CN101114854B - 用于时分双工***的功率放大器的线性化控制装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于时分双工***的功率放大器的线性化控制装置和方法。该控制装置包括:检测单元,用于对输入信号及输出信号进行检测,并将检测出的数据发送给控制单元;与检测单元连接的控制单元,用于对检测单元检测出的数据进行自适应算法和控制;以及与控制单元连接的功放打开时间信息单元,用于向检测单元和控制单元提供功放打开时间信息。该方法包括:控制单元根据功放打开时间信息,将功率放大器的打开时间设置成多个采样时间点;检测单元在每个采样时间点上对输入信号和输出信号进行检测;控制单元根据检测出的数据,执行相应的自适应算法和控制。应用本发明可以在功率放大器处于开关状态时,实现功率放大器的自适应线性化补偿。
Description
技术领域
本发明涉及时分双工(TDD)***中的线性功率放大器,尤其涉及利用线性化技术来改善TDD***中功率放大器线性的控制装置和方法。
背景技术
随着移动通讯***的发展,频谱资源变得越来越匮乏,于是出现了多种不具有恒定包络特性的调制方式,如正交相移键控(QPSK)、正交幅度调制(QAM)等,都受到了广泛的关注。这些调制方式可以节省频谱资源,但是同时对功率放大器的线性提出了更高的要求。如果仍使用如C类高效率功率放大器,由于其强非线性,在信号带宽内会造成信号的幅度和相位失真,降低移动通讯***性能;在信号带宽外会造成信号频谱扩展,对相邻信道产生干扰。为解决这一问题,一种传统的办法是功率放大器回退技术,采用这种方法虽然功率放大器的线性提高了,然而其效率非常低,不能满足目前通讯***所主导的高频谱效率和高功率效率的要求。为此,针对功率放大器克服因非线性而产生的输出频谱的幅度失真和相位失真,提出了多种线性化技术,如:数字预失真、射频预失真、前馈、反馈等。
在频分双工(FDD)***下,以上各种线性化技术得到了广泛运用,然而,在TDD***(如SCDMA***)下,需要在TDD***的接收时隙关闭功率放大器,否则,功率放大器输出的噪声会严重干扰TDD***对信号的接收,降低其接收灵敏度,也降低了功率放大器的效率。因此TDD***需要控制功率放大器不停地打开和关闭,所以利用现有的线性化技术仍存在很大缺陷,原因在于:
1)一般功率放大器沟道温升的时间为毫秒数量级,功率放大器封装的温升时间为秒数量级,功率放大器在一个工作周期中的整个打开时间也一般是毫秒数量级(如SCDMA***为5毫秒),这说明功率放大器在其打开时间里温度还未达到稳定状态,而温度对于功率放大器是一个很重要的参数;
2)在TDD***中,负载由于功率放大器的开关作用是随时间而变化的,因此功率放大器的供电电源也随着负载的变化而抖动,也就是说,功率放大器的供电电源的状态在功率放大器的打开时间里是变化的,这也直接反映在功率放大器的非线性上;
3)在TDD***中,功率放大器的不断打开和关闭使得功率放大器的重要参数偏置电压在功率放大器的打开时间内也是变化的。
以上三个原因使得TDD***中的功率放大器始终处于一种快变化的状态,而现有的针对工作于稳定状态下的功率放大器的线性化技术,虽然大都采用了自适应技术以校准环境温度、器件老化等慢变化带来的影响,但对于TDD***下这种状态的快变化并不起作用,所以无法使功率放大器的线性达到最佳。一般的功率放大器线性化技术的控制装置如图1所示,检测单元对输入线性信号和输出非线性信号进行检测,并将检测结果输入到控制单元,控制单元根据检测结果进行相应的自适应算法和控制,从而产生各控制系数C1、C2...Ck来校正功率放大器的非线性。可见,控制系数C1、C2...Ck是受控于之前的一段连续时间内功率放大器的状态,所以在TDD***中运用现有技术无法使功率放大器的线性化达到最佳,原因可以总结为:
