CN101651459A - 高效率线性linc发射机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高效率线性LINC发射机，该LINC发射机结构包括：信号预处理单元，完成对输入信号分段预失真处理和合成器的控制；信号分离单元，将预失真后的信号分解成两路恒包络调相信号；模拟上变频单元，把分离后的两路数字基带信号转换成模拟信号并正交调制到射频；放大处理单元，完成对两路射频信号的功率放大；矢量合成单元，对两路信号进行功率合成输出。其中信号预处理单元可以根据输入信号的幅度计算信号分离时的异相角θ，在信号分离前通过对异相角θ的区间划分，产生不同的控制信号，从而实现了合成器的输入阻抗随异相角θ的改变。同时为了保证本发明的LINC发射机仍具有高线性指标，本发明还根据异相角θ的区间对输入信号进行了分段预失真处理。

Description

高效率线性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线性LINC发射机。

背景技术

在现代无线通信系统中，效率和线性始终是发射机的两个关键因素。通常情况下，研究者们要么单独实现了高效率的指标，要么单独实现了高线性的指标，单追求一个指标的完美意义已经不大。但是要将两个指标都较好的在同一个发射机中实现，其难度是非常大的。而LINC技术正好可以解决功率放大器的效率和线性问题，它采用高效率的非线性功率放大器来放大恒包络的调相信号，这样就可避免由功放的非线性所带来的不利影响，因而既保证了发射机的高线性度，又保证了发射机的高效率。所以对LINC发射机的研究成为了目前国内外移动通信领域的热点问题之一。

传统的LINC发射机原理框图如图1所示：信号分离模块110把一个调幅调相信号分解为两个恒包络的调相信号，之后由两个正交调制器模块122，124分别对两路基带信号正交调制到射频，然后通过两个特性完全相同的功放模块132和134，最后利用功率合成器140对两路信号矢量合成输出。同时为了考虑整机的效率，合成器一般采用非隔离式合成器(Chireix-outphasing功率合成器)。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，故对各个内部单元在此不做详细描述。

在对现有技术的研究和实践中，发明人发现传统的LINC发射机结构至少存在以下问题：

由于高效率非线性功率放大器(E类或F类)的应用，LINC技术在理论上讲有100％的效率和极高的线性度，但是这两个结果都是基于理想的功放模型和合成器模型得到的，在实际电路设计中无法实现。LINC技术中的功率放大由高效率放大器实现，信号的矢量合成则由功率合成器实现。因此LINC发射机的效率和线性主要受到功率放大器和功率合成器的影响。功率合成器电路对LINC系统效率起着非常重要的作用，它的功率损耗将严重影响系统效率。尽管传统的LINC发射机采用非隔离型合成器，对效率进行了改善，但导致系统线性度的严重恶化。另外通过对非隔离合成器的研究发现，功率合成器的瞬时效率受电路本身特性的影响。

发明内容

本发明实施例要解决的技术问题是：提供一种高效率线性的LINC发射机结构，能够进一步提高非隔离功率合成器平均合成效率，并解决由于合成器的非线性特性所带来的线性度指标恶化问题，真正实现信号的高效率线性放大。

为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：

本发明实施例根据合成器的特性提供了一种新的基带信号预处理模块，在信号分离前通过对异相角θ的区间划分，实现信号的分段预失真处理和合成器的输入阻抗实时改变。此种方法可以更好提高合成器的合成效率和线性度。

该LINC发射机结构包括：信号预处理单元，完成对输入信号分段预失真处理，并通过提取信号的异相角θ，控制合成器的输入阻抗；信号分离单元，将预失真后的信号分解成两路恒包络调相信号；模拟上变频单元，把分离后的两路数字基带信号转换成模拟信号并正交调制到射频；放大处理单元，完成对两路射频信号的功率放大；矢量合成单元，对两路信号进行功率合成输出。

该信号预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；一个反余弦查值表，得到输入信号幅度对应的信号分离时的异相角；一个相位判决器，用来对异相角进行区间定位，同时产生区间控制信号；一个延迟单元，保持输入信号通过延迟器的输出信号与区间控制信号同步；一个查值表模块，对输入信号进行预失真映射；一个可调电位器模块，根据相位判决器的输出控制信号实时调整电平大小，完成对变容二极管的控制。

该信号分离单元包括一个信号分离器，完成对预失真后信号的分离。

该模拟上变频单元最好包括两个数/模转换器，用来将信号分离单元输出的两路数字信号转换成模拟信号；两个正交调制器，把两路信号调制到射频；一个本地振荡器，用来提供发射载波。

