CN1253460A - 前馈放大器和放大信号的方法 - Google Patents

Abstract

一种前馈放大器和利用该前馈放大器的放大方法,该前馈放大器包括与该前馈放大器的主放大器和/或校正放大器相串联的均衡器,用于补偿该主放大器和/或校正放大器的非平坦频率响应分量。该均衡器可以是在电子控制下可调整的电压可控均衡器以适应电路条件的变化,或者是具有固定参数的均衡器。这些均衡器按照需要和所期望的性能可以选择性地使用。该前馈放大器和方法分别执行前馈放大器的均衡功能和线性化功能,提供一种经济和有效的前馈放大器和放大方法。

Description

前馈放大器和放大信号的方法

本发明涉及一种前馈放大器和利用该放大器放大信号的方法。

前馈型线性射频放大器被使用在要求高度放大器线性以防止互调失真的多信号应用的场合。特别是，在蜂窝式或个人通信业务/系统(PCS)基站中需要小体积和低成本的前馈射频放大器。

一般使用在蜂窝或PCS基站中的常规的前馈功率放大器产生由理想被放大的输入信号和误差信号组成的被放大的信号。误差信号的出现是由于器件和环境中的缺陷引起的。

图1表示一种常规前馈放大器的方框图。如图所示，常规前馈放大器1的例子包括：用于接收输入信号的分离器10，连接到分离器10的幅度调整器12，连接到幅度调整器12的相位调整器14，用于自适应控制幅度和相位调整器12和14的抵消检测器21，连接到相位调整器14的主放大器16，用于分配主放大器16的输出的定向耦合器20，连接到分离器10的第一延迟单元18，连接到耦合器20的第二延迟单元30，连接到第一延迟单元18的减法器22，连接到减法器22的幅度调整器24，连接到幅度调整器24的相位调整器26，用于自适应控制幅度和相位调整器24和26的导频信号检测器31，连接到相位调整器的校正放大器28，和连接到第二延迟单元30和校正放大器28的用于产生输出信号的组合器32。

分离器10将输入信号分为两路，和输出第一分路的输入信号到幅度调整器12和第二分路的输入信号到第一延迟单元18。在抵消检测器21的控制下，幅度和相位调整器12和14分别调整在整个频段范围内的第一分路输入信号的幅度和相位。主放大器16放大相位调整器14的输出，和输出被放大的信号到定向耦合器20。定向耦合器20传送被放大的输入信号到第二延迟单元30和减法器22。被放大的输入信号是由理想的被放大信号和由于系统和环境的缺陷引入的误差信号组成的。

来自分离器10的第二分路的输入信号由第一延迟单元18延迟一个预定的时间周期和输入到减法器22。减法器22从输出自定向耦合器20的被放大的输入信号中减去输出自第一延迟单元18的信号。产生的信号代表由主放大器16引入的误差信号。这个误差信号由抵消检测器21进行检测和监视。基于这个检测，抵消检测器21控制幅度和相位调整器12和14的参数，使得一个被减少误差的信号可以从组合器32予以输出。

在导频信号检测器31的控制下，幅度和相位调整器24和26分别调整整个频段范围的误差信号。为了控制幅度和相位调整器24和26，导频信号PI被注入到主放大器16的输入端，和在组合器32的输出端该注入的导频信号PI被导频信号检测器31进行检测。一般，导频信号PI是指定频率的脉冲。基于该检测，导频信号检测器31控制幅度和相位调整器24和26的参数，使得包含在组合器32的输出中的误差信号最小。

校正放大器28放大相位调整器26的输出。结果，在校正放大器28不附加它自己的误差信号到输入到校正放大器28中的误差信号上的情况下，校正放大器28的输出对抵消包含在被放大的输入信号中的误差信号是有用的。来自定向耦合器20的被放大的输入信号在其被输出到组合器32之前由第二延迟单元30延迟一个预定的时间周期。

组合器32相加来自第二延迟单元30的被放大输入信号和从校正放大器28输出的被放大的误差信号。如果在系统中的增益、相位、和延迟都被适当地设置，来自校正放大器28的误差信号与包含在主放大器16的输出中的误差信号在幅度上是相等的，但在相位上相差180°。通过在组合器32中相加主放大器16的输出与从校正放大器28的输出，包含在组合器32中的误差信号可以被减少。