1)在功率放大器的线性化技术实施的过程中,没有引入表征功率放大器打开时间的参数,对TDD***中功率放大器的状态快变化无法精确的实施相关线性化技术;
2)所采用的自适应技术跟踪的是连续时间的变化情况,TDD***下的功率放大器各状态变化在现有自适应技术中无法体现,一般情况下各变化状态会被平均掉。
图2所示为功放非线性产物IM3在功率放大器开关状态下随时间变化的情况,其中,前5mS时间是功率放大器打开时间,紧接着5mS是功率放大器关闭时间,如此循环,可以看出在TDD***中功放非线性产物IM3的变化多达3.6dB。
综上所述,在TDD***中利用现有的线性化技术无法使功率放大器的线性达到最佳,为此,实有必要设计一种新方法和装置来克服现有技术的缺陷,从而在功率放大器的开关状态下实现功率放大器的线性化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种用于TDD***的功率放大器的线性化控制装置和方法,解决在TDD***中利用现有的线性化技术无法使功率放大器的线性达到最佳的问题。
为达到上述目的,本发明提出了一种用于TDD***的功率放大器的线性化控制装置,包括:检测单元,用于对输入信号及输出信号进行检测,并将检测出的数据发送给控制单元;与所述检测单元连接的所述控制单元,用于对所述检测单元检测出的数据进行自适应算法和控制;以及与所述控制单元连接的功放打开时间信息单元,用于向所述检测单元和所述控制单元提供与所述功率放大器的打开时间相对应的功放打开时间信息。
优选地,所述控制单元还用于根据所述功放打开时间信息将功率放大器的打开时间设置成多个采样时间点,并将采样时间点信息发送给所述检测单元。
优选地,所述检测单元还用于根据所述采样时间点信息,在每个采样时间点上对所述输入信号和输出信号进行检测。
优选地,所述控制单元进一步用于将所述检测单元检测出的数据按照不同周期内的同一采样时间点进行分组,并执行相应的控制策略,产生与每个采样时间点相对应的控制系数。
优选地,所述控制单元基于对所述检测单元在功率放大器的至少一个打开时间周期内检测出的数据进行计算,生成所述控制系数。
更加优选地,所述控制单元进一步用于对所述控制系数采用数据拟合的方法,得到与所述功率放大器的整个打开时间相对应的控制系数。
优选地,所述控制单元通过比较所述检测单元在功率放大器相邻的两个打开时间周期内检测出的同一采样时间点对应的数据,生成所述控制系数。
本发明还提出了一种用于时分双工***的功率放大器的线性化控制方法,包括以下步骤:
步骤一:控制单元根据功放打开时间信息单元输入的功放打开时间信息,将功率放大器的打开时间设置成多个采样时间点;
步骤二:检测单元根据所述控制单元输入的采样时间点信息,在每个采样时间点上对输入信号和输出信号进行检测;
步骤三:所述控制单元对所述检测单元在功率放大器的打开时间周期内检测出的数据,按照不同周期内的同一采样时间点进行分组,并执行相应的自适应算法和控制。
优选地,所述步骤三进一步包括:所述控制单元基于对所述检测单元在功率放大器的至少一个打开时间周期内检测出的数据进行计算,产生与每个采样时间点相对应的控制系数。
更加优选地,所述步骤三进一步包括:所述控制单元对所述控制系数采用数据拟合的方法,得到与所述功率放大器的整个打开时间相对应的控制系数。
优选地,所述步骤三进一步包括:所述控制单元通过比较所述检测单元在功率放大器相邻的两个打开时间周期内检测出的同一采样时间点对应的数据,产生与每个采样时间点相对应的控制系数。
本发明通过引入功放打开时间信息单元,在功率放大器的打开时间周期内实施分时间点的检测和控制,从而实时跟踪TDD***中由于功率放大器需要不断开关所引起的状态变化,克服了现有技术对功率放大器状态的快变化无法实时补偿的缺陷,能够针对功率放大器在其打开时间内的不同状态进行实时的补偿,从而在功率放大器的开关状态下实现功率放大器的线性化。
附图说明
图1为现有线性化技术的控制装置示意图;
