CN101904092A - 线性化的功率放大器 - Google Patents

Abstract

描述了包括预失真器和前馈电路的线性化的功率放大器。通过既使用预失真器又使用前馈消除系统，提高了所述放大器的线性化程度。经过放大的信号的精度可以通过使用由所述前馈消除系统产生的误差信号训练所述预失真器而得到进一步提高。线性化电路中提高的精度降低了误差放大器的功率需求，并放宽了前馈回路的相位、振幅和延迟精度。

Description

线性化的功率放大器

技术领域

本发明涉及信号的放大以及放大器的改进的线性化。本发明适于在诸如蜂窝基站等通信设备中使用。

背景技术

在诸多应用中，放大器被用于增大输入信号的功率。然而，在放大期间，误差被引入信号中。例如，理想情况下放大器是线性的，但通常放大器仅在某些范围内是线性的，这导致限幅和失真。为此，已开发出多种机制来对放大器的非线性进行补偿，从而增大能够获得线性响应的范围。两种已知的对引入的误差进行补偿的方法是前馈线性化和预失真。

图1示出已知的前馈系统10的示例。在前馈系统10中，输入信号12被分成主信号14和基准信号16。主信号传给主放大器22，在主放大器22处被放大。放大器输出的信号除了经过放大的主信号14之外，还包括由放大器22引入的任何失真。主信号14经过放大之后就被采样，并被从基准信号中减去(在28处)以产生误差信号30。理想情况下，误差信号30仅包含主放大器22在处理主信号14时引入的误差。为了实现此目的，在将主信号和基准信号合并时，必须对主信号与基准信号的时间和振幅进行精确地校准。为实现这种校准，在基准信号通路中引入延迟电路18。

然后，误差信号30可以使用误差放大器32来放大，并被从主放大器22的输出中减去，以将主放大器的输出24中存在的误差去除。同样这需要信号的精确同步，以确保误差从信号中被准确地去除。

如本领域技术人员所理解的，前馈校正的主要缺点之一由功率放大器的相对较大的失真造成。由于引入的失真大，因此需要大误差放大器来对误差信号进行处理。另外，为了实现用以减少失真以满足典型的频谱发射屏蔽所需的高水平消除，必须非常准确地匹配前馈回路的增益、相位和延迟。为了实现这种准确匹配，常常需要使用附加硬件(导频音接收机等)，这会进一步增加成本和复杂度。

图2示出已知的预失真系统40的示例。在预失真系统中，输入信号首先经过预失真器42，在预失真器42处，该输入信号与对放大器的增益和相位失真特性进行反相模拟的预失真系数合并。然后，信号经过DAC 44、上转换器46，到达功率放大器48，并在功率放大器48处被放大。预失真器的处理意味着放大器引入的任何误差已在信号中被补偿。可选地，可以在DAC与功率放大器之间引入一上转换器(未示出)。

结果信号还可以用于使用包括ADC 46的反馈回路50对预失真器进行训练，以便更准确地模拟放大器的特性。这使得对放大器48引入的任何误差进行消除的准确性更高。这样，系统的线性度能够得到进一步提高。可选地，反馈回路50还可以包括下转换器(未示出)。

在传统的预失真系统中，通常需要系统中元件的带宽是输出信号的期望带宽的至少五倍。另外，这些元件通常具有高的动态范围，以确保满足输出信号的频谱屏蔽。为了满足这些需求，功率放大器内使用的DSP和DAC具有相当高的功耗且成本昂贵。

由于使用多载波信号的通信系统具有增大的动态范围和带宽，因此这种通信系统尤其对预失真系统提出挑战。目前的预失真系统不能满足用于多载波GSM的严格的频谱发射屏蔽。因此，期望进一步最小化在放大过程中所引入的失真，并进一步提高线性化过程的效率。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种对信号进行放大的设备，包括：被布置为接收输入信号的输入端；用于将所述输入信号分成主信号和基准信号的装置；用于处理所述主信号的预失真器；用于放大所述主信号的放大器；处理装置，用于从所述主信号的采样中减去所述基准信号，以产生表示经过放大后的所述主信号中的残差的误差信号；对所述误差信号进行采样的装置；以及使用采样误差信号训练所述预失真器的处理装置。通过使用误差信号训练所述预失真器，可以使用较低功率的误差下转换器和ADC。

