CN1336719A - 一种前馈线性功率放大电路以及直接抵消载波信号中交调信号的方法 - Google Patents

Abstract

一种前馈线性功率放大电路,包含交调信号提取单元和交调信号抵消单元,其中本发明的电路还包括载波信号的再次提取并直接抵消其中交调分量的单元,包含与该交调信号抵消单元的输出端相连的主路,依次连接有检测定向耦合器、用于调整交调信号的时延的延迟线和交调抵消耦合器;以及与该交调信号抵消单元的交调抵消耦合器耦合端相连的支路,设置有用于拾取交调信号的交调提取定向耦合器、用于调整交调信号的相位和幅度的矢量衰减器和误差放大器。

Description

一种前馈线性功率放大电路以及直接抵消载波信号中交调信号的方法

本发明涉及一种前馈线性功率放大电路，特别是涉及一种通过自适应的三环前馈线性功率放大电路。

本发明还涉及一种功率放大器通过交调提取与抵消而实现线性化的方法，特别的是涉及一种对经线性放大的载波信号进行再次提取以及直接抵消其中交调信号的方法。

随着全球通讯业务的发展，对通讯系统的容量的要求越来越大。这种要求造成通讯系统大量采用多载波的工作方式，例如GSM和3G系统都是多载波的方式。同时，现代通信系统，为了追求更高的数据速率和频谱效率，更趋向于采用线性调制的方式，如QPSK、64QAM，这样导致了信号的包络变化。

为了解决多载波间的交调对通信系统的干扰，传统的实现方法是先对每个载波进行高功率放大(HPA——High Power Amplifier)，而后通过腔体滤波器或直接功率合成器进行合成。这种方案的优点是系统构成简单，对功放的要求相对较低；缺点是体积庞大、扩容不便、价格昂贵，功率损耗大。这促使人们考虑另一种系统结构方式，既先将各个载波在小功率进行合成后同时送入线性度较好的所谓大功率线性功率放大器(LPA---Linear Power Amplifier)或多载波线性功放(MCPA----Multi-Carrier Power Amplifier)。

无论是多载波配置还是非恒包络调制工作方式，随着无线通讯的发展，对功率放大器的线性提出了越来越高的要求。虽然通过功率回退能达到这一目的，但这是最笨拙的方法，功率效率可能低到叫人无法忍受。人们总是希望通过一些更好的方法来达到相同的效果。

经过多年的努力，目前已经发展了数种比较实用的线性化方法，功率效率可以比功率回退高出1个数量级以上。

放大器的线性化的方法主要有：予失真技术、反馈技术和前馈技术。对于予失真技术而实现的线性化的方法，优点是无条件稳定；缺点是精度有限，且频带也会受到限制。对于反馈技术而实现的线性化方法，优点是简单易行；缺点是只能达到有条件的稳定，而且带宽、精度有限。对于前馈技术而实现的线性化方法，提出于1920年，无自适应的用于CATV工业，但仅仅在现在，自适应的前馈技术有了商用，优点是无条件稳定，理论上带宽不受限，对线性度改善好；缺点是相对复杂、会牺牲效率。然而，重要的是，自适应的前馈放大器线性化技术，其独特的优点在于：在宽频带内，对电平的变化、元件参数的漂移、公差，能实现处理，进行连续的调整。

图1披露了一种现有的双环前馈线性功放原理图，以输入信号中含有两个载波信号A为例，通过交调IMD提取环路LOOP1把载波信号A抵消掉，提取出由主功放MPA的非线性产生的交调IMD分量B，因此LOOP1通常也被称做载波抵消环路。通过检测该LOOP1的输出端剩余载波能量，即检测定向耦合器CP4，并使之最小来控制幅度/相位调节器VA1，从而实现对该LOOP1的控制。检测出的交调IMD产物的幅度和相位在被适当调整后回送到主功放MPA的输出端同经过放大的载波信号A中原有的交调IMD分量B相抵消，从而在输出端获得纯净的载波功率输出，该环路被称作交调IMD抵消环路，即LOOP2。与控制交调IMD提取的LOOP1一样，该LOOP2的控制可通过在输出端检测剩余交调IMD能量并使之最小来实现，即检测定向耦合器CP6。

