專利名稱：產(chǎn)生放大信號(hào)的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及把信號(hào)放大，更具體說，是涉及能使信號(hào)高效和/或線性放大的系統(tǒng)和方法。
理想的功率放大器無形變地放大輸入的信號(hào)。因此，理想功率放大器的特征是，有一個(gè)沒有傳遞函數(shù)(輸入信號(hào)對(duì)輸出信號(hào))間斷點(diǎn)的線性傳遞函數(shù)。但是實(shí)際上，功率放大器的傳遞函數(shù)存在非線性和“線性”區(qū)。功率放大器是否工作在線性或非線性區(qū)，依賴于輸入信號(hào)的振幅。為了使功率放大器盡可能接近于線性工作，功率放大器要設(shè)計(jì)成工作在它的線性區(qū)內(nèi)，這個(gè)線性區(qū)由可能的輸入信號(hào)振幅范圍給定。如果輸入信號(hào)的振幅使功率放大器工作在線性區(qū)外，那么，功率放大器會(huì)對(duì)信號(hào)帶來非線性分量或失真。當(dāng)輸入信號(hào)具有使放大器飽和(隨著輸入振幅的增加，輸出振幅沒有可察覺的增加)或截止(隨著輸入振幅的減小，輸出振幅沒有可察覺的減小)的峰值振幅時(shí)，放大器被過激勵(lì)，而輸出信號(hào)以非線性方式被限幅或嚴(yán)重失真。通常，一個(gè)放大器的特征是有一個(gè)限幅閾值，振幅超過限幅閾值的輸入信號(hào)，在放大器的輸出即被限幅。除去使信號(hào)失真外，輸入信號(hào)的限幅或非線性失真還產(chǎn)生頻譜的再增長(zhǎng)或產(chǎn)生能干擾相鄰頻率的相鄰信道功率(ACP)。
在無線通信系統(tǒng)中，傳送的消耗的大功率放大常常遇到非常大的峰值對(duì)平均功率比值(PAR)。例如，在時(shí)分多址(TDMA)系統(tǒng)中，當(dāng)把多個(gè)載波信號(hào)組合起來用功率放大器放大時(shí)，大量載波合成的PAR約為9-10dB。在碼分多址(CDMA)系統(tǒng)中，單個(gè)加載1.25MHz的寬載波，能有11.3dB的PAR。這些信號(hào)必須完美地線性地放大，以避免產(chǎn)生ACP。
遺憾的是，基站放大器的效率反比于它的線性。為獲得高線性度，放大器的偏置要使之工作在A類或“輕微的”AB類(意指工作更接近A類而不是B類的AB類)。A類工作可獲得的最大AC對(duì)DC效率是50％，而AB類放大器則在50到78.5％之間(后者代表B類放大器的最大效率)。特殊的AB類工作越接近A類，其最大效率也越低。對(duì)采用場(chǎng)效應(yīng)晶體管的放大器，工作類別的設(shè)定將根據(jù)施加的控制靜態(tài)(無效)漏極電流的門電壓。對(duì)A類工作，門電壓的設(shè)定要使無效漏極電流近似在截止與飽和范圍的中央。B類放大器的偏置接近或就在截止上，得到整流的漏極電流波形。AB類放大器的偏置在A類和B類偏置點(diǎn)之間。C類放大器的偏置在截止以下。這樣，當(dāng)輸入信號(hào)的振幅在某個(gè)電平以下時(shí)，C類放大器不耗散能量。
通常，在近代無線通信系統(tǒng)中嚴(yán)格的線性要求，限定使用較低效率的A類或輕微的AB類方式。因此，大量DC功率由放大器耗散，從而產(chǎn)生必須加以控制的熱量，避免降低放大器性能和可靠性。由此，復(fù)雜熱漏和風(fēng)扇的使用成為高線性系統(tǒng)必須的副產(chǎn)品。自然，這些措施加到基站裝備的成本、大小、和重量上。隨著無線通信用戶數(shù)量的持續(xù)增長(zhǎng)，基站的數(shù)量和保持其小、輕、和廉價(jià)的需求也隨之增長(zhǎng)。所以，大量研究集中在要求改善這些系統(tǒng)和其他系統(tǒng)的放大器的效率上。
