用於通信系統的功率放大器的製作方法

2023-07-02 09:22:56

專利名稱：用於通信系統的功率放大器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種信號傳輸系統，更確切地說，涉及一種用於通信系統的功率放大裝置。
背景技術：
通信系統中的最後一步，是將低功率信號放大到可以滿足傳送介質需要的功率。例如，在無線通信發送器中，源信息信號可以有約1毫瓦的功率但是無線信道可能需要的傳輸功率是源信號的上萬倍，達到10瓦。象這種從低功率信號到高功率的放大過程被稱為功率放大，用功率放大器(PA)來實現。
功率放大器有一些很苛刻的要求。它必須準確地放大信號源，不允許使源信號失真，不能傳送信號源頻率範圍之外的能量，它必須工作在源信號的整個頻帶之內，而且它必須以非常高效率的方式滿足上面的要求。對於固定結構和處理技術，傳統的方法是在頻帶、效率和線性之間考慮權衡。改善一種參數的性能必須降低另一種參數的性能。
過去，以調製之後易於放大的方式來調製信息信號，可以避免(並沒有解決)功率放大器的設計問題。比如，被FM(調頻)調製的數字源信號可以用便宜並且高效的C類放大器來放大其功率。不幸的是，易於放大的調製方案如今已經不被廣泛採用，因為這些調製方案通常情況下或者在頻譜方面效率低(例如FM)或者在其傳輸功率的利用方面效率低(例如AM(調幅))。
象QAM(正交幅度調製)這樣的現代調製方案沒有使用任何技巧，而且功率放大也成為不可迴避的問題。現代的發送器必須可以接收寬帶寬信號，其中信息被攜帶在傳送信號的幅值和相位中。
已經提出幾種結構來構造一種有效、寬帶寬、線性的放大器，其中一種結構被稱為LINC結構，它代表使用非線性元件的線性放大器。該結構也被稱作「異相器」和「Chireix」。
如圖1所示，LINC結構的基本原理是數字源信號s(n)被分解器10分解為s1(n)和s2(n)兩個數字分量信號，使得s(n)＝s1(n)+s2(n)。兩個分量信號s1(n)和s2(n)均都具有這樣的性質，對於所有的n值，它們的幅值總是常數。無論數字源信號s(n)看上去如何，數字源信號s(n)的功率是多少，數字分量信號s1(n)和s2(n)的幅值(從而功率)始終保持相同。簡言之，包含有振幅和相位變化的數字源信號s(n)，已經被分解為僅有相位變化的兩個信號。
下面的公式描述了信號分解的操作，並且假設數字源信號s(n)的幅值被限制等於或者小於1。
s1(n)=S(n)2+js(n)1-|s(n)|22|s(n)|]]>s2(n)=s(n)2-js(n)1-|s(n)|22|s(n)|]]>這兩個數字分量信號s1(n)和s2(n)被第一數模轉換器11和第二數模轉換器12轉換為兩個模擬信號s1(t)和s2(t)。更理想地，通過調製器13，這兩個模擬信號s1(t)和s2(t)被調製到理想的載波頻率fc。
調製以後的信號分別被第一功率放大器15和第二功率放大器16進行放大。放大以後的信號x1(t)和x2(t)利用信號合成器17進行合成，從而得到輸出信號x(t)，通過天線傳輸出去。
該結構之所以受到關注的原因在於，雖然它需要兩個功率放大器，但是由於進入到這些功率放大器的信號具有易於放大的特徵，所以比起單個功率放大器而言，該結構中的功率放大器非常易於構造。特別地，進入到功率發大器的信號是可以用簡單、便宜的放大器(比如說但不僅僅限於C型放大器)來放大的，幅值為常數的信號。
