CN110324009A - 一种具有滤波功能的分布式电源调制放大器 - Google Patents

一种具有滤波功能的分布式电源调制放大器 Download PDF

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Abstract

该发明公开了一种具有滤波功能的分布式电源调制放大器,属于无线通信领域，特别是分布式电源调制放大器。利用电源调制放大器的增益特性，成功将数字滤波器嵌入进电源调制放大器中。在满足高效率的基础上，不仅加大了对于近载波端、边带的抑制程度，而且通过将滤波器与功率放大器集成在一起，简化系统、降低成本、提升整个发射机系统体积密度，非常适合集成电路的设计。这样的结构也具有可重构性。

Description

一种具有滤波功能的分布式电源调制放大器
技术领域
本发明属于无线通信领域，特别是分布式电源调制放大器。
背景技术
近些年来，无线通信技术一直都处于高速发展阶段。作为无线通信系统的关键器件之一，功率放大器性能的优劣对整个系统有着至关重要的影响。为了适应现代通信信号的复杂性，对功率放大器的线性、效率、带宽等性能提出了更高的要求。
高效率的功率放大器一直都是研究的热点，其中主要以研究开关类功放和电源调制功放为主。开关类功放，例如E类功放、F类功放、逆F类功放、J类功放等等，其主要原理为控制信号的谐波，使得晶体管输入电流和电压在时域上重叠部分减小，从而降低晶体功耗提升效率。而电源调制功放则是通过调整电源调制器供电，使得功放在不同输入功率下的增益改变，从而提升效率的。
然而，不管是开关类功放还是电源调制功放，其线性度的提升都是技术的难点。开关类功放由于晶体管工作在开关状态，自身就具有很强的非线性，故不能用于非恒包络调制信号的放大。而电源调制功率放大器对于调制信号在近载波端杂散的滤除本身是无能为力的，需要设计相应的模拟滤波器或采用数字预失真技术来滤除。受限于本身Q值较低，窄带高选择性模拟滤波器的插入损耗是不能忍受的。另外，模拟滤波器还具有体积大、难集成、不易重构的缺点。而数字预失真技术需要设计相应的预失真器，这将会消耗电源大量的能量，影响系统的总体效率。
图1是基于电源调制器构成的ET功放的原理框图，图2是归一化后输入的调制信号和某一ET功放的射频输出经过不同处理的对比结果。在图中可以看到输入信号在近载波端有近60dB的抑制程度，而在不经过数字预失真处理，ET功放的抑制程度只有20dB左右，很难满足现代通信系统对近载波端抑制度的要求。进一步可以发现，ET功放在分别经过ETMP和MP数字预失真后也只有接近最大50dB左右的抑制程度，低于输入信号的抑制度。
发明内容
为了在电源调制放大器本身高效率的基础上提升其线性度，以满足现代调制信号的要求，本发明提出了一种具有滤波功能的分布式电源调制放大器。利用电源调制放大器的增益特性，成功将数字滤波器嵌入进电源调制放大器中。在满足高效率的基础上，不仅加大了对于近载波端、边带的抑制程度，而且通过将滤波器与功率放大器集成在一起，简化系统、降低成本、提升整个发射机系统体积密度，非常适合集成电路的设计。需要说明的是，这样的结构也具有可重构性。
本发明结构仅考虑FIR数字滤器。FIR数字滤波器实现需要有延时单元、乘法单元和加法单元。发明设计延时链电路和信号合成器，通过将其嵌入进电源调制放大器中，构成FIR数字滤波器结构，成功实现了一种可重构、低成本的具有滤波功能的分布式电源调制放大器。
本发明技术方案为一种具有滤波功能的分布式电源调制放大器，该放大器包括：功分器、延时器、电源调制功率放大器、功率合成器，信号从功分器的输入端输入，依次经过延时器、电源调制功率放大器、功率合成器后从功率合成器输出端输出；所述功分器将输入信号功分为n路信号，所述延时器包括n个延时单元，功分器功分出的每一路信号对应输入一个延时单元；所述电源调制功率放大器包括：控制单元、电源调制器、功率放大器，所述功率放大器包括n个放大单元，每个延时单元的输出信号对应输入一个放大单元；所述电源调制器包括n个电源输出，每个电源输出对应控制一个放大单元；根据需要的滤波性能，将产生的滤波器系数输入到控制单元，控制单元输出控制信号给电源调制器，从而调整电源调制器中不同的电源输出；所述功率合成器将n个放大单元的输出合并成输出信号，并输出。
一种具有滤波功能的分布式电源调制放大器，该放大器包括：延时链、电源调制功率放大器、信号合成器，所述延时链包括级联的n个延时单元，所述电源调制功率放大器包括：控制单元、n+1个放大单元，所述控制单元包括n+1个控制输出；根据需要的滤波性能，将产生的滤波器系数输入到控制单元，控制单元每一个控制输出对应控制一个放大单元；所述该放大器的输入信号分为两路信号，一路输入延时链，另一路输入其中一个放大单元；级联的每一个延时单元的输出信号也分为两路，一路输入下一个延时单元，另一路对应输入一个放大单元，最后一个延时单元只有一个输出信号，直接输入给其对应的延时单元；所述n+1个放大单元的输出信号通过信号合成器合成为一路输出信号，并输出。
进一步的，所述n等于4。
