CN1390063A - 一种基于前馈技术的线性功率放大方法和功率放大器装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于前馈技术的线性功率放大器实现方法和装置。所述方法采用数字滤波技术直接消除主功放输出取样信号中的载频成分,获得代表主功放非线性失真产物的误差信号,并利用信号抵消技术在系统输出端消除主功放输出信号中的非线性失真产物,达到线性化目的。本发明使得失真消除电路——误差环设计不受主功放增益限制,可以自行完成,电路设计难度大幅降低,系统构成简化,开发研制自由度加大,风险和成本降低。

Description

一种基于前馈技术的线性功率放大方法和功率放大器装置

本发明属于移动通信领域，特别是涉及一种基于前馈技术的线性功率放大方法和功率放大器装置。

随着现代移动通信技术的不断发展，对射频功率放大器的线性度要求急剧提高，基于功率合成技术的独立功放和基于功率回退技术的高功放已完全无法满足移动通信基站射频子系统的性能、功耗、成本等因数的综合需求。由于甲乙类功率放大器直流转换效率比纯甲类功放管高出许多，而且线性指标仍比较好，故目前业内主要采用基于LDMOS(横向扩展金属氧化半导体)技术的甲乙类功率放大器辅助以线性化手段实现大功率线性功率放大器，现在广泛采用的线性化手段包括预失真线性法和前馈线性法。

预失真线性化方法主要是在功率放大器之前插入预失真部件，造成功率放大器的输入信号已经预先失真崎变，而其失真特性正好与功放器件非线性性能相反，从而达到在系统输出端出现一个除幅度增加许多外，其他特性与输入信号基本相同的线性功率放大效果。为保证一定的线性化带宽，需要外加监控电路，结合预失真部件，仿真功率放大器的AM-AM(调幅-调幅)和AM-PM(调幅-调相)的非线性特征。但是，精确仿真功放管在各种环境温度、馈电电压、工作频率、功率电平等条件下的AM-AM、AM-PM特性，是非常困难的，所以，实现的线性化指标、自适应工作带宽不甚理想。因此，目前此类线性功率放大器仍处于实验室和小批量生产阶段，或者作为前馈式线性功率放大器的辅助实现手段。

前馈线性化方法是将功率放大器产生的失真信号分离出来，再进行增益、相位、延时的匹配调整，加至功率放大器输出端，对消掉功放输出信号中的失真分量，以获得最大的线性化指标。这种方法受环境温度、工作电压等因数影响较小，线性化指标较高，工作带宽较宽。而且由于技术成熟，应用范围很广。

目前的前馈式线性功率放大器都至少包括两个信号对消环路：主环和误差环。主环对消消除主功放输出取样信号中的载频成分，获得只包含主功放非线性失真产物的误差信号；误差环则将误差信号放大调整至与主功放输出信号中非线性失真信号幅度相等的电平，然后进行反相对消，消除掉主功放输出信号中的失真分量。主环和误差环虽然独立工作，但由于它们相互切交，主环设计状态直接影响误差环设计结果，特别是主功放的增益设置直接决定误差放大器的实现，一个一般增益要求的主功率放大器将造成非常高的误差放大器增益需求，因此很难单模块实现误差放大器。若使用多个放大电路模块级连实现误差放大器，不仅结构复杂，系统设计难度加大，硬件成本增加，而且多级电路级连造成很大延时，相应地误差环延时线延时要求增加，延时线长度加大，同等条件下，插入损耗提高。由于该延时线串接在功放输出通道中，延时线插入损耗直接消耗系统输出功率。为降低延时线插入损耗，必须选用性能更加优良(单位长度插入损耗更小)的电缆(或延时器件)，这将进一步提高系统实现难度和成本。但是，由于主功放是线性功率放大器系统增益的直接实现者，一般无法将其增益设置过低。目前，还没有检索到根本解决此类问题的相关技术专利和资料文献。

本发明的目的之一是提出一种通过开环消除主功率放大器输出取样信号中的工作载频信号，提取主功放失真信息，并进而在功放输出端消除失真信号的基于前馈技术的线性功率放大器装置