显然，上述现有的这种双环前馈线性技术方案是由一个载波抵消环路LOOP1和一个IMD抵消环路组成LOOP2组成，抵消后在输出端获得的信号线性得到了很大提高。由于受器件水平及工艺水平的制约，主功放及附助放大器增益平坦度只能在有限带宽内相对满足要求，不会绝对平坦，因此主功放的非线性产生的交调IMD产物和LOOP2回送到交调IMD抵消耦合器CP5的交调IMD产物的幅度在一定的带宽内不可能完全相等，由此可知输出端IMD产物虽有改善并不能从根本上消除，在对线性化程度要求高的通信系统，这种方案就难以满足要求。

现有的前馈线性化功率放大器还有另外的一种方案——四环前馈线性功放技术方案，如图2所示。该方案是为了进一步提高功率放大器的线性指标，采用四个环路即两个载波抵消环路LOOP1及LOOP3和两个交调IMD抵消环路LOOP2及LOOP4，四环方案实现方法可能不同，但都是载波抵消环路和IMD抵消环路一一对应，从而完成交调IMD分量B的两次抵消，最终获得的载波信号A线性比第一种方案有很大提高，能够满足对线性化程度要求高的通信系统中，如多载波GSM系统，但是这种方案比较复杂，设备体积大，成本高。

针对现有技术的上述缺陷，本发明的一个目的在于提出一种三环前馈线性功率放大电路，该电路在经过LOOP1放大后交调分量的提取以及经过LOOP2的交调抵消后，在LOOP3再次提取由LOOP2输出的带有交调分量的载波信号及经LOOP2放大的交调分量，将它们耦合后输出以得到一种纯净的载波信号。

本发明的又一个目的在于提出一种对经线性放大的载波信号进行再次提取以及直接抵消其中交调信号的方法，该方法分别从LOOP2中提取输出的含有交调分量的载波信号及经放大的交调信号，经过处理后直接耦合。

本发明通过如下技术方案来实现：

一种前馈线性功率放大电路，包含

一交调信号提取单元，通过滤除载波信号而提取交调信号，包含

一主路，依次连接有一定向耦合器(CP1)；一矢量衰减器(VA1)，用于调节载波信号的相位和幅度；一主功率放大器MPA，用于放大所输入的载波信号；一耦合器(CP2)；和一载波抵消载波耦合器(CP3)，与该耦合器(CP2)的耦合端相连；以及

一支路，设置有一延迟器(DL1)，连接在该耦合器(CP1)和该抵消载波耦合器(CP3)之间，用于调节所述载波信号的时延；和

一交调信号抵消单元，包含

一主路，依次连接有与所述抵消载波耦合器(CP3)的输出端相连的检测定向耦合器(CP4)；一矢量衰减器(VA2)，用于调节所述交调信号的相位和幅度；一误差放大器(EPA1)；和一交调抵消耦合器(CP5)；以及

一支路，设置有一延迟器(DL2)，连接在该耦合器(CP2)的输出端和该交调抵消耦合器(CP5)之间，其中：所述前馈线性功放电路还包括一载波信号的再次提取并直接抵消其中交调分量的单元，包含

一主路，依次连接有一与所述交调抵消耦合器(CP5)输出端连接的检测定向耦合器(CP6)；一延迟线(DL3)，用于调整交调信号的时延；和一交调抵消耦合器(CP8)；以及

一与所述交调抵消耦合器(CP8)耦合端相连接的支路，设置有一交调提取定向耦合器(CP7)，连接在所述交调信号抵消电路的所述误差放大器(EPA1)的输出端，用于拾取交调信号；一矢量衰减器(VA3)，用于调整交调信号的相位和幅度；和一误差放大器(EPA2)。

所述的线性功率放大电路，其中：所述交调信号的再次提取及直接抵消单元的所述交调抵消耦合器(CP8)的输出端连接有一检测定向耦合器(CP9)，其耦合端拾取的信号用于控制调节所述矢量衰减器(VA3)。

