CN102843108B - 一种高效线性化射频功率放大装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高效线性化射频功率放大装置及方法，该装置包括射频功率放大器用以放大射频信号；自适应极限环环路与射频功率放大器相连，对射频功率放大器实施非线性负反馈控制；自适应极限环环路输入射频输入信号，输出相位变化随射频输入信号调制的脉冲信号；数字开关电源与自适应极限环环路和射频功率放大器分别相连，控制脉冲信号跟踪射频输入信号的瞬态功率自适应变化；射频带通滤波器与自适应极限环环路的输出端相连，解调脉冲信号，输出放大的射频输入信号。本发明在保持高效低功耗的同时，还具有宽带、大动态范围的线性放大性能，使基站更好地实现高数据传输速率传输和覆盖性能，有效降低终端功耗，延长电池寿命。

Description

一种高效线性化射频功率放大装置及方法

技术领域

本发明属于第四代宽带无线通信技术领域，涉及一种功率放大器，特别涉及一种高效线性化射频功率放大装置及方法。

背景技术

随着无线通信技术的迅猛发展，面向新一代宽带无线通信系统应用的射频系统需求很大。传统的线性功率放大器只能够在一定输入范围维持线性传输，当放大一个宽带、高功率峰均比值的基带信号时，功率放大器就会产生严重的非线性效应，使得发射信号的EVM质量低，直接影响接收机的接收质量，干扰邻近信道通信。在实际应用中，为了满足无线通信信号苛刻的线性放大要求，通常只能采用“回退”技术避免功率晶体管进入到非线性饱和区，其代价则是功率效率降低，一般不超过40%，导致基站成本高，覆盖受影响。

目前，第四代宽带移动通信系统采用复杂的高阶调试、多子载波调制的方式来提高数据传输速率，致使具有非恒定包络的基带OFDM信号具有较高的功率峰均比值，对于功率放大器的非线性十分敏感，极易造成射频传输失真。近几年来，功放线性化技术成为了普遍关注的焦点。其中，预失真线性化技术是基于数学上的反函数思想，采用一个与功率放大器非线性行为相反的非线性“预失真”器进行非线性抵偿。目前，基带数字预失真技术可以提供很好的杂散抑制；自适应预失真技术可以通过反馈补偿实际工作中因温度、环境扰动而引起的功率放大器输出波动。

虽然预失真技术发展较为成熟，但面向第四代宽带无线通信应用仍然存在一定局限性。因为在实际应用过程中，预失真的效果取决于功率放大器非线性模型的精度，实时处理复杂度较高。因此，为顺利推动第四代宽带无线通信技术，迫切需要探索新的功放线性化方法，更好地解决宽带应用中的“线性-功效”优化问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高效线性化射频功率放大装置及方法，用于解决宽带应用中射频功率放大器的“线性-功效”优化问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种高效线性化射频功率放大装置及方法。

一种高效线性化射频功率放大装置，包括射频功率放大器、自适应极限环环路、射频带通滤波器、数字开关电源；所述射频功率放大器用以放大射频信号；所述自适应极限环环路与所述射频功率放大器相连，用以对所述射频功率放大器实施非线性负反馈控制；所述自适应极限环环路输入射频输入信号，输出相位变化随所述射频输入信号调制的脉冲信号；所述数字开关电源与所述自适应极限环环路和射频功率放大器分别相连，用以控制所述脉冲信号跟踪所述射频输入信号的瞬态功率自适应变化；所述射频带通滤波器与所述自适应极限环环路的输出端相连，用以解调所述脉冲信号，并输出放大的射频输入信号。

优选地，所述高效线性化射频功率放大装置还包括由载波幅度调制信号控制的数字开关电源；所述数字开关电源在载波幅度调制信号的控制下，控制射频功率放大器的输出瞬态功率。

优选地，所述载波幅度调制信号包含载波瞬时功率受基带幅度调制的信息；所述载波幅度调制信号通过对射频输入信号的检波及滤波获取，或利用基带I和Q信号，通过数字信号处理器实现幅度信号合成获取。

