CN1405976A - 前馈型和自适应预失真型失真补偿放大设备 - Google Patents

Abstract

一种前馈型失真补偿放大设备，它包含一个失真探测环路和一个失真补偿环路，用于失真补偿环路产生的一个第二失真分量来抵消由失真探测环路产生的一个第一失真分量并由此产生一个输出信号，还根据该输出信号的电平来控制主放大器和误差放大器的偏置电平。一种自适应预失真型失真补偿放大设备包含一个用于探测一个输入功率的电平的探测单元，一个用于存储输入功率电平和与之对应的偏置电平并根据输入功率电平来产生偏置电平的控制单元，以及一个用于根据偏置电平来对一个放大器施加偏置的偏置控制单元。

Description

前馈型和自适应预失真型失真补偿放大设备

发明领域

本发明涉及一种放大设备，较具体地涉及一种能通过采用自动偏置控制技术减小功耗的失真补偿放大设备。

发明背景

在一个移动通信系统中，基地站发射的是经放大的高频多载波信号，这种信号具有多个互相分开在一些不同频带上并分别受到适当方法调制的载波。

对移动通信系统的这种基地站所使用的无线放大设备的要求是低功耗、高线性度以及采用高效的无线发射电路。由于线性度差的放大设备会产生大的失真。例如阻碍正常高质量通信的实现的互调制失真，要求用于放大多载波信号的放大设备在多载波信号所属的整个频带上具有良好的线性特性。

用于满足放大设备这种线性度要求的各种方法中的一个方法是前馈失真补偿技术。首先说明，下面说明中所用的“主线”一词是指信号从输入端经过一个主放大器到输出端的路径，也即从待放大信号转变成已放大信号的信号路径。

在前馈失真补偿技术中，以下述方式来布置一个失真探测环路：这个探测环路能把从主线中主放大器的后端某一位置上分接出来的一个信号耦合到从主放大器的前端某处采样得到的一个信号上。如果这两个信号有相同的幅度但相位相反，则在失真探测环路的上述信号耦合操作下，载波信号将被抵消，因此，这个环路能够输出一个对应于由主放大器及其相邻电路所导入的失真分量的误差信号。

前馈失真补偿技术还采用一个失真补偿环路来把失真探测环路所输出的误差信号重新耦合到主线信号上去。由主放大器产生的失真分量可以这样来补偿：在主线上补偿在失真补偿环路中的一信号延迟，并且对失真补偿环路或主线上的信号的振幅和相位进行适当的调整，使得主线上的信号失真分量与从失真补偿环路中获得的信号被控制成具有相同的振幅和相反的相位。

下面将参考图15更详细地说明前馈失真补偿技术。

参见图15，其中示出了一个具有前馈结构的常规失真补偿放大设备。该前馈失真补偿放大设备含有两个模块：一个是失真探测环路模块，其中包含一个方向耦合器1，一个移相器2，一个振幅调整器3，一个导引信号发生器4，一个耦合器5，和一个主放大器6；另一个模块是失真补偿环路模块，其中包含一个耦合器8，一个探测器9，一个移相器10，一个振幅调整器11，和一个误差放大器12。该前馈失真补偿放大设备还含有分隔器(divider)7和13，一个终端装置14，一个耦合器15，以及一个用来控制该前馈失真补偿放大设备中每个单元的控制单元18。

在失真探测环路模块中有两条路径：一条是无失真路径a→c→e→g；另一条是失真路径a→b→d→f。在点“g”处，只提取出失真分量，其方法例如是反转传递函数的符号。这时，控制单元18对移相器2和振幅调整器3进行自动控制，使得控制单元18所接收到的由探测器9测得的失真分量信号的电平(level)最小化。

使一个放大设备具有良好线性度的另一种使用广泛的技术是利用数字信号处理技术的自适应预失真补偿技术(以下称作ADP技术)。ADP技术总的可分成两种类型：射频信号输入型和基带信号输入型。这两种类型的失真补偿放大设备分别示于图16A和16B。

