CN102077462A - 用于在无线数字通信应用中增强功率放大器的功率效用的预失真方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在无线数字通信应用中增强功率放大器的功率效用的预失真方法和设备。本发明涉及功率放大器的领域，并尤其涉及通过作用于输入信号的反馈环路增强放大器的性能。我们提出一种用于线性化功率放大器电路的方法，该功率放大器电路具有作为输入信号的数字基带输入信号(X)、功率输出信号(Z)、功率放大器(PA)和线性化电路模块(LM)。

Description

用于在无线数字通信应用中增强功率放大器的功率效用的预失真方法和设备
技术领域
本发明涉及功率放大器的领域，并尤其涉及通过作用于输入信号的反馈环路而增强放大器的性能。每一个无线通信发射器中都能使用本发明，因为在天线之前的发射器的最后部分中一定存在功率放大器，并且每个功率放大器由于其输入-输出曲线而具有有限的功率性能(取决于调制类别)。我们旨在通过引入用于减轻功率放大器的线性和非线性失真的预失真的新方法而在不同应用中增强功率放大器的功率效用(power utility)。
背景技术
如今，存在用于功率放大器的线性化的许多不同方法，这些方法一般使用查找表(LUT)和/或使用离线方法来训练系数和查找表一次。同样，存在许多自适应方法，这些方法不断地自适应用于线性化的系数和数据。目前，这些自适应方法的大多数开发于时域中并且一般需要训练信号(诸如信号中的前同步和后同步(pre-and post-ambles))。此外，几乎基于所有目前的方法，你都不能构造可在多种目前的应用中使用的独立的、即插即用的模块。
我们提供一种在频域和时域两者中用于功率放大器(PA)的线性化的新颖的方法和系统，可以将其实施为独立的、即插即用的模块，该模块是可配置的，并且与无线系统中的许多主要参数无关，诸如调制、信号的峰均功率比(PAPR)和功率放大器的类型(到目前为止提出的每一个其他方法中都不是这样)。
功率放大器电路(输出级)针对模拟设计被分类为A、B、AB和C，以及基于通过放大器件的输入信号的导通角或“流通角(angle of flow)”Θ的、用于开关设计的D和E类，导通角或“流通角”即为输入信号周期在放大器件导通期间的那部分。导通角的图案(image)从放大正弦信号中获得(如果器件总是处于接通，则Θ＝360°)。流通的角度与放大器功率效率密切相关。下面介绍不同的类别。
A类
使用输入信号的100％(导通角Θ＝360°或2π，即，有源元件所有时间都工作在其线性范围内)。这时不考虑效率，大多数小信号线性放大器都被设计为A类，这意味着输出器件总是处在导通区内。A类放大器通常比其他类型更加线性和较不复杂，但是效率非常低。这类放大器最普遍用在小信号级中或用于低功率应用(诸如驱动耳机)。
B类
使用输入信号的50％(Θ＝180°或π，即，有源元件一半时间工作在其线性范围内，而在另一半时间差不多是关断的)。在大多数B类中，存在两个输出器件(或输出器件组)，每一个输出器件交替导通输入信号的精确的180度(或半个周期)；还可使用单个有源元件实施选择性射频(RF)放大器。
如果从一个有源元件到另一个有源元件的切换(handoff)不理想，则这些放大器要经受交越失真，因为当两个互补型晶体管(即，一个PNP，一个NPN)被连接成两个射极跟随器(它们的基极和发射极端子公共接线)时，需要基极电压转换越过两个器件都关断的区域。
AB类
这里两个有源元件都导通多于一半的时间，作为减少B类放大器的交越失真的手段。在互补型射极跟随器的实例中，偏置网络允许差不多的静态电流，从而提供在A类和B类之间某处的工作点。有时加入数字(figure)，例如AB1或AB2，更高的数字意味着更高的静态电流，并因此具有A类的更多性质。
D类
