专利名称：多级linc发射器的制作方法
技术领域：
本发明有关于具有非线性组件的线性放大(Linear amplification w池 nonlinear components,以下简称LINC)发射器，特别有关于一种多级LINC发 射器。
背景技术：
为了延长移动手持设备的电池使用寿命，在无线行动通信系统中对电力使用的效率问题也变的愈来愈重要。具体而言，收发器最大的电力消耗元件 是具有非线性特性的功率放大器。然而，在对不等幅包络信号(non-constant-envelope signals)进行调制时，却要求功率放大器具有高线性。因此，在无线发射器中存在需要权衡线性与电源效率的问题。各种功率放大器线性化技术已经被用来改善无线发射器中线性与电源效 率所存在的问题。LINC技术可做为一种发射器架构用以增加无线发射器的线 性以及电源效率。由于需要处理精确信号并且需要对制造工艺变化不敏感， 数字UNC架构更适合当今的处理需求。图1为现有LINC架构的方块图。请参考图1， LINC 100的输入信号S(t) 为不等幅包络信号。信号分离器(signal separator" 10接收输入信号S(t)并将其 分成两个等幅包络信号SI和S2。然后，功率放大器PAJ卩PA2分别将等幅包 络信号SI和S2放大。由于非线性功率放大器可将等幅包络信号线性放大， 在此架构中会使用两个高功率的非线性功率放大器。最后，两个放大后的信 号在功率合成器(power combiner)120处结合。这样，在功率合成装置的输出 端可以得到线性放大信号。LINC系统的输入信号S(t)为不等幅包络信号，其中，A(t)表示信号的包络，cp(t)表示信号的相位。图2A为输入信号S(t) 的相量示意图。不等幅包络信号S(t)被分离成等幅包络信号S"t)和S2(t)，柳=会[，+ ，] =丄^ [一(伊(')+0(')) +以及，反相位角e(t)可以表示为r。Sl(t)和S2(t)均在一个半径为ro的圆上，在现有的LINC发射器中，r0 是由系统设计者预先定义的一个縮放常数，由于输入范围的反余弦是[-l， 1]， 所以ro的选择必须满足以下公式r0 S max(雄))图2B为信号经过放大后的相量示意图。经过放大后的信号表示为G S"t) 和G S2(t)，其中G是功率放大器的电压增益。两个信号通过功率合成器结合以得到信号^^G'SW，信号^G^W是输出信号S(t)的线性放大。由于反相 位角技术，LINC通过两个高功率非线性放大器实现了线性放大。发明内容因此，需要提出解决无线发射器中存在的需要权衡线性与电源效率的问题。本发明提出一种多级LINC发射器，包括多级信号分离器，其包括多级 缩放器并将输入信号转换成相位信号；相位调制模块，耦接至多级信号分离 器，接收相位信号；前置补偿器，耦接至多级信号分离器，产生包络信号； 混频模块，耦接至相位调制模块以及前置补偿器，产生中频信号；上转换器
模块，耦接至混频模块，并将中频信号上转换成射频频率；以及射频模块， 包括多个功率放大器，功率放大器耦接至上转换器模块，以及功率合成器， 耦接至功率放大器。本发明还提出一种多级LINC发射器，包括多级信号分离器，其包括多 级缩放器并将输入信号转换成相位信号；前置补偿器，耦接至多级信号分离 器，产生包络信号；极坐标至IQ转换模块，耦接至多级信号分离器以及置补 偿器；上转换器模块，耦接至极坐标至IQ转换模块；以及射频模块，包括多 个功率放大器，这些功率放大器耦接至上转换器模块，以及功率合成器，耦 接至这些功率放大器。本发明提供的多级LINC发射器可以在满足线性要求的同时提高电源的 使用效率。
图1为现有LINC架构的方块图。 图2A为输入信号S(t)及其成分放大之前的相量示意图。 图2B为输入信号S(t)及其成分放大后的相量示意图。 图3为本发明实施例的多级LINC发射器的方块图。图4A为单一级縮放技术的反相位角e(t)的相量示意图。 图4B为2级縮放技术的反相位角e，(t)的相量示意图。图5A与图5B分别为多级缩放技术的反相位角的详细相量示意图以及概 括相量示意图。图6为WCDMA的包络分布图。图7A至图7C分别为本发明实施例的信号分离与放大的相量示意图。 图8A为满足一限制条件所揭露的系统方块图。图8B为功率放大器输出的信号为Gw'^与多级包络RN成比例的示意图。 图8C为功率放大器的转换曲线图。 图8D显示功率放大器的输出信号与多级包络RN成比例关系的曲线图。图9为本发明一实施例的多级缩放器的方块图。图IO为本发明另一实施例的多级LINC发射器的方块图。