图16A示出一个射频信号输入型的失真补偿放大设备。射频信号被从输入端21输入，其后相继受到一个延迟电路22、一个增益控制电路23、和一个相位控制电路24的作用，然后被一个功率放大器34放大。放大后的射频信号通过一个耦合器38输出。同时，输入的射频信号还通过设置在一个功率计29内的一个对数放大器(LOG AMP)27和一个A/D(模/数)转换器28-1被转换成数字数据信号。其后该数字数据信号被提供给一个数据处理单元30-1。

然后，功率放大器34输出的放大射频信号经过方向耦合器38被提供给一个乘法电路33-1，并在那里与一个本地频率32-1相结合。其后乘法电路33-1输出的结合信号受到一个带通滤波器31的滤波，变成频带受限的信号。接着，该频带受限信号通过一个A/D转换器28-2被输入给数据处理单元30-1。数据处理单元30-1执行一种算法，使得通过带通滤波器31的信号的大小最小化，也就是说，使得由功率放大器34的非线性失真特性所产生的带外谱分量最小化。

数据处理单元30-1根据功率计29所提供的数字数据信号访问存储电路26-1和26-2的地址，由此分别通过D/A(数/模)转换器25-1和25-2来控制增益控制电路23和相位控制电路24。存储电路26-1和26-2的内容是根据能使功率放大器34的非线性失真最小化的试探法来确定的。

图16B示出一个基带信号输入型的常规失真补偿放大设备。

载波抵消电路35-1至35-4用来根据每个输入频道(CH1至CH4)的载波信息去抵消各个输入数字频道数据中的载波频率成份。载波抵消电路例如可以用一个复乘法器来实现。载波抵消电路35-1至35-4的输出提供给一个加法器39，由此加法器39将产生一个结合基带信号，并把该信号提供给一个复乘法器36和一个功率计29。

复乘法器36控制结合基带信号的相位和振幅。其后，经这样处理的基带信号被相继送入一个D/A转换器25-4和一个正交振幅调制单元(QAM-MOD)37，然后在一个乘法电路33-2中与一个来自一个本地振荡器32-2的信号相结合。此后，该结合信号作为一个射频信号被传送给功率放大器34进行放大，最后通过一个方向耦合器38输出。如前述的射频信号输入类型那样，由一个能使功率放大器34的非线性失真最小化的算法根据基带信号的功率大小来控制复乘法器36，从而调整基带信号的相位和振幅。也就是说，数据处理单元30-2根据从功率计29得到的基带信号的功率大小来访问一个存储电路26-4的地址，并由此来控制复乘法器36。存储了各种复控制值的存储电路26-4的内容是通过能使非线性失真最小化的试探法来确定的。

近来，移动通信用户的数目急剧增加。因此，为了对付这种不断增大的需求，即使在同一个服务区内也需要设置很多的基地站。于是操作成本和维修成本都在不断地增大，从而基地站供应商需通过多种途径来降低成本。

一种降低操作成本的方法是减小功耗。

不论基地站发射的输出信号的相对强度如何，基地站中的发射器功率放大器都以恒定的速率耗费大量功率。例如，在白天，对于正常的通信负载，消耗的射频输出功率约为10W，而发射器功率放大器所消耗的基本直流功率约为80W至100W。然而，对于通信负载变小的午夜情形，由于如前所述对射频输出信号进行了功率控制，发射器的射频输出功率可能被减小到例如1W左右；但在另一方面，由于常规功率放大器中的操作偏置点是固定的，所以午夜期间发射器功率放大器消耗的基本直流功率并没有减小，而像白天一样，仍然保持为约80W至100W。

因此，开发一种能够在保持现有射频输出功率的同时减小基地站功率放大器的直流功耗的功率控制技术应该是有益的。在这种CDMA(码分多址)移动通信系统中，要求在按需要监视和保持射频信号电平的同时，能减小为产生目标射频输出信号大小所需的直流功率大小。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种能够借助偏置控制来降低功耗的失真补偿放大设备。