可选地，所述设备包括用于放大所述误差信号的误差放大器，以及被布置为从所述主信号中减去所述误差信号以产生输出信号的比较器。

另外，通过在误差消除点处将回路闭合，预失真的信号对放大器中的增益、相位和延迟变化进行补偿，并使用所述预失真器迫使误差达到所能达到的最小可能值。这最小化了前馈误差放大器的功率处理需求，并减少了对独立的稳定或补偿装置的需求，因而允许利用较低复杂度和较便宜的设计。前馈误差通路中较低的功率和较低的复杂度意味着可以使主通路的延迟最小化。最小化主通路的延迟减少了信号功耗并提高了整体效率。

可选地，所述设备可以包括滤波器，该滤波器被布置为在所述基准信号被所述处理装置从所述主信号中减去之前，对所述基准信号进行滤波。由于在该点处对插入损耗有高的容限，因此这样布置滤波器允许使用高选择性滤波器。另外，由于滤波器不需要对功率放大器的输出进行滤波，即滤波器不必处理功率放大器的全部输出，并且滤波器的插入损耗不会降低放大器的输出功率，因此在该点处插入滤波器是有利的。由于前馈校正装置的存在意味着功率放大器的输出会与滤波后的基准信号相匹配，因此可以在该点处插入放大器。所述滤波器例如可以是带通滤波器。

所述设备可以进一步包括低分辨率的数模转换器(DAC)，用于在所述主信号被所述预失真器处理之后但被放大之前，对所述主信号进行处理。正常情况下，在该点处使用的DAC必须同时满足(功率放大器的失真所产生的三阶和五阶交调分量的预失真所需的)5倍信号带宽，并且满足所需的动态范围以完全符合频谱发射屏蔽。然而，由于在功率放大器输出处的前馈消除行为，通过使用前馈消除，系统具有较低的动态范围需求。

可选地，可以使用低动态范围的误差模数转换器处理采样误差信号。另外，可以使用低动态范围的下转换器处理采样误差信号。

在一种变体中，所述输入是宽带信号，该宽带信号可以是包括GSM、UMTS、LTE和WiMAX等多种标准的多个信号。

根据本发明的第二方面，提供一种对信号进行放大的方法，包括以下步骤：接收输入信号；将所述输入信号分成主信号和基准信号；在预失真器中处理所述主信号；放大所述主信号；将所述主信号的采样与所述基准信号合并，以产生表示放大后的所述主信号中的残差的误差信号；对所述误差信号进行采样；以及使用采样误差信号训练所述预失真器。

根据本发明的第三方面，提供一种存储在计算机可读媒介上的计算机程序，其被布置为实施包括以下步骤的对信号进行放大的方法：接收输入信号；将所述输入信号分成主信号和基准信号；在预失真器中处理所述主信号；放大所述主信号；将所述主信号的采样与所述基准信号合并以产生表示放大后的所述主信号中的残差的误差信号；对所述误差信号进行采样；以及使用采样误差信号训练所述预失真器。所述方法例如可以使用专用集成电路、现场可编程门阵列或任何其它合适的装置来实施。

附图说明

通过阅读以下结合附图对本发明的特定实施例进行的描述，本发明的其它方面和特征对于本领域技术人员来说将变得明显。

图1示出现有技术的前馈系统；

图2示出现有技术的预失真系统；

图3示出根据本发明一实施例的线性化电路；

图4示出根据本发明另一实施例的线性化电路；以及

图5是示出利用不同类型的信号处理得到的输出信号的图。

具体实施方式

参考图3描述本发明的一实施例。放大系统60包括与主放大器66串联连接的预失真系统62和前馈消除系统64。预失真系统包括在主放大器66之前串联布置的预失真器68、DAC 70和上转换器72。

前馈消除系统64包括针对基准信号的基准DAC 74和基准上转换器76。前馈消除系统64还包括采样器78和比较器80。

进入放大系统60的数字基带输入信号首先被分成主信号和基准信号。主信号沿着通路向下传输至预失真器68，在预失真器68处，使用表示主放大器66的反相特性的系数，以本领域所知的方法对主信号进行处理。主信号经过预失真器68处理之后，被传输经过主DAC 70和上转换器72，之后到达主放大器66。在主放大器66处，主信号被放大，并且预失真器68所引入的特性被主放大器的特性有效地消除。

