CN1265549C - 非线性失真补偿功率放大器 - Google Patents

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Abstract

在非线性失真补偿功率放大器中设置增益调整电路4并进行增益调整控制，以使包含功率放大器5的整个增益经常保持为恒定值；在该状态下，控制电路8最佳地确定提供给失真信号发生电路3的、与输入信号瞬时值对应的失真量的图形，以使失真信号发生电路3能够生成：功率放大器5的输出信号中不需要的频带外信号分量的功率变成最小那样的失真信号。

Description

非线性失真补偿功率放大器
技术领域
本发明涉及非线性失真补偿功率放大器，特别涉及这样的非线性失真补偿功率放大器：它是适合于汽车电话或便携电话等移动无线通信的基站中共同放大线性调制信号或多个调制信号的功率放大器，其中通过把功率放大器所具有非线性失真消除那样的、发生失真信号的预失真电路置于功率放大器的输入侧，改善了线性放大特性。
背景技术
在对线性调制波或多个调制波进行功率放大的功率放大器中，为了抑制不需要的电波(寄生波)的辐射和提高功率效率，需要尽可能减小非线性失真。迄今，作为补偿放大器非线性失真的方式，已知负反馈方式、前馈方式、预失真方式。
负反馈方式由于如果信号是宽频带的则容易引起振荡现象等、工作的不稳定性增大，故在基站的无线电台中很少使用。
前馈方式由于在原理上不产生工作不稳定性，故现在大多数基站的无线电台中都使用。可是，前馈方式由于需要在抽出误差分量并利用副放大器分开进行放大之后、从主放大器的输出信号中把它减掉的结构，故存在着电路变得复杂，同时因使用副放大器故功率效率降低这样的问题。
与此不同，预失真方式由于不需要副放大器故作为代替前馈方式的方式受到重视，正在进行研究开发。预失真方式同其电源效率高而受到重视。预失真方式通过预先使输入信号失真来消除在放大器内发生的失真。该预失真方式(预失真电路)是已知的，它测定因非线性失真而产生的频带外不需要的电波(寄生波)，使失真信号发生以使该频带外不需要的电池为最小。例如，有：本发明人以前所进行的发明的专利申请书“日本专利申请书2000-9961”中记述的方式；或者Y.Nagota的论文“数字移动通信用线性放大技术”(参照参考文献1)；以及F.Antonio等的论文“功率放大器用自适应预失真的新技术”(参照参考文献2)中记述的方式。在这些方式中，利用所提供的算法使失真信号的发生自动地进行。
参考文献1：Y.Nagata，‘Linear Amplification Technigue forDigital Mobile Communications’，IEEE车辆技术会议论文集，pp.159～164，1989。
参考文献2：F.Antonio等，‘A Novel Adaptive PredistortionTechnigue for Power Amplifiers’，IEEE车辆技术会议论文集，pp.1505～1509。
一般，功率放大器的增益容易随供给电压、周围温度及时效时间等环境条件而变动，非线性失真特性也发生变化。在现有的预失真方式的非线性失真补偿功率放大器中，存在着功率放大器的增益-变动、在由预失真电路发生的失真信号与功率放大器的非线性失真特性之间就产生偏移，损坏了非线性失真消除功能这样的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供作到了不因功率放大器增益的变动而损坏非线性失真消除功能的预失真方式的非线性失真补偿功率放大器。
本发明的非线性失真补偿功率放大器，包括：功率放大器；失真信号发生电路，设置于功率放大器的输入侧，发生对应于输入信号的失真信号，以便消除功率放大器的非线性失真；以及增益调整电路，把总增益调整成恒定，其特征在于，基于使功率放大器输出信号中不必要的频带外信号分量的功率为最小的算法，确定失真信号发生电路发生的、对应于输入信号的失真信号。
本发明的又一种非线性失真补偿功率放大器，包括：功率放大器；失真信号发生电路，设置于功率放大器的输入侧，发生对应于输入信号的失真信号，以便消除功率放大器的非线性失真；增益调整电路，把总增益调整成恒定；输入功率测定电路，测定输入信号功率；以及输出功率测定电路，测定输出信号中的频带内信号功率及频带外信号功率。
