CN101729079B - 一种linc发射机 - Google Patents

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Abstract

一种LINC发射机，属于无线通信技术领域，涉及无线通信技术的发射装置，尤其涉及一种基于非线性器件线性化技术(LINC)的发射机。该LINC发射机包括：信号分离单元、变频单元、信号放大单元、信号合成单元和射频天线；还包括一个反馈控制单元，通过耦合出部分输出信号，经衰减、下变频与输入信号进行比较得到误差信号，并利用该误差信号对信号放大单元中任一个功率放大器的输出功率进行实时调控，以实现信号放大单元中第一开关类功率放大器和第二开关类功率放大器的增益平衡。本发明通过反馈控制LINC发射机中开关类功率放大器的输出功率，消除两路信号的增益不平衡，从而改善LINC发射机的线性度，提高了LINC发射机的线性度，使其实现对无线通信信号的高效率高线性放大。

Description

一种LINC发射机
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及无线通信技术的发射装置，尤其涉及一种基于非线性器件线性化技术(LINC)的发射机。
背景技术
随着现代无线通信技术的发展，射频通信信号的调制方式逐渐复杂化，调制信号的包络幅度具有明显的随机特性，这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，现有无线通信发射机还存在一个明显缺陷——工作效率低，功率损耗大，需要增添额外的散热装置甚至制冷设备来维持系统稳定工作。这显然增添了经济成本并且有悖于现代节能环保的系统设计理念。
一般的无线通信发射机，无法同时满足高效率和高线性度要求。通常设计者要么单独实现高效率指标，要么单独实现高线性度指标，这些不能兼顾效率和线性度的发射机已经无法适应现代通信技术的发展。二十世纪30年代，Chireix提出了反相调制(Outphasing Modulation)技术，实现了利用非线性功率放大器提高发射机效率的设计思想，但是当时的设计者们更倾向于依赖改良器件材料来提高功率放大器效率，并且由于用模拟电路实现反余弦函数或其它三角函数过于复杂，这项技术没有受到应有的重视。随着数字信号处理技术飞速发展，信号分离部件可以用软件实现，20世纪70年代，Cox在不知已经发明的情况下重新提出了这种技术，命名为非线性器件线性化技术—LINC(Linear amplification with Nonlinear Components)，这种使功率放大器能够同时获得高效率和高线性度的技术开始受到研究者的关注。
采用非线性器件线性化技术(LINC)的发射机可同时具有高效率和高线性度的特点。在图1的LINC发射机结构原理框图中，基带信号输入信号分离器10，信号分离器10采用特定的信号分离算法将输入信号分解成两个包络幅度相等但相位不等的反相信号；变频器21和变频器22分别对两路反相信号进行上变频，得到射频(RF)信号；功率放大器31和功率放大器32分别对两路射频信号进行功率放大；信号合成器40将经功率放大的两路反相信号合成一个输出信号，最终输出信号通过射频天线50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发射机至少存在以下问题：LINC发射机对分离过后的两路反相信号幅度增益的不平衡十分敏感，两路放大器支路的增益不平衡严重影响LINC发射机的线性度。此外，由于温度漂移、器件老化、信道变换的存在，发射机的幅度特性会不断发生变化，故在实际应用中设计出性能较好的LINC发射机非常困难。
发明内容
本发明提供一种改进的LINC发射机，能够使LINC发射机避免因两路反相信号幅度增益不平衡而产生失真，提高LINC发射机的线性度，使其实现对无线通信信号的高效率高线性放大。
本发明的核心思想是通过反馈控制LINC发射机中开关类功率放大器的输出功率，消除两路信号的增益不平衡，从而改善LINC发射机的线性度，提高其工作性能。
本发明技术方案如下：
一种LINC发射机，如图2所示，包括：信号分离单元100，将基带输入信号S(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200，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300，对变频单元200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400，对信号放大单元300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601发射的输出信号Y(t)；射频天线601，将输出信号Y(t)发射到空域。
所述信号分离单元100至少包括一个信号分离器101，利用数字信号处理技术将基带输入信号S(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101前端具有模拟/数字转换器，将基带输入信号S(t)转换为数字信号；所述信号分离器101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200至少包括两个变频器：第一变频器201和第二变频器202，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300至少包括两个开关类功率放大器：第一开关类功率放大器301和第二开关类功率放大器302，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400至少包括一个信号合成器401，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601发射的输出信号Y(t)。
