專利名稱：一種高效線性化射頻功率放大裝置及方法
技術領域：
本發明屬于第四代寬帶無線通信技術領域，涉及一種功率放大器，特別涉及一種高效線性化射頻功率放大裝置及方法。
背景技術：
隨著無線通信技術的迅猛發展，面向新一代寬帶無線通信系統應用的射頻系統需求很大。傳統的線性功率放大器只能夠在一定輸入范圍維持線性傳輸，當放大一個寬帶、高功率峰均比值的基帶信號時，功率放大器就會產生嚴重的非線性效應，使得發射信號的EVM質量低，直接影響接收機的接收質量，干擾鄰近信道通信。在實際應用中，為了滿足無線通信信號苛刻的線性放大要求，通常只能采用“回退”技術避免功率晶體管進入到非線性飽和區，其代價則是功率效率降低，一般不超過40%，導致基站成本高，覆蓋受影響。目前，第四代寬帶移動通信系統采用復雜的高階調試、多子載波調制的方式來提 高數據傳輸速率，致使具有非恒定包絡的基帶OFDM信號具有較高的功率峰均比值，對于功率放大器的非線性十分敏感，極易造成射頻傳輸失真。近幾年來，功放線性化技術成為了普遍關注的焦點。其中，預失真線性化技術是基于數學上的反函數思想，采用一個與功率放大器非線性行為相反的非線性“預失真”器進行非線性抵償。目前，基帶數字預失真技術可以提供很好的雜散抑制；自適應預失真技術可以通過反饋補償實際工作中因溫度、環境擾動而引起的功率放大器輸出波動。雖然預失真技術發展較為成熟，但面向第四代寬帶無線通信應用仍然存在一定局限性。因為在實際應用過程中，預失真的效果取決于功率放大器非線性模型的精度，實時處理復雜度較高。因此，為順利推動第四代寬帶無線通信技術，迫切需要探索新的功放線性化方法，更好地解決寬帶應用中的“線性-功效”優化問題。
發明內容
鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種高效線性化射頻功率放大裝置及方法，用于解決寬帶應用中射頻功率放大器的“線性-功效”優化問題。為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種高效線性化射頻功率放大裝置及方法。—種高效線性化射頻功率放大裝置，包括射頻功率放大器、自適應極限環環路、射頻帶通濾波器、數字開關電源；所述射頻功率放大器用以放大射頻信號；所述自適應極限環環路與所述射頻功率放大器相連，用以對所述射頻功率放大器實施非線性負反饋控制；所述自適應極限環環路輸入射頻輸入信號，輸出相位變化隨所述射頻輸入信號調制的脈沖信號；所述數字開關電源與所述自適應極限環環路和射頻功率放大器分別相連，用以控制所述脈沖信號跟蹤所述射頻輸入信號的瞬態功率自適應變化；所述射頻帶通濾波器與所述自適應極限環環路的輸出端相連，用以解調所述脈沖信號，并輸出放大的射頻輸入信號。優選地，所述高效線性化射頻功率放大裝置還包括由載波幅度調制信號控制的數字開關電源；所述數字開關電源在載波幅度調制信號的控制下，控制射頻功率放大器的輸出瞬態功率。優選地，所述載波幅度調制信號包含載波瞬時功率受基帶幅度調制的信息；所述載波幅度調制信號通過對射頻輸入信號的檢波及濾波獲取，或利用基帶I和Q信號，通過數字信號處理器實現幅度信號合成獲取。