CN1823469B - 包括包络调制有限周期调制器电路的放大电路 - Google Patents

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Abstract

一种用于放大调制的RF输入信号、尤其用于无线电收发器电路的放大电路(10)。该放大电路(10)包括：设置成用于从RF输入信号产生放大的RF输出信号的自振荡有限周期调制器电路(20-22，26-29，31-33)；以及设置成用于对由从调制的RF输入信号提取的包络信息确定的RF输出信号进行调幅的包络调制器电路(34-36)。

Description

包括包络调制有限周期调制器电路的放大电路 
技术领域
本发明涉及调制的射频(RF)信号的放大，尤其用于无线电收发器电路。
背景技术
在RF发射***中对更高的带宽效率的空前需求导致采用复杂的调制技术，处理随时间变化的相位或者频率和振幅信号。使用这些调制技术需要具有非常线性的发射特性的收发器，以便正确处理信号和抑制对相邻信道发射的干扰。在宽的动态范围内保持线性度对于利用功率控制的功率放大器(PA)来说是重要的。
然而，这种调制信号包含非恒定的包络，导致相对大的包络峰均比。因此，常规的线性模式PA，例如A类、AB类或者B类PA，必须工作在远低于1-dB压缩点的区域中。因此，功率效率非常低，导致放大器中相对大的功率损失或功耗。这一大的功率损耗在蜂窝移动无线通信***的基站(下行链路)中会产生严重的发热问题，或者会严重缩短具有包括这种PA的收发器的送受话器(上行链路)的电池寿命。
已经表明，开关模式的PA可以提供比线性模式的PA高得多的效率。开关模式的PA，例如工作D类、E类、F类或者S类的PA，利用功率晶体管作为开关元件。需要适当的匹配网络以便仅允许放大的基频分量通过负载。然而，开关模式的PA仅适用于放大恒定包络的信号。利用这些放大器来放大非恒定包络的信号将导致振幅信息的损失。
本领域的现有技术将重点放在高效非线性PA的线性化上。已知的线性化技术为笛卡儿环路反馈、误差前馈(Error Feedforward)、预失真、利用非线性元件的线性放大(LINC)和包络消除及恢复(EER)。
基于常规的负反馈原理，笛卡儿环路反馈将反馈信号分为正交分量，并且以I和Q的形式处理纠错。然而，笛卡儿环路反馈表现出严重的稳定性和工作带宽问题。
误差前馈提取由主PA产生的失真，然后通过辅助放大器放大该失真，接着从主PA输出中将其扣除，以留下输入信号的线性放大版本(version)。实际上，误差前馈导致复杂的电路，并且由于附加的误差放大器而效率低。
预失真产生对PA的失真特性精确补偿的失真特性。预失真的缺点是前置补偿器的处理带宽有限，并且不能够产生足够精确的高饱和PA的失真特性。
LINC将RF发射信号分为两个包络恒定的相位调制信号，同等地放大所述信号，每个都具有其自己的非线性开关PA，然后在相加点结合这两个PA输出路径，以合成RF信号。然而，除了在两个PA附近的两个信号处理路径之间的不匹配问题之外，在输出结合器处LINC还表现出严重的功率损耗。该不匹配不仅恶化了信号特性，而且出现了功率反射的问题和由此产生的发热和老化问题。
EER将RF发射信号分为两个路径：仅包含输入信号包络的包络调制路径，以及仅包含恒定包络相位调制信号的相位调制路径。利用高效PA放大相位调制信号，并且在完全相同的时间通过调制PA的输出信号恢复该包络信号。由于两个信号处理路径之间的路径延迟不匹配的严重影响，因此EER局限于窄的工作带宽。
此外，存在所谓的用作开关模式PA的有限周期(limit cycle)调制的技术。有限周期调制器是自振荡电路，包括负反馈耦合的非线性或者继电器(relay)器件，该器件利用开关器件将输入信号转换为离散电平输出信号，例如两电平(1位)信号。在频域中调整(shape)由继电器器件产生的误差。该***可以仅在被称作有限周期的若干离散频率上振荡。异步西格马-德耳塔调制器(ASDM)和所谓的自振荡功率放大器(SOPA)以及δ调制器被看作是有限周期调制器的子类。
