CN1860678A - 一种用于无线发射机的预失真器 - Google Patents

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Abstract

一种无线射频(RF)发射机包括：频率放大器，以及在放大之前将失真信号加入RF信号以用于线性化功率放大器的预失真器；其中预失真器包括以比RF信号的载波频率的两倍小的频率工作的移相器。

Description

一种用于无线发射机的预失真器
技术领域
本发明通常涉及一种无线发射设备，更具体地，涉及用于功率放大器的线性化的技术。
背景技术
在无线通信系统中，例如通用移动电话系统(UMTS)，通常驱动功率放大器进入非线性工作区来增加发射效率。不利地，这引起谱加宽和带内失真。因此，已经开发了多种技术来在线性化发射机的操作(通常称作功率放大器的线性化)的同时，仍然高效地操作功率放大器。
一种此类技术是预失真。一般而言，在预失真中，首先以与功率放大器引入的失真互补的方式使待发射信号失真。实际上，引入待发射信号的失真抵消由功率放大器的非线性操作引起的失真。因此，整体效果是发射机包括理想线性放大器。
例如，在非线性工作区，功率放大器可以产生进入待发射信号的高阶互调产物。因此，如图6中所示，如果没有实质上消除这些高阶互调产物，则为了减小这些高阶互调产物，预失真器产生并向待发射信号加入二次谐波产物。具体地，将中频(IF)输入信号101(IF101)施加于混频器170，混频器170如已有技术所知的将IF101与以所需射频(RF)工作的本地振荡器(LO)信号171相混合，来向带通滤波器(BPF)175提供上变频的RF信号。根据上变频的上边带和下边带的选择，LO信号171的频率值等于所需RF频率±IF频率。例如，在基于UMTS操作的无线设备中，典型的IF频率是380MHz，LO频率在1.54GHz(吉赫兹，109赫兹)到1.60GHz的范围内。BPF175过滤上变频的RF信号来向预失真器100提供经滤波的RF信号176。对于该例子，RF信号频率在1.92GHz到1.98GHz的阶次上。同样地，预失真器100代表已知技术中的微波电路。预失真器100包括耦合器105、输入匹配网络110、耦合器115、互调发生器(IM)120、BPF130、放大器(AMP)135、移相器140和幅度调整器145。将经滤波的RF信号施加到耦合器105。耦合器105是“弱”定向耦合器，并通过输入匹配网络110向耦合器115提供经滤波的部分RF信号。但是，耦合器105提取经滤波的部分RF信号(例如，在20dB(分贝))阶次上)，并提供给IM120。IM120提供非线性函数，用于从所提取的经滤波的部分RF信号中产生二次谐波产物。由IM120提供的二次谐波产物通过BPF130进一步整形，接着由放大器(Amp)135进一步放大，以提供足够电平的二次谐波产物来抵消互调产物。通过移相器140和幅度调整器145进一步调整来自Amp135的二次谐波产物的相位和幅度，以便将其施加于定向耦合器115。耦合器115将已调整的二次谐波产物146返回加入经滤波的RF信号，并向提供用于发射的RF输出信号186(RF186)的功率放大器185提供组合信号——经滤波的RF信号和已调整的二次谐波产物。数字信号处理器(DSP)190通过控制信号191和192分别控制移相器140和幅度调整器145，来调整二次谐波产物的相位和幅度，以便功率放大器185对组合信号放大，如果没有实质上消除由功率放大器产生的高阶互调产物，则减小所述高阶互调产物。DSP190可以包括已知技术的、用于产生控制信号191和192的存储器中的查找表(LUT)，以及用于产生控制信号的数模转换器(未示出)。
