CN105119578A - 一种包络跟踪自适应预失真功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种包络跟踪自适应预失真功率放大器，设置有外壳，外壳内部设置有；现场可编程门阵列，用于完成数字预失真和包络生成；包络调制器，与包络跟踪功率放大器连接，用于抑制包络跟踪功率放大器产生的峰均比；包络跟踪功率放大器，与包络调制器连接，用于提高漏极电压从低输入功率到峰值功率的饱和状态的效率；抗混叠滤波器，与可编程门阵列和包络跟踪功率放大器连接，用于降低输出电平中的混叠成分；自适应模块，通过射频线缆与环形器连接，用于自适应地调节数字预失真的补偿特性。本发明满足了用户终端访问不同的系统和服务，具有高灵敏度、可重构的射频发射功能，降低了基站维护的工作量；能够有效地降低基站的辐射。
Description
技术领域
本发明属于现代无线通信技术及其应用技术领域，尤其涉及一种包络跟踪自适应预失真功率放大器。
背景技术
射频功放是无线通信系统系统中的重要设备，保证射频功放的较高线性度是预失真的重要基础。在射频功放长期运行过程中,非线性不断增加，使得功放的输出效率降低，引起幅度和相位失真，导致误比特率增加；引起寄生频谱增加产生大量谐波分量和互调失真，从而严重影响通信传输质量，降低系统性能；同时由于非线性使功放发热增加，将造成器件加速老化，因此必须进行功率补偿。常规的功率补偿方法功率效率底下或者结构复杂、成本较高或者带宽受限、稳定性差。包络跟踪自适应数字预失真能够克服上述缺点。当前，预失真器根据其在系统中的位置可以分为三类：1、射频(RF-RadioFrequency)预失真技术(杨建涛,高俊,王柏杉,黄炳凯.基于LUT(Look-Up-Table)射频预失真技术[J].海军工程大学学报,2009(4):78-81+97.冯永生.预失真射频功率放大器的研究[D].北京：北京邮电大学，2007.胡欣，王刚，王自成，罗积润.射频预失真器与基带预失真算法结合对行波管功率放大器线性化改善的影响[J].通信学报，2012(7):158–163.沈涛.射频预失真器研究[D].西安：西安电子科技大学，2006)；2、中频(IF-IntermediateFrequency)预失真技术(张素敏.中频数字预失真法改善功率放大器的非法性[J].无线电工程,2005(8):59-61.郭荣新，李国刚.基于IP核的数字预失真系统设计[J].吉林师范大学学报(自然科学版)，2011(4):70-73+76)；3、基带预失真技术(南敬昌，李新春，刘元安，唐碧华.功放数字基带预失真理论分析和仿真实现[J].系统仿真学报,2008(12),3220-3222+3228.刘宁.功放数字基带预失真算法研究及硬件实现[D].西安：西安电子科技大学，2011.赵洪新，陈忆元，洪伟.一种基带预失真RF(RadioFrequency)功率放大器线性化技术的模型仿真与实现[J].通信学报，2000(5):41-47)。
射频预失真(RF-RadioFrequency)与中频预失真(IF-IntermediateFrequency)属于模拟预失真的范畴，较高的效率和低廉的成本是其优点，缺点在于需要时时更新模拟参数以适应功放的特性，需要有源器件在射频或者中频控制模拟器件，实现起来比较困难，目前只适用于卫星系统、前馈线性化的初始线性提高等对线性度要求不高的场合；基带预失真能够在低频下进行处理，可以用DSP(DigitalSignalProcessor)、FPGA(FieldProgrammableGateArray)等高速数字信号处理芯片实现对信号的低频搬移，具有灵活的处理方法和较强的适应性。公开资料表明：包络跟踪对电源的要求较高，需要动态调整供电电压而不是采用固定电压供电。
发明内容
本发明的目的在于提供一种包络跟踪自适应预失真功率放大器，旨在提供一种可实现不同系统切换、具有高灵敏度和可重构的包络跟踪自适应预失真功率放大器。
本发明是这样实现的，一种包络跟踪自适应预失真功率放大器，所述包络跟踪自适应预失真功率放大器设置有外壳，所述外壳内部设置有；
现场可编程门阵列，用于完成数字预失真和包络生成；
包络调制器，通过线缆与现场可编程门阵列连接，通过射频线缆与包络跟踪功率放大器连接，用于抑制包络跟踪功率放大器产生的峰均比；
包络跟踪功率放大器，通过线缆与包络调制器连接，用于提高漏极电压从低输入功率到峰值功率的饱和状态的效率；
抗混叠滤波器，通过射频线缆现场与可编程门阵列和包络跟踪功率放大器连接，用于降低输出电平中的混叠成分；