该放大处理单元最好包括两个高效率非线性功率放大器，完成对两路信号的功率放大。

该矢量合成单元最好包括两个可控电抗电路，调节合成器的输入阻抗；两段四分之一波长微带线。

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发射机结构框图；

图2是本发明实施例提供的高效率线性LINC发射机结构框图；

图3是Chireix-outphasing功率合成器在传统LINC系统中的一个基本电路结构；

图4是不同β值下合成器瞬时效率η与异相角θ的关系曲线示例性图；

图5是本发明实施例提供的输入异相角θ的区间划分示例性图；

图6是本发明实施例提供的合成器的合成效率曲线示例性图；

图7是本发明实施例提供的合成器中可调电抗模块504的等效原理说明图。

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非隔离合成器的合成效率曲线和合成器非线性失真校正的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：

信号预处理单元100。将输入信号进行分段预失真处理，并完成对功率合成器输入阻抗的控制；信号分离单元200，将预处理后的输入信号分解成两路恒包络调相信号；模拟上变频单元300，把信号分离后的两路数字基带信号转变为模拟信号并将其正交调制到射频；放大处理单元400，完成对两路射频信号的功率放大；矢量合成单元500，将两路被放大的射频信号矢量合成输出。

如图2所示，信号预处理单元100包括：包络检波器101，用来提取输入信号的幅度值；一个反余弦查值表102，得到输入信号幅度对应的信号分离时的异相角；一个相位判决器105，用来对异相角进行区间定位，同时产生区间控制信号；一个延迟单元103，实现查值表索引(输入信号的幅度和相位)与区间控制信号的同步；一个分段查值表模块104，对输入信号进行预失真映射；一个可调电位器模块106，根据相位判决器的输出控制信号实时调整电平大小，完成对变容二极管的控制。

该信号分离单元200包括：一个信号分离器201。将预处理后的输入信号分解成两路恒包络调相信号。

该模拟上变频单元300包括：数/模(D/A)转换器302和304，它们从前面的模块接受数字基带信号并将其转换成模拟信号；正交调制器312和314，它们将所接受的两路模拟信号正交调制到射频；本地振荡器322，提供一个发射载波以便操作正交调制器312和314。

该放大处理单元400包括：两个高效率的非线性功率放大器402和404，完成对模拟上变频单元输出信号的高效率放大。

该矢量合成单元500包括：可控电抗电路502和504，根据可调电位器产生的电平控制信号调整合成器的输入阻抗；四分之一波长微带线512和514。

下面参照图2至图7更详细的描述图2的高效率线性LINC发射机的实现原理。

图3为Chireix-outphasing功率合成器在传统LINC系统中的一个基本电路结构，它包括两段1/4波长的微带传输线，两段电抗线。在LINC系统中，功率合成器输入端信号相位并非同相，而是随信号包络的变化而变化，并且合成器表现出随输入信号变化的动态阻抗特性，因此导致功率放大器与功率合成器之间必将产生失配。假如输入异相角为θ，按照图3的微带电路设计，双支路的阻抗公式可以表示为：

$Y_1\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{R_0}{R_L^2}[2{\cos }^2\left(\mathrm{\θ}\right)+j\·(\frac{R_L^2}{R_0}\·B-\sin \left(2\mathrm{\θ}\right))---\left(1\right)$

$Y_2\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{R_0}{R_L^2}[2{\cos }^2\left(\mathrm{\θ}\right)+j\·(\frac{R_L^2}{R_0}\·B+\sin \left(2\mathrm{\θ}\right))---\left(2\right)$

令 $y=\frac{R_0}{R_L},$ $\mathrm{\β}=\frac{R_L^2}{R_0}\·B,$ 上面的表达式化简为：

$Y_1\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{y_2}{R_L}[2{\cos }^2\left(\mathrm{\θ}\right)+j\·(\mathrm{\β}-\sin \left(2\mathrm{\θ}\right))]---\left(3\right)$

$Y_2(-\mathrm{\θ})=\frac{y_2}{R_L}[2{\cos }^2\left(\mathrm{\θ}\right)+j\·(-\mathrm{\β}+\sin \left(2\mathrm{\θ}\right))]---\left(4\right)$

上述阻抗表达式除与电路参数y、B有关外，还与输入异相角θ有关，也就是说功率合成器的输入阻抗随输入异相角的变化呈现为一个动态阻抗，结果导致功率放大器在不同的信号特征下工作在不同的失配状态，引起系统反射，并且该变化为一个时变过程。电路的反射会严重影响功率放大器和功率合成器的效率。把电路失配引起的反射考虑进去后，可以得到合成器与放大器之间的反射系数为：

