CN1024307C - 具有扫描频率导频音的前馈放大器网络 - Google Patents

Abstract

前馈放大器网络，使用扫描频率导频音信号，减小网络功率放大器产生的失真。扫描频率导频音(可由变频振荡器产生)被引入放大器输入信号的输入路径上。失真消除电路产生不含导频音和功率放大器产生的失真的放大输出信号，检波器对放大输出信号进行检波，以便确定处于放大输出信号频率范围内的平均导频音能量，将检波器锁相到经过信号218的变频振荡器。根据测定，调整变化放大器网络特性曲线，以减小放大器网络输出中的导频音的量。

Description

本发明一般涉及功率放大器，特别涉及使用前馈技术，来减少功率放大器工作期间产生的失真的功率放大器网络。

射频功率放大器广泛用于各种通讯和其它电子行业。这些放大器都是由一级或多级级联放大器组成，每一级都以所谓该级增益的幅度来提高输入信号的电平。理想情况下，每级输入到输出的传输是线性的，即放大器的输出，除了在振幅上有所增加外，是输入的完全复制品。然而实际上，所有功率放大器在传输特性曲线上都存在一定程度的非线性。这种非线性将引起输出信号失真，从而使其不再是输入信号的完全复制品。这种失真产生一些称之为互调分量的寄生信号成份，它们对使用了该放大器的系统产生干扰、串音和其它有害影响，所以是不受欢迎的。因此，在先有技术中考虑了许多方法和装置来减少功率放大器工作期间产生的失真。普遍推荐使用的方法有两种：预失真和前馈。

预失真法采用一个辅助失真源产生一个与功率放大器所产生的 失真信号相类似的辅助失真信号。此辅助失真信号将按正确的增益和相位加到放大器的输入端，以帮助消除放大器输出端的失真信号。因为使用这种方法要求对两个不同的信号源的失真特性进行匹配，所以限制了其可以获得的校正量。

前馈法则没有这种局限性，因为它是将功率放大器产生的失真信号分离出来，再以调整后的增益、相位及延迟将其加到功率放大器的输出端，以获得对失真的最大消除。现有的使用前馈法减小失真的程度主要受增益和相位调整的精确性的限制。

参照图1A，它以方框图形式给出了一个先有技术中的前馈系统。分离器电路12将引线11上的输入信号分成两部分：一部分送到功率放大器14，另一部分通过路径15送到消除电路18。功率放大器14的输出包括因对其输入信号放大而引起的失真成份。来自放大器14的输出信号的一部分从定向耦合器16取出，并送到消除电路18。引线15上输入信号的增益、相位和延迟由各固定增益、相位和延迟调节器调整，以便在与来自定向耦合器16的信号组合时，输入信号部分被消除，而在引线19上获得失真分量。此失真分量经过各固定增益、相位和延迟调节器调整，以便当它在定向耦合器10中与功率放大器输出信号组合时，产生一个最终无失真的输出信号。但使用这种方法的问题是，由于使用了固定增益、相位、延迟调节器，就无法根据工作点的变化（如：输入信号变化、电压变化、温度变化）调整增益、相位参数。

参照图1B，它给出了先有技术中另外一个前馈系统。该系统试图克服上述系统的缺点。一个测试信号（或称导频）经过耦合器30引入功率放大器24的主信号路径。当此导频在放大器输出端检波后，其幅值可以被自动控制电路32用来调整引线29上的信号的增益和相位，以便同时消除导频以及由功率放大器24引入的失真。使用这种方法的问题是，引入单独的导频音并没有为互调分量（失真）的消除提供一种宽带解决方案。另外，图1B的实施例仍然指出使用固定增益、相位、延迟调节器进行载波消除。

参照图1C，它给出另一个先有技术所使用的前馈系统，它被设计用来增强射频功率放大器的线性传输特性。这可以通过以下过程实现：来自5和8的信号分别经过衰减器6和延迟器9送到比较器7，比较器7将来自5和8的输入与输出信号进行比较，产生一个失真信号，在放大器10将其反相，然后在组合器11将其与26的放大信号相组合。参考信号13被直接引入射频放大器2，使得其出现在输出端时，就如同一个因放大引起的失真信号。监控电路14对出现在输出端3上的参考信号13进行监控，并修正均衡电路15的特性曲线，以便从端点3上的放大输出信号中消除引入的参考信号。