包含在主放大器16中的误差信号具有两个主要的由系统和环境缺陷引入的分量：1)非线性失真分量和2)非平坦频率响应分量。理想的情况下，主放大器16的增益(Pout/Pin其中Pout是输出信号功率和Pin是输入信号功率)应当是例如如图2A所示为一个常数，但是实际的增益具有如虚线所示的非线性分量。同样情况下，虽然主放大器16的的一种平坦频率响应是理想上所希望的，正如图2B所示，但是主放大器16的实际频率响应一般不是平坦的，正如图2B的虚线所示。非线性误差分量和非平坦频率响应误差分量之间，整个误差信号的非平坦误差分量可以占全部误差信号的整个特性的支配地位，特别是当放大器1的工作带宽是宽的情况下。

在过去，为了校正在常规前馈放大器中的这两种误差信号分量，很大的注意力和花费曾都被投入到设计一个具有非常平的频率响应的主放大器上。另外，较大的和更为有力的校正放大器曾被用于补偿该主放大器的剩余非平坦频率响应上。但是，因为在前馈放大器的整个效率上，校正放大器的设计具有占主导地位的影响和主放大器和前馈放大器确定了功率放大器的最终成本，使用需要改善功率放大器的成本和效率两者的一种技术。

本发明涉及一种前馈放大器和利用该前馈放大器放大信号的方法。该前馈放大器及其方法包括与主放大器和/或校正放大器相串联放置的均衡器，用于补偿主放大器和/或校正放大器的非平坦频率响应。该均衡器可以是在电子控制下适应变化的电路环境的电压控制的可调均衡器，或者具有固定参数的均衡器。按照需要和期望的参数，选择性地使用这些均衡器本发明的前馈放大器和方法分别地执行对该前馈放大器线性化功能的均衡功能，提供一种成本效率兼顾的前馈放大器和放大信号的方法。

从下面仅以说明的方式给出的详细描述和各附图本发明将变得更全面的理解，图中各标号表示在各个附图中的对应的各部件和其中：

图1是常规前馈放大器的方框图；

图2A表示常规非前馈放大器的，诸如图1中的主放大器16的增益特性曲线的图；

图2B表示常规非前馈放大器的，诸如图1中的主放大器16的频率响应曲线的图；

图3表示按照本发明的第一实施例的具有电压可控均衡器和具有固定参数均衡器的前馈放大器的方框图；

图4表示按照本发明的第二实施例的具有两个具有固定参数均衡器的前馈放大器；

图5表示按照本发明的第三实施例的具有两个电压可控均衡器的前馈放大器的方框图；

图6表示按照本发明的第四实施例的具有固定参数均衡器和电压可控均衡器的前馈放大器的方框图。

下面的详细描述涉及一种具有增加效率、低成本、和较宽的工作频宽的前馈放大器和它的放大方法。在各附图中具有相同标号的部件具有相同的结构和功能。

图3表示按照本发明的第一实施例的具有电压可控均衡器和固定参数均衡器(“固定均衡器”)的前馈放大器的方框图。如图所示，前馈放大器40A包括：用于接收输入信号的分离器42、连接到分离器42的幅度调整器44、连接到幅度调整器44的相位调制器46、主放大器50、用于预补偿主放大器50的频率响应的电压可控均衡器48、连接到主放大器50的定向耦合器52、连接到耦合器52的减法器56、和连接到分离器42的第一延迟单元54。

前馈放大器40A还包括连接到减法器56的抵消检测器70、用于控制电压可控均衡器48的均衡器控制器72、连接到减法器56的幅度调整器58、连接到幅度调整器58的相位调整器60、连接到相位调整器60的固定均衡器62、连接到均衡器62的校正放大器64、连接到延迟单元68和校正放大器64的组合器66、连接到组合器66的导频信号检测器69、和连接到耦合器52的第二延迟单元68。固定均衡器62是用于使宽带电路的频率响应平坦的现有技术公知的均衡器并且这种固定均衡器的参数一旦在制造期间已被设置后是不能改变的。固定均衡器的参数被永久地设置来补偿校正放大器64的非平坦频率响应。电压可控均衡器48是现有技术公知的电压可控均衡器且在实际工作期间通过改变施加的电压信号其参数是可调的。这里，响应于，例如，温度、输入信号、施加的电压等参数的改变，电压可控均衡器62被调整到最佳电路工作状态。电压可控均衡器62、均衡器控制器72、和抵消检测器70构成一个自适应可控均衡单元。