具体实施方式
图3为本发明实施例多级LINC发射器的方块图。请参考图3，多级LINC 发射器300包括多级信号分离器(multilevel signal component separator" 10，相 位调制模块320，混频模块340，上转换器模块(up-converter block)350，前置 补偿器360以及射频(RF)模块330。多级信号分离器310包括极坐标转换器 (polar converter)311，多级縮放器(multilevel scaler)313耦接至极坐标转换器 311，反余弦模块(inversecosinemodule)315耦接至多级缩放器313，以及相位 计算器(phasecalculator)317耦接至极坐标转换器311和反余弦模块315。极坐 标转换器311接收输入信号S(t)并将其转换成极坐标形式。然后，输入信号 S(t)的包络A(t)通过多级縮放器313处理，并且反余弦模块315生成反相位角e，(t)。然后，相位计算器3i7生成相位信号cp(t)+e'(t)和(p(t)-e，(t)。具体而 言，多级信号分离器310将输入信号s(t)转换成相位信号(p(t)+e'(t)和cp(t)-e，(t)。相位调制模块320包括两个耦接至多级信号分离器310的相位调 制器321、 322。前置补偿器360耦接至多级縮放器313和相位计算器317。 混频模块340包括两个混频器341、 342，分别耦接至对应的相位调制器321 、 322并且共同耦接至前置补偿器360。上转换器模块350包括两个上转换器 351、 352，分别耦接至对应的混频器341、 342。上转换器模块一般可由调制 器或混频器来实现。射频模块330包括多个耦接至上转换器模块350的功率 放大器(PA)331以及耦接至功率放大器331的功率合成器333。在本发明一实施例中LINC发射器可采用威尔金森功率合成器(wilkinscm power combiner)，然其并非用以限定本发明。其它功率合成器如无损威尔金 森功率合成器(lossless Wilkinson power combiner)、奇里卡华反相位合成器 (Chireix-outphasing combiner)或者其它类似者均适用于本发明。对于威尔金森功率合成器来说，效率系数T!(t)可以定义为 "(0 = cos2,反相位角e(t)可以表示为柳,-'(垄)需要注意的是，e(t)值与T!(t)值成反比。当反相位角e(t)由前面的公式所替换后，效率系数T!(t)则可以表示为-柳=l ro 〉这样一来，为了利用威尔金森功率合成器的功率高效性，r。的值必须接近 但不小于包络A(t)的最大值。请参考图3，相较于现有使用单一级ro的縮放技术来说，多级縮放器313 降低反相位角e(t)的值以获得较高效率的威尔金森功率合成器的功率。图4A为单一级縮放技术的反相位角e(t)的相量示意图，图4B为2级縮放技术的反相位角e'(t)的相量示意图。在此实施例中，当包络A(t)比ro要小的多的时候， 多级缩放器使縮放系数从ro调整为n，在图4B中反相位角e，(t)比图4A中的 单一级反相位角e(t)要小的多。这样一来可利用多级缩放技术来增强威尔金森 功率合成器的效率。如图5A所示，多级縮放技术中的级数可以为N，而在图 5B中，Rw为级数的一般表达式，其中其中 =G， "Q=max0^))，则在多级缩放技术中对反相位角e'(t)的可表 示为昨)-cos-1(，)为了使威尔金森功率合成器的效率最大化，由于LINC发射器中需要使用 多级缩放系数，所以每一级rk的最佳系数需要预先确定。威尔金森功率合成 器的效率公式则可以表达为-7(0 =<formula>formula see original document page 9</formula>图6为WCDMA的包络分布图，其中包络A(t)是概率函数。为了获得效 率系数T!(t)的期望值，如图6所示，包络A(t)可以被分成多个区域，这样便可 通过每个区域的期望值来得到E(T!(t)) 。 