本发明所述的LINC发射机，还包括一个反馈控制单元500，反馈控制单元500通过耦合出部分输出信号Y(t)，将经衰减并下变频后的得到的基频反馈信号S′(t)与输入信号S(t)进行比较得到误差信号，并利用该误差信号对信号放大单元300中任一个功率放大器的输出功率进行实时调控，以实现信号放大单元300中第一开关类功率放大器301和第二开关类功率放大器302的增益平衡。
所述反馈控制单元500由耦合器501、衰减器502、第三变频器503和信号处理与控制电路504组成。耦合器501耦合出的部分输出信号Y(t)经衰减器502进行功率衰减后再经第三变频器503进行下变频变成基频反馈信号S′(t)；信号处理与控制电路504将下变频后的基频反馈信号S′(t)与输入信号S(t)进行比较，提取出误差信号用于实时调控信号放大单元300中任一个开关类功率放大器的输出功率，以实现信号放大单元300中第一开关类功率放大器301和第二开关类功率放大器302的增益平衡。
以上技术方案可看出，本发明由于利用反馈控制单元对LINC发射机的其中一路信号进行增益实时控制并实现两路反相信号的幅度增益平衡，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发射机能够在高工作效率下避免信号失真，改善了发射机的线性度，提高了发射机的工作性能。
附图说明
图1是传统LINC发射机结构原理框图。
图2是本发明提供的LINC发射机结构框图。
图3是本发明提供的LINC发射机中信号处理与控制单元500的具体实现框图。
图4是本发明提供的LINC发射机中用于信号处理与控制单元500的反馈控制算法流程图。
图5是本发明提供的LINC发射机中一种E类功率放大器输出功率控制实现框图。
图6是理想的LINC发射机输出功率谱仿真测试图；
图7是增益不平衡的传统LINC发射机输出功率谱仿真测试图；
图8是本发明提供的LINC发射机输出功率谱仿真测试图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明作进一步详细描述。
本发明提供的LINC发射机，如图2所示，包括：
信号分离单元100，将基带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。该单元至少包括一个信号分离器101。
基带输入信号S(t)＝a(t)cos(ωt+θ)输入信号分离器101进行信号分离处理，信号分离器101基于数字信号处理技术对基带输入信号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101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)＝(Amax/2)cos(ωt+θ+φ)；S2(t)＝(Amax/2)cos(ωt+θ-φ)
其中，φ(t)＝cos-1(a(t)/Amax)；Amax＝max|a(t)|
变频单元200，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。该单元至少包括第一变频器201和第二变频器202。
第一变频器201和第二变频器202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)：
X1(t)＝Bcos[(ω+ωc)t+θ+φ]；
X2(t)＝Bcos[(ω+ωc)t+θ-φ]；其中，B为常数，ωc
Figure G2008100462626D0004193800QIETU
ω。
信号放大单元300，至少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)：第一开关类功率放大器301和第二开关类功率放大器302。其中一个开关类功率放大器的输出功率是可控制的，本实施例通过控制开关类功率放大器302的输出功率来调整此路反相信号的增益。第一开关类功率放大器301和第二开关类功率放大器302对两路反相信号进行功率放大，得到信号Y1(t)和Y2(t)：
Y1(t)＝G1cos[(ω+ωc)t+θ+φ]；
Y2(t)＝G2cos[(ω+ωc)t+θ-φ]；
其中G1、G2分别是第一开关类功率放大器301、第二开关类功率放大器302的增益。
信号合成单元400，至少包括一个信号合成器401。该信号合成器401可选用隔离型信号合成器或非隔离型信号合成器。信号合成器401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)。
反馈控制单元500，该单元由耦合器501、衰减器502、第三变频器503和信号处理与控制电路504组成。耦合器501取出部分输出信号Y′(t)；衰减器502对Y′(t)进行功率衰减；变频器503将衰减后的信号下变频后得到基频反馈信号S′(t)；信号处理与控制电路504将基频反馈信号S′(t)与输入信号S(t)进行比较，提取出误差信号作为反馈控制信号，实时控制信号放大单元300中第二开关类功率放大器302的增益，使其与第一开关类功率放大其301的增益相平衡。其原理是：当G＝G1＝G2时，输出信号Y(t)有如下表达式：