本发明的目的之二是提出一种利用上述装置实现前馈技术线性功率放大的方法。

本发明提供的基于前馈技术的线性功率放大器装置是用以下技术方案实现：

本发明提供的装置由四个电路模块组成：信道检测模块，主功放模块，载波消除模块，失真消除模块；

所述的信道检测模块进一步包括耦合器A，混频器A、中频滤波器，检波器，监控器；

所述的载波消除模块进一步包括耦合器B，混频器B，模/数转换器，数字滤波，数/模转换器，混频器C，本地振荡器；

所述的失真消除模块进一步包括由延时线、耦合器C，电调衰减器，电调移相器，误差放大器；

所述的信道检测模块负责馈入系统输入射频信号，检测工作载频信道，并将检测结果馈给载波消除模块，而且该模块还将直通的系统输入信号送入主功放模块；主功放模块将输入信号功率放大后，作为主功放输出信号馈给载波消除模块；载波消除模块利用信道检测模块提供的载频信道信息设置数字滤波参数，并从取样耦合来的部分主功放输出信号中滤除载波信号，只留下对应于主功放非线性失真产物的误差信号馈给失真消除模块，同时也将直通的主功放输出信号馈给失真消除模块；在失真消除模块中，输入的主功放输出信号经过延时后与经过幅度、相位调整并通过线性放大的误差信号进行信号对消，消除掉主功放输出信号中的非线性失真分量，得到高线性的大功率射频信号输出。

本发明提供的基于前馈技术的线性功率放大器实现方法，包括如下步骤：

步骤一：判断系统工作载频所处信道号；

步骤二：依据工作载频所处信道判别结果设置数字滤波器；

步骤三：完成载波消除；

步骤四：实现失真信号消除。

所述的步骤一中判断系统工作载频所处信道号进一步包括如下过程：

首先，耦合器A取样部分输入信号功率进入混频器A，通过混频器A的下变频混频，将射频信号降至中频，然后由带宽正好为一个通信信道宽度的中频带通滤波器滤波，再经过检波器得到直流电压送入监控器；

其次，监控器控制频率合成器的输出频率以相同于通信系统标准信道间隔的频率步进由低向高或由高向低扫描即信道扫描，并相应检测对应于每个工作信道的信号检波电压；

然后，参照一个固定门限，监控器判断每个信道的信号检波电压是否超出门限，超出门限则认为该信道有工作载频信号，否则无，实时判别出系统所有的工作信道号。

所述的步骤二依据工作载频所处信道判别结果设置数字滤波器进一步是指：依据第一步得到的由监控器传来的工作载频信道号，设置DSP(数字信号处理)程序模块入口参数，并由相应程序模块建立具有多窗口陷波器特性的数字滤波算法，使得数字滤波器的陷波“开槽”位置与工作载频信道一一对应，从而可以利用该滤波器在第三步中消除工作载频信号。

所述的步骤三完成载波消除进一步包括如下过程：

首先，取样主功放输出信号；利用串接于主功放输出通道中的耦合器B取样部分主功放输出功率信号，该信号既包括系统载频信息，也包括由于主功放非线性特性引入的互调失真信息，将此信号送入混频器B；

其次，下变频混频；将主功放输出取样信号与本地振荡器338产生的本振信号混频，下变频至较低频率范围；

再次，模拟/数字转换；将低频模拟信号变换成数字信息，送入数字滤波器335；

然后，数字滤波；通过步骤二完成的数字滤波算法，将输入数字滤波器335的数字信息滤除对应于载波信号的信息；

再后，数字/模拟转换；将数字滤波器输出数字信号还原成模拟信号；

最后，上变频混频；将还原后的模拟信号与本地振荡器产生的本振信号混频上变频，使低频信号恢复到射频。

所述的步骤四实现失真信号消除进一步包括如下过程：

首先，延时；利用固定电缆延时线，将主功放输出的大功率信号延时处理后送至系统输出端；

其次，误差放大；将第三步得到的消除了载频信号的射频信号经过幅度、相位调整及线性放大后也送至系统输出端；

最后，失真消除；利用耦合器C实现主功放输出的大功率信号与消除了载频信号的误差射频信号相减，对消消除掉主功放输出中的失真成分，完成失真信号消除的线性化功能。

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

图1是现有前馈式线性功率放大器装置结构图；

图2是本发明的方法流程图；

图3是本发明前馈式线性功率放大器装置结构图。

图1示出了现有前馈式线性功率放大器的基本框架。输入信号经功分器1等分输出，一路信号送入主功率放大器2进行功率放大，另一路经过延时线2、电调衰减器1、电调移相器1调节后输入和路器9；主功率放大器2输出的信号经过取样耦合器3取样后，进入和路器9的另一个输入端，与延时支路来的输入信号进行信号对消，消除掉主功放输出取样信号中的输入信号分量，得到功放失真信息的代表信号——误差信号，并经过电调移相器2、电调移相器2送入误差放大器12；放大后的误差信号通过定向耦合器5进入功放输出通道，与经过延时线1延时的主功放输出信号进行信号对消，消除掉主功率放大器输出信号中的失真产物，在功放输出端得到线性度很高的大功率信号。