實際中，這種結構僅具有有限的用途，其原因是因為它對兩個放大器之間的增益和相位不平衡非常敏感。如圖2a所示的例子，X軸的範圍從-fs/2到+fs/2，其中fs代表數模轉換器的採樣速率，同時等於數字源信號s(n)以及兩個分量信號s1(n)和s2(n)的採樣速率。以x(ζ)表示的Y軸，用dB(分貝)來度量，對於相對測量很有效。例如，既然通頻帶在0dB的位置，那麼可以說噪聲能量在低於通頻帶30dB處開始出現。圖2b顯示了圖2a中通頻帶的放大結果。圖2b中X軸的範圍從大約-0.025fs/2到大約0.3fs/2。圖2a和圖2b中的兩條曲線是相同數據的繪圖結果，但是比例不同。
從圖2a及2b中可以看出，0.25dB的增益不平衡導致了頻帶外噪聲在低於通頻帶30dB處開始出現。
此外，對於一個給定的增益不平衡，引入的噪聲並非與輸入功率成正比。例如，在上面具有一個全功率信號源的方案中，頻帶外發射存在於通頻帶以下30dB處。如果源功率下降12dB(舉例說)，頻帶外發射不會下降12dB。它們會穩定在固定的絕對功率值。所以，頻帶外發射會在通頻帶下18dB的位置。
圖3a顯示了源信號、中間信號(由兩個模擬信號合成的信號s1(t)+s2(t))和用於通信系統的常規功率放大器裝置的輸出信號x(t)之間的關係，其中，數字源信號是全功率源信號。圖3b顯示了源信號、中間信號(由兩個模擬信號合成的信號s1(t)+s2(t))和用於通信系統的常規功率放大裝置中輸出信號x(t)之間的關係，其中，數字源信號是弱源信號。在圖3a和3b中，兩條脈動線顯示的是引入的輸出噪聲。
從圖3a和3b中可以看出，引入的輸出噪聲總是疊加在一個絕對功率值上，與輸入的功率值無關。這是由於放大器不平衡導致的噪聲與模擬信號s1(t)和s2(t)的功率有關。這些信號的功率是常數，所以由放大器不平衡導致的噪聲也會是常數。它並不取決於輸入信號的強度。
於是，因為噪聲沒有隨著源信號的功率上下浮動，所以對頻帶外噪聲的要求不僅僅是對傳輸的dBc(相對於載波的分貝數)要求。實質上，這種要求包括dBc要求，並且加上所希望的輸出信號的動態範圍。如果輸出信號的平均功率預計變化20dB同時頻帶外放射的要求是30dBc，那麼由放大器不平衡引起的噪聲必須在最大輸出功率以下50dBc的位置。
這種對於增益不平衡而產生的敏感問題，通常通過以下途徑解決，或者利用複雜網絡來補償放大器的不平衡，或者利用複雜的測量裝置來測量每一個部件的性能，從而保證僅僅採用具有相似性能的裝置。
該結構另外的問題是兩個放大器總是工作在全功率的狀態下。例如，如果在天線中需要20瓦，則每一個放大器會產生10瓦並且所有的能量會被傳送到天線。然而，如果僅僅需要1瓦，每一個放大器仍然輸出10瓦。天線傳送出1瓦，其餘的19瓦將會被浪費並在合成器中以熱量的形式耗散掉。
放大器必須工作在全功率狀態這一事實降低了放大器的效率，並且需要大容量的網絡線來供給所需的功率，需要使用大備用電池，在合成器中還需要使用散熱器。

發明內容
本發明的目的是提供一個用於通信系統的功率放大裝置來解決現有技術中存在的上述問題，其中，不需要複雜的網絡來補償放大器的不平衡，不需要複雜的測量裝置來測量每個功率放大器的絕對性能，功率放大器的能量消耗被降低，利用更小容量的功率網絡線，需要更小/更少的備用電池，以及能夠使用更小的散熱器。
