CN1324812C - Linc功率发射机 - Google Patents

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Abstract

提供一种利用非线性元件的线性放大(LINC)的功率发射机。该LINC功率发射机包括：数字信号处理单元，控制该LINC功率发射机；调频单元，把从数字信号处理单元输出一个数字信号调制或转换成一个射频(RF)信号； 信号放大单元，使用一个增益放大器和一个功率放大模块放大从该调频单元输出的RF信号；和直流/直流(DC/DC)转换单元，控制该功率放大模块的偏压。其中，该DC/DC变换单元控制该功率放大模块的一个基极偏置和/或一个集电极偏置，并且该功率放大模块操作在饱和状态。

Description

LINC功率发射机
本申请要求2003年2月21日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.2003-10971的优先权，其公开内容被结合在此作为参考。
技术领域
本发明涉及一种利用非线性元件的线性放大(LINC)的功率发射机，尤其涉及一种LINC功率发射机，通过强制饱和一个主功率放大器并且通过调整主功率放大器的直流偏置电压而把该主功率放大器的输出控制在任何期望的电平，使得LINC功率发射机具有更好的线性特性、更高的效率和更低的直流功耗。
背景技术
即使效率和线性是在用于CDMA型无线终端的功率发射机的制造中需要考虑的最重要的因素这样一个事实在本领域技术人员当中属于是常识，但是许多人仍然认为，根据效率是对于线性的一个取舍的观念(反之亦然)，几乎不可能同时满足对于一个CDMA型无线终端的功率发射机的两个要求，即高效率和高线性。
由于一个无线终端的特性，一个功率发射机通常输出的是比其最大能力低得多的功率。在发射功率中更高效的真实情况不是功率发射机在高功率电平的效率而是该功率发射机在低功率电平的效率。
虽说已经在用于无线终端的传统功率发射机中采用了各种同时提高效率和线性的技术，但是该传统的功率发射机在实现即使在一个低功率范围中获得高效率的足够竞争力方面似乎仍有很长的路要走。图1示出的一种传统的利用非线性元件的线性放大(LINC)的功率发射机无疑不是这种观念的一个例外。
当与通常的功率发射机比较时，尤其在低功率电平下，图1的传统LINC功率发射机在线性方面能够被认为几乎是理想的，但是在效率方面则很差。在图1的传统LINC功率发射机中，通过一个固定电压功率提供器80把功率放大器62和64的偏置固定在一个预定的电压电平。此外，图1的传统LINC功率发射机的输出功率电平根据可变增益放大器(VGA)51和52中的增益变化而确定。因此，对于图1的LINC功率发射机来说几乎不可能在一个大范围的功率电平上维持高效率。在图1中，参考数字10表示一个数字信号处理器，参考数字12表示一个信号成分分离器，参考数字21至24表示数字/模拟转换器(D/A)，参考数字31至34表示低通滤波器(LO)，参考数字42和44表示正交调制器，参考数字46表示本机振荡器，参考数字53和54表示增益放大器，参考数字60表示功率放大模块，而参考数字70表示信号组合器。对本领域的技术人员来说，图1的传统LINC功率发射机中的单元是公知的，并且在本公开中将不作它们的详细描述。
发明内容
本发明提供一种利用非线性元件的线性放大(LINC)的功率发射机，尤其提供一种LINC功率发射机，通过强制饱和一个主功率放大器并且通过调整主功率放大器的直流偏置电压而把该主功率放大器的输出控制在任何期望的电平，使得LINC功率发射机具有更好的线性特性、更高的效率和更低的直流功耗。
根据本发明的一个方面，提供一种利用非线性元件的线性放大(LINC)的功率发射机。该LINC功率发射机包括：数字信号处理单元，控制该LINC功率发射机；调频单元，把从数字信号处理单元输出一个数字信号调制或转换成一个射频(RF)信号；信号放大单元，使用一个增益放大器和一个功率放大模块放大从该调频单元输出的RF信号；和直流/直流(DC/DC)转换单元，控制该功率放大模块的偏置。其中，该DC/DC变换单元控制该功率放大模块的一个基极(base)偏置和/或一个集电极(collect)偏置，并且该功率放大模块操作在饱和状态中。