设计的第一步，需要先设计FIR数字滤波器，得到相应的滤波器系数，以便后续进行操作。以级联形式为例，射频功放的输入信号通过级联的延时器从不同的抽头中分别取出延时不同的信号接入到不同的功放中；然后将之前产生的滤波器系数输入到控制模块中去，控制模块根据产生的滤波器系数调整电源调制器功放的电源供电，使得功放对不同延时信号实现不同倍数的增益，提供相应的系数权值；最后通过信号合成器将增益后的输出信号进行合成输出。若是使用并联形式，则需在输入级联的延时器之前先通过多路信号分配器将信号等分成多路，再分别通过不同的延时链路输入到不同工作状态下的功放中去，最后通过信号合成器将信号合成输出。需要说明的是，这里的多路信号分配器在级联形式中是可以省去的，而电源调制放大器也可以用可变增益放大器或者是低噪声放大器来代替用于接收机前端。另外，改变延时链中延时单元的延时长短可对滤波器的中心频率进行调整；改变控制模块的输入则可调整滤波器的幅频、相频响应，通过这些操作可使功率放大器具有可重构滤波性能。
需要说明的是，尽管并联形式需要多路信号分配器和多级不同的延时链，但设计过程不用考虑级联形式出现的阻抗匹配和增益误差等问题。综上所述，本发明具有多路信号分配器(并联形式)，延时链模块、信号合成器模块和电源调制功率放大器模块。其中电源调制功率放大器模块包括控制模块、电源调制器模块和功率放大器模块。
附图说明
图1为基于电源调制器构成的ET功放的原理框图。
图2为ET功放在调制信号输入下经过不同处理的输出结果。
图3为并联形式的具有滤波功能的分布式电源调制放大器结构框图。
图4为级联形式的具有滤波功能的分布式电源调制放大器结构框图。
图5为基于仿真得到的输出结果，其中图5-1为归一化后电源调制放大器的幅频响应，图5-2为电源调制放大器的相频响应。
具体实施方式
为了使得本发明实施目的、技术方案更加明确化，将对并联形式和级联分别进行理论分析，在下面先以并联形式的具有滤波功能的分布式电源调制放大器为例，描述整个方案的实施过程。
并联形式的具有滤波功能的分布式电源调制放大器结构框图如图3所示，图中的滤波器设计阶数为四阶，主要有四个模块构成：
信号分配器模块00：主要功能为实现输入信号的等分，用于之后不同延时链路的输入。
延时器模块10：由不同延时的延时单元组成，其主要功能为将相同的输入信号延时不同的时间，并送入到功率放大器中。
电源调制功率放大器模块20：由多个电源调制器、功率放大器和一个控制单元模块组成，通过对控制模块进行控制输入，改变电源调制器供电，调整功率放大器的放大倍数，来提供相应的系数权值。
信号合成器模块30：其主要功能为将各功率放大器的输出信号进行合成，转化为单一输出信号。
其中电源调制功率放大器模块包括控制单元模块21、电源调制器模块22和功率放大器模块23。
输入信号首先通过信号分配器模块00将信号等分成多路并送入到延时器模块10中。延时器模块10中的不同延时链路对相同信号延时不同的时间然后送入到电源调制功率放大器模块20中。根据需要的滤波性能，将产生的滤波器系数输入到控制模块21中，从而调整电源调制器模块22中不同的电源调制器供电，使功率放大器模块23中的每个功率放大器对信号产生不同的增益，从而赋予信号不同的系数权值。最后信号合成器30将各个功率放大器输出的不同信号进行合成，得到单一的输出信号，此信号根据数字滤波器理论已经完成了滤波。
级联形式由于信号是依次传递，所以不需要信号分配器，但需要考虑各级之间的阻抗匹配问题。级联形式的具有滤波功能的分布式电源调制放大器结构框图如图4所示，图中的滤波器阶数同样为四阶，主要有三个模块构成：
延时器模块10：与并联形式不同，这里由相同延时的延时单元组成，其主要功能为将输入信号延时不同的单位时间，送入到功率放大器中。
电源调制功率放大器模块20：与并联形式一样，由多个电源调制器、功率放大器和一个控制单元模块组成，通过对控制模块进行控制输入，改变电源调制器供电，调整功率放大器的放大倍数，来提供相应的系数权值。
信号合成器模块30：与并联形式一样，其主要功能为将各功率放大器的输出信号进行合成，转化为单一输出信号。
其中电源调制功率放大器模块包括控制单元模块21、电源调制器模块22和功率放大器模块23。
与并联形式不同，级联形式的输入信号直接送入到延时器模块10中。延时器模块10中相同的延时单元对输入信号延时不同的单位时间，然后送入到电源调制功率放大器模块20中。根据需要的滤波性能，将产生的滤波器系数输入到控制单元模块21中，从而调整电源调制器模块22中不同的电源调制器供电，使功率放大器模块23中的每个功率放大器对信号产生不同的增益，从而赋予信号不同的系数权值。最后信号合成器30将各个功率放大器输出的不同信号进行合成，得到单一的输出信号。
采用级联形式和并联形式，分别设计27阶数字滤波器。两种形式的载波频率为2.5GHz，系数采用3bit量化，延时器的延时精度选择0.1ns，观察发现二者的系统响应是一致的，得到的系统归一化幅频响应和相频响应的仿真结果如图5所示。在图5-1中我们可以发现，近载波端2.1GHz和2.9GHz频率附近处的输出结果与载波2.5GHz的输出对比有近80dB左右的抑制程度，远高于上文中所提到的ET功放输出在近载波端20dB左右的抑制程度，也高于数字预失真的50dB的抑制程度。同时从图5-2的相频响应可以看出系统在带内的输出具有群时延的特性，这样的特性会降低通信系统的误码率。总而言之，无论是从系统的幅频响应还是相频响应，这样的结果完美符合了现代通信系统对于功放的输出在近载波端和带内的要求。