E("(t))的计算公式为辆=z r"竭)，<formula>formula see original document page 9</formula> ，其中p(A(t))是A(t)的概率密度函数，R是第K级的縮放系数，N为縮放级数，以及max(A(t))为输入信号包络的最大值。 为了使威尔金森功率合成器的效率最大化，对E(《t))进行微分，使得 巡(7(f)) ， 0战" ，其中k-0， 1,…,N。这样便可获得最优选的RN集合。通过最优选 的多级包络Rw集合，多级縮放便可使Rw动态地接近但是不低于包络A(t)。 当通过使用多级縮放技术增加合成器的效率时，输入信号可以被分离成两个包含多级包络Rw的信号，这种做法可以表示为()—2 4 }。 取代分裂输入信号至量级I^，参数Mw用于表示信号包络。请参考图7A，利 用RN以将输入信号S(t)的包络信息转换成小反相位角0'(t)。在图7B中，MN 为信号的量级(magnitude)。多级方法将输入信号S(t)分离成两个中频 (intermediate signal)信号Si'(t)以及S2'(t)，其量级为MN而不是I^。此时信号 可以表示为"0 = Mw 以<formula>formula see original document page 9</formula>通过此量级Mn以及多级缩放级数便可以得到较高功率的功率放大器。当输入信号分离后，两上转换器分别将信号S,，(t)和S2，(t)转换到射频(RF)频带。经过上转换后的信号可以表示为Sm,^M,cos("."柳+ 0仰以及sM2(0=Mw.c。s( w+ 0)，图7C为信号经过放大后的示意图，放大后的信号 可以表示为GN. S^(t)以及GN. SM2(t),其中当RN-rk，且k-O，l，……N-l时， GN =gk。 GN为功率放大器的增益，其对应于不同的输入包络RN。然后，在LINC系统中的两个合成后的信号输出为-S。w W = ^. Gw .Mw cos，' cos(奴+柳=V Dcos(扭+及w为了实现线性放大，输出信号S。ut应该是乘积々C^^;N^柳的常数。只W.Gw'Afw ，k要满足 "w 一 ，就可以实现高线性。图8A为满足此限制条件所揭露的 系统方块图。其中此系统包含前置补偿器810，接收多级包络RN并产生包络 信号Mn,以及功率放大器820，耦接至前置补偿器810。功率放大器(PA)820 输出的信号为^'^，如图8B所示，Gw'^与多級包絡Rn成比例。如果功 率放大器820输出的信号Gw'^w与多级包络Rn成比例，则高线性多级LINC 发射器便可实现。图8C为功率放大器的转换曲线图。图9为本发明一实施例的多级縮放器的方块图。请同时参阅图3与图9， 多级缩^C器313包括切割器(slicer)510以及耦接至切割器510的只读存储器 530。切割器510用于选择并输出特定的i"k至反余弦模块315。优选地，切割 器510包括比较器(compamtor)(图未示)。比较器确定包络A(t)的范围以及 根据包络A(t)的范围选择fk。只读存储器530储存可满足图8D中的曲线对应 关系的最佳Rw集合。图8D显示功率放大器的输出信号与RN成比例关系的曲 线图。图10为本发明另一实施例的多级LINC发射器的方块图。多级LINC发 射器900包括多级信号分离器910，前置补偿器950，极坐标至IQ转换模块 (polartoIQ converter block)920，上转换器模块940以及射频模块930。多级信 号分离器910包括极坐标转换器911，耦接至极坐标转换器911的多级縮放器 913，耦接至多级縮放器913的反余弦模块915，以及相位计算器917，其耦 接至极坐标转换器911以及反余弦模块915。极坐标转换器911接收输入信号 S(t)并将其转换成极坐标形式cp(t)。然后，包络A(t)由多级縮放器913进行縮 放，反余弦模块915产生反相位角e，(t)。然后，相位计算器917产生相位信
