专利名称：高效率线性发射器的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及发射器。更具体的，本发明的各个方面涉及高效率线性发射器。
背景技术：
对于无线通信来说，获得频谱效率是一个很重要的问题，因为可利用的无线电频率(RF)频谱是有限的自然资源。具有变化信号振幅的频谱效率线性调制方案已在新一代的无线系统中得以使用，例如基于3G的系统，基于无线局域网(WLAN)的系统，以及基于全球微波接入互操作性(WiMAX)的系统。目前降低成本的需求导致基本的基站系统向多载波型基站系统发展。在多载波型基站系统中，结合具有波动包络的RF载波从而形成复合源信号。这种多RF载波的结合使得复合源信号的峰均比(PAR)增加，从而增强了无失真放大的需求。若没有无失真放大，复合源信号的频谱特性将会由于互调失真(IMD)而发生恶化，对于用户而言，这可能会引起邻近的频谱信道中出现干扰。通常可通过使用线性发射器和线性RF功率放大器(PA)而得到无失真放大。在无线发射过程中，线性度以及效率都是需要关注的问题。通常，RF放大的线性度既可通过降低功率效率获得，也可通过利用线性化方法获得。例如，线性PA的线性度，如 A级PA，AB级PA，可通过降低输入信号的电平来改善。然而，如果降低输入信号的电平，则需要在高线性度功率范围内操作PA。因此，通常需要以比通常所需更高的饱和功率来操作 PA。这样可以提高PA的功率消耗以此在高线性度功率范围内来操作PA。当考虑到一些因素例如增加数量的基站以及移动装置电池功率限制时，是不期望增加功率消耗的。为了克服在线性放大期间功率消耗提高的问题，可通过使用非线性高效率PA来替代线性RF的PA。在其预期的功率范围之上，可通过使用放大器线性化技术使非线性高效率PA的非线性响应变为线性。已知的一种放大器线性化技术是具有非线性成分的线性放大(LINC)。图Ia示出了常规LINC发射器100。常规LINC发射器100包括信号分量分离器 (SCS) 110，第一功率放大器120a，第二功率放大器120b以及组合器130。SCS 110接收输入信号(未示出)并将该输入信号转变成两个信号分量(未示出)。第一和第二功率放大器120a/120b中的每一个都具有输入端和输出端，其分别耦合到SCS 100和组合器130上。 在提供给组合器130之前，将两个信号分量中的每一个均提供给相应的第一和第二功率放大器120a/120b并进行放大。组合器130接收已放大的信号分量并对其进行合成从而产生输出信号(未示出)。常规LINC发射器100的总效率取决于第一和第二功率放大器120a/120b的功率效率，组合器130其自身的效率，以及信号重组过程的效率。在E级和F级切换模式中运行第一和第二功率放大器120a/120b时，第一和第二功率放大器120a/120b的功率效率对于具有恒包络的输入信号可达到最大值。在这种操作条件下，LINC发射器100的效率决定性地取决于组合器的类型，因为其确定重组的效率。
通常所使用的两种常规组合器是匹配的混合组合器或是不匹配的无损组合器。混合组合器是匹配的有损组合器，其在已放大的信号分量之间具有高绝缘性。如果在LINC发射器100中应用混合组合器，则可改善输出信号的线性度。这是因为已放大信号分量之间的绝缘。然而，混合组合器的重组效率是低的，因为一部分已放大信号分量的能量部分在相位之外被合成，并在被动负载(未示出)中作为热能而消散。另一方面，不匹配的无耗组合器并不提供组合路径间的绝缘，同时会在第一和第二功率放大器120a/120b之间引入显著的相互作用。由此，不匹配的无耗组合器比混合组合器更有效，因为第一和第二功率放大器120a/120b的每一个的输出端是耦合的。这种输出端耦合致使当各个分量信号间的相位差发生变化时，为第一和第二功率放大器 120a/120b的输出端提供随时间变化的负载。LINC发射器100的效率和线性度由此取决于第一和第二功率放大器120a/120b中每一个如何响应随时间变化的负载。例如，如果第一和第二功率放大器120a/120b中的每一个类似于理想电压源而运转，则功率消耗将直接与负载阻抗成比例。由此，在这样的理想情况下LINC发射器100的效率在所有输出电平中保持在高级别。然而，由于装置技术中的局限，不匹配的无耗组合器的使用可能会显著地使LINC 发射器100的线性度降低。