CN1176712A - 非线性装置的带外补偿 - Google Patents

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Abstract

一种用于基本消除因非线性装置(106)处理信号引起的非线性失真的系统。所述系统将带外信号(111)加入输入信号(101),以产生功率基本上等于所述非线性装置(106)额定工作点的组合信号(105)。组合信号(105)被输入非线性装置(106)以产生输出。滤波器(108)对非线性装置(106)的输出进行处理以恢复经非线性装置(106)处理后原始信号(101)的信息内容。

Description

非线性装置的带外补偿
发明领域
本发明一般涉及通信系统领域。具体而言本发明涉及抑制或消除用于发送信号的功率放大器中的非线性度。
背景技术
在处于高互调电平运行状态下的通信系统中，功率放大器一般工作在饱和点附近。在饱和点上，功率放大器的输出不再随输入功率的增加而增加。即，在达到饱和点之后，不管输入功率如何增加，功率放大器的输出功率都基本上保持恒定不变。因此功率放大器在饱和点附近呈非线性。饱和点又称增益压缩区域。
互调是用来描述非线性度的术语。例如，当非线性装置为产生输出信号而对含有多频谱成份的信号进行处理时，输出信号中包括原始输入信号中并不存在的频谱成份。有些成份可以通过滤波去除而不会引起明显的失真。但是有些成分无法通过滤波去除。无法用滤波去除的成份会引起非线性失真。这些成份统称为互调产物。
在大多数系统中，这种互调产生了并不希望发生的失真。例如假定通信系统采用码分多址(CDMA)调制。又进一步假定在经通信信道发送之前先放大CDMA信号。非线性功率放大器通常在这里被用来完成放大功能。实际通信系统中发送的CDMA信号常常以非恒定包络形式出现。普遍的原因是CDMA信号被多路复用在一起形成单个多路复用CDMA信号。这种信号可以源于组合在单个载波上以构成一条CDMA信道的几个CDMA信号。或者源于组合成一个信号供发送的几条频率各异的CDMA信道。多路复用CDMA信号以非恒定包络的形式出现。其它熟知的原因也会引起非恒定包络现象。由此使得输入至非线性功率放大器的功率超出其输入功率范围。由于非线性放大器在输入范围内是非线性的，所以输出信号表现出并不希望发生的效应，例如互调产物。
CDMA是一种在向大量通信系统用户提供服务时普遍采用的扩展频谱调制技术。诸如CDMA之类的扩展频谱技术与其它调制技术相比具有明显的优势，特别是向大量通信系统用户提供服务时尤其突出。在一个CDMA系统中，供一个或多个用户使用的多重信号经单一频带(或CDMA信道)发送，其中每个用户都被分配以合适的正交信道化码(例如Walsh码)或者非相关扩频码。在1990年2月13日授权的题为“Spread Spectrum Multiple Access Communication System UsingSatellite or Terrestrial Repeaters”(“采用卫星或地面中继的扩频多址联接接信系统”)的美国专利No.4,901,307和1995年1月4日提交的题为“Method andApparatus for Using Full Spectrum Transmitted Power in a Spread SpetrumCommunication System for Tracking Individual Recipient Phase Time andEnergy”(“扩频通信系统中采用全频谱发射功率跟踪各接收方相位时间和能量的方法和装置”)的美国专利申请No.08/368,570中对多址联接通信系统中CDMA技术的使用作了揭示，上述两项发明已经转让给了本发明的受让人，并且作为参考文献包含在这里。
诸如由互调引起的非线性失真是一种并不希望出现的效应，它可能会破坏通信系统中信号的信息内容。因此需要一种抑制或消除互调产物之类非线性失真的系统。
发明内容
