CN107579716A - 基于模拟对消的线性功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模拟对消的线性功率放大器，包括第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、第五耦合器、第六耦合器、第七耦合器、主功率放大器、误差功率放大器、第一功分器、第二功分器、第一合成器、第二合成器、第三合成器、第一衰减器、第二衰减器、第一延迟线、第二延迟线、第三延迟线、第一矢量调制器、第二矢量调制器、第三矢量调制器、第一相关检测控制器、第二相关检测控制器及第三相关检测控制器。通过相关检测控制器、矢量调制器动态优化，保持电路对外界环境及电路参量变化的自适应能力，实现功率放大器的线性化效果的最优和稳定。

Description

基于模拟对消的线性功率放大器

技术领域

本发明属于电磁兼容技术领域，具体涉及一种基于模拟对消的线性功率放大器。

背景技术

功率放大器(power amplifier，PA)作为无线发射系统的前端重要有源部件，通常工作在饱和状态，其线性度的好坏直接影响着发射链路的信号质量，进一步影响着链路的信噪比和接收端的误码率。特别是随着宽带通信技术的发展，具有高峰均功率比(Peak-to-average power ratio,PAPR)的码分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)、正交频分复用(Orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)等宽带时变包络信号使工作在饱和区的PA产生严重的非线性畸变，造成带内误码率增加、带外干扰严重，引起功放系统严重的电磁兼容问题。

传统进行线性化处理的方法主要包括功率回退，通过控制输入功率的大小，使功率放大器工作在远离1dB压缩点的小功率线性化状态。由于该方法不需要额外的增加电路、简单易行，成为早期功放畸变补偿的主要方法。但是该方法是以牺牲效率换取线性度的改善，畸变补偿效果有限，当回退到一定程度以后，畸变补偿很难继续优化。另外，在宽带通信系统中，功放不仅存在传统的压缩畸变，还存在严重的记忆效应，特别是在小信号输入情况下，记忆效应更加严重，因此，功率回退的方法已经无法满足现代宽带通信系统对功放线性度的需求。近年来，先后出现了很多优秀的补偿方法，概括起来，大致可分为电路级补偿方法和系统级补偿方法两大类。其中：

(1)电路级补偿方法主要是基于设计者的角度考虑，对功放的设计电路进行优化，主要包括Doherty功放、LINC(Linear Amplification using Nonlinear Components)和EER(Envelope Elimination and Restoration)等，该类方法尽可能优化PA输出功率，但是线性度改善有限，目前的研究中主要是基于该类方法优化PA系统的效率；

(2)系统级补偿方法主要是基于使用者角度考虑，通过增加额外辅助电路的方法对成品功放系统进行优化，主要包括反馈(Feedback)、前馈(Feedforward)和预失真(Pre-distortion)，由于该类方法主要是针对既有的PA进行线性度的进一步优化，在各种线性度需求较高的场合得到了广泛的应用。

在众多系统级优化方法中，前馈补偿方法因固有的稳定性、宽带补偿能力和较好的线性化能力，得到了学术界和工业界的广泛关注。其基本原理框图如图1所示^[1]，主要包括载波对消环路和畸变对消环路。其中：

(1)载波对消环路主要由耦合器、主功率放大器(线性化处理的目标功放)MPA、衰减器、延时单元、合成器组成。输入的射频信号RF_in(t)通过耦合器，直通信号经过MPA放大产生放大后的载波信号和畸变失真信号，然后通过耦合器的耦合通路，经过衰减器到达合成器，作为合成器的第一个输入信号；通过耦合器的耦合通路信号，经过延时单元以后到达合成器，作为合成器的第二个输入信号，两路信号的载波信号在合成器中进行等幅、反相合成，对消载波信号，提取主功放产生的畸变信号(包括交调、互调以及谐波失真等)。因此，也有研究人员将该环路称为畸变信号提取环路。

