CN101095281A - 通过包络消除和恢复用于信号放大的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例包括用于放大电磁信号的系统、方法、和设备，其通过：将每一信号分解成多个近常数包络信号，从这些信号中消除残余幅度调制；独立地放大每一信号，并且重组所放大的信号。在优选的实施例中，采用分别对应于相应近常数包络信号的大小的多个控制信号来以与其所对应的控制信号成反比地放大每一近常数包络信号。这种反比放大优选地消除了任何不想要的残余幅度调制，于是产生放大的常数包络信号。然后优选地将多个放大常数包络信号组合，以形成输入信号的放大版本。

Description

通过包络消除和恢复用于信号放大的方法和系统

技术领域

本发明通常涉及信号的放大，并且更具体地涉及对分解信号的放大以及随后的重组。

背景技术

射频(RF)发射机典型地使用RF功率放大器(PA)来提供远距离无线电通信所需要的RF信号强度。该PA的输出典型地提供给发射天线，于是，该PA的功率输出与所要发射的功率成比例。当该PA的输出功率增加时，由该发射天线所辐射的功率也增加，并且该发射机的可使用范围也增加。

在大多数RF发射机中，该PA处理该发射机内最大的功率，并且该PA中的低效率典型地是由于该发射机中的功率浪费太多。不幸的是在许多应用中，该PA并不能高效地执行功率放大的任务，浪费的功率比实际发射的还要多。产生这些过多的功率可能需要高成本，特别是在使用电池工作的设备中，因为其通常需要使用更大容量的电池，和/或更短的电池充电时间间隔。

PA可以被设计用来放大具有常数包络的RF信号或具有非常数包络的RF信号。设计用于常数包络信号的PA典型地比设计用于非常数包络信号的PA更加高效，因为可以优化该常数包络PA中的偏压电路来发送恒定的功率级。而且，如果并不需要完美的包络幅度保真，该PA电路可以被驱动进行少量的压缩(非线性)，其具有更加高效的增益。不幸的是，当该PA被驱动进行压缩时，该信号频谱由于非线性失真而可能会增宽。这些非线性失真产生互调制产物，当不同频率的信号通过非线性时就会出现这种互调制产物。该频谱增宽称为频谱再生长，并且是不希望出现的，因为其将RF能量溢出到相邻的频率通道中。这种溢出到其它频率通道中的能量就是所熟悉的相邻通道功率(ACP)发射，并且其通常是不希望出现的，因为其可能会对在其它通道中工作的通信系统产生干扰。于是，即使对于常数包络的PA而言，在效率和ACP发射之间也存在折衷。典型地，对RF发射机和通信系统的调节可以指定可以接受的相邻通道功率比(ACPR)。该ACPR是活动通道带宽中的平均功率与溢出到相邻通道带宽或该相邻通道带宽的某些部分中的平均功率的比值。

非常数包络信号使得PA效率问题变得更加困难，诸如差分四相相移键控(DQPSK)和展频谱信号，这是因为该调制可能使得该包络的幅度变化4dB或更多。而且，功率的峰值-平均值可能从诸如在π/4 DQSK中的3dB变化到某些OFDM系统的17dB。功率的峰值-平均值比较重要，因为当超出了该PA的峰值功率的能力时会出现削波，并且削波会引入更多失真。大多数系统都进行偏压，使得当该包络的幅度在对应于峰值功率输出的最大值时，该PA处于饱和附近。为了使其变得更加有效率，某些系统将该峰值功率输出推入饱和，但是这样可能导致不能接受的ACP发射。这种推入饱和也可能产生称为矢量差调制(EVM)精度的带内调制精度的失真，并且其是根据来自理想调制信号的RMS误差而指定的。为了实现良好的ACP和EVM图，将该PA推入饱和的发射机通常对在饱和期间会被压缩的该输入包络的那些部分进行预失真，使得所得到的该输出是该输入的不失真的复制。不幸的是，大多数饱和区域都较窄(通常低于上面所给出的π/4 DQPSK的3dB峰值-平均值的标准)，于是就只允许进行适度的预失真(和效率)改进。