優選地，所述自適應極限環環路包括減法差分放大器、極限環濾波器、緩沖器；所述減法差分放大器的同相輸入端輸入所述射頻輸入信號；所述極限環濾波器的輸入端與所述減法差分放大器的輸出端相連，輸出端與所述射頻功率放大器的輸入端相連；所述緩沖器的輸入端與所述射頻功率放大器的輸出端相連，輸出端與所述減法差分放大器的反相輸入端相連；所述緩沖器的電源輸入端與所述數字開關電源的輸出端相連；所述緩沖器的輸出端還與所述射頻帶通濾波器相連。優選地，所述緩沖器為含遲滯的非線性遲滯元件。 優選地，所述射頻功率放大器為開關型射頻功率放大器或工作于非線性飽和區的射頻功率放大器。一種高效線性化射頻功率放大方法，包括以下步驟步驟一,采用射頻功率放大器放大射頻輸入信號；步驟二，采用自適應極限環環路對所述射頻功率放大器實施非線性負反饋控制，使所述射頻功率放大器輸出相位變化隨所述射頻輸入信號調制的脈沖信號；同時采用數字開關電源在載波幅度調制信號的控制下，控制所述脈沖信號跟蹤所述射頻輸入信號的瞬態功率自適應變化；步驟三，采用射頻帶通濾波器解調所述脈沖信號，輸出放大的射頻輸入信號。優選地，所述步驟二還包括采用載波幅度調制信號控制所述數字開關電源，進而實現對于自適應極限環環路的自適應控制；所述載波幅度調制信號通過對射頻輸入信號的檢波及濾波獲取或利用基帶I和Q信號，通過數字信號處理器合成獲取。優選地，所述步驟二的詳細實現過程為采用緩沖器對所述射頻功率放大器的輸出信號進行緩沖，輸出緩沖放大信號；采用減法差分放大器對所述射頻輸入信號與所述緩沖放大信號進行比較，輸出誤差 目號;采用極限環濾波器為所述射頻輸入信號與所述誤差信號提供不同的幅度-相位轉移特性，使得誤差信號位于所述自適應極限環環路的高頻極限環頻率附近，遠離所述射頻輸入信號所在頻率。優選地，所述自適應極限環環路的極限環頻率由所述極限環濾波器的轉移特性和所述自適應極限環環路的遲滯特性決定；所述極限環頻率還隨射頻輸入信號的載波幅度自適應變化。優選地，所述極限環頻率的優化遵循非線性控制理論的幅度-相位準則。如上所述，本發明所述的高效線性化射頻功率放大裝置及方法，具有以下有益效果本發明采用自適應極限環環路對開關型射頻功率放大器進行非線性負反饋控制，實現了對任意射頻載波信號的幅度和相位調制，在保持高效低功耗的同時，較好地滿足第四代移動通信系統高階調制和大動態范圍輸出功率的需求。本發明能夠使基站更好地實現高數據傳輸速率傳輸和覆蓋性能，或者有效降低終端功耗，延長電池壽命；且結構簡潔，易于實現，在寬帶移動通信、微波通信、廣播、高保真音響等領域將有廣泛的應用前景。
圖I顯示為實施例一所述的高效線性化射頻功率放大裝置的結構示意圖。圖2顯示為實施例一所述的高效線性化射頻功率放大方法的流程示意圖。圖3顯示為實施例二所述的高效線性化射頻功率放大裝置的結構示意圖。圖4顯示為實施例二所述的高效線性化射頻功率放大方法的流程示意圖。元件標號說明
I射頻功率放大器；2自適應極限環環路；21減法差分放大器；22極限環濾波器；23緩沖器；3射頻帶通濾波器；4數字開關電源；5射頻輸入端口 ；6載波幅度控制端口；7供電電源端口；8射頻輸出端口；9幅度調制信號生成模塊。
具體實施例方式以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式