${\mathrm{\Γ}}_1(\mathrm{\β},{\mathrm{\θ}}^{\′})=\frac{Z_1\left({\mathrm{\θ}}^{\′}\right)-Z_0}{Z_1\left({\mathrm{\θ}}^{\′}\right)+Z_0}=\frac{1-Z_0\·Y_1\left({\mathrm{\θ}}^{\′}\right)}{1+Z_0\·Y_1\left({\mathrm{\θ}}^{\′}\right)}---\left(5\right)$

${\mathrm{\Γ}}_2(-\mathrm{\β},-{\mathrm{\θ}}^{\′})=\frac{Z_2(-{\mathrm{\θ}}^{\′})-Z_0}{Z_2(-{\mathrm{\θ}}^{\′})+Z_0}=\frac{1-Z_0\·Y_2(-{\mathrm{\θ}}^{\′})}{1+Z_0\·Y_2(-{\mathrm{\θ}}^{\′})}---\left(6\right)$

式中的Γ₁(β，θ′)和Γ₂(-β，-θ′)是上下两条分支的反射系数，θ′是电路考虑反射后的输入异相角，它与分离时信号的异相角存在下式的关系：

$\cos \left({\mathrm{\θ}}^{\′}\right)=\frac{y^2\·\mathrm{\β}\·\mathrm{tg}\left(\mathrm{\θ}\right)+1}{\sqrt{{(y^2\·\mathrm{\β}\·\mathrm{tg}\left(\mathrm{\θ}\right)+1)}^2+{((1+2\·y^2)\·\mathrm{tg}\left(\mathrm{\θ}\right)-y^2\·\mathrm{\β})}^2}}---\left(7\right)$

由于反射影响，最终使得Chireix-outphasing功率合成器的工作性能和理想LINC系统提出的信号的矢量合成不相符，Chireix-outphasing的实际输出信号和瞬时合成效率可以表示为：

$V_0(\mathrm{\β},{\mathrm{\θ}}^{\′})=2\·y\·G\·\frac{r_{\max }}{2}|1+\mathrm{\Γ}(\mathrm{\β},{\mathrm{\θ}}^{\′})|\·\cos \left({\mathrm{\θ}}^{\′}\right)---\left(8\right)$

$\mathrm{\η}(\mathrm{\β},{\mathrm{\θ}}^{\′})=\frac{8y^2\·{\cos }^2\left({\mathrm{\θ}}^{\′}\right)}{{(1+2y^2\·{\cos }^2\left({\mathrm{\θ}}^{\′}\right))}^2+y^4\·{(\mathrm{\β}-\sin \left(2{\mathrm{\θ}}^{\′}\right))}^2}---\left(9\right)$

图4是不同β值下合成器瞬时效率η与异相角θ的关系曲线图，所以通过调整β的大小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。为此对信号分离时的异相角θ进行区间划分，控制合成器在每段区间得到不同的输入阻抗值。具体的区间划分情况可以表示为0～θx；θ₁～θ₂；θ₂～θ₃；θ₃～θ₄；......；θ_N-1～θ_N。划分的示意图如图5所示，而对于区间控制信号来说，可以用m位的二进制信号表示，其中m的取值是条件2^m≥N成立时的m的最小值，N为区间个数。

另外本发明控制合成器输入阻抗的具体实施方式如下：

参见图2，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102，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：

$\mathrm{\θ}\left(t\right)=\arccos \frac{r\left(t\right)}{r_{\max }}---\left(10\right)$

因此可以预先将信号分离时的异相角θ以输入信号的幅度r(t)为地址存入反余弦查值表102，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102输出的信号θ送入相位判决器105，105根据θ值输出相应区间控制信号后送给可调电位器106，得到对应的电平大小，完成对可控电抗模块502和504的控制。因为式7和式9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，令式9中的合成效率为1，计算处于不同θ所对应的并联电纳B，将并联电纳的模值B转换为变容二极管502对应的电抗大小。另外对于电抗模块504，它的两个inverter为电抗转换器，通过与变容二极管的串联，等效得到一个并联的电感。使得两个支路的并联电纳分别为jB和-jB。具体的等效结构如图7所示，其中K为inverter的等效变换常数。

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发射机效率尺度的基础上，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和平均效率进一步提高，示例性结果如图6所示。但此时系统的线性度受到严重恶化，为了保证本发明的LINC发射机仍具有高线性指标，本发明同时根据异相角θ的区间对输入信号进行了分段预失真处理。具体的过程将在下面做详细的描述。

