CN1110128C - 具有改进的复合三重拍频和交叉调制性能的射频放大器 - Google Patents

Abstract

具有低功耗和低产热的结构简单的射频放大器电路，它在放大输入信号的同时可保持最小的复合三重拍频(CTB)失真、振幅型交叉调制失真、和相位型交叉调制失真。包括将输入信号由不平衡状态转换为平衡状态的变压器；失真发生电路，包括非线性元件和第一延时线串联耦合的第一电路，以及包括衰减元件和第二延时线串联耦合的第二电路，两个电路并联耦合；将放大的信号在输出之前由平衡状态转换为不平衡状态的变压器。

Description

具有改进的复合三重拍频 和交叉调制性能 的射频放大器

本发明涉及一种射频放大器，用于以最小的CTB(复合三重拍频composite triple beat)和交叉调制失真放大通过传输线传输的宽带射频信号，如有线电视(CATV)信号。

使用同轴线的常规传输线系统，如CATV系统，包括以适当间隔设置的放大器，这些放大器放大所传输的信号以补偿整个线路上出现的信号衰减。CATV信号典型地具有如70MHz至450MHz的频带，相当于大约60个频道。通常，放大信号时，进行单个宽带放大，而不将频率分成多个频带。

放大器通常是以大约20dB的间隔(按所传输的信号正常的衰减值)，按距离来说等于大约500m的间隔，沿传输线安装的。因此，在大规模系统中，为了整个传输线上保持就信噪比和信号失真比等来说的所需的信号质量，放大器的级联级数可达大约30或以上。因此，为了使信号传输的距离最大，从而使系统覆盖的服务区域最大，系统所用的放大器具有优良的噪声和失真特性是非常重要的。

然而，即使使用具有优良的工作特性的放大器，在该系统中通常仍会出现其它失真，如交叉调制失真。交叉调制失真出现在一个频道的调制(即调幅)内容会干扰其它频道并与其相混合的时候。其它类型的失真，如CTB失真，会作为视频信号的低频干扰出现。也就是说，由加减载波频率导致的失真分量会出现在每个载波附近，因为，频道载波在频率轴上具有相同的间隔。随着频道的增加，CTB类型的失真被认为更成问题，因为虽然交叉调制失真的增加正比于频道的数量，而CTB的失真的增加则几乎正比于_nC₃(_nC₃表示在n个频道中组合三个频道的可能组合数)。

推挽式电路可以用来抑制放大器中的失真，如二阶失真。然而，要完全除去奇数阶失真是非常困难的，如引起上述交叉调制失真和CTB失真的三阶失真。因此，CTB失真成为限制放大器性能和CATV系统整体规模的一个因素。

另外，随着频道数量的增加，以及频带上限的增加，近几年发现，交叉调制失真不仅涉及频道调幅内容之间的干扰，还包括调相(PM)分量。这种交叉调制的出现是因为放大器输入和输出电平相互不完全成正比，并且还因为对于较高的输入电平，输出电平会受到抑制。换句话说，这种交叉调制具有非线性，因为在输入电平较高时增益会降低。

因此，当一个频道的振幅在调制过程中增加时，放大电路的增益会降低，并且另一频道的振幅也会降低。这样，调制信号会以反相的形式传输，从而引起交叉调制。因此，在同时放大多个频道的放大器中，观察到的交叉调制是干扰波的镜象，表现为负镜象。

为了测量常规系统中的交叉调制失真，将一个频道置于非调制状态，并将所有其它频道置于调制状态。然后，一个信号通过一个放大器，并且观察每个未调制频道上在其输出上的调制电平。因此，可以使用下列两种方法来检测调制电平。

可以使用包络检波来检查调制波形的振幅。另外，还可以使用频谱分析仪在频率轴上将载波和边带进行分离，以检查其相互关系。如果出现的交叉调制只是纯调幅的话，那么两种测量方法的结果应该是一致的。然而，由于交叉调制的调相(PM)分量，使得其结果一般不一致，并且随着频率的增加，测量结果之间的差异也将增加。也就是说，在高测量频率下，由包络检波所测量的调制通常低于用频谱分析仪测量的边带电平所计算的振幅调制。

因此，可以设想，出现的边带不仅是调幅引起的，而且还是调相引起的。再如上所述，调相的出现是因为放大电路输入和输出之间的延时相对于输入电平而改变，而不是由于增益相对于输入电平的非线性。

