專利名稱：前饋型和自適應預失真型失真補償放大設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種放大設備，較具體地涉及一種能通過采用自動偏置控制技術減小功耗的失真補償放大設備。
背景技術：
在一個移動通信系統中，基地站發射的是經放大的高頻多載波信號，這種信號具有多個互相分開在一些不同頻帶上并分別受到適當方法調制的載波。
對移動通信系統的這種基地站所使用的無線放大設備的要求是低功耗、高線性度以及采用高效的無線發射電路。由于線性度差的放大設備會產生大的失真。例如阻礙正常高質量通信的實現的互調制失真，要求用于放大多載波信號的放大設備在多載波信號所屬的整個頻帶上具有良好的線性特性。
用于滿足放大設備這種線性度要求的各種方法中的一個方法是前饋失真補償技術。首先說明，下面說明中所用的“主線”一詞是指信號從輸入端經過一個主放大器到輸出端的路徑，也即從待放大信號轉變成已放大信號的信號路徑。
在前饋失真補償技術中，以下述方式來布置一個失真探測環路這個探測環路能把從主線中主放大器的后端某一位置上分接出來的一個信號耦合到從主放大器的前端某處采樣得到的一個信號上。如果這兩個信號有相同的幅度但相位相反，則在失真探測環路的上述信號耦合操作下，載波信號將被抵消，因此，這個環路能夠輸出一個對應于由主放大器及其相鄰電路所導入的失真分量的誤差信號。
前饋失真補償技術還采用一個失真補償環路來把失真探測環路所輸出的誤差信號重新耦合到主線信號上去。由主放大器產生的失真分量可以這樣來補償在主線上補償在失真補償環路中的一信號延遲，并且對失真補償環路或主線上的信號的振幅和相位進行適當的調整，使得主線上的信號失真分量與從失真補償環路中獲得的信號被控制成具有相同的振幅和相反的相位。
下面將參考
圖15更詳細地說明前饋失真補償技術。
參見圖15，其中示出了一個具有前饋結構的常規失真補償放大設備。該前饋失真補償放大設備含有兩個模塊一個是失真探測環路模塊，其中包含一個方向耦合器1，一個移相器2，一個振幅調整器3，一個導引信號發生器4，一個耦合器5，和一個主放大器6；另一個模塊是失真補償環路模塊，其中包含一個耦合器8，一個探測器9，一個移相器10，一個振幅調整器11，和一個誤差放大器12。該前饋失真補償放大設備還含有分隔器(divider)7和13，一個終端裝置14，一個耦合器15，以及一個用來控制該前饋失真補償放大設備中每個單元的控制單元18。
在失真探測環路模塊中有兩條路徑一條是無失真路徑a→c→e→g；另一條是失真路徑a→b→d→f。在點“g”處，只提取出失真分量，其方法例如是反轉傳遞函數的符號。這時，控制單元18對移相器2和振幅調整器3進行自動控制，使得控制單元18所接收到的由探測器9測得的失真分量信號的電平(level)最小化。
使一個放大設備具有良好線性度的另一種使用廣泛的技術是利用數字信號處理技術的自適應預失真補償技術(以下稱作ADP技術)。ADP技術總的可分成兩種類型射頻信號輸入型和基帶信號輸入型。這兩種類型的失真補償放大設備分別示于圖16A和16B。
圖16A示出一個射頻信號輸入型的失真補償放大設備。射頻信號被從輸入端21輸入，其后相繼受到一個延遲電路22、一個增益控制電路23、和一個相位控制電路24的作用，然后被一個功率放大器34放大。放大后的射頻信號通過一個耦合器38輸出。同時，輸入的射頻信號還通過設置在一個功率計29內的一個對數放大器(LOG AMP)27和一個A/D(模/數)轉換器28-1被轉換成數字數據信號。其后該數字數據信號被提供給一個數據處理單元30-1。