发明内容
异步西格马-德耳塔调制器将输入信号编码为脉冲序列。由于相对高的自振荡频率，因此非线性调制分量离令人感兴趣的信号频带相对较远，从而可以利用相对低阶和/或低Q的RF低通(LP)或者带通(BP)滤波器就相对容易地滤掉这些不需要的分量。然而，ASDM的缺点是脉冲调制的动态范围有限。
鉴于现有技术的放大电路的上述不足和缺点，本发明的目的是提供一种改进的放大电路，用于放大随时间变化的相位或者频率和振幅调制的RF输入信号，优化频谱和功率效率。
根据本发明，通过包括自振荡有限周期调制器电路和包络调制器电路的放大电路实现上述目的，其中将所述自振荡有限周期调制器电路设置成用于从调制的RF输入信号产生放大的RF输出信号，将所述包络调制器电路设置成用于对由调制的输入信号的包络信启、确定的输出信号进行调幅。
为了实现在线性度、效率、带宽和动态范围方面最佳的线性化放大器，本发明用于自振荡有限周期调制器电路的最佳误差控制技术。本发明将包络调制集成在有限周期调制器电路的前馈通路中。
由于有限周期调制器电路的自振荡特性，以使非线性频率调制分量从想得到的频率信号频带移开的方式调制RF输入信号，从而可以将这些调制分量相对容易地从输出信号滤掉。通过增加开关频率，可以得到宽带线性化。同时，将输入信号的包络通过包络调制器馈送到输出信号中。以这种方式，以使环路误差变得与输入信号的包络成正比的方式对其进行控制。
有限周期调制器电路的控制回路能够用于纠正由包络调制路径引入的误差。另一方面，包络信号的预测减小了由有限周期调制器电路的继电器器件引起的误差。因此，仅需要控制回路纠正剩余的误差。结果，在输出取得极好的线性度并且获得大的动态范围，而与输入功率水平无关。此外，根据本发明的放大电路解决了与有限周期调制相关的范围受限的问题。
在本发明的另一实施例中，包络调制器电路包括包络检测器电路，用于提取调制的RF输入信号的包络信息。取代从RF输入信号提取包络信息，在根据本发明的又一实施例中，将包络检测器电路设置成用于从处于基带的输入信号合成包络信息。
尽管可以以各种方式在有限周期调制器电路的控制回路中引入包络信息，但是在本发明的优选实施例中，将包络调制器电路设置成用于向有限周期调制器电路供电(power)，用于对输出信号进行调幅。为此，在本发明的另一个实施例中，为了向有限周期调制器电路供电，通过包络信息控制电源转换器电路，在工作中，该电源转换器连接到用于向放大电路供电的电源。可以将电源转换器电路设置成用于控制有限周期调制器电路的电源电压和电源电流中的一个或对二者都进行控制。
在本发明的优选实施例中，有限周期调制器电路采取异步西格马-德耳塔调制器电路的形式，具有从RF输出信号到调制的RF输入信号的反馈路径。然而，在基带水平上可以获得输入信号的情况下，在本发明的再一个实施例中，异步西格马-德耳塔调制器电路包括用于从处于基带的输入信号提供调制的RF输入信号的装置，并且具有从RF输出信号到基带输入信号的负反馈路径。反馈路径包括用于将RF输出信号下变频到基带的装置。为了处理处于基带的信号，放大电路可以包括数字信号处理(DSP)装置。
在根据本发明的另一个实施例中，可以有利地将DSP设置成用于提供许多的输入信号预校正，以便进一步优化***性能。应当理解的是，可以为此可以单独地提供数字预校正装置。
诸如ASDM的有限周期调制器电路的继电器器件可以具有各种特性，所述继电器器件用于将RF输入信号转换为离散电平的RF输 出信号。四个主要的继电器类型为：没有任何延迟或者滞后现象的理想继电器；具有其中不提供输出的死区的继电器；具有滞后现象的继电器；以及具有死区和滞后现象的继电器。
如上所述，简单的开关例如晶体管可以作为继电器器件来工作，使***非常地高效。然而，也可以由开关元件的组合形成继电器，例如用于在三个电平：-1、0和+1之间对输出进行切换，以支持根据本发明的放大电路的平衡结构。
