CN101208859B - 高频功率放大器的失真补偿装置 - Google Patents

Abstract

一种失真补偿装置，一方面检测出包含在高频功率放大器的输出信号成分中的非线性失真信号，另一方面由应该放大的高频信号生成非线性失真信号，求出该非线性失真信号和被检测出的非线性失真信号之间的相关，并根据该最终获得的信号求出控制变量，通过将所求出的控制变量和被生成的非线性失真信号进行乘法运算而生成失真补偿信号，并与应该放大的信号进行加法运算。由此，提供了一种失真补偿装置，可自动地维持最合适的失真补偿特性，高速地实现并得到良好的失真补偿。

Description

高频功率放大器的失真补偿装置

技术领域

本发明涉及对使高频信号的功率放大时产生的非线性失真进行补偿的装置。

背景技术

在放大高频信号时，对于其包络线不是固定的信号，需要输入和输出是线性的，即所谓的线性。之所以那样是因为，发生所谓失去线性的非线性失真(以后称为失真)，会向本来的信号的频带以外辐射不需要的功率，从而会对邻接的信道产生干扰。

但是，实际的功率放大器很多具有非线性，不可能得到完全的线性。通常，当重视线性时，功率放大器的功率效率(从电源变换成高频信号的功率的比例)降低。相反地，如果想要提高功率效率，则非线性变强。作为使该相矛盾的放大器的特性两全的方法，在此之前公知有对由放大器产生的非线性失真进行补偿的技术。

发明内容

发明所要解决的课题：

在此之前对非线性失真进行补偿的技术可大致区别为负反馈法、前馈(Feedforward)法、以及前置补偿器(Predistorter)法。负反馈法有其动作高速的优点，但是，随着使失真补偿变大，而存在动作不稳定的问题。前馈法没有动作不稳定的问题，但是由于需要副放大器，因此存在使整体的功率效率降低的缺点。前置补偿器法由于在该问题上是有利的，因此被人们关注。但是，存在如下问题：功率放大器的特性会由于信号的中心频率的变化、电压变动、温度变化、或者使用年限而发生变化。因此，如何自动地维持最合适的失真补偿特性是很重要的。另外，在现有的前置补偿器法中，存在如下应该改善的课题，即：对达到最合适的补偿特性所需要的时间比负反馈法长的问题。

本发明是鉴于以上问题而完成的，该课题提供一种前置补偿器型失真补偿装置，在自动地维持最合适的失真补偿特性的同时，实现高速的失真补偿。

用于解决课题的手段：

为了解决上述课题，本发明包括失真检测单元，检测在功率放大器输出中的失真信号；失真信号发生单元，将应该放大的高频信号作为输入，并产生n次(n为2以上的整数)的非线性失真信号；失真补偿信号发生单元，在该非线性失真信号上乘以控制变量，由此产生失真补偿信号；相关电路，求出所述失真信号发生单元的输出与所述失真检测单元的输出的相关；相位补偿单元，被设置在所述失真检测单元的前级，补偿信号的相位旋转；其中，所述相关电路的输出决定所述控制变量。

发明的效果

根据本发明，即使放大器的特性变化也能自动地达到最合适的失真补偿特性，并且，可将在得到最合适的失真补偿特征之前的时间缩短。

附图说明

图1是本发明的第一实施方式中的失真补偿装置的电路框图；

图2是表示失真信号发生电路的实施例的框图；

图3是表示失真检测电路的第一实施例的框图；

图4是表示失真检测电路的第二实施例的框图；

图5是表示图4所示的失真检测电路的滤波器特性和含有失真信号的功率谱关系的说明图；

图6是表示失真检测电路的第三实施例的框图；

图7是表示失真补偿特性的例子的说明图；

图8是本发明的第二实施方式中的失真补偿装置的电路框图；

图9是本发明的第三实施方式中的失真补偿装置的电路框图。

具体实施方式

下面，根据附图说明本发明的实施方式。

图1是用于说明本发明的第一实施方式的失真补偿装置的电路框图。首先，使用该图对整体的动作进行说明。向输入端子11输入的应该放大的高频信号被输入到失真补偿信号发生电路12和失真信号发生电路16。失真补偿信号发生电路12除应该放大的高频信号之外，还产生用于消除由功率放大器13产生的失真成分的失真补偿信号。