优选地，所述自适应极限环环路包括减法差分放大器、极限环滤波器、缓冲器；所述减法差分放大器的同相输入端输入所述射频输入信号；所述极限环滤波器的输入端与所述减法差分放大器的输出端相连，输出端与所述射频功率放大器的输入端相连；所述缓冲器的输入端与所述射频功率放大器的输出端相连，输出端与所述减法差分放大器的反相输入端相连；所述缓冲器的电源输入端与所述数字开关电源的输出端相连；所述缓冲器的输出端还与所述射频带通滤波器相连。

优选地，所述缓冲器为含迟滞的非线性迟滞元件。

优选地，所述射频功率放大器为开关型射频功率放大器或工作于非线性饱和区的射频功率放大器。

一种高效线性化射频功率放大方法，包括以下步骤：

步骤一，采用射频功率放大器放大射频输入信号；

步骤二，采用自适应极限环环路对所述射频功率放大器实施非线性负反馈控制，使所述射频功率放大器输出相位变化随所述射频输入信号调制的脉冲信号；同时采用数字开关电源在载波幅度调制信号的控制下，控制所述脉冲信号跟踪所述射频输入信号的瞬态功率自适应变化；

步骤三，采用射频带通滤波器解调所述脉冲信号，输出放大的射频输入信号。

优选地，所述步骤二还包括：采用载波幅度调制信号控制所述数字开关电源，进而实现对于自适应极限环环路的自适应控制；所述载波幅度调制信号通过对射频输入信号的检波及滤波获取或利用基带I和Q信号，通过数字信号处理器合成获取。

优选地，所述步骤二的详细实现过程为：

采用缓冲器对所述射频功率放大器的输出信号进行缓冲，输出缓冲放大信号；

采用减法差分放大器对所述射频输入信号与所述缓冲放大信号进行比较，输出误差信号；

采用极限环滤波器为所述射频输入信号与所述误差信号提供不同的幅度-相位转移特性，使得误差信号位于所述自适应极限环环路的高频极限环频率附近，远离所述射频输入信号所在频率。

优选地，所述自适应极限环环路的极限环频率由所述极限环滤波器的转移特性和所述自适应极限环环路的迟滞特性决定；所述极限环频率还随射频输入信号的载波幅度自适应变化。

优选地，所述极限环频率的优化遵循非线性控制理论的幅度-相位准则。

如上所述，本发明所述的高效线性化射频功率放大装置及方法，具有以下有益效果：

本发明采用自适应极限环环路对开关型射频功率放大器进行非线性负反馈控制，实现了对任意射频载波信号的幅度和相位调制，在保持高效低功耗的同时，较好地满足第四代移动通信系统高阶调制和大动态范围输出功率的需求。本发明能够使基站更好地实现高数据传输速率传输和覆盖性能，或者有效降低终端功耗，延长电池寿命；且结构简洁，易于实现，在宽带移动通信、微波通信、广播、高保真音响等领域将有广泛的应用前景。

附图说明

图1显示为实施例一所述的高效线性化射频功率放大装置的结构示意图。

图2显示为实施例一所述的高效线性化射频功率放大方法的流程示意图。

图3显示为实施例二所述的高效线性化射频功率放大装置的结构示意图。

图4显示为实施例二所述的高效线性化射频功率放大方法的流程示意图。

元件标号说明

1射频功率放大器；

2自适应极限环环路；

21减法差分放大器；

22极限环滤波器；

23缓冲器；

3射频带通滤波器；

4数字开关电源；

5射频输入端口；

6载波幅度控制端口；

7供电电源端口；

8射频输出端口；

9幅度调制信号生成模块。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。

实施例一

本实施例提供一种高效线性化射频功率放大装置，如图1所示，包括射频功率放大器1、自适应极限环环路2、射频带通滤波器3、数字开关电源4。所述射频功率放大器1用以放大射频信号。所述自适应极限环环路2与所述射频功率放大器1相连，用以对所述射频功率放大器实施非线性负反馈控制；所述自适应极限环环路输入射频输入信号，输出相位变化随所述射频输入信号调制的脉冲信号。所述射频带通滤波器3与所述自适应极限环环路2的输出端相连，用以解调所述脉冲信号，并输出放大的射频输入信号；所述数字开关电源4与所述自适应极限环环路2和射频功率放大器1分别相连，用以控制所述脉冲信号跟踪所述射频输入信号的瞬态功率自适应变化。

