TWI388168B - 混合正交極座標調制發射機架構及其使用之數位預失真器電路 - Google Patents

混合正交極座標調制發射機架構及其使用之數位預失真器電路 Download PDF

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混合正交極座標調制發射機架構及其使用之數位預失真器電路
　　本發明係有關於一種發射機架構，特別係有關於一種混合正交極座標調制發射機架構及其使用之數位預失真器電路。
　　習知在線性功率放大器的設計上，線性度與效率往往是互相抵觸而必須有所取捨，以A類及AB類之線性功率放大器為例，為了維持輸入訊號的完整性而選擇將電晶體偏壓於該電晶體之最大工作電壓(Vmax )及電流(Imax )的中心點附近，亦即0.5Vmax 及0.5Imax 處，導致功率放大器操作上存在一固定的靜態直流功率消耗，而使直流對射頻功率轉換效率表現不佳；反之，若欲提高功率放大器之直流對射頻功率轉換效率表現，在偏壓點的選擇上就傾向於將電晶體操作在低靜態直流消耗的區域，如B類、C類、E類等線性功率放大器設計，因此電晶體相對於前者而言其係大量工作於飽和區，故效率能顯著提升，但也導致放大後的訊號有所失真。
　　習知為了改善傳統設計的缺點，多種新式的架構被提出與研究，如美國公告專利US 7,091,777及我國公告專利I249874所揭示的發射機技術，其中US 7,091,777是建構於傳統波包追隨式(envelope tracking)發射機，佐以數位預失真的方法來提升其線性度表現，由於該架構下功率放大器的供應電壓隨著輸入訊號之波包動態地調整，因此直流消耗功率可有效地減低而達到提升發射機效率的目的，然而US 7,091,777 B2對於輸入訊號波包之偵測和波包、射頻訊號兩路徑之同步仍使用類比方式來達成，此作法將大幅限制該架構可操作之頻寬並且降低積體化程度，以致無法應付新一代無線通訊系統高資料傳輸率及高頻寬的需求。而I249874則是一種改良自極座標調制發射機(polar modulation)之技術，該架構利用切換式功率放大器，於放大器射頻端輸入一正交調制訊號，於放大器供應電壓端輸入射頻訊號之波包成分，由於切換式放大器具有供應電壓正比於輸出電壓的特性，理論上此架構具備相當好的線性度與效率表現，然而此作法的缺點在於功率放大器供應電壓端的控制範圍相當有限，因此該架構的輸出動態範圍尚無法與傳統線性功率放大器相比。
　　本發明之主要目的係在於提供一種混合正交極座標調制發射機架構及其使用之數位預失真器電路，該混合正交極座標調制發射機架構係包含一數位預失真器、一正交調制器、一S類調制器以及一E類功率放大器，該數位預失真器係用以對一基頻I/Q訊號進行預失真處理，且該數位預失真器係包含一接收該基頻I/Q訊號之第一座標軸數位旋轉計算器、一連接該第一座標軸數位旋轉計算器之查找表記憶單元、一連接該查找表記憶單元之偏壓控制電路、一連接該偏壓控制電路之差異積分調制器、一連接該第一座標軸數位旋轉計算器之第一延遲單元、一連接該第一延遲單元與該查找表記憶單元之乘法器、一連接該第一延遲單元與該查找表記憶單元之加法器、一連接該乘法器與該加法器之第二座標軸數位旋轉計算器以及一連接該第二座標軸數位旋轉計算器之第二延遲單元，該正交調制器係電性連接該數位預失真器之該第二延遲單元，該S類調制器係電性連接該數位預失真器之該差異積分調制器，而該E類功率放大器係電性連接該正交調制器及該S類調制器，本發明之該數位預失真器係可對功率放大器進行AM/AM及AM/PM之補償，且亦可控制發射機之操作模式，當發射機需要高功率輸出時，該數位預失真器之該偏壓控制電路會將功率放大器偏壓於E類模式並輸出波包訊號作為功率放大器之供應電壓，此時功率放大器處於波包追隨式的操作方式；而當發射機輸出功率小於E類模式所能提供之範圍時，該偏壓控制電路可將發射機轉換至A/AB類操作模式，將功率放大器偏壓於傳統A類或AB類模式，此時功率放大器之供應電壓端將被輸入一固定電壓值而非變動波包。
　　本發明之另一特點係為不論功率放大器操作於何種模式，皆可藉由該數位預失真器控制及調整功率放大器之偏壓，使其在一極大的動態範圍條件下，仍能維持固定增益，本發明係可完全取代傳統之線性功率放大器，且相較於傳統線性功率放大器本發明具有較高之平均效率表現。
