專利名稱：開關模式功率放大的制作方法
技術領域：
本發明涉及開關模式射頻功率放大器的領域。更具體來說，本發明 涉及一種放大射頻信號的方法、 一種開關模式功率放大設備以及一種包 括所述功率放大設備的無線電發射設備。
背景技術：
在RF (射頻)功率放大器中的效率與線性度之間存在折衷。如果 需要高線性度，則可以使用A類放大器，其代價是效率低。如果將要發 射恒定包絡信號并且線性度不十分重要，則可以使用高效率的開關模式 (D、 E或F類)放大器。
有多種技術允許使用具有非恒定包絡信號的開關才莫式功率放大器。 這些技術被用在基站中以用于移動電話，并且還被用在操作于2.5G及 以上系統內的蜂窩電話中。可以提到的由L.R. Kahn在"Single sideband transmission by envelope elimination and restoration" (Proceedings of the IRE，vol. 40, pp. 803-806, 1952年7月)中描述的一種技術是包絡消除與 恢復(EER),其中所述開關模式功率放大器對恒定包絡信號進行操作， 并且通過使用DC-DC轉換器對電源電壓進行調制來實現幅度調制。其 主要缺陷在于需要具有高效率以及少量雜散信號的快速DC-DC轉換器。 所述系統的線性度也是一個問題，這是因為所述放大器的相移與電壓相 關，而且其幅度并不與電源電壓精確地成比例。如果所述信號具有大的 幅度變化，則會加劇上述問題。可以應用一種線性化技術(比如預失真) 來提高線性度。
現有解決方案的主要問題在于，它們無法在滿足2.5G及以上系統 的高線性度要求的同時提供高效率。 一種提高效率的方式將是去除所述 EER中的DC-DC轉換器。這可以通過在所述開關模式功率放大器之前 使用A-S調制器來實現。例如在J. Ketola等人的"Transmitter Utilising Bandpass Delta-Sigma Modulator and Switching Mode Power Amplifier" (Proceedings ISCAS 2004， pp. 1-633-636)中以及在J. Sommarek等人的 "A Digital Modulator with Bandpass Delta-Sigma Modulator ，，(Proceedings of ESSCIRC 2004, pp. 159-162)中描述了這一點。所述調 制器的效果在一些情況下可以祐:視為使用沒有輸出濾波器的DC-DC轉 換器，其僅僅接通及關斷電源電壓。例如參見Y. Wang的"Aclass-SRF amplifier architecture with envelope delta-sigma modulation ，， (Proceedings of RAWCON 2002, pp. 177-179)以及Y. S. Jeon等人的"A novel high-efficiency linear transmitter using injection-locked pulsed oscillator" (IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 15, no. 4，pp. 214-216，2005年4月)。由于于是將生成大量雜散信號，因此 如何實現所述調制器和天線濾波器以確保不會發射太強的雜散信號(從 而阻斷其他信道中的接收)是非常重要的。取決于所述調制器如何操作， 將存在導致非線性的不同機制，并且用于提高線性度的方案是非常重要 的。
因此，需要提高開關模式功率放大器的線性度
發明內容
發射。
本發明的一個目的是提供一種放大射頻信號的方法，其允許提供具 有良好的線性行為的高功率效率的射頻發射。
根據本發明的第一方面，上述目的是通過一種放大射頻信號的方法 實現的，該方法包括以下步驟
接收包絡信號；
按照算術方式把所估計的射頻幅度與所述包絡信號相組合，以便獲 得經過修改的包絡信號；
利用載波來調制所述經過修改的包絡信號，以便獲得已調信號；
放大所迷已調信號，以便獲得輸出信號；
對所述輸出信號進行低通濾波；以及
處理所述經過濾波的信號，以便獲得所估計的射頻幅度。
本發明的另 一個目的是提供一種顯示出良好的線性行為的開關模 式功率放大i殳備。
