優化功率放大器效率的方法和閉環功率放大器控制器的製作方法
2023-04-24 20:59:16
專利名稱：優化功率放大器效率的方法和閉環功率放大器控制器的製作方法
技術領域：
本發明涉及閉環功率放大器失真控制器和優化功率放大器效率的方法。
背景技術：
所有的功率放大器都會導致一個較小或較大程度的失真。失真一般可以按照相位和幅度失真來測量，其中，經過放大器的信號受到不希望的相位和幅度調整，即放大器有非線性的幅度和/或相位特性。在功率放大器用於射頻傳輸的情況下，例如，對於蜂窩移動無線電網絡的基站來說，相位和幅度失真本身表明了在期待發射頻率外的所謂頻率″再生″。從而，在例如載波信號正在被放大的情況中，通過放大器非線性而導致的互調失真和其它失真產生了該載波的副波瓣，副波瓣在相鄰信道中產生不能接受的幹擾從而違反了傳輸要求。
例如，在寬帶碼分多址(W-CDMA)3G蜂窩系統中，每個信道在1.96GHz左右的頻率處被分配了5MHz的頻譜。所謂的3dB點分別地被隔開3.84MHz。這些需求被設置來允許相鄰的5MHz信道在沒有不能接受的幹擾之下被發射(並且實際上說明書比這說得更加詳細)。從而，如果功率放大器中的失真(或基站中別處的失真)使得功率在3.84MHz頻帶外被發射，則其它通信信道可能受到不利影響，並且基站的運行將會違反正式標準並且不能被使用。
為了克服這個問題的″線性″功率放大器的現有技術中的幾個技術是已知的。傳統方法是使用圍繞放大器的前饋網絡，該前饋網絡調諧放大器和網絡組合的特徵來補償放大器中的非線性。然而，這些網絡布置起來很複雜並且圍繞主功率放大器的網絡需要與主功率放大器有類似功率容量的第二個″誤差放大器″。因為功率放大器構成了元線電發射機(例如用於蜂窩無線電通信基站)成本的重要部分，所以用作誤差放大器的附加放大器的成本是一個很重大的不利因素。
標題為″Amplitude and Phase Comparator for MicrowavePower Amplifier″(微波功率放大器的幅度和相位比較器)的，在共同未決的美國申請號09/945,171中描述的另一個方法是在信號進入放大器之前對其施加所謂的″預失真″。預失真一般應用反向的相位和幅度失真(它是相位和幅度失真的反向，相位和幅度失真，已知將當信號經過放大器時由放大器所導致)。從而，通過在放大之前給信號施加反向的失真，預失真和功率放大器固有的非線性之和使得放大器的輸出失真得到明顯的淨減少。然而，還可以如下所述地對該技術進行完善。
發明內容
因此，本發明的目的是在現有技術方案中對失真控制、功率放大器效率和/或最大許可發射功率提供改進，並且特別是對於用於蜂窩移動無線基站的功率放大器。
根據本發明的第一方面，提供了閉環功率放大器失真控制器，包括輸出測量裝置，可操作來測量放大器輸出的預定輸出特性；處理裝置，用於處理由輸出測量裝置產生的測量；和控制裝置，用於響應於被處理的測量而調整放大器操作參數。
例如，輸出特性可以是相位失真、幅度失真或頻譜。
在至少存在相位和/或幅度失真的情況中，注意到當達到放大器的削波點時，失真突然增加。削波點一般是輸出電壓擺幅接近放大器的電源電壓時的點，因為在典型的放大器設計中，輸出電壓不能超過電源電壓。類似地，當放大器提供的電流超過電源可用電流時，削波可能出現。從而，隨著放大器消波時的功率輸出電平，相位和幅度失真突然增加。如果放大器的操作參數是電源電壓和/或放大器增益，則當削波出現時，在放大器輸出端測量的相對於放大器功率輸出的相位梯度和/或失真誤差接近1。從而如下所述，通過調整放大器操作參數來使放大器只運行在削波下(通過測量預定的放大器輸出特性來確定)，放大器可以用最大功率輸出(給出的增益和/或電源電壓)運行，這樣便提高了效率。