由图1可以看出，前馈式线性功率放大器包括两个基本的信号对消环——主环和误差环，各环相互独立完成各自功能：主环消除工作信号，提取失真信息；误差环消除功放输出中的失真分量，达到线性化目标。但是，误差环的设计直接依赖与主环状态：误差放大器的增益设计应补偿取样耦合器3、和路器9、定向耦合器5以及电调衰减器2、电调移相器2等部件给误差通道带来的损耗，而取样耦合器3的耦合度选取要参照主功率放大器2的增益及电调衰减器1、电调移相器1的插入损耗，主功率放大器2是系统增益的主要实现者，若设它的增益为50dB，而7、8的插入损耗之和为10dB，那么只有取样耦合器C的耦合度为40dB(40dB的耦合器实现很复杂)，才能保证在和路器(9)处参加对消的两路信号幅度相等(两路信号进行对消的基础为：幅度相等、相位相差180度)。这样，若取定向耦合器5的耦合度为20dB(由于取样耦合器3、定向耦合器5等串接于功放输出通道中，其插入损耗直接消耗功放输出功率，必须足够小，相应地耦合度应最好不小于20dB，即耦合抽取主功放输出信号中不大于1％的能量)，则误差放大器增益应大于70dB。一般来说，大于70dB的放大器在一个电路模块中实现是很困难的，即使采用多个放大电路模块级连实现，不仅结构复杂化，增加系统设计难度和成本，而且多级电路级连造成延时很大，相应地延时线1(4)延时要求增加，延时线长度增加，不仅造成线性功率放大器延时很大(由于延时线1(4)串联与线性功放主通道上)，而且延时线1(4)长度增加后，其插入损耗相应增加，而其插入损耗将直接“吃”掉主功放输出功率，这显然是无法接受的。为降低延时线插入损耗，必须选用性能更加优良的延时电缆(或延时器件)，进而增加系统成本和体积以及设计难度。上面所有推导结果，都显示着系统高的实现难度和研制生产成本以及大的研发风险。

图2是本发明的方法流程图。随着数字信号处理技术的发展成熟，大批量DSP商用化硬件芯片推向市场，各种应用开发软件也广泛向用户推出，其应用范围和深度急剧拓展。本发明就是基于DSP技术中最基本、最成熟的数字滤波器技术实现的信号消除方法。如图中所述，本发明所阐述的方法可按如下几个步骤实现：

第一步，判断系统工作载频所处信道号。我们知道，几乎所有通信系统都有自己的信道划分原则，也就是说，只要知道载频信号工作的信道号，即可得出其标准的频谱特性图。因此，本发明采用了一种最简单、最快捷的方法判定线性功率放大器传输的信号频道。通过一系列的耦合取样、混频下变频、中频滤波、直流检波以及频带扫描和超越门限判定等处理，检测出系统工作频带内所有的载波信号所处信道号，并实时传送给数字滤波电路。当然，如果线性功率放大器能够与基站收发信机(BTS)进行通信，可直接获取工作信道数据，这一步骤中所涉及的所有硬件除监控器316外都可以省略；

第二步，依据工作信道判别结果设置数字滤波器。由于线性功率放大器只是为通信系统的射频信号提供一个透明传输通道，而通道内传输的载频频率及载频数目是随用户需求改变的，要想动态滤除系统工作频带内的所有载频信号，显然依靠固定频率的滤波器是无法实现的，因此这里选用基于DSP技术实现的数字滤波器消除主功放输出取样信号中的工作载频信号。对于一种通信系统，其信道频率特性是已知的、即定的，根据第一步的信道检测结果，设置数字滤波“开槽”位置，而这些“开槽”位置随程序模块入口参数(来自信道检测结果)即时改变，可实现动态跟踪系统工作频率建立载波信号消除滤波器的功能；

第三步，完成载波消除。数字信号处理(DSP)是完全基于数字化的二进制数字信息进行的，因此进行数字滤波前必需将待处理信号采样、保持、编码即进行模/数转换(ADC)，而根据采样定律，必须以不小于信号频率两倍的采样速率将模拟信号数字化才不致于丢失其频率信息，所以应先将待处理信号降至ADC和DSP硬件可接受频率范围内，待进行数字滤波处理后再恢复到原来射频频率。载波消除的具体过程是：先取样主功放的部分输出信号，然后混频下变频、DAC、数字滤波、ADC、混频上变频。由于两次混频采用同一本振源信号，所以恢复后的射频信号除滤除了载频信息外，其他信息与主功放输出取样信号相同，即完全代表了主功放的非线性失真；