根據本發明的第二方面，所述目的是通過一種開關模式功率放大設 備實現的，該設備包括包絡信號輸入端；
算術組合單元，其第一輸入端被連接到所迷包絡信號輸入端，該算 術組合單元提供經過修改的包絡信號；
調制單元，用于接收所述經過修改的包絡信號并且被配置成利用栽 波來調制該信號，以便獲得已調信號；
放大單元，其被連接到所述調制單元以用于放大所述已調信號，從 而獲得輸出信號；
反饋路徑，其被連接在所迷放大單元的輸出端與所述算術組合單元 的第二輸入端之間，
所述反饋路徑包括
低通濾波器，用于對所述輸出信號進行低通濾波；以及
至少一個信號處理單元，用于處理所迷經過濾波的信號，從而
獲得所估計的射頻幅度以便提供給所述算術組合單元的第二輸入端。 所述功率放大設備可以被有利地提供在諸如基站或移動臺之類的
無線電發射設備中。
本發明具有以下優點。本發明提供一種更為線性的操作模式。同時， 本發明具有高效率。根據本發明，測量所述輸出信號的、與所述RF輸 出相關的低頻內容，并且可以從中計算及反饋所述RF幅度。此外，所 述反饋結構簡單，這是通過測量所述輸出信號的低頻內容而不是所迷 RF輸出本身來實現的，這樣做可以導致降低功率消耗。所述反饋將可
以特別有效地抑制由于所述開關不能對于在低輸出幅度下生成的非常 短的脈沖完全接通而導致的失真。
應當強調，在本說明書中使用的術語"包括"用于表明所述特征、 步驟或組件的存在，而不排除一個或多個其他的特征、步驟、組件或其 組合的存在或添加。


現在將參考附圖更為詳細地描迷本發明，其中 圖1示出根椐本發明一個實施例的開關模式功率放大設備的示意方 框圖2示出根據本發明一個實施例的放大射頻信號的方法的流程圖； 圖3示意性地示出彼此通信的兩個無線電發射設備，其中一個是基站，另一個是移動臺，其中每一個無線電發射設備可以包括根據本發明
的功率放大設備；以及
圖4示出具有蜂窩電話的形式的移動臺的正視圖。
具體實施例方式
本發明涉及一種開關模式RF (射頻)功率放大器，其可以被有利 地用于無線網絡(例如2.5G及以上網絡)中的通信。RF功率放大器的 一個問題在于，如果還期望良好的效率的話，則所述RF功率放大器的 線性度差。本發明針對提高這種放大器的線性度。同時還保持了良好的效率。
在圖1的示意方框圖中示出這樣一個開關模式功率放大設備10。所 述功率放大設備10由包括多個不同單元的虛線框表示。所述功率放大 設備10包括包絡信號輸入端EI,所述包絡信號輸入端EI被連接到算術 組合單元的第一輸入端，所述算術組合單元在本實施例中是減法單元 SUB。所述減法單元SUB的輸出端被連接到放大級Av的輸入端，該放 大級的輸出端被連接到調制單元PWM的輸入端。所述調制單元PWM 在本實施例中是脈沖寬度調制單元，其還通過第二輸入端接收載波C, 所述載波C的頻率等于將被發射的無線電頻率并且提供有相位信息內 容。所述調制單元PWM的輸出端被連接到放大單元PA的輸入端，該 放大單元PA是所述設備的功率放大級。所述放大單元PA接收電源電 壓Vdd,其輸出端被連接到帶通濾波器BPF的輸入端，該帶通濾波器的 輸出端又被連接到天線12。所述帶通濾波器BPF和所述天線12在這里 不是所述功率放大設備10的一部分。所述減法單元SUB具有第二輸入 端， 一條反饋路徑被連接在所迷放大單元PA的輸出端與該減法單元 SUB的第二輸入端之間。該反饋路徑包括低通濾波器LPF，該低通濾波 器LPF的輸入端被連接到所述放大單元PA的輸出端，該低通濾波器LPF 的輸出端被連接到第一 A/D轉換器A/D1的輸入端。該第一A/D轉換器 A/D1的輸出端被連接到信號處理單元DSP的第一輸入端。此外還有第 二A/D轉換器A/D2，其輸入端接收相同的電源電壓Vdd。所述第二A/D 轉換器A/D2的輸出端被連接到所述信號處理單元DSP的第二輸入端。 所述信號處理單元DSP在本實施例中是數字信號處理單元。該信號處理 單元DSP的輸出端被連接到D/A轉換器D/A的輸入端，該D/A轉換器D/A又被連接到所述減法單元SUB的第二輸入端。
現在將參考圖2描述所述開關模式功率放大設備10的運作，該圖 示出概述該設備的操作方法的流程圖。