放大器13的输出被输出到输出端子14，同时，其中的一部分通过相位补偿电路19后被输入到失真检测电路15，并提取出失真信号成分。此时，也可考虑使用由输入端子11输入的应该放大的高频信号(图中的虚线)。失真信号发生电路16将高频输入信号作为输入，而产生高次(n次)失真信号。作为n值，例如可能为3、5、7等。n次失真信号的一部分被输入到失真补偿信号发生电路12，并与由控制变量生成电路18产生的n次控制变量进行乘法运算。n次失真信号的一部分被输入到相关电路17，并在与失真检测电路15的输出信号之间进行相关运算。相关电路17的输出被输入到控制变量发生电路18，并生成控制变量。

相位补偿电路19对在从输入端子11到失真检测电路15的输出之间接收的信号的相位旋转进行补偿，在后面将对其详细的动作进行说明。

图2是表示在本发明的实施例中的失真信号发生电路的实施例的电路图。在这里，使用数学式进行说明。任意高频信号可如下式进行表示：

S(t)＝A(t)cos(ω_ct+

(t))            (1)

在这里，A(t)是振幅，ω_c是载波频率，

(t)是相位。信号中的信息由A(t)和(t)反映。上式根据三角函数的公式可替换成下式：

S(t)＝A(t)cos

(t)cosω_ct-A(t)sin(t)cosω_ct

＝x(t)cosω_ct-y(t)sinω_ct                       (2)

在这里，x(t)＝A(t)cos

(t)，y(t)＝A(t)sin

(t)。

如果使用复数表示式(1)，则如下所示：

$s\left(t\right)=\mathrm{Re}\left[A\left(t\right)e^{\mathrm{j\φ}\left(t\right)}{e}^{j{\mathrm{\ω}}_{c}t}\right]$

$=\mathrm{Re}\left[z\left(t\right)e^{j{\mathrm{\ω}}_{c}t}\right]$ (3)

在这里，

z(t)＝x(t)+jy(t)                    (4)

那么，在s(t)的n次失真信号之后，如果将载波频率ω_c附近的成分写成s_d ⁿ(t)，则如下进行表示：

(5)

由于我们对载波频率ω_c的值没有兴趣，因此忽略这个(ω_c＝0)，由复数表示信号。复数信号Z(t)包含所有的信号的信息。如果想表现实际的高频信号，优选使用式(3)。对于由式(5)给出的失真信号S_d ⁿ(t)，得到复数表现 $z_d^n\left(t\right)={\left|z\left(t\right)\right|}^{n-1}z\left(t\right).$ 在这里，使用了Aⁿ(t)＝|z(t)|ⁿ(记号||表示绝对值)。

在这些复数的表现中，图2所示的信号z、z_d ⁿ等为了简化表示而省略了时间因子t。另外，请注意，图1中的失真信号发生电路16的输出如上所述包括多个失真信号。与此相对应，控制变量发生电路18也产生相同数目的控制变量α_n。如果使用式子表示失真补偿信号发生电路12的动作的例子，则如下所示。该电路的输出z′被表示为：

$z^{\′}=z+{\mathrm{\α}}_3{z}_d^3+{\mathrm{\α}}_5{z}_d^5+\·\·\·\·\·\·+{\mathrm{\α}}_N{z}_d^N$

$=z+{\mathrm{\α}}_3{\left|z\right|}^{2}z+{\mathrm{\α}}_5{\left|z\right|}^{4}z+\·\·\·\·\·\·+{\mathrm{\α}}_N{\left|z\right|}^{N-1}z$ (6)

输出z′是将应该放大的信号z与n次失真补偿信号进行加法运算而得到的。其原理是：通过在应该放大的信号上施加与在放大器内产生的失真成分相同振幅、相反相位的信号并进行输入，以消除在放大器输出中的失真。n次失真补偿信号由n次失真信号z_d ⁿ和控制变量α_n进行乘法运算得到。

