CN106664064A - 数字射频放大系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字射频放大系统，包括一个主放大通道（102，103，104）和失真校正装置，后者包括一个称为前馈校正电路的预校正电路和一个包括反馈回路的预失真校正电路，反馈回路配有用于对代表主放大器输出信号进行采样的第一采样装置（120），以调整预失真并最小化主放大器输出误差，主放大通道（102，103，104）是由纯有用信号（Su）和预失真信号（D1）合成的信号（Su+D1）作为输入信号，前馈校正电路包括由参考信号（S_REF）作为输入信号的第一校正通道，且将参考信号（S_REF）转换为第一校正信号，校正通道和主放大通道构成第一回路（1’），其中，第一回路（1’）还包括一个双耦合器（110），以便对主放大通道的输出信号（S1）和输出信号与第一校正信号（Se）的组合进行采样，以获得第二校正信号（e_R）。

Description

数字射频放大系统

技术领域

本发明涉及包括主放大器和失真校正电路的数字射频放大系统。

背景技术

移动电话数字射频发射系统尤其会使用一个数字预失真系统以校正其放大级的失真。

这些系统通常不能达到全球移动通信系统（GSM）信号的放大所需的线性水平并且产出较低，除非为这些程序使用昂贵的组件。

这种情况尤其会在使用必须符合低于-36 dBm的IMD规范（互调失真）的中继器中发生。

在专利文件US 8498591 B1中描述了一个具有预失真放大器装置的示例。

具有“前馈”（feedforward）放大器的系统，英语术语（feedforward放大器）可以译为具有预校正的放大器，只有这样的系统目前能够以商业上可接受的方式实现这些规范。

然而，这些包含在放大链之前提供一个数学建模和补偿缺陷的控制系统的系统，仅具有10%的有限的产出量。

例如，在专利文件US 20080252371 A1和US 6326845 B1中给出了前馈放大器的实例。

发明内容

为了提高这种情况下的性能，本发明提供一个包括两次校正的射频放大系统，也就是说此系统具有附加的预失真和前馈系统。

更具体地说，本发明提供一个数字射频放大系统，该系统包括：一个主放大通道和失真校正装置，其中失真校正装置包含一个由称为前馈校正电路的预校正类型的校正电路和预失真校正电路。

预失真校正电路优选地包含一个带有第一装置的反馈回路，第一装置用于对代表主放大器输出的信号进行采样，以便调整预失真和最小化主放大器的输出误差。

有利地是，主放大通道由一个纯有用信号和一个预失真信号的组合信号作为输入信号，前馈校正电路包括一个由参考信号作为输入信号的第一校正通道，且将参考信号转换为第一校正信号，校正通道和主放大通道构成一个第一回路，其中，第一回路还包括一个双耦合器，以适于对一个主放大通道的输出信号和该输出信号与第一校正信号的组合信号进行采样，以获得一个第二校正信号。

预失真校正电路的反馈回路的信号的采样在前馈校正电路的第一回路的双耦合器的下游完成。

第二校正信号被注入到一个第二校正通道，第二校正通道形成具有一个延伸主放大通道的整流通道，一个第二回路包括一个在该放大系统的总输出端的输出耦合器。

第二校正通道包括：第二校正信号的相移装置和放大装置以生成一个最终校正信号，输出耦合器被设计成在该放大器的总输出端处重新注入最终校正信号，最终校正信号和输出信号在耦合器处结合以生成一个净化信号。

有利的是，整流通道包括一个隔离器和一个延迟线。

根据本发明的一个有利的实施例，依据一个输入数据、主放大器的模型表和来自反馈回路中的信号，在一个计算器中生成纯有用信号、预失真信号和参考信号。

纯有用信号和预失真信号的组合特别源自一个第一数字模拟转换器。

参考信号源自一个第二数字模拟转换器。

反馈回路有利地包括一个数字模拟转换器。

当载波通过一个第一和第二混频器进入放大器和前馈装置时，有利地调制通过该放大器，校正电路的前馈校正电路和预失真反馈回路的信号。

在这种情况下，反馈回路的信号优选地通过在一个第三混频器处的载波解调。

该系统有利地包括一个用于采样总输出端的信号的第二装置。

该系统包括一个用于采样第二校正信号的第三装置。

由一个控制模块驱动的三路开关，适用于选择第一、第二或第三选择装置中的一个，并将其连接到反馈回路，因此，反馈回路适用于作为一个测量该系统的所有校正装置的工作参数的装置。