在本发明的优选实施例中，继电器器件包括设置成工作在D类、E类、F类和S类中的任意一种情况下的开关模式的功率放大器。在ASDM电路的情况下，例如，功率放大器可以包括用于施加参考信号例如DC参考信号或者具有正弦或三角波形的AC参考信号的参考输入。在本发明的另一个实施例中，继电器器件还可以包括比较器电路。
在本发明的又一个实施例中，有限周期调制器电路包括环路滤波器，将其设置成用于优化有限周期调制器电路的线性化性能。可以将环路滤波器设置在有限周期调制器电路的前向回路中，即在连接RF输入和继电器输入的路径中，或者在反馈回路中。本领域技术人员应该理解的是，环路滤波器可以由前向回路和反馈回路这二者或其中之一中的多个独立滤波器构成，而前向和反馈回路可以分别由几个前向反馈子回路构成，每个都执行特定的校正或者补偿功能。
为了滤掉不希望的调制分量，根据本发明的放大电路进一步包括RF带通滤波器，用于提供进行过频带过滤的RF输出信号。为了优化本发明的放大电路的功率和频谱效率，在其另一个实施例中，RF带通滤波器装置包括第一滤波器装置和第二滤波器装置，其中最佳的是将所述第一滤波器装置设置成用于输出阻抗匹配、使反射损耗最小，并且最佳的是将所述第二滤波器装置设置成用于RF频带滤波。
第一滤波器装置，最佳的是将其设置成用于输出阻抗匹配，可以被设置在继电器器件的输出上，结合在调制器电路的控制回路中，而第二滤波器装置，最佳的是将其设置成用于RF频带滤波，连接到第一滤波器装置的输出。本领域技术人员应该理解的是，第二滤波器装置可以包括LP滤波器。
例如，可以利用采用集中或者分布(传输线)设置的有源或者无源元件构造用于本发明的第一滤波器装置以及构成放大电路的其它元件及它们的连接、支路和抽头。
例如，根据本发明的放大电路特别适用于完全或者部分设计为半导体集成专用电路(ASIC)和单片微波集成电路(MMIC)。用于无线电收发器电路，例如诸如用于移动无线通讯***的无线电基站的无线电访问单元的收发器电路和这种移动无线通讯***的送受话器的收发器电路，但不限于此。
因此，本发明还涉及结合上述放大电路的收发器电路、无线电访问单元和无线电通信单元。
必须将本说明书和附加的权利要求中使用的术语“收发器装置”理解为结合有发射器装置、接收器装置或者组合的发射器/接收器装置。
附图说明
将参考附图中所示的典型实施例对本发明进行更加详细的说明。
图1示意性地示出根据本发明的放大电路的第一实施例的方框图；
图2-5示意性地示出用于本发明的继电器器件的基本工作方法；
图6示意性地示出根据本发明的放大电路的第二实施例的方框图；
图7示意性地示出移动蜂窝无线通信***的方框图，该***包括具有收发器电路的无线电访问单元和无线电通信单元，所述收发器电路包括根据本发明的放大电路。
在下面的说明中，在全部附图中，相同的参考标记表示相同或者相应的器件。
具体实施方式
图1示出根据本发明的放大电路10的第一通用实施例的方框图。电路10的主要元件由继电器器件20形成。继电器器件20是非线性元件，用于将施加在继电器器件20的输入端21的调制RF输入信号转换为在继电器器件20的输出端22上的离散电平输出信号。
第一滤波器装置24和第二滤波器装置25从继电器器件20的输出端22串联到采用天线装置39形式的负载，用于发射在继电器器件20的输出端22产生的RF输出信号。天线装置39本身不形成放大电路10的一部分。
最佳的是可以将第一滤波器装置24构造成用于继电器器件20的阻抗匹配，以便使反射和传输损失最小。最佳的是可以将第二滤波器装置25构造成用于输出信号的RF频带选择。本领域技术人员应该理解的是，可以将第一和第二滤波器装置24、25组合为单个RF带通滤波器，用于提供频带滤波过的RF输出信号。此外，第一和第二滤波器装置24、25可以包括多个子滤波器，例如用于选择多个RF发射频带。
如图1所示，反馈回路26从第一滤波器装置24的输出连接到减法装置29的输入，其另一个输入端连接RF输入端30，用于接受将要由放大电路10放大的调制的RF输入信号。减法装置29的输出通过前向回路31连接到继电器器件20的输入端21。