尤其是当在低于满输出功率下工作时，现有技术的PA设计都比较低效率，这在使用自适应功率控制的系统中是相同的。使用自适应功率控制，该系统可以控制该PA的输出功率，使得该PA只提供所需要的输出功率，以提供良好的通信。自适应功率控制比较有用，因为其通过不传送多于所需要的功率而延长了电池寿命，并且同时，其通过减少用户之间的干扰而增加了通信系统的容量。然而，因为通过传送缩减的功率而节省的功率由于在缩减功率下整体PA比较低效率而丢失，所以自适应功率控制所具有的许多理想益处并没有实现。

一种前景良好的PA设计使用非线性组件的线性放大原理(LINC)，从而具有幅度和相位变量的输入信号被分解成两个分量信号，其分别具有常数幅度和只具有相位变量。每一常数幅度分量信号被放大，然后将所放大的该常数幅度信号重新组合，以形成该原始信号的放大版。然而，LINC放大中的关键问题是带宽限制和分解过程中的量化效应产生具有残余幅度调制的分量信号。于是，该分量信号并不是常数包络信号，准确说来是近常数(near-constant)包络信号，并且结果就是放大不准确。

发明内容

于是就需要一种放大系统，其中其能够放大无线通信信号，并且具有比现有技术中所发现的更高的效率和精度。为了满足这些要求，本发明的实施例包括用于放大电磁信号的系统、方法、和设备，其通过：将每一信号分解成多个近常数包络信号，从这些信号中消除残余幅度调制，从而产生常数包络信号；独立地放大每一信号，并且重组所放大的这些常数包络信号。在优选的实施例中，采用分别对应于各自近常数包络信号的大小的多个控制信号来与其所对应的控制信号成反比地放大每一近常数包络信号。这种反比放大优选地消除了任何不想要的残余幅度调制，于是产生放大的常数包络信号。然后优选地将该多个放大的常数包络信号组合以形成该原始输入信号的放大版本。

根据本发明的另一方面，提供一种用于放大信号的方法。该方法包括：将信号分解成多个近常数包络信号，产生多个控制信号，其中每一控制信号对应于相应近常数包络信号的大小，并然后与其所对应的控制信号成反比地放大每一近常数包络信号。在该方法的各个实施例中，然后将反比放大的该多个近常数包络信号组合，以产生放大的输出信号。在某些实施例中，通过LINC信号分解来执行信号分解。该方法的实施例也可以包括使用可调增益放大器来放大每一近常数信号。另外，该方法的某些实施例使用Chireix型幅度组合器来组合该信号，而其它实施例使用常规的功率组合器。

根据本发明的另一方面，提供一种用于放大信号的系统，包括：用于将信号分解成多个近常数包络信号的装置；用于测量每一近常数包络信号的幅度以获得多个相应的控制信号的装置；用于放大每一近常数包络信号的多个可变放大装置；以及用于组合信号的装置。调节该每一可变放大装置的偏压，以与其各自所对应的控制信号成反比地放大每一近常数包络信号，从而产生对应的反比放大的常数包络信号。另外，该组合装置对所放大的该多个常数包络信号进行组合。在某些实施例中，该分解装置包括LINC信号分解。而且，在某些实施例中，该组合装置包括Chireix型幅度组合器，而在其它实施例中，其包括常规的功率组合器。

还根据本发明的另一方面，提供一种用于放大信号的设备。该设备包括：信号分解器、多个放大包络检测器、多个可调增益放大器、以及组合器。该设备的信号分解器将信号分成多个近常数包络信号，并且每一放大包络检测器产生对应于相应近常数包络信号的控制信号。接下来，通过各个增益控制的信号来控制每一可调增益放大器的增益，并且每一可调增益放大器对各个近常数包络信号进行放大，并且增益与其各自所对应的控制信号成反比，从而产生反比放大的常数包络信号。最后，配置该组合器来组合所放大的该多个常数包络信号。在某些实施例中，该信号分解器包括LINC信号分解器。而且，在某些实施例中，该组合装置包括Chireix型幅度组合器，而在其它实施例中，其包括常规的功率组合器。

