產生放大信號的系統和方法
2023-05-04 19:54:31 3
專利名稱：產生放大信號的系統和方法
技術領域：
本發明涉及把信號放大，更具體說，是涉及能使信號高效和/或線性放大的系統和方法。
理想的功率放大器無形變地放大輸入的信號。因此，理想功率放大器的特徵是，有一個沒有傳遞函數(輸入信號對輸出信號)間斷點的線性傳遞函數。但是實際上，功率放大器的傳遞函數存在非線性和「線性」區。功率放大器是否工作在線性或非線性區，依賴於輸入信號的振幅。為了使功率放大器儘可能接近於線性工作，功率放大器要設計成工作在它的線性區內，這個線性區由可能的輸入信號振幅範圍給定。如果輸入信號的振幅使功率放大器工作在線性區外，那麼，功率放大器會對信號帶來非線性分量或失真。當輸入信號具有使放大器飽和(隨著輸入振幅的增加，輸出振幅沒有可察覺的增加)或截止(隨著輸入振幅的減小，輸出振幅沒有可察覺的減小)的峰值振幅時，放大器被過激勵，而輸出信號以非線性方式被限幅或嚴重失真。通常，一個放大器的特徵是有一個限幅閾值，振幅超過限幅閾值的輸入信號，在放大器的輸出即被限幅。除去使信號失真外，輸入信號的限幅或非線性失真還產生頻譜的再增長或產生能干擾相鄰頻率的相鄰信道功率(ACP)。
在無線通信系統中，傳送的消耗的大功率放大常常遇到非常大的峰值對平均功率比值(PAR)。例如，在時分多址(TDMA)系統中，當把多個載波信號組合起來用功率放大器放大時，大量載波合成的PAR約為9-10dB。在碼分多址(CDMA)系統中，單個加載1.25MHz的寬載波，能有11.3dB的PAR。這些信號必須完美地線性地放大，以避免產生ACP。
遺憾的是，基站放大器的效率反比於它的線性。為獲得高線性度，放大器的偏置要使之工作在A類或「輕微的」AB類(意指工作更接近A類而不是B類的AB類)。A類工作可獲得的最大AC對DC效率是50％，而AB類放大器則在50到78.5％之間(後者代表B類放大器的最大效率)。特殊的AB類工作越接近A類，其最大效率也越低。對採用場效應電晶體的放大器，工作類別的設定將根據施加的控制靜態(無效)漏極電流的門電壓。對A類工作，門電壓的設定要使無效漏極電流近似在截止與飽和範圍的中央。B類放大器的偏置接近或就在截止上，得到整流的漏極電流波形。AB類放大器的偏置在A類和B類偏置點之間。C類放大器的偏置在截止以下。這樣，當輸入信號的振幅在某個電平以下時，C類放大器不耗散能量。
通常，在近代無線通信系統中嚴格的線性要求，限定使用較低效率的A類或輕微的AB類方式。因此，大量DC功率由放大器耗散，從而產生必須加以控制的熱量，避免降低放大器性能和可靠性。由此，複雜熱漏和風扇的使用成為高線性系統必須的副產品。自然，這些措施加到基站裝備的成本、大小、和重量上。隨著無線通信用戶數量的持續增長，基站的數量和保持其小、輕、和廉價的需求也隨之增長。所以，大量研究集中在要求改善這些系統和其他系統的放大器的效率上。
為能用更高的性能價格比和更高功率效率的放大器，同時維持著一種可接受的線性水平，使用了各種線性化方法。近代放大器依慣例採用前饋校正，以改善主放大器對各類輸入模式的線性。前饋校正的實質，是在前饋路徑上隔離主放大器產生的失真。失真被送至前饋路徑上的校正放大器，被校正放大器放大。前饋路徑上的失真與主信號路徑上的失真組合，抵消主信號路徑上的失真。另一種線性化技術使用預失真。預失真技術在輸入信號被放大之前，計及放大器的傳遞函數特性後對輸入信號進行預失真。於是，從預失真的輸入信號獲得需要的被放大的信號。這些技術有助於改善放大器的效率，同時保持線性，但要能處理信號巨大的峰值，放大器的運行依舊是低效率的。別的線性化技術是存在的。例如像削峰等各種基帶處理技術，減小信號的峰值對平均功率的比值(PAR)，但這些技術趨於使信號降質。PAR數值的減小受可允許的降質的量所限制。另一種技術用輸入信號包絡動態地調整放大器的偏置，使高偏置只在遇到大峰值時才加上去。由於實際困難，還沒有看到真正實現這一技術。
由於潛在的高峰值功率，CDMA、TDMA、和頻分多址(FDMA)的基站，通常使用工作在AB方式的射頻(RF)放大器，且以大電流偏置，以便能夠處理這些峰值功率。這些放大器的效率通常低於10％。這個低效率導致更高的功率消耗、更低的整體可靠性、和更高的工作溫度。因此，需要更高效率的功率放大器體系，它能以線性方式放大具有潛在高峰值功率的信號。