然后，功率放大器34輸出的放大射頻信號經過方向耦合器38被提供給一個乘法電路33-1，并在那里與一個本地頻率32-1相結合。其后乘法電路33-1輸出的結合信號受到一個帶通濾波器31的濾波，變成頻帶受限的信號。接著，該頻帶受限信號通過一個A/D轉換器28-2被輸入給數據處理單元30-1。數據處理單元30-1執行一種算法，使得通過帶通濾波器31的信號的大小最小化，也就是說，使得由功率放大器34的非線性失真特性所產生的帶外譜分量最小化。
數據處理單元30-1根據功率計29所提供的數字數據信號訪問存儲電路26-1和26-2的地址，由此分別通過D/A(數/模)轉換器25-1和25-2來控制增益控制電路23和相位控制電路24。存儲電路26-1和26-2的內容是根據能使功率放大器34的非線性失真最小化的試探法來確定的。
圖16B示出一個基帶信號輸入型的常規失真補償放大設備。
載波抵消電路35-1至35-4用來根據每個輸入頻道(CH1至CH4)的載波信息去抵消各個輸入數字頻道數據中的載波頻率成份。載波抵消電路例如可以用一個復乘法器來實現。載波抵消電路35-1至35-4的輸出提供給一個加法器39，由此加法器39將產生一個結合基帶信號，并把該信號提供給一個復乘法器36和一個功率計29。
復乘法器36控制結合基帶信號的相位和振幅。其后，經這樣處理的基帶信號被相繼送入一個D/A轉換器25-4和一個正交振幅調制單元(QAM-MOD)37，然后在一個乘法電路33-2中與一個來自一個本地振蕩器32-2的信號相結合。此后，該結合信號作為一個射頻信號被傳送給功率放大器34進行放大，最后通過一個方向耦合器38輸出。如前述的射頻信號輸入類型那樣，由一個能使功率放大器34的非線性失真最小化的算法根據基帶信號的功率大小來控制復乘法器36，從而調整基帶信號的相位和振幅。也就是說，數據處理單元30-2根據從功率計29得到的基帶信號的功率大小來訪問一個存儲電路26-4的地址，并由此來控制復乘法器36。存儲了各種復控制值的存儲電路26-4的內容是通過能使非線性失真最小化的試探法來確定的。
近來，移動通信用戶的數目急劇增加。因此，為了對付這種不斷增大的需求，即使在同一個服務區內也需要設置很多的基地站。于是操作成本和維修成本都在不斷地增大，從而基地站供應商需通過多種途徑來降低成本。
一種降低操作成本的方法是減小功耗。
不論基地站發射的輸出信號的相對強度如何，基地站中的發射器功率放大器都以恒定的速率耗費大量功率。例如，在白天，對于正常的通信負載，消耗的射頻輸出功率約為10W，而發射器功率放大器所消耗的基本直流功率約為80W至100W。然而，對于通信負載變小的午夜情形，由于如前所述對射頻輸出信號進行了功率控制，發射器的射頻輸出功率可能被減小到例如1W左右；但在另一方面，由于常規功率放大器中的操作偏置點是固定的，所以午夜期間發射器功率放大器消耗的基本直流功率并沒有減小，而像白天一樣，仍然保持為約80W至100W。
因此，開發一種能夠在保持現有射頻輸出功率的同時減小基地站功率放大器的直流功耗的功率控制技術應該是有益的。在這種CDMA(碼分多址)移動通信系統中，要求在按需要監視和保持射頻信號電平的同時，能減小為產生目標射頻輸出信號大小所需的直流功率大小。
發明內容
因此，本發明的一個目的是提供一種能夠借助偏置控制來降低功耗的失真補償放大設備。
根據本發明的一個優選實施例，提供了一種前饋型失真補償放大設備，它包括含有一個第一移相器、一個第一振幅調整器、和一個主放大器的一個失真探測環路；含有一個第二移相器、一個第二振幅調整器、和一個誤差放大器的一個失真補償環路；一個用來以一個由失真補償環路所產生的第二失真分量(distortion element)來抵消一個由失真探測環路所產生的第一失真分量，并產生一個輸出信號的裝置；以及一個用來根據輸出信號的電平來控制主放大器和誤差放大器的偏置電平的偏置控制器。
根據本發明的另一個優選實施例，提供了一種自適應預失真型失真補償放大設備，它包括一個用來探測輸入功率電平的探測單元；一個用來存儲輸入功率電平和與之對應的偏置電平并根據輸入功率電平產生偏置電平的控制單元；以及一個用來根據偏置電平把一個偏置施加到一個放大器單元上的偏置控制單元。