本发明涉及一种基本上消除非线性装置引起的信号失真不良效应的系统和方法。系统将需要放大的信号与带外信号组合。当带外信号与需要放大的信号组合(从而提供一个组合信号)时对其进行调节。组合信号的功率基本上等于非线性装置预先确定的额定工作点。非线性装置对组合信号进修处理以产生输出信号。滤波器对输出信号进修处理以去除带外信号。由于非线性装置处理的信号经过预处理后始终位于非线性装置预先确定的额定工作点上，所以基本上消除了非线性失真。由于输入非线性装置的信号功率基本不变，所以其输出也基本保持不变而呈线性。因此本发明达到了使非线性装置的输出线性化的预期效果。
如果不采用本发明，则随着输入功率超出非线性装置输入功率的范围，其输出将呈现严重的非线性失真。但是如果采用本发明，则输入功率将保持恒定电平，即保持预先确定的额定工作点上。这样，功率放大器的输出功率和相位保持恒定。因此，不会产生失真。在去除带外信号之后，输入信号的信息内容得到了恢复。
以下借助附图对本发明的特征和优点以及各实施例的结构和操作进行描述。在附图中，功能和/或结构类似的单元采用相同的标号。图中首次出现的单元用附图标号加上最右边的两位数字表示。
附图的将要说明
本发明所述附图如下：
图1为按照本发明较佳实施例设计的系统。
图2表示普通功率放大器的幅度和相位输出。
图3表示按照本发明较佳实施例设计的系统的幅度和相位输出。
图4表示按照本发明较佳实施例的方法。
图5表示使信号保持在预先确定的额定工作点上的方法。
实施发明的较佳方式
本发明设计一种基本上消除非线性失真(例如当信号经非线性装置处理后引入的互调产物)的系统和方法。系统将带外信号加入输入信号，以生成功率基本上与非线性装置额定工作点功率相同的组合信号。组合信号被输入至非线性装置以生成输出信号。滤波器对非线性装置的输出进行处理，以恢复经非线性装置处理后原始信号的信息内容。例如，非线性装置如果是功率放大器，则滤波后的输出就是输入信号的放大信号。
在图2中，示出了普通非线性功率放大器的输出功率和相位特性。曲线202表示普通非线性功率放大器的输出相位与输入正弦波功率的关系。这种曲线通常称为“AM-PM”曲线。曲线204表示普通非线性功率放大器的输出功率大小与正弦输入功率的关系。这种曲线通常称为“AM-AM”曲线。由曲线202可见，输出功率的相位与输入功率的关系在非线性功率放大器大部分工作范围内是变化的。同样，由曲线204可见，输出功率的大小在饱和区域206附近是非线性的。对于图2所示的非线性功率放大器，饱和区域206开始于-4dBm附近。对于本领域普通技术人员来说将饱和区域扩展至不同区域是显而易见的。
本发明较佳实施例通过向非线性装置提供包络基本不变的信号，基本上抑制了非线性。即，输入的瞬时功率基本上保持恒定数值。选定数值为预先确定的额定工作点。在本发明的较佳实施例中，预先确定的额定工作点被选在饱和区域206开始之处。对于本领域普通技术人员来说选定其它的额定工作点也是显而易见的事。
图1示出了按照本发明较佳实施例设计的系统。该系统包括发生器(振荡器)110、自动增益控制(AGC)电路120、组合器104和带通滤波器(BPF)108。AGC电路120包括可变增益放大器112、功率检测器118、加法器116和滤波器114。
工作时，按照本发明较佳实施例设计的系统经线路102输入非恒定包络输入信号101。例如与其它CDMA信号组合的CDMA信号就是一种非恒定包络信号。组合器104将输入信号101与经过可变增益放大器112调整的带外信号111组合。组合器104的输出为组合信号105。带外信号111比较好的是由振荡器110生成的等幅波(CW)单音信号。组合信号105被输入非线性功率放大器106。非线性功率放大器106放大组合信号105。带通滤波器(BPF)108对非线性功率放大器106的输出进行滤波，以去除加入到输入信号101的带外信号111。由于非线性放大器106的输入功率基本保持恒定，所以放大信号不会发生非线性失真。
在本发明较佳实施例中，非线性放大器106的输入功率以下述方法保持基本恒定。AGC电路120用来调整带外信号111的瞬时功率。AGC电路120控制带外信号111的增益，以保持带外信号111与输入信号101的组合信号功率基本保持不变。