下面参照图3将描述按照本发明的第一实施例的前馈放大器40A的操作。

分离器42接收输入信号例如一个将被放大的射频信号和分路该输入信号，产生第一和第二分路的输入信号。第一分路的输入信号被输出到幅度调整器44和第二分路的输入信号被输出到第一延迟单元54。

幅度和相位调整器44和46在整个频带范围均匀地调整第一分路的输入信号的幅度和相位。与如图1所示常规前馈放大器一样，抵消检测器70自适应地控制幅度和相位调整器44和46。电压可控均衡器48接收相位调整器46的输出，和在均衡器控制器72的控制下，调整该信号的增益和/或相位，校正主放大器50的非平坦频率响应。这使得从主放大器50输出的信号具有基本平坦的频率响应。均衡器控制器72控制均衡器48，补偿温度波动、机械老化和放大器频率响应的其它变化。

主放大器50按照预定的增益放大电压可控均衡器48的输出，产生被放大的信号AMP。被放大的信号AMP是由理想的被放大信号和主要由主放大器50的非线性(例如，如图2A所示)引入的误差信号组成。定向耦合器52传送被放大的信号AMP到第二延迟单元68和减法器56。第二延迟单元68延迟被放大的信号AMP一个预定的时间持续期，在设置的时间输出被放大的信号AMP到组合器66。

另外一方面，第一延迟单元54接收从分离器42输出的第二分路的输入信号和延迟一个预定时间持续期，产生被延迟的输入信号DIS。第一延迟单元54的预定延迟时间对应于幅度调整器44、相位调整器46、电压可控均衡器48、主放大器50、和定向耦合器52的处理时间。结果，被延迟的输入信号DIS和被放大的输入信号AMP在相同时间到达减法器56，减法器56从被放大的输入AMP信号中减去被延迟的输入信号DIS，分离出和获得在第一环路L1的处理期间引入被放大的输入信号AMP中的误差信号ES。减法器56输出误差信号ES到幅度调整器58和抵消检测器70。

除了控制幅度和相位调整器44和46外，抵消检测器70还与均衡器控制器72一起进行操作，使误差信号ES的非理想频率响应分量最小。幅度和相位调整器44和46分别利用抵消检测器57进行调整。抵消检测器70检测误差信号ES的非理想频率响应分量和基于检测的结果输出一个检测信号到均衡器控制器72。均衡器控制器72基于该检测信号，通过施加某些电压信号到均衡器48控制电压可控均衡器48，使得误差信号ES(包含在被放大的信号AMP中)的非理想频率响应分量最小。结果，包含在主放大器50的输出中的误差信号ES将主要含有非线性分量。

幅度调整器58从减法器56接收误差信号ES(其非理想频率响应分量已被减小)。在导频信号检测器69的控制下，幅度和相位调整器58和60在整个频带范围均匀地调整误差信号ES的幅度和相位。为了控制幅度和相位调整器58和60，导频信号检测器69监视在组合器66的输出端的一个信号，该信号是从注入到主放大器50的输入端的导频信号PI产生的。检测器69与在常规前馈放大器中的一样地基于来自组合器66的信号中的误差设置幅度和相位调整器58和60的各参数。幅度和相位调整器58和60调整误差信号ES的特性，使得放大器64产生的信号可以与被放大的输入信号AMP进行组合，有效地抵消从组合器66输出的误差信号。

固定均衡器62接收相位调整器60的输出和通过修正校正放大器64的输入信号的特性曲线补偿非理想频率响应。校正放大器64按照预定增益放大固定均衡器62的输出，产生抵消信号CS。也就是说，均衡器62与校正放大器64的组合然后产生具有基本平坦频率响应的抵消信号CS。

组合器66接收来自第二延迟单元68的被放大的输入信号AMP，与此同时接收抵消信号CS。此时，被放大的输入信号AMP的误差分量和抵消信号CS具有初始幅度，但是彼此具有180°的相移。组合器66组合被放大的信号AMP和抵消信号CS，利用抵消信号CS抵消被放大的信号AMP的误差信号。结果，从前馈放大器40A输出具有更为线性的幅度响应和更为平坦的频率响应的被放大的信号。