第四步，实现失真信号消除。这部分电路与一般前馈信号对消电路基本相同，不同之处在于：由于主功放输出取样电路——耦合器B332)的耦合度选取不再依赖于主功放增益(因为主环已经不存在)，电路设计可以根据线性功放实际输出功率选择耦合器耦合度。若耦合器B332和耦合器C343的耦合度均选取20dB的耦合器，加上电调衰减器346和电调移相器347的插入损耗10dB，误差放大器348的增益仅需要50dB，显然，使用2～3级放大电路即可实现，而且为单模块方式，电路延时也大大缩小，相应地主功放输出通道中的延时线342长度减少，用做延时线的电缆性能和成本需求也会大幅降低。具体实现过程是：一路将直通的主功放输出信号延时，并送至耦合器C343；另一路将载波消除得到的误差信号345经过幅度相位调整及线性放大后送至耦合器C343；两路信号在耦合器C343中相减消除掉主功放输出信号中的失真成分，实现线性化目标。

图3是本发明所提供的前馈式线性功率放大器装置构成图。工作载频信号311输入线性功率放大器装置的信道检测模块31后，直接送给的耦合器A312，直通信号321进入主功放模块32，由主功放322进行功率放大；耦合信号则通过混频313、滤波314、检波315送入监控器316，由监控器316控制频率合成器317进行信道扫描并检测判断用户载频工作信道，然后将判断结果或由BTS直接提供的信道数据318即时馈送给载波消除模块33的数字滤波器335，供其设定滤波参数；主功放输出的功率信号331进入载波消除模块33后，经耦合器B332取样，再通过下变频混频333、ADC334、数字滤波335、DAC336、上变频混频337等处理消除掉其中的载频工作信号，获得仅反映主功放非线性失真信息的误差信号345送入失真消除模块34；在失真消除模块34中，误差信号345通过电调衰减器346、电调移相器347进行增益、相位调整，再经过误差放大348，由耦合器C343耦合进入主通道，与载波消除模块33中耦合器B332的直通信号341经过失真消除模块34的延时线342延时后传来的主功放输出信号进行对消，消除掉其中的非线性失真成分，得到高线性的大功率工作载频信号344输出。

本发明公开了一种基于DSP数字滤波技术实现载波消除的方法和采用此方法实现线性功率放大器的装置，所述的方法独特、新颖，在目前的专利和相关文献中未检索到，所述的装置构成简单、实现成本低廉、开发技术风险小。

一种基于前馈技术的线性功率放大器实现方法和装置所述的载波消除方法与以前的前馈式信号对消载波消除方法相比具有以下特点：

第一，本发明完全去掉的主环硬件电路。本发明利用数字滤波器直接滤除主功放输出取样信号中的载频信号，获取主功放非线性造成的失真误差信息，从而省去了一个需要闭环自适应控制才能达到一定性能的前馈信号对消环路，从技术角度简化了系统构成，降低了实现难度。另外，利用载频检测和数字滤波器的自适应滤波功能，本发明提供的方法可根据用户需求调节载频消除效果(达到、超过或低于信号对消式载频消除方法)以及工作带宽；

第二，本发明降低了误差环实现难度。由于主环已经不复存在，误差环完全独立，可根据系统需要自行完成电路设计。具体优点前面已经分析过，这里不再累述；

第三，生产工艺标准化。本发明简化了系统构成，而且载频检测和载波消除均可采用标准的信号处理电路实现，不需要大长度的、空间盘绕结构的延时电缆(省去了主环延时线，缩短了误差环延时线)，系统内部射频连接简单。这些都对产品生产工艺标准化是非常有意义的。

总之，采用本发明提供的方法和装置实现线性功率放大器，不仅会使系统构成简化，技术难度降低，研发周期缩短，而且开发和生产成本也会大幅减少，生产工艺标准、简单，有利于大规模批量生产。

Claims (6)

1、一种基于前馈技术的线性功率放大器实现装置，其特征在于包括以下模块：本发明提供的装置由四个电路模块组成：信道检测模块(31)，主功放模块(32)，载波消除模块(33)，失真消除模块(34)；

所述的信道检测模块(31)进一步包括耦合器A(312)，下变频混频器(313)、中频滤波器(314)，检波器(315)，监控器(316)；

所述的载波消除模块(33)进一步包括耦合器B(332)，下变频混频器(333)，ADC(334)，数字滤波器(335)，DAC(336)，上变频混频器(337)，本地震荡器(338)；

