CN106208974A - 一种基于自适应数字包络跟踪技术的数字功率放大器的系统设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于自适应数字包络跟踪技术的数字功率放大器的系统设计方法。该发明使用了功率谱的分析方法自适应提取基带信号的能量包络，并且结合基带信号、功率放大器的供电电压反馈信号及功率放大器输出的反馈信号，计算出相互之间的时延及包络误差信息，自适应的调整包络时延与功率放大器供电电压包络误差。该发明还对包络跟踪的电源提出了使用直流电源阵列的解决方案，通过开关电源阵列内部电源模块与调整电源模块内部反馈电压的方式，实现调整输出精确包络电压，很好的解决包络跟踪的电源实现方法。上述算法处理及控制均通过数字域实现，该发明可使功率放大器在稳定与高转换效率的情况下连续工作，实现了很好的绿色节能的效果。

Description

一种基于自适应数字包络跟踪技术的数字功率放大器的系统 设计方法

技术领域：

本发明涉及无线通信技术领域，是利用一种自适应的数字包络跟踪技术实现数字功率放大器设计的一种系统设计方法。该方法可以很好的解决功率放大器转换效率低的问题。

技术背景

功率放大器是无线通信的重要组成部分，但是功率放大器本身存在转换效率低的问题。一般的功率放大器转换效率只有15%或者更低，大部分能量转化为热量，不但浪费能量，还导致高温，增加设备解决高温的成本，并且高温工作影响了设备的寿命。

功率放大管的输出效率与其1dB压缩点曲线相关，而1dB压缩点则与供电电压相关。如果功率放大管工作在1dB压缩点附近，越靠近1dB压缩点，其转换效率越高。目前的无线通信信号，均为峰均比较高的信号，一般峰均比达到10dB，导致功率放大器绝大部分时间是工作在远离1dB压缩点，导致了功率放大器的转换效率低。

包络跟踪技术，则是利用功率放大管的这个特性，改变由功率放大管所组成的各种功率放大器的供电电压，使功率放大器一直工作在1dB压缩点附近，则功率放大器的效率可以由15%左右提升到50%或者更高。实现绿色节能效果，并且能够降低设备用于解决发热的成本。

发明内容

本发明提供了一种基于自适应数字包络跟踪技术的数字功率放大器的系统设计方法，解决无线通信功率放大器转换效率低的问题。

本发明描述了数字包络跟踪技术的信号处理流程，并且提出了一种如何使用直流电源模块实现包络电压输出的解决方案。

本发明中，基带信号转换至射频信号的流程如下：基带信号经过数字上变频处理，使用数模转换芯片DAC输出模拟IQ信号，使用IQ调制器把DAC输出的IQ调制成射频信号，射频信号经过功率放大器放大，整体结构可实现数字功率放大器的一体化设计。

数字包络跟踪的信号处理方法流程如下：

基带信号为IQ信号，将IQ信号转化为功率信号。

对由基带信号转化的功率信号使用功率谱分析的方法统计功率谱，提取主要的功率分布情况。

将提取出来的功率谱参数提供给滤波器，滤波器根据功率谱参数自动修改参数，提取出基带信号功率包络数字信号。

功率包络信号需要进行包络误差修正与延时修正，包络误差修正的参数由使用功率放大器供电电压反馈信息与基带信号功率包络信号计算得到；延时误差修正的参数由使用功率放大器供电电压反馈信息与功率放大器输出信号计算得到。

经过误差处理与延时处理的包络信号分为两路，一路信号转换为电源模块的开关控制信号，控制可变电压直流电源阵列的直流电源模块开关，对每个模块实现独立开关控制；一路信号通过数模转化芯片DAC转化为模拟电压，并且通过模拟加法器电路将电压附加在电源模块的反馈电压输入口，实现电源模块的输出电压控制。

基带信号功率包络信号、可变电压直流电源阵列的输出电压反馈信号及功率放大器输出的反馈信号输入到包络误差提取模块与延时计算模块中，计算出电压包络的误差信息及延时信息，提供给修正模块进行修正。

可变电压直流电源阵列的实现方式，使用多个独立的直流电源模块搭建，每个直流电源模块均需要支持开关控制，以及实现反馈电压的控制，其中使用了模拟电压加法器电路，对包络跟踪的控制电压与电源模块输出电压实现两个电压的叠加。

本发明提供一种自适应数字包络跟踪技术的数字功率放大器系统设计方法，大幅度提高了功率放大器的转换效率，实现了绿色节能的目的。

附图说明

为了更好的描述本发明的实施方法与技术方案，下面将提供图例对实施方法与技术方案进行介绍，下面的附图只是本发明的一个实施方法，本领域的一般技术人员也可以根据本发明的描述文件与图例，在不需要付出任何创造性劳动的情况下，获得本发明的其他实施方法。