　　請參閱第1圖，其係本發明之一較佳實施例，一種混合正交極座標調制發射機架構係包含一數位預失真器10、一正交調制器20、一S類調制器30以及一E類功率放大器40，該數位預失真器10係用以對一基頻I/Q訊號進行預失真處理，且該數位預失真器10係包含一接收該基頻I/Q訊號之第一座標軸數位旋轉計算器11、一連接該第一座標軸數位旋轉計算器11之查找表記憶單元12、一連接該查找表記憶單元12之偏壓控制電路13、一連接該偏壓控制電路13之差異積分調制器14、一連接該第一座標軸數位旋轉計算器11之第一延遲單元15、一連接該第一延遲單元15與該查找表記憶單元12之乘法器16、一連接該第一延遲單元15與該查找表記憶單元12之加法器17、一連接該乘法器16與該加法器17之第二座標軸數位旋轉計算器18以及一連接該第二座標軸數位旋轉計算器18之第二延遲單元19，在本實施例中，該第一座標軸數位旋轉計算器11係用以將該基頻I/Q訊號由原先直角座標表示轉換成極座標表示，包含振幅與相位資訊，此外，在本實施例中，該數位預失真器10係另包含有一索引函數單元I，該索引函數單元I係分別連接該第一座標軸數位旋轉計算器11及該查找表記憶單元12，請參閱第2A及2B圖，第2A圖係顯示該E類功率放大器40之AM/AM及AM/PM特性量測及所設定之預失真基準線，第2B圖係為根據量測結果與所設定之預失真基準線計算得出所需之預先補償量，且第2B圖係呈現在不同的功率放大器供應電壓下相對應振幅(rg )及相位(Δψ)的補償量，此計算所得之補償量將被儲存於該查找表記憶單元12中，並供該索引函數單元I查找，而該索引函數單元I係可藉由該查找表記憶單元12決定該基頻I/Q訊號所對應之振幅和相位補償量，以進行振幅及相位之預失真處理，而補償過後的振幅及相位將藉由該第二座標軸數位旋轉計算器18轉換回直角座標表示，之後，即可送入該正交調制器20並輸出為射頻調制訊號，以作為功率放大器之輸入訊號。
　　請再參閱第1圖，該偏壓控制電路13亦連接該乘法器16，該偏壓控制電路13係用以控制發射機之操作模態，當發射機需要高功率輸出時，該偏壓控制電路13係會將功率放大器偏壓於E類模式(class-E mode)，在本實施例中，該偏壓控制電路13係會將預失真後的波包訊號輸出至該差異積分調制器14進行調制，因此功率放大器之供應電壓端輸入一變動波包訊號，並且可視功率放大器之設計需求而於此波包訊號加上一直流位移，以改變功率放大器之操作範圍；而當發射機輸出功率小於E類模式所能提供之範圍時，該偏壓控制電路13係可將發射機轉換至A/AB類模式(class A/AB mode)，在本實施例中，該偏壓控制電路13係會輸出一常數值(固定電壓值)至該差異積分調制器14進行調制，其與E類模式不同的是功率放大器調整為固定偏壓，即所謂A類偏壓點。
　　請再參閱第1圖，該正交調制器20係電性連接該數位預失真器10之該第二延遲單元19，且該正交調制器20係包含有一雙通道數位類比轉換單元21、一連接該雙通道數位類比轉換單元21之混波單元22以及一連接該混波單元22之本地振盪源23，在本實施例中，該正交調制器20之該雙通道數位類比轉換單元21係電性連接該數位預失真器10之該第二延遲單元19，且該正交調制器20係可將該基頻I/Q訊號以正交方式調制於射頻載波之電路架構，該S類調制器30係電性連接該數位預失真器10之該差異積分調制器14，且該S類調制器30係可將來自該數位預失真器10之二階式差異積分訊號放大後，再經由一低通濾波器(圖未匯出)還原為類比波包訊號，以調制功率放大器之供應電源端，而該E類功率放大器40係電性連接該正交調制器20及該S類調制器30，在本實施例中，該E類功率放大器40係電性連接該正交調制器20之該混波單元22，且較佳地，該E類功率放大器40係為波包追隨式(Envelope Tracking) E類功率放大器。