本发明在非线性失真补偿功率放大器中，要作到控制失真信号发生电路(预失真电路)的失真信号的发生，同时设置增益调整电路进行增益调整控制以使总增益经常保持为恒定值，以谋求达到上述目的。由此，本发明非线性失真补偿功率放大器可以采取以下各结构。
此外，较为理想的是，在本发明的非线性失真补偿功率放大器中，基于使功率放大器输出信号中不必要的频带外信号分量的功率为最小的算法，确定失真信号发生电路发生的、对应于输入信号的失真信号。
此外，较为理想的是，在本发明的非线性失真补偿功率放大器中，基于输入信号功率与输出信号中的频带内信号功率的比较控制增益调整电路的增益，以使整个增益为恒定值。
此外，较为理想的是，本发明的非线性失真补偿功率放大器，还包括：输入功率测定电路，测定输入信号功率；以及第1及第2输出功率测定电路，分别测定输出信号中的输入信号频带内信号功率及输入信号频带外信号功率；把输入功率测定电路及第1输出功率测定电路的输出变成增益调整电路的输入，把第2输出功率测定电路的输出作为功率放大器输出信号中的在该放大器中应该放大的输入信号频带以外的频带外信号分量的功率。
此外，较为理想的是，在本发明的非线性失真补偿功率放大器中，输出功率测定电路包括：频率变换电路，对功率放大器的输出信号频率进行变换；第1滤波器及第2滤波器，从正频率变换的输出信号中分别取出频带内信号及频带外信号；以及功率检测器，测定已取出的频带内信号及频带外信号的各功率。
此外，较为理想的是，在本发明的非线性失真补偿功率放大器中，输出信号的频带由不同频率区的多个频带构成。
此外，较为理想的是，在本发明的非线性失真补偿功率放大器中，还包括：控制电路，基于输入信号功率及输出信号功率，对失真信号发生电路及增益调整电路进行控制。
此外，较为理想的是，在本发明的非线性失真补偿功率放大器中，控制电路具有受限制的控制算法，所述受限制的控制算法能够在保持整个增益为恒定值的同时、对应于输入信号产生最佳失真信号。
此外，较为理想的是，在本发明的非线性失真补偿功率放大器中，受限制的控制算法包含：第1控制逻辑，控制增益调整电路，以使整个增益为恒定值；以及第2控制逻辑，最佳地确定对应于提供给失真信号发生电路的输入信号瞬时值的失真量图形，以使失真信号发生电路能够发生输出信号中的频带外信号分量的功率为最小那样的失真信号，并依次交替地执行第1控制逻辑与第2控制逻辑。
此外，较为理想的是，在本发明的非线性失真补偿功率放大器中，把增益调整电路设置在失真信号发生电路与功率放大器之间。
此外，较为理想的是，在本发明的非线性失真补偿功率放大器中，把增益调整电路设置于失真信号发生电路的前级中。
附图说明
图1为本发明的非线性失真补偿功率放大器的基本结构说明图。
图2为示出本发明的算法之一例的流程图。
图3为本发明之一实施形态的非线性失真补偿功率放大器的结构图。
图4为本发明之一实施形态中的信号功率频谱的说明图。
图5为本发明之一实施形态中的频率变换电路的结构图。
具体实施方式
图1示出本发明的非线性失真补偿功率放大器的基本结构。图1中，1为输入应该功率放大的信号的输入端子，2为进行功率放大器的非线性失真补偿的补偿电路，3为提供对应于输入信号瞬时值的失真、发生失真信号的失真信号发生电路，4为补偿总增益变动的增益调整电路，5为具有应该补偿的非线性失真特性的功率放大器，6为输出已功率放大的信号的输出端子，7为测定输入信号瞬时功率的输入功率测定电路，8为对失真信号发生电路的失真信号生成及增益调整电路的增益设定进行控制的控制电路，9为分别测定输出信号中的应该放大的希望频带内的信号分量的平均功率及不需要的频带外信号分量的平均功率的输出功率测定电路，10为进行生成最佳失真信号的控制及保持总增益恒定的受限制的控制的算法(即程序)。
以下，利用例示的方法，说明图1电路的各部功能及工作细节。
补偿电路2的失真信号发生电路3和增益调整电路4、以及功率放大器5串联连接在输入端子1与输出端子6之间。失真信号发生电路3通过对输入信号依次的瞬时值预先提供被后级功率放大器5的非线性失真正好消除那样的振幅及相位的失真，由此作到在功率放大器的输出信号中不出现失真。控制电路8为了控制失真信号的发生，把根据输入信号的瞬时功率对输入信号提供的失真量作为对应于各瞬时功率值的一系列失真量的图形存储在省略了图示的存储器中，一检测出输入信号的瞬时功率值就从存储器中读出对应于其值的失真量，对失真信号发生电路3进行指示并对输入信号提供失真而发生失真信号。此时，对输入信号提供的失真由振幅失真及相位失真构成(也有可以省略相位失真的情况)，对其最佳地进行确定以便被功率放大器5的非线性失真特性正好消除。