该数字信号处理单元最好包括一个信号成分分离器，把预定的信号分离成其信号分量；一个本机振荡器控制器，控制该调频单元的一个本机振荡器；以及一个偏置/电平控制器，控制将要提供到该信号放大单元的基极偏置信号和集电极偏置信号。
该调频单元最好包括一个数字/模拟(D/A)转换器，接收从信号成分分离器输出的一个数字信号并且把接收的数字信号转换成一个模拟信号；一个低通滤波器，仅传送在从D/A转换器输出的模拟信号中的低频信号；一个正交调制器，正交调制从该低通滤波器输出的一个信号；  以及一个本机振荡器，提供一个振荡信号以便操作该正交调制器。
该信号放大单元最好包括一个增益放大器，放大从该正交调制器输出的一个信号的增益；一个功率放大模块，使用该DC/DC转换单元的基极偏置和集电极偏置而放大从该增益放大器输出的一个信号；以及一个信号组合器，组合从该功率放大模块输出的信号。
该功率放大模块最好包括对应于该增益放大器的一个功率放大器，并且该功率放大器是一个共用的放大器或一个差动放大器。
该DC/DC转换单元最好包括由该数字信号处理单元的偏置/电平控制器所控制的一个DC/DC转换器，把该基极偏置和该集电极偏置提供到该功率放大模块，并且通过偏置控制来调整该功率放大模块的一个输出电平。
该功率放大模块最好包括用于去除一个预误差信号的一个虚地。
该功率放大模块最好还包括连接到该虚地的一个阻抗匹配负载，并且消除误差信号。
该LINC功率发射机最好能够应用到使用软件改变通信方式的一个软件定义的无线(SDR)功率发射机。
附图描述
通过参照附图的最佳实施例的详细描述，本发明的上述和其它特征以及优点将变得显见，其中：
图1是传统的利用非线性元件的线性放大(LINC)的功率发射机的框图；
图2是根据本发明最佳实施例的一个LINC功率发射机的框图；
图3是根据本发明最佳实施例的一个LINC功率发射机的一个功率放大模块的详细框图；
图4是根据本发明最佳实施例的一个LINC功率发射机的效率曲线图；以及
图5是根据本发明最佳实施例的一个LINC功率发射机的线性曲线图。
具体实施方式
在下文中，将参照示出发明最佳实施例的附图详细描述本发明。在本公开中，如果被认为与本发明相关的传统技术和传统结构的详细描述会使得本发明的构思或范围不必要地不清楚，则将可能不给出该详细描述。此外，本公开中提到的所有术语是根据它们在本发明中提供的功能定义的，而它们的定义可以随着用户的意愿或客户改变。因此，那些术语应该根据在本公开中的本发明的内容来定义。
本发明涉及能够同时实现高线性和高效率的一种LINC功率发射机。更具体地说，通过以高电平输入的信号强制该LINC功率发射机的功率放大器工作在饱和状态并且通过调整该主功率放大器的偏压来控制该主功率放大器的输出处在任何期望的电平，该LINC功率发射机将被认为具有超级线性特性，并且还同时能够实现高效率。把该LINC功率发射机采用作为本发明的目标的原因是在任何偏置条件下几乎不劣变的线性的一个LINC放大器的特性。如上所述，由于根据本发明的LINC功率发射机只消耗一个最小量的DC功率来输出期望的射频(RF)功率，所以通过调整该主功率放大器的偏压，就能够在一个低功率范围以及在一个高功率范围内把根据本发明的LINC功率发射机的效率保持在高值。在这点上，根据本发明的LINC功率发射机被认为适于一个移动通信终端，因为其能够成功地实现即使在一个低功率范围中也具有高效率。
参考图2，根据本发明一个最佳实施例的LINC功率发射机包括：数字信号处理单元100，控制在该LINC功率发射机之内的数字信号的处理；调频单元200，把从数字信号处理器10输出的一个数字信号调制成一个RF信号，信号放大单元300，使用一个增益放大器(GA)302或304和一个功率放大器(PA)312或314来放大由调频单元200调制的RF信号；以及DC/DC转换单元400，控制该功率放大器(PA)312或314的偏压。如图2所示，数字信号处理单元100包括：一个信号成分分离器102，接收一个预定信号a(t)，并且把该接收的预定信号a(t)分离成其组成分量；本机振荡器控制器104，控制该调频单元200的一个本机振荡器232；以及偏置/电平控制器106，控制提供到该信号放大单元300的一个功率放大模块310的一个基极偏置信号和一个集电极偏置信号。