根据本发明的一个优选实施例，提供了一种前馈型失真补偿放大设备，它包括：含有一个第一移相器、一个第一振幅调整器、和一个主放大器的一个失真探测环路；含有一个第二移相器、一个第二振幅调整器、和一个误差放大器的一个失真补偿环路；一个用来以一个由失真补偿环路所产生的第二失真分量(distortion element)来抵消一个由失真探测环路所产生的第一失真分量，并产生一个输出信号的装置；以及一个用来根据输出信号的电平来控制主放大器和误差放大器的偏置电平的偏置控制器。

根据本发明的另一个优选实施例，提供了一种自适应预失真型失真补偿放大设备，它包括：一个用来探测输入功率电平的探测单元；一个用来存储输入功率电平和与之对应的偏置电平并根据输入功率电平产生偏置电平的控制单元；以及一个用来根据偏置电平把一个偏置施加到一个放大器单元上的偏置控制单元。

根据本发明的又一个优选实施例，提供了一种失真补偿放大设备，它包括：一个用来探测输入信号的电平的探测单元；一个用来放大输入信号的放大单元；以及一个用来根据由探测单元探测到的输入信号电平去分级地控制放大单元的偏置的装置。

根据本发明的再一个优选实施例，提供了一种失真补偿放大设备，它包括：一个用来放大输入信号的放大单元；一个用来探测输出信号的电平的探测单元，以及一个用来根据由探测单元探测到的输出信号电平去控制放大单元的偏置的装置。

附图的简单说明

通过下面结合附图对一些优选实施例的说明，本发明的上述及其他目的以及特点都将变得显然，在附图中。

图1是说明在进行和不进行偏置控制的情况下一个放大器的功耗与输出功率之间的关系的曲线图；

图2是说明在进行和不进行偏置控制的情况下一个放大器的ACLR(相邻频道泄漏功率比)与一个放大设备的输出功率之间的关系的曲线图；

图3示出根据本发明第一个优选实施例的一个利用前馈技术的失真补偿放大设备的方框图；

图4是一个说明执行图3失真补偿放大设备的偏置控制过程的流程图；

图5是一个说明由输出功率电平确定的主放大器偏置电平和误差放大器偏置电平的存储器表格；

图6是说明在进行偏置控制和不进行偏置控制的情况下主放大器的偏置电平和电流消耗与放大设备的输出功率之间的关系的曲线图；

图7是说明在进行偏置控制和不进行偏置控制的情况下误差放大器的偏置电平和电流消耗与放大设备的输出功率之间的关系的曲线图；

图8是说明在进行偏置控制和不进行偏置控制的情况下放大设备的ACLR和功耗与输出功率之间的关系的曲线图；

图9示出一个说明根据本发明的一个偏置控制模块的第一构型的方框图；

图10示出一个说明根据本发明的一个偏置控制模块的第二构型的方框图；

图11A示出根据本发明第二个优选实施例的一个利用射频信号输入的自适应预失真补偿(ADP)型失真补偿放大设备的方框图；

图11B示出根据本发明第三个优选实施例的一个利用基带信号输入的ADP型失真补偿放大设备的方框图；

图12是一个说明对图11A和11B的失真补偿放大设备执行偏置控制的过程的流程图；

图13A和13B分别是说明在进行和不进行偏置控制情况下一个放大器的放大器偏置电平和电流消耗与图11A或11B中的放大设备的输入功率之间的关系的曲线图，和一个说明输入功率电平和放大器偏置电平的存储器表格；

图14是说明在进行和不进行偏置控制的情况下一个放大器的ACLR和功耗与图11A或11B中的放大设备的输入功率之间的关系的曲线图；

图15示出一个常规前馈型失真补偿放大设备的方框图；

图16A示出一个利用射频信号输入的常规ADP型失真补偿放大设备的方框图；以及

图16B示出一个利用基带信号输入的常规ADP型失真补偿放大设备的方框图。

具体实施方式

除了在本发明的优选实施例中所描述的那些电路或设备能实现本发明的各个发明性特征之外，任何其他的电路或设备只要能实现这些特征，便也能实现本发明的发明性特征。此外，这些电路或设备的功能中的一部分或全部也可能用软件来实现。再有，系统中的某些功能性单元中的每个单元都可以用多个电路来实现，或者，系统中多个这样的功能性单元也可以被构形成单个电路。