失真信号发生电路3由：根据来自控制电路8的控制信号对输入信号的振幅提供失真的可变增益控制电路；以及对同一个输入信号的相位提供失真的可变相位控制电路构成。
增益调整电路4例如由可变衰减器构成，当检测出总增益的变动时，对其进行控制使其衰减量发生变化以便补偿增益变动，由此作到保持总增益经常为恒定值。
由输入功率测定电路7及输出功率测定电路9测定在控制电路8的控制中所需要的输入信号及输出信号的各功率，将其送给控制电路8。输入功率测定电路7测定输入端子1的输入信号瞬时功率及平均功率，但是，如果只测定瞬时功率、平均功率用控制电路8来计算，就能够简化输入功率测定电路7。同样，输出功率测定电路9对于输出端子6的输出信号分开测定输出信号中包含的希望频带内的信号分量及频带外的不需要信号分量的平均功率，将测定结果送给控制电路8。
由此，由失真信号发生电路3把施加到输入端子1上的输入信号变换成具有对应于输入信号瞬时值的振幅及相位失真的失真信号，进而由增益调整电路4的增益补偿对振幅进行调整并将其输入给功率放大器5。降低了由功率放大器5进行了功率放大的结果的失真的输出信号从输出端子6输出。再有，在图中把增益调整电路4插入到失真信号发生电路3与功率放大器5之间，但是，也可以将其设置在输入端子1与失真信号发生电路3之间。按照控制电路8的算法10来控制失真信号发生电路3及增益调整电路4的每一个。算法10是一种控制手段，它通过在CPU(未图示)上执行：存储在主存储器(未图示)上的、执行该控制的程序来实现。
可是，由于在放大器的总增益值与失真特性之间存在着互相影响的关系、一方一变化另一方就也变化，故作为控制电路8的算法10使用所谓受限制的控制算法，它在把总增益经常控制到恒定目标值的状态下对失真信号进行最佳化。该受限制的控制算法可以通过在最终得到收敛状态之前，交替地反复执行把总增益调整成恒定的控制及对失真信号进行最佳化的控制来实现。
在此，把总增益调整成恒定的控制如下进行，从输入信号的平均功率及输出信号的希望频带内信号分量的平均功率计算出总增益，把计算出的总增益值与基准的恒定值相比较求出增益变动的偏差，把使其偏差成为零那样的增益补偿值指示给增益调整电路4，把总增益控制成恒定值。
在接在把该总增益控制成恒定值之后进行的失真信号的最佳化控制中，生成多种多样的失真量图形，从生成了的失真量图形中选择最佳的图形。作为对此的算法10可有下述方法，例如以逐步逼近法依次生成不同的失真量图形，在每一个失真量图形中把对应于输入信号瞬时功率值的失真量指示给失真信号发生电路3、使失真信号发生，此时监视包含在从放大器输出的信号中的不需要的频带外信号分量的平均功率，把频带外信号分量的平均功率值成为允许值以下的第一个失真量图形作为最佳图形来选择。或者，还可以采取下述方法，生成所有种类的失真量图形、对每一个失真量图形执行失真信号的发生，把在其中使频带外信号分量的平均功率值为最小的失真量图形作为最佳图形来选择。但是，即使是某一种方法，在应用了各个新的失真量图形时，都需要执行把上述总增益控制成恒定值的算法。
为了生成多种多样的失真量图形，有通过计算使失真量图形依次变化的方法，以及使预先作成了的多种失真量图形存储在存储器中、从其中依次进行选择的方法。
图2用流程示出在总增益恒定的条件的基础上谋求失真信号最佳化的受限制的控制算法之例。在图1示出的算法10中如果有已生成的失真量图形，则生成与其不同的失真量图形(步骤S1)，在基于生成了的失真量图形使失真信号发生的同时(步骤S2)，检测总增益、补偿增益变动以保持总增益为恒定值(步骤S3)，在其后、检测包含在输出信号中的频带外信号的平均功率值并保存该值(步骤S4)。对于通过反复进行以上的步骤S1～步骤S4的处理而依次生成了的多个互相不同的失真量图形的全部，进行同样的处理。如果没有应该生成(被认为)的失真量图形了(步骤S5)，则比较保存着的各失真量图形的平均功率值并选择平均功率值最小的图形(步骤S6)，将其作为最佳图形存储在存储器中(步骤S7)。
除了起动时，在运用中以适当的周期反复进行基于这样的算法10的控制，由此能够在不受环境变化影响、经常把总增益保持为恒定的状态下生成最佳的失真信号，能够高精度且稳定地补偿功率放大器的非线性失真。