所述的线性功率放大电路，其中：所述交调信号的再次提取及直接抵消单元还包括一信号处理单元，用于加强对所拾取交调信号的处理。

所述的线性功率放大电路，其中：所述交调提取定向耦合器(CP7)的输出端与所述交调抵消耦合器(CP5)的耦合端连通。

所述的线性功率放大电路，其中：所述交调抵消电路的所述检测定向耦合器(CP6)的耦合端与一微控制处理器连通，用于控制调节所述矢量衰减器(VA2)。

一种线性功率放大电路中直接抵消所提取载波信号中交调信号的方法，其中该电路包括一通过滤除载波信号而提取交调信号的交调信号提取单元，其主路用于线性放大载波信号，其支路用于调整载波信号的时延；和一交调信号抵消单元，其主路用于放大该交调信号，其支路用于调整该被放大载波信号的时延，其中该方法包括下列步骤

a)从所述交调信号抵消单元中再次拾取载波输出信号，并调整所述载波输出信号的时延；

b)从所述交调信号抵消单元中再次拾取交调信号，并调整所述交调信号的幅度和相位；

c)耦合所述经调整时延的载波信号和所述交调信号，并输出。

所述的方法，其中步骤b)还包括下列处理

d)在所述交调抵消单元中接入一交调提取定向耦合器(CP7)，用于提取经放大的交调信号。

所述的方法，其中还包括：

e)对从所述交调抵消单元拾取的交调信号进行处理，调整该处理后的交调信号；

f)设置一交调抵消耦合器(CP8)，耦合从所述交调抵消单元拾取的载波信号和所述处理后的交调信号。

所述的方法，其中还包括：

g)接入一检测定向耦合器(CP9)，对从所述交调抵消单元拾取的交调信号的调整进行检测。

根据本发明的一个方面，本发明与现有前馈线性化双环技术方案相比，线性化指标高，对器件及生产工艺要求降低，能够满足对线性要求较高的系统要求。

根据本发明的又一个方面，本发明与现有前馈线性化四环技术方案相比，由于本发明在第三环完成了载波的提取与直接抵消其中的交调分量，省去了一个载波抵消环路，因此本发明的电路相实现起来相对简单，设备体积小，成本低，且易于实现量产。

下面结合附图通过对本发明较佳实施例的描述将使本发明的上述技术方案以及其它优点显而易见。

附图中：

图1示出了一种现有技术的采用双环前馈技术的线性功率放大器的原理图；

图2示出了又一种现有技术的采用四环前馈技术的线性功率放大器的原理图；

图3示出了本发明的线性功率放大器的原理图，本发明直接在第三环完成了载波信号的提取及抵消交调分量。

下文将详细描述本发明。

本发明的三环前馈线性功率放大电路的原理图示出在图3中，它分别包括一交调信号提取环路LOOP1，通过滤除载波信号A而提取交调信号B；一交调信号抵消环路LOOP2，用于提取经放大的载波信号A’：和一载波信号的再次提取及直接抵消其中交调分量的环路LOOP3。首先，该LOOP1包括一主路，依次连接有一定向耦合器CP1，接收输入的载波信号A；一矢量衰减器VA1，用于调节载波信号A的相位和幅度；一主功率放大器MPA，用于放大所输入的载波信号A；一耦合器CP2；和一载波抵消载波耦合器CP3，与该耦合器CP2的耦合端相连；以及一支路，设置有一延迟器DL1，连接在该耦合器CP1和该抵消载波耦合器CP3之间，用于调节载波信号的时延。而该LOOP2包含一主路，依次连接有与所述抵消载波耦合器CP3的输出端相连的检测定向耦合器CP4，利用在该耦合器CP4耦合端检测的信号，可以对矢量衰减器VA1做出调节；一矢量衰减器VA2，用于调节所述交调信号B的相位和幅度；一误差放大器EPA1，用于放大该交调分量B；和一交调抵消耦合器CP5；以及一支路，设置有一延迟器DL2，连接在该耦合器CP2的输出端和该交调抵消耦合器CP5之间。