為了達到上述目的，提供一個功率放大裝置。依據本發明，用於通信系統的功率放大裝置包含一個分解器，用於將數字源信號分解為第一數字分量信號和第二數字分量信號；第一數模轉換器，用於將第一數字分量信號轉化為第一模擬信號；第二數模轉換器，用於將第二數字分量信號轉換為第二模擬信號；第一功率放大器，用於放大第一模擬信號以得到第一放大信號；第二功率放大器，用於放大第二模擬信號以得到第二放大信號；一個信號合成器，用於組合第一放大信號和第二放大信號，得到通過天線傳輸的輸出信號。用於通信系統的功率放大裝置還包括功率檢測和增益係數計算裝置和第三放大器，用於將要被所述的分解器分解的數位訊號放大；所述功率檢測和增益係數的計算裝置檢測所述數位訊號的功率值，依據檢測到的所述數位訊號的功率值，來調節第三放大器的增益係數和第一功率放大器以及第二功率放大器的增益係數。
簡言之，本發明涉及增加一個可用來測量數字源信號的平均功率並計算兩個增益係數的電路，增加一個在分解器前面的增益裝置，並對兩個功率放大器增加增益控制。
在操作中，如果功率檢測和增益係數計算裝置檢測出數字源信號的功率為低，將增加被輸送到分解器信號的增益，從而分解器總是接收全功率信號。另外一方面，第一和第二放大器會將它們自己的增益係數減小，其減小的量與進入分解器的信號的增益的增加量相同，從而使系統的總增益係數保持不變。
這樣，放大器將總是利用兩個放大器的全功率產生信號。放大器增加的噪聲將總是相對於全功率信號，與輸入信號的功率無關。因為在輸出端並非一直需要全功率，因此將調節功率放大器的增益係數，以將信號功率和噪聲功率降低到要求的傳送功率值。
這種情況下，對放大器之間平衡的要求被降低了。繼續先前提到過的例子，即使輸入功率有20dB的動態範圍，對放大器平衡的要求仍然僅僅是30dB。放大器的平衡顧及相鄰信道噪聲，功率檢測和增益係數計算裝置將會顧及信號功率和噪聲功率的增大和降低。
這樣，不需要複雜的網絡來彌補放大器的不平衡。同時也不需要複雜的測量裝置來測量每個功率放大器的絕對性能。
進一步而言，改變放大器的DC(直流)電源電壓，可以調節放大器的增益係數。同時也可以降低它們的功率消耗。例如，如果天線僅需要1瓦的功率，那麼功率放大器的DC電源將會降低從而只產生1瓦的總功率。在常規結構中，如果僅需要1瓦，功率放大器仍會產生9瓦的功率。
這樣，因為功率放大器的效率提高了，無需大容量網絡線來提供所要的功率。備用電池的尺寸減小了。而且，也避免了在合成器中對散熱器的要求。


圖1所示的是用於通信系統的常規功率放大裝置的示意圖；圖2a和圖2b所示的是用於通信系統的常規功率放大裝置中，由於兩個功率放大器的增益不平衡引起的頻帶外噪聲的曲線圖；圖3a所示的是用於通信系統的常規功率放大裝置的源信號、中間信號和輸出信號之間的關係，其中數字源信號是一個全功率源信號；圖3b所示的是用於通信系統的常規功率放大裝置的源信號、中間信號和輸出信號之間的關係，其中數字源信號是弱功率源信號；圖4所示的是根據本發明的用於通信系統的功率放大裝置的示意圖；圖5(a)至圖5(d)所示的是根據本發明的用於通信系統的功率放大裝置的源信號、中間信號、頻帶外噪聲和輸出信號之間的關係，其中，數字源信號是弱功率源信號。
具體實施例方式
圖4所示的是一個根據本發明的用於通信系統的功率放大裝置的示意圖。優選地，用於通信系統的功率放大裝置的數字源信號是全功率輸入信號。例如，如果假設數字源信號的峰值功率為0dB，同時假設功率峰值與平均值的比例為10dB，輸入功率的最大平均值為-10dB。基於這樣一個平均輸入功率，選擇放大器的增益使輸出功率在瓦數上等於輸出功率的希望值。例如，如果希望的輸出功率是10瓦或者是40dBm(分貝毫瓦)，當輸入信號功率是在-10dB時，將會產生該數量的功率值。