類似地，如果輸出特性是頻譜，則電源電壓和/或放大器增益可以一直被改變到輸出頻率特性正好在期待頻率掩模的可接受邊緣內為止(在上面的介紹中被討論)。因為當放大器達到消波點時，頻率掩模將受到很大的幹擾(由於相位和幅度失真)，所以這兩個方案一般產生相同的結果，並且從而使放大器的運行保持在可接受的頻率掩模邊緣內一般將會正好在其削波點或低於其削波點來運行放大器。
根據本發明的第二方面，因此，本發明提供了優化功率放大器的效率的方法，包括測量放大器的輸出特性，其表示放大器導致的失真；和響應於測量的特性來控制放大器的工作參數。
如下所述，因為當放大器正在被艱難″驅動″時，放大器效率通常可以被提高，所以使用這個方法在其消波點或低於其削波點來運行放大器提高了效率。從而，通過在其削波點或低於其削波點驅動放大器，一般可以達到18-20％的效率，然而，操作邊緣必須被嵌入電路設計以允許元件變化和溫度變化的當前構造只能夠實現放大器正常效率的10％。
如上所述，功率放大器構成了蜂窩移動通信基站的成本的重要部分。從而，提高效率意味著儘可能少的功率放大器是給定發射功率所需要的，和/或需要減少電源的輸出功率和冷卻設備。根據基站的成本、和諸如基站的大小之類的環境狀況以及基站的總的電效率，所有的這些減少都是所希望的。
對於本領域普通技術人員來說，通過結合附圖的本發明具體實施例的下列描述，本發明的其它方面和特徵會變得明顯。
圖1是示出在單一信道寬帶碼分多址(W-CDMA)基站放大器中相對於相鄰信道功率(ACP)的功率放大器的輸出功率的圖表；
圖2是示出在5MHz信道間隔和希望的頻率掩模的典型W-CDMA信號的圖表；圖3是示出預失真電路結構的示意框圖；圖4是示出單一信道5MHz W-CDMA基站增加了放大器功率輸出的情況下，所應用的幅度和相位預失真的示意圖表；圖5A是被用於圖3的預失真電路結構的內部幅度和相位查詢表的示意圖表；圖5B是被用於圖3的預失真電路結構的內部輸入包絡二進位計數器的示意圖表；圖6是示出放大器效率和相對於放大器輸出功率的相鄰信道功率的示意圖表；圖7是示出相鄰信道功率比(ACPR)和相對於放大器輸出功率的放大器效率的又一個圖表；和圖8是示出頻譜分析器的電路結構的示意框圖。
具體實施例方式
參考圖1，相對於放大器輸出功率的相鄰信道(相鄰信道功率-ACP)功率的典型曲線2被示出。線條2示出沒有採取測量來處理放大器非線性的典型的放大器特徵。實線4表示按照W-CDMA標準來重新定義的頻帶。信號將不會進入由實線4(包括圖表關鍵)界限的圖表區域。
從而應當注意，標準的未調整放大器的輸出功率沒能符合大約大於36dBm的標準。
如下所述，曲線6表示施加了預失真的相同的放大器。應當注意，放大器(在這個曲線中示出的)甚至在功率電平接近48dBm時充裕地超過標準中定義的邊界條件。還應當注意，曲線6的梯度在48dBm功率電平處接近1。曲線中的″拐點″表示放大器的消波點。因此還應當注意，如果放大器的電源電壓被降低，則表示放大器消波的漸近點(目前大約在48dBm處)會沿著水平軸向圖表下移，直到它達到標準邊界被幹擾的那一點。還應當注意，不同的放大器可能有不同的消波點並且消波點可以隨著溫度而變化。從而，邊緣實際上必須被保持在曲線6和邊界4之間，以使得邊界需求在所有運行情況之下都被滿足。
圖2示出典型的W-CDMA單信道頻譜。曲線8表示被發射的信號(即功率放大器的輸出)和梯形線10表示標準頻率掩模。圖2中示出的頻譜遵守掩模。然而，在相鄰信道功率幹擾圖1的邊界4那一點，可以預料圖2的頻譜會干擾頻率掩模。
其原因可以通過參考圖3和4可知。
圖3示出用於把預失真引入放大器來補償放大器內非線性的修改方案。