该调频单元200包括：数字/模拟(D/A)转换器201、202、203和204，分别从信号成分分离器102接收数字信号I1、Q1、I2和Q2，并且把它们分别接收的数字信号转换成模拟信号；低通滤波器211、212、213和214，仅传送在从D/A转换器201、202、203和204输出的模拟信号当中的低频信号；正交调制器222和224，正交调制从低通滤波器211、212、213和214输出的信号；以及本机振荡器232，提供一个振荡信号以便操作该正交调制器222和224。
该信号放大单元300包括：增益放大器(GA)302和304，放大从该正交调制器222和224信号的输出的增益；功率放大模块310，响应该基极偏置信号和集电极偏置信号而放大从该增益放大器302和304输出的信号；以及信号组合器322，组合从该功率放大模块310输出的信号。该功率放大模块310包括分别对应于增益放大器302和304的功率放大器(PA)312和314，并且放大从该增益放大器302和304输出的信号。该功率放大器312和314最好能够是通常的放大器或差动放大器。
该DC/DC转换单元400包括由偏置/电平控制器106控制的DC/DC转换器402和404，并且分别把该基极偏置信号和该集电极偏置信号提供到该功率放大模块310的分别的功率放大器312和314。
下面将参照图2至图5更详细地描述图2的LINC功率发射机的操作。
该数字信号处理单元的信号成分分离器102产生为了执行LINC操作所需要的信号。更具体地说，信号成分分离器102通过下面方程式(1)表示的一个处理过程执行预处理，把属于是具有非恒定包络的一个调相信号的预定信号a(t)分离成具有恒定包络的两个调相信号S1(t)和S2(t)。
S 1 ( t ) = a ( t ) 2 + e ( t ) , S 2 ( t ) = a ( t ) 2 - e ( t ) - - - Λ ( 1 )
方程式(1)中，e(t)表示加到该预定信号a(t)或从该预定信号a(t)减去的具有半幅值的一个任意信号，以便获得具有恒定包络的一个信号。
换句话说，通过把具有半幅值的e(t)加到该预定的信号a(t)、或从该预定信号a(t)减去具有半幅值的e(t)，该信号成分分离器102和调频单元200把该预定信号a(t)转换成S1(t)或S2(t)。本处理过程把象CDMA信号的具有非恒定包络的一个调相信号分解成为了执行LINC操作所需要的具有一个恒定包络的调相信号。随后，由调频单元200把S1(t)和S2(t)直接转换成射频(RF)信号，然后由信号放大单元300放大该RF信号。由于该调相信号S1(t)和S2(t)具有恒定的包络，所以它们几乎不受信号放大单元300的放大器302、304、312和314的非线性的影响，而与它们是否为高电平信号或低电平信号无关。因此能够使用一个高效率饱和放大器。信号组合器322从由该信号放大单元200放大的信号中去除e(t)，使得能够恢复具有非恒定包络的一个原始调相信号。
因此，根据本发明的该LINC功率发射机能够执行高线性功率发送。
同时，根据本发明的该LINC功率发射机还可以控制正交偏置以便保证高效率，这将在下面更详细地描述。