根據本發明的又一個優選實施例，提供了一種失真補償放大設備，它包括一個用來探測輸入信號的電平的探測單元；一個用來放大輸入信號的放大單元；以及一個用來根據由探測單元探測到的輸入信號電平去分級地控制放大單元的偏置的裝置。
根據本發明的再一個優選實施例，提供了一種失真補償放大設備，它包括一個用來放大輸入信號的放大單元；一個用來探測輸出信號的電平的探測單元，以及一個用來根據由探測單元探測到的輸出信號電平去控制放大單元的偏置的裝置。
附圖的簡單說明通過下面結合附圖對一些優選實施例的說明，本發明的上述及其他目的以及特點都將變得顯然，在附圖中。
圖1是說明在進行和不進行偏置控制的情況下一個放大器的功耗與輸出功率之間的關系的曲線圖；圖2是說明在進行和不進行偏置控制的情況下一個放大器的ACLR(相鄰頻道泄漏功率比)與一個放大設備的輸出功率之間的關系的曲線圖；圖3示出根據本發明第一個優選實施例的一個利用前饋技術的失真補償放大設備的方框圖；圖4是一個說明執行圖3失真補償放大設備的偏置控制過程的流程圖；圖5是一個說明由輸出功率電平確定的主放大器偏置電平和誤差放大器偏置電平的存儲器表格；圖6是說明在進行偏置控制和不進行偏置控制的情況下主放大器的偏置電平和電流消耗與放大設備的輸出功率之間的關系的曲線圖；圖7是說明在進行偏置控制和不進行偏置控制的情況下誤差放大器的偏置電平和電流消耗與放大設備的輸出功率之間的關系的曲線圖；圖8是說明在進行偏置控制和不進行偏置控制的情況下放大設備的ACLR和功耗與輸出功率之間的關系的曲線圖；圖9示出一個說明根據本發明的一個偏置控制模塊的第一構型的方框圖；圖10示出一個說明根據本發明的一個偏置控制模塊的第二構型的方框圖；圖11A示出根據本發明第二個優選實施例的一個利用射頻信號輸入的自適應預失真補償(ADP)型失真補償放大設備的方框圖；圖11B示出根據本發明第三個優選實施例的一個利用基帶信號輸入的ADP型失真補償放大設備的方框圖；圖12是一個說明對圖11A和11B的失真補償放大設備執行偏置控制的過程的流程圖；圖13A和13B分別是說明在進行和不進行偏置控制情況下一個放大器的放大器偏置電平和電流消耗與圖11A或11B中的放大設備的輸入功率之間的關系的曲線圖，和一個說明輸入功率電平和放大器偏置電平的存儲器表格；圖14是說明在進行和不進行偏置控制的情況下一個放大器的ACLR和功耗與圖11A或11B中的放大設備的輸入功率之間的關系的曲線圖；圖15示出一個常規前饋型失真補償放大設備的方框圖；圖16A示出一個利用射頻信號輸入的常規ADP型失真補償放大設備的方框圖；以及圖16B示出一個利用基帶信號輸入的常規ADP型失真補償放大設備的方框圖。
具體實施例方式
除了在本發明的優選實施例中所描述的那些電路或設備能實現本發明的各個發明性特征之外，任何其他的電路或設備只要能實現這些特征，便也能實現本發明的發明性特征。此外，這些電路或設備的功能中的一部分或全部也可能用軟件來實現。再有，系統中的某些功能性單元中的每個單元都可以用多個電路來實現，或者，系統中多個這樣的功能性單元也可以被構形成單個電路。
在前饋型失真補償放大設備中，通常使用AB(甲乙)類放大器或B(乙)類放大器。這些放大器的特性是功耗隨著輸出功率的減小而下降，如圖1所示。但是，由于在這種放大器中需要設置一個無效電流，所以其功耗不能降低到一個對應于放大器無效電流的預定功率值之下。
此外，從某些無線特性，例如CDMA(碼分多址)信號的ACLR(相鄰信道泄漏功率比)的角度來說，可以從圖2中實線所示的ACLR曲線看出，常規主放大器和誤差放大器的ACLR在低功率輸出情況下相對于無線標準水平來說尚有較大的余地。由于放大器需要滿足無線特性，所以根據本發明可以在放大器工作時，特別當輸出功率低時，對主放大器和誤差放大器執行偏置控制，如圖2中的虛線所示。后面將對此詳細的說明。