主要规定(article)：这些使用开关(switching)来实现非常高的功率效率(在现代设计中大于90％)。通过允许每个输出器件完全接通或完全关断，使损耗最小。通过脉宽调制(PWM)产生模拟输出，即，有源元件被切换成接通更短或更长时间间隔而非更改其电阻。存在象西格马-德耳塔(∑-Δ)调制那样的更复杂的开关方案，以提高某些性能方面，象更低的失真或更佳的效率。
其他类
存在数种其他的放大器类别，虽然它们主要是之前类别的变种。例如，H类和G类放大器的标志在于输入信号之后的供电轨(supply rail)的变化(分别在不连续的步骤中或连续的方式下)。在输出器件上浪费的热可随着过压被保持为最小值而得以减少。自身供给这些轨的放大器可以是任何类别。这些类型的放大器更复杂，并且主要用于特定应用，诸如非常高功率的单元。同样，E类和F类放大器一般在用于射频应用的文献里被描述，在射频应用中传统类别的效率基本上偏离它们的理想值。这些类别使用其输出网络的谐波调谐来实现更高效率，并可被视为C类的子集，这是由于它们的导通角特性的缘故。
每个射频功率放大器在输入信号功率达到接近于功率放大器的饱和电平时都使输入信号失真。可以将这些失真模拟为振幅调制/振幅调制(AM/AM)和振幅调制/相位调制(AM/PM)失真，这些失真在许多通信文献中被描述过。在诸如正交频分复用(OFDM)系统的一些应用中，因为接收器对于这些类型失真的灵敏度的缘故，整个通信系统的设计者在从功率放大器的饱和点开始的足够的边缘内使用功率放大器，以确保输出信号的失真不大于可接受的阀值。使用不同的预失真方法，这个边缘可被减小并且功率放大器的功率效用可被增大。
发明内容
为了在传输数字信号时对功率放大器的自然失真进行补偿，我们提出一种用于线性化功率放大器的方法，该功率放大器具有作为输入信号的数字基带输入信号、功率输出信号、功率放大器和线性化电路模块(LM)，该方法包括下列步骤：
-从功率输出信号中提取射频RF反馈信号，
-将射频反馈信号下转换成中频IF反馈信号，
-用带通滤波器对中频反馈信号进行滤波，
-将滤波后的中频反馈信号数字转换成反馈数字信号，
-使用对n个样本的块的快速傅立叶变换FFT将反馈数字信号转换到频域以获得反馈FB-FFT块，
-对反馈FB-FFT块的至少两个块进行平均以获得平均过的FB-FFT块，
-使用对n个样本的块的快速傅立叶变换FFT将输入基带数字信号转换到频域以获得输入FF-FFT块，
-对输入FF-FFT块的至少两个块进行平均以获得平均过的FF-FFT块，
-用平均过的FF-FFT块除以平均过的FB-FFT块以获得FFT校正值，
-基于FFT校正值获得TD滤波器系数值，
-将TD滤波器系数值应用于数字带通滤波器，所述数字滤波器的输入是输入基带数字信号，
-利用数字到模拟转换器将数字带通滤波器的输出转换成模拟以获得校正过的中频输入信号，
-将带通滤波器应用于校正过的中频输入信号，
-上转换经过滤波的校正过的中频输入信号以获得校正过的射频输入信号，
-将校正过的射频输入信号应用于功率放大器从而产生功率输出信号。
附图说明
依据所附的特定实施例的详细描述以及附图将会更好地理解本发明及其优点，其中：
图1示出带有其线性化电路模块的功率放大器电路。
图2示出带有射频输入信号的线性化电路模块的第一实施例。
图3示出带有基带输入信号的线性化电路模块的第二实施例。
图4示出带有射频输入信号的线性化电路模块和放在平均模块之前的除法器模块的第三实施例。
具体实施方式
在每一个无线通信发射器中都能使用本发明，因为在天线之前的发射器的最后部分中一定存在功率放大器，并且每个功率放大器由于其输入输出曲线和输入信号的调制类型而具有有限的功率性能。我们旨在通过引入用于减轻功率放大器的线性和非线性失真的预失真的新方法而在不同应用中增强功率放大器的功率效用。