本发明所提供的高效率线性LINC发射机的输入信号是调幅调相信号，其信号的复数形式用

0≤|r(t)|≤r_max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)，并将其值送给反余弦查值表模块102，查表输出信号分离时对应的异相角θ，之后把θ值送入相位判决器105，和预先设置好的区间门限值进行比较，用来对异相角进行区间定位，并产生区间控制信号分别送给分段查值表104和可调电位器106。同时延迟单元103由寄存器串联组成，保持输入信号通过延迟器的输出信号与区间控制信号同步。此时的输入信号由于异相角θ的划分可以表示为：

s(t)＝s(t，0≤θ≤θ₁)+s(t，θ₁≤θ≤θ₂)+s(t，θ₂≤θ≤θ₃)+.......+s(t，θ_N-1≤θ≤θ_N)    (11)

另外通过实测，可以得到合成器的输出信号在不同的异相角区间上的表达式：

0～θ₁段：此时输出电压与输入异相角存在关系式V₁＝f₁(s(t))＝F₁(θ)；

θ₁～θ₂段：此时输出电压与输入异相角存在关系式V₂＝f₂(s(t))＝F₂(θ)；

θ₂～θ₃段：此时输出电压与输入异相角存在关系式V₃＝f₃(s(t))＝F₃(θ)；

θ₃～θ₄段：此时输出电压与输入异相角存在关系式V₄＝f₄(s(t))＝F₄(θ)；

..........

θ_N-1～θ_N段：此时输出电压与输入异相角存在关系式V_N＝f_N(s(t))＝F_N(θ)；

求得对应的反函数定义为：

U₁＝G₁(s(t))，U₂＝G₂(s(t))，U₃＝G₃(s(t))，U₄＝G₄(s(t))，......，U_N＝G_N(s(t))    (12)

由于本发明采用查值表预失真方法，因此可以预先将U₁，U₂，U₃......U_N的值以输入信号的幅度和相位为地址存入分段查值表。

此时输入信号在区间控制信号的选择下，对相应查值表进行查表，输出结果为：

G(s(t))＝G₁(s(t，0≤θ≤θ₁))+G₂(s(t，θx≤θ≤θ₂))+G₃(s(t，θ₂≤θ≤θ₃))+

                                                   (13)

.......+G_N(s(t，θ_N-1≤θ≤θ_N))

也就是说经过预失真处理后变成G(s(t))。函数G(t)可以保证信号s(t)经过功率放大器和功率合成器后能够以恒定的增益K被放大，既抵消功率合成器的非线性特性，从而保证发射机的高线性。

将预处理后的输入信号G(s(t))送入信号分离器201，其具体分离算法与传统LINC发射机分离算法一致。

令G(s(t))＝R(t)·e^jφ(t)，0≤|R(t)|≤R_max，经过信号分离后的两个恒包络信号为：

$S_1\left(t\right)=\frac{1}{2}(G\left(s\left(t\right)\right)+e\left(t\right))=\frac{R_{\max }}{2}\·e^{j[\mathrm{\φ}\left(t\right)+\mathrm{\α}\left(t\right)]}---\left(14\right)$

$S_2\left(t\right)=\frac{1}{2}(G\left(s\left(t\right)\right)+e\left(t\right))=\frac{R_{\max }}{2}\·e^{j[\mathrm{\φ}\left(t\right)-\mathrm{\α}\left(t\right)]}---\left(15\right)$

其中： $e\left(t\right)=j\·G\left(s\left(t\right)\right)\·\sqrt{\frac{R_{\max }^2}{R^2\left(t\right)}-1},$ $\mathrm{\α}\left(t\right)=\arccos \frac{R\left(t\right)}{R_{\max }}$

经过此信号成分分离和预失真处理过的信号被送入模拟上变频单元300进行数模转换并调制到射频。本实施例中，正交调制器312，314分别对两路信号S₁(t)和S₂(t)进行上变频。得到射频信号X₁(t)和X₂(t)：

$X_1\left(t\right)=\frac{R_{\max }}{2}\·e^{j[w\left(t\right)+\mathrm{\φ}\left(t\right)+\mathrm{\α}\left(t\right)]}---\left(16\right)$

$X_2\left(t\right)=\frac{R_{\max }}{2}\·e^{j[w\left(t\right)+\mathrm{\φ}\left(t\right)-\mathrm{\α}\left(t\right)]}---\left(17\right)$

放大处理单元400，该单元包括两个高效率非线性功率放大器(可以选用D，E，F或E/F类功率放大器)402，404分别对两路射频信号进行功率放大，得到信号Y₁(t)和Y₂(t)：