图3示出本发明优选的一实施形态的非线性失真补偿功率放大器的结构。图3中，11为输入端子，12为预失真电路(pred)，13为增益调整电路(ΔG)，14为功率放大器(PA)，15为方向耦合器，16为输出端子，17为输入功率测定电路(PWR DBT)，18为控制电路(Cont)，19为输出功率测定电路，20为频率变换电路，21及22为滤波器，23为平均功率检测器。虽然未图示，但控制电路18包括算法10。
输入到输入端子11上的移动无线等信号通过预失真电路12接受振幅及相位失真。预失真电路12的输出信号在通过增益调整电路13之后，由功率放大器14放大，通过方向耦合器15，输出给输出端子16。由方向耦合器15取出输出信号的一部分，将其输入给输出功率测定电路19。在由频率变换电路20对输入到输出功率测定电路19上的输出信号的一部分进行了频率变换之后，将其输入给滤波器21、22。滤波器21是取出输出信号中应该放大的希望频带内的信号的滤波器，滤波器22是取出频带外的不需要信号的滤波器。各滤波器21、22的输出分别输入给平均功率检测器23，测定频带内信号平均功率及频带外不需要信号平均功率。把平均功率检测器23的检测输出、输入给控制电路18。此外，输入信号的一部分输入给输入功率测定电路17来测定瞬时功率，将其测定输出输入给控制电路18。
控制电路18使用预先存储在内部存储器(未图示)中的瞬时功率值与失真量的对应图形求出对应于输入信号瞬时功率值的振幅及相位的失真量，把该失真量指示给预失真电路12并使失真提供给输入信号，而发生失真信号。此时指示给预失真电路12的振幅及相位的失真量随输入信号的瞬时功率值而不同，其值以切合于预失真方式的原理来消除功率放大器14的非线性失真的方式预先求出。
存储在存储器中的失真量图形是最佳地消除功率放大器14的非线性失真的图形，可在起动时或运用中适当更新。利用逐步逼近(或叠代法)等算法从通过计算生成的多种失真量图形中选择使滤波器22输出的频带外不需要信号的平均功率为最小的图形，将其作为最佳的失真量图形存储到存储器中(例如，参照前述的日本专利申请书2000-9661)。总之，在本实施形态中，由适当的算法10自动地确定存储在控制电路存储器中的失真量。
控制电路18从开始时作为输入功率测定电路17的输出的输入信号瞬时功率求出平均功率，通过计算该值与由输出功率测定电路19输出的放大器输出信号中的希望频带内信号的平均功率值之比来求出整个增益。在求出的增益与所提供的基准值不同的情况下，控制增益调整电路13的增益以使其一致。在进行了该增益调整之后，算法10进行失真量图形的更新。再有，也可以把增益调整电路13设置到预失真电路12之前。
图4示出本发明之一实施形态中的信号功率频谱，图5示出图3中的频率变换电路20的具体例。
图4中，实线为在功率放大器中不存在非线性失真的理想情况的输出信号的功率频谱，虚线示出因非线性失真发生了的不需要的频带外信号(寄生波)。在图3的结构中，滤波器22取出该频带外信号分量，利用平均功率检测器23测定信号的平均功率，利用控制电路18的算法10(未图示)来确定使该平均功率值成为最小那样的失真量图形。
在图5所示的频率变换电路中，在输入端子31上输入由图3的方向耦合器15分支了的输出信号的一部分，在输出端子34上输出已频率变换的信号。到输入端子31的输入信号、与来自本地振荡器32的本地振荡信号输出一起输入给混频器36，由低通滤波器33取出两个信号之差的频率分量。把本地振荡器32的振荡频率作成可利用输入给控制端子35的信号来变化的频率，在此将其设定为图4所示的功率频谱的中心频率f0。把由输出端子34输出的信号输入给图3的滤波器21及22。把滤波器21作成通频带为0～Δf1的低通滤波器。此时，由于把本地振荡频率设定为f0，故可由滤波器21取出用图4的实线部分示出的希望频带内信号。此外，通过把滤波器22的通频带设定为Δf1～Δf2，可由滤波器22取出图4中用虚线示出的频带外信号。
图3的平均功率检测器23分开测定滤波器21、22的输出信号平均功率。控制电路18预先从作为输入功率测定电路17的输出的输入信号瞬时功率求出输入信号平均功率值。控制电路18的算法10试把某一失真量提供给输入信号，观测来自滤波器21的输出信号频带内平均功率。通过取该观测值与预先求出的输入信号平均功率之比，计算从输入端子11到输出端子16的功率增益。如果计算出来的功率增益值与预先确定的功率增益基准值不同，则调整增益调整电路13的增益以使它们变成相等。算法10在该增益调整结束之后，进行：用于控制预失真电路12的最佳失真量图形的确定及存储器的更新。