例如，假设相对于450MHz的载波电平出现-80dB边带，且此边带是纯粹由调相引起的，则由输入电平变化而引起的延时波动大约为0.07微微秒。这超出了正常群时延测量装置所能测量的分辨率，因此，不能通过直接测量来看出变化量。

另一方面，对于由纯调幅产生的边带，上和下边带矢量之和与载波矢量一致，仅振幅不同。相位不改变。然而，在纯调相中，上和下边带矢量正交于载波矢量，仅载波相位改变。也就是说，振幅不改变。

然而，在放大电路中实际出现的交叉调制被认为是调幅和调相同时出现，其中基于一定延时波动而出现的调相随频率的升高而占更大比重。因此，上述两种测量方法的结果之间的差异会增加，这是因为频谱分析仪测量只捕获边带电平的关系，而不能识别相位的关系。

即使在交叉调制过程中，调幅和调相也是同时出现的，目前由CATV系统传输的信号也均是标准电视信号，其中信息只是通过振幅改变来传输的。因此，只关心振幅分量，而调相分量可以忽略。

然而，可以设想，不久就会有传输数字电视信号的调制系统，因此信号的振幅和相位都将成为重要因素。另外，很有可能，CATV系统会将频带划分为现有的模拟电视信号和数字信号两部分，并将其混合。还有可能，CATV系统不仅用于电视信号传输，还作为电话和数据通信线。因此，很有可能，交叉调制的调相分量将成为问题。

现将参照图6来描述常规试图减小信号失真的放大电路的一个实例，它包含在上述系统所用的放大器中。输入给输入端11的信号通过输入不平衡-平衡变压器12而由不平衡状态转换为平衡状态，并且通过晶体管13、14、15、和16进行推挽放大。

然后，将信号通过输出平衡-不平衡变压器20恢复为不平衡状态，并通过输出端21输出。电阻17、18、和19提供了一个负反馈电路，用以提供相对于频率的平坦增益特性。实际上，还需要用以给晶体管13、14、15、和16提供偏压的电路以及用以调节放大器电路频率特性的容性或感性元件，但在这里省略了。放大电路的增益通常为十几dB。

用于常规传输系统的放大器通常在其输入和输出端使用放大电路，如基本单元。在放大电路之间要设置一定电路，如可变衰减电路，用以获得自动增益控制(AGC)以补偿随温度改变的电缆损耗，以及可变均衡电路，用以获得自动斜率控制(ASC)以补偿相对于频率增加的增益。

也就是说，信号按照放大-衰减-放大的次序进行处理，进行该操作是为了获得所需的增益。放大电路偏置状态是甲类工作，功耗通常为每个放大电路约4-12瓦。放大器输出电平为每个电视信号频道32毫伏，也就是说，相对于75欧姆的传输线阻抗约为13微瓦，并且按用于60个频道的总电功率来说不超过1毫瓦。

对于上述条件下所提供的单个放大器的失真特性来说，交叉调制和CBT典型地为-85dB左右。例如，如果级联10级放大器的话，其三阶失真被作为电压相加，由此导致20dB的降质至-65dB。如果级联30级的话，会出现约30dB的降质至-55dB左右。

日本的有线电视服务法的技术准则规定，CATV系统必须在CATV系统服务的整个区域上只出现-42dB或以下交叉调制的情况下工作。再有，近年来，由于各种接收机性能不相上下等原因，更容易感觉到失真干扰，因此需要比法律规定的质量更好的信号。因而，低失真性能的需求随着放大器性能的提高而逐渐增长。

常规地，为了改善失真特性，可在常规放大器中采用并联工作技术和前馈技术。在并联工作技术中，相同的放大电路并联工作以将每个放大电路所处理的信号功率降低一半，由此减小失真。然而，这种技术要求消耗两倍的功率，但三阶失真只改善大约6dB。

在前馈技术中，主放大电路的一部分输入信号和一部分输出信号之间的差被确定，使得可以只提取失真分量。该失真信号可适当地通过辅助放大电路进行放大，然后与主放大电路的输出失真分量结合，使得这两个失真分量彼此抵消，从而改善了放大器的失真特性。前馈技术对失真特性的改善通常要比并联工作技术好。