(2)畸变对消环路主要由延时单元、耦合器、衰减器、合成器、线性误差功率放大器和合成器构成。具体工作流程可以描述为：MPA输出的信号通过耦合器的直通路径，在畸变对消环路的上支路中，经过延时单元调整以后到达合成器，作为合成器的第一个输入信号；下支路合成器的输出信号，经过线性误差功率放大器以后，输入到合成器的输入端作为合成器的第二个输入信号。理论上，该合成器的输出信号RF_out(t)仅含有线性放大的RF_in(t)信号。

可以看出，通过前馈技术实现线性放大要求两个对消环路幅度、相位和时延的精确匹配。但是在实际的工程应用环境中，会存在输入功率的波动、偏置电压的漂移以及器件的温度变化和老化等，这些均会导致线性化效果的恶化^[2]。因此研究人员在图1的基础上提出了自适应控制前馈功放电路，通过检测输出端畸变信号的相关参量自适应的调整环路信号的相关参量，从而保证该系统对环境和工作条件的鲁棒性和稳定性^[3]。但是现有的自适应控制前馈功放大多数都是针对固定的单点频率进行下变频的数字化控制实现^[4,5]，这种数字化控制方法存在两个先天缺陷：

(1)控制精度受ADC/DAC位数的限制，由于数字电路提供的后端处理功率有限，限制了非线性的对消比；

(2)线性化的有效带宽受DC/DAC等器件采样频率和工作带宽的限制；

因此，这种基于下变频数字化控制优化的自适应前馈功放无法适应宽带大功率功放的线性化需求，特别是载波不固定的宽频带通信系统。考虑模拟电路具有先天的宽带操作能力、同时满足较好的功率容限，能够提供足够的畸变对消功率。研究人员开展了基于模拟电路实现前馈线性化功放的研究，其中比较具有代表性的是美国专利US6081156^[6]，其工作原理如图2所示。该专利为了实现输出畸变残差的检测和反馈电路的自适应控制，采用了插入导频信号的方法，通过在线性化输出端检测导频信号的大小来调整幅相控制器，实现矢量调制器的自适应控制，基于导频信号残差功率最小获取最优的线性化输出。由于畸变对消环路输出端的畸变残差信号相对较小，因此在反馈环路中实现有效检测比较困难，目前基于模拟电路实现的前馈线性化功放基本上都是采用基于导频的控制方法。但是该方法存在两个严重缺陷：(1)设计困难，对误差功放的增益平坦度和矢量调制器的相移线性度要求过渡苛刻。要求在不同的工作温度和工作功率条件下，误差功放具有平坦的增益，且要求矢量调制器具有严格的线性相移，否则只能保证导频处及周围窄带范围内的有效线性化，导致线性化效果的恶化；(2)导频引入新的畸变参量。由于导频和载频信号的互调会引入新的交调畸变和互调畸变参量，特别是三阶交调产量会落入有用信号的通带内，无法消除，引入了新的畸变参量；(3)调试困难，由于误差功放和矢量调制器会随着工作条件的变化呈现不同的特性，导致在实际的设计和生产调试过程中无法精确保证增益的平坦度和矢量调制器的线性相移特性。因此，这种基于导频对消的模拟线性功放稳定性差、生产困难。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种基于模拟对消的线性功率放大器。

第一个目的通过相关检测控制器、矢量调制器动态优化，保持电路对外界环境及电路参量变化的自适应能力，实现功率放大器的线性化效果的最优和稳定；

第二个目的在畸变信号对消环路中引入了第三相关检测控制器，取代现有的基于导频的控制方式，通过对线性化输出信号进行对消提取剩余畸变残差信号，消除了自适应过程中线性输出载波大功率信号的干扰，有效提升了反馈信号检测的灵敏度和控制精度，保证功率放大器的最优线性化效果。

