專利名稱：用于在寬頻帶上線性化功率放大器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于線性化功率放大器的方法，并且尤其涉及使用這種方法的放大器，它還涉及包括這種功率放大器的發(fā)射器。
一般地，功率放大器被靠近飽和值來應(yīng)用，以獲得這種放大器的最有效的應(yīng)用。但是，靠近飽和值，放大器具有非線性行為，即與小的輸入信號相比，對于高輸入信號增益降低明顯；而且由于公知的AM／PM轉(zhuǎn)換，即由于振幅調(diào)制轉(zhuǎn)換為相位調(diào)制而使輸出信號相位失真。
輸出信號相對于輸入信號的這種失真通常不允許，因?yàn)闆]有恒定的包絡(luò)信號使用。這尤其在電信領(lǐng)域是更實(shí)際，其中功率效率和良好的信號質(zhì)量都是必要的。
為線性化放大器，幾個(gè)方案是公知的。但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)沒有一種傳統(tǒng)的方案能在寬頻帶上提供通常尤其在電信領(lǐng)域所要求的功率效率。例如，在將來的無線電話系統(tǒng)中，使用CDMA(碼分多址訪問)，其中調(diào)制在幾個(gè)MHz的頻帶上延展。實(shí)際上，CDMA中，對于各個(gè)碼元，例如位，被重疊一個(gè)作為高頻的序列的編碼。
直到現(xiàn)在已知的唯一的在非恒定包絡(luò)信號的寬頻帶上的線性化方案是模擬供給轉(zhuǎn)送技術(shù)，其中不提供反饋環(huán)路。它實(shí)時(shí)糾正非線性，即使非線性是依賴于頻率的。在模擬供給轉(zhuǎn)送技術(shù)中，非線性從輸入信號中減去來放大。
但是，這個(gè)方案有很低的功率效率。根據(jù)已有技術(shù)的當(dāng)前狀態(tài)，帶有模擬供給轉(zhuǎn)送線性化的RF放大器的總的功率效率大約是6％并且當(dāng)它不提供有這種線性化時(shí)功率放大器具有大約30％的或更多的效率。而且，模擬供給轉(zhuǎn)送是昂貴的并且明顯提高裝置的尺寸。高成本來自相應(yīng)的電路需要校準(zhǔn)和調(diào)諧這一事實(shí)。
也公知使用數(shù)字預(yù)失真具有良好的效率的優(yōu)點(diǎn)。但是，觀察到放大器的數(shù)字預(yù)失真僅在窄的和中等的頻率帶上能正確工作。
為提供功率放大器的功率效率和寬的頻帶線性化，根據(jù)本發(fā)明的方法的特征在于各個(gè)采樣的輸入信號的瞬時(shí)頻率被測量并且對于各個(gè)實(shí)時(shí)采樣，應(yīng)用依賴于測量的瞬時(shí)頻率的數(shù)字預(yù)失真。
在一個(gè)實(shí)施例中，數(shù)字預(yù)失真用一組查找表執(zhí)行，各個(gè)查找表相應(yīng)于給出的頻率或給出的頻域或子頻帶。
對于各個(gè)實(shí)時(shí)采樣，相應(yīng)于測量的頻率的查找表把預(yù)失真應(yīng)用于輸入信號，其在放大器的輸出補(bǔ)償不表現(xiàn)出預(yù)失真的失真。
在另一個(gè)實(shí)施例中，對于各個(gè)頻率，預(yù)失真由一組作為多項(xiàng)式的系數(shù)的系數(shù)表示，對于該多項(xiàng)式變量是輸入信號的振幅并且對該輸入信號提供必要的預(yù)失真。
用最后一個(gè)實(shí)施例，可能使用比查找表更小的存儲(chǔ)器容量。實(shí)際上，在查找表的情況中，對各個(gè)頻率或頻域必須保持用于輸入信號的振幅值的所有可能的預(yù)失真值在存儲(chǔ)器中；相反，用多項(xiàng)式系數(shù)，僅必須在存儲(chǔ)器中保持一組用于各個(gè)頻率或頻域的系數(shù)。但是，用這一實(shí)施例，必須使用更多的計(jì)算，以從輸入振幅值和系數(shù)獲得(計(jì)算多項(xiàng)式)預(yù)失真。