然而，在前馈技术中，辅助放大电路所消耗的功率与主放大电路所消耗的功率不相上下。另外，电路也复杂，并且规模也大。由于这些原因，与系统有关的整个成本将会增加。

因此，本发明的目的就是提供一种射频放大器，它对于振幅和相位调制分量具有改进的CBT和交叉调制特性，从而改进了模拟和数字电视信号的传输质量。本发明的另一目的就是以与其它失真改进技术(如并联工作技术和前馈技术)相比更小的功耗增加来实现该改进。

为了实现上述目的，本发明提供了一种包括失真发生电路的射频放大器。失真发生电路包括具有串联设置的非线性元件和第一延时线的电路，和具有串联设置的衰减元件和第二延时线的电路。这两个电路并联设置。

失真发生电路与射频放大级的输入和/或输出串联，串联方向为通过放大级的信号被传送的方向。第一和第二延时线的构成用以产生输入给射频放大级的信号的信号输入电平上的延时变化，它与由射频放大级输入和输出之间的延时差所造成的信号输入电平上的延时变化相反。

再有，在本发明中，失真发生电路设置在放大元件的中间位置上，由此组成射频放大级。也就是说，在本发明中，振幅型交叉调制(通常由于增益随输入电平的增加而降低的饱和特性的非线性，而使其出现在常规放大电路中)，以及相位型交叉调制(由于相对于输入电平的变化使输入和输出之间的延时改变而出现)，均可通过在设置在放大电路内部和外部的电路而消除。也就是说，可将电路设置在放大电路输入和输出中的任一个或两个上，或者，设置在放大电路放大元件级之间。

如上所述的本发明的电路产生的失真与放大的前级、后级、或在放大过程中所产生的失真分量振幅相等而相位相反，由此，消除了放大电路输出上的失真，从而改善了放大电路的特性。

另外，称作预失真的方法通常公知是用以改善CATV放大器以外的放大器，如微波频带行波管放大器，或用于光通信中的光电转换的激光二极管的非线性失真。预失真的工作是将预失真信号提供给行波管或激光二极管，由此消除装置输出上的失真。该方法不适用于CATV放大器，因为预失真发生电路会出现额外损耗，因此在此应用中是不可行的。

因此，本发明的另一目的是不仅在放大前级上，而且在放大后级上，或甚至在放大过程中，产生反相失真分量。

通过下面参照附图对本发明优选实施例的详细描述，将使本发明的这些和其它目的和优点更为明显和清楚，其中：

图1是按照本发明第一实施例构成的射频放大器的电路图；

图2(a)是矢量图，用以说明如图1所示的实施例中的失真发生电路的工作；

图2(b)说明失真发生电路，例如图1实施例中所示的失真发生电路；

图3是说明本发明第二实施例的电路图；

图4是说明本发明第三实施例的电路图；

图5(a)和5(b)是说明本发明第四实施例的电路图；

图6是说明常规射频放大器结构的电路图；以及

图7是说明图3和4所示的第二和第三实施例电路结合的电路图。

图1是按照本发明第一实施例构成的射频放大器的电路图。输入给输入端101的信号通过输入不平衡-平衡变压器102而由不平衡状态转换为平衡状态，并且通过晶体管103、104、105、和106进行推挽放大，其中晶体管可以是任何合适类型的晶体管。

由非线性元件107(如二极管、晶体管等)和延时线109相互串联耦合构成的电路，以及由衰减元件111和延时线113相互串联耦合构成的电路，以并联方式设置在完成放大工作的晶体管103和105之间。同样地，由非线性元件108和延时线110相互串联设置而构成的电路，以及由衰减元件112和延时线114相互串联设置而构成的电路，以并联方式设置在用以在推挽工作中执行反相放大的晶体管104和106之间。

用作负反馈电路的电阻115连接在晶体管103的输入(基极)和晶体管105的输出(集电极)之间。同样地，用作负反馈电路的电阻116连接在晶体管104的输入(基极)和晶体管106的输出(集电极)之间。

推挽放大的信号通过输出平衡-不平衡变压器118恢复为不平衡状态，并且在输出端119输出。

在本实施例中，所示的电路111和112是π型衰减电路，使用三个电阻作为衰减元件。然而，如果例如不严格要求阻抗匹配的话，则可以将接地的两个电阻省略，而可用插入信号通路方向的一个电阻代替衰减电路。另外，就非线性元件107和108来说，可以根据失真的要求程度而串联多于一个二极管。一个或多个二极管需要设置的到最佳状态，因为，失真量根据流过的DC偏流的大小而改变。再有，虽然未示出用以将偏压施加给二极管的电路，但偏压可以很容易地通过由扼流圈隔断射频和由电容隔断DC的适当结合而施加。