控制模块有利地驱动用于该系统的至少一个通道的增益和相位调节装置。

有利的是，控制模块为计算器的一部分，计算器包括一个信号处理块，一个预失真生成块和一个前馈回路的控制块，该控制模块控制该计算器的各块。

具有反馈回路的预失真校正电路允许进入放大器的信号的第一校正，使得主放大器的输出的交调产物被大大减少。

前馈系统本身确保第二校正步骤，以便实现非常高的线性水平。

附图说明

参考附图，通过非限制性实施方式的描述，说明了本发明的其它特征和优点，其中：

图1为一个现有的前馈校正系统的示意图；

图2为一个结合预失真和前馈的本发明的系统的示意图；

图3示出了图2中在示意的各点显示有信号谱；

图4示出了图2中显示有控制放大器的两个回路的计算系统。

具体实施方式

图1示意性地示出了一个现有技术中的前馈放大系统，此系统包括一个提供有输入信号E的第一回路1、一个分配耦合器（coupleur diviseur）18、一个可变增益放大级4、和功率放大级5、6，分配耦合器18为包括一个相位调整器3的第一通道或放大通道提供输入信号。放大通道的功率输出端输出信号S1，如其频谱13所示，信号S1包含放大的输入信号Ea和一个互调失真分量d。此输出端连接至一个环流器7，环流器7将天线输出端S与输出信号S1隔离。在环流器7的后面为一个用于调整相位的延迟线8和一个耦合器20，耦合器20注入一个来自第二回路2的误差信号。

第一回路1包括一个第二通道信号，其经由延迟线或移相器9将具有频谱15的信号E传播至双耦合器19，延迟线或移相器9生成与由放大通道的放大器引入的相移相同的相移，双耦合器19取得通道放大器的输出信号S1的一部分，以将其从回至相位的信号E中减去，从而消除信号E的一个分量并生成误差信号e_R 16。

该误差信号进入第二回路2并由可调增益放大级10和固定增益放大级12进行放大，由相位调节装置11进行相移，以使得在第二回路2的终端，该信号被根据频谱17放大和相移，并且与放大器在输出耦合器20处的输出信号处于相反相位，以使得在天线输出端处交调产物被抵消，因此输出信号S频谱14的失真被消除。

图2示意性地示出了本发明的一个装置，该装置通过添加一个数字预失真器（数字预失真器DPD D1）改进了图1中的装置。

根据该示意图，一个第一数字模拟转换器100生成一个输入信号Su+D1，该输入信号Su+D1由有用信号Su与由计算器200计算的预失真信号D1的组合构成。该输入信号与混频器101中的载波107混合，然后由可变增益放大级102和固定增益放大级103、104的进行放大以获得一个放大信号S1。

和图1中类似，第一回路1’的一个通道处理一个由第二数字模拟转换器108生成的参考信号S_REF，参考信号S_REF在第二混频器处和载波107混合，之后由放大器111放大，使其通过一个双耦合器110和输出信号S的采样重组合，从而生成误差信号e_R，如图1中所示，该误差信号由移相器113和放大级112、114中处理，以通过在系统的天线输出端的耦合器130与信号S1重组合，其中信号S1由隔离器105隔离并由延迟线106延迟。

此处数字预失真由反馈回路140驱动，反馈回路140对放大器输出信号S1的一部分进行采样，通过放大器115放大或调整其阻抗，之后通过接收载波116的混频器117对其解调，以然后通过模拟数字转换器118将其转化为数字信号。根据放大器的输出信号和其使用范围，通过计算器200进行分析该信号以适配数字预失真的参数。

这种校正确保放大器的非线性在第一回路1'中得以正确补偿，并且在第二回路2'中仅有交调产物待处理。

对于数字预失真，数字模拟转换器D/A 100用于在预失真基带信号Su+D1中生成有用信号，该有用信号将被放大并将使主放大器线性化。

在反馈回路140中的模拟数字转换器A/D 118提供校正数据，用于基于放大器输出信号实现预失真的动态适应，并改进此第一校正。

前馈系统中，从主放大器输出的有用信号中减去参考信号S_REF以生成第二回路中的误差信号，此参考信号S_REF以数字驱动相位和振幅，以在第二回路的输入端消除有用信号。在放大误差信号e_R并将其移至反相后，从整个放大器的射频（RF）输出信号中减去误差信号e_R。

实际操作中，消除耦合器在7 dB和12 dB之间耦合衰减，采样衰减在20 dB和30 dB之间，且各级被设计以抵消这些衰减并将信号调整回可比较的水平。

根据图2，放大系统由例如一个FPGA元件实现的计算器驱动，并且该第一前馈回路为完全数字电路，参考信号的电平和其预失真信号的相对相位的调节是以数字方式在FPGA元件内部实现的。

图3表示图2放大系统的一个变型例，其中包括对主放大器输出信号进行采样的第一装置120，且还包括对总输出端的信号采样的第二采样装置122和对第二校正信号e_R采样的第三采样装置121。

如图4所示，由一个控制模块201驱动的三路开关142，适用于选择第一、第二或第三选择装置中的一个，并将其连接到该反馈回路141，该反馈回路适用于作为一个测量本系统的所有校正装置的工作参数的装置。