如圖4所示，根據本發明的用於通信系統功率放大裝置，包括一個第三放大器22，用於放大數字源信號s(n)，並且產生一個放大的數字源信號作為輸入信號傳送給分解器10。
分解器10將放大的數字源信號分解為第一數字分量信號s1(n)和第二數字分量信號s2(n)。
第一數模轉換器11將第一數字分量信號s1(n)轉換為第一模擬信號s1(t)。
第二數模轉換器12將第二數字分量信號s2(n)轉換為第二模擬信號s2(t)。
調製器13分別調製第一模擬信號s1(t)和第二模擬信號s2(t)，以成為第一調製信號m1(t)和第二調製信號m2(t)，每一調製信號具有所希望的載波頻率fc。
第一功率放大器15放大第一調製信號m1(t)，以得到第一放大信號x1(t)。
第二功率放大器16放大第二調製信號m2(t)，以得到第二放大信號x2(t)。
信號合成器17組合第一個放大信號x1(t)和第二個放大信號x2(t)，以得到一個將被傳送的輸出信號x(t)。
需要注意的是，調製器13是可選的。即使所希望的載波頻率fc的值為零，用於通信系統的功率放大裝置仍然可以工作。換句話說，調製操作絲毫不影響功率放大裝置的性能，比如該功率對於載波頻率為OHz和載波頻率為2GHz的情況同樣生效。
根據本發明的用於通信系統的功率放大裝置還包括一個功率檢測和增益係數計算裝置20。
功率檢測和增益係數計算裝置20檢測數字源信號s(n)的平均功率值，並且根據檢測到的數字源信號s(n)的平均功率值，調節第三放大器22的增益係數g1、第一功率放大器15和第二功率放大器16的增益係數g2。
假設數字源信號s(n)的最大平均功率將要達到-10dB。在這種情況下，數字源信號s(n)的平均功率的測量值被用來調節增益係數g1和g2，從而保證將要進入分解器10的放大的數字源信號總是具有-10dB的功率值。舉例來說，如果測出數字源信號的平均功率是-32dB，那麼設置第三放大器22的增益係數g1，使得放大的數字源信號具有-10dB的功率值。這樣，不平衡的第一和第二功率放大器將向視為是全功率信號的信號添加噪聲。
第一功率放大器15和第二功率放大器16的增益係數g2被用來標度輸出信號x(t)的平均功率，從而使它達到希望的設置。繼續以上的例子，增益係數g2將要被設置到合適的值，使得總增益值為常數。
根據本發明的用於通信系統的功率放大裝置還包括兩個重建濾波器(沒有顯示出來)，其中一個濾波器連接在第一數模轉換器11和調製器13之間，另外一個濾波器連接在第二數模轉換器12和調製器13之間。任何時候只要有數字到模擬的轉換發生，就會產生希望的輸出頻譜，和每fs保持重複的該頻譜圖象。重建濾波器用來過濾掉不再需要的圖象。
根據本發明，數字源信號可以是多載波信號或者是單載波信號。
此外，數字源信號s(n)的調製可以是任何一種方式(GSM(全球移動通信系統)，CDMA(碼分多址接入)，OFDMA(正交頻分復用接入)等)。
有幾種途徑來估計源信號的功率。一種例子是檢查源信號本身，並且估計源信號的功率，也就是說，可以計算出對於每一個輸入樣本的s(n)2的絕對值，然後在一定的平均時間段內將這些值取平均值。這些平均值操作可以利用alpha濾波器來實現，或者直接對N個s(n)2的絕對值求和，然後再被N除。