圖3示出根據本發明第一個優選實施例的一個利用前饋技術的失真補償放大設備的方框圖。由于圖3設備中的某些單元與圖15所示常規設備中的單元相同，這里使用相同的參考標號來代表與常規設備中相對應的或相同的單元，并且不再給出對這些單元的詳細說明。
一個主放大器偏置控制電路16執行對主放大器6的偏置控制，一個誤差放大器偏置控制電路17執行對誤差放大器12的偏置控制。
現在參考圖4的流程圖來說明圖3中的失真補償放大設備的操作。在步驟S1中，當分隔器13探測到放大設備的輸出信號時，將由耦合器15向控制單元18報告輸出信號的功率電平。在步驟S2中，在其存儲器(未示出)中存儲了如圖5所示的主放大器6和誤差放大器12的偏置電平作為輸出功率電平的函數的控制單元18將根據輸出功率電平提取出主放大器6的主放大器的偏置電平和誤差放大器12的誤差放大器偏置電平。在步驟S3中，主放大器偏置控制電路16將根據提取到的主放大器偏置電平對主放大器6執行偏置控制，并在步驟S4中誤差放大器偏置控制電路17將根據提取到的誤差放大器偏置電平對誤差放大器12執行偏置控制。
如圖5所示，控制單元18的存儲器中定義的一個存儲器表格例如規定了放大設備的3種輸出功率電平A、B、C以及它們所對應的主放大器偏置電平和誤差放大器偏置電平。一個放大器的偏置電平與輸出功率電平之間的關系下面將參考圖6和7進行詳細說明。
首先，圖6示出了在進行和不進行偏置控制的情況下主放大器6的偏置電平與放大設備的輸出功率之間的關系曲線。圖中橫坐標代表輸出功率，右側的縱坐標代表主放大器偏置電平，而左側的縱坐標代表主放大器6的消耗電流。虛線和實線分別代表進行和不進行偏置控制的情況。
對于輸出功率高(電平A)的情形，進行和不進行偏置控制的主放大器偏置電平都為A’，因此電流消耗也相同。當輸出功率電平為B時，進行偏置控制時施加的主放大器的偏置電平減少到B’電平，于是進行偏置控制時主放大器6的電流消耗變得小于在偏置固定狀態時的電流消耗。如果輸出功率電平為最低的電平C，則進行偏置控制時的主放大器偏置電平變為比B’還低的C’，于是如圖6所示進行偏置控制時主放大器6的電流消耗將一步減小。
圖7是說明在進行和不進行偏置控制時誤差放大器12的誤差放大器偏置電平與放大設備的輸出功率之間的關系的曲線。橫坐標代表輸出功率，右側的縱坐標代表誤差放大器偏置電平，左側的縱坐標代表誤差放大器12的消耗電流。虛線和實線分別代表進行和不進行偏置控制的情況。
對于輸出功率為高電平(電平A)的情形，進行和不進行偏置控制的誤差放大器偏置電平都是A”，因此消耗的電流也相同、當輸出功率為電平B時，進行偏置控制時施加的誤差放大器偏置電平降低為B”，于是有偏置控制時誤差放大器12的電流消耗將小于偏置固定狀態時的電流消耗。如果輸出功率為最低的電平C，則有偏置控制時的誤差放大器偏置電平為比B”還低的C”，于是有偏置控制時誤差放大器12的電流消耗將進一步減小，如圖7所示。
圖8是說明進行和不進行偏置控制時放大設備的ACLR和功耗與輸出功率之間的關系的曲線圖。橫坐標代表輸出功率，右側縱坐標代表功耗，左側縱坐標代表ACLR。虛線和實線分別代表進行和不進行偏置控制的情況。
如圖8所示，通過根據放大設備的輸出功率電平來進行偏置控制，可以在滿足所需無線特性的同時減小放大設備的功耗。
此外，如圖6和7所示，通過根據放大設備的輸出功率電平來進行偏置控制，可以減小放大設備的總功耗。
在上面的優選實施例中假定了輸出功率分成為三個電平A、B、C。不過應該指出，可以把輸出功率電平分得更細，例如甚至分成非離散的連續電平。這種情況例如可表示為圖1和2中的虛線。
