CN101044689A - 用于无线电路中的功率放大器的信号处理器 - Google Patents

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Abstract

信号处理器具有用于无线发送器的输出端与输入端，在具有或不具有进一步的功率放大的情况下，用于产生适合发送的射频信号。信号处理器将输入信号分离到第一与第二处理通道中，第一处理通道产生作为数字化包络信号的脉冲串信号，第二处理通道包括用于产生恒定包络相位信号的相位处理装置。RF开关用于借助脉冲串信号对相位信号进行开关。

Description

用于无线电路中的功率放大器的信号处理器
技术领域
本发明一般涉及用于无线电路中的功率放大器的信号处理器。
背景技术
发送器中的信号在实际被发送之前经过几个级，例如调制、上变频(upconversion)和放大。无线电路中的发送器通常包括多个电路元件，例如混频器、本地振荡器、功率放大器、滤波器和天线。
参照图1，示出了传统发送器10的电路框图。图1中的传统发送器10包括基带源12、上变频器(包括本地振荡器14与混频器16)、功率放大器链18和天线20。在发送器电路10中，基带源12产生中频(IF)信号。IF信号被提供给上变频器，上变频器将IF信号转换为射频(RF)信号。RF信号被提供给功率放大器链18，功率放大器链18对该信号进行放大，最终，信号通过天线20被发送。功率放大器链18通常包括前置放大器和功率放大器。
随着无线通信***的发展，对于具有更长电池寿命的、重量轻的无线终端的需求也在增长。典型地，功率放大器在这些终端的功耗中占据主要地位。因此，存在增长的、对这样的RF功率放大器的需求：其在无线终端的发送链路中实现，且低失真、高效率。
为了增大功率效率，放大器需要接近于其饱和区域地被驱动，在饱和区域中，放大器具有非线性的倾向，且可能存在显著水平的失真。可通过使放大器退出饱和来减小失真，但这降低了功率效率。在线性度与效率之间存在固有的折中。
放大器链的各级在具有最小失真情况下具有足够的线性度，这一点是很重要的。因此，功率放大器典型地在甲类或甲乙类构造下运行，其也意味着低的效率。功率放大器的其他类别——例如乙类功率放大器——表现出高效率，但常常不适用于线性应用。因此，通常使用具有高效率功率放大器的Kahn包络消除与恢复(EER)技术实现线性放大。Kahn包络消除技术是基于将效率高但非线性的RF功率放大器与高效率的包络放大器结合以实现高效率线性RF功率放大器。下面给出EER发送器的详细介绍。
图2示出了传统EER发送器30的结构。在EER发送器30的输入端上提供调制后的RF信号。RF信号被分解器32分离到两个分立的前向通道之中。在所示出的上通道中，包络检测器34检测输入信号并产生包络信息E(t)。接着，增量和(sigma-delta)/脉宽调制器36对包络信息E(t)进行数字化，并将输出提供给S类放大器38，S类放大器38对数字化后的包络进行放大。来自S类放大器38的数字输出于是由低通滤波器42进行滤波，低通滤波器42将数字包络信号转换回为模拟信号。模拟包络信号被用作功率放大器44的供电电压。在下通道中，限制器40检测输入信号的相位。限制器40产生恒定包络输出信号，于是，该信号由前面提到的功率放大器进行放大，该功率放大器被选择为功率效率高但高度非线性的开关功率放大器。开关功率放大器44的输出功率与DC供电电压成比例，即Pout∝V2 DD。由于功率放大器44的供电电压VDD由包络信号得出，这在功率放大器级恢复了输入信号的原始包络。
然而，实现EER发送器的主要缺点之一在于其仅能对窄带应用实现。这通常是由于S类放大器级的有限带宽和低频率运行引起的。实现EER发送器的另一缺点在于其对于例如无线局域网(WLAN)等高峰值-平均值比(PMR)的通信标准不能实现。这是因为高PMR的信号需要功率放大器的供电电压在大的动态范围上被调制，其引入了非线性。
实现线性且高效率的放大的另一种已知方法是通过使用作为主功率放大器的S类放大器。如图3所示，增量和/脉宽调制器52对输入RF信号进行数字化。数字化后的输出波形于是被用于驱动S类放大器54。最后，原始的RF信号在带通滤波器(BRF)56的输出上被恢复。然而，这种方法有这样的缺点：采用当前的技术，难以对RF信号进行数字化。