根據(jù)一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，為限制用于存儲(chǔ)表或系數(shù)的存儲(chǔ)器的容量，代表頻率的信號的準(zhǔn)確度低于輸入信號的振幅的準(zhǔn)確度。因此，可能限制查找表的數(shù)目或系數(shù)組的數(shù)目。例如，如果輸入信號的振幅以16位數(shù)代表，頻率可由4位數(shù)代表。實(shí)際上，已經(jīng)觀察到，盡管非線性是依賴于頻率的，在窄的或中等頻帶上，它們在窄的或中等頻帶的內(nèi)部相對是頻率敏感的。換言之，要被放大的寬頻帶可被分為有限數(shù)目的域，在每個(gè)域中同樣的查找表或同樣的系數(shù)可被使用。
為測量或估測各個(gè)輸入采樣的瞬時(shí)頻率，在一個(gè)實(shí)施例中，兩個(gè)連續(xù)采樣之間的相位被測量，例如當(dāng)前采樣的相位和原來的采樣的相位之間的差，或者當(dāng)前采樣的相位和下一個(gè)采樣的相位之間的差。還可能通過幾個(gè)連續(xù)的采樣的相位差測量的內(nèi)插來估測瞬時(shí)頻率。
一般地當(dāng)采樣在以相位為橫坐標(biāo)I和90°相位差為縱坐標(biāo)Q的直角坐標(biāo)中表示時(shí)，為獲得振幅和相位，必須使用直角坐標(biāo)對極坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，例如卡迪爾(Cordic)轉(zhuǎn)換。這最后一個(gè)轉(zhuǎn)換方法是公知的；它是基于連續(xù)的加減的，可容易地在集成電路中被實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的方法和放大器可根據(jù)D／A轉(zhuǎn)換器的可用性和性能被用于基頻帶或中頻(IF)帶中。
由于功率電壓和其它操作參數(shù)的老化、漂移或改變，必須周期地一次又一次地更新查找表或多項(xiàng)式系數(shù)。這些表或系數(shù)可通過來自放大器的輸出信號的測量和傳統(tǒng)的算法被更新，該算法考慮測量，尤其是考慮輸出和輸入信號之間的比較而修改表或系數(shù)。
用于更新方法的輸入信號可是特定的測試信號或規(guī)則的輸入信號。
在放大器的輸出處信號的測量由接收器來執(zhí)行。在電信設(shè)備的情況下，功率放大器被用于發(fā)射器，其通常與發(fā)射器相關(guān)。在那種情況下，用于輸出信號的測量的接收器可以是與雙工發(fā)射／接收的發(fā)射器相關(guān)的接收器。它還可以是特定的接收器，如相干接收器(外差或超外差式的)。
本發(fā)明一般涉及用于寬頻帶功率放大器的線性化的方法。根據(jù)本發(fā)明，放大器的操作頻帶被分為至少兩組或子頻帶，各個(gè)采樣的輸入信號的瞬時(shí)頻率被測量，以確定它屬于的組或子頻帶，并且把預(yù)失真應(yīng)用于輸入信號，這些預(yù)失真取決于頻率組。
在一個(gè)實(shí)施例中，與頻率相關(guān)的預(yù)失真由一組查找表提供，查找表的數(shù)目等于頻率子頻帶的數(shù)目，對于輸入信號的各個(gè)振幅，查找表包含代表預(yù)失真的振幅和相位的兩個(gè)相關(guān)值。
在另一個(gè)實(shí)施例中，預(yù)失真值通過應(yīng)用多項(xiàng)式的系數(shù)而被計(jì)算，多項(xiàng)式的變量是輸入信號的振幅。
在另一個(gè)實(shí)施例中，采樣的輸入信號的瞬時(shí)頻率由該輸入信號的相位導(dǎo)數(shù)來計(jì)算。
采樣的輸入信號的瞬時(shí)頻率可通過兩個(gè)連續(xù)的采樣的相位作減法來計(jì)算。