值得注意的是，参考信号13要么是一个被连续调整到一个期望的参考频率的单个参考信号，要么具有与梳状波发生器所产生的典型频率一样的梳状频率。对于单个参考信号，为了完成消除，监控器14总是重复调整均衡器15的相应频带。而对于梳状参考信号， 监控器14是一个频率选择器，因而在调整均衡器15相应频带的同时，响应每个特定梳状频率进行调整。

尽管这些尝试可以在很宽的功率放大器工作频带范围内获得互调分量的消除，但仍具有以下缺点：在获得所期望程度的互调消除之前，必须完成对几个均衡器频带的调整。完成这些连续调整所需的时间无疑影响了系统的效率。

于是，提供一个能够克服以上先有技术的缺点的，用以降低功率放大器引起的失真的前馈放大器网络是非常有意义的。

简单地说，本发明是一个前馈放大器网络，它利用扫描频率导频音以降低网络的功率放大器所产生的失真。工作时，从一个参考信号所产生的扫描频率导频音，被导入到功率放大器输入信号的输入路径上。之后，用一个失真消除电路产生一个放大的输出信号，它基本上既无导频音又无由功率放大器产生的失真。放大输出信号然后经过检波器检波，相位被锁定到参考信号，以便确定处于放大输出信号范围之内的平均导频音能量。平均导频音能量为放大输出信号之中的导频音能量经在功率放大器的工作带宽上求平均的量值。为了减小放大器网络输出端导频音的量，根据以上能量测定，调整放大器网络的各种特性曲线。

本发明的第一个优点是，与固定频率、梯形频率、梳状频率不同，扫描频率导频音信号是一个频率连续可变的信号。

本发明的第二个优点是，与在单个频率上的能量测定不同，导频 音能量的测定是在整个功率放大器带宽上的平均能量基础上进行的。

本发明的再一个优点是，与在单个或多个固定频率点上对导频音的测定不同，放大器网络特性曲线的调整是基于整个放大器带宽上的平均导频音能量而进行的。

图1A、1B、1C表示根据先有技术的前馈放大器网络;

图2表示根据本发明的前馈放大器网络。

参照图2，它以方框图形式给出了根据本发明的前馈放大器网络200。输入信号216（可能包括多个射频载波）由定向耦合器201分别送到两个信号路径上。在一个信号路径上（主信号路径），该输入信号被主放大器202放大后，经过定向耦合器203、延迟器204、定向耦合器205和206，定向输出端217。如前所述，失真与互调成份可以由主放大器202引入。于是设计了图2中的电路，用来在输出217之前基本上消除全部失真与互调成份。

为此，输入信号216经过前馈信号路径上的延迟电路207延迟，然后其相位、增益由相位和增益调节器208进行调整，而没有引入任何失真。设置延迟器207的延迟时间来补尝信号通过主放大器202及定向耦合器203所造成的信号延迟。下一步，定向耦合器203和209允许部分带有失真成份的信号与前馈信号相组合。如果前馈输入信号的振幅、相位调节得合适，来自于定向耦合器203的放大信号的载波成份将消除前馈输入信号的载波成份，结果在定向耦合器 209的输出端产生一个误差信号。这个过程通常称为载波消除。

在此之后，该误差信号的振幅、相位在振幅与相位调节器210内被调整，并经误差放大器211放大，送到定向耦合器205，在此它被从经过定向耦合器203和延迟器204之后的主放大器202的输出上减去。设置延迟器204的时间延迟以补偿经过定向耦合器209、增益和相位调节器210以及误差放大器211所造成的时间延迟。如果误差信号的振幅及相位调节得合适，主信号路径的失真成份将被消除，结果在主信号路径输出端217产生一个纯净信号。

为了达到最优的失真消除，必须控制增益和相位调节器208、210产生纯净输出信号，即基本不存在主放大器202产生的失真。根据本发明，导频音发生器213产生一个扫描频率导频音信号212，它经过定向耦合器219引入输入信号216的路径上，并传送给主放大器202。控制导频音信号的振幅，使其与主放大器202产生的失真成份的电平相同。随后，定向耦合器209输出端的误差信号基本上既包含由主放大器202引入的失真成份，又包含导频音信号212。通过在主放大器输出路径内适当消除导频音信号212，相同振幅的失真成份也将同时被消除，从而在端点217提供一个纯净信号。