附图说明

从下面的详细描述和所附的附图中可以直接清楚本发明的这些和其它方面，其只是对本发明进行说明，而不是限制，并且其中：

图1所示为包括前馈环路的本发明的实施例；

图2所述为包括反馈环路的本发明的实施例；

图3所述为根据本发明实施例的方法。

其中，在所有各个不同的图中，相同的附图标记通常表示对应的部件。

具体实施方式

在本发明的简要概述实施例中，放大输入信号首先要通过将该信号分解成多个近常数包络信号。理想地，这种分解应该产生多个常数包络信号，但是由于该分解过程中的带宽限制和量化效应，该输出信号保留有残余幅度调制，并且因此将其描述为近常数包络信号。本发明的实施例也产生多个控制信号，其分别对应于各个近常数包络信号的大小。使用该多个控制信号来将每一近常数包络信号以与其所对应的控制信号成反比地放大。这种反比放大消除了不想要的该残余幅度调制，从而产生放大的常数包络信号。然后可以将该多个放大的常数包络信号组合，以形成该输入信号的放大版本。

图1所示为包括前馈环路的本发明的实施例。如图1中所述，该实施例优选地包括：信号分解器100、第一包络检测器102、第一放大器104、第一可调增益放大器106、第二包络检测器108、第二放大器110、第二可调增益放大器112、和组合器114。

优选地，信号分解器100具有至少一个输入和至少两个输出。在该实施例中，线120用来将数据输入到信号分解器100中。线122和124用于从信号分解器100中输出数据。线122将信号分解器100与第一包络检测器102的输入和第一可调增益放大器106的输入连接起来。该第一包络检测器102的输出又通过线103与该第一放大器104的输入连接，并且该第一放大器104的输出通过线134与第一可调增益放大器106的控制输入连接。该第一可调增益放大器106的输出然后优选地通过线136与该信号组合器114的输入连接。在可替换实施例中，可以在该第一可调增益放大器106与该组合器114之间插入附加功率放大器。

在该实施例中，线124用于从信号分解器100中输出数据，并且其优选地与第二包络检测器108的输入和第二可调增益放大器112的输入连接。该第二包络检测器108的输出又通过线109与该第二放大器110的输入连接，并且该第二放大器110的输出通过线131与第二可调增益放大器112的控制输入连接。该第二可调增益放大器112的输出然后优选地通过线138与该信号组合器114的第二输入连接。另外，可选地可以在该第二可调增益放大器112与该组合器114之间插入另一个功率放大器。

信号组合器114优选地包括至少两个输入和至少一个输出。如上所述，线136和138优选地用于到信号组合器114的输入。线140优选地用于从信号组合器114的输出。

在优选实施例中，该信号分解器100包括LINC信号分解器。然而本领域的熟练技术人员会直接认识到，该信号分解器可以包括任何可以将信号分解成多个分量的装置。而且，在该优选实施例中，该包络检测器102和108可以包括任何检测该输入信号的包络的装置，例如包括数字信号处理器(DSP)或传统的二极管-电容器包络检测器。而且，优选地采用该放大器104和110将输入信号的包络部分放大到可接受范围，用于输入到可调增益放大器106和112。相应地，本领域的熟练技术人员会认识到，在当包络检测器输出的包络信号已经处于该可调增益放大器106、112的范围中的替换实施例中，该放大器104和110可以不需要，并且是可选的。

而且在该优选实施例中，组合器114包括Chireix型幅度组合器。在其它各种实施例中，组合器114也可以包括常规的功率组合器。

在操作中，通过信号分解器100从输入线120接收信号，并将其分解成两个近常数包络信号。然后将这两个近常数信号从信号分解器100分别传输到包络检测器102和108，并且也分别传输到可调增益放大器106和112。信号分解器100不必限于将信号仅分解成两个分量。在各种实施例中，信号分解器100可以将信号100分解成多个近常数分量，并然后将每一近常数分量输出到多个相应的包络检测器。

在该优选实施例中，将第一近常数包络信号传输到该第一可调增益放大器106。该近常数包络信号也传输到第一包络检测器102，其中优选地确定该近常数包络信号的包络部分，并将其传输到第一放大器104。在该实施例中，第一放大器104又对该第一近常数包络信号的包络部分进行放大，并将所放大的包络传输到第一可调增益放大器106。