自适应模块，通过射频线缆与环形器连接，用于自适应地调节数字预失真的补偿特性。
进一步，包括电源接口、环形器；
所述电源接口安装在外壳上，所述环形器与包络跟踪功率放大器和自适应模块连接。
进一步，所述包络生成由包络整合和包络映射构成；包络整合用于消除高频分量；包络映射用于映射包络到漏极电压的瞬时包络的测量。
进一步，所述包络跟踪功率放大器的功率管为LDMOS(LaterallyDiffusedMetalOxideSemiconductor)，运行环境为并行多波段模式，所述功率管的外围电路由保护功能电路构成。
进一步，所述控制中心由现场可编程门阵列构成，实现数字预失真，数字预失真是多波段数字预失真单元，数字预失真单元在各个波段捕获和分别数字化处理将缓解功放并行多波段运行模式下的再生频谱失真和互调失真。
进一步，所述外壳采用环氧树脂绝缘材料。
进一步，所述射频线缆缆为阻抗50Ω的SMT(SurfaceMountTechnology)半钢射频同轴线缆。
本发明提供的包络跟踪自适应预失真功率放大器，包络跟踪功率放大器在于包络跟踪，包络跟踪可以动态调整包络跟踪功率放大器功放的供电电压，这样通过保持包络跟踪功率放大器功放压缩在整个包络的调制周期内以最大限度地提高包络跟踪功率放大器的效率，而不只是让功放保持在峰值包络上；所述控制中心由FPGA(FieldProgrammableGateArray)构成，实现数字预失真DPD(DigitalPre-Distortion)，DPD(DigitalPre-Distortion)实质上是多波段DPD(DigitalPre-Distortion)单元，DPD(DigitalPre-Distortion)单元在各个波段捕获和分别数字化处理将缓解功放并行多波段运行模式下的再生频谱失真和互调失真，降低对带宽的DAC(DigitaltoAnalogConverter)器件和ADC(AnalogtoDigitalConverter)器件的苛刻要求；所述控制中心实现的包络生成由包络整合和包络映射构成，原始信号的瞬时采样点通过包络整合和包络映射进行适当的包络跟踪功率放大器ETPA(EnvelopetrackingPowerAmplifier)漏极电压操作；包络调制器可优化功放的效率，避免产生较大的峰均比；自适应模块可以提高预失真系统跟踪、抵消包络跟踪功率放大器因外部因素产生的误差的能力，提高包络跟踪功率放大器的线性度和效率，进而提高整个系统的性能和通信质量；抗混叠滤波器用于把DPD导出信号的混叠成分降低到微不足道的程度，去除采集到的不确定信号对有用信号的干扰，最大程度地抑制或消除混叠现象对数据采集的影响；外壳采用环氧树脂绝缘材料，可耐受不低于35kV高压。
本发明与现有技术相比，具有以下的优势：
1、本发明可以满足用户终端(手机)访问不同的系统和服务，具有高灵敏度、可重构的射频发射功能，支持现有频段和潜在的未来的无线网络。
2、本发明功耗极低，采用DPD(DigitalPre-Distortion)保证其线性化进行功率补偿，大大降低了基站维护的工作量。
3、本发明能够有效地降低基站的辐射，满足相关的环保标准。
4、本发明设置的抗混叠滤波器，提高了ETPA(EnvelopetrackingPowerAmplifier)的效率，避免了较大的峰均比。
5、本发明设置的功放链路，将输入信号进行放大，以达到输出功率的需求，采用LDMOS(LaterallyDiffusedMetalOxideSemiconductor)管，以提高漏极电压从低输入到峰值饱和状态的运行效率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的包络跟踪自适应预失真功率放大器的数字预失真原理图。
图2是本发明实施例提供的包络跟踪自适应预失真功率放大器组成示意图。
图3是本发明实施例提供的包络跟踪自适应预失真功率放大器内部模块框图。
图4和图5是本发明实施例提供的自适应模块框图。
图6是本发明实施例提供的包络调制器的结构框图。
图7是本发明实施例提供的包络跟踪功率放大器功率放大电路框图。
图8是本发明实施例提供的抗混叠滤波器电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步描述。
如图1所示，一种包络跟踪自适应预失真功率放大器，其数字预失真原理图。所述包络跟踪自适应预失真功率放大器设置有外壳，所述外壳内部设置有；