加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。請參閱附圖。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為復雜。下面結合實施例和附圖對本發明進行詳細說明。實施例一本實施例提供一種高效線性化射頻功率放大裝置，如圖I所示，包括射頻功率放大器I、自適應極限環環路2、射頻帶通濾波器3、數字開關電源4。所述射頻功率放大器I用以放大射頻信號。所述自適應極限環環路2與所述射頻功率放大器I相連，用以對所述射頻功率放大器實施非線性負反饋控制；所述自適應極限環環路輸入射頻輸入信號，輸出相位變化隨所述射頻輸入信號調制的脈沖信號。所述射頻帶通濾波器3與所述自適應極限環環路2的輸出端相連，用以解調所述脈沖信號，并輸出放大的射頻輸入信號；所述數字開關電源4與所述自適應極限環環路2和射頻功率放大器I分別相連，用以控制所述脈沖信號跟蹤所述射頻輸入信號的瞬態功率自適應變化。進一步，所述射頻功率放大器I為開關型射頻功率放大器或工作于非線性飽和區的射頻功率放大器。進一步，所述數字開關電源4由載波幅度調制信號控制；所述數字開關電源在載波幅度調制信號的控制下，控制射頻功率放大器的輸出瞬態功率。所述載波幅度調制信號包含載波瞬時功率受基帶幅度調制的信息；所述載波幅度調制信號通過對射頻輸入信號的檢波及濾波獲取或利用基帶I和Q信號，通過數字信號處理器實現幅度信號合成獲取。優選地，所述自適應極限環環路包括減法差分放大器、極限環濾波器、緩沖器；所述減法差分放大器的同相輸入端輸入所述射頻輸入信號；所述極限環濾波器的輸入端與所 述減法差分放大器的輸出端相連，輸出端與所述射頻功率放大器的輸入端相連；所述緩沖器的輸入端與所述射頻功率放大器的輸出端相連，輸出端與所述減法差分放大器的反相輸入端相連；所述緩沖器的電源輸入端與所述數字開關電源的輸出端相連；所述緩沖器的輸出端還與所述射頻帶通濾波器相連。進一步，所述自適應極限環環路2包括減法差分放大器21、極限環濾波器22、緩沖器23 ;所述減法差分放大器21的同相輸入端輸入所述射頻輸入信號；所述極限環濾波器22的輸入端與所述減法差分放大器21的輸出端相連，極限環濾波器22的輸出端與所述射頻功率放大器I的輸入端相連；所述緩沖器23的輸入端與所述射頻功率放大器I的輸出端相連，緩沖器23的輸出端與所述減法差分放大器21的反相輸入端相連；所述緩沖器23的輸出端還與所述射頻帶通濾波器3相連。所述緩沖器23的電源輸入端與所述數字開關電源4的輸出端相連。更具體地，所述緩沖器23可以為含遲滯的非線性遲滯元件。緩沖器23的輸出端與所述減法差分放大器21的反相輸入端之間的鏈路是寬帶通路，而不必濾波。自適應極限環環路的工作原理是在輸入零激勵的初始條件下，輸出一個周期性的脈沖信號，且脈沖信號的周期固定在一個極限環頻率上。該極限環頻率是由環路內的遲滯特性和極限環濾波器的轉移特性共同決定的。極限環頻率的優化設計遵循非線性控制理論的幅度-相位準則。本發明所述的自適應極限環環路結構不局限于本實施例提供的一種結構，其還可以包括任意由本發明所述思路引申或擴展出的能夠實現自適應極限環環路功能的結構。所述高效線性化射頻功率放大裝置還包括一個射頻輸入端口 5、一個載波幅度控制端口 6、一個供電電源端口 7和一個射頻輸出端口 8。其中，所述射頻輸入端口 5與所述減法差分放大器21的同相輸入端相連；所述載波幅度控制端口 6與所述數字開關電源4相連；所述供電電源端口 7與所述數字開關電源4相連；所述射頻輸出端口 8與所述射頻帶通濾波器3的輸出端相連。高效線性化射頻功率放大裝置的射頻輸入端口即自適應極限環環路的輸入端，在射頻輸入端口加載射頻輸入信號時，射頻輸出端口將輸出相位變化量隨輸入調制(即隨射頻輸入信號調制)的脈沖信號。