如今，存在用于功率放大器的线性化的许多不同方法，这些方法一般使用查找表(LUT)和/或使用离线方法来训练系数和查找表一次。同样，存在许多自适应方法，这些方法不断地自适应用于线性化的系数和数据。目前，这些自适应方法的大多数开发于时域中并且一般需要训练信号(诸如信号中的前同步和后同步)。此外，几乎基于所有目前的方法，你都不能构造可在不同的目前应用中使用的独立的、即插即用的模块。
我们提供一种在频域和时域中用于功率放大器的线性化的新颖的方法和系统，可以将其实施为独立的、即插即用的模块，该模块是可配置的，并且与无线系统中的许多主要参数无关，诸如调制、功率放大器的类型和类别，以及输入信号的峰均功率比。
在功率放大器电路的一个实施例(图1)中提供线性化电路模块(LM)。这个线性化电路模块与输入信号X(其可以是数字基带信号或射频(RF)信号，并且可以来自调制器或发射器或功率放大器驱动器)、输出信号Z(其可以是射频信号并进入功率放大器)和反馈信号Y(其可以是来自功率放大器的输出的射频采样信号)相连。可以使用在用于许多用途的所有功率放大器配置中已经存在的耦合器和/或衰减器从功率放大器的输出对反馈信号进行采样。这个反馈信号应该差不多处在与输入信号相同的电平上，虽然精确的电平根本不重要。
可将这个线性化电路模块实施为调制器或发射器中的独立模块或集成化模块。
如图2所示，这个线性化电路模块将(来自功率放大器的)反馈射频信号Y转换到中频(IF)带(图2中的模块，DC1)。中频频率的选择取决于设计约束(象信号的典型带宽、所使用A/D的类型...)，并且它可以从10MHz直至100MHz。在通过带通滤波器(图2中的模块，可调带通(BP)滤波器1)对中频信号滤波之后，使用模拟至数字(A/D)转换器(图2中的模块，ADC1)将中频信号转换到数字域。结果被命名为“反馈数字信号”。对于下面的描述，标注“FB”将被理解为“反馈”。然后使用FFT1模块(快速傅立叶变换)，对反馈数字信号进行转换以获得FB-FFT块。每个FB-FFT块包括N个样本，其中由系统设计者将N定义为模块输入参数之一。典型的N必须大于512，并且它最好是2的幂。
如图2所示，这个线性化电路模块将(来自调制器的)输入射频信号X转换到中频(IF)带(图2中的模块，DC2)，并且在通过带通滤波器(图2中的模块可调带通滤波器2)对中频信号滤波之后，使用模拟到数字(A/D)转换器(图2中的模块，ADC2)将中频信号转换到数字域(中频频率与用于反馈信号的频率完全相同)。结果是前馈输入数字信号。对于下面的描述，标注“FF”将被理解为“前馈”。然后使用FFT2模块，对前馈输入数字信号执行转换以产生前馈FFT块(FF-FFT块)。在线性化电路模块的输入是数字基带信号的情况下，在图3所示的线性化电路模块的实施例中，我们不需要对输入信号X进行下转换、滤波和转换到数字域。
接着，如图2所示，FB-FFT块和FF-FFT块经过平均模块(AVG1和AVG2)，并且在对至少2个块平均之后，两个平均过的块进入除法模块(DIV)，在除法模块中平均过的FF-FFT块除以平均过的FB-FFT块。应该将这个除法做成逐点阵列除法，所以结果是包括与FF-FFT和FB-FFT块具有相同数量样本的新块。通过逆快速傅立叶变换(IFFT)模块将除法模块的输出转换到时域。因为频域中的逐点乘法被转变为时域中的卷积操作，所以IFFT模块的输出被视为时域滤波器系数。
可以如图4所示以其他方式实施滤波器系数值的获得，其中FB-FFT块和FF-FFT块进入除法模块(图4中的DIV模块)，接着除法的结果经过平均模块(图4中的AVG)。通过IFFT模块将平均模块的输出转换到时域，产生滤波器系数值。
将这些滤波器系数应用到数字滤波器(图2、图3和图4中的数字滤波器模块)中。现在，输入基带数字信号通过数字滤波器模块，该数字滤波器模块对信号进行预失真以补偿功率放大器的线性和非线性失真。
