CN101917373B - 基于信号分解实现高效率放大的方法及放大装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于信号分解实现高效率放大的方法及放大装置，主要解决了目前已有放大装置功率效率低的问题。该放大装置包括信号分解器、多个放大器、多个开关器和信号功率合成器，信号分解器连接在放大器之前，将输入信号分解为多个支路信号，并将多路支路信号并行送入放大器；信号功率合成器串联在放大器之后，将放大器输出的多路信号合成后，送入信道传输；开关器安置在放大器使用的直流电流上，控制着直流电流的通断。该放大方法将信号分解为多路支路信号，由开关依据对应支路信号控制放大使用的直流电流的通断，并将放大后的信号功率合成后传输。本发明具有放大总体能量消耗低，功率效率高的优点，可用于通信系统中信号高效率放大的场合。

Description

基于信号分解实现高效率放大的方法及放大装置

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及通信系统中的放大装置，可用于提升通信系统中放大装置的功率效率。

背景技术

随着通信产业的不断发展，通信技术也向着高带宽、高速率的方向发展。在无线通信为人们生活带来便利性的同时，通信网络大量能源消耗增加的二氧化碳排放却对环境产生了极大的负面影响。2007年中国超越美国成为世界上最大的二氧化碳排放国，降低通信系统对环境的污染势在必行；另一方面，出于降低成本的考虑，运营商亦希望降低自身的能源消耗，达到降低运营开支的目的。在这种背景下，学术界提出了绿色无线电(Green Radio，GR)的概念，希冀发展一种低功耗、高功率效率、低排放、低污染的“绿色”通信网络。由于在通信系统中，由基站产生的二氧化碳排放占绝大部分，而基站中的放大器模块又占据了大部分的能源消耗，因此为了达到绿色无线电的目标，必须研究如何降低放大器模块能源消耗，提高放大器的功率效率的方法。

为了满足高速率通信的需要，现行的通信系统往往采用多载波调制技术，如正交频分复用系统OFDM等等。这些多载波调制信号具有很高的峰值信号功率。由于一个峰值信号的出现是不可预料的，若放大器无法适应该峰值信号，就会导致大信号的饱和性失真，降低接收端的误码率性能；已有的解决方法是采用一个成本较高的大动态范围放大器来适应峰值信号，弥补大峰值信号饱和性失真带来的误码率性能下降；但是由于其他大部分信号的功率都远远小于峰值信号，这种方法在顾及大峰值信号的同时，对小信号放大效率却不高，因此存在放大器整体功率效率低的缺点。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的缺点，提供一种实现高效率的放大装置及放大方法，以提高通信系统中放大器整体功率效率。

为实现上述目的，本发明的高效率放大装置，包括：N个放大器和信号功率合成器，其中0＜N＜100，在N个放大器之前连接有信号分解器，用于将输入信号分解为N路支路信号并行传输；N个放大器之后连接功率合成器，用于将放大后的N路支路信号合并后传输；每个放大器的输入端连接一个开关器，用于控制该放大器直流电流的通断。

所述的开关器包括判断模块、处理模块和控制模块；判断模块用于对输入的信号进行判断，当存在信号时输出1，不存在信号时输出0；处理模块连接在判断模块之后，对判断模块的输出序列进行平滑处理；控制模块连接在处理模块之后，利用该处理模块输出的01序列控制放大器直流电流的通断，当01序列对应为0时，切断直流电流，当01序列对应为1时，接通直流电流。

为实现上述目的，本发明的高效率放大方法，包括以下两种技术方案：

技术方案1，包括如下步骤：

(1)依据输入信号最大功率，确定所需总支路数M，M＝N；根据每一输入信号功率大小，对输入信号进行分组，确定其分组序号n，1≤n≤M；

(2)对分组序号为n的输入信号，若n＝1，则不分解；若n＞1且为偶数，则依据偶数分解公式分解为n路支路信号；若n＞1且为奇数，则依据奇数分解公式分解为n路支路信号，

该偶数分解公式表示如下：

该奇数分解公式表示如下：

其中j是虚数符号，x表示输入信号，n表示其对应分组序号，x_i表示第i路支路信号，1≤i≤n；

(3)对n路支路信号，若n＜M，将剩余M-n路支路信号补零，生成M路支路信号，并将M路支路信号在开关控制下进行放大；

(4)将放大后的M路支路信号进行功率合成，并发送传输。

技术方案2，包括如下步骤：

1)依据输入信号最大功率，确定所需总支路数M，M＝N；根据每一输入信号功率大小，对输入信号进行分组，确定其分组序号n，1≤n≤M；

2)对分组序号为n的输入信号，若n＝1，则不分解；若n＞1，依据正交分解公式进行第一次分解，得到两路支路信号，正交分解公式采用如下公式：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_2=\frac{1}{1+j\sqrt{\frac{{\left|x\right|}^2}{\underset{i=0}{\overset{n-k+1}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i}-1}}x\\ x_1=\frac{j\sqrt{\frac{{\left|x\right|}^2}{\underset{i=0}{\overset{n-k+1}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i}-1}}{1+j\sqrt{\frac{{\left|x\right|}^2}{\underset{i=0}{\overset{n-k+1}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i}-1}}x\end{array}\right.$

