CN103684285A - 用于具有高papr的信号的高效率和高线性自适应功率放大器 - Google Patents

用于具有高papr的信号的高效率和高线性自适应功率放大器 Download PDF

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Abstract

本发明的一些实施例涉及用于具有高PAPR的信号的高效率和高线性自适应功率放大器。本发明的一个实施例提供一种用于控制无线发送器中的功率放大器的操作的系统。在操作期间，该系统接收待发送的基带信号，并且基于基带信号的电平在具有第一功率回退因子的高功率回退模式与具有第二功率回退因子的正常模式之间动态切换功率放大器的操作模式。

Description

用于具有高PAPR的信号的高效率和高线性自适应功率放大器
技术领域
本公开内容主要地涉及一种在正交频分复用(OFDM)发送器中使用的功率放大器。更具体而言，本公开内容涉及一种能够在放大OFDM信号时实现高效率的自适应功率放大器。
背景技术
正交频分复用(OFDM)技术由于它的许多优点而在近年来已经变得越来越流行，这些优点包括频率效率和在严格无线环境中抗频率选择性信道衰落。在过去十年期间，OFDM已经变成诸如WiFi、全球微波接入互操作性(WiMAX)、数字视频广播(DVB)、长期演进(LTE)、TV白空间(TVWS)等许多标准的基础。
然而OFDM也受一些弊端困扰。一个重要问题是发送的信号的高的峰均功率比(PAPR)。高峰值可能造成功率放大器饱和从而导致非线性信号失真。为了防止非线性失真，常规方式依赖于通过使功率的输出功率完全回退(back-off)以适应高峰值来保持功率放大器在线性范围中工作。这样的方式可能造成低信噪比(SNR)或者加大尺寸和低效率的功率放大器。
发明内容
本发明的一个实施例提供一种用于控制无线发送器中的功率放大器的操作的系统。在操作期间，该系统接收待发送的基带信号并且基于基带信号的电平在具有第一功率回退因子的高功率回退模式与具有第二功率回退因子的正常模式之间动态切换功率放大器的操作模式。
在关于这一实施例的变化中，该系统将基带信号从数字域转换至模拟域；调制DA转换的基带信号；并且由功率放大器放大调制的信号。
在关于这一实施例的变化中，在动态切换功率放大器的操作模式时，该系统确定基带信号的电平是否超过预定阈值。如果是这样，则该系统将功率放大器置于高功率回退模式中；如果不是这样，则该系统将功率放大器置于正常模式中。
在又一变化中，将功率放大器置于高功率回退模式中包括增加功率放大器的偏置电压或者偏置电流。
在关于这一实施例的变化中，第一功率回退因子与第二功率回退因子之差取决于基带信号的峰均功率比(PAPR)。
在关于这一实施例的变化中，从用于无线发送器的基带数字信号处理器(DSP)接收基带信号。
附图说明
图1呈现了图示了常规无线发送器的架构的图。
图2呈现了图示了根据本发明一个实施例的无线发送器的架构的图。
图3呈现了图示了根据本发明一个实施例的示例功率放大器控制器的架构的图。
图4呈现了图示了根据本发明一个实施例的控制功率放大器的操作的过程的图。
具体实施方式
呈现以下描述以使本领域任何技术人员能够实现和使用本发明，并且在具体应用及其要求的背景中提供以下描述。对公开的实施例的各种修改将容易为本领域技术人员所清楚，并且这里限定的一般原理可以应用于其它实施例和应用而未脱离本发明的精神实质和范围。因此，本发明不限于所示实施例而是将被赋予与这里公开的原理和特征一致的最广范围。
概述
本发明的实施例提供一种可以基于信号的电平自适应地调整功率放大器的操作点的OFDM发送器。更具体而言，当基带信号的电平为高时，增加功率放大器的偏置电压以保证高电平信号未失真。一旦信号电平返回至正常范围，则功率放大器返回至它的正常工作模式，因此提供更高总功率效率。由于基于基带信号进行判决，所以在功率放大器的两个操作模式之间的转变时间可以充分低。
用于OFDM发送器的功率放大器
