TWI443965B - 開關模式的功率放大 - Google Patents
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Description
本發明係關於開關模式的射頻功率放大器之領域。更特定言之,本發明係關於一種放大一射頻信號的方法、開關模式的功率放大裝置及包含此一功率放大裝置的無線電傳輸裝置。
在RF(射頻)功率放大器之效率與線性之間存在一折衷。若要求高線性,則可以使用一A類放大器,代價係低效率。若要發射一恆定包絡信號而線性並不關鍵,則可以使用一高效率的開關模式(D、E或F類)的放大器。
存在若干技術來允許具有非恆定包絡信號的開關模式的功率放大器之使用。此類技術係用於行動電話之基地台並還係用於在2.5 G及以上的系統中操作的蜂巢式電話。可以提及的係,L.R.Kahn在"藉由包絡消除與恢復之單邊帶傳輸"(Proceedings of the IRE,第40卷,第803至806頁,1952年7月)中說明之一技術係包絡消除與恢復(EER),其中該開關模式的功率放大器在一恆定包絡信號上操作而且藉由使用一DC-DC(直流至直流)轉換器調變供電電壓來實現振幅調變。主要缺點係需要具有一高效率及低數量之寄生信號的一快速DC-DC轉換器。系統之線性還係一問題,因為放大器之相移係電壓相依的,而且振幅並不與供電電壓精確地成比例。若該等信號具有一大振幅變更,則問題係誇大。可以應用一線性化技術(例如預失真)來改良該線性。
現存解決方式之主要問題係其不能提供一高效率同時滿足2.5G及以上的系統之苛刻的線性要求。改良效率之一方式會係移除該EER中的DC-DC轉換器。此可以藉由在該開關模式的功率放大器之前使用一△-Σ(delta-sigma)調變器加以實現。例如,此係藉由J.Ketola等人在"使用帶通△-Σ調變器與開關模式的功率放大器之發射器"(Proceedings ISCAS 2004,第I-633至636頁)中以及J.Sommarek等人在"具有帶通△-Σ調變器之一數位調變器"(Proceedings of ESSCIRC 2004,第159至162頁)中加以說明。在某些情況下,該調變器之效果可以係視為使用不具有輸出濾波器之一DC-DC轉換器,僅開啟與關閉該供電電壓。例如,參見Y.Wang的"具有包絡△-Σ調變之一S類RF放大器架構"(Proceedings of RAWCON 2002,第177至179頁)與Y.S.Jeon等人的"使用注入鎖定式脈衝振盪器之一新穎高效率線性發射器"(IEEE Microwave and Wireless Components Letters,第15卷,第4號,第214至216頁,2005年4月)。由於接著會產生大量寄生信號,必要的係如何實現調變器與天線濾波器以確保不發射過強的寄生信號,從而阻隔其他通道之接收。將呈現該調變器根據何方法來操作引起非線性之不同機制,並且用於改良線性之方案係必要的。
因此,需要改良開關模式的功率放大器之線性。
本發明係針對致能具有良好線性性能之省電射頻傳輸的提供。
本發明之一目的係提供一種放大一射頻信號之方法,其致能具有良好線性性能之省電射頻傳輸的提供。
依據本發明之一第一態樣,此係藉由放大一射頻信號之一方法而實現,其包含以下步驟:接收一包絡信號,將一估計之射頻振幅與該包絡信號進行算術組合用於獲得一修改之包絡信號,使用一載子來調變修改之包絡信號用於獲得一調變之信號,放大該調變之信號用於獲得一輸出信號,低通濾波該輸出信號,以及處理該濾波之信號用於獲得一估計之射頻振幅。
本發明之另一目的係提供一種開關模式的功率放大裝置,其顯示一良好線性性能。