在Yuanxun Wang的“An improved Kahn transmitter architecturebased on delta-sigma modulation”(IEEE International MicrowaveSymposium Digest，Volume 2，June 2003，pp1327-1330)中提出了一种发送器结构。所介绍的这种发送器结构是基于前面的段落所提到的数字调制概念与EER概念的结合。参照图4，输入RF信号的包络和载波(carrier)被分解到两个分立的通道之中。使用delta-sigma调制器66对包络信号进行数字化，且使用RF混频器72在载波上直接对数字化后的包络进行调制。通过经S类功率放大器74与带通滤波器76传送调制后的信号，得到最终的RF输出。
在Alexandre Dupuy和Yuanxun Ethan Wang的“High efficiencypower transmitter based on Envelope Delta-Sigma Modulation(EDSM)”(Vehicular Technology Conference，Volume 3，September 2004，pp2092-2095)中，提出了类似的发送器结构。在这种发送器电路中，使用戊类功率放大器而不是S类功率放大器。
发明内容
本发明的实施例包括用于无线电路中的功率放大器的信号处理方法和设备。
在本发明的第一实施形态中，提供了用于无线发送器的信号处理器，在具有或不具有进一步的功率放大的情况下，其用于产生适合发送的射频信号，该信号处理器包括用于将输入信号分离到第一与第二处理通道之中的信号分离装置，第一处理通道包括用于产生脉冲串信号的信号包络处理装置，其中，脉冲串信号为数字化后的包络信号，第二处理通道包括用于产生恒定包络相位信号的相位处理装置、并进一步包括用于借助脉冲串信号对相位信号进行开关的RF开关。
在本发明的一实施例中，信号分离装置包含输入端，并至少包含第一输出端与第二输出端，最为优选的是设置两个输出端，其中，第一与第二输出端分别被连接到第一与第二处理通道。
优选为，包络处理装置包含输入端和输出端。
优选为，包络处理装置的输入端与信号分离装置的第一输出端相连。
在本发明的另一实施例中，信号包络处理装置进一步包含：包络检测装置，其用于产生包络信号；包络数字化装置，其用于产生脉冲串信号。
优选为，包络检测装置包括输入端与输出端，且包络检测装置的输入端是包络处理装置的输入端。
优选为，包络数字化装置包络输入端与输出端，且包络检测装置的输出端是包络处理装置的输出端。
优选为，包络检测装置的输出端被连接到包络数字化装置的输入端。
在本发明的另一实施例中，RF开关包括输入端、输出端和控制端。
RF开关的输出端可为信号处理器的输出端。
优选为，包络处理装置的输出端被连接到RF开关的控制端。
在本发明的另一实施例中，相位处理装置包括输入端与输出端。
优选为，相位处理装置的输入端被连接到信号分离装置的第二输出端，且相位处理装置的输出端被连接到RF开关的输入端。
在上述实施形态的一种构造中，包络处理装置、相位处理装置与RF开关可在数字信号处理器(DSP)内被使用。
在本发明的另一实施例中，一方法对输入信号进行处理，以便产生适合发送的射频信号，该方法包括以下步骤：
由输入信号产生脉冲串信号，该脉冲串信号为数字化后的包络信号；
由输入信号产生恒定包络相位信号；以及
借助脉冲串信号，对恒定包络相位信号进行RF开关。
优选为，产生包络信号的步骤还包括这样的步骤：检测输入信号的包络，对所检测到的输入包络信号进行数字化。
附图说明
图1示出了根据传统结构的发送器；
图2示出了传统的包络消除与恢复(EER)发送器；
图3示出了传统的delta-sigma/脉宽调制S类功率放大器；
图4示出了根据所介绍的现有技术的信号处理器；
图5示出了包括根据本发明一实施例的信号处理器的发送器；
图6示出了传统EER发送器的仿真输出频谱；
图7示出了一信号处理器的仿真输出频谱，该信号处理器具有根据本发明一实施例的功率放大器；
图8示出了将RF混频器用作调制器的现有技术的仿真输出频谱；