在OFDM系统中，高PAPR值是许多独立子载波的叠加的结果，并且与子载波数目直接成比例。更具体而言，OFDM系统的PAPR可以由PAPR(dB)＝10log(N)给定，其中N是子载波数目。例如基于OFDM的标准802.11a/g指定OFDM子载波数目为52。当在符号时段期间排列所有52个子载波的相位时，PAPR为17dB。为了适应这样的高峰值而又维持线性(也就是提供增益而不在每个可能峰值压缩)，功率放大器的操作点需要从峰功率操纵点(handling point)回退17dB。这样的大功率回退因子意味着功率放大器必须在它的平均功率要求方面加大尺寸。此外，它仅能在信号电平低于峰值时提供显著减少的输出功率(减少由PAPR给定的量)。注意由于信号电平在多数时间低于峰值，并且由于DC功率消耗取决于峰电平，所以功率放大器(PA)的总效率很低。例如典型B类PA的最大功率效率可以是78.5％。然而，如果放大的信号具有10dB的PAPR值，则这一效率降至7.85％，这意味着100mW的输出功率电平将消耗1.3W的DC功率。这样的高DC功率消耗对于电池供电的便携设备(比如膝上型或者写字板设备)和移动设备(比如智能电话)而言可能是个大问题。
图1呈现了图示了常规无线发送器的架构的图。在图1中，发送器100包括基带数字信号处理器(DSP)102、数模转换器(DAC)104和106、射频集成电路(RFIC)芯片108、功率放大器110以及天线112。RFIC芯片108包括LPF114和116、可变增益放大器(VGA)118和120、混合器122和124、加法器126以及功率放大器驱动器128。
在操作期间，基带DSP102分别向DAC104和106输出I基带信号和Q信道基带数字信号，这些DAC将数字信号转换至模拟域。转换的模拟信号然后分别由LPF114和LPF116以及VGA118和VGA120滤波并且放大。放大的I基带信号和Q基带信号然后由包括混合器122-124和加法器126的调制器调制。注意，在图1中未示出调制器的其它标准部件，诸如本地振荡器和移相器。然后经由功率放大器驱动器128向功率放大器110发送经调制的信号。在由PA110放大之后，经由天线112发送经调制的信号。
如先前讨论的那样，当设计功率放大器110时，尤其对于具有高PAPR的OFDM信号而言，很难同时满足线性和功率效率要求。满足线性要求经常意味着牺牲功率效率，并且反之亦然。为了解决这样的冲突，在本发明的一些实施例中，根据基带信号的电平动态调整发送器PA的操作点，因此满足线性要求而又实现总体高效率。更具体而言，在本发明的实施例中，PA被配置成仅在系统确定基带信号超过阈值时在高功率回退模式工作；否则，PA被配置成在无需功率回退的正常模式工作。
图2呈现了图示了根据本发明一个实施例的无线发送器的架构的图。在图2中，发送器200包括基带数字信号处理器(DSP)202、数模转换器(DAC)204和数模转换器206、功率放大器控制器208、射频集成电路(RFIC)芯片210、功率放大器212以及天线214。RFIC芯片包括LPF216和LPF218、可变增益放大器(VGA)220和可变增益放大器222、混合器224和混合器226、加法器228以及功率放大器驱动器230。
在操作期间，基带DSP202、DAC204和DAC206、RFIC芯片210、PA212以及天线214执行与图1中所示常规发送器中的功能相似的各种功能，包括生成I基带信号和Q基带信号、DA转换I/Q信号、滤波、调制、放大以及发送经调制的无线电信号。此外，基带DSP202也与基于基带信号的电平控制PA212的操作的PA控制器208交互。
更具体而言，当PA控制器208检测到基带信号的电平为高(诸如超过阈值)时，它将把PA212的操作点移向如下点：该点造成PA212在高功率回退模式中工作。在一个实施例中，PA控制器208将PA212的偏置电压调整至更高电平以便让PA212在高功率回退模式中工作。当基带信号的电平返回至正常时，PA控制器208然后将把PA212的操作点移向它的正常操作点。如更早讨论的那样，PA212在高功率回退模式中工作之时受更低效率困扰，因为更高偏置电压意味着更高DC功率消耗。然而，由于对于OFDM系统而言，信号电平比平均值大得多的可能性相对低，并且信号电平在多数时间保持接近或者低于平均电平，所以PA212仅需在这一高功率回退，因此低效率的模式中工作持续小百分比时间。因此，总效率仍然可以保持高。
例如，在典型OFDM系统中，信号的电平在95％的时间保持接近或者低于平均电平，而PAPR比10dB低得多，而仅在其余5％的时间期间信号的PAPR超过10dB。因而PA在95％的时间置于正常工作模式中并且在5％的时间置于具有至少10dB功率回退因子的高功率回退模式中。对于典型B类PA而言，这意味着PA的效率在95％的时间保持于78.5％电平并且仅在5％的时间降至约7.85％。因而总效率平均约为75％，这比常规PA的7.85％效率的多于八倍。
图3呈现图示了根据本发明一个实施例的示例PA控制器的架构的图。在图3中，PA控制器300包括接收机构302、峰检测器304和控制信号输出机构306。
