CN1288835C - 用于在宽频带上线性化功率放大器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于宽频带功率放大器(10)的线性化的方法。放大器的操作频带被分为至少两组或子频带。各个采样的输入信号的瞬时频率被测量(28)，以确定它属于的组或子频带，并且把预失真(26)应用于输入信号，这些预失真取决于频率组。本发明尤其对于发射器的功率放大器的线性化是有用的。

Description

用于在宽频带上线性化功率放大器的方法

本发明涉及一种用于线性化功率放大器的方法，并且尤其涉及使用这种方法的放大器，它还涉及包括这种功率放大器的发射器。

一般地，功率放大器被靠近饱和值来应用，以获得这种放大器的最有效的应用。但是，靠近饱和值，放大器具有非线性行为，即与小的输入信号相比，对于高输入信号增益降低明显；而且由于公知的AM/PM转换，即由于振幅调制转换为相位调制而使输出信号相位失真。

输出信号相对于输入信号的这种失真通常不允许，因为没有恒定的包络信号使用。这尤其在电信领域是更实际，其中功率效率和良好的信号质量都是必要的。

为线性化放大器，几个方案是公知的。但是，已经发现没有一种传统的方案能在宽频带上提供通常尤其在电信领域所要求的功率效率。例如，在将来的无线电话系统中，使用CDMA(码分多址访问)，其中调制在几个MHz的频带上延展。实际上，CDMA中，对于各个码元，例如位，被重叠一个作为高频的序列的编码。

直到现在已知的唯一的在非恒定包络信号的宽频带上的线性化方案是模拟供给转送技术，其中不提供反馈环路。它实时纠正非线性，即使非线性是依赖于频率的。在模拟供给转送技术中，非线性从输入信号中减去来放大。

但是，这个方案有很低的功率效率。根据已有技术的当前状态，带有模拟供给转送线性化的RF放大器的总的功率效率大约是6％并且当它不提供有这种线性化时功率放大器具有大约30％的或更多的效率。而且，模拟供给转送是昂贵的并且明显提高装置的尺寸。高成本来自相应的电路需要校准和调谐这一事实。

也公知使用数字预失真具有良好的效率的优点。但是，观察到放大器的数字预失真仅在窄的和中等的频率带上能正确工作。

为提供功率放大器的功率效率和宽的频带线性化，根据本发明的方法的特征在于各个采样的输入信号的瞬时频率被测量并且对于各个实时采样，应用依赖于测量的瞬时频率的数字预失真。

在一个实施例中，数字预失真用一组查找表执行，各个查找表相应于给出的频率或给出的频域或子频带。

对于各个实时采样，相应于测量的频率的查找表把预失真应用于输入信号，其在放大器的输出补偿不表现出预失真的失真。

在另一个实施例中，对于各个频率，预失真由一组作为多项式的系数的系数表示，对于该多项式变量是输入信号的振幅并且对该输入信号提供必要的预失真。

用最后一个实施例，可能使用比查找表更小的存储器容量。实际上，在查找表的情况中，对各个频率或频域必须保持用于输入信号的振幅值的所有可能的预失真值在存储器中；相反，用多项式系数，仅必须在存储器中保持一组用于各个频率或频域的系数。但是，用这一实施例，必须使用更多的计算，以从输入振幅值和系数获得(计算多项式)预失真。

根据一个优选的实施例，为限制用于存储表或系数的存储器的容量，代表频率的信号的准确度低于输入信号的振幅的准确度。因此，可能限制查找表的数目或系数组的数目。例如，如果输入信号的振幅以16位数代表，频率可由4位数代表。实际上，已经观察到，尽管非线性是依赖于频率的，在窄的或中等频带上，它们在窄的或中等频带的内部相对是频率敏感的。换言之，要被放大的宽频带可被分为有限数目的域，在每个域中同样的查找表或同样的系数可被使用。

为测量或估测各个输入采样的瞬时频率，在一个实施例中，两个连续采样之间的相位被测量，例如当前采样的相位和原来的采样的相位之间的差，或者当前采样的相位和下一个采样的相位之间的差。还可能通过几个连续的采样的相位差测量的内插来估测瞬时频率。