参见图1，它描述了AGC电路120的工作。组合器104将带外信号111与输入信号101组合以生成组合信号105。组合信号105被输入非线性放大器106。组合信号还被输入AGC电路120。
AGC电路120首先检测组合信号105的瞬时功率。在本发明较佳实施例中，检测器(DET)118检测组合信号105的瞬时功率。例如检测器可检测组合信号105包络的瞬时值。检测器118输出的电压正比于单位为dBm的检测功率。
检测到的瞬时功率从对应于预先确定的额定工作点数值中扣除，或者将其负值与额定工作点数值相加。该数值图1中标为额定值122。加法器116的输出为功率差信号。功率差信号被输入滤波器114。
滤波器114跟踪组合信号105的瞬时功率相对预先确定的额定工作点的变化情况。在本发明较佳实施例中，滤波器114为积分滤波器。滤波器114的输出代表组合信号功率与额定值122之差。滤波器114是设计成利用存储器电路将输入数值存储或累加起来的。因此滤波器114跟踪的是组合信号105功率与额定值122之间的增量差。滤波器114的输出控制可变增益放大器112。
可变增益放大器112调整带外信号111，从而使组合信号105的瞬时功率基本上等于额定工作点。这种调整必须快得足以跟踪非恒定包络中的变化。例如在带宽为1MHz的单信道CDMA信号中，一般要求0.2微秒以下的闭环时间常数。对于多路复用的CDMA信号(包含多个被多路复用为单个多路复用CDMA信号的CDMA信号)，包络随多路复用CDMA信号的带宽而变化。因此对于带宽为1MHz的单一CDMA信号，AGC120必须在1微秒之内更新。在本发明较佳实施例中，AGC120的响应时间不超过200纳秒。由于本发明较佳实施例中的CDMA信号是在频率超过1GHz的载波上调制的，所以200纳秒的间隔提供了至少200个载波信号周期，足以保证检测器118能检测到瞬时功率。
参见图3，它描述了按照本发明较佳实施例设计的系统的“AM-AM”和“AM-PM”曲线。如上所述，工作时，组合信号105(即非线性功率放大器106的输入)具有基本恒定的瞬时功率。该瞬时功率基本上等于额定工作点。在较佳实施例中，非线性功率放大器106的额定工作点被选定为-4dBm。因此组合信号105的瞬时功率基本上保持为-4dBm。这样，非线性放大器106的输出相位基本不变。输出相位的数值基本上等于输入近似等于额定工作点的非线性功率放大器的输出相位。在较佳实施例中，恒定的相位值用直线302表示。如图3所示，直线302的数值为-40度。该数值即额定工作点为-4dBm时的输出相位。
由图3可见，按照本发明较佳实施例设计的系统使非线性放大器106的功率增益线性化。曲线304示出了图1中点103(PA)处功率与点109(PB)处功率之间的关系。即滤波器108的输出是输入信号10放大后的状态。如曲线304所示，输入信号102不仅被放大，而且是基本上呈线性放大。
按照本发明较佳实施例设计的系统使非线性功率放大器106的输出幅度线性化并确保相位输出基本上保持恒定的数值。按照本发明较佳实施例设计的系统由此基本上消除或抑制了因互调产物之类的非线性失真引起的不良效应。
图4示出了用来基本消除或抑制由互调产物之类的非线性失真引起的不良效应的方法。在步骤402中，带外信号与输入信号组合。组合形成的组合信号的瞬时功率基本上等于预先确定的额定工作点。在步骤404，组合信号的功率维持在预先确定的额定工作点上。以下借助图5进一步描述步骤404。
在步骤406中，组合信号由非线性装置处理。在较佳实施例中，非线性装置是一种诸如非线性功率放大器106之类的非线性功率放大器。如上所述，由于确保了非线性装置的输入基本上等于预先确定的额定工作点，所以非线性装置基本上以线性方式工作。因此该方法基本上抑制或消除了普通非线性装置中存在的非线性失真。