接收机构302负责从基带DSP接收与基带信号的电平关联的信息，该基带DSP是负责生成基带信号的基带DSP。如果调制方案是正交调制，则总信号电平取决于I信道信号和Q信道信号。更具体而言，可以给定总信号的幅度为：
Figure BSA00000846174300061
其中A是总信号的幅度，I是I信道信号的幅度，并且Q是Q信道信号的幅度。注意I信号和Q信号在基带DSP中保持于数字域中，因此也在数字域中计算总信号电平。
峰检测器304检测存在可能造成PA置于高功率回退模式中的信号峰。在一个实施例中，峰检测器304确定总信号电平超过预定阈值。如果是这样，则峰检测器304通知控制信号输出机构306输出将PA置于高功率回退模式中的控制信号。在一个实施例中，控制信号输出机构306响应于检测到信号峰来输出配置成增加PA的偏置电压的控制信号。在又一实施例中，将偏置电压增加至预定更高值。在高功率回退模式中操作之时放大器具有相对大功率回退因子，这意味着放大器的操作点从可以产生最大平均输出功率而无失真的点或者1dB压缩点(P1dB)回退。通常基于待放大的信号的PAPR值确定功率回退因子。例如，如果信号的PAPR为10dB，则功率回退因子需要至少为10dB。注意可以基于当前活跃标准来预定或者可以从基带信号提取信号的PAPR。
峰检测器304继续监视基带信号的电平并且确定总信号电平是否返回至正常。在一个实施例中，峰检测器304确定总信号电平是否少于预定阈值。如果是这样，则峰检测器304通知控制信号输出机构306输出将PA置于正常模式中的控制信号。在一个实施例中，控制信号输出机构306响应于峰检测器304检测到信号电平返回至正常来输出配置成减少PA的偏置电压的控制信号。在又一实施例中，将偏置电压减少至预定更低值。当在正常模式中操作时，放大器具有可以接近或者等于0dB的相对小功率回退因子，也就是说，在正常模式中无需功率回退。
控制信号输出机构308负责输出用于调整PA的操作点的适当控制信号。注意不同类型的放大器可能需要不同类型的控制信号。例如一些放大器可能要求调整偏置电压，而一些放大器可能要求调整偏置电流。
图4呈现图示了根据本发明一个实施例的控制功率放大器的操作的过程的流程图。在操作期间，系统从基带DSP接收基带信号(操作402)并且计算总信号电平(操作404)。可以在信号强度或者幅度方面表达信号电平。随后，系统确定两个信号电平是否超过预定阈值(操作406)。如果是这样，则系统向PA输出用于将PA置于高功率回退模式中的控制信号(操作408)。否则，系统向PA输出用于将PA置于正常模式中的控制信号(操作410)。注意控制信号可以被配置成调整PA的偏置电压或者电流。
注意图2和图3中所示架构以及图4中所示过程仅为举例而不应限制本公开内容的范围。例如在图2中，发送器实施正交调制方案。一般而言，任何类型的调制方案也是可能的。此外，在图2中，PA控制器是独立单元。一般而言，PA控制器可以是独立单元或者基带DSP的部分。例如PA控制器可以实施为基带DSP中的功能块。另外，图4示出了在高功率回退模式与正常模式这两个操作模式之间切换放大器。一般而言，也有可能微调放大器的操作点使得放大器在多于两个操作模式之间切换。例如也有可能包括中等功率回退模式，并且当信号电平在中等范围中时，系统将放大器置于中等功率回退模式中。
也注意在本发明的实施例中，系统基于在比载波频率低得多的数据速率发送的基带信号的信号电平自适应地切换PA的操作模式。因而控制电路无需是高速电路；因此容易使用各种现有电路技术来实施提出的解决方案。在PA控制器中引入延迟电路以补偿对基带信号的DA转换和调制所引起的时间延迟也是可选的。
可以实现在具体实施方式章节中描述的方法和过程为可以在如上文描述的计算机可读存储介质中存储的代码和/或数据。当计算机系统读取并且执行计算机可读存储介质上存储的代码和/或数据时，计算机系统执行实现为数据结构和代码并且存储于计算机可读存储介质内的方法和过程。
另外，可以在硬件模块中包括下文描述的方法和过程。例如硬件模块可以包括但不限于专用集成电路(ASIC)芯片、现场可编程门阵列(FPGA)和现在已知或者以后开发的其它可编程逻辑器件。当激活硬件模块时，硬件模块执行在硬件模块内包括的方法和过程。
已经仅出于示例和描述的目的而呈现对本发明实施例的前文描述。它们并非旨在于穷举或者限制本公开内容。因而许多修改和变化将为本领域技术人员所清楚。本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (19)

1.一种用于控制无线发送器中的功率放大器的操作的方法，包括：