一般地当采样在以相位为横坐标I和90°相位差为纵坐标Q的直角坐标中表示时，为获得振幅和相位，必须使用直角坐标对极坐标的转换，例如卡迪尔(Cordic)转换。这最后一个转换方法是公知的；它是基于连续的加减的，可容易地在集成电路中被实现。

根据本发明的方法和放大器可根据D/A转换器的可用性和性能被用于基频带或中频(IF)带中。

由于功率电压和其它操作参数的老化、漂移或改变，必须周期地一次又一次地更新查找表或多项式系数。这些表或系数可通过来自放大器的输出信号的测量和传统的算法被更新，该算法考虑测量，尤其是考虑输出和输入信号之间的比较而修改表或系数。

用于更新方法的输入信号可是特定的测试信号或规则的输入信号。

在放大器的输出处信号的测量由接收器来执行。在电信设备的情况下，功率放大器被用于发射器，其通常与发射器相关。在那种情况下，用于输出信号的测量的接收器可以是与双工发射/接收的发射器相关的接收器。它还可以是特定的接收器，如相干接收器(外差或超外差式的)。

本发明一般涉及用于宽频带功率放大器的线性化的方法。根据本发明，放大器的操作频带被分为至少两组或子频带，各个采样的输入信号的瞬时频率被测量，以确定它属于的组或子频带，并且把预失真应用于输入信号，这些预失真取决于频率组。

在一个实施例中，与频率相关的预失真由一组查找表提供，查找表的数目等于频率子频带的数目，对于输入信号的各个振幅，查找表包含代表预失真的振幅和相位的两个相关值。

在另一个实施例中，预失真值通过应用多项式的系数而被计算，多项式的变量是输入信号的振幅。

在另一个实施例中，采样的输入信号的瞬时频率由该输入信号的相位导数来计算。

采样的输入信号的瞬时频率可通过两个连续的采样的相位作减法来计算。

输入采样的信号在一个实施例中由复平面中的它们的直角坐标系表示，并且它们的直角坐标被转换为极坐标，相位被用于确定频率组，振幅被用于确定频率组中的预失真值。

根据一个实施例，瞬时频率的测量的准确度低于输入信号的准确度。

预失真值或系数可周期地通过测量输入测试的结果或放大器的输出信号上的规则信号并通过基于该次测量计算预失真值或系数而被更新。

本发明还涉及该方法在发射器的功率放大器的线性化中的应用。

这种发射器发射CDMA信号。

在一个实施例中，发射器包括相干接收器，其被用于更新预失真值或系数。

本发明还涉及该方法在包括带有要被线性化的功率放大器的发射器和接收器的站的应用，其中接收器被用于测量功率放大器的输出，用于更新预失真值或系数。

本发明的其他特征和优点通过它的某些实施例的描述变得明显，这种描述是联系下面的附图进行的：

图1是表示放大器的输出信号相对它的输入信号的变化的图；

图2是频带图，表示本发明的一方面。

图3是本发明的一个实施例的简单图示。

示例将参考附图进行描述，该示例涉及用于第三代即目前正在发展中的(通用移动电话系统)UTMS的蜂窝电话基站的发射器/接收器。

这里再次指出在蜂窝电话系统中，各个用户经被称为基收发站(BTS)的基站被连接于网络。该站从用户接收通信并把它们发射到其它用户。电信系统的容量依赖于这种基站的性能，并且还依赖于它的功率放大器的效率和RF耦合限制条件。

为最小化这种站的成本并与标准要求的频谱整形一致，必须使用单一的放大器。当该系统在用户与基站之间应用CDMA时，并且当CDMA可被视为在几个MHz的宽频带上的包络线中具有重要变化(由于大量用户的扩展编码的堆积)的噪音时，对于这种应用在宽频带上正确线性化放大器是重要的。如果功率放大器不被线性化，它应必须在相邻的信道之间使用大的防护频带，即未使用的频谱，以避免由于非线性引起的一个信道对另一个信道的干扰，或者把功率放大器的尺寸作得超大(补偿)。

图1是放大器10的操作图(图3)，其中表现为，当输入信号Si变得大于给出的值L时，输出信号So实际上保持常数。放大器的这个公知的特征被成为“饱和”。

为最佳地使用这种放大器，优选地在靠近饱和值处使用它。但是，在这种情况下，增益(比率So/Si)变得振幅和相位不恒定，这种不恒定行为产生输出信号的带中失真和带外干扰，其对于相同频率或不同频率的发射后的信号和同时要被发射的信号而言是有害的。