依據本發明之一第二態樣,此係藉由一開關模式的功率放大裝置而實現,其包含:一包絡信號輸入,一算術組合單元,其具有連接至該包絡信號輸入之一第一輸入並提供一修改之包絡信號,一調變單元,其用於接收該修改之包絡信號並係經組態用以使用一載子來調變此信號用於獲得一調變之信號,一放大單元,其係連接至該調變單元用於放大該調變之信號以便獲得一輸出信號,一回授路徑,其係連接於該放大單元之一輸出與該算術組合單元之一第二輸入之間,該回授路徑包含一低通濾波器,其用於低通濾波該輸出信號,以及至少一信號處理單元,其用於處理濾波之信號以便獲得一估計之射頻振幅用於提供至該算術組合單元之第二輸入。
可以較有利地將該功率放大裝置提供於一無線電傳輸裝置中,例如一基地台或一行動台。
本發明具有以下優點。其提供一更加線性的操作模式。同時,其具有一高效率。依據本發明,測量該輸出信號之低頻內容,其係與RF輸出相關,並且可由其計算與回授該RF振幅。此外,該回授結構較簡單,其係藉由測量該輸出信號之低頻內容而非該RF輸出本身而實現,其可導致減低之功率消耗。該回授將對抑制失真特別有效,因為開關對於以低輸出振幅產生之極短脈衝不能完全開啟。
應該強調的係術語"包含"在用於此說明書時係用以指定所陳述的特徵、步驟或組件之存在,但是並不排除一或多個其他特徵、步驟、組件或其群組之存在或添加。
本發明係關於一開關模式的RF(射頻)功率放大器,其可以係有利地用於無線網路中(例如2.5 G及以上的系統中)之通信。RF功率放大器存在一問題,因為若還需要一良好的效率則其具有一較差的線性。本發明係針對改良此類放大器之線性。同時保持一良好的效率。
圖1之一示意性方塊圖繪示此一開關模式的功率放大裝置10。藉由包括若干不同單元的一虛線方塊來指示該功率放大裝置10。該功率放大裝置10包括一包絡信號輸入EI,其中包絡信號輸入EI係連接至一算術組合單元(在此具體實施例中係一減法單元SUB)之一第一輸入。該減法單元SUB具有一輸出,其係連接至一放大階段Av
之一輸入,該放大階段Av
具有連接至一調變單元PWM之一輸入的一輸出。在此具體實施例中,該調變單元PWM係一脈衝寬度調變單元並還經由一第二輸入接收一載子C,其具有等於欲發送之射頻的一頻率並具有相位資訊內容。該調變單元PWM還具有一輸出,其係連接至一放大單元PA(該裝置之功率放大階段)之一輸入。該放大單元PA接收一供電電壓Vdd並具有連接至一帶通濾波器BPF之一輸入的一輸出,該帶通濾波器BPF進而具有連接至一天線12之一輸出。此處,該帶通濾波器BPF與該天線12並非該功率放大裝置10之一部分。該減法單元SUB具有一第二輸入並且一回授路徑係連接於該放大單元PA之輸出與該減法單元SUB之第二輸入之間。此回授路徑包括一低通濾波器LPF,其具有連接至該放大單元PA之輸出的一輸入與連接至一第一A/D(analog/digital;類比/數位)轉換器A/D1之輸入的一輸出。該第一A/D轉換器A/D1之一輸出係連接至一信號處理單元DSP之一第一輸入。此外,存在一第二A/D轉換器A/D2,其具有接收相同供電電壓Vdd之一輸入。該第二A/D轉換器A/D2具有一輸出,其係連接至該信號處理單元DSP之一第二輸入。在此具體實施例中,該信號處理單元DSP係一數位信號處理單元。該信號處理單元DSP具有一輸出,其係連接至一D/A轉換器D/A之輸入,該D/A轉換器D/A進而係連接至該減法單元SUB之第二輸入。
現將參考圖2來說明該開關模式的功率放大裝置10之功能,圖2繪示概述其操作方法之一流程圖。
其全部從在包絡信號輸入EI上接收一包絡信號E(在此具體實施例中係類比形式)開始,步驟14。將此包絡信號E供應至該算術組合單元SUB,其將該包絡信號E與一估計之射頻振幅AE
算術組合,而在此具體實施例中係從該包絡信號E減去該估計之射頻振幅AE
,用於獲得一修改之包絡信號E',步驟16。還可以將此修改之包絡信號E'看作一包絡錯誤信號。稍後將說明如何決定一估計之射頻振幅AE
。接著,將該修改之包絡信號E'提供至放大階段Av