另外一種方法是利用一些有關信號本身是如何產生的信息。例如，如果已知s(n)是三個信號的疊加結果，每一個具有功率值X，於是，可以推斷出s(n)的功率是3X。這在CDMA系統中是一個很實際的解決方案，因為信號s(n)實質上由幾百個序列的和組成，而且我們知道那些序列中每一條的功率。這種方法需要不同的信號被傳送到功率估計模塊中。源信號s(n)在本方法中並不需要。
另外還存在一些方法可以用於計算一個信號的平均功率，同時本發明並不局限於使用上述例子中的一種。
對於增益係數的計算，假設M是源信號s(n)的最大可能RMS功率，S是源信號s(n)的RMS功率測量值(注意源信號v(n)的RMS功率是v(n)2絕對值的平均值的方根)。在本例中，增益係數g1等於M/S。
假設當源信號在全功率狀態下gn是兩個功率放大器的標稱增益係數，換言之，如果源信號是全功率信號，g1將會是1並且g2將會是gn以在輸出端產生一個為所需功率值的信號。如果源信號不是全功率，g2會等於S/M*gn。
圖5(a)至5(d)顯示了根據本發明的用於通信系統的功率放大裝置的源信號、中間信號、由於增益不平衡而產生的頻帶外噪聲和輸出信號的關係，其中數字源信號是弱功率源信號。
如圖5(a)和圖5(b)所示，在弱功率源信號s(n)的情況下，由第一模擬信號s1(t)和第二模擬信號s2(t)組合形成的中間模擬信號，由於第三放大器22的放大作用而被按比例增加。如果第三放大器的增益係數g1按要求設定，那麼進入到分解器10的信號會一直保持原大小。功率放大器會一直重建一個滿標度信號，從而頻帶外發射的輸出將與輸入信號功率有關。被傳送到天線的輸出信號x(t)由第一和第二功率放大器15和16的公共增益係數g2確定。
假設第一功率放大器15的增益係數g2被設置成gn，同時第二功率放大器16的增益係數等於gn，輸出信號x(t)將會如圖5(c)所示，並且在第一和第二功率放大器之後的SNR值仍然非常高，仿佛輸入信號是全功率一樣。然而，根據本發明，第一功率放大器15和第二功率放大器16的增益係數g2是按照g1＝M/S，g2＝gn*S/M的關係設置的，所以輸出信號x(t)(包括通帶和噪聲)被按比例降低，如圖5(d)所示。
根據本發明，數字源信號不必以零頻率居中。它可以以中間頻率(所謂的IF頻率)居中。
重要的是，本發明可以而且將要在無線通信領域中應用，但是它不局限於這些用途。本發明可以用於其他的傳輸介質，比如說攜帶光學信號的介質，或者攜帶射頻信號的電纜。
進一步地，本發明適用於所有但不限於以下的調製方案，包括CDMA，OFDMA，FM，QAM，DQPSK(差分四相相移鍵控)，以及未來的調製方案。
進一步地，本發明或者可以適用於由單一信號組成的源信號s(n)，或者由幾個載波組成的多載波信號。
進一步地，幾種不同的方法可以考慮用來計算輸入信號的功率，其中包括或者簡單計算N個樣本信號的平均值，或者IIR平均，或者是某些形式的預測過濾。本發明不局限於上述的功率計算方法。
權利要求
1.一種用於通信系統的功率放大裝置，包括一個用於將數字源信號(s(n))分解為第一數字分量信號(s1(n))和第二數字分量信號(s2(n))的分解器(10)；一個用於將第一數字分量信號(s1(n))轉換為第一模擬信號(s1(t))的第一數模轉換器(11)；一個用於將第二數字分量信號(s2(n))轉換為第二模擬信號(s2(t))的第二數模轉換器(12)；一個用於將第一模擬信號(s1(t))放大，得到第一放大信號(x1(t))的第一功率放大器(15)；一個用於將第二模擬信號(s2(t))放大，得到第二放大信號(x2(t))的第二功率放大器(16)；一個用於將第一放大信號