因为IM120产生二次谐波产物，所以这些信号以RF信号频率的两倍进行操作。因此，随着发射频率继续向GHertz范围增加，例如，大于等于2GHz，实际上使图6的预失真器100的组件的工作频率要求加倍。不利的是，不得不以组件(例如移相器140)的工作频率要求的两倍来设计，以及还增加了组件的成本，并影响预失真器整体实现的复杂性。例如，如果RF信号频率是2GHz，以该工作频率的两倍设计则要求移相器以4GHz的RF信号频率工作。这对插入损耗，相位波动和与构成移相器的典型组件(电感、电容器和变容二极管)相关的寄生效应的容许水平提出了更加严格的要求——所有这些都增加成本。此外，在移相器的电路设计和布局中必须更加小心，以保证可制造性。
发明内容
鉴于上述内容，已观察到可以通过以比RF发射机的载波频率的两倍小的频率操作预失真器的移相器，来降低对射频(RF)无线发射机所用预失真器的至少一些设计要求——从而也减少相关的成本。所以，根据发明原理，RF发射机包括功率放大器，以及在放大之前向RF信号中加入失真信号以用于线性化功率放大器的预失真器；其中预失真器包括以比RF信号的载波频率的两倍小的频率工作的移相器。
在发明的实施例中，射频(RF)发射机包括：功率放大器，用于放大RF信号以提供RF输出信号；以及预失真器，其进一步包括移相器、混频器、放大器、带通滤波器、幅度调整器、定向耦合器和处理器。移相器在RF输出信号的载波频率上对本地振荡器(LO)信号进行移相，来提供移相LO信号。将后者施加于混频器，混频器将移相LO信号与中频信号相混频，通过带通滤波器和放大器提供由幅度调整器进一步处理的失真信号。定向耦合器在功率放大器放大之前将已调整的失真信号加入RF信号。其中，处理器控制移相器和幅度调整器，使得已调整的失真信号线性化功率放大器的操作。
在发明的另一实施例中，电路板包括耦合到移相器的RF集成电路(IC)和用于放大RF信号以提供RF输出信号的功率放大器。RF集成电路向移相器提供信号，其中该信号与RF信号的至少一个RF载波一致。移相器移动该信号的相位，将移相信号反馈到RF集成电路。将该移相信号用于功率放大器的线性化。
鉴于上述内容，并根据发明的一方面，移相器以较低频率工作——从而潜在地减少了固定或移动无线设备的成本。
附图说明
图1示出根据发明的原理的部分作演示之用的无线通信系统；
图2示出根据发明的原理的作演示之用的预失真器；
图3和4分别示出用于图2的预失真器的、作演示之用的移相器和幅度调整器；
图5示出根据发明的原理的作演示之用的另一预失真器；以及
图6示出现有技术的预失真器。
具体实施方式
除了本发明原理，将不会详细描述图中的已知元件。此外，假定熟悉无线通信系统，例如，但不限于UMTS，这里不会对此进行详细描述。例如，除了本发明原理，这里不描述已知的扩频发射和接受、发射区(基站)、用户设备(UE)、下行链路信道、上行链路信道、RAKE(瑞克)接受机、查找表和输入匹配网络。此外，可以使用传统的编程技术实现本发明原理，这里同样不对其描述。最后，图上的相似数字代表相似元件。
图1中示出了根据发明原理的UMTS无线通信系统10的示例部分。发射区(或基站)15与UMTS用户设备(UE)20之间分别通过下行链路和上行链路无线信号16和17通信。如上所述，每个无线终端(例如，基站15和/或UE20)包括用于分别发射上行链路和下行链路无线信号的功率放大器。在这点上，应该将注意力转到图2，图2示出根据发明的原理的用在无线终端中来线性化功率放大器的示例预失真器200。
图2示出示例的无线终端的发射机前端部分，包括混频器170、带通滤波器(BPF)175、预失真器200、功率放大器185和数字信号处理器290。数字信号处理器290包括用于存储查找表(LUT)285(下文讨论)的存储器。预失真器200包括输入匹配网络110、耦合器215、移相器220、混频器225、BPF230、放大器250和幅度调整器235。向混频器170施加IF输入信号101(IF 101)，混频器170将IF101与工作在所需RF频率的LO信号171相混频，来向BPF175提供上变频RF信号。根据上变频的上边带和下边带的选择，LO信号171的频率值等于所需RF频率±IF频率。例如，在基于UMTS操作的无线设备中，典型的IF频率是380MHz，LO频率在1.54GHz到1.60GHz的范围内。BPF175过滤上变频的RF信号以向预失真器200提供经滤波的RF信号176。对于该例子，RF信号频率在1.92GHz到1.98GHz的阶次上。因此，预失真器200代表微波电路。通过输入匹配网络110将经滤波的RF信号176施加于耦合器215。耦合器215将已调整的二次谐波产物(下面讨论)返回加入经滤波的RF信号，并向提供用于发射的RF输出信号286(RF286)的功率放大器185提供组合信号——经滤波的RF信号和已调整的二次谐波产物(products)。