功率放大器20具有可變輸出電壓電源單元22。輸入信號24經由調幅器26和調相器28被輸入功率放大器的輸入端。(只是需要延遲線30來提供將預失真被施加給信號的時間並且為了解釋起見而被忽略。)輸出信號的一小部分(典型地感應耦合)被反饋到誤差檢測器子系統32，誤差檢測器子系統32比較輸出抽樣和輸入信號抽樣並且執行相位和幅度誤差測量。包絡檢測器36和相關的圖形保真濾波器38以及量化器40提供用於預失真查詢表34的量化索引。例如，從圖1應當注意，(一般說來)失真隨著放大器功率輸出和因此隨著包絡幅值而增加。
查詢表34包括測量的輸入包絡和調相器28和調幅器26的期望輸入(驅動)值之間的映射，調相器28和調幅器26需要校正由放大器導致的相位和幅度失真。
通過用誤差檢測器子系統和適應32在每個包絡值36實際測量的相位和幅度失真的反饋，調整查詢表的內容。
從而，誤差檢測器子系統32和查詢表34合作產生將由調幅器26和調相器28來施加的適當預失真值以補償特別參考圖4被測量的失真，曲線42示出用於相位校正的查詢表值(對應於由調相器28施加的相位校正值)和用於由調幅器26施加的幅值(或幅度)校正的查詢表值。水平軸示出由包絡檢測器提供的值，其與放大器輸出功率成正比。從而，應當注意，幅度預失真在剛好小於224的量化功率值處變成漸近的。這是放大器中的固有失真很大以至於不能通過預失真來校正的情況(並且實際上對應於放大器的消波點)。
通過修改預失真方案，適應地強迫放大器運行在預定的消波點的小邊緣內是可能的(其在下面被解釋極大地提供了放大器效率的改進)。從而，應當注意，確定是否即將到達消波點的一個特別簡單的方法就是設置圖4的幅度校正曲線上的工作狀態最大目標值和改變一些可控制的參數來實現這類操作。
明顯地，因為這類變化是早些在信號通路中的系統領域(未示出)，所以改變輸入信號是不實際的。圖3中示出的系統功能只不過是在其輸入端放大信號，而沒有導致太多失真以致違反定義傳輸帶寬等等的標準。
然而，例如放大器電源電壓和/或系統增益的兩個示範參數可以被改變。在圖3示出的實施例中，可變輸出電壓的電源單元22給放大器提供電源並且基於預失真查詢表上的工作狀態而被控制。正如以上的討論，電源電壓的減少一般會減少輸出功率，這可以通過沒有消波的放大器來產生。從而，電源電壓的減少可以使放大器接近其消波點來運行(即可以把圖4中的線44的漸近部分向著圖表左邊移動)。
圖5B示出輸入包絡′二進位計數器′。這個′二進位計數器′記錄上一個適應循環中的次數，在該循環中每個輸入包絡值都被記錄。(在這個實施例中，計數器在16停止)。二進位計數器讓系統知道在上一個計數(適應)期間的輸入信號包絡範圍。圖5B示出在上一個適應期間，最高的輸入信號包絡大約在170的值處被記錄。這個信息結合來自校正查詢表(圖5A)的數據來確定怎樣關閉將要削波的系統。如果查詢表中的幅度和/或相位校正值在峰值輸入電平低於它們的最大容許值，則系統被削波運行。
從而，參考圖5A和5B，通過設置幅度校正的目標值，例如按照查詢表值(在圖5A中線44的目標值是1000)，反饋算法可以被用來降低電源電壓直到施加的最大幅度預失真對應於查詢表中的值1000為止。這允許附加值23作為邊緣(應當注意，在圖4和5的曲線中給出的值是二進位值，其是用於控制由單元22和調製器26和28傳遞的可變電壓的數模轉換器的一般應用結果)。其它技術也可以被使用。例如，使相位和/或幅度曲線42和44變得很陡而超出期待限制可以通知消波的開始。
參考圖6和7可以明顯地看出在接近其消波點來運行放大器的優點。兩個圖表中的線50表示相鄰信道功率(圖7中的相鄰信道功率比)，並且因此對應於放大器功率輸出中的失真。與圖1的曲線圖相同，可以看出線50具有對應於放大器消波的拐點和漸近部分。實線52還對應於在傳輸標準中定義的邊界，其不能被幹擾以滿足標準。另一條線54表示放大器效率(按照在相對RF功率輸出中的直流電功率)。應當注意，當放大器接近消波點運行時，放大器效率突然地增加。一般來說，只要邊緣考慮到元件變化、溫度變化等等，基站中的放大器就在大約10％的效率邊緣運行。從而，通過接近消波點來運行放大器，就可以產生實質性的補償(從10％到18％的差異就增加了180％的效率)。