最后，在步骤408中，非线性装置的输出经过滤波。滤波步骤去除了带外信号。经过滤波之后，剩下的是输入信号放大后的状态。由于非线性装置工作的线性化，所以输入信号放大后的状态不会因非线性装置的非线性而失真。
参见图5，它进一步描述了步骤404。在步骤502中，对组合信号的瞬时功率进行检测。在步骤504中，检测到的瞬时功率与额定工作点进行比较。在较佳实施例中，比较步骤基本上是一种减法运算。即，检测到瞬时功率从额定工作点数值中扣除，或者将其负值与额定工作点相加。减法运算的结果为功率差信号。功率差信号代表了必须加入组合信号以保证瞬时功率等于额定工作点的功率大小。在步骤506，功率差信号随后经过滤波。较佳实施例中，滤波由积分过程实现。因此滤波跟踪带外信号为满足输入信号所需而增减的变化量，从而使带外信号与输入信号的组合信号基本上等于额定工作点。最后，在步骤508中，改变可变增益放大器的增益，以向带外信号提供所需的增益。
对于较佳实施例的上述描述使得本领域内的普通技术人员能利用本发明，而且不经创造性的活动即可对本发明作出各种改动或改进。因此，本发明的范围由后面所附权利要求限定。

Claims (10)

1.一种系统，其特征在于包括：
具有预先确定的额定工作点的非线性装置；
产生带外信号的信号源；
将所述带外信号与第二信号组合以生成组合信号的组合器，其中所述组合信号的功率基本上等于所述非线性装置的所述额定线性工作点；
与所述非线性装置的输出耦合，以从所述非线性装置的所述输出去除所述带外信号的滤波器。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于进一步包括：
与所述组合器耦合，以将所述组合信号的功率维持在基本上等于所述额定工作点上的自动增益控制(AGC)电路。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于所述AGC电路包括：
与所述组合器耦合，以检测所述组合信号功率，并生成检测功率信号的检测器；
与所述检测器的输出耦合，以将所述检测功率信号的负值与基本上等于所述额定工作点的信号相加，从而产生功率差信号的加法器；
与所述加法器的输出耦合，以对所述功率差信号进行滤波，从而产生增益更新信号的第二滤波器；
与所述第二滤波器的输出耦合，并按照所述增益更新信号放大所述带外信号，从而使所述组合信号的功率基本上等于所述额定工作点的可变增益放大器。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述信号源为振荡器而所述带外信号为等幅波信号。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述非线性装置为非线性功率放大器。
6.如权利要求3所述的系统，其特征在于所述第二滤波器为积分滤波器。
7.一种方法，其特征在于包括以下步骤：
(a)将带外信号与输入信号组合，以产生功率基本上等于非线性装置额定工作点的组合信号；
(b)使所述组合信号的功率基本上保持在所述额定工作点上；
(c)在输入非线性装置中处理所述组合信号以产生输出；
(d)对所述输出进行滤波以去除所述带外信号。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述步骤(b)包括以下步骤：
(e)检测所述组合信号功率，以生成检测功率信号；
(f)将所述检测功率信号的负值与基本上等于所述额定工作点的信号相加，以产生功率差信号；
(g)对所述功率差信号进行滤波，以产生增益更新信号；
(h)按照所述增益更新信号放大所述带外信号，从而使所述组合信号的功率基本上等于所述额定工作点的可变增益放大器。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于所述步骤(d)为带通滤波。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于所述步骤(g)为积分。
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