所述方法整個地開始于在步驟14中在所述包絡信號輸入端EI上接 收包絡信號E,該信號在本實施例中是模擬形式。所述包絡信號E被提 供給所述算術組合單元SUB，該單元在步驟16中按照算術的方式把所 述包絡信號E與所估計的射頻幅度Ae相組合，在本實施例中是從所述 包絡信號E中減去所估計的射頻幅度Ae，以便獲得經過修改的包絡信 號E，。該經過修改的包絡信號E，也可以被視為包絡誤差信號。后面將 描述如何確定所估計的射頻幅度AE。隨后把所迷經過修改的包絡信號E， 提供給所述放大級Av,在步驟18中，在該放大級中利用增益Av來放大 所述經過修改的包絡信號E，。隨后把所得到的信號提供給所述調制單元 PWM，在其中利用所述栽波C來調制該信號。在步驟20中，在本實施 例中通過具有調制的脈沖來執行所述調制。利用將使用所述功率放大設 備10發送的數據對所述栽波C進行相位調制。在這里通過調制所述脈 沖的位置來添加所述相位信息。隨后把所述經過脈沖寬度調制的信號提 供給所述放大單元PA,該放大單元在步驟22中對所迷PWM信號執行 放大。為該單元PA饋送電源電壓Vdd，從而提供具有幅度Vdd的PWM 脈沖。隨后在步驟24中把所述經過放大的PWM信號作為輸出信號O 輸出到所述帶通濾波器BPF以便進行帶通濾波，并且隨后將其輸出到所 述天線12以便發射到接收設備。所述輸出信號還被提供給所述低通濾 波器LPF,該低通濾波器在步驟26中濾除所述輸出信號O的低頻內容， 從而提供經過濾波的信號Vf。隨后把所述經過濾波的信號Vf提供給所 述第一 A/D轉換器A/D1，其把所迷經過濾波的信號Vf的模擬形式轉換 成數字形式。隨后把所述經過濾波的信號Vf的該數字形式提供給所述 信號處理單元DSP。該信號處理單元DSP還通過所述第二 A/D轉換器 A/D2接收數字形式的電源電壓Vdd。所迷信號處理單元DSP隨后在步 驟28中處理所迷經過濾波的信號Vf以及所迷電源電壓以便提供所估計 的射頻幅度ae,即所述天線的RF幅度。所估計的該射頻幅度Ae也可 以坤皮視為對所述輸出信號0的包絡的估計。下面將更加詳細地描述如何 進行所述處理。所述信號處理單元DSP把所估計的幅度Ae提供給所述 D/A轉換器D/A，以便轉換成模擬形式。隨后把所估計的幅度AE提供給所述減法單元SUB,該減法單元從而在步驟16中利用所估計的該幅度 Ae來修改所述包絡信號E,以便獲得所述經過修改的包絡信號E，，從而 閉合所述反饋環路。這能夠使得所述輸出信號O更為線性。 下面將描述如何可以提供所述射頻幅度估計。
首先假設來自所述放大單元PA的輸出信號O是具有固定脈沖寬度
tp并且在脈沖之間具有固定周期Tper的理想周期性信號，如果假設所述
功率放大單元PA隨后把所述PWM信號最大放大到電平Vdd,即每一 個脈沖將具有幅度Vdd,則可以按照下式確定來自所述放大單元PA的 輸出信號的DC電平
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可以利用傅里葉展開來確定無線電基頻幅度A: A = 2/n * Vdd * sin(;i * t/Tpe,) 這又意味著所述基頻為下式
<formula>formula see original document page 10</formula>
從上面的等式可以看出，如果所述DC輸出電壓Vdc和電源電壓 Vdd是已知的，則可以計算所述基頻幅度。在操作于高頻下的真實的開 關模式功率放大設備中，所述輸出電壓沒有那么理想，但是仍然有可能
從所述輸出DC電壓估計所述無線電基頻幅度。在使用已調信號時，可 以基于利用上面提到的低通濾波器從所述輸出信號中導出的低頻輸出 Vf來估計所述RF幅度。
因此，對于沒有那么理想的輸出電壓可以按照下式來確定所估計的 射頻幅度
<formula>formula see original document page 10</formula>
如果所述輸出信號的幅度不同于Vdd,則應當替換地把該幅度用在 上面的等式中。為了校正所述開關模式功率放大設備中的某些非線性機 制，可以在上面的表達式中使用校正項。由于所迷信號處理單元所操作 的信號的帶寬與該信號的調制帶寬相關，因此有利的是利用數字電路來4丸4亍所述幅度估計。
然而應當認識到，也可以利用模擬信號來執行所述RF幅度估計， 在這種情況下將不需要所述D/A和A/D轉換單元。還有可能具有數字包 絡信號，在這種情況下，所述D/A轉換單元可以被移到所述減法單元 SUB與所述放大級Av之間。