会出现这种装置技术的限制的原因是，第一和第二功率放大器 120a/120b中的每一个都不能作为理想电压源运转，特别是在千兆赫(GHZ)频率范围的高频率下。由此，由于线性度考虑，通常在LINC发射器100中使用混合组合器。当在LINC发射器100中使用混合组合器时，必须复制所有的信号动态。这在第一和第二功率放大器120a/120b连续产生最大输出时可以实现。因此，要求直流(DC)功率是常量，并被LINC发射器100消耗，即使来自于第一和第二功率放大器120a/120b的合成的瞬时输出功率是零。因此，虽然第一和第二功率放大器120a/120b可以在高功率效率下运行，当在最大输出功率处产生的已放大的信号分量并且相对于彼此有相位差时，由LINC发射器所消耗的DC功率也是相当大的。因此，对LINC发射器100的重组效率有不利影响。因此需要提供一种解决方案，用于解决前述常规LINC发射器100中出现的至少一个问题。发明概述根据本发明的一个方面，提供一种信号发射器。该信号发射器包括控制模块，信号分量分离器模块，功率放大器模块以及信号组合器。控制模块具有一耦合以接收输入信号的第一输入端，耦合以接收阈值信号的第二输入端，以及配置用于提供控制信号的输出端。 信号分量分离器具有一耦合以接收输入信号的第一输入端，和耦合以接收控制信号的第二输入端。信号分量分离器还具有配置用于提供第一信号分量的第一输出端，以及配置用于提供第二信号分量的第二输出端。功率放大器模块具有耦合到信号分量分离器第一输出端上的第一输入端，耦合到信号分量分离器模块第二输出端上的第二输入端，耦合到控制模块输出端上的控制输入端，第一输出端和第二输出端。功率放大器模块还具有耦合到第一电源电压上的第一电路部分，以及耦合到第二电源电压上的第二电路部分。信号组合器具有耦合到第一功率放大模块输出端上的第一输入端，耦合到第二功率放大模块输出端上的第二输入端，以及配置用于提供重组的输出信号的输出端。
根据本发明的另一方面，提供一种信号发射器。该信号发射器包括比较器，信号分量分离模块，功率放大器模块以及信号组合器。比较器具有耦合以接收输入信号的第一输入端，耦合以接收阈值信号的第二输入端，以及输出端。信号分量分离器模块具有耦合以接收输入信号的第一输入端，耦合到比较器输出端上的第二输入端，第一输出端和第二输出端。功率放大器模块具有分别耦合到第一和第二信号分量分离器输出端上的第一输入端和第二输入端，耦合到比较器输出端的控制输入端，第一输出端和第二输出端。信号组合器具有分别耦合到第一和第二功率放大器模块输出端上的第一输入端和第二输入端，以及输出端。根据本发明的还一方面，提供一种信号传送方法。该信号传送方法包括确定输入信号振幅是否与低功率条件对应，基于输入信号是否与低功率条件对应而选择性地向上调整输入信号振幅。该信号传送方法还包括基于选择性向上调整的输入信号而执行信号分量分离，从而产生第一信号分量和第二信号分量。信号传送方法进一步包括至少放大第一信号分量，为输入信号振幅的选择性向上调整而选择性地补偿，并产生重组的输出信号。
以下将结合如下附图对说明书中的具体实施例进行说明，其中图Ia示出常规的具有非线性分量的线性放大(LINC)发射器，包括信号分量分离器，第一功率放大器，第二功率放大器以及组合器。图Ib是与依照几种类型的调制和过滤组合操作的常规的LINC发射器相对应的总重组效率值的计算列表；图加示出根据本发明实施例的线性发射器，其包括输入模块，变频器模块，放大器模块和组合器；图2b是常规的LINC发射器和根据本发明实施例的线性发射器的总重组效率值的计算列表，每个都根据特定的典型的调制和过滤组合操作；以及图3示出了利用64-QAM信号作为输入信号，图2中线性发射器的放大器模块和组合器输出端处的模拟输出频谱。图4是根据本发明一个实施例的信号传送处理的流程图。
具体实施例方式本发明的各种实施例着针对高效率线性发射器，其可用于涉及高线性无线电频率(RF)功率放大的无线产品中。这种无线产品的例子包括3G手机、4G手机、无线局域网 (WLAN)设备以及多输入和多输出(MIMO)WLAN设备。其他例子包括软件确定的无线电以及感知无线电。另外或可替代的，线性发射器可用在基站中。出于简短和清楚的目的，这里在线性发射器的情况下对本发明的各种实施例的各方面进行说明。然而这里并不排除各种实施例可应用于其他系统，设备，和/或工艺，其基本原理普遍存在于本发明各实施例众，例如预期的运行、功能和特性特点。以下更详细的进行说明，LINC放大器的整体或总的重组效率nt。t可以定义为下列效率的一个乘积1)功率放大器效率表示在该组合器自身内的信号损耗的组合器效率n。；3)基于输入信号功率或振幅的信号重组处理效率nm。