根据发明原理，预失真器200在与本地振荡器信号相同的信号路径中使用移相器——从而降低对移相器的频率工作要求及相关的成本。具体地，将LO信号171(也称作移相器输入信号219)施加于移相器220，移相器220向混频器225提供移相的本地振荡器信号221(也称为移相信号221)。因此，移相器220工作在1.54GHz到1.60GHz的频率范围，而不是3.84GHz到3.96GHz(在RF频率的两倍附近)的频率范围。DSP290通过控制信号291(下面讨论)控制由移相器220提供的相移量。应该注意，术语“本地振荡器信号”的意思是具有必要的频率特性的任何时钟信号，不论该时钟信号是从晶体振荡器中直接得到的还是在诸如锁相环设备之类的硬件中合成的。也将IF信号101施加于混频器225。同样地，因为混频器225不仅将IF信号上变频，还产生二次谐波产物，故将混频器225用作非线性函数发生器。由移相器220提供的相移量控制所产生的二次谐波产物的相位。来自混频器225的输出信号经BPF230进一步整形来隔离所产生的二次谐波产物(例如，BPF230的通带以该二次谐波为中心)，并经放大器(AMP)250放大来提供足够电平的失真信号，以抵消互调产物。将只代表二次谐波产物的结果信号，即失真信号234施加于幅度调整器235。幅度调整器235在DSP290的控制下通过控制信号292调整失真信号234的幅度，并向耦合器215提供已调幅的输出信号236——经调整的二次谐波产物(也称为已调整的失真信号236)——以便将其加入上述的经滤波RF信号。
数字信号处理器(DSP)290通过控制信号291和292来分别控制移相器220和幅度调整器235调整二次谐波产物的相位和幅度，从而如果没有实质上消除功率放大器产生的高阶互调产物，则功率放大器185对组合信号的放大减小了所述高阶互调产物。换句话说，DSP290控制移相器和幅度调整器，使得已调整的失真信号236线性化功率放大器的工作。DSP290可以包括用于产生控制信号291和292的、技术已知的查找表(LUT)295，以及用于产生控制信号的数模转换器(未示出)。具体地，LUT295分别提供值来设置针对相位和幅度调整的控制信号291和292。
现在参考图3和4，示出了移相器220和幅度调整器235的示例实现。除了本发明原理，已知并且不会在此详细描述移相器和幅度调整器的设计。同样地，图中没有示出图3和4中所示的组件的特定电路值。首先参考图3，示出了移相器220的示例实现。移相器220接收输入信号219并提供移相信号221。典型地为DC电压的控制信号291控制相移量。移相器220包括：电容器81和82；电感71、72和73；以及变容二极管91和92。现在参考图4，示出了幅度调整器235的示例实现。幅度调整器25接收具有幅度和相位的输入信号(由失真信号234代表)，并调整其幅度以提供已调幅的信号，即，由已调整的失真信号236代表的输出信号。输出信号236的相位与输入信号的相位，如果不是完全一样，则实质上相同。典型地为DC电压的控制信号292控制幅度调整量。幅度调整器235包括：电容器86和87；电感76和77；以及正-本征-负(PIN)二极管96。