第二延迟单元68的预定延迟时间对应于减法器56、幅度调整器58、相位调整器60、固定均衡器62、和校正放大器64的处理时间，使得被放大的输入信号AMP和抵消信号CS被同时输入到组合器66中。

在本发明的第一实施例中，电压可控均衡器48被包括在第一环路L1中并且固定均衡器62被包括在第二环路L2中。但是，按照本发明的实施例的各种变形被设想作为本发明的一部分。取决于在参数上的波动，例如，温度、输入信号等等，按照本发明在前馈放大器中可以使用不同类型和不同数量的均衡器，以获得前馈放大器的最佳效果。

例如，按照本发明的第二实施例，如图4所示的前馈放大器40B除了具有某些与图40A的前馈放大器相同的按相同标号指示的部件外，还包括两个固定均衡器62a和62b。固定均衡器62a和62b是与图3的固定均衡器62相同的，在制造期间一旦参数被设置，它们的参数是不能改变的。因此，按照均衡器62a和62b的固定特性，固定均衡器62a和62b决定分别输入到主和校正放大器50和54的输入信号的条件，补偿主和校正放大器50和64的非平坦频率响应。

按照如图5所示的本发明的第三实施例，前馈放大器40C除了具有某些与图40A的前馈放大器相同的按相同标号指示的部件外，还包括两个电压可控均衡器48和74。前馈放大器40C还包括导频信号检测器78和均衡器控制器76，用于可变地控制电压可控均衡器74。

电压可控均衡器48调整主放大器50的输入信号，正如在第一实施例所描述的那样，在均衡器控制器72的控制下补偿主放大器50的非平坦频率响应。在主放大器50的输入端注入导频信号PS、该导频信号PS仿造被放大的信号的误差分量。这个导频信号PS不同于使用在以前的各实施例中的导频信号PI，那个导频信号PI是固定频率的脉冲，而导频信号PS是由不同频率的多个不同信号段组成的。最好是，导频信号PS可以是频率刚好在输入到放大器50的主信号所使用的频率范围两端的外侧的两个脉冲。在另外一个实施例中，导频信号PS可以是保持在不同频率的一个短时间持续期的跳跃信号，同时产生的具有在输入到放大器50的主信号所使用的频率范围两端的外侧和接近两端频率的多个脉冲，或频率在主信号频率范围内但没有信号的情况的多个脉冲。在刚好在主信号的频率范围外的导频信号PS的使用提供了用于控制器76调整将被使用在主信号的频率范围内的均衡器74的充份数据。其它各种导频信号PS可能被考虑用作本发明的一部分。

导频信号检测器78还检测注入到主放大器50的输入端、在组合器66的输出端的导频信号PI，利用导频信号PI控制幅度和相位调整器58和60，类似于图3的导频信号检测器69。另外，导频信号检测器78在组合器66的输出端检测导频信号PS，这个检测被均衡器控制器76利用，电压控制该均衡器74使得误差信号ES的非平坦频率响应分量最小。导频信号PI被用于控制增益和相位调整器58和60，而导频信号PS被用于控制均衡器74。作为一种变形，导频信号PS的一部分，例如一个脉冲可以被用作导频信号PI，去控制幅度和相位调整器58和60。因此，组合器66输出一个理想的具有最小误差信号的被放大信号。

按照如图6所示的本发明的第四实施例，前馈放大器40D包括在第一环路L1中的固定均衡器62和在第二环路L2中的电压可控均衡器74。此外，前馈放大器40D包括某些利用相同标号表示的与前馈放大器40A相同的部件。固定均衡器62按照均衡器62的固定参数修正主放大器50的输入信号，补偿主放大器50的非平坦频率响应。导频信号检测器78类似于图3的导频信号检测器69检测在组合器66的输出端的导频信号PI。另外，导频信号检测器78检测注入到主放大器50的输入端的导频信号PS，均衡器控制器76基于检测器78的检测来电压控制电压可控均衡器74，正如在第三实施例所讨论的那样，在被输入到校正放大器64之前使误差信号的非平坦频率响应分量最小。