为了确定导频音的消除程度，本发明采用了一个导频音检波器215。根据本较佳实施例，检波器215是一个窄带导频音接收器。当工作时，对检波器215进行相位锁定，即经过信号218与导频音发生器213同步。根据本较佳实施例，导频音发生器213是一个可变 频率振荡器。该装置（工作于本地时钟或本机振荡器L.O，以下称参考信号218）能够产生一定范围的频率。由于导频音发生器213与导频音检测器215工作在同一参考信号218上，所以，尽管在主放大输出路径上存在其它信号，检波器215也能很容易地识别出导频音信号。

与先有技术中使用的固定频率、梯形频率、或梳状频率不同，扫描频率导频音信号212的特征在于一个具有连续变化频率的信号，其中频率相对于时间的变化是一个常数。这可以使本发明导频音扫过整个放大器网络工作频带。相反，一个固定频率导频音信号只有一个频率;梯形频率导频音虽然是可变频率，但其中频率相对于时间的变化是个阶跃函数;而梳状频率最好是特征为一具有多重固定频率的信号。可以看出，使用扫描频率导频音的优点是，能够在放大器网络200的整个工作频带内消除导频音和失真。

在工作时，从定向耦合器205输出信号的随机抽样（205代表了失真和导频音都被从主放大器输出路径上消除的点）可以在耦合器206中获取并送到接收器215中。对于这些随机抽样求平均值，以确定在主放大输出路径内的平均导频音能量电平。根据这一测定，控制器214调整增益和相位调节器208及210的增益和相位特性曲线，以便既消除导频音信号又消除功率放大器202引入的失真。

根据本较佳实施例，控制器214包括一个模/数转换器，例如就象一个数字电压表一样，用以将测定的导频音能量电平转化成数字 形式，供一个微处理器使用，编程地调整增益和相位调节器208及210的增益和相位特性曲线。使用这种方法，在达到所期望的消除程度之前，不再需要在连续频率上进行几个增益和相位的调整。相反，通过在频率扫描期间，以几个间隔内对导频音能量电平进行抽样并求出其平均值，因而确定了整个扫描频率的平均导频音能量电平，就可以同时完成在整个放大器网络工作带宽内的导频音与失真的消除。

以上参照一个具体实施例对本发明进行了描述。但对于一个精通这方面的人来说应是很显然的，即在不离开本发明的精神和范围内，可以做出各种修改。例如，图2示出了一个其中使用单载波消除环的电路。对于精通此方面的人来说不难理解到，用叠套或级联载波消除环来代替，是一种显而易见的修改。此外，控制器214不必是一个由微处理器控制的装置，而检波器215可以是任意已知的几种窄带射频检波器或频率选择接收器。

Claims (10)

1、一种用于减小功率放大器产生的失真的前馈放大器网络，包括：

用来产生可以随参考信号而变化的扫描频率导频音的装置，其中扫描频率导频音被引入功率放大器输入信号的输入路径上；

与功率放大器相耦合的电路装置，用来产生一个放大输出信号，此信号中基本上不含导频音和功放失真；

用来测定放大输出信号范围内平均导频音能量电平的装置，该装置与电路装置相耦合；

用来调整电路装置的特性曲线以降低输出信号范围内导频音能量电平的振幅的装置，该装置与测定装置相耦合。

2、根据权利要求1的前馈放大器网络，其中，用来产生扫描频率导频音的装置是一个可变频率振荡器。

3、根据权利要求1的前馈放大器网络，其中参考信号是可变频率振荡器的本地振荡率。

4、根据权利要求1的前馈放大器网络，其中与单个或多个固定频率信号相反，扫描频率导频音是一个连续变化频率的信号。

5、根据权利要求1的前馈放大器网络，其中，在频率扫描过程中，导频音频率相对于时间的变化为常数。

6、根据权利要求1的前馈放大器网络，其中电路装置进一步包括：

第一消除装置，该装置与功率放大器相耦合，用以产生代表扫描频率导频音和功率放大器产生的失真的误差信号;

第二消除装置，该装置与第一消除装置相耦合，用以将放大的误差信号与功率放大器输出信号相组合以产生放大输出信号。

7、根据权利要求1的前馈放大器网络，其中检波装置是从包括下列装置的一组检测器中选出的设备：

频率选择接收器;和

窄带射频功率检波器。

8、根据权利要求1的前馈放大器网络，其中检波装置被锁相到参考信号上。

9、根据权利要求1的前馈放大器网络，其中调节装置根据放大输出信号范围内测定的平均导频音能量电平来调整输入信号和误差信号的振幅及相位。

10、根据权利要求9的前馈放大器网络，其中平均导频音能量电平作为在频率扫描期间被抽取的多个导频音能量采样的函数而被确定的。

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