輸入采樣的信號在一個(gè)實(shí)施例中由復(fù)平面中的它們的直角坐標(biāo)系表示，并且它們的直角坐標(biāo)被轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)，相位被用于確定頻率組，振幅被用于確定頻率組中的預(yù)失真值。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，瞬時(shí)頻率的測量的準(zhǔn)確度低于輸入信號的準(zhǔn)確度。
預(yù)失真值或系數(shù)可周期地通過測量輸入測試的結(jié)果或放大器的輸出信號上的規(guī)則信號并通過基于該次測量計(jì)算預(yù)失真值或系數(shù)而被更新。
本發(fā)明還涉及該方法在發(fā)射器的功率放大器的線性化中的應(yīng)用。
這種發(fā)射器發(fā)射CDMA信號。
在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)射器包括相干接收器，其被用于更新預(yù)失真值或系數(shù)。
本發(fā)明還涉及該方法在包括帶有要被線性化的功率放大器的發(fā)射器和接收器的站的應(yīng)用，其中接收器被用于測量功率放大器的輸出，用于更新預(yù)失真值或系數(shù)。
本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)通過它的某些實(shí)施例的描述變得明顯，這種描述是聯(lián)系下面的附圖進(jìn)行的

圖1是表示放大器的輸出信號相對它的輸入信號的變化的圖；圖2是頻帶圖，表示本發(fā)明的一方面。
圖3是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的簡單圖示。
示例將參考附圖進(jìn)行描述，該示例涉及用于第三代即目前正在發(fā)展中的(通用移動(dòng)電話系統(tǒng))UTMS的蜂窩電話基站的發(fā)射器／接收器。
這里再次指出在蜂窩電話系統(tǒng)中，各個(gè)用戶經(jīng)被稱為基收發(fā)站(BTS)的基站被連接于網(wǎng)絡(luò)。該站從用戶接收通信并把它們發(fā)射到其它用戶。電信系統(tǒng)的容量依賴于這種基站的性能，并且還依賴于它的功率放大器的效率和RF耦合限制條件。
為最小化這種站的成本并與標(biāo)準(zhǔn)要求的頻譜整形一致，必須使用單一的放大器。當(dāng)該系統(tǒng)在用戶與基站之間應(yīng)用CDMA時(shí)，并且當(dāng)CDMA可被視為在幾個(gè)MHz的寬頻帶上的包絡(luò)線中具有重要變化(由于大量用戶的擴(kuò)展編碼的堆積)的噪音時(shí)，對于這種應(yīng)用在寬頻帶上正確線性化放大器是重要的。如果功率放大器不被線性化，它應(yīng)必須在相鄰的信道之間使用大的防護(hù)頻帶，即未使用的頻譜，以避免由于非線性引起的一個(gè)信道對另一個(gè)信道的干擾，或者把功率放大器的尺寸作得超大(補(bǔ)償)。
圖1是放大器10的操作圖(圖3)，其中表現(xiàn)為，當(dāng)輸入信號Si變得大于給出的值L時(shí)，輸出信號So實(shí)際上保持常數(shù)。放大器的這個(gè)公知的特征被成為“飽和”。
為最佳地使用這種放大器，優(yōu)選地在靠近飽和值處使用它。但是，在這種情況下，增益(比率So／Si)變得振幅和相位不恒定，這種不恒定行為產(chǎn)生輸出信號的帶中失真和帶外干擾，其對于相同頻率或不同頻率的發(fā)射后的信號和同時(shí)要被發(fā)射的信號而言是有害的。
為避免這些非線性，已知應(yīng)用預(yù)失真到輸入信號中，其補(bǔ)償輸出信號中出現(xiàn)的沒有這些預(yù)失真的失真。
