是否超过了预设的瞬时功率门限，如果探测到信号超过了所设门限，则启动自适应峰值门限调节中的计数器，并将超过门限的瞬时功率值存入寄存器，在一定时钟周期内计数器计数大小超过某个预设值，读取寄存器当前所存储的瞬时功率值为峰值提取器的瞬时功率门限值。

6.根据权利要求5所述一种LINC发射机，其特征在于，所述自适应峰值门限调节的前端具有模拟/数字转换器，将输入信号S_in(t)转换为数字信号；其内部具有寄存器，计数器。

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