　　請參閱第3、4A、4B、5、6及7圖，其係分別顯示本發明於W-CDMA通訊系統規範下進行發射機測試之結果。首先，請參閱第3圖，其係顯示比較預失真前後之輸出頻譜(output spectrum)差異圖，由圖中可觀察到功率放大器經預失真補償後，通道外的頻譜增長可有效地被抑制；接著，請參閱第4A及4B圖，其係分別顯示偏移中心頻率5 MHz與10 MHz條件下之鄰近通道洩漏比(ACLR)；接著，請參閱第5圖，其係顯示發射機之錯誤向量幅度(EVM)表現；之後，請參閱第6圖，其係顯示發射機平均功率增加效率(PAE)表現，在適當的高功率與低功率操作模態切換下，本發明可在74 dB的輸出功率動態範圍內，使發射機滿足W-CDMA通訊系統所規範之線性度要求，並且具有高平均效率的表現；最後，請參閱第7圖，其係顯示發射機之增益表現，由圖中可知在適當的高功率與低功率操作模態切換下，本發明之E類功率放大器線性化方法能有效使功率放大器維持一固定增益約8.3 dB，具備傳統線性功率放大器之高線性度優點，且在平均效率表現上遠勝於傳統線性功率放大器。
　　本發明係利用該數位預失真器10之該偏壓控制電路13控制發射機之操作模式，當發射機需要高功率輸出時，該偏壓控制電路13會將功率放大器偏壓於E類模式並輸出波包訊號作為功率放大器之供應電壓，此時功率放大器處於波包追隨式的操作方式；而當發射機輸出功率小於E類模式所能提供之範圍時，該偏壓控制電路13可將發射機轉換至A/AB類模式操作，其係將功率放大器偏壓於傳統A類或AB類模式，此時功率放大器之供應電壓端將被輸入一固定電壓值而非變動波包。本發明之另一優點係為不論功率放大器操作於何種模式，皆可藉由該數位預失真器10控制及調整功率放大器之偏壓，使其在一極大的動態範圍條件下，仍能維持固定增益，本發明係可完全取代傳統之線性功率放大器，且相較於傳統線性功率放大器本發明具有較高之平均效率表現。又，本發明係適用於各種型式之E類功率放大器，如單端架構(Single-ended)、差動架構(Differential)或疊接架構(Cascode)等，此外，亦適用於其它切換式功率放大器，如D類、F類等功率放大器。
　　本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準，任何熟知此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內所作之任何變化與修改，均屬於本發明之保護範圍。
10‧‧‧數位預失真器
11‧‧‧第一座標軸數位旋轉計算器
12‧‧‧查找表記憶單元
13‧‧‧偏壓控制電路
14‧‧‧差異積分調制器
15‧‧‧第一延遲單
16‧‧‧乘法器
17‧‧‧加法器
18‧‧‧第二座標軸數位旋轉計算器
19‧‧‧第二延遲單元
20‧‧‧正交調制器
21‧‧‧雙通道數位類比轉換單元
22‧‧‧混波單元
23‧‧‧本地振盪源
30‧‧‧S類調制器
40‧‧‧E類功率放大器
I‧‧‧索引函數單元
第1圖：依據本發明之一較佳實施例，一種混合正交極座標調制發射機架構圖。
第2A圖：依據本發明之一較佳實施例，E類功率放大器40之AM/AM及AM/PM特性量測結果圖。
第2B圖：對應第2A圖之量測特性與預失真基準線計算得出所需之預先補償量結果圖。
第3圖：依據本發明之一較佳實施例，比較預失真前後之輸出頻譜(output spectrum)差異圖。
第4A圖：依據本發明之一較佳實施例，偏移中心頻率5 MHz條件下之鄰近通道洩漏比(ACLR)結果圖。
第4B圖：依據本發明之一較佳實施例，偏移中心頻率10 MHz條件下之鄰近通道洩漏比(ACLR)結果圖。
第5圖：依據本發明之一較佳實施例，發射機之錯誤向量幅度(EVM)表現圖。
第6圖：依據本發明之一較佳實施例，發射機平均功率增加效率(PAE)表現圖。
第7圖：依據本發明之一較佳實施例，發射機之增益表現圖。
10‧‧‧數位預失真器
11‧‧‧第一座標軸數位旋轉計算器
12‧‧‧查找表記憶單元
13‧‧‧偏壓控制電路
14‧‧‧差異積分調制器
15‧‧‧第一延遲單
16‧‧‧乘法器
17‧‧‧加法器
18‧‧‧第二座標軸數位旋轉計算器
19‧‧‧第二延遲單元
20‧‧‧正交調制器
21‧‧‧雙通道數位類比轉換單元
22‧‧‧混波單元
23‧‧‧本地振盪源
30‧‧‧S類調制器
40‧‧‧E類功率放大器