图5中示出了根据发明原理的、结合了预失真器的发射机前端的另一实施例。除了下述内容，图5中所示的预失真器以与上述图2的预失真器相似的方式执行功能。部分电路板400包括晶振(xtal)310、射频集成电路(RF IC)305、输入匹配网络110、耦合器215、移相器220、放大器250、幅度调整器235、DSP290、功率检测器395和耦合器390。在该实施例中，通过使用部分RF集成电路(IC)305来向预失真器提供一些处理，即之前由混频器225和BPF230提供的、如RF IC305中的以虚线指示的那些功能。除了本发明原理，RF IC是已知技术，因此图5中只示出了RF IC305的相关部分。具体地，RF IC305接收来自xtal310的时钟信号，并从中得到本地振荡器(LO)信号，由信号219表示的本地振荡器(LO)信号由RF IC305内部使用，并通过输出引脚外部地提供给移相器220。此外，RF IC305接收输入IF信号110，上变频该信号(使用内部可用的LO信号)并通过输入匹配网络110向耦合器215提供经滤波的RF信号176。如前所述，耦合器215将已调整的二次谐波产物(如下所述)返回加入经滤波的RF信号，并向提供用于发射的RF输出信号286(RF286)的功率放大器185提供组合信号——经滤波的RF信号和已调整的二次谐波产物。
根据发明原理，将本地振荡器信号与移相器220相耦合，从而向RF IC305的输入引脚提供移相的本地振荡器信号221(也称作移相信号221)。DSP290通过控制信号291(下面描述)控制由移相器220提供的相移量。RF IC305使用移相信号221来从中产生代表二次谐波产物(如上所述)的失真信号234。如前所述，可以使用放大器(AMP)250(虚线所示)以保证失真信号234具有足够的电平来抵消除互调产物。演示性地，RF IC305通过将移相信号221与IF信号101混频来产生失真信号234。但是，本发明原理并不限于此，可以使用其它方式产生失真信号234。将失真信号234施加于幅度调整器235。如上所述，后者在DSP290的控制下通过控制信号292调整信号234的幅度，并向耦合器215提供已调整的失真信号236，以便将其加入经滤波的RF信号。
从图5中可以观察到，DSP290还可以通过虚线所示的耦合器390和功率检测器395监控RF输出信号286的功率水平。耦合器390是“弱”定向耦合器，并提供大部分RF输出信号286来用于发射。但是，将RF输出信号286的由信号391表示的部分反馈给DSP390，以用于监控RF输出信号286的功率水平。
可以在电路板(例如，印刷电路板(PCB)或印刷线路板(PWB))上布局上述根据发明原理的演示性的预失真器。电路板可以是任何形式因子。例如，可以在诸如无线电话或印刷电路卡(比如用于膝上电脑的PCMCIA-type(个人电脑存储卡国际协会，Personal ComputerMemory Card International Association)卡)之类的无线终端里实现本发明原理。
如上所述，并根据发明原理，预失真器控制所加入的二次谐波产物的相位，以便移相器以低于典型频率的频率工作。示例性地，移相器以RF信号频率或RF载波频率工作。因此，放宽了对图2预失真器200或图5预失真器400的组件的工作频率要求，从而减少其成本并简化预失真器的整体实现。例如，以2GHz而非4GHz附近的RF信号频率工作将对插入损耗，相位波动(ripple)和与构成移相器的典型组件电感、电容器和变容二极管相关的寄生效应的容许水平提出较宽松的要求——所有这些都影响成本。相似地，如果RF信号频率是4GHz，根据发明原理的预失真器允许移相器以4GHz而非8GHz工作。
应该注意根据发明原理可以作出其它改变。例如，上述预失真器还可以包括取代和/或附加到输入匹配网络的延时元件，以在数控失真信号中额外地补偿任何延时。
同样地，前述内容只示出了发明原理，因此要理解，技术人员将能够设计许多可选布局，虽然在此没有明显地描述，但是可选布局都在其精神和范围之内实现发明原理。例如，虽然以分离的功能元件演示，但是可以在一个或多个集成电路(IC)和/或一个或多个外储程控处理器(例如，微处理器或数字信号处理器(DSP))上实现这些功能元件。相似地，虽然以基于UMTS的系统演示(即，基于宽带码分多址(WCDMA)的系统)，但是发明原理可应用于其它无线通信系统，例如，但不限于，基于第三代(和更高)数据和服务无线传输、IEEE(美国电气及电子工程师学会)标准802.11(例如，802.11(a)、802.11(b)、802.11(g)等)、全球移动通信系统(GSM)、CDMA2000、Hiperlan2等的系统。所以要理解，在不背离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的前提下，可以对演示之用的实施例进行许多修改并可以设计其它布局。