现场可编程门阵列，用于完成数字预失真和包络生成；
包络调制器，通过线缆与现场可编程门阵列连接，通过射频线缆与包络跟踪功率放大器连接，用于抑制包络跟踪功率放大器产生的峰均比；
包络跟踪功率放大器，通过线缆与包络调制器连接，用于提高漏极电压从低输入功率到峰值功率的饱和状态的效率；
抗混叠滤波器，通过射频线缆现场与可编程门阵列和包络跟踪功率放大器连接，用于降低输出电平中的混叠成分；
自适应模块，通过射频线缆与环形器连接，用于自适应地调节数字预失真的补偿特性。
如图2所示，一种包络跟踪自适应预失真功率放大器，主要由控制中心21、包络调制器22、包络跟踪功放包络跟踪功率放大器(ETPA-EnvelopetrackingPowerAmplifier)23、抗混叠滤波器24、自适应模块25、电源接口26、环形器27，射频线缆28和外壳29构成。
如图3所示，一种包络跟踪自适应预失真功率放大器内部模块框图。
控制中心21的数字预失真结构如图3所示，在射频链路中，信号传递进数字预失真器(DPD-DigitalPre-Distortion)中，移入到数字上变频器(DUC-DigitalUpConverter)处理得到的整合信号进行数模转换(DAC-DigitaltoAnalogConverter)，再经过抗混叠滤波器24滤除信号中的混叠成分，然后信号进入到包络跟踪功率放大器(ETPA-EnvelopetrackingPowerAmplifier)23中。
如图3所示的控制中心21的DPD(DigitalPre-Distortion)反馈回路，经过数字预失真器(DPD-DigitalPre-Distortion)处理的信号x(n)相当于基带，包络跟踪功率放大器(ETPA-EnvelopetrackingPowerAmplifier)23的输出y(n)经过环形器27进入自适应模块25，导出数字预失真的系数用于提高DPD(DigitalPre-Distortion)跟踪、抵消功放因外部因素产生的误差。
如图4和图5所示的自适应模块25的功能实现框图，该模块是用DSP(DigitalSignalProcessor)实现。包括对DSP(DigitalSignalProcessor)锁相环和数据接口的配置，以及外设进行初始化；自适应模块导出DPD(DigitalPre-Distortion)模块和(ETPA-EnvelopetrackingPowerAmplifier)23输出的系数，将这些系数处理后应用到预失真的原始信号，自适应相当于负反馈，由DSP(DigitalSignalProcessor)实现，DSP(DigitalSignalProcessor)通过使用内部的数字信号处理函数对导出系数进行数据校准、误差抵消、设置门限、索引处理，得到预失真系数反馈给DPD(DigitalPre-Distortion)。
自适应模块导出DPD(DigitalPre-Distortion)模块和ETPA(EnvelopetrackingPowerAmplifier)输出的系数，将这些系数处理后应用到预失真的原始信号，自适应相当于负反馈，由DSP(DigitalSignalProcessor)实现，DSP(DigitalSignalProcessor)通过使用内部的数字信号处理函数对导出系数进行数据校准、误差抵消、设置门限、索引处理。
如图3所示的控制中心21的包络生成链路，原始信号即未经DPD(DigitalPre-Distortion)处理的信号通过包络整合和包络映射进行适当的包络跟踪功率放大器(ETPA-EnvelopetrackingPowerAmplifier)。信号进入控制中心即FPGA(FieldProgrammableGateArray)，分成两个部分，一部分进入包络生成模块，另一部分进入到DPD(DigitalPre-Distortion)。其中包络生成模块包括包络整合和包络映射组成，包络整合以信号的瞬时包络为基础，设定频率间隔，提取幅度信息；包络映射将整合包络映射到瞬时漏极电压状态，在FPGA(FieldProgrammableGateArray)内构造包络和漏极电压的映射函数；完成包络生成后，生成包络到包络调制器再到ETPA(EnvelopetrackingPowerAmplifier)进行包络跟踪处理。进入到DPD(DigitalPre-Distortion)部分，在DPD(DigitalPre-Distortion)内部的DPD(DigitalPre-Distortion)单元，检查并捕获失真，并且计算出预失真的控制系数进入到ETPA(EnvelopetrackingPowerAmplifier)中进行预失真处理，另外DPD(DigitalPre-Distortion)和自适应模块构成了反馈回路，通过自适应模块，调整DPD(DigitalPre-Distortion)。