图Ib是示意性表示出根据几种典型的调制方案以及平方根升余弦过滤条件操作的一组常规的LINC发射器所计算出的总重组效率nt。t数值的列表。在图Ib中，将功率放大器效率na和组合器效率n。定义为百分之百(100%)，从而所示出的效率值仅与信号重组处理效率nm对应。图Ib中所示出的数值表示LINC发射器的总重组效率η tot取决于调制输入信号的振幅或功率。更具体的，总重组效率n t。t取决于信号PAR。再具体的，总重组效率nt。t随着PAR的增加而减少。考虑到一种普遍情况，进行高阶调制的输入信号将表现大的或扩大的信号PAR，以及降低的或低的输入平均信号功率。这样的高阶调制导致在LINC发射器的功率放大器中产生异相放大信号分量，从而不利地影响到信号重组处理效率nm。以下将详细说明，本发明各个实施例通过降低或选择性降低信号PAR而提高总系统效率。根据本发明的典型实施例，下面将结合图2-3对用于解决各种常规LINC发射器存在的例如前述一个或多个问题的线性发射器200进行说明。关于图2提供了线性发射器 200的一实施例的概述，并将在之后讨论这样一个线性发射器200的代表性操作。如图2中所示，根据本发明具体实施例的线性发射器200包括输入模块210，放大器模块230以及组合器M0。在一些实施例中，线性发射器200还包括变频器模块220。可利用数字信号处理器(DSP)来实现输入模块210，并且该模块包括比较器210a、信号分量分离器(SCQ模块210b以及振幅检测器210c。变频器模块220包括第一增频变频器模块 220a和第二增频变频器模块220b。放大器模块230包括第一功率放大器230a，第二功率放大器230b以及功率切换模块230c，功率切换模块230c可在例如第一电源230d和第二电源 230e之间切换。在各种实施例中，第一和第二电源230d/230e提供具有不同电压振幅的供给电压。例如，第一电源230d可提供具有第一电压振幅Vd的电源电压，第二电源230e可提供具有第二电压振幅Vd/β的另一电源电压。输入模块210接收输入信号Si (t)，将其提供给振幅检测器210c和SCS模块210b。 振幅检测器210c检测输入信号Si (t)的振幅，并确定输入信号Si (t)的振幅/%/。比较器 210a具有选定的阈值信号rth和输入信号SJt)的振幅/%/。比较器210a对输入信号Si⑴ 的振幅/X/和选定的阈值信号rth进行比较，并产生控制信号C(t)。SCS模块210b接收输入信号Si (t)以及控制信号C(t)。随后SCS模块210b使输入信号Si (t)转换为第一信号分量S1 (t)和第二信号分量& (t)，它们分别被提供给第一和第二增频变频器模块220a/220b。之后可将第一和第二信号分量S1 (t)/ (t)分别提供给放大器模块230的第一和第二功率放大器230a/230b。如果需要对第一和第二功率放大器230a/230b的每一个输入一个高频，则第一和第二增频变频器模块220a/220b用高载波频率对第一和第二信号分量S1(Oz^a)进行调制(例如，当为了无线电传输而将在基带处产生的信号分量转换为RF载波频率时)。可替换的，如果第一和第二信号分量直接以所需的载波频率生成时，则无需由第一和第二增频变频器模块220a/220b进行调制，而直接将第一和第二信号分量S1 (t) /S2 (t)直接提供给相应的第一和第二功率放大器230a/230b。第一和第二功率放大器230a/230b向第一和第二信号分量S1 (t)/ (t)中每一个分别提供增益，由符号‘G’表示，由此对第一和第二信号分量S1(Oz^a)中的每一个进行放大。随后将放大的第一和第二信号分量S1(Oz^a)提供给组合器240并重组，以得到重组的输出信号S。(t)。组合器240例如可是匹配的混合组合器。功率切换模块230c接收控制信号C (t)，其控制功率切换模块230c以确定提供给第一和第二功率放大器230a/230b的电压振幅。例如，控制信号C(t)控制功率切换模块 230c，其可以在第一或第二电源230d/230e之间进行切换，以便向第一功率放大器230a和第二功率放大器230b提供具有第一电压振幅Vd的电压，或提供具有第二电压振幅Vd/ β的电压。