图9示出了根据所介绍的具体实施例的信号处理器的仿真输出频谱，该信号处理器具有将单刀单掷(SPST)开关用作调制器的功率放大器；
图10示出了根据本发明第二实施例的放大器的电路图；
图11示出了根据本发明第三实施例的放大器的电路图；
图12示出了根据本发明第四实施例的放大器的电路图。
具体实施方式
下面将参照附图介绍本发明的实施例。
公开了在放大前用于对信号进行处理的方法和设备。在下面的介绍中，为了提供对本发明的实施例的充分理解，给出一些特定细节。然而，本领域技术人员可以明了，不需要为实践本发明而使用这些特定细节。
图5示出了RF放大器100的电路图，RF放大器100包括根据本发明一实施例的信号处理器80。参照图5，信号处理器80包括分解器82、包络检测器84、增量和/脉宽调制器86、限制器88和RF开关90。分解器82的输出端被连接到包络检测器84和限制器88。包络检测器84又被连接到增量和/脉宽调制器86。增量和/脉宽调制器86的输出端被连接到RF开关90的控制端，以便控制RF开关90的运行。限制器88的输出被连接到RF开关90的输入端。装置50的输出端被连接到功率放大器62。
现在将介绍图5中的信号处理器80的运行。调制后的RF信号在耦合器的输入端上被提供，耦合器将RF信号分到两个分立的通道之中，下面如同所示出的那样将这两个通道称为“第一”与“第二”通道。在第一通道中，包络检测器84产生包络信号E(t)。包络信号E(t)于是由增量和/脉宽调制器86进行数字化，增量和/脉宽调制器86产生脉冲串信号。脉冲串信号控制RF开关90的运行，也就是说，RF开关90根据脉冲串导通/关断。在第二通道中，限制器88产生相位信号φ(t)。限制器88产生恒定包络输出信号，该信号被连接到RF开关90的输入端。第一通道中的数字化后的信号将第二通道中的恒定RF信号转换为二进制信号，接着，该二进制信号由功率放大器92进行放大。
最后，通过经由带通滤波器94传送放大后的信号，得到RF输出。将会明了，在某些情况下，可以使用该输出被连接于其上的天线的共振特性，以及与该输出匹配到带通滤波器94可被省去的程度。
在当前实施例中，数字化后的包络信号被用于控制RF开关90的运行而不是对功率放大器92进行供电。因此，不需要包络信号的放大，且用在传统EER结构中的S类放大级可被省去。与传统EER发送器相比，S类放大级的省去提供了一些优点：
i.用恒定DC供电对功率放大器进行供电，这意味着在不依赖于被发送信号的包络等级的情况下，总是能够获得最大的功率附加效率(poweradded efficiency)(PAE)；
ii.其还能使功率放大器在不增加失真的情况下对高峰值-平均值比(PMR)的信号进行放大；以及
iii.省去了窄带S类放大器，这使得发送器能够在宽广的带宽上运行。
图6与7分别示出了传统EER发送器与本发明的信号处理器的仿真输出频谱。如图中所示，与传统的EER发送器相比，当使用了本发明的信号处理器时，存在3.95dB的三阶互调等级的改善。
图8与图9分别示出了现有技术中将RF混频器用作调制器的发送器与本发明中使用RF开关的信号处理器的仿真输出频谱。由图可见，当将RF开关用作调制器时，3阶互调等级改善了4.94dB。
在图5中，RF开关被示为单刀单掷(SPST)开关。如图8与9所示，与现有技术中使用RF混频器的发送器相比，实现SPST开关的信号处理器显示出好得多的性能。将RF混频器用作调制器的缺点之一在于其降低了PAE、增大了失真，并需要对包络信息进行放大，这是因为驱动RF混频器所需要的高信号等级。相反，SPST提供的优点例如为：
i.与RF混频器相比，SPST开关能够用较低的供电等级运行，这使得省去放大且因此省去S类放大级成为可能；
ii.与传统的布置相比，省去S类级增大了发送器的带宽；
iii.与RF混频器相反，SPST开关提供了更高的隔离(isolation)、更低的介入损耗以及更高的线性度。如同可从前面的讨论明了的那样，这改进了发送器的线性度与功率效率。
目前，市场上买得到的SPST开关包括用砷化镓(Gallium Arsenide)制成的器件。这种开关的实例包括下面所列的，其特性在下面的表1中给出：
表1