为避免这些非线性，已知应用预失真到输入信号中，其补偿输出信号中出现的没有这些预失真的失真。

根据本发明，功率放大器的频带ΔF被分为域或子频带ΔF₁、ΔF₂、...ΔF_n(图2)，并且对于各个子频带提供相应的预失真。

图3表示基站，包括上述提到的功率放大器10和相干接收器链16。放大器10的输出经耦合器20被连接于发射器/接收器天线18。耦合器被用于把天线18连接于接收器链16的输入。

接收器链是用于放大器的输出信号的测量的专用链，以更新表或系数组，这一点后面将解释。

要被功率放大器10放大的信号是在32768MHz的采样频率的采样。这些采样传统地以它们的复数坐标I和Q表示。坐标I和Q被应用于复合多路复用器累加器(CMAC)22的各个输入22₁和22₂，其功能后面描述。这两个代表直角坐标系中的实时信号的坐标I和Q被卡笛尔转换器24转换为极坐标。转换器24有两个输出24₁和24₂。输出24₁提供瞬时输入信号的振幅R，输出24₂提供输入采样的相位φ。

R输出24₁被连接于包含查找表(LUT)的RAM存储器的振幅输入，并且转换器24的输出24₂被连接于差分器28的输入，该差分器以采样频率操作。差分器的输出28₁被连接于存储器26的频率输入26₂。

在一个实施例中，差分器是减法器，其产生当前采样的相位与前面的采样的相位之间的差。

RAM存储器26还有一个连接于提供用于更新在RAM 26中存储的表中的值的信号的数字信号处理器30的输出的输入26₃，关于更新在后面将说明。

RAM26有两个输出26₄和26₅，其提供应用于CMAC 22的相应的各个输入的信号ΔI′，ΔQ′。

这些信号ΔI′和ΔQ′分别是被应用于所述坐标系的I和Q的预失真，以补偿由于非线性引起的失真。

复合多路复用器/累加器22有两个数字输出22₃和22₄，在其上面表现出输入采样信号的预失真的分量I₁和Q₁。这些数字分量分别经数模(D/A)转换34₃和34₄被连接于象限混合器32的各个输入。与中频本机振荡器36相连，这个混合器32的作用是把处于基带频率的输入信号转换为中频。

混合器32的输出经包括具有至少3(例如)倍的有用信道的带通的IF滤波器的中频(IF)接口40被连接于另一个混合器38的输入，该带通最好是平坦的。实际上，如果带通准确地相应于有用的信道，将不可能正确地线性化该信道的外部。

混合器38用第二本机振荡器42把IF转换为在传送频率调制的信号。混合器38的输出被连接于功率放大器10的输入。

接收器链16的输出也连接于象限混合器44的输入，该混合器用本机振荡器46把接收到信号转换为接收到的信号的模拟I_D和Q_D分量。这些分量处于基带频率。这些信号被应用于处理器30的各个输入30₁，30₂，在那里它们被转换成数字格式。

在此示例中，本机振荡器42和46是同步的。

操作如下。

在存储器26中存储n个表，每一个用于一个频率子频带ΔF₁，...ΔF_n。表的选择根据由差分器28测量的瞬时频率进行。存储器26传递组合在一起成为分量I和Q的信号ΔI′和ΔQ′来对在混合器32上提供的信号预失真并经混合器38对功率放大器10的输入上的信号预失真。

尽管分量I和Q可更准确，即具有更多位，例如16位，但在实施例中，n＝16，即Δφ＝φ(t)-φ(t-1)的位数有4位的准确度。

在这个实施例中，查找表是转换器24的输出24₁提供的输入信号的振幅R与预失真分量ΔI′和ΔQ′之间的对应性表。换言之，对于振幅R的每次增加，ΔI′和ΔQ′也变化。

在另一个实施例中，为了降低存储器26的容量，不用表，而建立预失真的预计算的算术模型。简化的模型是多项式模型，其中：

ΔI′＝a₁R+a₂R²+a₃R³+...和

ΔQ′＝b₁R+b₂R²+b₃R³+...