根据该实例，该反馈回路中的模拟数字转换器A/D 118也用于通过允许分析位于第二误差校正回路输入端和该放大器总输出端的主放大器输出信号，来实现前馈系统的第一和第二回路的收敛。

为了完成前馈的数字处理，使用两个转换器，一个提供组合预失真数字信号的有用信号，另一个提供参考信号。

在第二误差校正电路的输入端处使用第三采样装置121，用于检验该信号与参考信号S_REF呈现的最小相关性，以最优地调整参考信号和从主放大器输出的信号的对准。实际上，只有交调产物必须存在于误差放大器的输入端处，因此，当有用信号从输出信号中完全减去时，该信号呈现最小相关性。

一种检验方法可以分析放大器输入端的信号频谱与第二误差校正电路的输入端处的信号频谱，以检查第二误差校正电路的输入端处的信号中是否存在载波。

借助第二采样装置122进行采样得以测量校正之后的输出信号。

通过调节移相器113和可调增益放大级112处的误差放大器的相位和增益来实现第二回路的收敛。为了优化这个结果，对放大器输出进行分析，并且有两个方法可以使用，一为对输出信号的频率进行分析以控制互调的水平，第二个为最大化该参考信号和对应于最小的互调的输出之间的相关性，即与一个最小的互调相关。

三路开关142适用于选择该第一、第二或第三选择装置中的一个，并将其连接到该反馈回路141，该反馈回路用于作为一个测量该系统的所有校正装置的工作参数的装置。

-开关的位置1，其中，该返回通道与采样装置120连接，以用来观察主放大器的线性化并使数字预失真算法收敛。

-开关的位置2是返回通道与采样装置121连接，以用来分析误差回路的输入，并相应地检查是否还存在有用信号且仅剩余交调产物。这是通过对准第一回路的两个分支的增益和相位来实现的，这些控制是在模拟数字转换器参考之前在信号处理器内部完成设置的。

-开关的位置3是返回通道与采样装置122连接，以用来分析末级放大器的输出信号以验证该前馈系统的校正。通过使用第二回路中的移相器衰减器，来调节第二回路的增益和相位的对准来实现该校正。

可以以连续地方式或者根据放大器的设定工作条件进行设定来实现这三个动作。

信号频谱如图3中所示。

信号表示为：

-进入主放大器501，其中该信号包括有用信号的中心条纹和预失真信号的横向条纹；

-进入第一前馈校正回路502或仅呈现有用参考信号的中心条纹；

-作为主放大通道503的输出，横向条纹仅包括互调失真；

-作为放大器输出；进入第二前馈回路505的校正通道，其中有用信号的条纹在参考信号和放大器输出信号耦合期间被去除，以仅留下互调失真信号的条带；

-在第二回路506的校正通道的终端，互调失真被成形以从系统中减去；以及

-系统507的输出仅呈现有用放大信号的条纹。

图4表示具有其详细控制计算器200的完整的放大系统。

该计算器200包括若干块或计算功能区，其根据一个输入数据D、主放大器的模型表和来自反馈回路141中的信号，生成纯有用信号Su、预失真信号D1和参考信号S_REF。

根据该实例，计算器具体包括一个信号处理块SP（信号处理）202，一个预失真生成块DPD（数字预失真）203，和一个前馈回路F.FWD CONTROL的控制块204。这些块生成的数据，旨在被转换以生成上述信号。

该计算器还通过一个控制模块MASTER 201控制三路开关142，该控制模块MASTER201适用于选择所述第一、第二或第三选择装置中的一个，并将其与反馈回路141连接。

该控制模块201进一步驱动主通道的增益调节装置102和第二前馈回路的误差校正通道的增益和相位调节装置112、113。

通过数字模拟转换器驱动该调节装置，且通过控制模块驱动计算器的模拟输出。

根据该实例，控制模块201还驱动计算器的所有块和载波108、116。

从用户角度来看，放大系统是发射用户向其带来的数据D的放大器块，该计算器负责管理发射器的放大器的所有工作参数。

该计算器可以由一个与数字模拟转换器和模拟数字转换器集成或分立相关的微控制器制成，但是优选的解决方案是将所有计算器、转换器和控制通道集成于FPGA元件（现场可编程门阵列）或专用逻辑可编程网络，其中，FPGA元件或专用逻辑可编程网络包括用于处理DSP的电缆块，一个嵌入式微处理器核，一个或多个时钟合成和/或定时区，模／数转换区和数／模转换区，受控的存储器阻抗输入/输出和其他需要控制放大器和数据传输的资源。