特别的是，本发明还包括一个第三环LOOP3，即在该LOOP3实现了载波信号的再次提取并直接抵消其中交调信号单元。首先，本发明从所述交调信号抵消单元中再次拾取载波输出信号，并调整所述载波输出信号的时延；其次，本发明从所述交调信号抵消单元中再次拾取交调信号，并调整所述交调信号的幅度和相位；最后，耦合所述经调整时延的载波信号和所述交调信号，并输出，可以得到更加纯净的线性放大的载波信号。因此根据本发明，该LOOP3包含一主路，依次连接有一与所述交调抵消耦合器CP5输出端连接的检测定向耦合器CP6；一延迟线DL3，用于调整交调信号的时延；和一交调抵消耦合器CP8；以及一与所述交调抵消耦合器CP8耦合端相连接的支路，设置有一交调提取定向耦合器CP7，连接在所述交调信号抵消电路的所述误差放大器EPA1的输出端，用于拾取交调信号；一矢量衰减器VA3，用于调整交调信号的相位和幅度；和一误差放大器EPA2。

由图中可以看出，本发明通过在误差放大器EPA1的输出端接入一个交调提取定向耦合器CP7，来用于拾取经放大的交调信号的。为优化电路结构，该耦合器CP7可以设置在耦合器CP5的耦合端，从而与耦合器CP5一并构成LOOP2和LOOP3的公共部分。载波输入信号A进入LOOP1，即载波抵消环后，信号A经定向耦合器CP1分为两路，其输出端信号进入VA1矢量衰减器，VA1在微处理控制单元MCU的控制下对信号A进行幅度和相位调节后经主功放MPA放大，这时该载波信号A’中含有了交调分量B，最后再进入耦合器CP2。该耦合器CP2的耦合端信号送到载波抵消耦合器CP3，耦合器CP1的耦合端信号经延迟线DL1对其时延进行调节后，也送到载波抵消耦合器CP3。两路信号经耦合器CP3进行迭加后载波信号A被抵消，剩下了交调信号B。矢量衰减器VA1对信号A进行调节的目的就是为了满足这两路信号幅度相等而相位相反，MCU对VA1控制调节的依据是来自LOOP1的检测定向耦合器CP4的检测信号，延迟线DL1是为了保证这两路信号到达CP3时延迟相同。

耦合器CP3输出即是载波抵消后的交调产物IMD信号，它先经检测定向耦合器CP4后进入VA2矢量衰减器，与VA1原理相同在MCU控制下对信号进行幅度和相位调节，它的控制调节依据是来自第二环的检测定向耦合器CP6的检测信号，VA2之后信号经EPA误差功放放大，再经CP7交调提取定向耦合器后到IMD交调抵消耦合器CP5，CP5的另一路输入是由CP2的输出经DL2延迟线而来(DL2作用同DL1)，两路信号迭加抵消后IMD信号被抵消，输出相对纯静的载波信号A’。事实上，经过一次载波抵消及一次交调抵消后而输出的载波信号A’还是含有一定量的交调分量B’。

为进一步提高线性度，经CP5输出的载波信号A’经LOOP2中的检测定向耦合器CP6和DL3延迟线后进入IMD交调抵消耦合器CP8进行再次抵消。CP8的另一路输入是由CP7的耦合输出的交调信号B，经SP信号处理后，再经VA3矢量衰减器对信号进行幅度和相位调节后，然后经EPA2误差功放放大而来，经过CP8后IMD信号被二次抵消，再输出的载波信号A”线性得到了进一步改善，已能满足目前对线性要求较高的通信系统。同样，可以设置检测定向耦合器CP9作为对LOOP3矢量衰减器VA3的调节依据。

根据实际需要，本发明可以各种方式对LOOP3中所再次提取的IMD信号进行信号处理后，再进行抵消，以便能够保证充分抵消载波信号中的交调分量B’适应不同系统的需求。

本发明经过试验样机的论证，在实际的前馈功放的实现时，载波及交调的提取、抵消及自适应控制，是通过加入导频信号，对导频信号进行检测实现的。经对比可知，依据本发明的线性化方法，所提取的交调信号有较好的改善度，如：采用双环前馈线性放大电路，其交调改善度约20dB；采用四环前馈线性放大电路，其交调改善度31dB；而本发明的三环前馈线性电路的交调改善度约为24～25dB，如果对本发明的三环电路再相应地加入SP信号处理部分，则其交调的改善度约为27dB。