I‧‧‧索引函數單元

Claims (11)

  1. 一種混合正交極座標調制發射機架構，其包含：
    一數位預失真器，係用以對一基頻I/Q訊號進行預失真處理，其包含一接收該基頻I/Q訊號之第一座標軸數位旋轉計算器、一連接該第一座標軸數位旋轉計算器之查找表記憶單元、一連接該查找表記憶單元之偏壓控制電路、一連接該偏壓控制電路之差異積分調制器、一連接該第一座標軸數位旋轉計算器之第一延遲單元、一連接該第一延遲單元與該查找表記憶單元之乘法器、一連接該第一延遲單元與該查找表記憶單元之加法器、一連接該乘法器與該加法器之第二座標軸數位旋轉計算器以及一連接該第二座標軸數位旋轉計算器之第二延遲單元；
    一正交調制器，其係電性連接該數位預失真器之該第二延遲單元；
    一S類調制器，其係電性連接該數位預失真器之該差異積分調制器；以及
    一E類功率放大器，其係電性連接該正交調制器及該S類調制器。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之混合正交極座標調制發射機架構，其中該數位預失真器另包含有一索引函數單元，該索引函數單元係分別連接該第一座標軸數位旋轉計算器及該查找表記憶單元。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之混合正交極座標調制發射機架構，其中該數位預失真器之該偏壓控制電路係連接該乘法器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之混合正交極座標調制發射機架構，其中該正交調制器係包含有一雙通道數位類比轉換單元、一連接該雙通道數位類比轉換單元之混波單元以及一連接該混波單元之本地振盪源，該正交調制器之該雙通道數位類比轉換單元係電性連接該數位預失真器之該第二延遲單元。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之混合正交極座標調制發射機架構，其中該E類功率放大器係電性連接該正交調制器之該混波單元。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之混合正交極座標調制發射機架構，其中該數位預失真器之該偏壓控制電路係可輸出一波包訊號或一常數值至該差異積分調制器。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之混合正交極座標調制發射機架構，其中該E類功率放大器係為波包追隨式(Envelope Tracking) E類功率放大器。
  8. 一種數位預失真器電路，係用以對一基頻I/Q訊號進行預失真處理，其包含：
    一第一座標軸數位旋轉計算器，其係接收該基頻I/Q訊號；
    一查找表記憶單元，其係連接該第一座標軸數位旋轉計算器；
    一偏壓控制電路，其係連接該查找表記憶單元；
    一差異積分調制器，其係連接該偏壓控制電路；
    一第一延遲單元，其係連接該第一座標軸數位旋轉計算器；
    一乘法器，其係連接該第一延遲單元與該查找表記憶單元；
    一加法器，其係連接該第一延遲單元與該查找表記憶單元；
    一第二座標軸數位旋轉計算器，其係連接該乘法器與該加法器；以及
    一第二延遲單元，其係連接該第二座標軸數位旋轉計算器。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之數位預失真器電路，其另包含有一索引函數單元，該索引函數單元係分別連接該第一座標軸數位旋轉計算器及該查找表記憶單元。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之數位預失真器電路，其中該偏壓控制電路係連接該乘法器。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之數位預失真器電路，其中該偏壓控制電路係可輸出一波包訊號或一常數值至該差異積分調制器。
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