為能用更高的性能價(jià)格比和更高功率效率的放大器，同時(shí)維持著一種可接受的線性水平，使用了各種線性化方法。近代放大器依慣例采用前饋校正，以改善主放大器對(duì)各類輸入模式的線性。前饋校正的實(shí)質(zhì)，是在前饋路徑上隔離主放大器產(chǎn)生的失真。失真被送至前饋路徑上的校正放大器，被校正放大器放大。前饋路徑上的失真與主信號(hào)路徑上的失真組合，抵消主信號(hào)路徑上的失真。另一種線性化技術(shù)使用預(yù)失真。預(yù)失真技術(shù)在輸入信號(hào)被放大之前，計(jì)及放大器的傳遞函數(shù)特性后對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行預(yù)失真。于是，從預(yù)失真的輸入信號(hào)獲得需要的被放大的信號(hào)。這些技術(shù)有助于改善放大器的效率，同時(shí)保持線性，但要能處理信號(hào)巨大的峰值，放大器的運(yùn)行依舊是低效率的。別的線性化技術(shù)是存在的。例如像削峰等各種基帶處理技術(shù)，減小信號(hào)的峰值對(duì)平均功率的比值(PAR)，但這些技術(shù)趨于使信號(hào)降質(zhì)。PAR數(shù)值的減小受可允許的降質(zhì)的量所限制。另一種技術(shù)用輸入信號(hào)包絡(luò)動(dòng)態(tài)地調(diào)整放大器的偏置，使高偏置只在遇到大峰值時(shí)才加上去。由于實(shí)際困難，還沒有看到真正實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)。
由于潛在的高峰值功率，CDMA、TDMA、和頻分多址(FDMA)的基站，通常使用工作在AB方式的射頻(RF)放大器，且以大電流偏置，以便能夠處理這些峰值功率。這些放大器的效率通常低于10％。這個(gè)低效率導(dǎo)致更高的功率消耗、更低的整體可靠性、和更高的工作溫度。因此，需要更高效率的功率放大器體系，它能以線性方式放大具有潛在高峰值功率的信號(hào)。
本發(fā)明是一種信號(hào)放大系統(tǒng)，它包含把一個(gè)信號(hào)分解為兩個(gè)或更多部分，放大這些部分，然后組合被放大的各個(gè)部分，產(chǎn)生被放大的信號(hào)。所作的分解要使得到的各部分具有適合于高效地放大的特性。例如，待放大信號(hào)的分解能夠用至少一個(gè)閾值來完成。待放大信號(hào)的第一部分能夠用該信號(hào)在閾值內(nèi)的部分形成。這樣，因?yàn)樵摰谝徊糠中纬梢粋€(gè)有較低PAR的信號(hào)，所以信號(hào)的第一部分能比原來信號(hào)更高效率地放大。信號(hào)的第二部分能夠用原來信號(hào)在閾值之外的部分形成。因?yàn)榈诙糠謳缀鯙榱?，所以第二部分能夠高效地放大，例如用C類放大器，它在輸入信號(hào)為零時(shí)不耗散任何能量。
本發(fā)明的其他方面和優(yōu)點(diǎn)，閱讀下面詳細(xì)的說明和參考附圖后，將看得更加清楚。


圖1畫出有40個(gè)全價(jià)用戶的兩種CDMA載波的PAR和設(shè)定為總功率15％的導(dǎo)頻信號(hào)功率；圖2按照本發(fā)明原理，畫出信號(hào)分解為閾值之內(nèi)和閾值之外的兩部分；和圖3按照本發(fā)明原理，畫出一種示范的放大器體系，它用基帶數(shù)字設(shè)備把信號(hào)分解。