根據(jù)本發(fā)明，功率放大器的頻帶△F被分為域或子頻帶△F1、△F2、…△Fn(圖2)，并且對于各個(gè)子頻帶提供相應(yīng)的預(yù)失真。
圖3表示基站，包括上述提到的功率放大器10和相干接收器鏈16。放大器10的輸出經(jīng)耦合器20被連接于發(fā)射器／接收器天線18。耦合器被用于把天線18連接于接收器鏈16的輸入。
接收器鏈?zhǔn)怯糜诜糯笃鞯妮敵鲂盘柕臏y量的專用鏈，以更新表或系數(shù)組，這一點(diǎn)后面將解釋。
要被功率放大器10放大的信號是在32768MHz的采樣頻率的采樣。這些采樣傳統(tǒng)地以它們的復(fù)數(shù)坐標(biāo)I和Q表示。坐標(biāo)I和Q被應(yīng)用于復(fù)合多路復(fù)用器累加器(CMAC)22的各個(gè)輸入221和222，其功能后面描述。這兩個(gè)代表直角坐標(biāo)系中的實(shí)時(shí)信號的坐標(biāo)I和Q被卡笛爾轉(zhuǎn)換器24轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)。轉(zhuǎn)換器24有兩個(gè)輸出241和242。輸出241提供瞬時(shí)輸入信號的振幅R，輸出242提供輸入采樣的相位φ。
R輸出241被連接于包含查找表(LUT)的RAM存儲(chǔ)器的振幅輸入，并且轉(zhuǎn)換器24的輸出242被連接于差分器28的輸入，該差分器以采樣頻率操作。差分器的輸出281被連接于存儲(chǔ)器26的頻率輸入262。
在一個(gè)實(shí)施例中，差分器是減法器，其產(chǎn)生當(dāng)前采樣的相位與前面的采樣的相位之間的差。
RAM存儲(chǔ)器26還有一個(gè)連接于提供用于更新在RAM26中存儲(chǔ)的表中的值的信號的數(shù)字信號處理器30的輸出的輸入263，關(guān)于更新在后面將說明。
RAM26有兩個(gè)輸出264和265，其提供應(yīng)用于CMAC 22的相應(yīng)的各個(gè)輸入的信號△I＇，△Q＇。
這些信號△I′和△Q′分別是被應(yīng)用于所述坐標(biāo)系的I和Q的預(yù)失真，以補(bǔ)償由于非線性引起的失真。
復(fù)合多路復(fù)用器／累加器22有兩個(gè)數(shù)字輸出223和224，在其上面表現(xiàn)出輸入采樣信號的預(yù)失真的分量I1和Q1。這些數(shù)字分量分別經(jīng)數(shù)模(D／A)轉(zhuǎn)換343和344被連接于象限混合器32的各個(gè)輸入。與中頻本機(jī)振蕩器36相連，這個(gè)混合器32的作用是把處于基帶頻率的輸入信號轉(zhuǎn)換為中頻。
混合器32的輸出經(jīng)包括具有至少3(例如)倍的有用信道的帶通的IF濾波器的中頻(IF)接口40被連接于另一個(gè)混合器38的輸入，該帶通最好是平坦的。實(shí)際上，如果帶通準(zhǔn)確地相應(yīng)于有用的信道，將不可能正確地線性化該信道的外部。
混合器38用第二本機(jī)振蕩器42把IF轉(zhuǎn)換為在傳送頻率調(diào)制的信號?；旌掀?8的輸出被連接于功率放大器10的輸入。
接收器鏈16的輸出也連接于象限混合器44的輸入，該混合器用本機(jī)振蕩器46把接收到信號轉(zhuǎn)換為接收到的信號的模擬ID和QD分量。這些分量處于基帶頻率。這些信號被應(yīng)用于處理器30的各個(gè)輸入301，302，在那里它們被轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式。
在此示例中，本機(jī)振蕩器42和46是同步的。
操作如下。