,其中其係使用一增益Av
進行放大,步驟18。接著,將產生之信號提供至該調變單元PWM,其中其係使用該載子C進行調變。在此具體實施例中,透過脈衝寬度調變來執行該調變,步驟20。使用該功率放大裝置10進行傳送之資料對該載子C進行相位調變。此處,藉由調變脈衝之位置來添加相位資訊。接著,將該脈衝寬度調變之信號提供至該放大單元PA,其執行該PWM信號之放大,步驟22。此單元PA係藉由一供電電壓Vdd加以饋送並因此提供具有Vdd之一振幅的PWM脈衝。接著,將該放大之PWM信號作為一輸出信號O來輸出(步驟24)至該帶通濾波器BPF用於帶通濾波並接著輸出至該天線12用於傳輸至一接收裝置。還將其提供至該低頻濾波器LPF,其濾波出該輸出信號O之低頻內容(步驟26)並以此方式提供一濾波之信號Vf。接著,將該濾波之信號Vf提供至該第一A/D轉換器A/D1,其將該濾波之信號Vf的類比版本轉換成一數位版本。接著將該濾波之信號Vf的此數位版本提供至該信號處理單元DSP。該信號處理單元DSP還經由該第二A/D轉換器A/D2來接收數位形式之供電電壓Vdd。接著,該信號處理單元DSP處理該濾波之信號Vf連同該供電電壓以便提供該估計之射頻振幅AE
(步驟28),即該天線之RF振幅。還可以將此估計之射頻振幅AE
看作該輸出信號O之包絡的一估計。下面將更詳細地說明如何完成該處理。該信號處理單元DSP將該估計之振幅AE
提供至該D/A轉換器D/A用於轉換成類比格式。接著,將該估計之振幅AE
提供至該減法單元SUB,其因而使用此估計之振幅AE
來修改該包絡信號E(步驟16)用於獲得該修改之包絡信號E',從而閉合回授迴路。此使該輸出信號O能夠更加線性。
現進行可如何提供該射頻振幅估計之一說明。
首先假定來自該放大單元PA之輸出信號O係具有固定脈衝寬度tp
與具有脈衝間之一固定週期Tper
的一理想週期性信號。若接著假定該功率放大單元PA將該PWM信號最大地放大至位準Vdd,即每一脈衝將具有Vdd之一振幅,則可以將來自該放大單元PA的輸出信號之DC位準決定為:Vdc=Vdd*(tp
/Tper
)可以使用一傳立葉展開來決定基本射頻振幅A:A=2/π*Vdd*sin(π*tp
/Tper
)此進而意味著基本頻率係:A=(2/π)*Vdd*sin(π*Vdc/Vdd)
從上面的等式可以看出,若已知DC輸出電壓Vdc與供電電壓Vdd,則可以計算基本振幅。在以高頻操作之一真實開關模式的功率放大裝置中,該輸出電壓並非理想,但仍可由該輸出DC電壓來估計該基本射頻振幅。當使用一調變之信號時,可以基於低頻輸出Vf來估計該RF振幅,該低頻輸出Vf係使用上述低通濾波器由該輸出信號導出。
因而,對於並非理想的輸出電壓,可以將一估計之射頻振幅決定為:AE
=(2/π)*Vdd*sin(π*Vf/Vdd)
在該輸出信號之振幅不同於Vdd之情況下,則應將該振幅用於上面的等式。為校正該開關模式的功率放大裝置中的某些非線性機制,可以在上面的表達式中使用校正項。由於該信號處理單元在具有與信號之調變帶寬相關之一帶寬的信號上進行操作,故使用數位電路來執行振幅估計係有利的。
然而,應認識到還可以使用類比信號來執行該RF振幅估計,在該情況下不需要D/A與A/D轉換單元。還可具有一數位包絡信號,在該情況下可以將該D/A轉換單元移至該減法單元SUB與該放大階段Av
之間。
藉由向該DSP提供關於該輸出信號之低頻內容與該供電電壓兩者之資訊,其可以估計該RF輸出振幅,與該供電電壓中之變更無關。將該放大階段Av
之增益Av
設定為實現一足夠高的迴路增益,但並不至於高到發生穩定性問題。該低通濾波器LPF與該(頻率相依)放大階段Av
組合負責形成該增益以確保穩定性,例如藉由引入一主要極點。
可以若干不同方式來實現該脈衝寬度調變單元(PWM)。一方式係使用一積分器來產生載子頻率之一(相位調變之)三角波。接著,將一比較器用於比較此三角波與來自該放大階段Av