包络调制器22的结构如图6所示，包络生成模块输出包络基准信号给包络调制器，包络调制器动态提供差分信号跟踪包络基准信号，不断优化ETPA的效率，提高了包络跟踪功率放大器(ETPA-EnvelopetrackingPowerAmplifier)23的效率，避免了较大的峰均比。包络生成模块输出包络基准信号给包络调制器，包络调制器动态提供差分信号跟踪包络基准信号，不断优化ETPA(EnvelopetrackingPowerAmplifier)的效率。
如图7所示的包络跟踪功率放大器(ETPA-EnvelopetrackingPowerAmplifier)23功率放大链路及其构成，功放链路将输入信号进行放大，以达到输出功率的需求，采用LDMOS(LaterallyDiffusedMetalOxideSemiconductor)管，以提高漏极电压从低输入到峰值饱和状态的运行效率。
误差放大模块先进行载波抵消，然后提取误差信号，并对误差信号进行延时微调，最后对处理的信号进行放大处理。
延时滤波器对信号进行延时，并对功放链路信号、误差放大信号和输出信号进行耦合操作。
检测模块分为接收和检测，完成驻波，输入功率、载波抵消效率等检测操作，并将ETPA的输出导入到自适应模块处理。
如图8所示抗混叠滤波器24的电路，由电阻R81、电阻R82、电阻R83、电感L81、电感L82、电容C81、电容C82构成，为了提高ETPA(EnvelopetrackingPowerAmplifier)的效率，避免较大的峰均比。
外壳29采用环氧树脂绝缘材料。
可见，本发明采用现场可编程门阵列(FPGA-FieldProgrammableGateArray)作为控制中心完成数字预失真和包络生成极大地提高了包络跟踪功率放大器ETPA(EnvelopetrackingPowerAmplifier)的线性度和效率，具有功耗极低、通信可靠性好、以及物理尺寸小的特点。采用本发明方案后，可以满足用户终端(手机)访问不同的系统和服务，具有高灵敏度、可重构的射频发射功能，支持现有频段和潜在的未来的无线网络，节省了人工成本，提高了资产使用率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种包络跟踪自适应预失真功率放大器，其特征在于，所述包络跟踪自适应预失真功率放大器设置有外壳，所述外壳内部设置有；
现场可编程门阵列，用于完成数字预失真和包络生成；
包络调制器，通过线缆与现场可编程门阵列连接，通过射频线缆与包络跟踪功率放大器连接，用于抑制包络跟踪功率放大器产生的峰均比；
包络跟踪功率放大器，通过线缆与包络调制器连接，用于提高漏极电压从低输入功率到峰值功率的饱和状态的效率；
抗混叠滤波器，通过射频线缆现场与可编程门阵列和包络跟踪功率放大器连接，用于降低输出电平中的混叠成分；
自适应模块，通过射频线缆与环形器连接，用于自适应地调节数字预失真的补偿特性。
2.如权利要求1所述的包络跟踪自适应预失真功率放大器，其特征在于，进一步包括电源接口、环形器；
所述电源接口安装在外壳上，所述环形器与包络跟踪功率放大器和自适应模块连接。
3.如权利要求1所述的包络跟踪自适应预失真功率放大器，其特征在于，所述包络生成由包络整合和包络映射构成；包络整合用于消除高频分量；包络映射用于映射包络到漏极电压的瞬时包络的测量。
4.如权利要求1所述的包络跟踪自适应预失真功率放大器，其特征在于，所述包络跟踪功率放大器的功率管为LDMOS，运行环境为并行多波段模式。
5.如权利要求1所述的包络跟踪自适应预失真功率放大器，其特征在于，所述控制中心由现场可编程门阵列构成，实现数字预失真，数字预失真是多波段数字预失真单元，数字预失真单元在各个波段捕获和分别数字化处理将缓解功放并行多波段运行模式下的再生频谱失真和互调失真。
6.如权利要求1所述的包络跟踪自适应预失真功率放大器，其特征在于，所述外壳采用环氧树脂绝缘材料。
7.如权利要求1所述的包络跟踪自适应预失真功率放大器，其特征在于，所述射频线缆缆为阻抗50Ω的SMT半钢射频同轴线缆。
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