在前馈型失真补偿放大设备中，通常使用AB(甲乙)类放大器或B(乙)类放大器。这些放大器的特性是功耗随着输出功率的减小而下降，如图1所示。但是，由于在这种放大器中需要设置一个无效电流，所以其功耗不能降低到一个对应于放大器无效电流的预定功率值之下。

此外，从某些无线特性，例如CDMA(码分多址)信号的ACLR(相邻信道泄漏功率比)的角度来说，可以从图2中实线所示的ACLR曲线看出，常规主放大器和误差放大器的ACLR在低功率输出情况下相对于无线标准水平来说尚有较大的余地。由于放大器需要满足无线特性，所以根据本发明可以在放大器工作时，特别当输出功率低时，对主放大器和误差放大器执行偏置控制，如图2中的虚线所示。后面将对此详细的说明。

图3示出根据本发明第一个优选实施例的一个利用前馈技术的失真补偿放大设备的方框图。由于图3设备中的某些单元与图15所示常规设备中的单元相同，这里使用相同的参考标号来代表与常规设备中相对应的或相同的单元，并且不再给出对这些单元的详细说明。

一个主放大器偏置控制电路16执行对主放大器6的偏置控制，一个误差放大器偏置控制电路17执行对误差放大器12的偏置控制。

现在参考图4的流程图来说明图3中的失真补偿放大设备的操作。在步骤S1中，当分隔器13探测到放大设备的输出信号时，将由耦合器15向控制单元18报告输出信号的功率电平。在步骤S2中，在其存储器(未示出)中存储了如图5所示的主放大器6和误差放大器12的偏置电平作为输出功率电平的函数的控制单元18将根据输出功率电平提取出主放大器6的主放大器的偏置电平和误差放大器12的误差放大器偏置电平。在步骤S3中，主放大器偏置控制电路16将根据提取到的主放大器偏置电平对主放大器6执行偏置控制，并在步骤S4中误差放大器偏置控制电路17将根据提取到的误差放大器偏置电平对误差放大器12执行偏置控制。

如图5所示，控制单元18的存储器中定义的一个存储器表格例如规定了放大设备的3种输出功率电平A、B、C以及它们所对应的主放大器偏置电平和误差放大器偏置电平。一个放大器的偏置电平与输出功率电平之间的关系下面将参考图6和7进行详细说明。

首先，图6示出了在进行和不进行偏置控制的情况下主放大器6的偏置电平与放大设备的输出功率之间的关系曲线。图中横坐标代表输出功率，右侧的纵坐标代表主放大器偏置电平，而左侧的纵坐标代表主放大器6的消耗电流。虚线和实线分别代表进行和不进行偏置控制的情况。

对于输出功率高(电平A)的情形，进行和不进行偏置控制的主放大器偏置电平都为A’，因此电流消耗也相同。当输出功率电平为B时，进行偏置控制时施加的主放大器的偏置电平减少到B’电平，于是进行偏置控制时主放大器6的电流消耗变得小于在偏置固定状态时的电流消耗。如果输出功率电平为最低的电平C，则进行偏置控制时的主放大器偏置电平变为比B’还低的C’，于是如图6所示进行偏置控制时主放大器6的电流消耗将一步减小。

图7是说明在进行和不进行偏置控制时误差放大器12的误差放大器偏置电平与放大设备的输出功率之间的关系的曲线。横坐标代表输出功率，右侧的纵坐标代表误差放大器偏置电平，左侧的纵坐标代表误差放大器12的消耗电流。虚线和实线分别代表进行和不进行偏置控制的情况。

对于输出功率为高电平(电平A)的情形，进行和不进行偏置控制的误差放大器偏置电平都是A”，因此消耗的电流也相同、当输出功率为电平B时，进行偏置控制时施加的误差放大器偏置电平降低为B”，于是有偏置控制时误差放大器12的电流消耗将小于偏置固定状态时的电流消耗。如果输出功率为最低的电平C，则有偏置控制时的误差放大器偏置电平为比B”还低的C”，于是有偏置控制时误差放大器12的电流消耗将进一步减小，如图7所示。