为实现上述目的，本发明所设计的基于模拟对消的线性功率放大器，包括第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、第五耦合器、第六耦合器、第七耦合器、主功率放大器、误差功率放大器、第一功分器、第二功分器、第一合成器、第二合成器、第三合成器、第一衰减器、第二衰减器、第一延迟线、第二延迟线、第三延迟线、第一矢量调制器、第二矢量调制器、第三矢量调制器、第一相关检测控制器、第二相关检测控制器及第三相关检测控制器；

其中，第一耦合器、第一矢量调制器、主功率放大器、第二耦合器、第一衰减器、第一合成器、第三耦合器、第一延迟线、第一功分器、第一相关检测控制器、第二功分器及第四耦合器组成载波信号对消环路；

第二耦合器、第一衰减器、第一合成器、第四耦合器、第二矢量调制器、误差功率放大器、第二延迟线组成畸变信号对消环路；

第二功分器、第二相关检测控制器、第五耦合器、第三合成器、第二衰减器、第六耦合器、第二合成器、第一功分器、第三延迟线、第七耦合器、第三相关检测器以及第三矢量调制器组成线性输出信号畸变残差信号检测环路。

进一步地，所述载波信号对消环路中：第一耦合器的直通路径与第一矢量调制器相连、第一耦合器的耦合通道与第一功分器相连、第一矢量调制器与主功率放大器相连、主功率放大器与第二耦合器相连、第二耦合器的耦合通道与第一衰减器相连、第一衰减器与第一合成器相连、第一功分器与第一延迟线相连、第一延迟线与第三耦合器相连、第三耦合器的直通路径与第一合成器相连、第三耦合器的耦合通道与第一相关检测控制器相连、第一合成器与第四耦合器相连、第四耦合器的耦合通道与第二功分器相连、第二功分器与第一相关检测控制器相连、第一相关检测控制器的幅度偏差路径和相位偏差路径均与第一矢量调制器相连。

进一步地，所述畸变信号对消环路中：第二耦合器的直通路径与第二延迟线相连、第二延迟线与第二合成器相连、第四耦合器的直通路径与第二矢量调制器相连、第二矢量调制器与误差功率放大器相连、误差功率放大器与第二合成器相连。

进一步地，所述线性输出信号畸变残差信号检测环路中：第二功分器与第二相关检测控制器相连、第二合成器与第六耦合器相连、第六耦合器的耦合通道与第二衰减器相连、第二衰减器与第三合成器相连、第三合成器与第五耦合器相连、第五耦合器的直通路径与第二相关检测控制器相连、第二相关检测控制器的幅度偏差路径和相位偏差路径均与第二矢量调制器的输入端相连、第一功分器与第三延迟线相连、第三延迟线与第七耦合器相连、第七耦合器的直通路径与第三矢量调制器相连、第七耦合器的耦合通道与第三相关检查控制器相连、第三矢量调制器与第三合成器相连、第三相关检测控制器的幅度偏差路径和相位偏差路径均与第三矢量调制器相连。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明是直接检测载波信号对消后残留信号电平大小，以此作为判断载波信号对消是否最佳的依据，因此，不再需要引入导频信号发生电路和导频信号，进一步消除了导频信号引入的交调畸变问题；载波信号对消后的信号检测电路也比导频方式简单，不再需要滤波电路将导频和载波分离开来，电路结构简单，可以有效降低成本。

(2)本发明对载波信号对消环路的增益平坦度和相移线性度指标要求宽松，相关的失配参量可以在后续的自适应检测过程中进行自我的学习和调整，因此，有效降低了载波信号对消环路的调试难度，可操作性得到提升。

(3)本发明直接通过增加第三相关检测控制器和第三矢量调制器使线性输出后的载波信号达到最大限度对消，可以精确有效的检测线性化以后的较小的畸变输出信号，达到最佳的线性化性能。