图1：一种基于数字包络跟踪技术的数字化功率放大器的系统设计方法原理框图。

图2：基带信号功率包络提取方法结构框图。

图3：包络信号误差修正、延时处理及转化为控制信号结构框图。

图4：可变电压直流电源阵列实现原理框图。

图5：包络跟踪延时同步计算及误差计算原理框图。

图6：直流电源模块实现反馈电压调整电路原理框图。

图7：窄带信号下的包络跟踪图。

图8：宽带信号下的包络跟踪图。

具体实施方式

为了使本发明的实现方法、实现特征和优势描述清楚，下面将结合参考附图对本发明的实施方式以及实施效果进行详细描述，显然，本发明所描述的实施方案与技术方法只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本领域的普通技术人员在没有做出任何创造性劳动的情况下，可以获取其他实施例，也是属于本发明的保护范围。

基于自适应数字包络跟踪技术的数字化功率放大器的系统如图1所示。

如图1所示，数字基带数据101部分，表示正交的基带数字IQ信号，IQ信号在具体的实施方案中，可以来自光纤传输，可以来自与射频接收机接收射频信号，经过混频器，模数转换芯片ADC采样之后，数字下变频及滤波器处理的数字IQ信号，基带信号可以为正交IQ基带信号。

如图1所示，基带信号至功率放大器的信号处理流程如下：

基带信号101输入到数字上变频及延时调整模块106，实现数字上变频，插值滤波处理，并且根据包络跟踪同步算法及误差计算模块105得到的延时信息进行延时调整，数字信号经过数模转换芯片DAC转化为模拟的IQ信号，模拟的IQ信号经过IQ调制器，调制为射频信号，输入到功率放大器107中，功率放大器107实现功率放大输出。

如图1所示，基带信号的功率包络提取模块102，实现了基带信号的功率包络的提取；图2详细解释图1的102工作流程。

图2中，基带信号进入202模块，进行功率计算，将基带信号转化为功率信号；功率信号进入滤波器203，实现功率包络提取。202输出的功率信号进入功率谱分析201，进行信号的功率谱分析，提取功率分布信息，功率谱信息传输到功率包络提取滤波器203模块，滤波器203根据功率谱信息自动调整滤波器参数提取出功率包络信号204。

如图1所示，功率包络提取出来之后，传输到功率包络误差修正与延时调整模块103，103模块使用图3进行详细解释。

如图3中所示，功率包络信号被提取出来之后，首先进行包络误差修正处理301，误差信息是来自图1的105误差计算模块，误差的修正可以使用滤波器组的方式，也可以使用查表的方式实现；经过修正之后的包络信号根据图1的105模块同步得到的延时信息，进行延时调整302，本发明中，包络误差修正模块301与延时调整模块302可以互换位置，不影响系统性能；经过误差修正与延时调整的包络信号分别进入阵列开关控制303与直流电源反馈电压控制304，进入303的包络信号将转化为可变电压直流电源阵列的内部模块开关信号，可以使用查表的方式实现；进入304的包络信号，经过幅度调整处理，转化为适合控制直流电源模块的反馈电压信号，在图1的104模块中使用数模转换芯片DAC转化为电压信号。

如图1所示，经过103处理之后的信号，进入可变电压直流电源阵列104模块，104的结构可以参考图4与图6；图4中所示，直流电源阵列，组成的数量是根据功率放大器的功率需求决定。

如图6所示，每个电源阵列内部的直流电源模块，均支持反馈电压与控制电压的叠加控制，电压加法可以根据实际情况组合电源模块使用，可以是一个电源模块使用一个电压加法合路器，也可以所有电源模块合用一个电压加法器，本发明并不限定组合的方式。

如图6所示，直流电源模块601输出电压经过的LC滤波电路602，滤除包络频率以外的高频信号，滤波之后的电压反馈到模拟电压加法器604中，与直流电源反馈控制电压603，也就是图3中的304信号经过数模转换芯片DAC输出的电压信号进行模拟电压相加，形成直流电源模块的反馈信号。

根据图4所示，直流电源模块的输出电压，与其他电源模块输出的电压经过并行合路之后，输出给功率放大器使用。

根据图1所示，数字包络跟踪技术的一个核心模块105，实现了包络跟踪的延时计算，以及包络误差计算。其中105使用了基带信号的功率包络信号，可变电压直流电源阵列的输出电压的反馈信息及功率放大器107的反馈信号，计算出包络误差及延时信息，输出给包络误差纠正及延时纠正模块103，延时信息输出106进行延时调整，包络跟踪的同步及误差计算105参见图5。