图8是说明进行和不进行偏置控制时放大设备的ACLR和功耗与输出功率之间的关系的曲线图。横坐标代表输出功率，右侧纵坐标代表功耗，左侧纵坐标代表ACLR。虚线和实线分别代表进行和不进行偏置控制的情况。

如图8所示，通过根据放大设备的输出功率电平来进行偏置控制，可以在满足所需无线特性的同时减小放大设备的功耗。

此外，如图6和7所示，通过根据放大设备的输出功率电平来进行偏置控制，可以减小放大设备的总功耗。

在上面的优选实施例中假定了输出功率分成为三个电平A、B、C。不过应该指出，可以把输出功率电平分得更细，例如甚至分成非离散的连续电平。这种情况例如可表示为图1和2中的虚线。

图9和10示出根据本发明的对放大器进行偏置控制的偏置控制模块。这两种偏置控制模块对应于图3的放大设备中的包含了主放大器6、主放大器偏置控制电路16和控制单元18的虚线方框，或者包含了误差放大器12、误差放大器偏置控制电路17和控制单元18的虚线方框。如图9和10所示，偏置控制模块中的放大器可以被构形成多个主放大器单元或多个误差放大器单元。

参见图9，偏置控制模块中的多个放大器单元91-93受到单个放大器偏置控制电路94的控制。整个放大器由小功率放大器单元91、中功率放大器单元92、和大功率放大器单元93级联而成。在该情形中，对应于某一输出功率电平的偏置控制可以对放大器单元91、92和93进行，但执行偏置控制的是一单个放大器偏置控制电路94。

图10中的偏置控制模块含有多个放大器单元和相同数目的放大偏置控制电路。整个放大器由小功率放大器单元101、中功率放大器单元102和大功率放大器单元103级联构成。

在该情形中，对应于某一输出功率电平的偏置控制可以由放大器偏置控制电路104、105、106分别对每个相应的放大器单元101、102、103执行，这样便能分别对每个放大器单元进行独立的偏置控制。于是便有可能对选择的放大器单元的偏置电平进行不同地控制。

例如，由于大、中功率放大器单元的功耗是放大设备总功耗的主要决定因素，所以如果固定小功率放大器单元的偏置电平而只对中、大功率放大器单元进行偏置控制，则也达到有效的功率节省。

虽然在图9和10中放大器单元与放大器偏置控制电路是多对一或一对一的对应关系，但应指出，偏置控制电路的数目是可改变的。例如，偏置控制模块可以这样来构型：用多于1个但不多于放大器单元数目的偏置控制电路来执行各放大器单元的偏置控制。

图11A示出根据本发明第二个优选实施例的一个失真补偿放大设备的方框图，该设备利用了射频信号输入情况下的ADP(自适应预失真补偿)技术。图11B示出根据本发明第三个优选实施例的一个失真补偿放大设备的方框图，该设备利用了基带信号输入情况下的ADP技术。图11A和11B所示的两个失真补偿放大设备都还包括一个存储器26-3和一个D/A转换器25-3，它们用来执行对功率放大器34的偏置控制，在这一点上是与图16A图16B所示的两个常规失真补偿放大设备有区别的。第二和第三实施例中的失真补偿放大设备都执行了偏置控制，使得偏置电平达到最优化，同时又仍能满足无线特性例如ACLR，尤其是对于距离无线标准还有较大余地的低输出功率区域更是如此。

图12示出一个说明图11A和11B中对功率放大器34进行偏置控制的过程的流程图。在步骤S10中，图11A和/或11B的失真补偿放大设备中的功率计29测量输入功率电平，然后在步骤S20中执行对应于输入功率电平的增益控制和相位控制，最后在步骤S30中执行对应于输入功率电平的偏置控制。

回过来参见图2，随着输出功率增大到接近一个最大额定值，ACLR也将增大，同时它与无线标准间的差距将减小。由于输出功率随着输入功率成比例地增大，因此ADP技术能够通过监测输入功率来获得输出功率电平，由此便能在保证低输出功率时ACLR落入无线标准的前提下减小放大设备的电流消耗量。