进一步，所述射频功率放大器1为开关型射频功率放大器或工作于非线性饱和区的射频功率放大器。

进一步，所述数字开关电源4由载波幅度调制信号控制；所述数字开关电源在载波幅度调制信号的控制下，控制射频功率放大器的输出瞬态功率。所述载波幅度调制信号包含载波瞬时功率受基带幅度调制的信息；所述载波幅度调制信号通过对射频输入信号的检波及滤波获取或利用基带I和Q信号，通过数字信号处理器实现幅度信号合成获取。

优选地，所述自适应极限环环路包括减法差分放大器、极限环滤波器、缓冲器；所述减法差分放大器的同相输入端输入所述射频输入信号；所述极限环滤波器的输入端与所述减法差分放大器的输出端相连，输出端与所述射频功率放大器的输入端相连；所述缓冲器的输入端与所述射频功率放大器的输出端相连，输出端与所述减法差分放大器的反相输入端相连；所述缓冲器的电源输入端与所述数字开关电源的输出端相连；所述缓冲器的输出端还与所述射频带通滤波器相连。

进一步，所述自适应极限环环路2包括减法差分放大器21、极限环滤波器22、缓冲器23；所述减法差分放大器21的同相输入端输入所述射频输入信号；所述极限环滤波器22的输入端与所述减法差分放大器21的输出端相连，极限环滤波器22的输出端与所述射频功率放大器1的输入端相连；所述缓冲器23的输入端与所述射频功率放大器1的输出端相连，缓冲器23的输出端与所述减法差分放大器21的反相输入端相连；所述缓冲器23的输出端还与所述射频带通滤波器3相连。所述缓冲器23的电源输入端与所述数字开关电源4的输出端相连。更具体地，所述缓冲器23可以为含迟滞的非线性迟滞元件。缓冲器23的输出端与所述减法差分放大器21的反相输入端之间的链路是宽带通路，而不必滤波。

自适应极限环环路的工作原理是：在输入零激励的初始条件下，输出一个周期性的脉冲信号，且脉冲信号的周期固定在一个极限环频率上。该极限环频率是由环路内的迟滞特性和极限环滤波器的转移特性共同决定的。极限环频率的优化设计遵循非线性控制理论的幅度-相位准则。本发明所述的自适应极限环环路结构不局限于本实施例提供的一种结构，其还可以包括任意由本发明所述思路引申或扩展出的能够实现自适应极限环环路功能的结构。

所述高效线性化射频功率放大装置还包括一个射频输入端口5、一个载波幅度控制端口6、一个供电电源端口7和一个射频输出端口8。其中，所述射频输入端口5与所述减法差分放大器21的同相输入端相连；所述载波幅度控制端口6与所述数字开关电源4相连；所述供电电源端口7与所述数字开关电源4相连；所述射频输出端口8与所述射频带通滤波器3的输出端相连。

高效线性化射频功率放大装置的射频输入端口即自适应极限环环路的输入端，在射频输入端口加载射频输入信号时，射频输出端口将输出相位变化量随输入调制（即随射频输入信号调制）的脉冲信号。本发明使得极限环频率远高于载波频率，因此输出的脉冲信号的谐波成分将远离射频分量，这样再通过一个简单的滤波器（例如射频带通滤波器）就可解调出射频信号波形。自适应极限环环路输出的脉冲信号的相位变化量是随输入（即射频输入信号）连续可变的，这与传统PWM等受时钟控制的脉冲调制信号在根本上是不同的。

进一步，所述射频功率放大器为开关型射频功率放大器。开关型射频功率放大器具有比线性功率放大器更高的功率效率，但由于功率晶体管工作于开关模式，呈现极度非线性，并不能直接适用于放大峰均比值高的宽带OFDM信号。本发明采用自适应极限环环路配合开关型射频功率放大器，就可以弥补其线性功能在带宽方面的不足，在射频输出端获得线性放大的信号。因为开关型射频功率放大器的功率效率更高，所以当本发明采用的射频功率放大器为开关型射频功率放大器时，再利用自适应极限环环路的非线性负反馈以及载波幅度自适应原理对开关型射频功率放大器进行负反馈控制，可以实现对任意射频载波信号的幅度和相位调制，即实现宽带线性的功率放大功能。