Y(t)＝G[cos(ωt+ωct+θ+φ)+cos(ωt+ωct+θ-φ)]
＝G[2cosφcos(ωt+ωct+θ)]
＝(2G/Amax)a(t)cos(ωt+ωct+θ)
即发射机将输入信号S(t)转换为射频信号Y(t)，并且完成了高线性功率放大，同时由于发射机采用开关类功率放大器，耗能很少，故可保证高工作效率。
射频天线601，将输出信号Y(t)发射到空域。
图3为本发明提供的LINC发射机中信号处理与控制单元500的具体实现框图。所述信号处理与控制电路504由电压比较器541、误差分析单元542、误差存储单元543、控制信号产生单元544、数/模转换器545和滤波器546组成。电压比较器541将基频反馈信号S′(t)与基带输入信号S(t)进行比较，可得到误差信号err。误差分析单元542从误差存储单元543中读取预先设定的误差初始值erro，将电压比较器541输出的误差信号err与误差初始值erro进行比较，同时将误差信号err送入误差存储单元543进行存储。误差分析单元542将所得的误差比较结果送入控制信号产生单元544，控制信号产生单元544产生数字控制信号。542，543，544均属于数字电路部分。依据数字信号处理技术，利用普通的DSP芯片即可实现对误差信号的比较分析，误差存储可由存储器实现，简单的加减计数器即可产生所需的控制信号。因此，误差分析单元542，误差存储单元543和控制信号产生单元544在现有的技术条件下都很容易实现。控制信号产生单元544输出的数字控制信号通过数/模转换器545转换为模拟控制信号，然后经过滤波器546滤波后获得一个平滑的模拟电压控制信号。
为了更清楚的阐述本实施例信号处理与控制电路的工作方式，下面将参考图4进行说明。图4为本发明实施例提供的反馈控制方法流程图。信号处理与控制电路504可基于信号处理技术利用此方法实现对信号放大单元300的调控。
701：设定初始误差erro。可依据通信系统或者用户需要来设定此误差指标。此指标在不同的应用环境下可以调整。
702：检测并提取输入信号S(t)与基频反馈信号S′(t)之间的误差err，可由电压比较器541实现。err可反应发射机在工作状态时的失真情况。
703：将err送入误差存储单元543，令err1＝err。
704：误差分析单元542对err与erro进行比较分析，可依据误差分析结果，调整开关类功率放大器的输出功率。如果err≤erro，则进行操作711；如果err>erro，则进行操作705。
705：增大功率放大器供电电压，即控制信号产生单元544产生控制信号。可利用可逆计数器进行加运算实现。
706：再次提取输入信号S(t)与基频反馈信号S′(t)之间的误差err。
707：误差分析单元542对err与err1进行比较分析，如果err≥err1，则进行操作708；如果err<err1，则返回操作703。
708：减小功率放大器供电电压，即控制信号产生单元544产生控制信号。可利用可逆计数器进行减运算实现。
709：利用电压比较器提取输入信号S(t)与反馈信号S′(t)之间的误差err。
710：误差分析单元542对err与erro进行比较分析，如果err≤erro，则进行操作711；如果err>erro，则返回操作708。
711：结束操作。
本实施例的反馈控制信号并不局限于电压比较器产生的误差信号。在技术条件成熟的情况下，其可被功率放大器的线性度指标ACPR(邻近信道功率比)，EVM(矢量幅度误差)等代替。耦合器取出部分输出信号后，可通过测试其ACPR或EVM值，作为反馈控制信号，进而调控功率放大器的输出功率。
为了详细说明如何对信号放大单元300中开关类功率放大器的输出功率进行控制，本实施例选用E类功率放大器作为开关类功率放大器301，302进行阐述。E类功率放大器的工作原理和电路图均是公知的，在此不详细说明。
图5为本发明实施例提供的一种E类功率放大器输出功率控制实现框图。令E类第二功率放大器302的输出功率为Po，依据E类功率放大器工作原理可知Po＝8VDD 2/R(π2+4)，其中VDD为漏级供电电压，R为负载。故可在保证负载R不变的情况下调整VDD的取值即可实现改变输出功率Po大小的目的。在图5中，信号处理与控制电路504通过控制DC转换器321来改变E类功率放大器302的漏级供电电压VDD，从而可实现控制E类功率放大器302输出功率的目的。DC转换器321的输入电压是滤波器546输出的电压控制信号，对DC转换器并无特殊的限制要求，故此部分电路也易于实现。本实施例通过对信号放大单元300中任一个功率放大器的输出功率进行控制，即可实现对发射机中两路反相信号幅度增益不平衡的抑制。
图6为理想的LINC发射机输出功率谱仿真测试图；图7为增益不平衡的传统LINC发射机输出功率谱仿真测试图；图8是本发明实施例提供的LINC发射机输出功率谱仿真测试图。仿真基于ADS(安捷伦公司高级系统设计仿真软件)软件平台，输入信号为2.14GHzWCDMA测试信号。对比图6与图7，由于增益不平衡的影响，传统LINC发射机的输出功率谱带外噪声显著增强，ACPR指标明显下降，故其线性度严重恶化。对比图7与图8，经过反馈控制后，LINC发射机增益不平衡现象得到抑制，本实施例提供的LINC发射机输出功率谱带外噪声显著减小，显然ACPR指标得到了改善，其线性度明显好于未进行增益不平衡矫正的传统LINC发射机。