第一和第二功率放大器230a/230b中的每一个除了是功率放大器，还可以是转换放大器，并通常是高度非线性的。第一和第二功率放大器230a/230b中的每一个的例子包括D类，E类以及F类放大器，其中输出功率与所提供的电源电压的电压振幅的平方成比例， 并且功率效率是理想的百分之一百(100%)。另外，转换放大器的性能，例如功率效率，完全不受提供给转换放大器的电源电压振幅变化的影响。以下将对根据本发明实施例的线性发射器例如图2中所示的线性发射器200的典型操作进行说明。输入信号Si (t)例如可以是常规基带的频带限制源信号，可通过下面第一等式(1) 表不，Si (t) = r(t)eJ$(t) ；0 ^r(t) ^ rfflax(1)可通过下面的第二等式( 表示第一和第二信号分量S1(Oz^a)中的每一个，其中rmax表示最大振幅水平；0(t)和α (t)表示第一和第二信号分量S1(Oz^a)中的每一个的瞬时相位；r(t)表示瞬时振幅水平。S1 (t) =rmaxe·⑴+。⑴]⑵S2 (t) =r-eJ[<i> ⑴-。⑴]SiO = COS 1H^-J , if r(t) > rth(3)^m == COS-iP-^ ,if r(t) ^ rth在经SCS 210b变换之后，第一和第二信号分量S1(Oz^a)是反相的。此外，由于第一和第二信号分量S1(Oz^a)均具有恒定振幅，即其最大振幅水平rmax，因此可由第一和第二功率放大器230a/230b分别单独对它们进行放大。在不同实施例中，如前面第三等式C3)所表示的，如果输入信号Si (t)的振幅或功率水平低于给定的被定义为最低可接受信号水平的(例如，预先确定的)参考或阈值信号水平rth，则利用符号‘ β，表示的固定比例因数或比例与输入信号Si (t)相乘。否则，输入信号并不与比例β相乘。换言之，如果输入信号Si (t)的振幅低于阈值信号水平1^，贝_ 因数β对输入信号Si (t)的振幅上整。可替代的，当输入信号Si (t)表现为适合的、适当的或高功率水平(例如，其振幅大于或等于rth)时，则可使输入信号与β相乘，其中β = 1。如第三等式(3)中所示，如果确定输入信号Si (t)振幅/X/的瞬时振幅水平r(t) 小于或等于选定的阈值信号水平rth时，可以确定输入信号SJt)是低功率输入信号。否则， 不将输入信号Si (t)定义或确定为低功率输入信号，并由此不与比例β相乘。在一些实施例中，第三等式(3)可在输入模块210的SCS模块210b内执行。
在一些实施例中，确定固定比例β，从而若输入信号Si (t)是低功率水平时，则随后将第一和第二信号分量S1(Oz^a)的瞬时振幅水平r(t)提升至其最大振幅水平1~_。 由此，固定比例β可由以下第四等式(4)来确定β = rfflax/rth (4)选定的阈值信号rth的值可基于信号振幅分布来进行优化，不然被认为是信号概率密度函数I^(r)，其取决于所使用的调制方案类型以及过滤类型。输入信号Si(t)的平均功率万由以下第五等式⑶表示
权利要求
1.一种信号发射器，包括控制模块，具有被耦合以接收输入信号的第一输出端，被耦合以接收阈值信号的第二输入端，以及配置为用于提供控制信号的输出端；信号分量分离器模块，具有被耦合以接收输入信号的第一输入端，以及被耦合以接收控制信号的第二输入端，还具有配置为用于提供第一信号分量的第一输出端以及配置为用于提供第二信号分量的第二输出端；功率放大器模块，具有耦合到信号分量分离器模块的第一输出端上的第一输入端，耦合到信号分量分离器模块的第二输出端上的第二输入端，以及耦合到控制模块的输出端上的控制输入端，功率放大器模块具有耦合到第一电源电压上的第一电路部分以及耦合到第二电源电压上的第二电路部分，功率放大器模块具有第一输出端和第二输出端；以及信号组合器，具有耦合到第一功率放大器模块输出端上的第一输入端，耦合到第二功率放大器模块输出端上的第二输入端，以及配置为用于提供重组的输出信号的输出端。
2.根据权利要求1所述的信号发射器，其中控制模块包括比较器。
3.根据权利要求1所述的信号发射器，其中信号分量分离器模块包括信号乘法电路， 用以响应控制信号以选择性的将输入信号的振幅与因数β相乘。
4.根据权利要求3所述的信号发射器，其中因数β跟最大输入信号振幅与最低可接受的输入信号振幅的比例对应。