下面通過各個(gè)演示性實(shí)施例，說明利用本發(fā)明原理的功率放大器方案，改善有巨大PAR的信號(hào)的功率放大效率。圖1畫出IS-95碼分多址(CDMA)1.25兆赫(MHz)載波的PAR曲線12，和CDMA 20001X載波的PAR曲線14。關(guān)于IS-95的說明，可在如EIA/TIA/IS-95(Electronic Industries Association/Telecommunication IndustryAssociation/Interim Standard 95)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)中找到，標(biāo)題是“MobileStation-Base Station Compatibility Standard for Dual-ModeWideband Spread Spectrum Cellular System”,March 1993(“IS-95”)。CDMA 2000的說明可在如EIA/TIA/IS-2000的標(biāo)準(zhǔn)中找到，標(biāo)題是“Spread Spectrum Digital Technology-Mobile and PersonalCommunications Standards.”IS-95載波和CDMA 2000載波兩者都以40個(gè)全價(jià)用戶為滿載，且導(dǎo)頻功率是總功率的15％。如圖1所示，在峰值出現(xiàn)概率為10-4(指某峰值超過平均功率某個(gè)電平的機(jī)會(huì)是1/10,000)時(shí)，加載的單個(gè)載波IS-95載波有約11.3dB的PAR，而加載的單個(gè)載波CDMA 2000載波有約9.6dB的PAR。
用基于功率電平的某個(gè)分離閾值，例如超過平均功率6dB，能夠把信號(hào)分解為各部分。圖1指出，用超過平均功率6dB的分離閾值，CDMA 2000信號(hào)約98％在分離閾值之內(nèi)并形成有較低的PAR(近似6dB)的一個(gè)信號(hào)部分，而該信號(hào)約有2％超過閾值并形成有98％的時(shí)間是零的一個(gè)信號(hào)。圖1還指出IS-95信號(hào)約95％在6dB分離閾值之內(nèi)并形成有較低PAR的一個(gè)信號(hào)部分，而約有5％的信號(hào)超過閾值。
圖2用圖形畫出信號(hào)16的分解。在此圖中，信號(hào)是作為有某個(gè)信號(hào)電平，如電壓電平，依時(shí)間畫出的，而分離閾值20則以正的和負(fù)的信號(hào)電平為基礎(chǔ)。分離閾值如圖1的說明建議那樣，能夠以振幅或功率電平為基礎(chǔ)。例如，有同相(I)和正交(Q)兩個(gè)分量的信號(hào)的功率電平是VI2+VQ2，而分離閾值能夠以某個(gè)功率電平為基礎(chǔ)。這樣，信號(hào)的一部分在分離閾值之上，而另一部分則在分離閾值之下。信號(hào)16分解為在閾值20之內(nèi)的第一部分18。第一部分18有較低的PAR，從而能比原來信號(hào)更高效地放大。信號(hào)16還分解為超過閾值20的第二部分22。第二部分幾乎為零并能用C類放大器高效地放大，因?yàn)楫?dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，C類放大器不耗散任何能量。和實(shí)施例有關(guān)，信號(hào)16可以分解為多于兩部分，和/或可以用多個(gè)閾值分解原來的信號(hào)16。存在分解原來信號(hào)16的其他方法。例如，本領(lǐng)域熟練人員應(yīng)當(dāng)明白，信號(hào)的分解可以在基帶、在中頻(IF)、或在射頻(RF)上用分立元件執(zhí)行所述功能。存在原來信號(hào)16的其他分解，例如至少的第一和第二部分可以是原來信號(hào)振幅的一組變化的部分或函數(shù)。