$Y_1\left(t\right)=G\·\frac{R_{\max }}{2}\·e^{j[w\left(t\right)+\mathrm{\φ}\left(t\right)+\mathrm{\α}\left(t\right)]}---\left(18\right)$

$Y_2\left(t\right)=G\·\frac{R_{\max }}{2}\·e^{j[w\left(t\right)+\mathrm{\φ}\left(t\right)-\mathrm{\α}\left(t\right)]}---\left(19\right)$

在本实例中假设两个高效率非线性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G。

矢量合成单元500，非隔离型功率合成器合成Y₁(t)和Y₂(t)，最终输出K·s(t)，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K的线性放大器。

从上实施例可以看出，由于利用信号预处理单元对LINC发射机的输入信号进行了预失真处理，并采用相位控制对功率合成器的输入阻抗进行动态调节，使得合成器的瞬时效率在多个的信号功率点上达到最大化，所以平均效率得到提高。另外合成器引起的非线性失真也得到了补偿。

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 (4)

1.一种高效率线性LINC发射机包括：信号预处理单元(100)，完成对输入信号分段预失真处理，并通过提取信号的异相角θ，控制合成器的输入阻抗；信号分离单元(200)，将预处理后的信号分解成两路恒包络调相信号；模拟上变频单元(300)，把分离后的两路数字基带信号转换成模拟信号并正交调制到射频；放大处理单元(400)，完成对两路调制后的射频信号的放大；矢量合成单元(500)，对两路信号进行功率合成输出；

所述信号分离单元(200)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)分离成两路恒包络调相信号S₁(t)和S₂(t)；

所述模拟上变频单元(300)至少包括两个数/模转换器：第一数/模转换器(302)和第二数/模转换器(304)，用来将信号分离器(201)输出的两路数字基带信号转化为模拟信号；两个正交调制器：第一正交调制器(312)和第二正交调制器(314)，分别用来将第一数/模转换器(302)和第二数/模转换器(304)输出的模拟信号正交调制到射频；一个本地振荡器(322)，提供一个发射载波以便第一正交调制器(312)和第二正交调制器(314)操作；

所述放大处理单元(400)至少包括两个非线性高效率功率放大器：第一功率放大器(402)和第二功率放大器(404)，分别对第一正交调制器(312)和第二正交调制器(314)输出的射频信号进行功率放大；

所述矢量合成单元(500)至少包括两段四分之波长传输线，第一四分之一波长传输线512和第二四分之一波长传输线514；

其特征在于，其信号预处理单元(100)可以根据输入信号的幅度计算信号分离时的异相角θ，在信号分离前通过对异相角θ的区间划分，得到不同的控制信号，从而实现了合成器的输入阻抗随异相角θ的改变；同时为了保证本发明的LINC发射机仍具有高线性指标，本发明还根据异相角θ的区间对输入信号进行了分段预失真处理。

2，根据权利1要求的一种高效率线性LINC发射机，其特征在于，矢量合成单元(500)至少包括两个可控电抗模块，第一可控电抗模块(502)和第二可控电抗模块(504)，其中第一可控电抗模块(502)和第二可控电抗模块(504)具有相反的相位，且两个可控电抗模块的电抗值均受可调电位器(106)电平信号的控制。

3，根据权利2要求的一种高效率线性LINC发射机，其特征在于，信号预处理单元(100)还包括一个包络检波器(101)，一个反余弦查值表(102)，一个相位判决器(105)，一个可调电位器(106)，包络检波器(101)提取输入信号的幅度信息并将其值作为地址送给反余弦查值表(102)；反余弦查值表(102)输出信号分离时的异相角θ送入相位判决器(105)；相位判决器(105)将输入异相角与预设的区间门限值进行比较并输出区间控制信号送给分段查值表(104)和可调电位器(106)；可调电位器(106)根据相位判决器(105)的输出控制信号实时调整电平大小，完成对第一可控电抗模块(502)和第二可控电抗模块(504)的控制。从而达到了合成器的输入阻抗随异相角θ的改变。

4，根据权利3要求的一种高效率线性LINC发射机，其特征在于其信号预处理单元还包括一个延迟单元(103)，一个分段查值表(104)，延迟单元(103)由寄存器串联组成，保持输入信号通过延迟器的输出信号与相位判决器(105)产生的区间控制信号同步。分段查值表(104)以输入信号的幅度和相位为索引对输入信号进行预失真映射后，送给信号分离单元(200)中的信号分离器(201)。

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