现将参照图2(a)和2(b)来讨论图1所示电路的工作。图2(a)是表示流过如图1和2(b)所示由二极管、衰减元件、和两个延线组成的电路的射频电流矢量的矢量图。如图2(b)所示，电流Id通过二极管107和延时线109到汇合处，并且电流Ia通过衰减元件111和延时线113到汇合处。

如果将延时线113的延时设置得比延时线109的延时长，则电流Id的相位领先于电流Ia的相位。如果输入电压以相等间隔变为三级的话，则流过衰减元件111的电流Ia的矢量将以相等间隔变为OA，OB，和OC。另一方面，流过二极管107的电流Id的矢量由于二极管107正向电流与电压之间的非线性而几乎呈指数地变为OL，OM，和ON，同时保持领先于电流Ia的相位角恒定。其改变与饱和特性相反，输出电流由此延伸以响应更高的输入电平。

然后，在输出侧上电流Ia和电流Id相互汇合而产生的总电流矢量会变为OP，OQ，OR，其大小，也就是矢量长度，非线性地改变，并且相位角相应于输入电平而改变。在汇合处的振幅非线性失真分量的量可按照衰减元件111的衰减量和二极管107的偏置状态任意选择，以消除放大元件晶体管的饱和特性失真。相对于输入电平的相位角变化可通过选择两个延时线109和113之间的延时差，也就是说，电流Id和电流Ia之间的角，使得其与相对于放大电路输入电平的延时变化相反，而得到消除。因此，可以消除在上述交叉调制现象过程中存在的调幅分量和调相分量。还可以消除由三阶失真如交叉调制造成的上述CTB。

如图2(b)所示，存在两条延时线109和113。如上所述，延时线可产生电流Id和电流Ia之间的延时差。然而，如果省略延时线之一，仍可完成上述功能。要消除的延时变化是百分之几微微秒，因此，具有10微米电气长度的元件都会对延时起作用。不管使用什么元件，其电气长度不可能为零。因此，可以设想，延时线具有足以影响延时的电气长度，同时使得延时线路可连接于如电路板和元件插座上。

图3是按照本发明第二实施例构成的射频放大器的电路图。在第二实施例中，失真发生电路，例如参照图1、2(a)和2(b)所述的电路，被设置在输入不平衡-平衡变压器102和晶体管103之间，以及在输入不平衡-平衡变压器102和晶体管104之间。失真发生电路的工作类似于图1的电路。

将图3所示射频放大器与图1的电路进行比较，由于失真发生电路被设置在负反馈电路的晶体管103-106和电阻115、116、和117的外部，所以失真发生电路本身的延时不会影响负反馈电路的工作，因此，射频放大器可在更宽频带上工作。再有，噪声会象图1的电路一样与失真发生电路的损耗成正比降低。

图4是按照本发明第三实施例构成的射频放大器的电路图。在第三实施例中，失真发生电路，例如参照图1-3所述的电路，被设置在晶体管105和输出平衡-不平衡变压器118之间，以及在晶体管106和输出平衡-不平衡变压器118之间。因此，放大级的失真可通过在下一级上产生反相失真而得到消除。

通常，三阶失真在CATV信号放大器工作的失真因素范围内是最主要的奇数阶失真，而五阶或更高阶的失真通常可以忽略。因此，如果输出电平在失真因素范围内升高一定的dB值，相对于信号的交叉调制和CTB值将降低dB值的两倍。在图4电路中，放大级的输出需要升高等于失真发生电路损耗的大小，使得在放大级上产生的失真降低。然而，可将失真发生电路的损耗抑制到1dB左右，并且通过消除失真可以很容易地提供10dB或以上的改进。

作为另一个实施例(如图7所示)，图3和4所示的电路可以加以结合，使得失真发生电路可设置在放大级的输入和输出的两侧上，从而消除放大电路两侧的失真。再有，图1、3和4的电路可以加以结合，使得失真发生电路存在于放大电路输入和输出两侧上，以及晶体管103和105，104和106之间，如图1中所示。当然，图1、3和4所示的电路在失真发生电路所处理的信号电平方面是不同的，因此，在串联的二极管数量方面、在流入二极管的偏流大小等方面有所不同。可以使用任何适当数量的二极管，以及任何适当的偏流或偏压。