使用数字到模拟转换器(图2、图3和图4中的DAC模块)将滤波后的信号转换成模拟。输出通过可调带通滤波器，接着使用UC模块将其上转换成射频信号Z，该射频信号Z是线性化电路模块的输出。

Claims (15)

1.一种用于线性化功率放大器电路的方法，该功率放大器电路具有作为输入信号的数字基带输入信号、功率输出信号、功率放大器和线性化电路模块LM，该方法包括下列步骤：
-从功率输出信号中提取射频RF反馈信号，
-将射频反馈信号下转换成中频IF反馈信号，
-用带通滤波器对中频反馈信号进行滤波，
-将滤波后的中频反馈信号数字转换成反馈数字信号，
-使用对n个样本的块的快速傅立叶变换FFT将反馈数字信号转换到频域以获得反馈FB-FFT块，
-对反馈FB-FFT块的至少两个块进行平均以获得平均过的FB-FFT块，
-使用对n个样本的块的快速傅立叶变换FFT将输入基带数字信号转换到频域以获得输入FF-FFT块，
-对输入FF-FFT块的至少两个块进行平均以获得平均过的FF-FFT块，
-用平均过的FF-FFT块除以平均过的FB-FFT块以获得FFT校正值，
-基于FFT校正值获得TD滤波器系数值，
-将TD滤波器系数值应用于数字带通滤波器，所述数字滤波器的输入是输入基带数字信号，
-利用数字到模拟转换器将数字带通滤波器的输出转换成模拟以获得校正过的中频输入信号，
-将带通滤波器应用于校正过的中频输入信号，
-上转换经过滤波的校正过的中频输入信号以获得校正过的射频输入信号，
-将校正过的射频输入信号应用于功率放大器从而产生功率输出信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中为了获得TD滤波器系数值，该方法包括将FFT校正值转换到时域以获得TD滤波器系数值的步骤。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中功率放大器电路的输入信号是射频输入信号，该方法包括下列步骤：
-将射频输入信号下转换成中频输入信号，
-用带通滤波器对中频输入信号进行滤波，
-将滤波过的中频输入信号数字转换成数字基带输入信号。
4.根据权利要求1至3的任何一项所述的方法，其中带通滤波器根据输入信号带宽是可编程的。
5.一种用于线性化功率放大器电路的方法，该功率放大器电路具有作为输入信号的数字基带输入信号、功率输出信号、功率放大器和线性化电路模块LM，该方法包括下列步骤：
-从功率输出信号中提取射频RF反馈信号，
-将射频反馈信号下转换成中频IF反馈信号，
-用带通滤波器对中频反馈信号进行滤波，
-将滤波后的中频反馈信号数字转换成反馈数字信号，
-使用对n个样本的块的快速傅立叶变换FFT将反馈数字信号转换到频域以获得反馈FB-FFT块，
-使用对n个样本的块的快速傅立叶变换FFT将输入数字信号转换到频域以获得输入FF-FFT块，
-用输入FF-FFT块除以反馈FB-FFT块以获得FFT校正块，
-对FFT校正块的至少两个块进行平均以获得平均过的FFT值，
-基于FFT校正值获得TD滤波器系数值，
-将TD系数值应用于带通滤波器，所述滤波器的输入是输入数字信号，
-利用数字到模拟转换器将滤波器的输出转换成模拟以获得校正过的中频输入信号，
-将带通滤波器应用于校正过的中频输入信号，
-上转换经过滤波的校正过的中频输入信号以获得校正过的射频输入信号，
-将校正过的射频输入信号应用于功率放大器从而产生功率输出信号。
6.根据权利要求5所述的方法，其中为了获得TD滤波器系数值，该方法包括将FFT校正值转换到时域以获得TD滤波器系数值的步骤。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中功率放大器电路的输入信号是射频输入信号，该方法包括下列步骤：
-将射频输入信号下转换成中频输入信号，
-用带通滤波器对中频输入信号进行滤波，