5.根据权利要求4所述的信号发射器，其中最低可接受的输入信号振幅与阈值信号的振幅对应。
6.根据权利要求4所述的信号发射器，其中第一电源电压等于V，第二电源电压等于V/β。
7.根据权利要求6所述的信号发射器，其中功率放大器模块包括电源电压选择电路，具有分别耦合到第一和第二电源电压上的第一和第二输入端，以及输出端；以及一组功率放大器，耦合到电源电压选择电路的输出端以及功率放大器模块的第一和第二输入端。
8.根据权利要求7所述的信号发射器，其中电源电压选择电路被配置为用于响应在功率放大器模块控制输入端处所接收到的信号而选择性地耦合到第一和第二电源电压中的一个上。
9.根据权利要求1所述的信号发射器，其中功率放大器模块至少包括第一非线性功率放大器和第二非线性功率放大器。
10.根据权利要求1所述的信号发射器，还包括变频器模块，具有分别耦合到第一和第二信号分量分离器模块输出端上的第一输入端和第二输入端，以及分别耦合到第一和第二功率放大器模块输入端上的第一输出端和第二输出端，变频器模块包括上变频转换电路。
11.一种信号发射器，包括比较器，具有被耦合以接收输入信号的第一输入端，被耦合以接收阈值信号的第二输入端，和输出端；信号分量分离器模块，具有被耦合以接收输入信号的第一输入端，耦合到比较器输出端上的第二输入端，第一输出端和第二输出端；功率放大器模块，具有分别耦合到第一和第二信号分量分离器输出端上的第一输入端和第二输入端，耦合到比较器输出端上的控制输入端，以及第一输出端和第二输出端；以及信号组合器，具有分别耦合到第一和第二功率放大器模块输出端上的第一输入端和第二输入端，和输出端。
12.根据权利要求11所述的信号发射器，其中功率放大器模块包括电源电压选择电路，耦合到第一电源电压和第二电源电压上，电源电压选择电路耦合到功率放大器模块的控制输入端上；以及第一和第二非线性功率放大器，耦合到电源电压选择电路上。
13.根据权利要求11所述的信号发射器，其中功率放大器模块包括 第一组非线性放大器，耦合到第一和第二电源电压上；以及第二组非线性放大器，耦合到第一和第二电源电压上，其中第一组非线性放大器和第二组非线性放大器都耦合到功率放大器模块的控制输入端上。
14.一种信号传送方法，包括；确定输入信号振幅是否与低功率条件相对应；基于输入信号是否与低功率条件相符，而选择性地上调输入信号振幅；在选择性上调的输入信号上执行信号分量分离，从而产生第一信号分量和第二信号分量；至少放大第一信号分量；对选择性上调的输入信号振幅进行选择性补偿；以及产生重组的输出信号。
15.根据权利要求14所述的信号传送方法，其中确定输入信号振幅是否与低功率条件相对应的步骤包括将输入信号振幅与阈值信号振幅相比较。
16.根据权利要求14所述的信号传送方法，其中对输入信号振幅的选择性上调进行选择性补偿的步骤包括在耦合到第一功率放大器电源电压的电路与耦合到第二功率放大器电源电压的电路之间进行选择。
17.根据权利要求16所述的信号传送方法，其中选择性地上调输入信号振幅的步骤包括将输入信号振幅与因数β相乘，该因数β与最大输入信号振幅rmax和阈值输入信号振幅rth之间的比例对应，并且其中第一功率放大器电源电压等于V，第二功率放大器电源电压等于V/β。
18.根据权利要求14所述的信号传送方法，其中选择性上调输入信号振幅以及执行信号分量分离的步骤均在单个信号分量分离器模块中执行。
19.根据权利要求14所述的信号传送方法，其中利用非线性分量与线性放大相结合执行该方法。
20.根据权利要求14所述的信号传送方法，还包括在第一信号分量和第二信号分量之中的至少一个上执行频率向上变换操作。
全文摘要
一种高效率线性传输装置利用控制模块比较输入信号和阈值。该发射器包括一个或多个功率放大器(230a，230b)，一个分量分离器(210b)和一个组合器(240)。功率放大器耦合到第一电源电压(Vd)和第二电源电压(Vd/β)。在阈值之上，输入信号被直接施加到分离器，并选择第一电源电压用于功率放大器。当输入信号低于阈值，到分离器的输入被乘以因数β，并且通过施加一个第二功率电压(Vd/β)对功率放大器进行补偿。分量包括LINC(常振幅可变相位)信号。
文档编号H03F3/20GK102165688SQ200980119629
公开日2011年8月24日 申请日期2009年3月31日 优先权日2008年3月31日
发明者时波 申请人:新加坡科技研究局