通過為所迷DSP提供關于所述輸出信號的低頻內容以及所述電源 電壓的信息，該DSP可以估計所述RF輸出幅度，而不管所述電源電壓 中的變化如何。所述放大級Av的增益Av被設置成達到足夠高的環路增 益，但是沒有高到會出現穩定性問題。所述低通濾波器LPF與所述(頻 率相關的)放大級Av相組合地負責對所述增益進行整形以便確保穩定 性，這例如是通過進入主導極點來實現的。
可以按照多種方式來實現所述脈沖寬度調制單元(PWM)。其中一 種方式是使用積分器在所述載頻下產生(經過相位調制的)三角波。隨 后使用比較器把該三角波與來自所述放大級Av的信號進行比較。所述 比較器的輸出是所述PWM信號。另一種替換方案是把所述經過相位調 制的載波饋送到兩個時間延遲單元，所述時間延遲單元由來自所述放大 級Av的信號控制。如果所迷時間延遲具有相反的特性，也就是說在控 制信號中增大其中一個時間延遲的數量與減小另一個時間延遲的數量 相同，則可以通過把所述兩個經過延遲的信號饋送到一個與門來產生 PWM信號。
上面提到的所述功率放大設備10的操作具有幾個優點。該功率放 大設備提供一種更加線性的操作模式。同時，該功率放大設備具有高效 率。因此，該功率放大設備允許提供具有良好的線性行為的高功率效率 的射頻發射。該裝置測量所述輸出信號的、與所述RF輸出相關的低頻 內容，并且可以從中計算及反饋所迷RF幅度。此外，所述反饋結構簡 單，這是通過測量所述輸出信號的低頻內容而不是所述RF輸出本身而 實現的，這樣做可以導致降低功率消耗。所迷反饋將可以特別有效地抑 制由于所述開關不能對于在低輸出幅度下生成的非常短的脈沖完全接 通而導致的失真。
通過使用脈沖寬度調制(PWM)而不是A-S調制(DSM)，可以 避免生成大量量化噪聲和帶內雜散信號(干擾)。所述A-2調制器具有 大量量化噪聲，這只能利用非常高的時鐘頻率來抑制，從而需要很高的功率。由于其簡單性，所述脈沖寬度調制器的功率效率可以非常高。所 述筒單的調制也只需要所述輸出級的最小數目的開關轉換。這也簡化了 所述天線之前的帶通濾波器的設計，從而可以降低成本和功率消耗。
根椐本發明的功率放大設備可以被提供在基站或移動臺或者全部
二者中。圖3示意性地示出在廣域網N中與移動臺34通信的這樣一個 基站32。在這里，所述基站和移動臺都配備有根據本發明的功率放大設 備。所述移動臺可以是如圖4所示的蜂窩電話。
除了上面提到的之外，本發明還可以有多種變型。可以省略所述放 大級Av。所述算術組合單元在這里被描述為減法單元。還可以用加法單 元的形式來提供所述算術組合單元。所述調制單元不限于PWM調制單 元，而例如還可以是A-i;調制單元。在上面描述的實施例中，所迷電源 電壓被用于估計所述信號幅度。這樣做的有利之處在于只需要很少的額 外組件。然而，也有可能按照其他方式來確定所述輸出信號的幅度。可 選地，如果所迷電源電壓足夠穩定，則不需要測量該電源電壓。這意味 著可以把所述電源電壓的信息存儲在所述數字信號處理單元中，從而不 再需要所述第二A/D轉換器。
雖然結合特定實施例描述了本發明，但是并不打算把本發明限制于 在這里闡述的具體形式。相反，本發明的范圍僅僅由所附權利要求書來 限定。
權利要求
1、放大射頻信號的方法，包括以下步驟接收(14)包絡信號(E)；按照算術方式把所估計的射頻幅度(AE)與所述包絡信號(E)相組合(16)，以便獲得經過修改的包絡信號(E’)；利用載波(C)來調制(20)所述經過修改的包絡信號(E’)，以便獲得已調信號；放大(22)所述已調信號，以便獲得輸出信號(O)；對所述輸出信號(O)進行低通濾波(26)；以及處理(28)所述經過濾波的信號(Vf)，以便獲得所估計的射頻幅度(AE)。
2、 根據權利要求1所述的方法，其中，處理所述經過濾波的信號 的所述步驟還基于所述輸出信號(0)的幅度。
3、 根據權利要求2所述的方法，其中，所述輸出信號的幅度被設 置成用于放大所迷已調信號的電源電壓(Vdd)。
4、 根據權利要求2或3所述的方法，其中，對所述經過濾波的信 號的所述處理是基于對所估計的射頻幅度的傅里葉展開。
5、 根椐權利要求2-4中的任何一項所述的方法，其中，所估計的 射頻幅度是通過以下表達式獲得的Ae = (2/rr) * Vdd * sin Vf/Vdd) 其中，Vf是所述經過濾波的信號，Vdd是所述輸出信號的幅度，以及AE是所估計的射頻幅度。