之信號。該比較器之輸出係該PWM信號。另一替代方式係將相位調變之載子饋送至藉由來自該放大階段Av
之信號控制的兩個時間延遲單元。若該等時間延遲具有相反特性,即針對該控制信號之一改變,一時間延遲增加與另一時間延遲減低之數量相同的數量,則可以藉由將該等兩個延遲之信號饋送至一及閘(AND gate)來產生一PWM信號。
上述該功率放大裝置10之操作具有數個優點。其提供一更加線性的操作模式。同時,其具有一高效率。因此,其致能具有良好線性性能之一省電射頻傳輸的提供。此配置測量該輸出信號之低頻內容,其係與該RF輸出相關,並且可由其計算與回授該RF振幅。此外,回授結構較簡單,其係藉由測量該輸出信號之低頻內容而非該RF輸出本身而實現,其可導致減低之功率消耗。該回授將對抑制失真特別有效,因為該等開關對於以低輸出振幅產生之極短脈衝不能完全開啟。
透過使用脈衝寬度調變(PWM)而非△-Σ調變(DSM),大量的量化雜訊與頻帶內寄生信號(干擾)之產生得以避免。該△-Σ調變器具有大量的量化雜訊,其僅可使用一極高的時脈頻率來加以抑制,從而需要大量功率。歸功於其簡單性,該脈衝寬度調變器可以極為省電。簡單調變還要求輸出階段的一最小數目之開關轉換。此亦簡化該天線之前的帶通濾波器之設計,其可以減低成本與功率消耗兩者。
可以在一基地台或一行動台或兩者中提供依據本發明之功率放大裝置。圖3示意性繪示一此類基地台32在一廣域網路N中與一行動台34進行通訊。此處,此等兩者皆具有依據本發明之一功率放大裝置。該行動台可以係一蜂巢式電話,其在圖4中繪示。
除了該些已提及之變更以外,可以對本發明進行若干進一步變更。可以省略該放大階段Av
。此處,該算術組合單元係說明為一減法單元。其還可以一加法單元之形式加以提供。調變單元並不限於一PWM調變單元,而還可以(例如)係一△-Σ調變單元。在上面說明之具體實施例中,將該供電電壓用於該信號振幅之估計。此係有利的,因為其需要很少額外的組件。然而,可以其他方式來決定該輸出信號之振幅。或者,若該供電電壓足夠穩定,則不必對其進行測量。此意味著可以將該供電電壓之資訊儲存於該數位信號處理單元中,因而移除該第二A/D轉換器之需要。
儘管已結合特定具體實施例來說明本發明,但其並非意欲限於本文所提出的特定形式。相反,本發明之範疇僅受隨附申請專利範圍之限制。
10...開關模式的功率放大裝置
12...天線
32...基地台
34...行動台
A/D1...第一A/D轉換器
A/D2...第二A/D轉換器
AE
...估計之射頻振幅
Av
...放大階段/增益
BPF...帶通濾波器
C...載子
D/A...D/A轉換器
DSP...信號處理單元
EI...包絡信號輸入
LPF...低通濾波器
N...廣域網路
PA...放大單元
PWM...調變單元
SUB...算術組合單元/減法單元
Vdd...供電電壓
已結合附圖更詳細地說明本發明,其中:圖1繪示依據本發明之一具體實施例的一開關模式的功率放大裝置之一示意性方塊圖,圖2繪示依據本發明之一具體實施例的放大一射頻信號之一方法的一流程圖,圖3示意性繪示彼此進行通訊的兩個無線電傳輸裝置(一為基地台而一為行動台),其中每一裝置皆可包括依據本發明之一功率放大裝置,以及圖4繪示一蜂巢式電話之形式的一行動台之一正視圖。
10...開關模式的功率放大裝置
12...天線
A/D1...第一A/D轉換器
A/D2...第二A/D轉換器
AE
...估計之射頻振幅
Av
...放大階段/增益
BPF...帶通濾波器
C...載子
D/A...D/A轉換器
DSP...信號處理單元
EI...包絡信號輸入
LPF...低通濾波器
PA...放大單元
PWM...調變單元
SUB...算術組合單元/減法單元