同时，基准信号经过基准DAC 74和上转换器76，以产生将与经过处理的主信号进行比较的信号。

可选地，由于前馈消除使输出信号与基准信号在较高功率处匹配，因此，可以在基准信号的传输通路中插入使输出满足频谱发射屏蔽所需要的滤波器(未示出)。由于滤波器不必经受输出信号的高功率，使得在该点处容许高插入损耗，因此在该点处插入高性能的滤波器是有利的。

主信号经过放大之后，在采样器78中被采样。然后采样信号被传送给比较器80，比较器80确定基准信号(放大前的信号)和主信号(放大后的信号)之间的差值。将差值编码的结果信号以误差信号为人所知。

为了提高预失真器68的精度，误差信号被反馈至预失真器68用于训练预失真器68，以便预失真器68更准确地调制主信号，从而补偿主放大器的特性。采样误差信号在到达预失真器68之前，优选经过下转换器88和ADC90，以产生表示主放大器66所引入的、未被预失真器68消除的误差的数字信号。表示余留误差的数字信号被反馈到预失真器68中，以训练预失真器68。

由于主信号不存在而降低了对误差ADC的动态范围需求，因此仅使用表示误差的信号训练预失真器68是有利的。

图4示出本发明的另一实施例。在该实施例中，如以上参考图3所述建立系统。不过，前馈消除系统64还包括误差放大器82、延迟电路84和误差比较器86。

误差信号被传送至误差放大器82，在误差放大器82处被放大。这意味着由误差信号编码的误差与经过放大的主信号中存在的误差大小相近。

误差信号随后被传送至另一比较器86，在该比较器86中，误差信号被从经过放大的主信号中减去，以进一步减少主信号中存在的误差。使用任何合适的装置使主信号延迟，以使主信号和误差信号同步。然后，结果信号可以从放大系统中输出。

误差信号在到达误差放大器82之前也被采样，用于训练预失真器68的正是该采样误差信号。

通过使用误差信号训练预失真器，迫使误差尽可能的小。最小化误差信号意味着可以使用较小的误差放大器，又意味着在主信号通路中需要的延迟较小(从而功耗较小)。减小误差信号还意味着在前馈误差回路中，相位与振幅匹配的精度可以大大降低，同时仍然能保持所需的输出频谱发射。

图5示出使用未校正非线性度的放大器得到的输出信号(信号92)、使用具有图3所示的结构的放大器得到的输出信号(信号94)和具有图4所示的结构的放大器得到的输出信号(信号96)。可以看出，在未校正情况下工作的放大器的基线比使用包括预失真器的放大器或本发明的系统得到的基线大得多。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

(根据PCT第19条所作修改的权利要求译文)

1.一种对信号进行放大的设备，包括：

a)被布置为接收输入信号的输入端；

b)用于将所述输入信号分成主信号和基准信号的装置；

c)用于将预失真系数应用于所述主信号的预失真器；

d)用于放大所述主信号的放大器；以及

处理装置，用于从所述主信号的采样中减去所述基准信号，以产生表示放大后的所述主信号中的残差的误差信号；

其中所述预失真器被配置为接收所述误差信号，并使用所述误差信号修正所述预失真系数，以最小化所述误差信号。

2.根据权利要求1所述的设备，进一步包括：用于放大所述误差信号的误差放大器，以及被布置为从所述主信号中减去经过放大的误差信号以产生输出信号的比较器。

3.根据权利要求2所述的设备，进一步包括滤波器，该滤波器被布置为在所述基准信号被所述处理装置从所述主信号中减去之前，对所述基准信号进行滤波。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述滤波器是带通滤波器。