其中，x₁与x₂分别为分解后的第1路和第2路支路信号，x为输入信号，j为虚数符号，n为输入信号x对应的分组序号，V_i表示第i路支路上放大器的饱和输入功率，且V₀＝0，k为分解的次数，第一次分解时k＝1；

3)将第2路支路信号x₂视为输入信号，依据正交分解公式进行第二次分解，再次生成两路支路信号，第二次分解时k＝2；

4)重复步骤3)，直到分解次数k＝n-1，生成n路支路信号；

5)对n路支路信号，若n＜M，将剩余M-n路支路信号补零，生成M路支路信号，并将M路支路信号在开关控制下进行放大；

6)将放大后的M路支路信号进行功率合成，并发送传输。

由于本发明采用了信号分解器，将输入信号分解后并行放大，因此当输入信号较小时，可以将部分无需使用的放大器的直流电流由开关器控制切断，达到降低放大器总体能量消耗，提高功率效率的目的。

附图说明

图1是本发明装置的结构框图；

图2是本发明装置中开关器的结构框图

图3是本发明技术方案1的流程图；

图4是本发明技术方案2的流程图；

图5是本发明方法与已有方法的功率效率曲线比较图。

具体实施方式

参照图1，本发明装置由信号分解器101，N个放大器102₁，102₂，…，102_N，N个开关器104₁，104₂，…，104_N和信号功率合成器103组成，本实例中N＝3，但N不限于3，其中：

信号分解器101连接在放大器102之前，将输入信号分解为多个支路信号，并将多路支路信号并行送入放大器102；信号功率合成器103串联在放大器102之后，将放大器102输出的多路信号合成后，送入信道传输；开关器104安置在放大器102使用的直流电流上，控制着直流电流的通断；

参照图2，开关器104包括判断模块201，处理模块202和控制模块203；判断模块201用于对输入的信号进行判断，当存在信号时输出1，不存在信号时输出0；处理模块202连接在判断模块201之后，对判断模块201的输出序列进行平滑处理；控制模块203连接在处理模块202之后，利用该处理模块输出的01序列控制放大器直流电流的通断，当01序列对应为0时，切断直流电流，当01序列对应为1时，接通直流电流；

参照图3，本发明的技术方案1包括以下步骤：

步骤1，依据输入信号最大功率，确定所需总支路数M；根据每一输入信号功率大小，对输入信号进行分组，确定其分组序号n。

1.1由输入信号最大峰值功率通过如下公式决定确定所需的总放大器数目M：

$\underset{i=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i\≥P_{\max },M=N$

其中，N为所需放大器的数目，V_i表示第i条支路上放大器的饱和功率，且V₀＝0，P_max表示信号可能出现的最大峰值功率；

1.2依据每一输入信号功率大小，对输入信号进行分组处理，若输入信号功率P满足

则其分组序号为n，1≤n≤M。

步骤2，依据分组序号n对信号进行分解。

对输入信号依据其分组序号n，将其分解为n路支路信号；若分组序号n＝1，则对信号不做分解处理；若分组序号n为偶数，采用如下偶数分解公式进行分解：

若分组序号n为奇数且n≠1，采用如下奇数分解公式进行分解：

其中j是虚数符号，n表示分组序号，x_i表示分解后n路支路信号中的第i路支路信号，x是输入信号。

步骤3，对n路支路信号做补零处理，生成M路支路信号。

由步骤2得到n路支路信号后，判断支路数n和所需总支路数M的关系，若n＝M，则直接得到所需的M路支路信号；若n＜M，对已得到的n路支路信号进行补零操作，即在其后添加M-n路信号为0的支路信号，二者组合后得到所需的M路支路信号。

步骤4，将M路支路信号在开关控制下进行放大。

4.1.对支路信号进行判断，若存在信号时输出1，不存在信号时输出0，由此得到判断序列S＝[S₁，S₂，...，S_T]，S_i为第i个时刻的判断序列的值，T表示判断序列S的最后一个时刻；