附图说明

图1为现有技术中基于前馈线性功率放大器的结构框图。

图2为美国专利US6081156的结构框图。

图3为本发明基于模拟对消的线性功率放大器结构框图。

图4为本发明的信号检测与自适应控原理框图。

图5为测试功放在双音激励下的输出功率谱曲线。

图6为本发明在双音激励下的线性化输出功率谱曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图3所示为基于模拟对消的线性功率放大器的结构框图，包括第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、第五耦合器、第六耦合器、第七耦合器、主功率放大器(MPA)、误差功率放大器(EPA)、第一功分器、第二功分器、第一合成器、第二合成器、第三合成器、第一衰减器、第二衰减器、第一延迟线、第二延迟线、第三延迟线、第一矢量调制器、第二矢量调制器、第三矢量调制器、第一相关检测控制器、第二相关检测控制器及第三相关检测控制器。

第一耦合器的直通路径与第一矢量调制器输入端相连、第一耦合器的耦合通道与第一功分器输入端相连、第一矢量调制器的输出端与主功率放大器(MPA)的输入端相连、主功率放大器(MPA)的输出端与第二耦合器的输入端相连、第二耦合器的耦合通道与第一衰减器的输入端相连、第一衰减器的输出端与第一合成器的第一个输入端相连、第一功分器的第一个输出端与第一延迟线的输入端相连、第一延迟线的输出端与第三耦合器的输入端相连、第三耦合器的直通路径与第一合成器的第二个输入端相连、第三耦合器的耦合通道与第一相关检测控制器的第一个输入端相连、第一合成器的输出端与第四耦合器的输入端相连、第四耦合器的耦合通道与第二功分器的输入端相连、第二功分器的第一个输出端与第一相关检测控制器的第二个输入端相连、第一相关检测控制器的幅度偏差路径和相位偏差路径均与第一矢量调制器的输入端相连，即第一耦合器、第一矢量调制器、主功率放大器(MPA)、第二耦合器、第一衰减器、第一合成器、第三耦合器、第一延迟线、第一功分器、第一相关检测控制器、第二功分器及第四耦合器组成载波信号对消环路。输入的RF_in信号通过第一耦合器的耦合通道到达下支路的第一功分器，第一功分器的一部分载波信号通过下支路的第一延迟线进行时延配准，一部分载波信号时延配准后通过第三耦合器的直通路径达到第一合成器，一部分载波信号时延配准后同时通过第三耦合器的耦合通道达到第一相关检测控制器；输入的RF_in信号通过第一耦合器的直通路径经过第一矢量调制器输入到MPA，通过MPA以后输出含有畸变的放大信号(如图5所示为测试MPA在双音激励下的输出功率谱曲线)，畸变的放大信号经过第二耦合器的耦合通道经过第一衰减器衰减相应的增益比例以后形成畸变信号到达第一合成器；到达第一合成器内的畸变信号和时延配准后的一部分载波信号在第一合成器内进行反相合成，反相合成(通过幅度、相位调整)以后第一合成器输出载波对消以后的畸变信号和部分剩余载波信号；该载波对消以后的畸变信号和部分剩余载波信号通过第四耦合器的耦合通道经过第二功分器，一部分载波对消以后的畸变信号和一部分的部分剩余载波信号到达第一相关检测控制器，一部分载波对消以后的的畸变信号和一部分的部分剩余载波信号同经过第三耦合器的耦合通道到达第一相关检测控制器的时延配准后的一部分载波信号进行相关检测，通过第一相关检测控制器计算输出一个幅度偏差电压或者相位偏差电压，对第一矢量调制器进行调节和优化，实现到达第一相关检测控制器检测到的信号最小相关的目的，理论上，第一合成器输出的载波达到最大对消效果；