本發明是一種信號放大系統，它包含把一個信號分解為兩個或更多部分，放大這些部分，然後組合被放大的各個部分，產生被放大的信號。所作的分解要使得到的各部分具有適合於高效地放大的特性。例如，待放大信號的分解能夠用至少一個閾值來完成。待放大信號的第一部分能夠用該信號在閾值內的部分形成。這樣，因為該第一部分形成一個有較低PAR的信號，所以信號的第一部分能比原來信號更高效率地放大。信號的第二部分能夠用原來信號在閾值之外的部分形成。因為第二部分幾乎為零，所以第二部分能夠高效地放大，例如用C類放大器，它在輸入信號為零時不耗散任何能量。
本發明的其他方面和優點，閱讀下面詳細的說明和參考附圖後，將看得更加清楚。
圖1畫出有40個全價用戶的兩種CDMA載波的PAR和設定為總功率15％的導頻信號功率；圖2按照本發明原理，畫出信號分解為閾值之內和閾值之外的兩部分；和圖3按照本發明原理，畫出一種示範的放大器體系，它用基帶數字設備把信號分解。
下面通過各個演示性實施例，說明利用本發明原理的功率放大器方案，改善有巨大PAR的信號的功率放大效率。圖1畫出IS-95碼分多址(CDMA)1.25兆赫(MHz)載波的PAR曲線12，和CDMA 20001X載波的PAR曲線14。關於IS-95的說明，可在如EIA/TIA/IS-95(Electronic Industries Association/Telecommunication IndustryAssociation/Interim Standard 95)認證的標準中找到，標題是「MobileStation-Base Station Compatibility Standard for Dual-ModeWideband Spread Spectrum Cellular System」,March 1993(「IS-95」)。CDMA 2000的說明可在如EIA/TIA/IS-2000的標準中找到，標題是「Spread Spectrum Digital Technology-Mobile and PersonalCommunications Standards.」IS-95載波和CDMA 2000載波兩者都以40個全價用戶為滿載，且導頻功率是總功率的15％。如圖1所示，在峰值出現概率為10-4(指某峰值超過平均功率某個電平的機會是1/10,000)時，加載的單個載波IS-95載波有約11.3dB的PAR，而加載的單個載波CDMA 2000載波有約9.6dB的PAR。
用基於功率電平的某個分離閾值，例如超過平均功率6dB，能夠把信號分解為各部分。圖1指出，用超過平均功率6dB的分離閾值，CDMA 2000信號約98％在分離閾值之內並形成有較低的PAR(近似6dB)的一個信號部分，而該信號約有2％超過閾值並形成有98％的時間是零的一個信號。圖1還指出IS-95信號約95％在6dB分離閾值之內並形成有較低PAR的一個信號部分，而約有5％的信號超過閾值。
圖2用圖形畫出信號16的分解。在此圖中，信號是作為有某個信號電平，如電壓電平，依時間畫出的，而分離閾值20則以正的和負的信號電平為基礎。分離閾值如圖1的說明建議那樣，能夠以振幅或功率電平為基礎。例如，有同相(I)和正交(Q)兩個分量的信號的功率電平是VI2+VQ2，而分離閾值能夠以某個功率電平為基礎。這樣，信號的一部分在分離閾值之上，而另一部分則在分離閾值之下。信號16分解為在閾值20之內的第一部分18。第一部分18有較低的PAR，從而能比原來信號更高效地放大。信號16還分解為超過閾值20的第二部分22。第二部分幾乎為零並能用C類放大器高效地放大，因為當輸入信號為零時，C類放大器不耗散任何能量。和實施例有關，信號16可以分解為多於兩部分，和/或可以用多個閾值分解原來的信號16。存在分解原來信號16的其他方法。例如，本領域熟練人員應當明白，信號的分解可以在基帶、在中頻(IF)、或在射頻(RF)上用分立元件執行所述功能。存在原來信號16的其他分解，例如至少的第一和第二部分可以是原來信號振幅的一組變化的部分或函數。