從而，通過適應地相對於給放大器的短期功率輸出需求來設計放大器的消波點(為了確保放大器總是在接近其消波點被驅動)，可以產生驚人的效率改進和隨之而來的上述成本和環境改進。
在上述實施例中，已經被測量的放大器的輸出特性是相位和/或幅度失真。涉及到輸出信號的頻譜分析應用的替換技術被描述如下。該技術允許功率放大器以其最大輸出功率或非常接近其最大輸出功率來運行，從而減少考慮到最糟糕的運行情況和/或單元到單元變化的邊緣以及儘可能地提供上述的效率益處。還應當理解，這兩種技術可以被一起使用。
在這個實施例中，一個簡易接收機(其可以混頻例如下至中間頻率或基帶的信號)被用於放大器的輸出，和一個簡易頻譜分析器(例如在FPGA或ASIC元件中被使用的)被用來處理″接收的″信號。
從而，參考圖8，一個基站包括發射專用集成電路(ASIC)60，其把兩個信道輸入提供到BBPD現場可編程門陣列(FPGA)中。FPGA的輸出被輸入一對數模轉換器64-1和64-2，然後被輸入到一對圖形保真濾波器66-1和66-2。然後使用一對放大器68-1和68-2以及混頻器70來同時被放大和上混頻信號。
信號然後被緩存並且通過可變增益裝置72傳遞。在帶通濾波之後，信號被傳遞到功率放大器74。除了FPGA 62之外，這些通常是常規配置。
然而，圖8的電路已經被進一步修改，其增加了從功率放大器的輸出獲取感應′sniff′的反饋迴路，該反饋迴路包括可變增益裝置76、下混頻器78、放大器80和一對帶通濾波器82和84。反饋信號然後被隔離(隔離器86)並且使用模數轉換器88被採樣。數位化的下混頻的信號然後被反饋到FPGA 62中。
在FPGA 62內，信號可以與頻率掩模(例如圖2中示出的掩模類型)比較，並且因此放大器輸出功率使用可變增益裝置72和/或76被調整直到確定它沒有違反頻率掩模10為止。放大器或收發信機的增益可以被改變以便最大化所給出放大器的輸出功率和電源電壓(這對於第一實施例也可行)，或者按照上述的滿足圖2的頻率掩模10，電源電壓可以被改變以便提高放大器效率。
執行綜合頻譜分析器(除了確保符合頻率掩模之外)的特殊優點在於可以得到信號的其它質量測量，例如波形質量、誤差矢量幅值和/或碼域噪聲。這可以被遠程測量和監控。因為它可以被用來減少特殊的基站觀測所需的訪問頻率，所以這還可以減少基站的運行成本。從而，在上面給出的兩個實施例中，輸出測量可以被用來提供一個綜合診斷能力。例如，這可以通過在基站處理硬體中包含與測量值比較的典型值來實現。當測量值不同於存儲值而超過預定量時，誤差可以被標記，這是因為這可能表示基站內的正在產生或已經產生的故障。
總的來說，蜂窩移動無線電系統中的基站成本的重要部分是功率放大器。從而，所希望的是最大化放大器功率的使用率並且特別是獲得放大器的最佳功率輸出或提高它的性能。然而，這類功率放大器必須運行在嚴格的頻譜邊界內，從而功率放大器一般是超過規格的以確保滿足頻譜需求。通過測量放大器的輸出和確定失真因素並且然後適應地調整放大器的操作特性，放大器需要超過規格的程度可以被減少，並且節省了成本和環境。
權利要求
1.一種閉環功率放大器失真控制器，包括(a)輸出測量裝置，可操作來測量放大器輸出的預定輸出特性；(b)處理裝置，用於處理由輸出測量裝置產生的測量；和(c)控制裝置，用於響應於被處理的測量來調整放大器操作參數。
2.權利要求1的控制器，其中，所述的預定輸出特性是相位失真。
3.權利要求1的控制器，其中，所述的預定輸出特性是幅度失真。