圖3畫出一種放大器體系30的綱領(lǐng)性方框圖，其上以數(shù)字方式在基帶上實(shí)施分解。在這個(gè)實(shí)施例中，處理單元或電路32在基帶接收數(shù)字信號(hào)，并對(duì)基帶輸入信號(hào)運(yùn)行分解單元34。分解單元34分解信號(hào)，在第一放大器路徑36上產(chǎn)生第一部分，和在第二放大器路徑38上產(chǎn)生第二部分。在此實(shí)施例中，第一和第二部分是有區(qū)別的，例如有截然不同的時(shí)域特性和/或截然不同的頻域特性。第一部分可以是原來信號(hào)在閾值以內(nèi)的部分，而第二部分可以是信號(hào)超過閾值的部分。在此實(shí)施例中，第二功率放大器(PA2)48從混頻器42接收RF信號(hào)并放大第二放大器路徑38上代表原來信號(hào)超過閾值的間歇峰值信號(hào)。放大器46(PA1)和48(PA2)的輸出在組合器或耦合器50上組合，形成最后被放大的輸出信號(hào)。組合器或耦合器50可以是阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，如50歐姆網(wǎng)絡(luò)的一部分，以維持從放大器46和48看去的輸出阻抗水平。放大器46(PA1)和/或48(PA2)可以是前饋或預(yù)失真體系的一部分，或個(gè)別地代表用前饋或預(yù)失真線性化的放大器。例如，信號(hào)的第一和/或第二部分可以被預(yù)失真，供46和/或48放大。同樣，放大了的信號(hào)可以用前饋線性化。和實(shí)施例有關(guān)，原來信號(hào)可以分解為更多的路徑上的更多的部分，由更多的功率放大器放大，然后組合成被放大的線性輸出信號(hào)。
在一種典型的、在模擬域內(nèi)實(shí)現(xiàn)前饋的線性化器電路中，校正放大器必須是非常線性的放大器。如果主放大器出現(xiàn)明顯飽和，會(huì)增加主放大器的效率，但誤差信號(hào)也有非常大的動(dòng)態(tài)范圍。所以，校正放大器以低的效率工作。在本發(fā)明中，第二放大器以高效率工作。此外，在前饋電路中，為保證被放大的帶有失真的信號(hào)，與前饋路徑上被隔離的失真在準(zhǔn)確的時(shí)間組合，以便消除失真，需要模擬的RF延時(shí)線，本發(fā)明不再需要了。
作為一個(gè)例子，如果需要的放大器是用于平均輸出功率為10瓦的信號(hào)，信號(hào)的PAR經(jīng)某種基帶峰值限制算法之后是9dB，那么，這個(gè)放大器必須能處理80瓦(9dB轉(zhuǎn)換成近似8倍)的峰值功率。用體系30，假定組合器50是6dB的定向耦合器，且分離閾值是高于平均值5dB，主放大器46只須能處理約42.5瓦的峰值功率，它高于10瓦6.25dB，已經(jīng)計(jì)及通過組合器的損耗1.25dB(5dB+1.25dB=6.25dB)。主放大器46放大的信號(hào)的PAR，可以算出約為6.4dB，下降了約2.6dB。主放大器46的效率比該單個(gè)放大器高出許多。經(jīng)過組合器50的1.25dB損耗之后，被放大的第一部分能夠有約32瓦的峰值功率。因?yàn)槲覀冃枰?0瓦的功率，輔助放大器48在計(jì)及通過組合器50的6dB損耗后，必須處理約43.6瓦的峰值功率，這里43.6瓦的峰值功率=(80-32)2*6dB]]>(約為4倍)。然而在本實(shí)施例中，第二放大器48導(dǎo)通的時(shí)間小于5％。在導(dǎo)通時(shí)，它放大的信號(hào)的PAR可以計(jì)算出約為4.9dB。這樣，輔助放大器可以非常高效地工作。