(x1(t))和第二放大信號(x2(t))組合得到通過天線傳送出去的輸出信號x(t)的信號合成器(17)；其中，用於通信系統的功率放大裝置還包括功率檢測和增益係數計算裝置(20)和第三放大器(22)，該放大器用於放大被所述分解器(10)分解的所述數位訊號(s(n))；所述功率檢測和增益係數計算裝置(20)檢測所述數位訊號(s(n))的功率值，並且依據檢測到的所述數位訊號(s(n))的功率值，調節第三放大器(22)的增益係數(g1)和第一功率放大器(15)與第二功率放大器(16)的增益係數(g2)。
2.根據權利要求1所述的用於通信系統的功率放大裝置，其中所述功率放大裝置還包括一個調製器(13)，用於分別將第一模擬信號(s1(t))和第二模擬信號(s2(t))調製到希望的載波頻率(fc)，這些信號分別被傳送到第一功率放大器(15)和第二功率放大器(16)。
3.根據權利要求1或2所述的用於通信系統的功率放大裝置，其中所述功率檢測和增益係數計算裝置(20)調節第三放大器(22)的增益係數(g1)從而使得所述分解器(10)接受到一個全功率信號。
4.根據權利要求3所述的用於通信系統的功率放大裝置，其中所述功率檢測和增益係數計算裝置(20)調節第一功率放大器(15)和第二功率放大器(16)的共同的增益係數(g2)，從而使得所述功率放大裝置的總增益係數保持常數。
5.根據權利要求1或2所述的用於通信系統的功率放大裝置，其中所述數字源信號(s(n))是多載波信號。
6.根據權利要求1或2所述的用於通信系統的功率放大裝置，其中所述數字源信號(s(n))是單一載波信號。
7.根據權利要求1或2所述的用於通信系統的功率放大裝置，其中所述數字源信號(s(n))的調製是GSM，CDMA，OFDMA等中的任何一種。
8.根據權利要求1或2所述的用於通信系統的功率放大裝置，其中所述功率放大裝置進一步包括兩個重建濾波器，其中一個連接在第一數模轉換器(11)和調製器(13)之間，另外一個連接在第二數模轉換器(12)和調製器(13)之間。
9.根據權利要求4所述的用於通信系統的功率放大裝置，其中第三放大器(22)的增益係數(g1)和第一功率放大器(15)與第二功率放大器(16)的共同的增益係數(g2)被調節從而使得第三個放大器(22)增益係數(g1)等於M/S，同時第一功率放大器(15)和第二功率放大器(16)的共同的增益係數(g2)等於S/M*gn，其中M是源信號(s(n))的最大RMS(均方根)功率，S是源信號(s(n))的測量的RMS功率，gn是當源信號(s(n))為全功率時，兩個功率放大器的額定增益係數。
全文摘要
本發明公開了一個用於通信系統的功率放大裝置。它包括一個分解器，兩個數模轉換器，兩個功率放大器和一個信號合成器。在分解器前還包括另外一個放大器，和一個功率檢測和增益係數計算裝置，該裝置用於測量功率放大裝置的源信號的平均功率並且調節相應的三個放大器的增益係數。利用該功率放大裝置，無需複雜的網絡來補償放大器的不平衡，也無需複雜的測量裝置來測量每個部件的絕對性能。利用本發明，採用容量更小的功率網絡線，利用更少的備用電池，採用更少的散熱器。而且，通過改變DC電源電壓，可以調節放大器的增益係數。這樣將會減少他們的功率消耗。
文檔編號H03F3/00GK1695297SQ03824667
公開日2005年11月9日 申請日期2003年2月25日 優先權日2003年2月25日
發明者詹姆斯·佩奧拉斯 申請人:華為技術有限公司