4.2.对得到的判断序列利用如下公式进行平滑处理：

$S_i^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{or}(S_{i-1},S_i,S_{i+1})& 1<i<T\\ \mathrm{or}(S_i,S_i,S_{i+1})& i=1\\ \mathrm{or}(S_{i-1},S_i,S_i)& i=T\end{array}\right.$

其中，S′_i表示平滑处理第i个时刻的输出值，or表示逻辑中的或操作；

4.3平滑处理后得到控制序列S′＝[S′₁，S′₂，...，S′_L]，S′_i为第i个时刻的控制序列的值，L表示控制序列S′的最后一个时刻，L＝T；依据该控制序列在其对应时刻为1时，开关接通，对支路信号进行放大处理；在其对应时刻为0时，开关关闭，对支路信号不作放大处理。

步骤5，将放大后的M路支路信号进行功率合成，并发送传输。

参照图4，本发明的技术方案2包括以下步骤：

步骤A，依据输入信号最大功率，确定所需总支路数M；根据每一输入信号功率大小，对输入信号进行分组，确定其分组序号n。

A.1)由输入信号最大峰值功率通过如下公式决定确定所需的总放大器数目M

$\underset{i=0}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{V}_i\&GreaterEqual;P_{\max },M=N$

其中，N为所需放大器的数目，V_i表示第i条支路上放大器的饱和功率，且V₀＝0，P_max表示信号可能出现的最大峰值功率；

A.2)依据每一输入信号功率大小，对输入信号进行分组处理，若输入信号功率P满足

则其分组序号为n，1≤n≤M。

步骤B，对输入信号，依据其分组序号n进行分解处理，若n＝1，则对信号不做分解；若n＞1，则依据其分组序号n，将其按照如下正交分解公式进行分解，得到两路支路信号；

$\left\{\begin{array}{c}{x}_2=\frac{1}{1+j\sqrt{\frac{{\left|x\right|}^2}{\underset{i=0}{\overset{n-k+1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{V}_i}-1}}x\\ x_1=\frac{j\sqrt{\frac{{\left|x\right|}^2}{\underset{i=0}{\overset{n-k+1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{V}_i}-1}}{1+j\sqrt{\frac{{\left|x\right|}^2}{\underset{i=0}{\overset{n-k+1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{V}_i}-1}}x\end{array}\right.$

其中，x₁与x₂分别为分解后的第1路和第2路支路信号，x为输入信号，j为虚数符号，n为输入信号x对应的分组序号，k为分解的次数，此时k＝1，V_i表示第i路支路上放大器的饱和输入功率，且V₀＝0。

步骤C，将第2路支路信号x₂视为输入信号，依据正交分解公式进行第二次分解，再次生成两路支路信号，第二次分解时k＝2。

步骤D，重复步骤C，直到分解次数k＝n-1，生成n路支路信号。

步骤E，对n路支路信号做补零处理，生成M路支路信号。

由步骤D得到n路支路信号后，判断支路数n和所需总支路数M的关系，若n＝M，则直接得到所需的M路支路信号；若n＜M，对已得到的n路支路信号进行补零操作，即在其后添加M-n路信号为0的支路信号，二者组合后得到所需的M路支路信号。

步骤F，将M路支路信号在开关控制下进行放大：

F.1.对支路信号进行判断，若存在信号时输出1，不存在信号时输出0，由此得到判断序列S＝[S₁，S₂，...，S_T]，S_i为第i个时刻的判断序列的值，T表示判断序列S的最后一个时刻；

F.2.对得到的判断序列利用如下公式进行平滑处理：

$S_i^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{or}(S_{i-1},S_i,S_{i+1})& 1<i<T\\ \mathrm{or}(S_i,S_i,S_{i+1})& i=1\\ \mathrm{or}(S_{i-1},S_i,S_i)& i=T\end{array}\right.$

其中，S′_i表示平滑处理第i个时刻的输出值，or表示逻辑中的或操作；

F.3平滑处理后得到控制序列S′＝[S′₁，S′₂，...，S′_L]，S′_i为第i个时刻的控制序列的值，L表示控制序列S′的最后一个时刻，L＝T；依据该控制序列在其对应时刻为1时，开关接通，对支路信号进行放大处理；在其对应时刻为0时，开关关闭，对支路信号不作放大处理。

步骤G，将放大后的M路支路信号进行功率合成，并发送传输。

本发明的效果可以通过以下仿真实验进一步说明：

1.仿真实验条件

仿真使用256子载波的OFDM系统，其映射方式为功率归一化的16QAM方形映射；放大器模型使用功率增益为1的理想线性放大模型，饱和功率均为1；采用三支路模型进行说明，即所需的总支路数M＝3。