本發明使得極限環頻率遠高于載波頻率，因此輸出的脈沖信號的諧波成分將遠離射頻分量，這樣再通過一個簡單的濾波器(例如射頻帶通濾波器)就可解調出射頻信號波形。自適應極限環環路輸出的脈沖信號的相位變化量是隨輸入(即射頻輸入信號)連續可變的，這與傳統PWM等受時鐘控制的脈沖調制信號在根本上是不同的。進一步，所述射頻功率放大器為開關型射頻功率放大器。開關型射頻功率放大器具有比線性功率放大器更高的功率效率，但由于功率晶體管工作于開關模式，呈現極度非線性，并不能直接適用于放大峰均比值高的寬帶OFDM信號。本發明采用自適應極限環環路配合開關型射頻功率放大器，就可以彌補其線性功能在帶寬方面的不足，在射頻輸出端獲得線性放大的信號。因為開關型射頻功率放大器的功率效率更高，所以當本發明采用的射頻功率放大器為開關型射頻功率放大器時，再利用自適應極限環環路的非線性負反饋以及載波幅度自適應原理對開關型射頻功率放大器進行負反饋控制，可以實現對任意射頻載波信號的幅度和相位調制，即實現寬帶線性的功率放大功能。本發明所述的高效線性化射頻功率放大裝置的優勢在于能夠在保持高效低功耗的同時，獲得寬帶、大動態范圍的線性化性能；能夠使基站更好地實現高數據傳輸速率傳輸 和覆蓋性能，或者有效降低終端功耗，延長電池壽命。本發明所述的高效線性化射頻功率放大裝置較好地滿足第四代移動通信系統高階調制和大動態范圍輸出功率的需求，在寬帶移動通信、微波通信、廣播、高保真音響等領域將有廣泛的應用前景。本實施例還提供一種高效線性化射頻功率放大方法，如圖2所示，包括以下步驟步驟一,采用射頻功率放大器放大射頻輸入信號。步驟二，采用自適應極限環環路對所述射頻功率放大器實施非線性負反饋控制，使所述射頻功率放大器輸出相位變化隨所述射頻輸入信號調制的脈沖信號；同時采用數字開關電源在載波幅度調制信號的控制下，控制所述脈沖信號跟蹤所述射頻輸入信號的瞬態功率自適應變化。進一步，所述步驟二的詳細實現過程為采用緩沖器對所述射頻功率放大器的輸出信號進行緩沖，輸出緩沖放大信號；其中，所述緩沖放大信號同時也用于驅動負載。特別地，含遲滯的緩沖器提供遲滯非線性，使得自適應極限環環路在零輸入時產生極限環效應。遲滯也可以是功率放大器的遲滯、或其它遲滯非線性元件以及實際射頻電路的延遲。采用減法差分放大器對所述射頻輸入信號與所述緩沖放大信號進行比較，輸出誤差 目號;采用極限環濾波器為所述射頻輸入信號與所述誤差信號提供不同的幅度-相位轉移特性，使得誤差信號位于所述自適應極限環環路的高頻極限環頻率附近，遠離所述射頻輸入信號所在頻率。其中，通過對極限環濾波器的傳遞函數與緩沖器的遲滯非線性特性的優化，使得射頻輸入信號與所述誤差信號在高頻極限環頻率附近，遠離帶內的射頻輸入信號。極限環濾波器可以是低通濾波器、帶通濾波器，或者僅僅是積分器。進一步，所述步驟二還包括采用來自基帶的載波幅度調制信號，通過所述數字開關電源饋入到所述自適應極限環環路的載波幅度控制端口，實現對于自適應極限環環路的自適應控制。即采用載波幅度調制信號控制所述數字開關電源，進而實現對于自適應極限環環路的自適應控制；所述載波幅度調制信號通過對射頻輸入信號的檢波及濾波獲取或利用基帶I和Q信號，通過數字信號處理器合成獲取。步驟三，采用射頻帶通濾波器解調所述脈沖信號，輸出放大的射頻輸入信號。