在还有的其它各实施例中，仅一个均衡器被设置在前馈放大器中。这个均衡器可以替代在第一或第二环路L1或L2中的任何一个均衡器，和可以是设置得与均衡器控制器72或76和检测器70或78相连的固定均衡器62或电压可控均衡器48或74。

另外，每个均衡器控制器72或76可以包括用于实现计算机算法(程序)的数字信号处理器(DSP)，规定来自检测器70和78的检测信号，产生用于均衡器的将导致前馈放大器的最佳效率的电压控制信号。

按照本发明的前馈放大器及其放大方法，前馈放大器的频率均衡功能与其线性化功能分开，和由位于主和/或校正放大器的输入端的均衡器执行。这使得较小的和低功率的放大器将被用作校正放大器64和不昂贵的放大器将被用作主放大器50。因此，按照本发明的实施例的前馈放大器的成本和大小与常规前馈放大器相比显著地减小。和提供一种具有较大可工作带宽的更有效的前馈放大器和放大方法。

Claims (40)

1.一种前馈放大器，包括：

第一电路，用于接收第一信号、基于输入信号产生第一被放大信号、从第一被放大信号中分离出误差信号；

第二电路，连接到该第一电路，用于基于分离的误差信号产生抵消信号和组合第一被放大信号和抵消信号来产生第二被放大信号；和

至少一个均衡器，位于第一和第二电路的至少一个中，用于控制第二被放大信号的非平坦频率响应分量。

2.权利要求1的前馈放大器，其中所述至少一个均衡器包括位于第一电路中的第一类型均衡器。

3.权利要求2的前馈放大器，其中第一类型均衡器是具有可调整特性的电压可控均衡器。

4.权利要求2的前馈放大器，其中第一类型均衡器是具有固定特性的固定均衡器。

5.权利要求1的前馈放大器，其中所述至少一个均衡器包括位于第二电路中的第一类型均衡器。

6.权利要求5的前馈放大器，其中第一类型均衡器是具有可调整特性的电压可控均衡器。

7.权利要求5的前馈放大器，其中第一类型均衡器是具有固定特性的固定均衡器。

8.权利要求2的前馈放大器，其中所述至少一个均衡器还包括在第二电路中的第二类型均衡器。

9.权利要求8的前馈放大器，其中第一类型均衡器是具有可调整特性的电压可控均衡器，和第二类型均衡器是具有固定特性的固定均衡器。

10.权利要求8的前馈放大器，其中第二类型均衡器是具有可调整特性的电压可控均衡器，和第一类型均衡器是具有固定特性的固定均衡器。

11.权利要求1的前馈放大器，其中所述至少一个均衡器包括在第一电路中的第一均衡器和在第二电路中的第二均衡器，第一和第二均衡器具有固定特性。

12.权利要求1的前馈放大器，其中所述至少一个均衡器包括在第一电路中的第一均衡器和在第二电路中的第二均衡器，第一和第二均衡器具有可调整特性。

13.权利要求3的前馈放大器，还包括：

一个均衡器控制单元，用于控制电压可控均衡器的可调整特性。

14.权利要求13的前馈放大器，其中均衡器控制单元包括：

一个检测器，用于从第一电路接收分离的误差信号和检测该误差信号的频率响应，产生一个检测信号；和

一个控制器，基于该检测信号，改变电压可控均衡器的可调整特性。

15.权利要求6的前馈放大器，还包括：

一个均衡器控制单元，用于控制电压可控均衡器的可调整特性。

16.权利要求15的前馈放大器，其中均衡器控制单元包括：

一个导频信号检测器，用于检测注入到第一电路的导频信号和基于检测器结果产生检测信号；和

一个控制器，用于基于该检测信号改变电压可控均衡器的可调整特性。

17.权利要求1的前馈放大器，其中第一电路包括：

一个分离器，用于分路输入信号为第一分路的输入信号和第二分路的输入信号；和

一个调整单元，用于调整第一分路的输入信号的增益和相位。

18.权利要求17的前馈放大器，其中第一电路还包括一个主放大器，用于放大第一分路的输入信号和输出第一被放大的信号。

19.权利要求18的前馈放大器，其中第一电路还包括：

一个延迟单元，用于延迟来自分离器的第二分路的输入信号一个预定的时间持续期；和

一个减法器，用于接收该延迟单元的输出和从第一被放大信号中减去该延迟单元的输出信号，分离出误差信号。