号cp(t)+e，(t)和cp(t)-e，(t)。换句话说，多级信号分离器9io将输入信号s(t)转换成相位信号cp(t)+9，(t)以及cp(t)-e，(t)。前置补偿器950耦接至多级縮放器913 并产生包络信号MN。极坐标至IQ转换模块920包括两个极坐标至IQ转换器921、 922。相位信号v(t)+e，(t)和v(t)-e，(t)以及包络信号MN被转换成直角坐标系。上转换器模块940包括两个上转换器941、 942，分别耦接至对应的极 坐标至IQ转换器921、 922。射频模块930包括耦接至上转换器模块940的多 个功率放大器(PA)931，以及耦接至功率放大器931的功率合成器933。图10 中的多级LINC发射器的具体操作与图3的描述相似，在此不再赘述。
权利要求
1.一种多级具有非线性组件的线性放大发射器，包括多级信号分离器，包括多级缩放器并将输入信号转换成相位信号；相位调制模块，耦接至所述的多级信号分离器，接收所述的相位信号；前置补偿器，耦接至所述的多级信号分离器，产生包络信号；混频模块，耦接至所述的相位调制模块以及所述的前置补偿器，产生中频信号；上转换器模块，耦接至所述的混频模块，并将所述的中频信号上转换为射频频带；以及射频模块，包括多个功率放大器，所述的多个功率放大器耦接至所述的上转换器模块，以及功率合成器，耦接至所述的多个功率放大器。
2. 根据权利要求1所述的多级具有非线性组件的线性放大发射器，其特 征在于，所述的多级縮放器包括切割器以及只读存储器，所述的只读存储器 耦接至所述的切割器。
3. 根据权利要求2所述的多级具有非线性组件的线性放大发射器，其特 征在于，所述的切割器包括比较器。
4. 根据权利要求1所述的多级具有非线性组件的线性放大发射器，其特 征在于，所述的功率合成器为威尔金森功率合成器。
5. 根据权利要求1所述的多级具有非线性组件的线性放大发射器，其特 征在于，所述的多级信号分离器还包括极坐标转换器，耦接至所述的多级縮放器，接收所述的输入信号； 反余弦模块，耦接至所述的多级縮放器；以及相位计算器，耦接至所述的极坐标转换器和所述的反余弦模块，产生所 述的相位信号。
6. 根据权利要求1所述的多级具有非线性组件的线性放大发射器，其特 征在于，所述的上转换器模块包括多个混频器或调制器。
7. —种多级具有非线性组件的线性放大发射器，包括 多级信号分离器，包括多级縮放器并将输入信号转换成相位信号； 前置补偿器，耦接至所述的多级信号分离器，产生包络信号； 极坐标至IQ转换模块，耦接至所述的多级信号分离器以及所述的置补偿器；上转换器模块，耦接至所述的极坐标至IQ转换模块；以及 射频模块，包括多个功率放大器，所述的多个功率放大器耦接至所述的 上转换器模块，以及功率合成器，耦接至所述的多个功率放大器。
8. 根据权利要求7所述的多级具有非线性组件的线性放大发射器，其特 征在于，所述的多级縮放器包括切割器以及只读存储器，所述的只读存储器 耦接至所述的切割器。
9. 根据权利要求8所述的多级具有非线性组件的线性放大发射器，其特 征在于，所述的切割器包括比较器。
10. 根据权利要求7所述的多级具有非线性组件的线性放大发射器，其特 征在于，所述的功率合成器为威尔金森功率合成器。
11. 根据权利要求7所述的多级具有非线性组件的线性放大发射器，其特 征在于，所述的多级信号分离器还包括-极坐标转换器，接至所述的多级缩放器，接收所述的输入信号； 反余弦模块，耦接至所述的多级縮放器，以及相位计算器，耦接至所述的极坐标转换器和所述的反余弦模块，产生所 述的相位信号。
12. 根据权利要求7所述的多级具有非线性组件的线性放大发射器，其特 征在于，所述的上转换器模块包括多个混频器或调制器。
全文摘要
一种多级LINC(Linear amplification with nonlinear components，具有非线性组件的线性)发射器，包括多级信号分离器，其包括多级缩放器并将输入信号转换成相位信号；相位调制模块，耦接至多级信号分离器，接收相位信号；前置补偿器，耦接至多级信号分离器，产生包络信号；混频模块，耦接至相位调制模块以及前置补偿器，产生中频信号；上转换器模块，耦接至混频模块，并将中频信号上转换成射频频率；以及射频模块，包括多个功率放大器，功率放大器耦接至上转换器模块，以及功率合成器耦接至功率放大器。本发明提供的多级LINC发射器可以在满足线性要求的同时提高电源的使用效率。
文档编号H04B1/04GK101110595SQ200710136160
公开日2008年1月23日 申请日期2007年7月19日 优先权日2006年7月21日
发明者吴安宇, 郑凯元, 陈圆觉 申请人:联发科技股份有限公司;汪重光