以上实施例可以看出，由于对LINC发射机中两路反相信号的幅度增益进行了反馈控制，抑制了这两路信号的幅度增益不平衡现象，从而提高了LINC发射机的线性度，同时由于采用的开关类功率放大器具有很高的工作效率，减小了系统功耗，故可使LINC发射机在高工作效率下实现高线性放大。依据本发明，可实现一个性能更好的高效率高线性LINC发射机。
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 (3)

1.一种LINC发射机，包括：信号分离单元(100)，将基带输入信号S(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(200)，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(300)，对变频单元(200)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(400)，对信号放大单元(300)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(601)发射的输出信号Y(t)；射频天线(601)，将输出信号Y(t)发射到空域；
所述信号分离单元(100)至少包括一个信号分离器(101)，利用数字信号处理技术将基带输入信号S(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(101)前端具有模拟/数字转换器，将基带输入信号S(t)转换为数字信号；所述信号分离器(101)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(200)至少包括两个变频器：第一变频器(201)和第二变频器(202)，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(300)至少包括两个开关类功率放大器：第一开关类功率放大器(301)和第二开关类功率放大器(302)，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(400)至少包括一个信号合成器(401)，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(601)发射的输出信号Y(t)；
其特征在于，它还包括一个反馈控制单元(500)，反馈控制单元(500)通过耦合出部分输出信号Y(t)，将经衰减并下变频后的得到的基频反馈信号S′(t)与输入信号S(t)进行比较得到误差信号，并利用该误差信号对信号放大单元(300)中任一个功率放大器的输出功率进行实时调控，以实现信号放大单元(300)中第一开关类功率放大器(301)和第二开关类功率放大器(302)的增益平衡；
所述反馈控制单元(500)由耦合器(501)、衰减器(502)、第三变频器(503)和信号处理与控制电路(504)组成；耦合器(501)耦合出的部分输出信号Y(t)经衰减器(502)进行功率衰减后再经第三变频器(503)进行下变频变成基频反馈信号S′(t)；信号处理与控制电路(504)将下变频后的基频反馈信号S′(t)与输入信号S(t)进行比较，提取出误差信号用于实时调控信号放大单元(300)中任一个开关类功率放大器的输出功率，以实现信号放大单元(300)中第一开关类功率放大器(301)和第二开关类功率放大器(302)的增益平衡；
所述信号处理与控制电路(504)由电压比较器(541)、误差分析单元(542)、误差存储单元(543)、控制信号产生单元(544)、数/模转换器(545)和滤波器(546)组成；
电压比较器(541)将基频反馈信号S′(t)与基带输入信号S(t)进行比较得到误差信号err；误差分析单元(542)从误差存储单元(543)中读取预先设定的误差初始值erro，并将电压比较器(541)输出的误差信号err与误差初始值erro进行比较，同时将误差信号err送入误差存储单元(543)进行存储；误差分析单元(542)将所得的误差比较结果送入控制信号产生单元(544)，控制信号产生单元(544)产生数字控制信号；控制信号产生单元(544)输出的数字控制信号通过数/模转换器(545)转换为模拟控制信号，然后经过一个滤波器(546)滤波后获得一个平滑的模拟电压控制信号。
2.根据权利要求1所述的LINC发射机，其特征在于，所述信号放大单元(300)中的开关类功率放大器是D、E、F或E/F类功率放大器。
3.根据权利要求2所述的LINC发射机，其特征在于，所述信号放大单元(300)中的开关类功率放大器是E类功率放大器；其中E类第一功率放大器(301)或E类第二功率放大器(302)具有一个DC转换器(321)，所述信号处理与控制电路(504)产生的模拟电压控制信号通过控制DC转换器(321)来改变E类第一功率放大器(301)或E类第二功率放大器(302)的漏级供电电压VDD，从而实现调控E类第一功率放大器(301)或E类第二功率放大器(302)的输出功率，最终实现信号放大单元(300)中第一开关类功率放大器(301)和第二开关类功率放大器(302)的增益平衡。
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