Claims (4)

1.一种具有滤波功能的分布式电源调制放大器，该放大器包括：功分器、延时器、电源调制功率放大器、功率合成器，信号从功分器的输入端输入，依次经过延时器、电源调制功率放大器、功率合成器后从功率合成器输出端输出；所述功分器将输入信号功分为n路信号，所述延时器包括n个延时单元，功分器功分出的每一路信号对应输入一个延时单元；所述电源调制功率放大器包括：控制单元、电源调制器、功率放大器，所述功率放大器包括n个放大单元，每个延时单元的输出信号对应输入一个放大单元；所述电源调制器包括n个电源输出，每个电源输出对应控制一个放大单元；根据需要的滤波性能，将产生的滤波器系数输入到控制单元，控制单元输出控制信号给电源调制器，从而调整电源调制器中不同的电源输出；所述功率合成器将n个放大单元的输出合并成输出信号，并输出。
2.一种具有滤波功能的分布式电源调制放大器，该放大器包括：延时链、电源调制功率放大器、信号合成器，所述延时链包括级联的n个延时单元，所述电源调制功率放大器包括：控制单元、n+1个放大单元，所述控制单元包括n+1个控制输出；根据需要的滤波性能，将产生的滤波器系数输入到控制单元，控制单元每一个控制输出对应控制一个放大单元；所述该放大器的输入信号分为两路信号，一路输入延时链，另一路输入其中一个放大单元；级联的每一个延时单元的输出信号也分为两路，一路输入下一个延时单元，另一路对应输入一个放大单元，最后一个延时单元只有一个输出信号，直接输入给其对应的延时单元；所述n+1个放大单元的输出信号通过信号合成器合成为一路输出信号，并输出。
3.如权利要求1所述一种具有滤波功能的分布式电源调制放大器，其特征在于所述n等于4。
4.如权利要求2所述一种具有滤波功能的分布式电源调制放大器，其特征在于所述n等于4。
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