在存儲(chǔ)器26中存儲(chǔ)n個(gè)表，每一個(gè)用于一個(gè)頻率子頻帶△F1，…△Fn。表的選擇根據(jù)由差分器28測量的瞬時(shí)頻率進(jìn)行。存儲(chǔ)器26傳遞組合在一起成為分量I和Q的信號△I＇和△Q＇來對在混合器32上提供的信號預(yù)失真并經(jīng)混合器38對功率放大器10的輸入上的信號預(yù)失真。
盡管分量I和Q可更準(zhǔn)確，即具有更多位，例如16位，但在實(shí)施例中，n=16，即△φ=φ(t)-φ(t-1)的位數(shù)有4位的準(zhǔn)確度。
在這個(gè)實(shí)施例中，查找表是轉(zhuǎn)換器24的輸出241提供的輸入信號的振幅R與預(yù)失真分量△I＇和△Q＇之間的對應(yīng)性表。換言之，對于振幅R的每次增加，△I＇和△Q＇也變化。
在另一個(gè)實(shí)施例中，為了降低存儲(chǔ)器26的容量，不用表，而建立預(yù)失真的預(yù)計(jì)算的算術(shù)模型。簡化的模型是多項(xiàng)式模型，其中△I＇=a1R+a2R2+a3R3+…和△Q＇=b1R+b2R2+b3R3+…存儲(chǔ)器26僅包含對于每個(gè)頻率的系數(shù)a1，a2，...b1，b2，...，并且多項(xiàng)式即值△I′和△Q′被例如安裝在存儲(chǔ)器26和CMAC22之間的處理器計(jì)算。
處理器30的作用是在存儲(chǔ)器26的輸入263上應(yīng)用表的各項(xiàng)的更新的值(或在多項(xiàng)式模型的情況下是各個(gè)系數(shù))。實(shí)際上，必須至少一次又一次地更新這些值和系數(shù)，因?yàn)槔匣?、溫度變化、功率電壓變化等?br> 這種更新通過在處理器30中執(zhí)行的學(xué)習(xí)算法執(zhí)行。這種學(xué)習(xí)算法是傳統(tǒng)的，在這里不必要具體描述。
在第一實(shí)施例中，放大器的操作周期地被停止，例如在低通信業(yè)務(wù)期間，并且測試信號在輸入處被注入。這些測試信號由接收器鏈16，44經(jīng)在輸入301和302上提供用于計(jì)算表的預(yù)失真值或多項(xiàng)式的系數(shù)的模擬信號的耦合器20檢測到。
例如，測試信號對于每個(gè)頻率子頻帶△F1，...△Fn包括兩個(gè)獨(dú)立的頻率并且輸入301和302上呈現(xiàn)的額外的頻譜值被用于計(jì)算預(yù)失真或系數(shù)。
在第二實(shí)施例中，學(xué)習(xí)和更新算法使用應(yīng)用于放大器的正常信號。因此不必要為了更新而停止基站的操作。而且，用這種實(shí)時(shí)算法，可能更頻繁地更新值或系數(shù)。
在那種情況下，處理器30需要用于在多路復(fù)用器22的輸入上應(yīng)用的I和Q值的輸入303和304以及用于作為參考信號的采樣頻率的輸入305。
應(yīng)注意無論使用何種學(xué)習(xí)算法，不用專用的相關(guān)相干接收器鏈16，44，通常的基站接收器(未示出)可被使用，以在用于計(jì)算預(yù)失真值或系數(shù)的放大器的輸出上檢查或測量測試信號或者正常信號的效果，只要在這一時(shí)間期間，接收器被調(diào)諧到傳送頻帶。
當(dāng)基站提供有兩個(gè)被同時(shí)正常應(yīng)用的(通常稱為上行鏈路多樣性)接收器時(shí)，這些接收器之一也被用于測試信號或正常信號的檢測，并且它在處理器30的輸入301和302處提供信號。這一實(shí)施例在正常操作期間執(zhí)行更新時(shí)尤其有用，因?yàn)槭褂玫诙€(gè)接收器，可能最小化在放大器10的正常性能的更新效果。
注意已經(jīng)描述的方法與裝置可用于功率放大器的線性化，數(shù)字輸入信號是中頻或基帶頻的。
權(quán)利要求