5.根据权利要求1所述的设备，进一步包括用于对所述误差信号进行采样的装置，并且其中所述训练装置使用所述误差信号采样训练所述预失真器。

6.根据权利要求1所述的设备，进一步包括低分辨率的数模转换器，该低分辨率的数模转换器用于在所述主信号被所述预失真器处理之后但被放大之前，对所述主信号进行处理。

7.根据权利要求1所述的设备，进一步包括：用于对采样误差信号进行处理的低动态范围的误差模数转换器。

8.根据权利要求5所述的设备，进一步包括：用于对采样误差信号进行处理的低动态范围的下转换器。

9.根据权利要求1所述的设备，其中所述输入信号是包括0FDM载波和GSM载波的组合的宽带信号。

10.一种对信号进行放大的方法，包括以下步骤：

a)接收输入信号；

b)将所述输入信号分成主信号和基准信号；

c)通过将预失真系数应用于所述主信号在预失真器中处理所述主信号；

d)放大所述主信号；

e)将所述主信号的采样与所述基准信号合并，以产生表示放大后的所述主信号中的残差的误差信号；以及

f)在所述预失真器处接收所述误差信号；

g)使用所述误差信号修正所述预失真系数，以最小化所述误差信号。

11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括以下步骤：放大所述误差信号，以及从所述主信号中减去经过放大的误差信号以产生输出信号。

12.一种存储在计算机可读介质上的计算机程序，被布置为实施包括以下步骤的对信号进行放大的方法：

a)接收输入信号；

b)将所述输入信号分成主信号和基准信号；

c)在预失真器中处理所述主信号；

d)放大所述主信号；

e)将所述主信号的采样与所述基准信号合并，以产生表示放大后的所述主信号中的残差的误差信号；以及

f)在所述预失真器处接收所述误差信号；

g)使用所述误差信号修正所述预失真系数，以最小化所述误差信号。

13.根据权利要求12所述的计算机程序，进一步被布置为实施以下步骤：放大所述误差信号，以及从所述主信号中减去经过放大的误差信号以产生输出信号。

Claims (13)

1.一种对信号进行放大的设备，包括：

a)被布置为接收输入信号的输入端；

b)用于将所述输入信号分成主信号和基准信号的装置；

c)用于处理所述主信号的预失真器；

d)用于放大所述主信号的放大器；

e)处理装置，用于从所述主信号的采样中减去所述基准信号，以产生表示放大后的所述主信号中的残差的误差信号；以及

f)用于使用所述误差信号训练所述预失真器的训练装置。

2.根据权利要求1所述的设备，进一步包括：用于放大所述误差信号的误差放大器，以及被布置为从所述主信号中减去经过放大的误差信号以产生输出信号的比较器。

3.根据权利要求2所述的设备，进一步包括滤波器，该滤波器被布置为在所述基准信号被所述处理装置从所述主信号中减去之前，对所述基准信号进行滤波。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述滤波器是带通滤波器。

5.根据权利要求1所述的设备，进一步包括用于对所述误差信号进行采样的装置，并且其中所述训练装置使用所述误差信号采样训练所述预失真器。

6.根据权利要求1所述的设备，进一步包括低分辨率的数模转换器，该低分辨率的数模转换器用于在所述主信号被所述预失真器处理之后但被放大之前，对所述主信号进行处理。

7.根据权利要求1所述的设备，进一步包括：用于对采样误差信号进行处理的低动态范围的误差模数转换器。

8.根据权利要求5所述的设备，进一步包括：用于对采样误差信号进行处理的低动态范围的下转换器。

9.根据权利要求1所述的设备，其中所述输入信号是包括OFDM载波和GSM载波的组合的宽带信号。

10.一种对信号进行放大的方法，包括以下步骤：

a)接收输入信号；

b)将所述输入信号分成主信号和基准信号；

c)在预失真器中处理所述主信号；

d)放大所述主信号；

e)将所述主信号的采样与所述基准信号合并，以产生表示放大后的所述主信号中的残差的误差信号；以及

f)利用所述误差信号训练所述预失真器。

11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括以下步骤：放大所述误差信号，以及从所述主信号中减去经过放大的误差信号以产生输出信号。

12.一种存储在计算机可读介质上的计算机程序，被布置为实施包括以下步骤的对信号进行放大的方法：

a)接收输入信号；

b)将所述输入信号分成主信号和基准信号；

c)在预失真器中处理所述主信号；

d)放大所述主信号；

e)将所述主信号的采样与所述基准信号合并，以产生表示放大后的所述主信号中的残差的误差信号；以及

f)利用所述误差信号训练所述预失真器。

13.根据权利要求12所述的计算机程序，进一步被布置为实施以下步骤：放大所述误差信号，以及从所述主信号中减去经过放大的误差信号以产生输出信号。

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