20.权利要求1的前馈放大器，其中第二电路包括：

一个延迟单元，用于延迟第一被放大信号一个预定时间持续期；

一个调整单元，用于改变从第一电路输出的误差信号的增益和相位；和

一个校正放大器，用于放大该误差信号来输出抵消信号。

21.权利要求20的前馈放大器，其中第二电路还包括一个组合器，用于组合延迟单元的输出和从校正放大器输出的抵消信号，产生第二被放大信号。

22.一种前馈放大方法，包括以下步骤：

从第一被放大信号中分离误差信号；

基于该误差信号产生抵消信号；

组合该第一被放大信号与该抵消信号，产生第二被放大信号；和

利用至少一个均衡器补偿第二被放大信号的非平坦频率响应分量。

23.权利要求22的放大方法，其中所述分离步骤包括以下步骤：

调整将被放大的输入信号的增益和相位。

24.权利要求23的放大方法，其中所述补偿步骤包括以下步骤：

控制从所述调整步骤输出的被调整信号的增益和相位。

25.权利要求24的放大方法，其中所述分离步骤还包括以下步骤：

放大从所述控制步骤输出的信号从而产生第一被放大信号：

通过延迟输入信号一个预定时间持续期，产生一个被延迟的输入信号；和

组合第一被放大的信号和被延迟的输入信号从而分离误差信号。

26.权利要求22的放大方法，其中所述补偿步骤包括以下步骤：

检测误差信号的频率响应；

基于来自所述检测步骤的结果产生控制信号；和

基于控制信号调整至少一个均衡器的参数。

27.权利要求22的放大方法，其中所述产生步骤包括以下步骤：

调整误差信号的的增益和相位。

28.权利要求27的放大方法，其中所述补偿步骤改变从所述调整步骤输出的被调整的误差信号的增益和相位的特性，补偿第二被放大信号的非平坦频率响应分量。

29.权利要求28的放大方法，其中所述产生步骤还包括以下步骤：

放大从所述补偿步骤输出的信号来产生抵消信号。

30.权利要求22的放大方法，其中在所述补偿步骤中，所述至少一个均衡器包括至少一个具有可变特性的电压可控均衡器和一个具有固定特性的均衡器。

31.一种存入到计算机可读媒体中用于自适应控制包含在前馈放大器中的均衡器的计算机程序，该计算机程序包括：

第一源码段，用于检测包含在前馈放大器中产生的被放大信号中的误差信号；和

第二源码段，用于基于检测结果产生使该误差信号的非平坦频率响应分量最小的控制信号，和施加该控制信号到均衡器。

32.权利要求31的计算机程序，其中该均衡器是一个电压可控均衡器。

33.一种存入到计算机可读媒体中用于自适应控制包含在前馈放大器中的均衡器的计算机程序，该计算机程序包括：

第一源码段，用于检测在前馈放大器中产生的被放大信号中的导频信号；和

第二源码段，用于基于检测结果产生使该导频信号的非平坦频率响应分量最小的控制信号，和施加该控制信号到均衡器。

34.权利要求33的计算机程序，其中均衡器是一个电压可控均衡器。

35.权利要求33的计算机数据信号，其中导频信号是由多个不同频率的脉冲组成的。

36.一种用于自适应控制包含在前馈放大器中的均衡器的计算机数据信号，该计算机数据信号包括：

第一信号段，含有从前馈放大器中产生的被放大信号中检测出的误差信号；和

第二信号段，含有基于该误差信号产生的控制信号，该控制信号控制均衡器使误差信号的非平坦频率响应分量最小。

37.权利要求36的计算机数据信号，其中该计算机数据信号是被嵌入在一个载波中的。

38.一种用于自适应控制包含在前馈放大器中的均衡器的计算机数据信号，该计算机数据信号包括：

第一信号段，含有从前馈放大器中产生的被放大信号中检测出的导频信号；和

第二信号段，含有基于该导频信号产生的控制信号，该控制信号控制均衡器使误差信号的非平坦频率响应分量最小。

39.权利要求38的计算机数据信号，其中该计算机数据信号是被嵌入在一个载波中的。

40.权利要求38的计算机数据信号，其中导频信号是由多个不同频率的脉冲组成的。

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