如图5所示，实际的功率放大器的供电电压包络与通过基带信号提取功率包络存在一定的误差，需要进行误差计算及补偿，其中电压包络误差提取模块501使用了基带信号功率包络与功率放大器的供电电压反馈信号进行计算得到包络误差，延时计算502的延时误差参数可以通过功率放大器的供电电压与功率放大器的输出信号进行计算得到。

包络跟踪的功率放大器输出信号功率与供电电压之间的关系参见图7，图8。

其中图7为功率放大器输出窄带信号是的图形，其中701为没有做包络跟踪情况下的恒定电压，702为做了包络跟踪处理的功率放大器的供电电压包络，虚线703为功率放大器的输出功率。

其中图8为功率放大器输出宽带信号是的图形，其中801为没有做包络跟踪情况下的恒定电压，802为做了包络跟踪处理的功率放大器的供电电压包络，虚线803为功率放大器的输出功率。

在本发明的实施过程中，所描述的处理算法与控制，可以在数字域进行处理，这样有利于控制的准确度，稳定度，与可靠性，也有利于生产实现，同时降低产品实现的成本，只有必需的硬件部分使用硬件电路实现，如功率放大器，电源模块，基于数字包络跟踪技术的数字功率放大器系统实现，分成数字信号处理硬件，包络电源硬件及功率放大器三部分构成，或者任意组合，也可以一体化设计实现，都是属于本发明的实现方式，只是组合的实现划分。

Claims (13)

1.一种基于自适应数字包络跟踪技术的数字功率放大器的系统设计方法，其包括：

使用IQ基带信号提取基带信号的能量，使用功率谱的方法分析信号能量，自适应调整滤波器提取能量信号包络；

使用基带信号、功率放大器供电电压反馈信号与功率放大器输出信号的反馈信号结合一起，分析出电压包络与输出信号包络之间的时延与误差，在数字信号处理中对包络进行延时与误差补偿；

将提取出来的基带信号能量包络，转换为控制直流电源阵列的数字开关信号，对直流电源阵列实现开关控制，同时使用数模转换芯片DAC将控制信号转化为模拟的电压信号，直接附加在直流电源模块的反馈电压输入口，实现控制电源模块的电压包络输出；

包络跟踪的电源使用了多个电源模块组成阵列，可以独立控制打开与关闭每个电源模块的输出；

电源模块阵列中的每个电源模块使用了模拟加法器，将控制电压与输出电压实现电压加法，输出到芯片的反馈入口，实现通过DAC输出的电压控制电源模块的输出电压；

包络跟踪的包络时延控制，包括可以支持基带信号时延与基带信号能量包络时延。

2.根据权利要求1所述的系统，其基带信号的能量包络提取是使用基带IQ信号提取，并且使用了功率谱的方式进行能量谱的分析。

3.根据权利要求1所述，基带能量信号进行自适应包络滤波处理，滤波器参数根据能量分布做出调整。

4.根据权利要求1所述，基带信号、功率放大器供电包络电压反馈信号，功率放大器输出信号的反馈信号，需要在数字信号中实现相关同步计算，以及计算出实际输出电压包络与功率放大器输出信号的能量包络误差。

5.根据权利要求4所述，从基带信号提取的能量包络信号需要根据反馈计算出来的包络误差进行调整，修正输出的电压包络信号的误差。

6.根据权利要求4所述，基带能量包络信号需要根据同步计算出来的时延参数进行延时处理，实现电压包络信号与功率放大器输出信号同步。

7.根据权利要求1所述，基带信号的包络信息，需要转化为控制直流电源模块阵列内部电源模块的开关信号，还需将包络信号通过数模转换芯片DAC转化为电压信号，经过模拟加法电路附加在电源模块的反馈电压上。

8.根据权利要求1所述，可变电压直流电源阵列是使用多个电源模块组成。

9.根据权利要求8所述，直流电源阵列内部的直流电源模块，可以独立控制开关输出。

10.根据权利要求8所述，直流电源模块的反馈电压输入端的控制电压是由电源模块输出电压与包络控制电压使用模拟加法电路产生。

11.根据权利要求1 所述，延时的计算是使用了基带信号与功率放大器供电电压包络信号直接延时，基带信号与功率放大器输出信号之间的延时。

12.根据权利要求1所述，包络跟踪的延时由两部分构成，分别是包络信号的延时与基带信号与功率放大器之间实现延时，两个延时信号需要互相配合。

13.根据权利要求1所述，数据基带信号经过数字上变频，延时等处理之后，还需经过射频调制器调成射频信号输入到功率放大管，实现功率放大输出。