制造商 器件   接点性能   频率(GHz)   介入损耗(dB)   P1db(in)(dBm)   开关速度(nsec)   隔离(dB) 控制逻辑
  MA-Com   MASW6010G   SPDT   0-6   0.5   33   2   38   -8-0
  Hittite   HMC231G7   SPST   0-6   1.4   27   3   52   -5-0
  Hittite   HMC233G8   SPDT   0-6   1.4   26   3   43   -5-0
  Hittite   HMC232G7   SPDT   0-6   1.4   27   3   50   -5-0
  Hittite   HMC336MS8G   SPDT   0-6   1.6   25   8   42   0-5
  Hittite   HMC224MS8   SPDT   5-6   1.2   31   10   33   TTL-CMOS
无疑，将会明了，SPDT器件可被用作SPST器件。进一步地，由上面给出的数据可以看出，表中标明的性能最高的器件(从开关速度的观点来看)是M/A-Com(Tyco International of Lowell，Massachusetts，U.S.A)所提供的MASW6010G器件。
这种器件提供了2ns的开关速度(上升时间)，因此，总的上升和下降时间为4ns。在考虑10的过采样率的情况下，这对应于250MHz的最大可传送频率(maximum deliverable frequency)，为25MHz带宽提供了机会。通过使用这样的开关，消除了为驱动这类高频率对S类放大器的需求。
将会明了，随着技术的发展，更快的固态开关将会变得可用。另外，可以引入其他的技术，使得在开关速度上的进一步改进成为可能，由此使得带宽上的进一步提高成为可能。本公开不限于这种类型的固态开关的使用，对这一具体实施例的介绍也不对带宽进行任何人为限制。
另外，虽然介绍了分立的部件，不排除使用与前面或后面的部件在同一集成电路上的开关部件。
图10、11、12示出了根据本发明具体实施例的进一步的RF放大器。在适用的情况下，为附加实施例中与前面对图5所示的信号处理器80的介绍共同的部分给予相同的参考标号。
首先，图10示出了图5所示发送器放大器100的修改。发送器放大器200提供开关放大器80′，开关放大器80′在本质上是图5所示放大器80的修改版本。放大器80′提供了RF分解器82′(这里示为耦合器)，其向包络检测器84馈送第一馈给、并向限制器88馈送第二馈给，如同前面所介绍的那样。
在本实施例中，将包络检测器84的输出与进一步的包络检测器84′的输出求和，检测器84′的输入包括来自被应用到带通滤波器94的输出的耦合器97的馈给。这种求和构成E(t)。这种修改使用了在“L-bandtransmitter using Kahn EER technique”(F.H.Raab，E.B.Sigmon，G.R.Myers与M.R.Jackson，IEEE Transactions on Microwave Theory andTechniques，Dec 1998，Vol：46，no：12pt 2，pp2220-2225)中公开的技术。
图11提供了本发明进一步的实施例300，其中，提供了相位校正反馈。这使用了在“Phase-correcting feedback system for class E poweramplifier”(T.Sowlati，Y.M.Greshishchev，C.A.T.Salama，IEEE Journalof Solid-State Circuits，Volume：32，Issue：4，April 1997，pp.544-549)中公开的技术。
在图11中，又一次地提供了修改后的信号处理器80″，其在限制器88与RF开关90之间***耦合器89。对耦合器89的输出移动90°的相移。于是，借助作为相位检测器的乘法器102，将其与来自耦合器97的输出反馈信号合并。经低通滤波器104传送结果所得的相位检测信号，直到RF开关90，其中，低通滤波器104的输出控制相移单元106，相移单元106对输出自耦合器89的信号的相移进行控制。这对输出信号的相位提供了进一步的鲁棒性。