圖9和10示出根據本發明的對放大器進行偏置控制的偏置控制模塊。這兩種偏置控制模塊對應于圖3的放大設備中的包含了主放大器6、主放大器偏置控制電路16和控制單元18的虛線方框，或者包含了誤差放大器12、誤差放大器偏置控制電路17和控制單元18的虛線方框。如圖9和10所示，偏置控制模塊中的放大器可以被構形成多個主放大器單元或多個誤差放大器單元。
參見圖9，偏置控制模塊中的多個放大器單元91-93受到單個放大器偏置控制電路94的控制。整個放大器由小功率放大器單元91、中功率放大器單元92、和大功率放大器單元93級聯而成。在該情形中，對應于某一輸出功率電平的偏置控制可以對放大器單元91、92和93進行，但執行偏置控制的是一單個放大器偏置控制電路94。
圖10中的偏置控制模塊含有多個放大器單元和相同數目的放大偏置控制電路。整個放大器由小功率放大器單元101、中功率放大器單元102和大功率放大器單元103級聯構成。
在該情形中，對應于某一輸出功率電平的偏置控制可以由放大器偏置控制電路104、105、106分別對每個相應的放大器單元101、102、103執行，這樣便能分別對每個放大器單元進行獨立的偏置控制。于是便有可能對選擇的放大器單元的偏置電平進行不同地控制。
例如，由于大、中功率放大器單元的功耗是放大設備總功耗的主要決定因素，所以如果固定小功率放大器單元的偏置電平而只對中、大功率放大器單元進行偏置控制，則也達到有效的功率節省。
雖然在圖9和10中放大器單元與放大器偏置控制電路是多對一或一對一的對應關系，但應指出，偏置控制電路的數目是可改變的。例如，偏置控制模塊可以這樣來構型用多于1個但不多于放大器單元數目的偏置控制電路來執行各放大器單元的偏置控制。
圖11A示出根據本發明第二個優選實施例的一個失真補償放大設備的方框圖，該設備利用了射頻信號輸入情況下的ADP(自適應預失真補償)技術。圖11B示出根據本發明第三個優選實施例的一個失真補償放大設備的方框圖，該設備利用了基帶信號輸入情況下的ADP技術。圖11A和11B所示的兩個失真補償放大設備都還包括一個存儲器26-3和一個D/A轉換器25-3，它們用來執行對功率放大器34的偏置控制，在這一點上是與圖16A圖16B所示的兩個常規失真補償放大設備有區別的。第二和第三實施例中的失真補償放大設備都執行了偏置控制，使得偏置電平達到最優化，同時又仍能滿足無線特性例如ACLR，尤其是對于距離無線標準還有較大余地的低輸出功率區域更是如此。
圖12示出一個說明圖11A和11B中對功率放大器34進行偏置控制的過程的流程圖。在步驟S10中，圖11A和/或11B的失真補償放大設備中的功率計29測量輸入功率電平，然后在步驟S20中執行對應于輸入功率電平的增益控制和相位控制，最后在步驟S30中執行對應于輸入功率電平的偏置控制。
回過來參見圖2，隨著輸出功率增大到接近一個最大額定值，ACLR也將增大，同時它與無線標準間的差距將減小。由于輸出功率隨著輸入功率成比例地增大，因此ADP技術能夠通過監測輸入功率來獲得輸出功率電平，由此便能在保證低輸出功率時ACLR落入無線標準的前提下減小放大設備的電流消耗量。
與圖6相對應的圖13A是說明在進行和不進行偏置控制的情況下功率放大器34的偏置電平和電流消耗與放大設備的輸入功率之間的關系的曲線圖。圖13B示出一個存儲在存儲器26-3中的存儲器表格，它規定了放大設備的輸入功率電平與功率放大器偏置電平之間的關系。在圖13B的存儲器表格中，輸入功率被分為三個電平A、B、C。不過，如果把輸入功率電平分得更細一些，電流消耗就會下降得更平滑一些，不再有較大的突變。例如，已經發現，在保持低通信負載條件下的ACLR落入無線標準并且防止放大器因電流的過度減小而發生振蕩的同時，可以讓5.6A RMS(均方根值)的電流消耗減小到約3.3A RMS，也即減小40％的電流消耗。