圖3畫出一种放大器體系30的綱領性方框圖，其上以數字方式在基帶上實施分解。在這個實施例中，處理單元或電路32在基帶接收數位訊號，並對基帶輸入信號運行分解單元34。分解單元34分解信號，在第一放大器路徑36上產生第一部分，和在第二放大器路徑38上產生第二部分。在此實施例中，第一和第二部分是有區別的，例如有截然不同的時域特性和/或截然不同的頻域特性。第一部分可以是原來信號在閾值以內的部分，而第二部分可以是信號超過閾值的部分。在此實施例中，第二功率放大器(PA2)48從混頻器42接收RF信號並放大第二放大器路徑38上代表原來信號超過閾值的間歇峰值信號。放大器46(PA1)和48(PA2)的輸出在組合器或耦合器50上組合，形成最後被放大的輸出信號。組合器或耦合器50可以是阻抗匹配網絡，如50歐姆網絡的一部分，以維持從放大器46和48看去的輸出阻抗水平。放大器46(PA1)和/或48(PA2)可以是前饋或預失真體系的一部分，或個別地代表用前饋或預失真線性化的放大器。例如，信號的第一和/或第二部分可以被預失真，供46和/或48放大。同樣，放大了的信號可以用前饋線性化。和實施例有關，原來信號可以分解為更多的路徑上的更多的部分，由更多的功率放大器放大，然後組合成被放大的線性輸出信號。
在一種典型的、在模擬域內實現前饋的線性化器電路中，校正放大器必須是非常線性的放大器。如果主放大器出現明顯飽和，會增加主放大器的效率，但誤差信號也有非常大的動態範圍。所以，校正放大器以低的效率工作。在本發明中，第二放大器以高效率工作。此外，在前饋電路中，為保證被放大的帶有失真的信號，與前饋路徑上被隔離的失真在準確的時間組合，以便消除失真，需要模擬的RF延時線，本發明不再需要了。
作為一個例子，如果需要的放大器是用於平均輸出功率為10瓦的信號，信號的PAR經某種基帶峰值限制算法之後是9dB，那麼，這個放大器必須能處理80瓦(9dB轉換成近似8倍)的峰值功率。用體系30，假定組合器50是6dB的定向耦合器，且分離閾值是高於平均值5dB，主放大器46隻須能處理約42.5瓦的峰值功率，它高於10瓦6.25dB，已經計及通過組合器的損耗1.25dB(5dB+1.25dB=6.25dB)。主放大器46放大的信號的PAR，可以算出約為6.4dB，下降了約2.6dB。主放大器46的效率比該單個放大器高出許多。經過組合器50的1.25dB損耗之後，被放大的第一部分能夠有約32瓦的峰值功率。因為我們需要80瓦的功率，輔助放大器48在計及通過組合器50的6dB損耗後，必須處理約43.6瓦的峰值功率，這裡43.6瓦的峰值功率=(80-32)2*6dB]]>(約為4倍)。然而在本實施例中，第二放大器48導通的時間小於5％。在導通時，它放大的信號的PAR可以計算出約為4.9dB。這樣，輔助放大器可以非常高效地工作。
作為比較，給定某種辦法，其中，信號被分解為兩個原來信號的複製品，每一個被兩個放大器放大，每個放大器能處理80瓦的峰值功率，簡單地把兩個放大器的功率組合，得到一個能對9dB PAR的信號送出20瓦平均功率的功率放大器。每個放大器全部時間導通，且運行在10瓦的平均功率上。若用有6dB耦合器和5dB分離閾值的新體系，該體系30能送出18.3瓦的平均功率，略低於前面方案的20瓦。雖然主放大器46在17.9瓦平均功率上運行，但主放大器46的耗散只比前述方案中的一個器件略多，因為靜態偏置耗散(在零輸入功率時的功率耗散)是這類放大器的主要功率消耗。但是，用作輔助放大器的第二放大器48耗散非常少的功率，因為它只有小於5％的時間導通。當它導通時，它耗散的功率不多於另一個放大器。因此，體系30的效率至少比大概50％更高。
除上述實施例外，存在按照本發明原理的功率放大器系統的另外配置，它省去和/或增加一些元件，和/或用上述系統的某些變化或部分。例如，可以在放大器46和/或48之前的信號路徑上放置相移器，調整各部分之間的相對相位，以便調整放大器46和48之間的失配，改善信號的組合。還有，耦合器可以把放大信號的抽樣送至控制電路或處理電路32，以便把控制信號送至相移器，或對信號進行調整以改善性能。此外，已經說明的功率放大器系統的實施例，是用特殊的體系，其中，原來的信號是在數字基帶域內分解，但是，這一分解也可以發生在模擬域內的IF或RF上，或發生在其他放大器或電路裝置內的IF或RF上。例如，輸入信號的分解可以在信號經數字基帶和/或IF轉換之後，在分解電路中的IF或RF上完成。