该第一可调增益放大器106然后优选地对线122上所接收到的第一近常数包络信号以与通过线134接收到的其放大的包络成反比地进行放大。通过与其放大的包络成反比地放大该第一近常数包络信号，消除了该近常数包络信号中的大多数、并且优选地是所有残余幅度调制，在输出线136上产生放大的常数包络信号。于是，在线136上输出的放大常数包络信号优选地是该第一近常数包络信号的放大版本，但是具有减少的或者完全消除的残余幅度调制。

在与第一近常数包络信号上面所经历的处理相对称的处理中，第二近常数包络信号从信号分解器100中沿着线124传输到第二包络检测器108，并且也传输到第二可调增益放大器112。第二包络检测器108提取该第二近常数包络信号的包络部分，并然后将该包络部分传输到第二放大器110。第二放大器110又对该第二近常数包络信号的包络部分进行放大，并然后将其沿着线131传输到第二可调增益放大器112。

第二可调增益放大器112然后优选地将第二近常数包络信号以与通过线131所接收到的其放大包络成反比地放大。通过与其放大包络成反比地放大第二近常数包络信号，消除了该近常数包络信号中的大多数、并且优选是所有残余幅度调制，并且在沿着线138在输出上得到放大的常数包络信号。于是，在线138上输出的该放大常数包络信号优选地是该第二近常数包络信号的放大版本，但是具有减少的或者最优选地是完全消除的残余幅度调制。

最后，该放大常数信号沿着线137和138传输到组合器114，其将这两个信号组合，产生输出到线140的输出信号。组合器114可以是能够组合两个或多个信号以形成输出信号的任何类型的装置。然而，在该优选实施例中，组合器114包括Chireix型幅度组合器。在某些实施例中，组合器114也可以包括常规功率组合器。由于从组合器114输出的该信号优选地包括沿着线120的输入信号的放大分量的组合，所以线140上输出的信号包括线120上的输入信号的放大版本。

图2所述为包括反馈环路的本发明的实施例。如图2中所示，该实施例优选地包括：信号分解器200、第一包络检测器202、第一放大器204、第一可调增益放大器206、第二包络检测器208、第二放大器210、第二可调增益放大器212、和组合器214。

优选地，信号分解器200包括至少一个输入和至少两个输出。线220用来将数据输入到信号分解器200中。在该实施例中，线222和224用于从信号分解器200中输出数据。线222将信号分解器200与第一可调增益放大器206的输入连接起来。该第一可调增益放大器206的输出然后通过线236与第一包络检测器202的输入连接。该第一包络检测器202的输出优选地又通过线203与第一放大器204的输入连接。该第一放大器204的输出然后与第一可调增益放大器206的控制输入连接。在该实施例中，线236也将该第一可调增益放大器206的输出与信号组合器214的输入连接起来。

在该实施例中，线224将信号分解器200与第二可调增益放大器212的输入连接起来。该第二可调增益放大器212的输出然后通过线238与第二包络检测器208的输入连接。该第二包络检测器208的输出通过线209又与第二放大器210的输入连接。该第二放大器210的输出然后优选地与第二可调增益放大器212的控制输入连接。线238也优选地将该第二可调增益放大器212的输出连接到信号组合器214的输入。

信号组合器214优选地具有至少两个输入和至少一个输出。如上所述，线236和238优选地用于到信号组合器214的输入。线240用于从信号组合器214的输出。在替换实施例中，可以在信号组合器214的输入处插入附加功率放大器，以在组合之前适当地放大线236和238上的信号。

在该实施例中，类似于图1中所示的该实施例，该信号分解器200包括LINC信号分解器。然而，本领域的熟练技术人员会直接认识到，该信号分解器可以包括任何可以将信号分解成多个分量的装置。而且在该实施例中，该包络检测器202和208也可以包括任何检测输入信号的包络的装置，例如数字信号处理器(DSP)或传统的二极管-电容器包络检测器。而且，优选地采用该放大器204和210将输入信号的包络部分放大到可接受范围，用于该可调增益放大器206和212的控制输入。相应地，本领域的熟练技术人员会认识到，在当包络检测器输出的包络信号已经处于可调增益放大器206、212的范围中的替换实施例中，该放大器204和210可以不需要，并且是可选的。