6、 根據任何一項在前權利要求所述的方法，其中，處理所述經過 濾波的信號的所迷步驟是對數字信號執行的，而所述已調信號和輸出信 號是模擬信號。
7、 根據任何一項在前權利要求所述的方法，其中，處理所述包絡 信號和經過修改的包絡信號的所述步驟包括利用所述載波(C)對所述 信號進行脈沖寬度調制。
8、 一種開關模式功率放大設備(10)，包括 包絡信號輸入端(EI);算術組合單元(SUB)，其第一輸入端被連接到所述包絡信號輸入 端，該算術組合單元提供經過修改的包絡信號(E，)；調制單元(PWM),用于接收所述經過修改的包絡信號，并且被配 置成利用載波(C)來調制該信號以便獲得已調信號；放大單元(PA),其被連接到所述調制單元以用于放大所述已調信 號，從而獲得輸出信號(O);反饋路徑，其被連接在所述放大單元(PA)的輸出端與所述算術組 合單元(SUB)的第二輸入端之間，所述反饋路徑包括低通濾波器(LPF),用于對所述輸出信號(O)進行低通濾波；以及至少一個信號處理單元(DSP),用于處理所述經過濾波的信 號(Vf),從而獲得所估計的射頻幅度(AE)以便提供給所述算術組合 單元的第二輸入端。
9、 根據權利要求8所述的開關功率放大設備，其中，所述信號處 理單元接收所述輸出信號(O)的幅度，以便使得對所估計的射頻幅度 的所述獲得還基于所迷輸出信號(O)的幅度。
10、 根據權利要求9所述的開關功率放大設備，其中，所述信號處 理單元接4欠由所述放大單元(PA)使用的電源電壓(Vdd)以作為所述 輸出信號(O)的幅度。
11、 根據權利要求9或10所述的開關功率放大設備，其中，對所 述經過濾波的信號的所述處理是基于對所估計的射頻幅度的傅里葉展 開。
12、 根據權利要求9或11中的任何一項所迷的開關功率放大設備， 其中，所估計的信號脈沖幅度是通過以下表達式獲得的AE = (2/n) * Vdd * sin (;r* Vf/Vdd) 其中，Vf是所述經過濾波的信號，Vdd是所述輸出信號的幅度，以及AE是所估計的信號脈沖幅度。
13、 根據權利要求8- 12中的任何一項所述的開關功率放大設備， 還包括所述反饋路徑中的至少一個A/D轉換器(A/D1， A/D2)以便 向所述信號處理單元提供數字信號，以及D/A轉換器(D/A)以用于確保所迷調制單元(PWM )接收到模擬信號，其中所述信號處理單元(DSP) 是數字信號處理單元。
14、 根據權利要求13所述的開關功率放大設備，其中，所迷D/A 轉換器在所述反饋路徑中被連接在所迷信號處理單元與所迷算術組合 單元之間。
15、 根據權利要求13所述的開關功率放大設備，其中，所述D/A 轉換器被連接在所述算術組合單元與所述調制單元之間。
16、 根據權利要求8- 15中的任何一項所述的開關功率放大設備， 其中，所述調制單元(PWM)是脈沖寬度調制單元。
17、 包括至少一個根據權利要求8- 16中的任何一項所述的開關功 率放大設備的無線電發射設備。
18、 根據權利要求17所述的無線電發射設備，其中，該設備是基站。
19、 根據權利要求17所述的無線電發射設備，其中，該設備是移 動臺。
全文摘要
本發明涉及一種放大射頻信號的方法、一種開關模式功率放大設備以及一種包括所述功率放大設備的無線電發射設備。所述開關功率放大設備(10)包括包絡信號輸入端(EI)；所述包絡信號輸入端與調制單元(PWM)之間的算術組合單元(SUB)，該調制單元(PWM)被配置成利用載波(C)來調制由該算術組合單元輸出的經過修改的包絡信號(E’)，以便獲得已調信號；放大單元(PA)，其被連接到所述調制單元以用于提供輸出信號(O)；以及連接在所述放大單元(PA)與所述算術組合單元(SUB)之間的反饋路徑。所述反饋路徑包括低通濾波器(LPF)，用于對所述輸出信號(O)進行低通濾波；以及信號處理單元(DSP)，用于處理所述經過濾波的信號(Vf)，從而獲得所估計的射頻幅度(AE)以便提供給所述算術組合單元。
文檔編號H03F1/02GK101473529SQ200680055093
公開日2009年7月1日 申請日期2006年6月27日 優先權日2006年6月27日
發明者H·索蘭德 申請人:艾利森電話股份有限公司