在以上描述了的实施形态中，假定了图4所示的单频带的信号频谱，但是，即使在信号频带在频率轴上并排着多个的情况下，通过适当地设定本地振荡频率及滤波器21、22，也能够分别测定放大器输出信号的频带内功率及频带外功率。
按照本发明，由于即使功率放大器的特性因环境条件的变化或时效变化而发生了变动、也能一边经常使整个增益保持为恒定一边使预失真电路工作，故能维持良好的非线性失真补偿。

Claims (15)

1.一种非线性失真补偿功率放大器，包括：
功率放大器；
失真信号发生电路，设置于功率放大器的输入侧，发生对应于输入信号的失真信号，以便消除功率放大器的非线性失真；以及
增益调整电路，把总增益调整成恒定，
其特征在于，基于使功率放大器输出信号中不必要的频带外信号分量的功率为最小的算法，确定失真信号发生电路发生的、对应于输入信号的失真信号。
2.根据权利要求1中所述的非线性失真补偿功率放大器，其特征在于，
基于输入信号功率及输出信号中的频带内信号功率控制增益调整电路的增益，以使整个增益为恒定值。
3.根据权利要求1中所述的非线性失真补偿功率放大器，其特征在于还包括：
控制电路，基于输入信号功率及输出信号功率，对失真信号发生电路及增益调整电路进行控制。
4.根据权利要求3中所述的非线性失真补偿功率放大器，其特征在于，
控制电路具有受限制的控制算法，所述受限制的控制算法能够在保持整个增益为恒定值的同时、对应于所述输入信号产生最佳失真信号。
5.根据权利要求4中所述的非线性失真补偿功率放大器，其特征在于，
受限制的控制算法包含：第1控制逻辑，控制增益调整电路，以使整个增益为恒定值；以及第2控制逻辑，最佳地确定对应于提供给失真信号发生电路的输入信号瞬时值的失真量图形，以使失真信号发生电路能够发生输出信号中的频带外信号分量的功率为最小那样的失真信号，并依次交替地执行第1控制逻辑与第2控制逻辑。
6.根据权利要求1中所述的非线性失真补偿功率放大器，其特征在于，
把增益调整电路设置在失真信号发生电路与功率放大器之间。
7.根据权利要求1中所述的非线性失真补偿功率放大器，其特征在于，
把增益调整电路设置于失真信号发生电路的前级中。
8.一种非线性失真补偿功率放大器，包括：
功率放大器；
失真信号发生电路，设置于功率放大器的输入侧，发生对应于输入信号的失真信号，以便消除功率放大器的非线性失真；
增益调整电路，把总增益调整成恒定；
输入功率测定电路，测定输入信号功率；以及
输出功率测定电路，测定输出信号中的频带内信号功率及频带外信号功率。
9.根据权利要求8中所述的非线性失真补偿功率放大器，其特征在于，输出功率测定电路包括：
频率变换电路，对功率放大器的输出信号频率进行变换；
第1滤波器及第2滤波器，从已频率变换的输出信号中分别取出频带内信号及频带外信号；以及
功率检测器，测定已取出的频带内信号及频带外信号的各功率。
10.根据权利要求9中所述的非线性失真补偿功率放大器，其特征在于，
输出信号的频带由不同频率区的多个频带构成。
11.根据权利要求8中所述的非线性失真补偿功率放大器，其特征在于还包括：
控制电路，基于输入信号功率及输出信号功率，对失真信号发生电路及增益调整电路进行控制。
12.根据权利要求11中所述的非线性失真补偿功率放大器，其特征在于，
控制电路具有受限制的控制算法，所述受限制的控制算法能够在保持整个增益为恒定值的同时、对应于所述输入信号产生最佳失真信号。
13.根据权利要求12中所述的非线性失真补偿功率放大器，其特征在于，
受限制的控制算法包含：第1控制逻辑，控制增益调整电路，以使整个增益为恒定值；以及第2控制逻辑，最佳地确定对应于提供给失真信号发生电路的输入信号瞬时值的失真量图形，以使失真信号发生电路能够发生输出信号中的频带外信号分量的功率为最小那样的失真信号，并依次交替地执行第1控制逻辑与第2控制逻辑。
14.根据权利要求8中所述的非线性失真补偿功率放大器，其特征在于，
把增益调整电路设置在失真信号发生电路与功率放大器之间。
15.根据权利要求8中所述的非线性失真补偿功率放大器，其特征在于，
把增益调整电路设置于失真信号发生电路的前级中。
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