作為比較，給定某種辦法，其中，信號(hào)被分解為兩個(gè)原來信號(hào)的復(fù)制品，每一個(gè)被兩個(gè)放大器放大，每個(gè)放大器能處理80瓦的峰值功率，簡(jiǎn)單地把兩個(gè)放大器的功率組合，得到一個(gè)能對(duì)9dB PAR的信號(hào)送出20瓦平均功率的功率放大器。每個(gè)放大器全部時(shí)間導(dǎo)通，且運(yùn)行在10瓦的平均功率上。若用有6dB耦合器和5dB分離閾值的新體系，該體系30能送出18.3瓦的平均功率，略低于前面方案的20瓦。雖然主放大器46在17.9瓦平均功率上運(yùn)行，但主放大器46的耗散只比前述方案中的一個(gè)器件略多，因?yàn)殪o態(tài)偏置耗散(在零輸入功率時(shí)的功率耗散)是這類放大器的主要功率消耗。但是，用作輔助放大器的第二放大器48耗散非常少的功率，因?yàn)樗挥行∮?％的時(shí)間導(dǎo)通。當(dāng)它導(dǎo)通時(shí)，它耗散的功率不多于另一個(gè)放大器。因此，體系30的效率至少比大概50％更高。
除上述實(shí)施例外，存在按照本發(fā)明原理的功率放大器系統(tǒng)的另外配置，它省去和/或增加一些元件，和/或用上述系統(tǒng)的某些變化或部分。例如，可以在放大器46和/或48之前的信號(hào)路徑上放置相移器，調(diào)整各部分之間的相對(duì)相位，以便調(diào)整放大器46和48之間的失配，改善信號(hào)的組合。還有，耦合器可以把放大信號(hào)的抽樣送至控制電路或處理電路32，以便把控制信號(hào)送至相移器，或?qū)π盘?hào)進(jìn)行調(diào)整以改善性能。此外，已經(jīng)說明的功率放大器系統(tǒng)的實(shí)施例，是用特殊的體系，其中，原來的信號(hào)是在數(shù)字基帶域內(nèi)分解，但是，這一分解也可以發(fā)生在模擬域內(nèi)的IF或RF上，或發(fā)生在其他放大器或電路裝置內(nèi)的IF或RF上。例如，輸入信號(hào)的分解可以在信號(hào)經(jīng)數(shù)字基帶和/或IF轉(zhuǎn)換之后，在分解電路中的IF或RF上完成。
已經(jīng)按照用分離閾值把信號(hào)分解，對(duì)功率放大器系統(tǒng)加以說明，但是，用多個(gè)和/或變化的閾值，以及把信號(hào)分離成不同部分的其他方法，也能完成分解。已經(jīng)說明的系統(tǒng)使用耦合器把各部分組合，但是其他組合裝置，如加法器或組合器也能使用。隨著不同的應(yīng)用，分解和/或功率放大電路，能夠用在或添加到前饋、預(yù)失真、或其他線性化或改善效率的技術(shù)上。功率放大系統(tǒng)還按照使用分立元件的不同配置，進(jìn)一步加以說明，但應(yīng)當(dāng)指出，借助本文的披露，本領(lǐng)域一般熟練人員應(yīng)當(dāng)清楚，前饋系統(tǒng)及部分前饋系統(tǒng)可以應(yīng)用專門的集成電路、軟件驅(qū)動(dòng)處理電路、固件、或分立元件的其他布置實(shí)現(xiàn)。已經(jīng)說明的一切，只為表明本發(fā)明原理的應(yīng)用。本領(lǐng)域熟練人員容易識(shí)別，無需嚴(yán)格遵從這里演示和說明的示范性應(yīng)用，也無需偏離本發(fā)明的精神和范圍，可以作出本發(fā)明的這些或其他各種變型、裝置、或方法。
權(quán)利要求
1．一種產(chǎn)生放大信號(hào)的方法，所述方法的特征是把待放大信號(hào)(16)至少分解為第一部分(18)和第二部分(22)；放大所述至少的所述第一部分(18)和所述第二部分(22)，以便至少產(chǎn)生放大的第一部分和放大的第二部分；和把所述至少的所述放大的第一部分和所述放大的第二部分組合起來，產(chǎn)生一個(gè)放大的信號(hào)。