已經按照用分離閾值把信號分解，對功率放大器系統加以說明，但是，用多個和/或變化的閾值，以及把信號分離成不同部分的其他方法，也能完成分解。已經說明的系統使用耦合器把各部分組合，但是其他組合裝置，如加法器或組合器也能使用。隨著不同的應用，分解和/或功率放大電路，能夠用在或添加到前饋、預失真、或其他線性化或改善效率的技術上。功率放大系統還按照使用分立元件的不同配置，進一步加以說明，但應當指出，藉助本文的披露，本領域一般熟練人員應當清楚，前饋系統及部分前饋系統可以應用專門的集成電路、軟體驅動處理電路、固件、或分立元件的其他布置實現。已經說明的一切，只為表明本發明原理的應用。本領域熟練人員容易識別，無需嚴格遵從這裡演示和說明的示範性應用，也無需偏離本發明的精神和範圍，可以作出本發明的這些或其他各種變型、裝置、或方法。
權利要求
1．一種產生放大信號的方法，所述方法的特徵是把待放大信號(16)至少分解為第一部分(18)和第二部分(22)；放大所述至少的所述第一部分(18)和所述第二部分(22)，以便至少產生放大的第一部分和放大的第二部分；和把所述至少的所述放大的第一部分和所述放大的第二部分組合起來，產生一個放大的信號。
2．按照權利要求1的方法，其特徵在於所述分解還包括所述信號(16)的所述第一部分(18)是作為所述信號在某個閾值(20)內的部分提供的；和所述信號的所述第二部分(22)是作為所述信號(16)超過某個閾值(20)的部分提供的。
3．按照權利要求2的方法，其特徵在於所述分解包括檢測所述信號的振幅；和把所述信號的所述振幅與所述閾值(20)比較。
4．按照權利要求2的方法，其特徵在於所述放大包括以第一放大器(46)放大所述第一部分(18)；和以第二放大器(48)放大所述第二部分(22)。
5．按照權利要求2的方法，其特徵還在於在放大前，把所述第一部分(18)進行上變頻；和在放大前，把所述第二部分(22)進行上變頻。
6．按照權利要求2的方法，其特徵在於所述提供所述第一部分(18)包含提供所述第一部分(18)與所述信號(16)比較，具有減小的峰值對平均功率比值。
7．按照權利要求1的方法，其特徵在於所述組合包含使用匹配阻抗網絡組合所述第一部分(18)和所述第二部分(22)。
8．按照權利要求7的方法，其特徵在於所述使用包括使用定向耦合器(50)組合所述第一部分(18)和所述第二部分(22)。
9．按照權利要求3的方法，其特徵在於所述分解包括在基帶數字域內完成所述信號的所述分解。
10．一種信號放大系統(30)，其特徵在於電路(32)的配置要能分解待放大的信號，並至少在第一路徑(36)上產生第一部分(18)和在第二路徑(38)上產生第二部分(22)；在所述第一路徑(36)上的第一放大器(46)，接收所述第一部分(18)並放大所述第一部分，產生放大的第一部分；在所述第二路徑(38)上的第二放大器(48)，接收所述第二部分(22)並放大所述第二部分(22)，產生放大的第二部分；和組合電路(50)的配置要能接收所述放大的第一部分和所述放大的第二部分，並組合所述放大的第一部分和所述放大的第二部分，產生一個放大的信號。
11．按照權利要求10的系統，其特徵在於所述電路(32)的配置要能把所述信號(16)的振幅與閾值(20)比較，並產生所述信號在閾值(20)以內的部分，作為所述第一部分(18)，還產生所述信號(16)超過閾值(20)的部分，作為所述第二部分(22)。
全文摘要
一種信號放大系統,包括把信號分解為兩個或更多部分,放大各部分,然後組合放大的各部分,產生放大的信號。這一分解要使得到的各部分具有適合於高效放大的特性。例如,可以用至少一個閾值把待放大信號分解。待放大信號的第一部分,可以由信號在閾值內的部分形成。這樣,因為第一部分形成的信號有較低的PAR,所以信號的第一部分能夠比原來信號更高效地放大。信號的第二部分可以由原來信號超過閾值的部分形成。
文檔編號H03F1/32GK1299186SQ0012855
公開日2001年6月13日 申請日期2000年11月17日 優先權日1999年11月19日
發明者馬正翔, 保羅·A·波拉考斯 申請人:朗迅科技公司