图5(a)是按照本发明第四实施例构成的射频放大器的电路图。在第四实施例中，失真发生电路，例如参照图1-4所述的电路，被设置在不平衡侧，即输入端101和不平衡-平衡变压器102之间。该实施例与第一至第三实施例的不同点在于，连接两个二极管107和108，以便使其相对于信号通过方向方向相反。由此，二极管107和108相对于输入信号正负周期进行对称工作，从而抑制偶数阶失真的产生。因此，不会影响随后的放大部分(即晶体管103-106)推挽工作对偶数阶失真的消除。失真发生工作原理与前面参照图2(b)所述的类似。

另一种方法是，如图5(b)所示，类似于图5(a)所示的失真发生电路可被设置在平衡-不平衡变压器118和输出端119之间。该失真发生电路还可设置在输入和输出两侧，以及晶体管103-106之间。

在上述实施例中，应注意的是，在如CATV放大器中，需要消除的大约-80dB失真的反相失真的量是很小的。因此，虽然为了便于说明，将电流Id的矢量在图2(a)中画得很大，其振幅实际上只有电流Ia振幅的大约百分之几。因此，大部分输入信号功率可送往输出端，因为由衰减元件产生的输入信号衰减是很小的，并且失真发生电路的整个衰减值可以很容易地设置为1dB或以下。因此，由于只需要这样小的衰减度，所以不会妨碍放大器的设计和制造。

再有，由附加失真发生电路造成的放大器的整个功耗增加只是由于对电路中二极管加偏置需要的偏流所造成的，最大只有几毫安。这要比上述的常规并联放大电路工作方法(其中每个放大电路通常要消耗150-500毫安的电流)所需的附加功耗小得多，也比使用辅助放大电路、需要相同量的附加电流的常规前反馈技术所需附加功耗小得多。

这些实施例没有用其它电路说明，它们可以作为一部分包括在集成电路(IC)中。

虽然上面仅详细地描述了本发明的几个实施例，但本技术领域的普通专业人员很容易知道可对这些实施例进行许多修改且不脱离本发明的新技术和优点。因此，所有这些修改均被包括在后面权利要求所限定的本发明的范围内。

Claims (7)

1.一种用于放大宽带有线电视信号的射频放大器，包括：

放大器电路(103-106、115、116)，具有相对于输入于其中的宽带有线电视信号的延时改变特性；

第一变压器(102)，提供在放大器电路的输入级中；

第二变压器(118)，提供是在放大电路的输出级中；

失真发生电路，用于产生与放大电路的延时改变特性相反的延时改变，以便消除放大器电路中的延时改变，失真发生电路在下面的至少一个位置中提供：

a)在第一变压器(102)的输入级；

b)在第一变压器(102)与放大器电路之间；

c)在放大电路中；

d)在放大电路与第二变压器(118)之间；和

e)在第二变压器(118)的输出级。

其特征在于：

所述失真发生电路是通过将具有串联耦合的非线性元件(107、108)和第一延时线(109、110)的第一电路，和具有串联耦合的衰减元件(111、112)和第二延时线(113、114)的第二电路直接并联并联耦合而构成。

2.如权利要求1所述的射频放大器，其中非线性元件(107、108)是被安排与经过失真发生电路与信号通路串联的二极管。

3.如权利要求1所述的射频放大器，其中衰减元件(111、112)是至少一个电阻。

4.如权利要求3所述的射频放大器，其中衰减元件(111、112)是由多个电阻组成的π型电路。

5.如权利要求1所述的射频放大器，包括两个所述的失真发生电路，这两个失真发生电路提供在放大器电路(103-106、115、116)之中或提供在放大电路与第一变压器(102)或与第二变压器(118)之间。

6.如权利要求1所述的射频放大器，包括四个所述的失真发生电路，它们中的两个被耦合到所述的放大器电路(103-106、115、116)的所述的输入级，其它两个被耦合到所述的放大器电路(103-106、115、116)的所述的输出级。

7.如权利要求1和权利要求3至6中的一个权利要求所述的射频放大器，其中非线性元件(107、108)的是彼此方向相反并联连接的两个二极管而形成，并且通过失真发生电路与信号通路串联。

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