在反馈回路26中，可以设置第三滤波器装置27和/或增益控制装置28，并且在前向回路31中，可以设置第四滤波器装置32，如图1所示。第三和第四滤波器装置27、32可以由几个子滤波器构成，并且一起形成由前向回路31和反馈回路26形成的继电器器件20的闭合控制环路的环路滤波器装置。设置该控制环路，使得提供可以在被称作有限周期的若干离散频率振荡的自振荡有限周期调制器电路。
例如，尽管不是强制的，但可以通过将参考信号从信号源33施加在继电器器件20的另一个输入端23上来控制这样形成的调制器电 路的振荡频率。该参考信号可以是直流(DC)或者交流(AC)信号，例如三角波信号。
可以将继电器器件20设置成根据如图2、3、4和5所示意性示出的四个基本转换模式中的任意一种来进行工作。在这些附图中，水平轴x表示输入信号，而垂直轴y表示输出信号。由于它们是示意性的，因此对于输入和输出信号没有示出具体的振幅值。继电器器件20的输入信号x通常通过组合在输出端21和23上的输入信号而形成。
在图2的理想继电器模式中，输出信号y针对输入信号x的每次过零进行触发而在正的Yp和负的振幅值Yn之间没有延迟。在图3的具有死区的模式中，如果输入信号振幅的绝对值在预定的阈值Xp或者Xn之上，该预定的阈值可以与输入信号振幅的正或者负值不同，则输出信号y改变输入信号x的每个转换的状态。对于阈值Xp和Xn之间的输入信号振幅来说，提供零输出信号。在图4的具有滞后现象的继电器模式中，针对在预定的阈值Xhp和Xhn之上或者之下的输入信号转换，输出信号y在正和负的振幅值Yp和Yn之间触发。箭头表示输出信号针对输入信号从正到负或反之的转换的改变。在图5所示的组合模式中，除了具有滞后现象的继电器之外，针对在Xp-Xhp/2和Xn+Xhn/2之间的死区中的输入信号值，输出信号y可以取零值。在该模式中，继电器器件应根据放大电路10的所需特性工作，并且可以随其应用。
出于本发明的目的，由工作在D类、E类、F类或S类中的任何一种情况下的开关模式的功率放大器构成的继电器器件20或者由比较器电路构成的继电器器件20尤其可行。然而，应该理解的是，本发明并不限于这些类型的继电器元件。出于本发明的目的，可以使用本领域技术人员已知的各种继电器器件或者非线性元件。参考伦敦1968年由McGraw-Hill出版的作者是Arthur Gelb和Wallace E.van der Velde的“Multiple-Input Describing Functions and Nonlinear SystemDesign”，尤其第3章非线性***中的稳态振荡，这里引入作为参考。
在采用比较器形式的继电器器件20并且通过在继电器器件20的输入端23施加DC参考电压的情况下，形成有限周期调制器电路，称作异步西格马-德耳塔调制器(ASDM)。出于完整的原因，外部参考信号也可以不存在。例如，在采用单个高增益晶体管形式的继电器器件的情况下，晶体管的阈值电压用作内部参考，支持作为ASDM的操作。
在如此说明的调制器电路的工作中，并且在不存在任何输入信号的情况下，自振荡将出现，在调制器的自振荡频率产生周期的矩形波形，即有限周期。其中，振荡频率取决于调制器电路的控制环路中的滤波器装置27、28、32的特性。以使非线性调制分量远离令人感兴趣的信号频带的方式，调制器电路将施加在RF输入端30的RF输入信号编码为脉冲序列。
可以通过继电器元件20的输出端22处的带通滤波器装置，即上述第一和第二滤波器装置24、25，将这些非线性调制分量滤掉。通过适当选择调制器电路控制环路中的滤波器装置27、28、32可以使线性化最佳。通过增加振荡频率，可以使用低Q和低阶滤波器装置，从而可以得到宽带线性化。
在形成为比较器的继电器器件20的输入端23施加三角形参考信号的情况下，在不存在反馈回路26时，在工作中，有限周期调制器电路将提供脉冲宽度调制(PWM)输出信号。然而，通过反馈回路26，调整输出信号，使得令人感兴趣的频带等于输入信号。