Claims (17)

1.一种用于无线发射机的设备，所述设备包括：
功率放大器(185)，放大射频RF信号以提供用于发射的RF输出信号；以及
预失真器(200)，在射频RF信号放大之前向RF信号加入失真信号，以用于线性化功率放大器；
其中预失真器包括以比RF信号的载波频率的两倍小的频率工作的移相器(220)。
2.根据权利要求1所述的设备，还包括用于传输具有比RF信号的载波频率的两倍小的频率的时钟信号的信号路径，并且预失真器位于时钟信号的信号路径上。
3.根据权利要求2所述的设备，其中移相器调整时钟信号的相位并提供移相时钟信号，以及所述预失真器还包括：
混频器(225)，响应移相时钟信号和中频IF信号来提供失真信号；
幅度调整器(235)，耦合到混频器，用于在将失真信号施加到功率放大器之前调整其幅度；
定向耦合器(215)，置于幅度调整器和功率放大器之间，用于向RF信号加入失真信号；以及
处理器(290)，用于控制移相器和幅度调整器，使得失真信号线性化频率放大器。
4.根据权利要求3所述的设备，其中处理器是数字信号处理器。
5.根据权利要求3所述的设备，还包括用于将IF信号转换为RF信号的上变频器(170)。
6.根据权利要求3所述的设备，还包括放大器，用于在将失真信号施加到幅度调整器之前放大失真信号。
7.根据权利要求3所述的设备，其中预失真器只包括一个定向耦合器。
8.一种用于无线发射机的电路板，包括：
功率放大器(185)，放大RF信号和失真信号以提供用于发射的RF输出信号，其中RF信号具有载波频率；以及
移相器(220)，接收具有比载波频率的两倍小的频率的时钟信号，并提供移相信号，其中移相信号的相位改变导致失真信号的相位改变。
9.根据权利要求8所述的电路板，还包括用于提供RF信号和时钟信号的射频RF集成电路IC(305)；并且其中RF IC响应移相信号来提供失真信号。
10.根据权利要求9所述的电路板，还包括：
幅度调整器(235)，用于调整失真信号的幅度；
定向耦合器(215)，置于幅度调整器和功率放大器之间，用于向RF信号加入失真信号；以及
处理器(290)，用于控制移相器和幅度调整器，使得失真信号线性化频率放大器。
11.根据权利要求10所述的电路板，其中处理器是数字信号处理器。
12.根据权利要求10所述的电路板，还包括在功率放大器和RF集成电路之间的电路路径上的唯一定向耦合器。
13.根据权利要求10所述的电路板，还包括放大器，用于在将失真信号施加到幅度调整器之前放大失真信号。
14.一种用于线性化无线发射系统的功率放大器的设备，其中功率放大器放大用于发射的射频RF信号，所述设备包括：
时钟信号源，具有比RF信号的频率的两倍小的频率；
移相器，响应时钟信号来提供移相时钟信号；
失真发生器，响应移相时钟信号来提供失真信号；
幅度调整器，响应失真信号来调整其幅度；
耦合器，置于幅度调整器和功率放大器之间，用于向功率放大器加入失真信号；以及
控制器，用于控制移相器和幅度调整器，使得耦合到功率放大器的失真信号线性化功率放大器。
15.根据权利要求14所述的设备，其中移相器通过传输时钟信号的信号路径耦合到所述源。
16.根据权利要求14所述的设备，还包括放大器，用于在将失真信号施加到幅度调整器之前放大失真信号。
17.一种用于线性化无线发射系统的功率放大器的方法，所述方法包括：
提供载波信号；
将载波信号和中频IF信号相混频来提供失真信号；
将失真信号加入射频RF信号；
在非线性区操作放大器来放大RF信号，以提供RF输出信号；以及
调整载波信号的相位和失真信号的幅度，以便线性化放大器。
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