本發明采用一個受射頻信號幅度調制的自適應極限環環路實現對功率放大器的非線性負反饋控制。受射頻信號幅度調制的自適應極限環環路的工作原理是在線性功率放大器的載波幅度控制端口將射頻幅度信號驅動數字開關電源，控制遲滯緩沖器的輸出信號，使該輸出信號跟蹤射頻信號幅度的變化。本發明對自適應極限環環路增加了受載波幅度調制信號的控制能力，使極限環頻率隨射頻輸入信號的幅度而自適應變化，從而使得脈沖輸出信號的相位變化能夠更加及時地跟蹤射頻輸入信號的瞬態功率變化，大大地降低了脈沖信號諧波成分，從而獲得了良好的線性化性能。本發明利用非線性控制論、融合多種誤差抑制方法，巧妙地將寬帶射頻調制信號轉化為了相位可連續調制的脈沖波形，從而與“開關型”功放的快速特性實現良好配合，在發揮“開關型”功放的高效率的同時獲得了寬帶的線性化性能，較好地滿足第四代移動通信系統高階調制和大動態范圍輸出功率的需求。本發明能夠使基站更好地實現高數據傳輸速率傳輸和覆蓋性能，或者有效降低終端功耗，延長電池壽命，可廣泛應用于數字電視廣播通信、衛星通信、雷達等的發射系統。實施例二 本實施例提供一種高效線性化射頻功率放大裝置，如圖2所示，其與實施例一的區別在于所述高效線性化射頻功率放大裝置還包括與所述數字開關電源4相連的幅度調制信號生成模塊9，所述幅度調制信號生成模塊9輸出所述射頻輸入信號的載波幅度調制信號；所述數字開關電源4在所述射頻輸入信號的載波幅度調制信號的控制下，控制射頻功率放大器的輸出瞬態功率。具體地，所述幅度調制信號生成模塊9可采用射頻包絡檢波器或基帶I和Q數字信號處理器。本實施例還提供一種高效線性化射頻功率放大方法，如圖4所示，其與實施例一的區別在于所述載波幅度調制信號是由設于高效線性化射頻功率放大裝置內部的幅度調制信號生成模塊9獲取的，而不是由載波幅度控制端口直接輸入的。綜上所述，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。
權利要求
1.一種高效線性化射頻功率放大裝置，其特征在干，所述高效線性化射頻功率放大裝置包括 射頻功率放大器，用以放大射頻信號； 自適應極限環環路，與所述射頻功率放大器相連，用以對所述射頻功率放大器實施非線性負反饋控制；所述自適應極限環環路輸入射頻輸入信號，輸出相位變化隨所述射頻輸入信號調制的脈沖信號； 數字開關電源，與所述自適應極限環環路和射頻功率放大器分別相連，用以控制所述脈沖信號跟蹤所述射頻輸入信號的瞬態功率自適應變化； 射頻帶通濾波器，與所述自適應極限環環路的輸出端相連，用以解調所述脈沖信號，并輸出放大的射頻輸入信號。
2.根據權利要求I所述的高效線性化射頻功率放大裝置，其特征在于所述高效線性化射頻功率放大裝置還包括由載波幅度調制信號控制的數字開關電源；所述數字開關電源在載波幅度調制信號的控制下，控制射頻功率放大器的輸出瞬態功率。
3.根據權利要求2所述的高效線性化射頻功率放大裝置，其特征在于所述載波幅度調制信號包含載波瞬時功率受基帶幅度調制的信息；所述載波幅度調制信號通過對射頻輸入信號的檢波及濾波獲取，或利用基帶I和Q信號，通過數字信號處理器實現幅度信號合成獲取。
4.根據權利要求I所述的高效線性化射頻功率放大裝置，其特征在于所述自適應極限環環路包括減法差分放大器、極限環濾波器、緩沖器；所述減法差分放大器的同相輸入端輸入所述射頻輸入信號；所述極限環濾波器的輸入端與所述減法差分放大器的輸出端相連，輸出端與所述射頻功率放大器的輸入端相連；所述緩沖器的輸入端與所述射頻功率放大器的輸出端相連，輸出端與所述減法差分放大器的反相輸入端相連；所述緩沖器的電源輸入端與所述數字開關電源的輸出端相連；所述緩沖器的輸出端還與所述射頻帶通濾波器相連。