参考图2，在本发明中该功率放大器312和314将以一个高电平输入信号而被强制操作在饱和状态中，然后通过控制从DC/DC转换器402和404输出的正交偏置来调整该LINC功率发射机的输出电平。偏置信号，即基极偏置信号和集电极偏置信号，分别由DC/DC转换器402和404分别地加到功率放大器312和314，并且该DC/DC转换器402和404由该数字信号处理单元100的偏置/电平控制器106所控制。即使在不同的偏置条件设置之下，也能够从该LINC功率发射机获得相同的电平功率。该偏置/电平控制器106控制该DC/DC转换器402和404，使得该功率放大器312和314能够操作在其效率能够被最大化的偏置条件的预定设置之下。简而言之，有可能通过控制该偏置信号而调节该LINC功率发射机的输出功率，并且以任何给定的输出电平最大化该LINC功率发射机的效率。因此，根据本发明的该LINC功率发射机能够在一个宽功率电平的范围之上保持高效率。由于用于一个终端的功率发射机改变其功率电平很缓慢，所以该DC/DC转换器402和404不需要快速地执行切换操作，并且因此能相当容易地实现该DC/DC转换器402和404。根据本发明的LINC功率发射机最好既控制该基极偏置信号又控制该集电极偏置信号。但是，根据本发明的LINC功率发射机通过控制该基极偏置信号或该集电极偏置信号之一仍可在一定程度上保持高效率。
图2的LINC功率发射机中的功率放大模块310可以是一个通常的共用放大器或图3示出的差动放大器。在使用差动放大器作为功率放大模块310的情况下，信号+S1(t)和-S2(t)被分别输入到差动放大器的(+)和(-)输入端口。
信号-S2(t)是通过调频单元200获得的S2(t)的一个反向信号。由于功率放大模块310工作为一个差动放大器，所以通过从S1(t)+S2(t)获得一个信号放大增益来获得一个输出信号Sout(t)。简而言之，如上所述的差动放大器能被用作根据本发明的该LINC功率发射机的功率放大模块310。
但是在使用差动放大器作为功率放大模块310的情况下可能难于精确地取得功率放大模块310的两个功率放大器312和314之间的共模平衡，这将导致误差信号e(t)的不完全的消除。作为防止此问题的手段的一部分，如图3所示，在图2的信号放大单元300的一个虚地310进一步提供针对该误差信号e(t)的一个阻抗匹配负载360。借此能够解决由于不能在两个功率放大器312和314之间保持共模平衡引起的误差信号e(t)的不完全补偿的问题。
功率放大模块310对于通信方式的所起的作用很小，使得有可能通过使用软件控制数字信号处理单元100而快速地变换通信模式，例如CDMA、TDMA和FDMA模式。换句话说，根据本发明的LINC功率发射机允许根据用户环境改变其通信模式，例如从CDMA模式改变到GSM模式，反之亦然。因此，能够在提供无线通信的国家中促进漫游业务。因此有可能更容易地把本发明应用到能够灵便地通过一种软件法方式改变通信模式的软件定义的射频(SDR)技术。
为了把根据本发明的该LINC功率发射机的性能与其它传统功率发射机的性能相比较，设计并且制造了用于操作在1.71GHz数字蜂窝系统(DCS)频带中的一种CDMA终端的一个LINC功率发射机，随后把该LINC功率发射机的特性与一种传统的LINC功率发射机和一种传统的直接变换功率发射机的特性相比较。该比较结果在图4和图5中示出。
在图4中，在0～30dBm的给定功率范围之内，根据本发明的LINC功率发射机的效率可与不控制功率放大器的偏置的传统LINC功率发射机的效率相比，并且可与传统的直接变换功率发射机的效率相比。更具体地说，传统的LINC功率发射机的效率如同传统的直接变换功率发射机一样对于一个较低的功率范围来说是很低的，但是对于一个较高的功率范围则迅速增加，产生如图4所示的具有一条高梯度的曲线。另一方面，根据本发明的控制功率放大器的偏置的LINC功率发射机的效率在贯穿给定功率范围中通常保持高效率，产生如图4所示的具有很低梯度的一条曲线。根据本发明的LINC功率发射机能够在贯穿这样宽的功率电平范围上实现和保持相当高的效率是本发明的一个最重要的方面，并且是本发明的最大的优点之一。
在图5中，根据本发明的LINC功率发射机被与传统的LINC功率发射机和传统的直接变换功率发射机比较相邻通道功率比(ACPR)。参考图5，不同于根据本发明的LINC功率发射机，该传统的直接变换功率发射机具有差的线性特性，ACPR通常由于一个其中的放大器的非线性而随着功率变化，而根据本发明的LINC功率发射机则具有超级线性特性，在一个预定的电平保持ACPR而与功率变化无关。因此可以肯定地说，根据本发明的LINC功率发射机在效率和线性方面都优于传统的LINC功率发射机和传统的直接变换功率发射机。