而且在该优选实施例中，组合器214包括Chireix型幅度组合器。在其它各种实施例中，组合器214也可以包括常规的功率组合器。

在操作中，信号分解器200从输入线220上接收信号，并将该信号分解成两个近常数包络信号分量。然后，将这两个近常数包络信号从信号分解器200分别传输到第一可调增益放大器206和第二可调增益放大器212。

在该实施例中，通过可调增益放大器206将近常数包络信号以与控制信号成反比地进行放大，以产生第一放大常数包络信号。当该第一放大常数包络信号又传输到确定其包络的第一包络检测器202，并通过第一放大器204放大时，优选地产生该控制信号。该控制信号通过放大器204沿着线227反馈到可调增益放大器206的控制输入。由于与控制信号成反比地放大第一非常数包络信号，其包括非常数包络信号的放大包络部分，所以有效地减少了、或者更加优选地完全消除了第一非常数包络信号中的任何残余幅度调制。该过程的输出是第一放大常数包络信号。

同时，在与上面相对称的处理中，通过第二可调增益放大器212将第二近常数包络信号以与控制信号成反比地进行放大，以产生第二放大常数包络信号。当第二放大常数包络信号又传输到确定其包络的第二包络检测器208，并通过第二放大器210放大时，优选地产生控制信号。该控制信号通过第二放大器210沿着线231反馈到第二可调增益放大器212的控制输入。由于与控制信号成反比地放大第二非常数包络信号，其包括非常数包络信号的放大包络部分，所以有效地减少了、或者更加优选地完全消除了第二非常数包络信号中的任何残余幅度调制。该过程的输出是第二放大常数包络信号。

最后，第一和第二放大常数信号沿着线236和238传输到组合器214，其将这两个信号组合，产生输出到线240的输出信号。在某些实施例中，第一和第二放大常数信号在传输到该组合器214之前分别传输到第一和第二功率放大器。由于从组合器214输出的信号优选地包括沿着线220的输入信号的放大分量的组合，所以线240上输出的信号包括线220上的输入信号的放大版本。

图3所述为根据本发明实施例的方法。在优选实施例中，起始将信号分解成多个近常数包络信号(步骤300)。优选地通过LINC信号分解或类似技术分解该信号。由于该分解过程中的带宽限制和量化效应，该分量信号通常包含不想要的残余幅度调制，并且其包括近常数包络信号。

接下来，产生分别对应于相应近常数包络信号的大小的多个控制信号(步骤310)。每一控制信号优选地包括基于相应近常数包络信号的包络的放大信号。在某些实施例中，使用典型的包络检测器来检测近常数包络信号的包络，以产生控制信号。然而，在其它实施例中，可以使用数字信号处理器(DSP)来检测近常数包络信号的包络，并产生对应的控制信号。

第三，将每一近常数包括信号以与其对应的控制信号成反比地进行放大(步骤320)。可以通过可调增益放大器执行该步骤。所得到的信号是近常数包络信号的放大版本，其具有减少的、并且优选的是消除的残余幅度调制。相应地，该信号优选地包括放大的常数包络信号。

最后，优选地将在步骤320中所产生的多个放大常数包络信号组合，以形成输出信号(步骤330)。该输出信号因此是分量放大的常数包络信号的放大版本的组合，并且它们的初始残余幅度调制减少了，或者优选地完全消除了。因此，该输出信号包括步骤300的原始信号的放大版本。通常使用Chireix型幅度组合器来执行步骤330，但是其也可以使用其它信号组合器来执行，包括常规功率组合器。

本领域的熟练技术人员要理解的是，不脱离本发明的范围可以对上述该方法和系统进行各种省略、增加和修改。所有这种修改和改变都落入如所附权利要求书所述的本发明的范围内。

Claims (25)