本发明所述的高效线性化射频功率放大装置的优势在于能够在保持高效低功耗的同时，获得宽带、大动态范围的线性化性能；能够使基站更好地实现高数据传输速率传输和覆盖性能，或者有效降低终端功耗，延长电池寿命。本发明所述的高效线性化射频功率放大装置较好地满足第四代移动通信系统高阶调制和大动态范围输出功率的需求，在宽带移动通信、微波通信、广播、高保真音响等领域将有广泛的应用前景。

本实施例还提供一种高效线性化射频功率放大方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤一，采用射频功率放大器放大射频输入信号。

步骤二，采用自适应极限环环路对所述射频功率放大器实施非线性负反馈控制，使所述射频功率放大器输出相位变化随所述射频输入信号调制的脉冲信号；同时采用数字开关电源在载波幅度调制信号的控制下，控制所述脉冲信号跟踪所述射频输入信号的瞬态功率自适应变化。

进一步，所述步骤二的详细实现过程为：

采用缓冲器对所述射频功率放大器的输出信号进行缓冲，输出缓冲放大信号；其中，所述缓冲放大信号同时也用于驱动负载。特别地，含迟滞的缓冲器提供迟滞非线性，使得自适应极限环环路在零输入时产生极限环效应。迟滞也可以是功率放大器的迟滞、或其它迟滞非线性元件以及实际射频电路的延迟。

采用减法差分放大器对所述射频输入信号与所述缓冲放大信号进行比较，输出误差信号；

采用极限环滤波器为所述射频输入信号与所述误差信号提供不同的幅度-相位转移特性，使得误差信号位于所述自适应极限环环路的高频极限环频率附近，远离所述射频输入信号所在频率。其中，通过对极限环滤波器的传递函数与缓冲器的迟滞非线性特性的优化，使得射频输入信号与所述误差信号在高频极限环频率附近，远离带内的射频输入信号。极限环滤波器可以是低通滤波器、带通滤波器，或者仅仅是积分器。

进一步，所述步骤二还包括：采用来自基带的载波幅度调制信号，通过所述数字开关电源馈入到所述自适应极限环环路的载波幅度控制端口，实现对于自适应极限环环路的自适应控制。即采用载波幅度调制信号控制所述数字开关电源，进而实现对于自适应极限环环路的自适应控制；所述载波幅度调制信号通过对射频输入信号的检波及滤波获取或利用基带I和Q信号，通过数字信号处理器合成获取。

步骤三，采用射频带通滤波器解调所述脉冲信号，输出放大的射频输入信号。

本发明采用一个受射频信号幅度调制的自适应极限环环路实现对功率放大器的非线性负反馈控制。受射频信号幅度调制的自适应极限环环路的工作原理是：在线性功率放大器的载波幅度控制端口将射频幅度信号驱动数字开关电源，控制迟滞缓冲器的输出信号，使该输出信号跟踪射频信号幅度的变化。

本发明对自适应极限环环路增加了受载波幅度调制信号的控制能力，使极限环频率随射频输入信号的幅度而自适应变化，从而使得脉冲输出信号的相位变化能够更加及时地跟踪射频输入信号的瞬态功率变化，大大地降低了脉冲信号谐波成分，从而获得了良好的线性化性能。

本发明利用非线性控制论、融合多种误差抑制方法，巧妙地将宽带射频调制信号转化为了相位可连续调制的脉冲波形，从而与“开关型”功放的快速特性实现良好配合，在发挥“开关型”功放的高效率的同时获得了宽带的线性化性能，较好地满足第四代移动通信系统高阶调制和大动态范围输出功率的需求。本发明能够使基站更好地实现高数据传输速率传输和覆盖性能，或者有效降低终端功耗，延长电池寿命，可广泛应用于数字电视广播通信、卫星通信、雷达等的发射系统。

实施例二

本实施例提供一种高效线性化射频功率放大装置，如图2所示，其与实施例一的区别在于：所述高效线性化射频功率放大装置还包括与所述数字开关电源4相连的幅度调制信号生成模块9，所述幅度调制信号生成模块9输出所述射频输入信号的载波幅度调制信号；所述数字开关电源4在所述射频输入信号的载波幅度调制信号的控制下，控制射频功率放大器的输出瞬态功率。具体地，所述幅度调制信号生成模块9可采用射频包络检波器或基带I和Q数字信号处理器。