与图6相对应的图13A是说明在进行和不进行偏置控制的情况下功率放大器34的偏置电平和电流消耗与放大设备的输入功率之间的关系的曲线图。图13B示出一个存储在存储器26-3中的存储器表格，它规定了放大设备的输入功率电平与功率放大器偏置电平之间的关系。在图13B的存储器表格中，输入功率被分为三个电平A、B、C。不过，如果把输入功率电平分得更细一些，电流消耗就会下降得更平滑一些，不再有较大的突变。例如，已经发现，在保持低通信负载条件下的ACLR落入无线标准并且防止放大器因电流的过度减小而发生振荡的同时，可以让5.6A RMS(均方根值)的电流消耗减小到约3.3A RMS，也即减小40％的电流消耗。

与图8相对应的图14是说明在进行和不进行偏置控制的情况下功率放大器的ACLR和功耗与放大设备的输入功率之间的关系的曲线图。与固定偏置的情况相比，进行了偏置控制后ACLR的质量下降了。不过，当输入功率电平为B和C时，进行偏置控制时的ACLR仍能保持满足无线标准。

功率放大器34也可以实现为多个放大器单元，它们的偏置电平可以像图9和10那样或者整体地或者分别地被进行控制。

上面针对CDMA通信系统说明了本发明。但应指出，本发明同样能应用于其他类型的通信系统，例如若不采用偏置控制将消耗较大功率的TDMA(时分多址)系统的基地站的放大器控制。

虽然本发明是通过一些优选实施例来示出和说明的，但熟悉本技术领域的人们应能理解，在不偏离下述权利要求书所定义的本发明精神和范畴的情况下，可以作出各种改变和修改。

Claims (10)

1、一种前馈型失真补偿放大设备，它包括：

一个失真探测环路，它包含一个第一移相器、一个第一振幅调整器、和一个主放大器；

一个失真补偿环路，它包含一个第二移相器，一个第二振幅调整器，和一个误差放大器；

一个抵消装置，用于以一个由失真补偿环路所产生的第二失真分量来抵消一个由失真探测环路所产生的第一失真分量，并产生一个输出信号；以及

一个偏置控制器，用于根据输出信号的电平来控制主放大器和误差放大器的偏置电平。

2、根据权利要求1的设备，其中偏置控制器包含一个用于控制主放大器的偏置的第一偏置控制单元和一个用于控制误差放大器的偏置的第二偏置控制单元。

3、根据权利要求1的设备，其中输出信号被分类为多个输出电平中的一个电平，并且主放大器和误差放大器的偏置电平是根据输出信号的分类电平来确定的。

4、根据权利要求2的设备，其中输出信号被分类为多个输出电平中的一个电平，并且主放大器和误差放大器的偏置电平是根据输出信号的分类电平来确定的。

5、根据权利要求2的设备，其中主放大器和误差放大器各自都包含一个或数个放大器单元，并且第一和第二偏置控制单元各自都包含一个或数个偏置控制电路。

6、根据权利要求5的设备，其中主放大器所含放大器单元的数目与第一偏置控制单元所含偏置控制电路的数目相等，并且误差放大器所含放大器单元的数目与第二偏置控制单元所含偏置控制电路的数目相等。

7、一种自适应预失真型失真补偿放大设备，它包括：

一个探测单元，用于探测输入功率的电平；

一个控制单元，用于存储输入功率电平和与之对应的偏置电平，并根据输入功率电平产生偏置电平；以及

一个偏置控制单元，用于根据偏置电平把偏置施加到一个放大器单元上。

8、根据权利要求7的设备，其中控制单元中存储了多个输入功率电平和与它们对应的多个偏置电平。

9、一种失真补偿放大设备，它包括：

一个探测单元，用于探测一个输入信号的电平；

一个放大单元，用于放大输入信号；以及

一个装置，用于根据由探测单元探测到的输入信号的电平来分级地控制放大单元的偏置。

10、一种失真补偿放大设备，它包括：

一个放大单元，用于放大一个输入信号；

一个探测单元，用于探测一个输出信号的电平；以及

一个装置，用于根据由探测单元探测到的输出信号的电平来控制放大单元的偏置。

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