如上所述，通过以高电平输入信号强制饱和该LINC功率发射机的主功率放大器并且通过调节该主功率放大器的偏置电压而将主功率放大器的输出控制在任何期望的电平，根据本发明有可能实现具有高效率、更好的线性特性和小的DC功耗的一个LINC功率发射机。此外，本发明便于被应用到SDR技术，使得装置能够实现灵活改变通信模式。而且，有可能实现在一个宽的功率范围上同时实现高线性和高效率，并因此使得更容把本发明应用到SDR技术、移动通信技术或其它应用技术。
虽然已经参照最佳实施例具体地展示和描述了本发明，但是本领域普通技术人员将理解到，在不背离由随后权利要求定义的本发明精神和范围的条件下，可以作出形式上和细节上的各种改变。

Claims (9)

1.一种利用非线性元件的线性放大LINC的功率发射机，包括：
数字信号处理单元，控制并处理该利用非线性元件的线性放大LINC的功率发射机的输入信号；
调频单元，把从数字信号处理单元输出一个数字信号调制或转换成一个射频RF信号；
信号放大单元，包括一个增益放大器和一个功率放大模块，用于通过使用该增益放大器和该功率放大模块放大从该调频单元输出的RF信号；和
直流/直流DC/DC转换单元，控制该功率放大模块的偏压，
其中，该DC/DC转换单元控制该功率放大模块的一个基极偏置和/或一个集电极偏置，并且该功率放大模块操作在饱和状态；
其中数字信号处理单元包括一个偏置/电平控制器，控制该DC/DC转换单元，提供功率放大模块的基极偏置和集电极偏置，并通过偏置控制来调整该功率放大模块的一个输出电平。
2.如权利要求1的利用非线性元件的线性放大LINC的功率发射机，其中该数字信号处理单元还包括：
一个信号成分分离器，把预定的信号分离成其信号分量；
一个本机振荡器控制器，控制该调频单元的一个本机振荡器；以及
所述偏置/电平控制器，控制将要提供到该信号放大单元的基极偏置信号和集电极偏置信号。
3.如权利要求2的利用非线性元件的线性放大LINC的功率发射机，其中该调频单元包括：
一个数字/模拟D/A转换器，接收从信号成分分离器输出的一个数字信号并且把接收的数字信号转换成一个模拟信号；
一个低通滤波器，仅传送在从D/A转换器输出的模拟信号中的低频信号；
一个正交调制器，正交调制从该低通滤波器输出的一个信号；以及
一个本机振荡器，提供一个振荡信号以便操作该正交调制器。
4.如权利要求3的利用非线性元件的线性放大LINC的功率发射机，其中该信号放大单元还包括：
一个信号组合器，组合从该功率放大模块输出的信号；
其中该增益放大器放大从该正交调制器输出的一个信号的增益；
该功率放大模块使用该DC/DC转换单元的基极偏置和集电极偏置而放大从该增益放大器输出的一个信号。
5.如权利要求4的利用非线性元件的线性放大LINC的功率发射机，其中该功率放大模块包括对应于该增益放大器的一个功率放大器，并且该功率放大器是一个共用的放大器或一个差动放大器。
6.如权利要求4的利用非线性元件的线性放大LINC的功率发射机，其中该DC/DC转换单元包括由该数字信号处理单元的偏置/电平控制器所控制的一个DC/DC转换器，把该基极偏置和该集电极偏置提供到该功率放大模块，并且通过偏置控制来调整该功率放大模块的一个输出电平。
7.如权利要求1的利用非线性元件的线性放大LINC的功率发射机，其中该功率放大模块包括用于去除一个预误差信号的一个虚地。
8.如权利要求7的利用非线性元件的线性放大LINC的功率发射机，其中该功率放大模块还包括连接到该虚地的一个阻抗匹配负载，并且消除该误差信号。
9.权利要求1的利用非线性元件的线性放大LINC的功率发射机，能够应用到使用软件改变通信方式的一个软件定义的无线SDR功率发射机。
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