2.仿真结果

随着功率效率的升高，放大器输出信号功率增大，其饱和性失真趋于明显，会抑制接收端误码率性能，因此需要比较在误码率性能相同时的功率效率，为此定义一个参数SNR₀。SNR₀表示在一个系统中，为了达到某一固定误码率BER₀所需的信噪比大小；当SNR₀相等时，系统的误码率性能一致。

图5给出了BER₀＝10^-4的情况下，功率效率η随着SNR₀变化曲线图。可以看出，技术方案1的性能最优，在SNR₀＝20dB时，功率效率达到48.5％，比技术方案2和已有方法分别提高7.5％和14.5％；而技术方案2的性能优于已有方法，在SNR₀＝20dB时，功率效率提高7％。

Claims (4)

1.一种高效率放大方法，包括如下步骤： 

1a.依据输入信号最大功率，确定所需总支路数M，M＝N，其中N为放大器的个数；根据每一输入信号功率大小，对输入信号进行分组，确定其分组序号n，1≤n≤M； 

1b.对分组序号为n的输入信号，若n＝1，则不分解；若n＞1且为偶数，则依据偶数分解公式分解为n路支路信号；若n＞1且为奇数，则依据奇数分解公式分解为n路支路信号， 

该偶数分解公式表示如下： 

该奇数分解公式表示如下： 

其中j是虚数符号，x表示输入信号，n表示其对应分组序号，x_i表示第i路支路信号，1≤i≤n； 

1c.对n路支路信号，若n＜M，将剩余M-n路支路信号补零，生成M路支路信号，并将M路支路信号在开关控制下进行放大； 

1d.将放大后的M路支路信号进行功率合成，并发送传输。 

2.根据权利要求1所述的高效率放大方法，其中步骤1c所述的将M路支路信号在开关控制下进行放大，按如下步骤进行： 

2a.对支路信号进行判断，若存在信号时输出1，不存在信号时输出0，由此得到判断序列S＝[S₁，S₂，...，S_T]，S_i为第i个时刻的判断序列的值，T表示判断 序列S的最后一个时刻； 

2b.对得到的判断序列利用如下公式进行平滑处理： 

其中，S′_i表示平滑处理第i个时刻的输出值，or表示逻辑中的或操作； 

2c.平滑处理后得到控制序列S′＝[S′₁，S′₂，...，S′_L]，S′_i为第i个时刻的控制序列的值，L表示控制序列S′的最后一个时刻，L＝T；依据该控制序列在其对应时刻为1时，开关接通，对支路信号进行放大处理；在其对应时刻为0时，开关关闭，对支路信号不作放大处理。 

3.一种高效率放大方法，包括如下步骤： 

3a.依据输入信号最大功率，确定所需总支路数M，M＝N，其中N为放大器的个数；根据每一输入信号功率大小，对输入信号进行分组，确定其分组序号n，1≤n≤M； 

3b.对分组序号为n的输入信号，若n＝1，则不分解；若n＞1，依据正交分解公式进行第一次分解，得到两路支路信号，正交分解公式采用如下公式： 

其中，x₁与x₂分别为分解后的第1路和第2路支路信号，x为输入信号，j为虚数符号，n为输入信号x对应的分组序号，V_i表示第i路支路上放大器的饱和输入功率，且V₀＝0，k为分解的次数，第一次分解时k＝1； 

3c.将第2路支路信号x₂视为输入信号，依据正交分解公式进行第二次分解，再次生成两路支路信号，第二次分解时k＝2； 

3d.重复步骤3c，直到分解次数k＝n-1，生成n路支路信号； 

3e.对n路支路信号，若n＜M，将剩余M-n路支路信号补零，生成M路支 路信号，并将M路支路信号在开关控制下进行放大； 

3f.将放大后的M路支路信号进行功率合成，并发送传输。 

4.根据权利要求3所述的高效率放大方法，其中步骤3e所述的将M路支路信号在开关控制下进行放大，按如下步骤进行： 

4a.对支路信号进行判断，若存在信号时输出1，不存在信号时输出0，由此得到判断序列S＝[S₁，S₂，...，S_T]，S_i为第i个时刻的判断序列的值，T表示判断序列S的最后一个时刻； 

4b.对得到的判断序列利用如下公式进行平滑处理： 

其中，S′_i表示平滑处理第i个时刻的输出值，or表示逻辑中的或操作； 

4c平滑处理后得到控制序列S′＝[S′₁，S′₂，...，S′_L]，S′_i为第i个时刻的控制序列的值，L表示控制序列S′的最后一个时刻，L＝T；依据该控制序列在其对应时刻为1时，开关接通，对支路信号进行放大处理；在其对应时刻为0时，开关关闭，对支路信号不作放大处理。 

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