接收待发送的基带信号；并且
基于所述基带信号的电平在具有第一功率回退因子的高功率回退模式与具有第二功率回退因子的正常模式之间动态切换所述功率放大器的操作模式。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
将所述基带信号从数字域转换至模拟域；
调制经DA转换的基带信号；并且
由所述功率放大器放大经调制的信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其中动态切换所述功率放大器的所述操作模式包括：
确定所述基带信号的所述电平是否超过预定阈值；
如果是这样，则：
将所述功率放大器置于所述高功率回退模式中；而如果不是这样，则：
将所述功率放大器置于所述正常模式中。
4.根据权利要求3所述的方法，其中将所述功率放大器置于所述高功率回退模式中包括增加所述功率放大器的偏置电压或者偏置电流。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一功率回退因子与所述第二功率回退因子之差取决于所述基带信号的峰均功率比(PAPR)。
6.根据权利要求1所述的方法，其中从用于所述无线发送器的基带数字信号处理器(DSP)接收所述基带信号。
7.一种用于控制无线发送器中的功率放大器的操作的功率放大器控制器，包括：
接收机构，配置成接收待发送的基带信号；以及
控制信号输出机构，配置成基于所述基带信号的电平向所述功率放大器输出控制信号，其中所述控制信号被配置成在具有第一功率回退因子的高功率回退模式与具有第二功率回退因子的正常模式之间动态切换所述功率放大器的操作模式。
8.根据权利要求7所述的功率放大器控制器，还包括：确定机构，配置成确定所述基带信号的所述电平是否超过预定阈值；并且
其中所述控制信号输出机构被配置成：
响应于所述基带信号的所述电平超过所述预定阈值，输出将所述功率放大器置于所述高功率回退模式中的控制信号；以及
响应于所述基带信号的所述电平少于所述预定阈值，输出将所述功率放大器置于所述正常模式中的控制信号。
9.根据权利要求8所述的功率放大器控制器，其中将所述功率放大器置于所述高功率回退模式中包括增加所述功率放大器的偏置电压或者偏置电流。
10.根据权利要求7所述的功率放大器控制器，其中所述第一功率回退因子与所述第二功率回退因子之差取决于所述基带信号的峰均功率比(PAPR)。
11.根据权利要求7所述的功率放大器控制器，其中所述接收机构从用于所述无线发送器的基带数字信号处理器(DSP)接收所述基带信号。
12.根据权利要求7所述的功率放大器控制器，其中所述功率放大器控制器是用于所述无线发送器的基带数字信号处理器(DSP)的一部分。
13.一种无线发送器，包括：
功率放大器；
基带数字信号处理器(DSP)；
数模转换器(DAC)；
调制器；以及
功率放大器控制器，其中所述功率放大器控制器还包括：
接收机构，配置成接收待从所述基带DSP发送的基带信号；以及
控制信号输出机构，配置成基于所述基带信号的电平向所述功率放大器输出控制信号，其中所述控制信号被配置成在具有第一功率回退因子的高功率回退模式与具有第二功率回退因子的正常模式之间动态切换所述功率放大器的操作模式。
14.根据权利要求13所述的无线发送器，其中所述DAC被配置成将所述基带信号从数字域转换至模拟域，其中所述调制器被配置成调制经DA转换的基带信号，并且其中所述功率放大器被配置成放大经调制的信号。
15.根据权利要求13所述的无线发送器，其中所述功率放大器还包括：确定机构，配置成确定所述基带信号的所述电平是否超过预定阈值；并且
其中所述控制信号输出机构被配置成：
响应于所述基带信号的所述电平超过所述预定阈值，输出将所述功率放大器置于所述高功率回退模式中的控制信号；以及
响应于所述基带信号的所述电平少于所述预定阈值，输出将所述功率放大器置于所述正常模式中的控制信号。
16.根据权利要求15所述的无线发送器，其中将所述功率放大器置于所述高功率回退模式中包括增加所述功率放大器的偏置电压或者偏置电流。
17.根据权利要求13所述的无线发送器，其中所述第一功率回退因子与所述第二功率回退因子之差取决于所述基带信号的峰均功率比(PAPR)。
18.根据权利要求13所述的无线发送器，其中所述调制器是正交调制器。
19.根据权利要求13所述的无线发送器，其中所述功率放大器控制器是所述基带DSP的一部分。
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