第二耦合器的直通路径与第二延迟线的输入端相连、第二延迟线的输出端与第二合成器的第一个输入端相连、第四耦合器的直通路径与第二矢量调制器的输入端相连、第二矢量调制器的输出端与误差功率放大器(EPA)的输入端相连、误差功率放大器(EPA)的输出端与第二合成器的第二个输入端相连，即第二耦合器、第一衰减器、第一合成器、第四耦合器、第二矢量调制器、误差功率放大器(EPA)、第二延迟线组成畸变信号对消环路；MPA输出的含有畸变的放大信号通过第二耦合器的直通路径，在畸变信号对消环路的上支路中，经过第二延时线时延配准以后含有畸变的放大信号到达第二合成器，作为第二合成器的第一个输入信号；下支路第一合成器输出的载波对消以后的畸变信号和部分剩余载波信号经过第四耦合器的直通路径、通过第二矢量调制器调整以后通过误差功率放大器(EPA)线性放大以后，输入到第二合成器的第二个输入端作为第二合成器的第二个输入信号，经过第二延时线时延配准以后含有畸变的放大信号、载波对消以后的畸变信号和部分剩余载波信号在第二合成器内反相合成后，第二合成器输出的线性放大信号RF_out通过第六耦合器的直通路径输出，即第六耦合器的直通路径输出线性放大信号RF_out。如图6所示，为本发明在双音激励下的线性化输出功率谱曲线。

第二功分器的第二个输出端与第二相关检测控制器的第一个输入端相连、第二合成器的输出端与第六耦合器的输入端相连、第六耦合器的耦合通道与第二衰减器的输入端相连、第二衰减器的输出端与第三合成器的第一个输入端相连、第三合成器的输出端与第五耦合器的输入端相连、第五耦合器的直通路径与第二相关检测控制器的第二个输入端相连、第二相关检测控制器的幅度偏差路径和相位偏差路径均与第二矢量调制器的输入端相连、第一功分器的第二个输出端与第三延迟线的输入端相连、第三延迟线的输出端与第七耦合器的输入端相连、第七耦合器的直通路径与第三矢量调制器的输入端相连、第七耦合器的耦合通道与第三相关检查控制器的第一个输入端相连、第三矢量调制器的输出端与第三合成器的第二个输入端相连、第三相关检测控制器的幅度偏差路径和相位偏差路径均与第三矢量调制器的输入端相连，即第二功分器、第二相关检测控制器、第五耦合器、第三合成器、第二衰减器、第六耦合器、第二合成器、第一功分器、第三延迟线、第七耦合器、第三相关检测器以及第三矢量调制器组成线性输出信号畸变残差信号检测环路。第二合成器输出的线性放大信号RF_out通过第六耦合器的耦合通道、经过第二衰减器衰减系统增益比例以后形成线性信号到达第三合成器；第一功分器的另一部分载波信号通过第三延迟线进行时延配准以后到达第七耦合器，时延配准以后的另一部分载波信号通过第七耦合器的耦合通道到达第三相关检测控制器，时延配准以后的另一部分载波信号同时通过第七耦合器的直通路径经过第三矢量调制器到达第三合成器；到达第三合成器内的线性信号和时延配准以后的另一部分载波信号反相合成，对消载波信号，提取剩余畸变信号，剩余畸变信号通过第五耦合器的耦合通道到达第三相关检测控制器；剩余畸变信号和时延配准以后的另一部分载波信号在第三相关检测控制器中进行相关检测，通过控制第三矢量调制器使载波对消达到最大，从而提取剩余残留的畸变小信号作为线性输出信号畸变残差信号检测环路的反馈参考信号；同时，第三合成器输出的剩余畸变信号通过第五耦合器的直通路径到达第二相关检测控制器，第二功分器输出的另一部分载波对消以后的的畸变信号和另一部分的部分剩余载波信号到达第二相关检测控制器，剩余畸变信号、另一部分载波对消以后的的畸变信号和另一部分的部分剩余载波信号在第二相关检测控制器中进行相关检测，通过控制第二矢量调制器调整信号幅度和相位，确保第二合成器输出的畸变参量最小。

根据图4中本发明的信号检测与自适应控制原理框图，具体实现步骤为：

步骤1：对消前提取的载波信号通过正交功分器分解为I和Q两路正交信号，两路信号分别通过耦合器耦合通道到达乘法器的一端，线性输出信号通过耦合器耦合通道分别到乘法器的另一端；