Claims (9)

1、一种前馈线性功率放大电路，包含

一交调信号提取单元，通过滤除载波信号而提取交调信号，包含

一主路，依次连接有一定向耦合器(CP1)；一矢量衰减器(VA1)，用于调节载波信号的相位和幅度；一主功率放大器MPA，用于放大所输入的载波信号；一耦合器(CP2)；和一载波抵消载波耦合器(CP3)，与该耦合器(CP2)的耦合端相连；以及

一支路，设置有一延迟器(DL1)，连接在该耦合器(CP1)和该抵消载波耦合器(CP3)之间，用于调节所述载波信号的时延；和

一交调信号抵消单元，包含

一主路，依次连接有与所述抵消载波耦合器(CP3)的输出端相连的检测定向耦合器(CP4)；一矢量衰减器(VA2)，用于调节所述交调信号的相位和幅度；一误差放大器(EPA1)；和一交调抵消耦合器(CP5)；以及

一支路，设置有一延迟器(DL2)，连接在该耦合器(CP2)的输出端和该交调抵消耦合器(CP5)之间，其特征在于：所述前馈线性功放电路还包括一载波信号的再次提取并直接抵消其中交调分量的单元，包含

一主路，依次连接有一与所述交调抵消耦合器(CP5)输出端连接的检测定向耦合器(CP6)；一延迟线(DL3)，用于调整交调信号的时延；和一交调抵消耦合器(CP8)；以及

一与所述交调抵消耦合器(CP8)耦合端相连接的支路，设置有一交调提取定向耦合器(CP7)，连接在所述交调信号抵消电路的所述误差放大器(EPA1)的输出端，用于拾取交调信号；一矢量衰减器(VA3)，用于调整交调信号的相位和幅度；和一误差放大器(EPA2)。

2、根据权利要求1所述的线性功率放大电路，其特征在于：所述交调信号的再次提取及直接抵消单元的所述交调抵消耦合器(CP8)的输出端连接有一检测定向耦合器(CP9)，其耦合端拾取的信号用于控制调节所述矢量衰减器(VA3)。

3、根据权利要求1所示的线性功率放大电路，其特征在于：所述交调信号的再次提取及直接抵消单元还包括一信号处理单元，用于加强对所拾取交调信号的处理。

4、根据权利要求1所述的线性功率放大电路，其特征在于：所述交调提取定向耦合器(CP7)的输出端与所述交调抵消耦合器(CP5)的耦合端连通。

5、根据权利要求1或4所述的线性功率放大电路，其特征在于：所述交调抵消电路的所述检测定向耦合器(CP6)的耦合端与一微控制处理器连通，用于控制调节所述矢量衰减器(VA2)。

6、一种线性功率放大电路中直接抵消所提取载波信号中交调信号的方法，其中该电路包括一通过滤除载波信号而提取交调信号的交调信号提取单元，其主路用于线性放大载波信号，其支路用于调整载波信号的时延；和一交调信号抵消单元，其主路用于放大该交调信号，其支路用于调整该被放大载波信号的时延，该方法的特征在于，它包括下列步骤

a)从所述交调信号抵消单元中再次拾取载波输出信号，并调整所述载波输出信号的时延；

b)从所述交调信号抵消单元中再次拾取交调信号，并调整所述交调信号的幅度和相位；

c)耦合所述经调整时延的载波信号和所述交调信号，并输出。

7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于其中步骤b)还包括下列处理

d)在所述交调抵消单元中接入一交调提取定向耦合器(CP7)，用于提取经放大的交调信号。

8、根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述方法还包括：

e)对从所述交调抵消单元拾取的交调信号进行处理，调整该处理后的交调信号；

f)设置一交调抵消耦合器(CP8)，耦合从所述交调抵消单元拾取的载波信号和所述处理后的交调信号。

9、根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述方法还包括：

g)接入一检测定向耦合器(CP9)，对从所述交调抵消单元拾取的交调信号的调整进行检测。

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