1．一種用于寬頻帶功率放大器(10)的線性化的方法，其特征在于放大器的操作頻帶被分為至少兩組或子頻帶(△F1，△F2…)，各個(gè)采樣的輸入信號的瞬時(shí)頻率被測量(28)，以確定它屬于的組或子頻帶，并且把預(yù)失真(26)應(yīng)用于輸入信號，這些預(yù)失真取決于頻率組。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于與頻率相關(guān)的預(yù)失真由一組查找表提供，查找表的數(shù)目等于頻率子頻帶的數(shù)目，對于輸入信號的各個(gè)振幅，查找表包含代表預(yù)失真的振幅和相位的兩個(gè)相關(guān)值(△I＇，△Q＇)。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于預(yù)失真值通過應(yīng)用多項(xiàng)式的系數(shù)而被計(jì)算，多項(xiàng)式的變量是輸入信號的振幅(R)。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于采樣的輸入信號的瞬時(shí)頻率由該輸入信號的相位(φ)導(dǎo)數(shù)來計(jì)算。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其特征在于采樣的輸入信號的瞬時(shí)頻率可通過兩個(gè)連續(xù)的采樣的相位相減來計(jì)算。
6．根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于輸入采樣的信號由復(fù)平面中的它們的直角坐標(biāo)系(I，Q)表示，并且直角坐標(biāo)被轉(zhuǎn)換(24)為極坐標(biāo)(R，φ)，相位被用于確定頻率組，振幅被用于確定頻率組中的預(yù)失真值。
7．根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于瞬時(shí)頻率的測量的準(zhǔn)確度低于輸入信號的準(zhǔn)確度。
8．根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于預(yù)失真值或系數(shù)可周期地通過測量輸入測試的結(jié)果或放大器的輸出信號上的規(guī)則信號并通過基于該次測量計(jì)算預(yù)失真值或系數(shù)而被更新(30)。
9．根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法的應(yīng)用在于在發(fā)射器的功率放大器(10)的線性化中的應(yīng)用。
10．根據(jù)權(quán)利要求9的發(fā)射器，其特征在于它發(fā)射CDMA信號。
11．根據(jù)權(quán)利要求9或10的發(fā)射器，其特征在于它包括相干接收器(16，44)，其被用于更新=(30)預(yù)失真值或系數(shù)。
12．根據(jù)權(quán)利要求8的方法的應(yīng)用是在包括帶有要被線性化的功率放大器的發(fā)射器和接收器的站的應(yīng)用，其中接收器被用于測量功率放大器的輸出，用于更新預(yù)失真值或系數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于寬頻帶功率放大器(10)的線性化的方法。放大器的操作頻帶被分為至少兩組或子頻帶。各個(gè)采樣的輸入信號的瞬時(shí)頻率被測量(28),以確定它屬于的組或子頻帶,并且把預(yù)失真(26)應(yīng)用于輸入信號,這些預(yù)失真取決于頻率組。本發(fā)明尤其對于發(fā)射器的功率放大器的線性化是有用的。
文檔編號H03F1/32GK1291000SQ0011992
公開日2001年4月11日 申請日期2000年6月30日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月30日
發(fā)明者盧卡·達(dá)特斯 申請人:阿爾卡塔爾公司