4.權利要求1的控制器，其中，所述的預定輸出特性是頻譜。
5.權利要求1的控制器，包括閉環預失真控制，其被安排來基於所測量的輸出特性對放大器輸入信號自動施加預失真，和其中，處理裝置把所施加的預失真量作為所述輸出特性測量。
6.權利要求1-5中任何一個的控制器，其中，所述的操作參數是給功率放大器提供電源的電源輸出電壓。
7.權利要求1-5中任何一個的控制器，其中，所述的操作參數是功率放大器的增益。
8.一種優化功率放大器效率的方法，包括(a)測量放大器的輸出特性，其表示由放大器導致的失真；和(b)響應於所測量的特性來控制放大器操作參數。
9.權利要求8的方法，還包括處理輸出特性測量來確定相對於操作特性中的改變的測量梯度，和定期調整操作參數來實質上實現所述梯度的期待值。
10.權利要求9的方法，其中，所測量的輸出特性是相位失真，並且其中，表示放大器中的削波失真的期待梯度接近無窮大。
11.權利要求9的方法，其中，所測量的輸出特性是幅度失真，並且其中，表示放大器中的削波失真的期待梯度接近無窮大。
12.權利要求9-11中任何一個的方法，其中，操作參數是功率放大器的電源電壓。
13.權利要求9-11中任何一個的方法，其中，操作參數是放大器增益。
14.權利要求8的方法，還包括比較輸出特性測量和預定閾值以及定期調整操作參數，以及把所測量的輸出特性保持在所述閾值的期待側。
15.權利要求14的方法，其中，輸出特性測量是輸出頻譜，並且閾值是預定頻譜掩模。
16.權利要求14的方法，其中，輸出特性測量是輸出的波形質量。
17.權利要求14的方法，其中，輸出特性測量是誤差矢量幅值。
18.權利要求14的方法，其中，輸出特性測量是輸出中的碼域噪聲。
19.一種閉環功率放大器失真控制器，包括輸出測量裝置，可操作來測量放大器輸出的預定輸出特性；處理裝置，用於處理由輸出測量裝置產生的測量；和控制裝置，用於響應於被處理的測量來調整放大器操作參數，並且其中，所述的預定輸出特性是頻譜。
20.一種閉環功率放大器失真控制器，包括輸出測量裝置，可操作來測量放大器輸出的預定輸出特性；處理裝置，用於處理由輸出測量裝置產生的測量；和控制裝置，用於響應於被處理的測量來調整放大器操作參數，並且其中，所述的預定輸出特性從包括相位失真和幅度失真的組中選擇。
21.一種無線電網絡的基站，包括(a)功率放大器，和(b)閉環功率放大器失真控制器，包括輸出測量裝置，可操作來測量功率放大器輸出的預定輸出特性；處理裝置，用於處理輸出測量裝置產生的測量；和控制裝置，用於響應於被處理的測量來調整功率放大器操作參數。
22.一種包括基站的無線通信網絡，包括(a)功率放大器，和(b)閉環功率放大器失真控制器，包括輸出測量裝置，可操作來測量功率放大器輸出的預定輸出特性；處理裝置，用於處理輸出測量裝置產生的測量；和控制裝置，用於響應於被處理的測量來調整功率放大器操作參數。
全文摘要
本發明涉及優化功率放大器效率的方法和閉環功率放大器控制器。蜂窩移動無線電系統中的基站成本的重要部分是功率放大器。從而，所希望的是最大化功率放大器的使用率並且特別是獲得放大器的最佳功率輸出或者提高其效率。然而，這類功率放大器必須運行在嚴格的頻譜邊界內，並且從而功率放大器一般都超過規格以便確保滿足頻譜需求。通過測量放大器的輸出和確定失真因素並且然後適應地調整放大器的操作特性，放大器需要超過規格的程度可以被減少，並且節省了成本和環境。
文檔編號H03F1/02GK1636314SQ02826111
公開日2005年7月6日 申請日期2002年12月18日 優先權日2001年12月26日
發明者馬丁·奧弗萊厄蒂, 羅馬尼斯·內米什, 戴維·託爾, 戈登·尼爾森, 查爾斯·諾曼 申請人:北電網絡有限公司