图2为开关状态下利用现有线性化技术时,功率放大器非线性产物IM3随时间变化的关系曲线图;
图3为本发明的线性化技术的控制装置示意图;
图4为本发明的线性化技术控制过程示意图;
图5为本发明的采用射频预失真技术进行功率放大器线性化的控制装置的结构示意图;
图6为本发明的采用前馈技术进行功率放大器线性化的控制装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明所采用的线性化技术的基本控制装置框图如图3所示,通过增加功放打开时间信息单元,对用于控制功率放大器打开和关闭的TTL电平的上升沿或下降沿进行记时,而得到功率放大器的打开时间信息,从而引入表征功率放大器打开时间的时间量ΔT。于是,检测单元可以对输入信号和输出信号进行按照时间点的检测,使得检测结果与功率放大器的打开时间对应起来,然后将检测结果发送到控制单元,由控制单元对检测单元检测出的数据进行分组及控制,从而产生并输出随功率放大器的打开时间变化的各控制系数Cj(ΔT),本发明采用的核心方法是:
1)在功率放大器的线性化技术实施的过程中,通过功放打开时间信息单元将与功率放大器的打开时间相对应的功放打开时间信息传递给控制单元和检测单元,从而引入表征功率放大器打开时间的时间量ΔT,并将此时间量ΔT作为线性化各个控制系数的一个输入条件,使得与功率放大器各变化状态相对应的控制系数是时间量ΔT的函数。
2)在实施自适应线性化技术时,在功率放大器打开的时间周期内控制单元将所述时间量ΔT设置成n个采样时间点,分别对应Ti(i=1,2,3...n)时间点,如图4所示。在功率放大器的前m个打开时间周期内,控制单元对每个周期内的相同采样时间点Ti的数据进行处理,并将得到的处理结果用于功率放大器的第m+1个及之后的打开时间周期,从而对功率放大器进行控制。也就是说,对每一个采样时间点Ti,在功率放大器的前m个打开时间周期内(周期数量根据具体情况确定,也可以为1),检测单元采集到一定数量的数据并发送给控制单元,控制单元对这些数据按照不同周期内的同一采样时间点进行分组,并执行相应的自适应控制策略,从而得到每个采样时间点Ti的功率放大器线性化所需的k个控制系数;然后采用数据拟合方法得到每个控制系数随时间量ΔT变化的关系,比如采用三阶多项式C(t)=a0+a1t+a2t2+a3t3拟合,得到与时间量ΔT相对应的功率放大器各变化状态的控制系数Cj(ΔT)(j=1,2,3...k),进而在功率放大器的第m+1个及之后的打开时间周期内使用该控制系数对功率放大器进行相应的自适应算法和控制。其中,对于n取得足够多的情况,可以不必采用数据拟合而直接运用,即在采样时间点Ti到采样时间点Ti+1之间都采用采样时间点Ti的控制系数Cj(Ti)。这里对每个采样时间点Ti所采用的自适应控制策略可采用本领域普通技术人员已知的方法,例如能量最小法、相关解调法等,这里不再对自适应控制策略作详细描述。
下面结合两种功率放大器线性化的技术,预失真技术、前馈技术,给出本发明的两个优选实施方式。
图5示出了本发明的采用射频预失真技术进行功率放大器线性化的控制装置的结构示意图。如图5所示,通过功放打开时间信息单元将与功率放大器打开时间相对应的功放打开时间信息传递给算法与控制单元和信号检测单元。这样使得在预失真线性化技术中表征放大器非线性的多项式函数具有了与功率放大器的打开时间相对应的时间量ΔT,从而可以对功率放大器的不同状态使用预失真线性化技术进行不同的控制。
从射频信号输入开始,经过功分器A、功分器B、延时调整单元A、矢量增益调整单元以及功率放大器,最后到射频信号输出,构成了信号主链路,其中,矢量增益调整单元的作用就是对功率放大器进行预失真。设功率放大器的复数电压增益为G,矢量增益调整单元的复数电压增益为a,预失真的目的就是使复数电压增益a与复数电压增益G的卷积为常数,即:a*G=K,其中,K为常数。由于复数电压增益G是输入信号的瞬时功率p和相对功率放大器打开时间的时间量ΔT的函数,所以复数电压增益a也为瞬时功率p和时间量ΔT的函数,可以将复数电压增益a表示表示为a=aI+jaQ,其中aI和aQ可用多项式近似,且多项式函数的阶数可根据所需要的精度选取,例如在本实施例中,I、Q两路分别采取5阶多项式函数,表示为:
aI(ΔT)=1+C1(ΔT)×P+C2(ΔT)×P2+C3(ΔT)×P3+C4(ΔT)×P4+C5(ΔT)×P5和
aQ(ΔT)=1+C6(ΔT)×P+C7(ΔT)×P2+C8(ΔT)×P3+C9(ΔT)×P4+C10(ΔT)×P5。
如图5所示,包络检测单元、算法与控制单元以及多项式函数单元构成预失真的控制部分,其中包络检测单元的作用是提取输入信号的瞬时功率p。耦合器、固定衰减器、延时调整单元B及信号检测单元构成预失真的检测部分。具体实施步骤为:所述算法与控制单元根据功放打开时间信息单元输入的功放打开时间信息,将表征功率放大器打开时间的时间量ΔT设置成n个采样时间点Ti;所述信号检测单元根据该采样时间点Ti,在每个采样时间点Ti上对输入信号和输出信号进行分时间点检测,从而使得所述检测部分检测出的数据具有时间参数ΔT;所述控制部分对所述信号检测部分在功率放大器的前m个打开时间周期内检测出的数据,按照不同周期内的同一采样时间点Ti进行分组,并执行相应的自适应算法和控制;即所述算法与控制单元由每个相同采样时间点Ti的检测数据根据a*G=K算出各采样时间点的控制系数C1(Ti)、C2(Ti)、C3(Ti)...C10(Ti),即得到所有的控制系数Cj(Ti),所述算法与控制单元再对每个控制系数Cj(Ti)进行,例如三阶多项式数据拟合得到控制系数Cj(ΔT),将Cj(ΔT)和由包络检测单元提取出的输入信号的瞬时功率p输入到所述多项式函数单元,就可以得到矢量增益调整的复数增益a,将其应用于功率放大器的第m+1个及之后的打开时间周期的控制过程,即可完成一次对预失真电路的控制。如此反复,就运用预失真技术对功率放大器在TDD下的不同状态进行了线性补偿。
图6示出了本发明的采用前馈技术进行功率放大器线性化的控制装置的结构示意图。本实施例中,增益相位控制单元A和增益相位控制单元B都随功率放大器的打开时间变化。由耦合器A、主功率放大器、耦合器B、延时调整单元A、耦合器C、耦合器D组成信号放大链路;由耦合器A、主功率放大器、耦合器B、增益相位控制单元A、延时调整单元B、固定衰减器、主信号抵消单元组成环路A,起到抵消主信号从而提取失真信号的作用;由增益相位控制单元B、误差功率放大器、延时调整单元A、耦合器C组成环路B,起到消除失真信号的作用;由功率检测单元、功放打开时间信息单元、控制单元A完成对增益相位控制单元A的控制;由耦合器D、耦合器E、失真信号检测单元、控制单元B完成对增益相位控制单元B的控制。由于功率放大器的状态是随着与功率放大器打开时间相对应的时间量ΔT而变化的,对于环路A,具体实施步骤为:控制单元A根据功放打开时间信息单元输入的功放打开时间信息,将表征功率放大器打开时间的时间量ΔT设置成n个采样时间点Ti;功率检测单元根据该采样时间点Ti,在每个采样时间点Ti上对输入信号和输出信号进行分时间点检测,从而得到具有时间量ΔT的功率检测值;控制单元A对功率检测单元在功率放大器相邻的两个打开时间周期内检测出的同一采样时间点对应的功率检测值进行比较,例如,对功率放大器第m个打开时间周期内采样时间点Ti时刻的功率检测值Mim和功率放大器第m+1个打开时间周期内同一采样时间点Ti时刻的功率检测值Mi(m+1)进行大小比较,以主信号功率最小为目标生成采样时间点Ti时刻的控制系数,增益相位控制单元A根据该控制系数来调整其增益和相位,直到所述功率检测单元在采样时间点Ti检测到的功率检测值小于TDD***设定的一门限值,比如检测到的功率小于输入信号功率减去25dB。其它时刻与此类似,这样就得到增益相位控制单元A中每个采样时间点Ti对应的增益和相位,主信号抵消单元根据该增益和相位,输出相应的失真信号。对于环路B,其控制方法和环路A的控制方法一样,只是在环路B中,是所述控制单元B通过将功率放大器第m个打开时间周期内采样时间点Ti时刻的由所述失真信号检测单元检测出的失真信号检测值Nim和功率放大器第m+1个打开时间周期内同一采样时间点Ti时刻的由所述失真信号检测单元检测出的失真信号检测值Ni(m+1)进行大小比较,以失真信号功率最小为目标来调整增益相位控制单元B的增益和相位,从而消除相应的失真信号。如此反复,就可运用前馈技术对功率放大器在TDD下的不同状态进行了线性补偿。