存储器26仅包含对于每个频率的系数a₁，a₂，...b₁，b₂，...，并且多项式即值ΔI′和ΔQ′被例如安装在存储器26和CMAC22之间的处理器计算。

处理器30的作用是在存储器26的输入26₃上应用表的各项的更新的值(或在多项式模型的情况下是各个系数)。实际上，必须至少一次又一次地更新这些值和系数，因为老化、温度变化、功率电压变化等。

这种更新通过在处理器30中执行的学习算法执行。这种学习算法是传统的，在这里不必要具体描述。

在第一实施例中，放大器的操作周期地被停止，例如在低通信业务期间，并且测试信号在输入处被注入。这些测试信号由接收器链16，44经在输入30₁和30₂上提供用于计算表的预失真值或多项式的系数的模拟信号的耦合器20检测到。

例如，测试信号对于每个频率子频带ΔF₁，...ΔF_n包括两个独立的频率并且输入30₁和30₂上呈现的额外的频谱值被用于计算预失真或系数。

在第二实施例中，学习和更新算法使用应用于放大器的正常信号。因此不必要为了更新而停止基站的操作。而且，用这种实时算法，可能更频繁地更新值或系数。

在那种情况下，处理器30需要用于在多路复用器22的输入上应用的I和Q值的输入30₃和30₄以及用于作为参考信号的采样频率的输入30₅。

应注意无论使用何种学习算法，不用专用的相关相干接收器链16，44，通常的基站接收器(未示出)可被使用，以在用于计算预失真值或系数的放大器的输出上检查或测量测试信号或者正常信号的效果，只要在这一时间期间，接收器被调谐到传送频带。

当基站提供有两个被同时正常应用的(通常称为上行链路多样性)接收器时，这些接收器之一也被用于测试信号或正常信号的检测，并且它在处理器30的输入30₁和30₂处提供信号。这一实施例在正常操作期间执行更新时尤其有用，因为使用第二个接收器，可能最小化在放大器10的正常性能的更新效果。

注意已经描述的方法与装置可用于功率放大器的线性化，数字输入信号是中频或基带频的。

Claims (13)

1.一种用于宽频带功率放大器(10)的线性化的方法，其中

该放大器的工作频带被分成至少两个组或子频段(ΔF₁、ΔF₂...)，

预失真(26)被应用于输入信号，这些预失真依赖于频率组，

其特征在于：估测(28)各个采样的输入信号的瞬时频率以便确定其所属的组或子频段，并且其中，输入采样的信号由复平面中的它们的直角坐标(I，Q)表示，并且直角坐标被转换(24)为极坐标(R，φ)，相位被用于确定频率组，振幅被用于确定频率组中的预失真值。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于：与频率相关的预失真由一组查找表提供，查找表的数目等于频率子频段的数目，对于输入信号的各个振幅，查找表包含代表预失真的振幅和相位的两个校正值(ΔI′，ΔQ′)。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于：应用多项式的系数计算所述预失真值，该多项式的变量是输入信号的振幅(R)。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于：所述采样输入信号的瞬时频率由该输入信号的相位(φ)导数来计算。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于：所述采样输入信号的瞬时频率可通过两个连续的采样的相位相减来计算。

6.根据权利要求1的方法，其特征在于：所述瞬时频率的估测的准确度低于输入信号振幅的准确度。

7.根据权利要求1的方法，其特征在于：所述预失真值或系数可周期地通过测量输入测试的结果或放大器的输出信号上的规则信号并通过基于该测量计算预失真值或系数而被更新(30)。

8.根据权利要求1的方法用于发射器的功率放大器(10)的线性化。

9.一种包括功率放大器的发射器，其特征在于包括适于执行根据权利要求1的方法的装置。

10.根据权利要求9的发射器，其特征在于该发射器发射CDMA信号。

11.根据权利要求9的发射器，其特征在于该发射器包括相干接收器(16，44)，其被用于更新(30)预失真值或系数。

12.根据权利要求7的方法用于基站，该基站包括发射器和接收器，所述发射器带有要线性化的功率放大器，其中接收器用于测量所述功率放大器的输出以更新预失真值或系数。

13.一种基站收发信台，包括根据权利要求9的发射器。

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