Vdd...供電電壓
Claims (19)
- 一種放大一射頻信號的方法,其包含以下步驟:接收(14)一包絡信號(E),將一估計之射頻振幅(AE )與該包絡信號(E)算術組合(16)用於獲得一修改之包絡信號(E'),使用一載子(C)來調變(20)該修改之包絡信號(E')用於獲得一調變之信號,放大(22)該調變之信號用於獲得一輸出信號(O),低通濾波(26)該輸出信號(O),以及處理(28)經濾波之信號(Vf)用於獲得該估計之射頻振幅(AE )。
- 如請求項1之方法,其中處理該經濾波之信號的步驟亦係基於該輸出信號(O)之振幅。
- 如請求項2之方法,其中該輸出信號之該振幅係設定為用於放大該調變之信號的一供電電壓(Vdd)。
- 如請求項2或3之方法,其中該經濾波之信號的處理係基於針對該估計之射頻振幅之一傳立葉展開。
- 如請求項2或3之方法,其中透過下式來獲得該估計之射頻振幅:AE =(2/π)*Vdd*sin(π*Vf/Vdd)其中Vf係該經濾波之信號,Vdd係該輸出信號之該振幅而AE 係該估計之射頻振幅。
- 如請求項1之方法,其中處理該濾波之信號的步驟係在數位信號上加以執行,而該調變之信號與輸出信號係類 比信號。
- 如請求項1之方法,其中處理該包絡信號與修改之包絡信號的步驟包含使用該載子(C)來脈衝寬度調變該信號。
- 一種開關模式的功率放大裝置(10),其包含:一包絡信號輸入(EI),一算術組合單元(SUB),其具有連接至該包絡信號輸入之一第一輸入並提供一修改之包絡信號(E'),一調變單元(PWM),其用於接收該修改之包絡信號並係經組態用以使用一載子(C)來調變此信號用於獲得一調變之信號,一連接至該調變單元之放大單元(PA),用於放大該調變之信號以獲得一輸出信號(O),一回授路徑,其係連接於該放大單元(PA)之一輸出與該算術組合單元(SUB)之一第二輸入之間,該回授路徑包含一低通濾波器(LPF),其用於低通濾波該輸出信號(O),以及至少一信號處理單元(DSP),其用於處理該濾波之信號(Vf)以獲得一估計之射頻振幅(AE )用於提供至該算術組合單元之該第二輸入。
- 如請求項8之開關模式的功率放大裝置,其中該信號處理單元接收該輸出信號(O)之該振幅以將該估計之射頻振幅之獲得亦基於此。
- 如請求項9之開關模式的功率放大裝置,其中該信號處 理單元接收一供電電壓(Vdd),其係由該放大單元(PA)用作該輸出信號(O)之該振幅。
- 如請求項9或10之開關模式的功率放大裝置,其中該濾波之信號的處理係基於針對該估計之射頻振幅之一傳立葉展開。
- 如請求項11之開關模式的功率放大裝置,其中透過下式來獲得估計之信號脈衝振幅:AE =(2/π)*Vdd*sin(π*Vf/Vdd)其中Vf係該經濾波之信號,Vdd係該輸出信號之該振幅而AE 係該估計之信號脈衝振幅。
- 如請求項8之開關模式的功率放大裝置,其在該回授路徑中進一步包含至少一A/D轉換器(A/D1、A/D2)以便將數位信號提供至該信號處理單元,以及一D/A轉換器(D/A)用於確保該調變單元(PWM)接收類比信號,其中該信號處理單元(DSP)係一數位信號處理單元。
- 如請求項13之開關模式的功率放大裝置,其中該D/A轉換器在該回授路徑中係連接於該信號處理單元與該算術組合單元之間。
- 如請求項13之開關模式的功率放大裝置,其中該D/A轉換器係連接於該算術組合單元與該調變單元之間。
- 如請求項8之開關模式的功率放大裝置,其中該調變單元(PWM)係一脈衝寬度調變單元。
- 一種包含至少一如請求項8之開關模式的功率放大裝置的無線電傳輸裝置。
- 如請求項17之無線電傳輸裝置,其係一基地台。
- 如請求項17之無線電傳輸裝置,其係一行動台。
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