與圖8相對應的圖14是說明在進行和不進行偏置控制的情況下功率放大器的ACLR和功耗與放大設備的輸入功率之間的關系的曲線圖。與固定偏置的情況相比，進行了偏置控制后ACLR的質量下降了。不過，當輸入功率電平為B和C時，進行偏置控制時的ACLR仍能保持滿足無線標準。
功率放大器34也可以實現為多個放大器單元，它們的偏置電平可以像圖9和10那樣或者整體地或者分別地被進行控制。
上面針對CDMA通信系統說明了本發明。但應指出，本發明同樣能應用于其他類型的通信系統，例如若不采用偏置控制將消耗較大功率的TDMA(時分多址)系統的基地站的放大器控制。
雖然本發明是通過一些優選實施例來示出和說明的，但熟悉本技術領域的人們應能理解，在不偏離下述權利要求書所定義的本發明精神和范疇的情況下，可以作出各種改變和修改。
權利要求
1.一種前饋型失真補償放大設備，它包括一個失真探測環路，它包含一個第一移相器、一個第一振幅調整器、和一個主放大器；一個失真補償環路，它包含一個第二移相器，一個第二振幅調整器，和一個誤差放大器；一個抵消裝置，用于以一個由失真補償環路所產生的第二失真分量來抵消一個由失真探測環路所產生的第一失真分量，并產生一個輸出信號；以及一個偏置控制器，用于根據輸出信號的電平來控制主放大器和誤差放大器的偏置電平。
2.根據權利要求1的設備，其中偏置控制器包含一個用于控制主放大器的偏置的第一偏置控制單元和一個用于控制誤差放大器的偏置的第二偏置控制單元。
3.根據權利要求1的設備，其中輸出信號被分類為多個輸出電平中的一個電平，并且主放大器和誤差放大器的偏置電平是根據輸出信號的分類電平來確定的。
4.根據權利要求2的設備，其中輸出信號被分類為多個輸出電平中的一個電平，并且主放大器和誤差放大器的偏置電平是根據輸出信號的分類電平來確定的。
5.根據權利要求2的設備，其中主放大器和誤差放大器各自都包含一個或數個放大器單元，并且第一和第二偏置控制單元各自都包含一個或數個偏置控制電路。
6.根據權利要求5的設備，其中主放大器所含放大器單元的數目與第一偏置控制單元所含偏置控制電路的數目相等，并且誤差放大器所含放大器單元的數目與第二偏置控制單元所含偏置控制電路的數目相等。
7.一種自適應預失真型失真補償放大設備，它包括一個探測單元，用于探測輸入功率的電平；一個控制單元，用于存儲輸入功率電平和與之對應的偏置電平，并根據輸入功率電平產生偏置電平；以及一個偏置控制單元，用于根據偏置電平把偏置施加到一個放大器單元上。
8.根據權利要求7的設備，其中控制單元中存儲了多個輸入功率電平和與它們對應的多個偏置電平。
9.一種失真補償放大設備，它包括一個探測單元，用于探測一個輸入信號的電平；一個放大單元，用于放大輸入信號；以及一個裝置，用于根據由探測單元探測到的輸入信號的電平來分級地控制放大單元的偏置。
10.一種失真補償放大設備，它包括一個放大單元，用于放大一個輸入信號；一個探測單元，用于探測一個輸出信號的電平；以及一個裝置，用于根據由探測單元探測到的輸出信號的電平來控制放大單元的偏置。
全文摘要
一種前饋型失真補償放大設備，它包含一個失真探測環路和一個失真補償環路，用于失真補償環路產生的一個第二失真分量來抵消由失真探測環路產生的一個第一失真分量并由此產生一個輸出信號，還根據該輸出信號的電平來控制主放大器和誤差放大器的偏置電平。一種自適應預失真型失真補償放大設備包含一個用于探測一個輸入功率的電平的探測單元，一個用于存儲輸入功率電平和與之對應的偏置電平并根據輸入功率電平來產生偏置電平的控制單元，以及一個用于根據偏置電平來對一個放大器施加偏置的偏置控制單元。
文檔編號H03F1/02GK1405976SQ02119139
公開日2003年3月26日 申請日期2002年5月9日 優先權日2001年8月7日
發明者七尾仁齊, 佐藤松雄, 松田昌弘 申請人:株式會社日立國際電氣