本实施例还提供一种高效线性化射频功率放大方法，如图4所示，其与实施例一的区别在于：所述载波幅度调制信号是由设于高效线性化射频功率放大装置内部的幅度调制信号生成模块9获取的，而不是由载波幅度控制端口直接输入的。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种高效线性化射频功率放大装置，其特征在于，所述高效线性化射频功率放大装置包括：

射频功率放大器，用以放大射频信号；

自适应极限环环路，与所述射频功率放大器相连，用以对所述射频功率放大器实施非线性负反馈控制；所述自适应极限环环路输入射频输入信号，输出相位变化量随所述射频输入信号调制的脉冲信号；所述自适应极限环环路包括减法差分放大器、极限环滤波器、缓冲器；所述减法差分放大器的同相输入端输入所述射频输入信号；所述极限环滤波器的输入端与所述减法差分放大器的输出端相连，所述极限环滤波器的输出端与所述射频功率放大器的输入端相连；所述缓冲器的输入端与所述射频功率放大器的输出端相连，所述缓冲器的输出端与所述减法差分放大器的反相输入端相连；

数字开关电源，与所述自适应极限环环路和射频功率放大器分别相连，用以控制所述脉冲信号跟踪所述射频输入信号的瞬态功率自适应变化；所述缓冲器的电源输入端与所述数字开关电源的输出端相连；

射频带通滤波器，与所述自适应极限环环路的输出端相连，用以解调所述脉冲信号，并输出放大的射频输入信号；所述缓冲器的输出端还与所述射频带通滤波器相连。

2.根据权利要求1所述的高效线性化射频功率放大装置，其特征在于：所述数字开关电源在载波幅度调制信号的控制下，控制射频功率放大器的输出瞬态功率。

3.根据权利要求2所述的高效线性化射频功率放大装置，其特征在于：所述载波幅度调制信号包含载波瞬时功率受基带幅度调制的信息；所述载波幅度调制信号通过对射频输入信号的检波及滤波获取，或利用基带I和Q信号，通过数字信号处理器实现幅度信号合成获取。

4.根据权利要求1所述的高效线性化射频功率放大装置，其特征在于：所述缓冲器为含迟滞的非线性迟滞元件。

5.根据权利要求1所述的高效线性化射频功率放大装置，其特征在于：所述射频功率放大器为开关型射频功率放大器或工作于非线性饱和区的射频功率放大器。

6.一种高效线性化射频功率放大方法，其特征在于，所述高效线性化射频功率放大方法包括以下步骤：

步骤一，采用射频功率放大器放大射频输入信号；

步骤二，采用自适应极限环环路对所述射频功率放大器实施非线性负反馈控制，使所述射频功率放大器输出相位变化量随所述射频输入信号调制的脉冲信号；同时采用数字开关电源在载波幅度调制信号的控制下，控制所述脉冲信号跟踪所述射频输入信号的瞬态功率自适应变化；所述步骤二的详细实现过程为：采用缓冲器对所述射频功率放大器的输出信号进行缓冲，输出缓冲放大信号；采用减法差分放大器对所述射频输入信号与所述缓冲放大信号进行比较，输出误差信号；采用极限环滤波器为所述射频输入信号与所述误差信号提供不同的幅度-相位转移特性，使得误差信号位于所述自适应极限环环路的高频极限环频率附近，远离所述射频输入信号所在频率；

步骤三，采用射频带通滤波器解调所述脉冲信号，输出放大的射频输入信号。

7.根据权利要求6所述的高效线性化射频功率放大方法，其特征在于，所述步骤二还包括：采用载波幅度调制信号控制所述数字开关电源，进而实现对于自适应极限环环路的自适应控制；所述载波幅度调制信号通过对射频输入信号的检波及滤波获取，或利用基带I和Q信号，通过数字信号处理器合成获取。

8.根据权利要求6所述的高效线性化射频功率放大方法，其特征在于：所述自适应极限环环路的极限环频率由所述极限环滤波器的转移特性和所述自适应极限环环路的迟滞特性决定；所述极限环频率随射频输入信号的载波幅度自适应变化。

9.根据权利要求8所述的高效线性化射频功率放大方法，其特征在于：所述极限环频率的优化遵循非线性控制理论的幅度-相位准则。