如同从上文可以直接领会到的那样，图12示出了对图5所示发送器放大器100的进一步的修改400，其以组合形式包括了图10与11所示修改的特征。在这种情况下，受益于前面的实例所示出的、包络反馈与相位反馈所结合的优点。
上面介绍了一特定实施例和几种修改。然而，本发明不限于这些实施例。对本领域技术人员来说，多种修改将会是显然的。可以用多种方式对上述布置的特征进行组合，以便在替代性的布置中提供类似的优点。
将会明了，如上所述的信号处理装置以及使用这些信号处理装置的无线发送器提供了下列优点中的至少一个或一个以上：
i.无论被发送信号等级如何，总是传送最大的PAE；
ii.延长了电池寿命；
iii.省去了传统EER发送器中需要的、功率放大器的供电电压调制，因此，可在不产生失真的情况下对具有高PMR的波形进行放大；
iv.省去了在传统EER发送器中使用的窄带S类包络放大器，因此可发送宽带波形；
v.降低了电路复杂性和成本；以及
vi.由于RF驱动信号被RF开关转换为二进制的，消除了对高采样率ADC的需求。

Claims (17)

1.一种用于无线发送器的信号处理器，在有或没有进一步的功率放大的情况下，其用于产生适合发送的射频信号，所述信号处理器包括信号分离装置，所述信号分离装置用于将输入信号分离到第一与第二处理通道之中，所述第一处理通道包括用于产生作为数字化包络信号的脉冲串信号的信号包络处理装置，所述第二处理通道包括用于产生恒定包络相位信号的相位处理装置、并且还包括用于借助所述脉冲串信号对所述相位信号进行开关的RF开关。
2.根据权利要求1的信号处理器，其中，所述信号分离装置包括输入端，并至少包括第一输出端与第二输出端。
3.根据权利要求1或2的信号处理器，其中，所述第一与第二输出端分别被连接到所述第一与第二处理通道。
4.根据权利要求1的信号处理器，其中，所述包络处理装置包括输入端与输出端。
5.根据权利要求4的信号处理器，其中，所述包络处理装置的所述输入端与所述信号分离装置的所述第一输出端相连。
6.根据权利要求1-5中任意一项的信号处理器，其中，所述信号包络处理装置还包括：包络检测装置，其用于产生包络信号；包络数字化装置，其用于产生所述脉冲串信号。
7.根据权利要求6的信号处理器，其中，所述包络检测装置包括输入端与输出端，且所述包络检测装置的所述输入端是所述包络处理装置的所述输入端。
8.根据权利要求6的信号处理器，其中，所述包络数字化装置包括输入端和输出端，且所述包络检测装置的所述输出端是所述包络处理装置的所述输出端。
9.根据权利要求1-8中任意一项的信号处理器，其中，所述包络检测装置的所述输出端被连接到所述包络数字化装置的所述输入端。
10.根据权利要求1-9中任意一项的信号处理器，其中，所述RF开关包括输入端、输出端和控制端。
11.根据权利要求10的信号处理器，其中，所述RF开关的所述输出端是所述信号处理器的所述输出端。
12.根据权利要求1-11中任意一项的信号处理器，其中，所述包络处理装置的所述输出端被连接到所述RF开关的所述控制端。
13.根据权利要求1-12中任意一项的信号处理器，其中，所述相位处理装置包括输入端与输出端。
14.当权利要求13附属于权利要求2时根据权利要求13的信号处理器，其中，所述相位处理装置的所述输入端被连接到所述信号分离装置的所述第二输出端，且所述相位处理装置的所述输出端被连接到所述RF开关的所述输入端。
15.根据权利要求1-14中任意一项的信号处理器，其包括实现所述包络处理装置、所述相位处理装置以及所述RF开关的数字信号处理器。
16.一种方法，其用于对输入信号进行处理以便产生适合发送的射频信号，该方法包括以下步骤：
由所述输入信号产生脉冲串信号，所述脉冲串信号为数字化的包络信号；
由所述输入信号产生恒定包络相位信号；以及
借助所述脉冲串信号对所述恒定包络相位信号进行RF开关。
17.根据权利要求16的方法，其中，产生包络信号的所述步骤还包括这样的步骤：检测所述输入信号的所述包络，对所述检测得到的输入包络信号进行数字化。
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