在图3中示出了失真检测电路的第一实施例。该电路对应该放大的信号z和从放大器13输出而得到的信号z″取差分。

在图4中示出了失真检测电路的第二实施例。该电路将从放大器输出得到的信号通过滤波器，由此抽样失真信号成分。图5是概念性地表示用于说明该电路动作的频谱。该图的实线表示应该放大的信号的频谱，虚线是由失真产生的信号的频谱。图4所示的滤波器的振幅特性|H(ω)|理想的情况下仅使图5所示的失真信号成分通过。

图6示出了失真检测电路的第三实施例。在这里，在进行了高速傅立叶变换(FFT)之后，由失真成分检测电路仅将失真的频率成分提取出来。之后，考虑可以进行傅立叶逆变换(IFFT)返回到时域信号或者在频域取得相关。

在本发明中的相关电路计算由失真信号产生电路产生的n次失真信号z_d ⁿ和由失真检测电路15输出的失真信号e的相关值，即计算z_d ⁿ(标号^*表示复数的共轭)。控制变量发生电路根据该相关值产生控制变量α_n。如果其方法是使失真信号e接近于零则可以使用该方法。例如，在实现使失真补偿装置为时间离散***时，可使用如下所述的最小二乘(LMS)法。

${\mathrm{\α}}_n[m+1]={\mathrm{\α}}_n\left[m\right]+\mathrm{\μ}{z}_d^{n^{*}}\left[m\right]e\left[m\right]$ (7)

在这里，m表示离散时间(m＝0，1，2，…)。另外，μ是较小的常数。控制变量α_n从任意初始值(通常赋予0)出发，随着时间的前进自动地收敛到|e[m]|²的平均值为最小值的值。该情况当失真信号相对于相对值较小时可以用数学式加以表示。但是，由于描述起来很长，因此在这里省略其说明。取而代之的是由计算机仿真实验来表示其动作的适当性。图7示出了将由上述控制变量产生运算规则而得到的失真补偿特性作为功率谱。通过减少失真，由此减少频带外的功率成分。

图8示出了本发明的失真补偿装置的第二实施例。该实施例与图1示出的第一实施例不同的地方是新添加了正交调制电路811、局部振荡电路812、以及正交检波电路813，并改变了相位补偿电路814。其他的电路与第一实施例相同，将标号1～8记为81～88。当正交调制电路812将应该发送的信号表示为同相成分x(t)和正交成分y(t)时，进行式(2)给出的运算。在这里，局部振荡电路812是产生载波频率ω_c的正弦波(cosω_ct和sinω_ct)的电路。另外，正交检波电路812具有如下功能：从式(2)给出的高频信号s(t)中提取出作为同相以及正交成分的x(t)、y(t)。由于该动作的具体情况是本领域技术人员公知的，因此，在这里省略其说明。相位补偿电路814是以相位、正交成分信号为基础，使输入信号的相位旋转的电路。该动作由数学式表示如下：

x

(t)＝x″(t)cosΔφ-y″(t)sinΔφ          (8a)

y

(t)＝x″(t)sinΔφ+y″(t)cosΔφ          (8b)

在这里，Δφ是相位旋转量，该值的设定是为了消除在向输入端子81输入的信号z＝x+jy通过了正交调制电路811、放大电路83、以及正交检波电路813时产生的相位旋转。具体而言，可通过检测信号z＝x+jy和z″＝x″+jy″的相位差进行。在进行数字信号处理时，考虑使用如下所述的迭代法。

Δφ[m+1]＝Δφ[m]+μIm{z[m]z

^*[m]}

＝Δφ[m]+μ(-x[m]y[m]+y[m]x

[m])            (9)