然而，在包络调制的RF输入信号的情况下，将在输出信号中出现严重的误差，主要是由于有限周期调制器电路的脉冲调制的有限的动态范围。为了提高有限周期调制器电路的误差控制，根据本发明，以包络调制器电路的形式加入另外的前向回路34。
在图1所示的实施例中，包络调制器电路包括包络检测器电路35，其输入连接到RF输入端30，用于从调制的RF输入信号提取包络信息。包络检测器电路35控制电源转换器电路36，将其设置成调制在继电器器件20的输出端22由该继电器器件20产生的输出信号。
在图1所公开的实施例中，将电源转换器电路36设置成调整电源，即根据包络检测器电路35提取的包络信息施加在放大电路10的电源端37上的继电器元件的电源电压和/或电源电流。根据所提供的调制控制的类型，例如，可以将电源转换器电路36设置为DC/DC电压或者电流转换器电路。然而，本发明并不限于这种类型的继电器元件20的调制。也可以应用继电器元件20的输出信号的其他类型的调幅，例如本领域技术人员已知的。
以上述方式，根据本发明，以正比于RF输入信号包络的方式控制调制器电路的环路误差。结果，与不具有包络前向回路34的调制器电路相比，获得了大得多的动态范围。调制器电路的反馈回路26能够纠正由包络调制电路35、36留下的误差。此外，通过经包络前向回路34预测包络信号，减小了调制器电路的非线性信号分量，导致放大电路10的线性化的提高。
包络检测器或者提取电路对本领域技术人员来说是已知的，在这里不需要进行进一步的说明。对于用于调制继电器电路20的振幅的转换器电路来说同样如此。在本发明的实施例中，转换器电路36包括开关模式的放大器。
图6示出根据本发明的放大电路40的第二实施例。在该实施例中，从施加在包络合成电路41例如数字信号处理(DSP)装置的基带输入端42上的基带调制输入信号提取包络信息。通过从合成电路41到电源检测器电路36的包络前向回路44提供如此提取的包络信息用于继电器器件20的输出信号的调幅。
通过其输入连接到合成电路41的信号输出的上变频器装置43， 将调制的RF输入信号施加到有限周期调制器电路的前向回路31。
在本发明的另一实施例中，可以直接将有限周期调制器电路的反馈回路26施加到合成电路41。为此，提供如图6中的虚线所示的下变频器装置45，用于将反馈信号下变频到通过合成电路41处理的基带。应该理解的是，当应用下变频器装置45时，将跳过增益控制装置28与减法装置29的连接。用于此目的的适当下变频装置对本领域技术人员来说是已知的。注意，在图1和6的实施例中，例如，如果增益控制装置28提供反相(负)的输出，则可以由求和装置代替减法装置29。
在本发明的又一实施例中，可以设置合成电路41，或者合成电路41可以包括用于将一定量的基带水平上的预校正提供给将施加到有限周期调制器电路的前向回路31的输入信号的装置，以便进一步增强放大电路40的性能。适当的合成装置和/或预校正装置对于本领域技术人员来说是已知的。
根据本发明的放大电路尤其适用于无线电收发器设备，例如用于根据全球移动电讯***(UMTS)宽带码分多址(WCDMA)标准工作的移动无线通信的那些无线电收发器设备。
图7以非常示意性的形式示出移动无线通信***50，包括移动电话交换局(MTSO)51或无线电交换，其连接到有线电话网络60，例如连接多个有线用户59的公共电话交换网络(PSTN)或综合业务数子网络(ISDN)。
MTSO 51支持多个无线电访问单元或基站52、53、54和远程无线通信单元56、57、58，例如用于通过空中接口55进行无线通信的无线电话送受话器，但是不限于此。根据本发明，无线电访问单元52包括具有根据本发明如上所述和所公开的放大电路30或者40的收发器装置61，连接到用于RF无线电发射的天线装置63。同样，无线通信单元56包括具有根据本发明的放大电路30或者40的收发 器装置，连接到天线装置64。
由于使用低阶和低Q滤波器的可能性，因此滤波器装置可以构成为有源、无源、集中或分布滤波器。同样，例如，可以利用采用集中或分布(传输线)设置的有源或无源电路元件构造构成放大电路的其他元件及它们的连接、支路和抽头。