-将滤波过的中频输入信号转换成数字基带输入信号。
8.根据权利要求5至7的任何一项所述的方法，其中带通滤波器根据输入信号带宽是可编程的。
9.一种功率放大器电路，具有作为输入信号的数字基带输入信号、功率输出信号、功率放大器，和与输入信号、输出信号和反馈信号相连的线性化电路模块LM，该线性化电路模块包括：
-下转换器，用于将反馈射频RF信号转换成反馈中频IF信号，
-第一带通滤波器，用于对反馈中频信号进行滤波，
-第一A/D转换器，用于将滤波过的反馈中频信号转换成反馈数字信号，
-第一FFT模块，用于将反馈数字信号转换成反馈FB-FFT块，
-第二FFT模块，用于将输入信号转换成FF-FFT块，
-除法模块，用于将输入FF-FFT块除以反馈FB-FFT块以获得FFT校正块，
-平均模块，用于对FFT校正块的至少两个块进行平均以获得平均过的FFT值，
-逆FFT模块，用于将FFT校正值转换成TD滤波器系数值，
-数字带通滤波器，接收TD滤波器系数值，所述数字滤波器的输入是输入数字信号，
-D/A转换器，用于将数字带通滤波器的输出转换成模拟以获得校正过的中频输入信号，
-第二带通滤波器，具有校正过的中频输入信号作为输入，
-上转换器，用于转换经过滤波的校正过的中频输入信号以便获得校正过的射频输入信号，
-用于将校正过的射频输入信号应用于功率放大器的装置。
10.根据权利要求9所述的系统，其中输入信号是射频输入信号，所述线性化电路模块包括：
-第二下转换器，用于将输入射频信号转换成中频输入信号，
-第三带通滤波器，用于对中频输入信号进行滤波，
-第二A/D转换器，用于将滤波过的中频输入信号转换成基带数字信号。
11.根据权利要求9或10所述的系统，其中带通滤波器对于定义所述滤波器的带宽是数字可编程的。
12.一种功率放大器电路，具有作为输入信号的数字基带输入信号、功率输出信号、功率放大器，和与输入信号、输出信号和反馈信号相连的线性化电路模块LM，该线性化电路模块包括：
-下转换器，用于将反馈射频RF信号转换成反馈中频IF信号，
-第一带通滤波器，用于对反馈中频信号进行滤波，
-第一A/D转换器，用于将滤波过的反馈中频信号转换成反馈数字信号，
-第一FFT模块，用于将反馈数字信号转换成反馈FB-FFT块，
-第二FFT模块，用于将输入信号转换成FF-FFT块，
-第一平均模块，用于对FF-FFT块的至少两个块进行平均以获得平均过的FF-FFT块，
-第二平均模块，用于对FB-FFT块的至少两个块进行平均以获得平均过的FB-FFT块，
-除法模块，用于将平均过的FF-FFT块除以平均过的FB-FFT块以获得FFT校正值，
-逆FFT模块，用于将FFT校正值转换成TD滤波器系数值，
-数字带通滤波器，接收TD滤波器系数值，所述数字滤波器的输入是输入数字信号，
-D/A转换器，用于将数字带通滤波器的输出转换成模拟以获得校正过的中频输入信号，
-第二带通滤波器，具有校正过的中频输入信号作为输入，
-上转换器，用于转换经过滤波的校正过的中频输入信号以便获得校正过的射频输入信号，
-用于将校正过的射频输入信号应用于功率放大器的装置。
13.根据权利要求12所述的系统，其中输入信号是射频输入信号，所述线性化电路模块包括：
-第二下转换器，用于将输入射频信号转换成中频输入信号，
-第三带通滤波器，用于对中频输入信号进行滤波，
-第二A/D转换器，用于将滤波过的中频输入信号转换成基带数字信号。
14.根据权利要求12或13所述的系统，其中带通滤波器对于定义所述滤波器的带宽是数字可编程的。
15.根据权利要求9至14的任何一项所述的系统，其中功率放大器是从固态功率放大器SSPAa、速调管、磁子或行波管TWT中选出的类型。
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