在TDD工作状态下,由于采用了引入与功率放大器打开时间相对应的时间参数ΔT的技术方案,使用自适应射频预失真技术和自适应前馈技术对功率放大器的非线性进行补偿时,功率放大器的性能和效率大大提高。然而,本发明并不限于这两个实施例,在功率放大器线性化过程中,无论采用何种线性化技术,凡是采用控制系数随功率放大器的打开时间实时变化的控制方式,或者采用在功率放大器的打开时间内分时间点进行检测和控制的方式都在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种用于时分双工***的功率放大器的线性化控制装置,包括:
检测单元,用于对输入信号及输出信号进行检测,并将检测出的数据发送给控制单元;以及
与所述检测单元连接的所述控制单元,用于对所述检测单元检测出的数据进行自适应算法和控制;其特征在于,所述线性化控制装置还包括:
与所述控制单元连接的功放打开时间信息单元,用于向所述检测单元和所述控制单元提供与所述功率放大器的打开时间相对应的功放打开时间信息;
所述控制单元还用于根据所述功放打开时间信息将功率放大器的打开时间设置成多个采样时间点,并将采样时间点信息发送给所述检测单元;
所述检测单元还用于根据所述采样时间点信息,在每个采样时间点上对所述输入信号和输出信号进行检测;
所述控制单元进一步用于将所述检测单元检测出的数据按照不同周期内的同一采样时间点进行分组,并执行相应的控制策略,产生与每个采样时间点相对应的控制系数。
2.根据权利要求1所述的线性化控制装置,其特征在于,所述控制单元基于对所述检测单元在功率放大器的至少一个打开时间周期内检测出的数据进行计算,生成所述控制系数。
3.根据权利要求2所述的线性化控制装置,其特征在于,所述控制单元进一步用于:对所述控制系数采用数据拟合的方法,得到与所述功率放大器的整个打开时间相对应的控制系数。
4.根据权利要求1所述的线性化控制装置,其特征在于,所述控制单元通过比较所述检测单元在功率放大器相邻的两个打开时间周期内检测出的同一采样时间点对应的数据,生成所述控制系数。
5.一种用于时分双工***的功率放大器的线性化控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:控制单元根据功放打开时间信息单元输入的功放打开时间信息,将功率放大器的打开时间设置成多个采样时间点;
步骤二:检测单元根据所述控制单元输入的采样时间点信息,在每个采样时间点上对输入信号和输出信号进行检测;
步骤三:所述控制单元对所述检测单元在功率放大器的打开时间周期内检测出的数据,按照不同周期内的同一采样时间点进行分组,并执行相应的自适应算法和控制,所述控制单元基于对所述检测单元在功率放大器的至少一个打开时间周期内检测出的数据进行计算,产生与每个采样时间点相对应的控制系数。
6.根据权利要求5所述的线性化控制方法,其特征在于,所述步骤三进一步包括:所述控制单元对所述控制系数采用数据拟合的方法,得到与所述功率放大器的整个打开时间相对应的控制系数。
7.根据权利要求5所述的线性化控制方法,其特征在于,所述步骤三进一步包括:所述控制单元通过比较所述检测单元在功率放大器相邻的两个打开时间周期内检测出的同一采样时间点对应的数据,产生与每个采样时间点相对应的控制系数。
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