在这里，μ是较小的常数，x[m]、y[m]是输入信号z的离散时间信号的同相、正交成分，x

[m]、y[m]是相位补偿电路814的输出。

本发明的第二实施例的动作是：在说明第一实施例的动作时在使用的信号的复数表现z(t)＝x(t)+jy(t)中使同相、正交成分分别为x(t)、y(t)时的动作，因此省略其以上的说明。本发明的实施例希望将由虚线包围的部分通过数字信号处理来实现。在该情况下，在图8中未示出，但是分别在从虚线部的输出x′、y′的部分使用数字模拟调制电路，另外，在向虚线部的输入x″、y″的部分使用模拟数字转换电路。本实施例具有可由基带进行信号处理，以及容易使用数字信号处理的优点。

在图9中示出了本发明的失真补偿装置的第三实施例。该实施例在第二实施例中将标号81～88、811～814变更为91～98、911～914，并添加了负反馈电路。负反馈电路为如下构成：通过系数乘法运算电路915在相位补偿电路914输出的一部分上乘以常量(β)之后，与被输入到输入端子91的信号z＝x+jy进行减法运算。常数β考虑失真补偿的程度和电路动作的稳定性而决定。低通滤波器(LPF)916为了保持负反馈电路的稳定性而被***。由于本实施例的其他电路与第二实施例相同，因此在此省略说明。在该实施例中，首要的是将负反馈信号输入到失真补偿信号发生电路92的输入。本实施例如有如下效果，即：通过负反馈方式，改善了前置补偿器型失真补偿方式收敛到最合适的失真补偿特性所需要较长时间的问题。如果从其他的观点看，在负反馈方式失真补偿中，当想要取得大的失真补偿时，可考虑通过在前置补偿器型上分担失真补偿量，从而解决动作不稳定的缺点。

Claims (7)

1.一种失真补偿装置，与放大高频信号的功率放大器连接，补偿在该功率放大器中产生的非线性失真，其特征在于，包括：

失真检测单元，在来自所述功率放大器的放大器输出信号中检测失真信号成分；

失真信号发生单元，将应该放大的信号作为输入，并产生n次的非线性失真信号，n为2以上的整数；

失真补偿信号发生单元，在该非线性失真信号上乘以控制变量，由此产生失真补偿信号；

相关电路，求出所述n次非线性失真信号与所述失真信号成分的相关；

相位补偿单元，被设置在所述失真检测单元的前级，补偿信号的相位旋转；

其中，所述相关电路的输出决定所述控制变量。

2.如权利要求1所述的失真补偿装置，其特征在于，

所述失真检测单元包括错误检测单元，对所述放大器输出信号和应该放大的信号之间的误差进行检测，输出所述失真信号成分。

3.如权利要求1所述的失真补偿装置，其特征在于，

所述失真检测单元包括滤波器，该滤波器允许由所述功率放大器输出而得到的信号通过，由此检测出由于失真而产生的频率成分，并产生所述失真信号成分。

4.如权利要求1所述的失真补偿装置，其特征在于，

所述失真检测单元包括：

对由所述功率放大器输出而得到的信号进行傅立叶变换的单元；和

在进行傅立叶变换后，检测出由于失真而产生的频率成分的单元。

5.如权利要求1所述的失真补偿装置，其特征在于，还包括：

正交调制电路，设置在所述功率放大器的前级；和

正交检波电路，将从所述功率放大器的输出得到的信号作为输入，作为应该放大的信号而使用同相以及正交成分的基带信号，进行相位补偿、失真检测、相关运算、失真信号发生、控制信号发生、以及失真补偿信号发生。

6.如权利要求5所述的失真补偿装置，其特征在于，还包括：

负反馈电路，该负反馈电路向所述失真补偿装置的输入端子和所述失真补偿信号发生单元之间的连接点供应相位补偿信号。

7.一种补偿在放大高频信号的功率放大器中产生的非线性失真的方法，其特征在于，包括如下步骤：

在来自所述功率放大器的放大器输出信号中检测失真信号成分；

产生n次的非线性失真信号，n为2以上的整数；

在所述非线性失真信号上乘以控制变量以产生失真补偿信号；

求出所述n次非线性失真信号与所述失真信号成分的相关；

参考所述相关来决定所述控制变量。

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