2．按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述分解還包括所述信號(hào)(16)的所述第一部分(18)是作為所述信號(hào)在某個(gè)閾值(20)內(nèi)的部分提供的；和所述信號(hào)的所述第二部分(22)是作為所述信號(hào)(16)超過某個(gè)閾值(20)的部分提供的。
3．按照權(quán)利要求2的方法，其特征在于所述分解包括檢測(cè)所述信號(hào)的振幅；和把所述信號(hào)的所述振幅與所述閾值(20)比較。
4．按照權(quán)利要求2的方法，其特征在于所述放大包括以第一放大器(46)放大所述第一部分(18)；和以第二放大器(48)放大所述第二部分(22)。
5．按照權(quán)利要求2的方法，其特征還在于在放大前，把所述第一部分(18)進(jìn)行上變頻；和在放大前，把所述第二部分(22)進(jìn)行上變頻。
6．按照權(quán)利要求2的方法，其特征在于所述提供所述第一部分(18)包含提供所述第一部分(18)與所述信號(hào)(16)比較，具有減小的峰值對(duì)平均功率比值。
7．按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述組合包含使用匹配阻抗網(wǎng)絡(luò)組合所述第一部分(18)和所述第二部分(22)。
8．按照權(quán)利要求7的方法，其特征在于所述使用包括使用定向耦合器(50)組合所述第一部分(18)和所述第二部分(22)。
9．按照權(quán)利要求3的方法，其特征在于所述分解包括在基帶數(shù)字域內(nèi)完成所述信號(hào)的所述分解。
10．一種信號(hào)放大系統(tǒng)(30)，其特征在于電路(32)的配置要能分解待放大的信號(hào)，并至少在第一路徑(36)上產(chǎn)生第一部分(18)和在第二路徑(38)上產(chǎn)生第二部分(22)；在所述第一路徑(36)上的第一放大器(46)，接收所述第一部分(18)并放大所述第一部分，產(chǎn)生放大的第一部分；在所述第二路徑(38)上的第二放大器(48)，接收所述第二部分(22)并放大所述第二部分(22)，產(chǎn)生放大的第二部分；和組合電路(50)的配置要能接收所述放大的第一部分和所述放大的第二部分，并組合所述放大的第一部分和所述放大的第二部分，產(chǎn)生一個(gè)放大的信號(hào)。
11．按照權(quán)利要求10的系統(tǒng)，其特征在于所述電路(32)的配置要能把所述信號(hào)(16)的振幅與閾值(20)比較，并產(chǎn)生所述信號(hào)在閾值(20)以內(nèi)的部分，作為所述第一部分(18)，還產(chǎn)生所述信號(hào)(16)超過閾值(20)的部分，作為所述第二部分(22)。
全文摘要
一種信號(hào)放大系統(tǒng),包括把信號(hào)分解為兩個(gè)或更多部分,放大各部分,然后組合放大的各部分,產(chǎn)生放大的信號(hào)。這一分解要使得到的各部分具有適合于高效放大的特性。例如,可以用至少一個(gè)閾值把待放大信號(hào)分解。待放大信號(hào)的第一部分,可以由信號(hào)在閾值內(nèi)的部分形成。這樣,因?yàn)榈谝徊糠中纬傻男盘?hào)有較低的PAR,所以信號(hào)的第一部分能夠比原來信號(hào)更高效地放大。信號(hào)的第二部分可以由原來信號(hào)超過閾值的部分形成。
文檔編號(hào)H03F1/32GK1299186SQ0012855
公開日2001年6月13日 申請(qǐng)日期2000年11月17日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月19日
發(fā)明者馬正翔, 保羅·A·波拉考斯 申請(qǐng)人:朗迅科技公司