步骤2：I和Q两路正交信号的耦合通道信号同反馈信号相乘以后，通过低通滤波器(LPF)提取相应的控制信号，通过一定的控制规则，形成控制电流或者电压信号输入电调衰减器、进而控制电调的输出；

步骤3：通过I和Q两路电调衰减器的控制输出信号到达功率合成器，合成器输出信号即为优化后用于对消的信号；

步骤4：优化后用于对消的信号同“线性+畸变”信号进行方向相加，达到线性输出。

以上具体的实施步骤主要是用来说明本发明的具体实现过程，而非限制本发明的技术方案，尽管该部分针对具体的实现实例进行了详细的说明，该领域的技术人员都应该理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不能脱离本发明的精神和范围的任何修改或者局部替换，其均应该涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于模拟对消的线性功率放大器，其特征在于：包括第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、第五耦合器、第六耦合器、第七耦合器、主功率放大器、误差功率放大器、第一功分器、第二功分器、第一合成器、第二合成器、第三合成器、第一衰减器、第二衰减器、第一延迟线、第二延迟线、第三延迟线、第一矢量调制器、第二矢量调制器、第三矢量调制器、第一相关检测控制器、第二相关检测控制器及第三相关检测控制器；

其中，第一耦合器、第一矢量调制器、主功率放大器、第二耦合器、第一衰减器、第一合成器、第三耦合器、第一延迟线、第一功分器、第一相关检测控制器、第二功分器及第四耦合器组成载波信号对消环路；

第二耦合器、第一衰减器、第一合成器、第四耦合器、第二矢量调制器、误差功率放大器、第二延迟线组成畸变信号对消环路；

第二功分器、第二相关检测控制器、第五耦合器、第三合成器、第二衰减器、第六耦合器、第二合成器、第一功分器、第三延迟线、第七耦合器、第三相关检测器以及第三矢量调制器组成线性输出信号畸变残差信号检测环路。

2.根据权利要求1所述基于模拟对消的线性功率放大器，其特征在于：所述载波信号对消环路中：第一耦合器的直通路径与第一矢量调制器相连、第一耦合器的耦合通道与第一功分器相连、第一矢量调制器与主功率放大器相连、主功率放大器与第二耦合器相连、第二耦合器的耦合通道与第一衰减器相连、第一衰减器与第一合成器相连、第一功分器与第一延迟线相连、第一延迟线与第三耦合器相连、第三耦合器的直通路径与第一合成器相连、第三耦合器的耦合通道与第一相关检测控制器相连、第一合成器与第四耦合器相连、第四耦合器的耦合通道与第二功分器相连、第二功分器与第一相关检测控制器相连、第一相关检测控制器的幅度偏差路径和相位偏差路径均与第一矢量调制器相连。

3.根据权利要求2所述基于模拟对消的线性功率放大器，其特征在于：所述畸变信号对消环路中：第二耦合器的直通路径与第二延迟线相连、第二延迟线与第二合成器相连、第四耦合器的直通路径与第二矢量调制器相连、第二矢量调制器与误差功率放大器相连、误差功率放大器与第二合成器相连。

4.根据权利要求3所述基于模拟对消的线性功率放大器，其特征在于：所述线性输出信号畸变残差信号检测环路中：第二功分器与第二相关检测控制器相连、第二合成器与第六耦合器相连、第六耦合器的耦合通道与第二衰减器相连、第二衰减器与第三合成器相连、第三合成器与第五耦合器相连、第五耦合器的直通路径与第二相关检测控制器相连、第二相关检测控制器的幅度偏差路径和相位偏差路径均与第二矢量调制器的输入端相连、第一功分器与第三延迟线相连、第三延迟线与第七耦合器相连、第七耦合器的直通路径与第三矢量调制器相连、第七耦合器的耦合通道与第三相关检查控制器相连、第三矢量调制器与第三合成器相连、第三相关检测控制器的幅度偏差路径和相位偏差路径均与第三矢量调制器相连。