1.一种用于放大信号的方法，包括以下步骤：

(a)将信号分解成多个近常数包络信号；

(b)产生多个控制信号，每一控制信号对应于相应近常数包络信号的大小；

(c)与对应的控制信号成反比地放大每一近常数包络信号；

(d)组合该多个反比放大的常数包括信号，以产生放大的输出信号。

2.权利要求1的方法，其中通过LINC信号分解来完成信号的分解。

3.权利要求1的方法，其中使用Chireix型幅度组合器来完成信号的组合。

4.权利要求1的方法，其中使用常规的功率组合器来完成信号的组合。

5.权利要求1的方法，其中通过使用可变增益放大器来完成步骤(c)。

6.一种用于放大信号的系统，包括：

用于将信号分解成多个近常数包络信号的装置；

用于测量每一近常数包络信号的幅度以获得多个相应的控制信号的装置；

用于每一近常数包络信号的多个可变放大装置；

用于组合信号的装置；

其中，调节每一可变放大装置的偏压，将每一近常数包络信号以与其相应的控制信号成反比地进行放大，以产生对应的放大常数包络信号；和

其中该组合装置对多个放大常数包络信号进行组合。

7.权利要求6的系统，其中分解装置是LINC信号分解。

8.权利要求6的系统，其中组合装置是Chireix型幅度组合器。

9.权利要求6的系统，其中组合装置是常规的功率组合器。

10.一种用于放大信号的设备，包括：

信号分解器；

多个放大包络检测器；

多个可调增益放大器；

组合器；

其中信号分解器将信号分成多个近常数包络信号；

其中每一放大包括检测器产生对应于各个近常数包络信号的控制信号；

其中通过各个控制信号来控制每一可调增益放大器的增益；

其中每一可调增益放大器放大各个近常数包络信号，增益与其相应的控制信号成反比，从而产生放大常数包络信号；和

其中组合装置对多个放大常数包络信号进行组合。

11.权利要求10的设备，其中信号分解器是LINC信号分解器。

12.权利要求10的设备，其中组合器是Chireix型幅度组合器。

13.权利要求10的设备，其中组合器是常规的功率组合器。

14.一种用于产生放大信号的方法，包括步骤：

将信号分解成多个近常数包括信号；

获得与第一近常数包络信号的包络成比例的第一控制信号；

将该第一近常数包络信号输入到第一可调增益放大器；

获得与第二近常数包络信号的包络成比例的第二控制信号；

将该第二近常数包络信号输入到第二可调增益放大器；

使用相应的控制信号来调节每一可调增益放大器的偏压，从而产生多个放大常数包络信号；

组合该多个放大常数包络信号。

15.权利要求14的方法，其中通过LINC信号分解来完成信号的分解。

16.权利要求14的方法，其中使用Chireix型幅度组合器来完成信号的组合。

17.权利要求14的方法，其中使用常规的功率组合器来完成信号的组合。

18.一种用于放大信号的设备，包括：

信号分解器，具有一个输入端和多个输出端；

多个可调增益放大器，每一可调增益放大器具有输入端、控制端和输出端，从而其输入端与信号分解器的各个输出端电连接；

多个包络检测器，每一包络检测器具有输入端和输出端，其中其输入端与相应的可调增益放大器的输出端电连接；

多个放大器，每一放大器具有与相应包络检测器的输出端电连接的输入端，和与相应的包络检测器的控制端电连接的输出端；

组合器，具有多个输入端与一个输出端，其中每一输入端与相应的可调增益放大器的输出端电连接。

19.权利要求18的设备，其中信号分解器是LINC信号分解器。

20.权利要求18的设备，其中组合器是Chirex型幅度组合器。

21.权利要求18的设备，其中组合器是常规的功率组合器。

22.一种用于放大信号的设备，包括：

信号分解器，具有一个输入端和多个输出端；

多个包络检测器，每一包络检测器具有输入端和输出端，其中该包络检测器的输入端与信号分解器的相应输出端电连接；

多个包络信号放大器，每一包络信号放大器具有输入端和输出端，其中其输入端与相应的包络检测器的输出端电连接；

多个可调增益放大器，每一可调增益放大器具有输入端、控制端和输出端，其中其控制端与相应的包络信号放大器的输出端电连接，并且从而其输入端与信号分解器的相应输出端电连接；

组合器，具有多个输入端与个输出端，其中每一输入端与相应的可调增益放大器的输出端电连接。

23.权利要求22的设备，其中信号分解器是LINC信号分解器。

24.权利要求22的设备，其中组合器是Chireix型幅度组合器。

25.权利要求22的设备，其中组合器是常规的功率组合器。

Images