本发明尤其能够使用低线性但高效率的放大器，例如，“Doherty”型放大器。

本发明并不限于示出的实例，包括使用一个由放大器管理计算器处理的数字信号，通过计算区或计算器中的软件来将其他处理添加到数字信号的事实，例如，波峰因数降低，进一步地提高了系统的总体效率。

Claims (16)

1.数字射频放大系统，包括：一个主放大通道（102,103,104）和失真校正装置，其特征在于，所述失真校正装置包括一个预校正类型的校正电路和一个预失真校正电路，所述预校正类型的校正电路称为前馈校正电路（1’、2’），所述预失真校正电路包括一个反馈回路（140、141），所述反馈回路（140、141）配备有用于对主放大器输出的代表信号进行采样的第一采样装置（120），以便调整所述预失真并最小化所述主放大器的输出误差，所述主放大通道（102、103、104）是由一个纯有用信号（Su）和一个预失真信号（D1）组合成的一个信号（Su+D1）作为输入信号，所述前馈校正电路包括一个由参考信号（S_REF）作为输入信号的第一校正通道，且将所述参考信号（S_REF）转换为一个第一校正信号，所述第一校正通道和所述主放大通道构成一个第一回路（1’），其中，所述第一回路（1’）还包括一个双耦合器（110），其适于对一个主放大通道的输出信号（S1），和所述输出信号与所述第一校正信号（Sc）的一个组合进行采样，以获得一个第二校正信号（e_R）。

2.根据权利要求1所述的数字射频放大系统，其中所述预失真校正电路的反馈回路（140）中的所述信号的采样在所述前馈校正电路的第一回路（1’）的所述双耦合器（110）的下游完成。

3.根据权利要求1或2所述的数字射频放大系统，其包括一个第二校正通道，且所述第二校正信号（e_R）被注入在所述第二校正通道中，所述第二通道形成具有一个整流通道（105、106）的一个第二校正回路（2’），其中所述整流通道（105、106）延伸所述主放大通道，所述第二校正电路（2）包括一个位于所述数字射频放大系统的一个总输出端S_G处的输出耦合器（130）。

4.根据权利要求3所述的数字射频放大系统，其中所述第二校正装置包括：所述第二校正信号的相位调节装置（113）和放大装置（112、114）以生成一个最终校正信号（e_R’），所述输出耦合器被设计为在所述放大器的总输出端处重新注入所述最终校正信号（e_R’），所述最终校正信号（e_R’）和所述输出信号（S2）在所述耦合器处结合以生成一个净化信号S。

5.根据权利要求3或4所述的数字射频放大系统，其中所述整流装置包括一个隔离器（105）和一个延迟线（106）。

6.根据前述任一项权利要求所述的数字射频放大系统，其中，根据一个输入数据（D）、主放大器的模型表和来自所述反馈回路（140、141）中的信号，在一个计算器（200）中生成所述纯有用信号（Su）、所述预失真信号（D1）和所述参考信号（S_REF）。

7.根据权利要求6所述的数字射频放大系统，其中所述纯有用信号和所述预失真的组合（Su+D1）源自一个第一数字模拟转换器（100）。

8.根据权利要求6或7所述的数字射频放大系统，其中所述参考信号（S_REF）源自一个第二数字模拟转换器（108）。

9.根据前述任一项权利要求所述的数字射频放大系统，其中所述反馈回路包括一个模拟数字转换器（118）。

10.根据前述任一项权利要求所述的数字射频放大系统，其中，通过一个第一混频器和一个第二混频器（101、109），所述放大器和所述前馈装置的输入端的载波（107），调制由所述放大器、所述前馈校正电路和所述预失真校正电路的所述反馈回路传递的信号。

11.根据权利要求10所述的数字射频放大系统，其中所述反馈回路的信号通过在一个第三混频器（117）处的载波（116）解调。

12.根据前述任一项权利要求所述的数字射频放大系统，其包括一个用于对所述总输出端的信号进行采样的第二采样装置（122）。

13.根据前述任一项权利要求所述的数字射频放大系统，其包括一个用于对所述第二校正输出信号（e_R）进行采样的第三采样装置（121）。

14.根据权利要求1、12和13所述的数字射频放大系统，其中由一个控制模块（201）驱动的一个三路开关（142）适用于选择所述第一选择装置、第二选择装置或第三选择装置中的一个，并将其连接到所述反馈回路（141），其中所述反馈回路适用于用作一个测量所述数字射频放大系统的所有校正装置的工作参数的装置。

15.根据权利要求14所述的数字射频放大系统，其中所述控制模块（201）驱动用于所述数字射频放大系统的至少一个通道的增益和相位调节装置（102、112、113）。

16.根据权利要求6和15所述的数字射频放大系统，其中所述控制模块为所述计算器的一部分，所述计算器包括：一个信号处理块（202），一个预失真生成块（203），和一个前馈回路的控制块（204），所述控制模块（201）控制所述计算器的所述的所有块。