5.根據權利要求4所述的高效線性化射頻功率放大裝置，其特征在于所述緩沖器為含遲滯的非線性遲滯元件。
6.根據權利要求I所述的高效線性化射頻功率放大裝置，其特征在于所述射頻功率放大器為開關型射頻功率放大器或工作于非線性飽和區的射頻功率放大器。
7.一種高效線性化射頻功率放大方法，其特征在于，所述高效線性化射頻功率放大方法包括以下步驟 步驟一，采用射頻功率放大器放大射頻輸入信號； 步驟ニ，采用自適應極限環環路對所述射頻功率放大器實施非線性負反饋控制，使所述射頻功率放大器輸出相位變化隨所述射頻輸入信號調制的脈沖信號；同時采用數字開關電源在載波幅度調制信號的控制下，控制所述脈沖信號跟蹤所述射頻輸入信號的瞬態功率自適應變化； 步驟三，采用射頻帶通濾波器解調所述脈沖信號，輸出放大的射頻輸入信號。
8.根據權利要求7所述的高效線性化射頻功率放大方法，其特征在干，所述步驟ニ還包括采用載波幅度調制信號控制所述數字開關電源，進而實現對于自適應極限環環路的自適應控制；所述載波幅度調制信號通過對射頻輸入信號的檢波及濾波獲取，或利用基帶I和Q信號，通過數字信號處理器合成獲取。
9.根據權利要求7所述的高效線性化射頻功率放大方法，其特征在于，所述步驟ニ的詳細實現過程為 采用緩沖器對所述射頻功率放大器的輸出信號進行緩沖，輸出緩沖放大信號； 采用減法差分放大器對所述射頻輸入信號與所述緩沖放大信號進行比較，輸出誤差信號; 采用極限環濾波器為所述射頻輸入信號與所述誤差信號提供不同的幅度-相位轉移特性，使得誤差信號位于所述自適應極限環環路的高頻極限環頻率附近，遠離所述射頻輸入信號所在頻率。
10.根據權利要求9所述的高效線性化射頻功率放大方法，其特征在于所述自適應極限環環路的極限環頻率由所述極限環濾波器的轉移特性和所述自適應極限環環路的遲滯特性決定；所述極限環頻率隨射頻輸入信號的載波幅度自適應變化。
11.根據權利要求10所述的高效線性化射頻功率放大方法，其特征在于所述極限環頻率的優化遵循非線性控制理論的幅度-相位準則。
全文摘要
本發明提供一種高效線性化射頻功率放大裝置及方法，該裝置包括射頻功率放大器用以放大射頻信號；自適應極限環環路與射頻功率放大器相連，對射頻功率放大器實施非線性負反饋控制；自適應極限環環路輸入射頻輸入信號，輸出相位變化隨射頻輸入信號調制的脈沖信號；數字開關電源與自適應極限環環路和射頻功率放大器分別相連，控制脈沖信號跟蹤射頻輸入信號的瞬態功率自適應變化；射頻帶通濾波器與自適應極限環環路的輸出端相連，解調脈沖信號，輸出放大的射頻輸入信號。本發明在保持高效低功耗的同時，還具有寬帶、大動態范圍的線性放大性能，使基站更好地實現高數據傳輸速率傳輸和覆蓋性能，有效降低終端功耗，延長電池壽命。
文檔編號H03F3/189GK102843108SQ20121036159
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月21日 優先權日2012年9月21日
發明者王萍 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所