例如，根据本发明的放大电路尤其适用于完全或者部分地设计为半导体集成专用电路(ASIC)和单片微波集成电路(MMIC)。
尽管利用其典型实施例对本发明进行了说明和公开，但是应该理解的是，本领域技术人员可以对所公开的设置进行大量的修改和添加，然而，不脱离如在附加权利要求中所公开和要求的本发明的新颖性和创造性概念。

Claims (20)

1.一种用于放大调制的RF输入信号的放大电路，所述放大电路包括：
自振荡有限周期调制器电路，被设置成用于从所述输入信号产生放大的RF输出信号，所述有限周期调制器电路包括用于将所述调制的RF输入信号转换为离散电平的输出信号的继电器器件(20)以及针对所述继电器器件(20)的闭合控制环路滤波器，所述控制环路滤波器包括具有滤波器装置(32)的第一前向回路(31)和具有滤波器装置(27)的反馈回路(26)，所述第一前向回路(31)与所述反馈回路(26)连接，其中，对控制环路进行设置，以提供在多个离散频率上振荡的自振荡有限周期调制器；以及
包络调制器电路，被设置成用于对由所述调制的输入信号的包络信息确定的所述输出信号进行调幅。
2.根据权利要求1所述的放大电路，其中所述包络调制器电路包括：具有包络检测器电路(35)的第二前向回路(34)，用于调制由所述继电器器件(20)产生的输出信号，所述包络检测器电路(35)对电源转换器电路(36)进行控制。
3.根据权利要求1所述的放大电路，其中将所述包络检测器电路(35)设置成用于从处于基带的所述输入信号提取所述包络信息。
4.根据权利要求1所述的放大电路，其中将所述包络检测器电路设置成用于从处于基带的所述输入信号合成所述包络信息。
5.根据权利要求2所述的放大电路，其中所述电源转换器电路(36)包括开关模式的功率放大器。
6.根据权利要求1-5中任何一项所述的放大电路，其中所述有限周期调制器电路包括异步西格马一德耳塔调制器电路，其具有从所述RF输出信号到所述调制的RF输入信号的反馈路径。
7.根据权利要求6所述的放大电路，其中所述异步西格马-德耳塔调制器电路包括用于从处于基带的输入信号提供所述调制的RF输入信号的装置，以及从所述RF输出信号到处于基带的所述输入信号的反馈路径。
8.根据权利要求7所述的放大电路，其中所述反馈路径包括用于将所述RF输出信号下变频到基带的装置。
9.根据权利要求1-5中任何一项所述的放大电路，包括用于处理处于基带的所述输入信每的数字信号处理装置。
10.根据权利要求1-5中任何一项所述的放大电路，包括用于预校正所述输入信号的预校正装置。
11.根据权利要求10所述的放大电路，其中所述预校正装置包括用于预校正处于基带的所述输入信号的数字信号处理装置。
12.根据权利要求1-5中任何一项所述的放大电路，其中，将所述继电器器件(20)设置成用于执行包括理想继电器、具有死区的继电器、具有滞后现象的继电器以及具有死区和滞后现象的继电器的组中的任何一个的功能。
13.根据权利要求12所述的放大电路，其中所述继电器器件(20)包括设置成用于工作在D类、E类、F类或S类中的任何一种情况下的开关模式的功率放大器。
14.根据权利要求13所述的放大电路，其中所述功率放大器包括用于施加参考信号的参考输入。
15.根据权利要求1-5中任何一项所述的放大电路，其中所述继电器器件(20)包括比较器电路。
16.根据权利要求1-5中任何一项所述的放大电路，将其设计为半导体集成专用电路(ASIC)。
17.根据权利要求1-5中任何一项所述的放大电路，将其设计为单片微彼集成电路(MMIC)。
18.一种无线电收发器电路，包括根据权利要求1-17中任何一项所述的放大电路。
19.一种无线电访问单元，具有根据权利要求18所述的无线电收发器电路，所述无线电访问单元包括用于移动无线通信***的无线电基站。
20.一种无线电通信单元，具有根据权利要求18所述的无线电收发器电路，所述无线电通信单元包括移动无线通信***的送受话器。
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