所述的失真消除模块(34)进一步包括由耦合C(343)，电调衰减器(346)，电调移相器(347)，误差放大器(348)。

所述的信道检测模块(31)馈入系统输入射频信号(311)，检测工作载频信道，并将检测结果(318)馈出给载波消除模块(33)，该模块将直通的系统输入信号(321)送入主功放模块(32)；主功放模块(32)将输入信号(321)功率放大后，作为主功放输出信号(331)馈给载波消除模块(33)；载波消除模块(33)利用信道检测模块(31)提供的载频信道信息(318)设置数字滤波参数，并从取样耦合来的部分主功放输出信号(331)中滤除载波信号，只留下对应于主功放非线性失真产物的误差信号(345)馈出给失真消除模块(34)，同时也将直通的主功放输出信号(341)馈给失真消除模块(34)；在失真消除模块中，输入的主功放输出信号(341)经过延时后与经过幅度、相位调整并通过线性放大的误差信号(345)进行信号对消，消除掉主功放输出信号(341)中的非线性失真分量，得到高线性的大功率射频信号(344)输出。

2、一种基于前馈技术的线性功率放大的实现方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：判断系统工作载频所处信道号；

步骤二：依据工作载频所处信道判别结果设置数字滤波器；

步骤三：完成载波消除；

步骤四：实现失真信号消除。

3、根据权利要求2所述的一种基于前馈技术的线性功率放大的实现方法，其特征在于：所述的步骤一中判断系统工作载频所处信道号进一步包括如下过程：

首先，利用耦合器A(312)取样部分输入信号311功率进入下变混频器A(313)，通过混频器A(313)的下变频混频，将射频信号降至中频，然后由带宽正好为一个通信信道宽度的中频带通滤波器(314)滤波，再经过检波器(315)得到直流电压送入监控器(316)；

其次，监控器(316)控制频率合成器(317)的输出频率以相同于通信系统标准信道间隔的频率步进由低向高或由高向低进行信道扫描；

然后，参照一个固定门限，监控器(316)检测对应信道的检波电压是否高出门限，判定该信道是否有工作载频信号原则为高出门限则有，否则无，同时结合频道扫描判别出所有的系统工作信道号。

4、根据权利要求2所述的一种基于前馈技术的线性功率放大的实现方法，其特征在于：所述的步骤二依据工作载频所处信道判别结果设置数字滤波器进一步是指根据第一步得到的由监控器(316)传来的工作载频信道号，设置DSP(数字信号处理)程序模块入口参数，并由相应程序模块建立具有多窗口陷波器特性的数字滤波算法，使得数字滤波器(335)的陷波“开槽”位置与工作载频信道一一对应。

5、根据权利要求2所述的一种基于前馈技术的线性功率放大的实现方法，其特征在于：所述的步骤三完成载波消除进一步包括如下过程：

首先，取样主功放(322)输出信号；利用串接于主功放输出通道中的耦合器B(332)取样部分主功放输出功率信号，该信号既包括系统载频信息，也包括由于主功放非线性特性引入的互调失真信息，将此信号送入混频器2(333)；

其次，下变频；将主功放输出取样信号与本地振荡器(338)产生的本振信号混频，下变频至较低频率范围；

再次，ADC(模拟/数字转换)；利用模/数转换器(334)将低频模拟信号变换成数字信息，送入数字滤波器(335)；

然后，数字滤波；通过步骤二完成的数字滤波算法，将输入数字滤波器(335)的数字信息滤除对应于载波信号的信息；

再后，DAC(数字/模拟转换)；利用数/模转换器(336)将数字滤波器(335)输出数字信号还原成模拟信号；

最后，上变频；经过混频器C(337)与本地振荡器(338)产生的本振信号混频上变频，将DAC还原的低频信号恢复到射频。

6、根据权利要求2所述的一种基于前馈技术的线性功率放大的实现方法，其特征在于：所述的步骤四实现失真信号消除进一步包括如下过程：

首先，延时；利用固定电缆延时线，将主功放(322)输出的大功率信号延时处理后送至系统输出端；

其次，误差放大；将第三步得到的消除了载频信号的射频信号经过幅度相位调整及线性放大后也送至系统输出端；

最后，失真消除；利用耦合器C(343)实现主功放输出的大功率信号与消除了载频信号的误差射频信号相减，对消消除掉主功放输出中的失真成分，完成失真信号消除的线性化功能。

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