扩展带宽的数字多尔蒂发射机 |
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申请号 | CN201380051036.6 | 申请日 | 2013-07-31 | 公开(公告)号 | CN104704747B | 公开(公告)日 | 2017-08-25 |
申请人 | F·甘诺奇; | 发明人 | F·甘诺奇; R·达拉吉; | ||||
摘要 | 扩展带宽的数字多尔蒂发射机包括基带 信号 处理模 块 ,其包括 数字预失真 单元,还包括 数字信号 分配单元和数字 相位 对准单元;信号上变频模块;RF功率放大模块,其包括载波 放大器 以及一个或两个峰值放大器;以及RF多尔蒂合成网络。在另一方面,数字多尔蒂发射机包括基带信号模块,其包括数字预失真单元、数字信号分配单元和适应性数字相位对准单元。在这一方面,信号上变频模块包括三个 数模转换 器(DAC)和三信道上 变频器 或者三个单信道上变频器。还存在RF功率放大模块,其包括载波放大器和两个峰值放大器;以及RF多尔蒂合成网络,其包括四分之一 波长 阻抗变换器。 | ||||||
权利要求 | 1.一种多支路发射机,其包括: |
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说明书全文 | 扩展带宽的数字多尔蒂发射机技术领域[0001] 本发明大致涉及数字多尔蒂(Doherty)发射机,尤其涉及扩展带宽的数字多尔蒂发射机。 背景技术[0002] 为了应对越来越多的无线网络用户,现代无线通信标准(第3代以及以上)采用频谱有效调制(spectrum efficient modulation)和访问技术,例如正交幅度调制(QAM)、正交频分多路复用(OFDM)和码分多址(CDMA)。尽管这些技术允许过度拥挤的射频(RF)频谱的有效管理,它们还会导致具有高峰值平均功率比(PAPR)特性的高度不同的包络信号产生。为了避免在功率放大期间由于失真而信号切断以及所发射信息损失,发射机应当处理所发射信号的峰值,虽然其通常以远远低于平均功率水平运作。因此,无线发射机的功率放大器(PA)被迫在从其饱和点大幅回退处运作,在该饱和点处,PA的功率效率大幅下降。 [0003] 用于增强回退输出功率区域处的效率的普及功率放大结构是多尔蒂放大器结构。从根本上,多尔蒂放大器由以下组成:1)一个主放大器(一般指的是载波放大器),其在类别AB中运作并且针对所有输入信号等级执行信号放大,2)至少一个辅助放大器(一般指的是峰值放大器),其在类别C中运作并从预先限定的信号等级开始执行信号放大,3)用于在载波放大器和峰值放大器之间分配输入信号的输出模拟功率分配器,4)用于合成载波放大器和峰值放大器的输出的非隔离式多尔蒂输出功率合成器,其包括四分之一波长转换器,以及5)插入在峰值放大器和/载波放大器的输入处的50欧姆线,用以平衡多尔蒂放大器的支路之间的延迟。非隔离式功率合成器的使用启动主动负载机制,其基于通过由峰值放大器触发的阻抗调制动态地改变施加给载波放大器的负载。这容许载波放大器有效运作,直到其达到其最佳负载,而峰值放大器同时促成多尔蒂放大器的输出功率。 [0004] 事实上,由一个载波放大器和一个峰值放大器组成的两级多尔蒂放大器和由一个载波放大器和两个峰值放大器组成的三级多尔蒂放大器在基于多尔蒂的RF发射机中是最常用的结构。四级和更高等级多尔蒂放大器的实际实施方式是罕见的,并且其性能无法完全令人信服。主要原因在于与两级或三级多尔蒂放大器结构相比,这种实施方式相当复杂的设计和过高的成本并没有显著的性能改善。 [0005] 理想地,两级(三级)多尔蒂放大器具有两个(三个)最大效率点,其位于相对于饱和输出功率点至多6dB(12dB)的输出功率回退范围内。这一特征使得两级和三级多尔蒂放大器成为用于第3代以及以上的无线通信应用中的功率放大的最合适结构,其中调制信号的PAPR通常在6-12dB范围之间。在实践中,当PAPR为大约或略微高于6dB时,两级多尔蒂放大器更合适,当信号的PRPR显著高于6dB时,三级多尔蒂放大器更合适。这种优越性能的获得需要拟完全负载调制机制,由于两级或三级多尔蒂放大器的RF模块中针对固有硬件减损的限制,其不太可能在完全模拟的实施方式中发生。 [0006] 在两级或三级多尔蒂放大器的情况下,载波放大器和一个或两个峰值放大器的运作类别中的差异导致多尔蒂放大器的输出支路之间的复杂增益波动。由此,来自载波放大器的输出信号振幅和来自峰值放大器的输出信号振幅不与管理多尔蒂放大器的正确运作的理想电流分布匹配。其转化为不完善的负载调制机制和降低的效率。 [0007] 在多种设备(晶体管)技术(例如高电子迁移率晶体管(HEMT)和氮化镓(GaN)等)中,载波放大器和峰值放大器之间偏置条件的不同导致多尔蒂放大器的输出支路内的功率依赖性和高非线性相位偏差,其引起严重的输出功率损失、不充分的负载调制以及降低的效率。 [0008] 与多尔蒂PA相关的另一问题是狭窄的带宽性能。确实,由于对使用四分之一波长阻抗变换器来设计输出功率合成器的需要,多尔蒂PA的效率随着运作的频率偏离多尔蒂PA的设计频率(f0)而显著下降,这非常限制其带宽。 发明内容[0009] 在本发明的一个方面,数字多尔蒂发射机具有基带信号处理模块,该基带信号处理模块包括数字预失真单元、适应性数字信号分配单元以及数字相位对准单元;信号上变频模块;RF功率放大模块,该RF功率放大模块包括载波放大器和一个或两个峰值放大器;以及RF多尔蒂合成网络,RF多尔蒂合成网络的拓扑结构是预先限定的,并且其基于多尔蒂放大器系统的级别及其峰值放大器的开启点的设置。 [0010] 在本申请的描述中,三级多尔蒂放大器将被使用。应当注意,包括一个峰值放大器的两级多尔蒂放大器可以被认为是具有两个峰值放大器的三级多尔蒂放大器结构的简单和特别情况的一种情形。 [0011] 在本发明的另一方面,数字多尔蒂发射机包括基带信号处理模块,该基带信号处理模块包括数字预失真单元、适应性数字信号分配单元以及数字相位对准单元;信号上变频模块,信号上变频模块包括三个数模转换器(DAC)和三信道上变频器或三个单信道上变频器;RF功率放大模块,该RF功率放大模块包括载波放大器和两个峰值放大器;以及RF多尔蒂合成网络,其包括四分之一波长阻抗变换器,该RF多尔蒂合成网络的拓扑结构是预先限定的,并且其基于多尔蒂放大器的级别数、模式和运作顺序。 附图说明[0013] 通过具体描述和附图,本发明将变得更加被完全理解,其中: [0014] 图1是根据本发明的一个示例实施例的数字多尔蒂发射机结构的框图; [0015] 图2是示出图1的结构的具体框图的一个实施例,其使用单个三信道上变频器; [0016] 图3是示出图1的结构的具体框图的一个替换实施例,其使用三个单个信道上变频器; [0017] 图4是本发明的一个示例实施例的可能的信号分配方案的一个示例; [0018] 图5是本发明的一个示例实施例的可能的相位对准机制的一个示例; [0019] 图6是现有技术的框图; [0020] 图7是现有技术的线路图; [0021] 图8是示出在图7的电路的基频处理想输出电流分布的图表; [0022] 图9是根据图2中所示的本发明的示例实施例的线路图; [0023] 图10是根据本发明的一个示例实施例的结构的框图,其中RF功率放大模块仅具有一个峰值放大器; [0024] 图11是图10中所示的本发明结构的另一实施例,其中RF功率放大模块仅具有一个峰值放大器以及双信道上变频器; [0025] 图12是根据图11中所示的本发明的一个示例实施例的线路图; [0026] 图13是图10的结构的另一可能的框图,其中RF功率放大模块仅具有一个峰值放大器以及两个单信道上变频器; [0028] 图15是示出基带处理模块的数字相位对准单元的数字相位对准算法的运行步骤的流程图; [0029] 图16是基带处理模块的数字预失真单元的数字预失真(DPD)算法的运行步骤的流程图; [0030] 图17是示出本发明的基带信号处理模块的步骤的流程图; [0031] 图18是根据本发明的一个实施例在适应性模式中使用时的结构的框图,其中高方向性耦合器在RF功率放大模块的输出处被使用; [0032] 图19是图10的结构的框图,其中高方向性耦合器在RF功率放大模块的输出处被使用; [0033] 图20是与本发明的示例实施例的实践实施方式比较的现有技术的测量性能; [0034] 图21是与本发明的示例实施例的实践实施方式比较的现有技术的另一测量性能; [0035] 图22是与本发明的示例实施例的实践实施方式比较的现有技术的模拟性能; [0036] 图23是本发明的示例实施例的实践实施方式在频谱方面的测量性能。 具体实施方式[0037] 优选实施例的以下描述实质上仅仅是示例性的,并且绝非是意在限制本发明、其应用或用途。 [0038] 概括而言,本发明的一个实施例提供用于无减损运行的多支路数字多尔蒂发射机结构以及数字信号处理算法和线性化的三级多尔蒂放大器。 [0039] 如图1-3所示,针对数字多尔蒂发射机的特定运作模式来说,从初始基带信号(显示在IIN/QIN处)出发,与给定的通信标准相应的,基带处理模块20生成三个不同的输入基带信号(IIN,C/QIN,C、IIN,P1/QIN,P1、IIN,P2/QIN,P2),从而使得在经由信号上变频模块28的上变频和经由RF功率放大模块44的RF功率放大之后,在RF多尔蒂合成网络52的输入处电流的幅值遵循基于多级多尔蒂发射机的运作模式预先限定的理想电流分布。 [0040] 为了提高多尔蒂PA的效率,数字信号分配单元24被植入,以根据特定的功率分配方案在功率放大模块44的输入支路之间适应性地分配可用功率,该特定的功率分配方案源自于用于确保以多尔蒂PA的额定设计频率以及超过该频率的拟理想负载调制行为。图4显示在本发明的一个示例实施例的数字信号分配单元24处执行的可能的信号分配方案的一个示例,其中RF功率放大模块仅具有一个峰值放大器。“本发明”图表线示出了数字多尔蒂发射机,而“现有技术”图表线示出了现有技术的状态。 [0041] 数字信号分配单元24处生成的基带信号被进一步更新,以补偿由于设备的非线性行为导致的任何相位偏差。相位偏差行为从载波放大器的振幅依赖性相位失真(AM/PM)和峰值放大器的(AM/PM)响应中被识别。该特征能够通过利用在数字信号分配单元24处生成的放大器特定的输入信号在某一时刻仅仅驱动一个放大器,并且在数字多尔蒂发射机的输出处采集其相应的放大信号而获得。输出RF信号被下变频成基带并与在测试下允许获得放大器的AM/PM的已知的驱动输入基带信号比较来进行基准测试。在三个放大器的AM/PM响应遵循类似趋势(即,AM/PM相对于输入功率准恒)但具有恒定的相位差的情况下,静态数字相位对准被应用于每一峰值支路的输入处的输入基带数据,以使峰值放大器的AM/PM响应与载波放大器的AM/PM响应对准。在峰值放大器的AM/PM响应不遵循与载波放大器的AM/PM响应相同的趋势(即,峰值放大器的AM/PM响应相对于输入功率波动)的情况下,适应性数字相位对准被应用于每一支路的输入处的基带数据,以确保载波放大器的AM/PM响应和峰值放大器的AM/PM响应总是重叠的。这可以通过将相位数字预失真(PDPD)应用于每一个峰值输入基带信号而获得。这导致具有恒定相位偏移的三个类似AM/PM响应能够如通过仅仅向输入信号增加恒定相位补偿的静态相位对准的情况中那样被对准。图5中展示的图表显示本发明的一个示例实施例的可能的适应性数字相位对准的一个示例,其中RF功率放大模块44仅具有一个峰值放大器并且其中载波放大器和峰值放大器具有不同的AM/PM特征。 [0042] 数字相位对准机制确保拟完全主动负载调制行为(当输入信号在数字信号分配单元24被恰当分配时),并且防止在RF多尔蒂合成网络处的破坏性功率累积。 [0043] 数字相位对准机制防止在RF多尔蒂合成网络处的破坏性功率累积。 [0044] 数字信号分配单元和数字相位对准单元都确保多(三)级数字多尔蒂发射机的拟完全主动负载调制行为和无减损运作。 [0045] 为了获得线性运作,需要数字预失真(DPD)。这能够通过将由{数字适应性信号分配单元+数字相位对准单元26+信号上变频模块28+RF功率放大模块44+RF多尔蒂合成网络52}组成的系统看作是在试设备(DUT)来获得。由此,数字多尔蒂发射机的初始特征和DPD模型识别能够基于初始输入基带信号和RF多尔蒂合成网络52的输出处的RF信号的等同基带版本而导出。 [0046] 根据发射机的补偿,包括对输入基带信号进行预处理的数字预失真技术发出响应,以补偿其非线性效果。为了实现这一校正,预失真器的复合函数在满足一下条件的同时被确定: [0047] f(xout(t)/G)=xin(t)和g(xin(t))=xout(t)以及f[g(xin(t))]=G[xin(t)][0048] 其中f和g分别代表预失真器和PA/发射机的复合函数。G代表多尔蒂放大器的小信号增益。变量xin和xout分别表示输入和输出信号。f和g都通过在多尔蒂发射机的输入和输出处使用基带记录而确定。 [0049] 在预失真器的识别及其在数字信号分配单元24之前的堆叠(cascade)之后,能够针对线性化发射机写下以下等式: [0050] xout(t)=g[f(xin(t))]=G[xin(t)] [0051] 参考图1,数字多尔蒂放大器/发射机结构包括基带信号处理模块20;信号上变频模块28;RF功率放大模块44;以及RF多尔蒂合成网络52,RF多尔蒂合成网络的拓扑结构是预先限定的拓扑结构,并且取决于本发明的多支路数字多尔蒂放大器/发射机的运作模式。本发明结构的数字多尔蒂放大器/发射机的特定数量的多个支路n等于1(载波放大器支路)加上值n-1(该值等于在特定电路中峰值放大器的数量)。 [0052] 基带信号处理模块20包括数字预失真单元22、适应性数字信号分配单元24以及数字相位对准单元26。基带信号处理模块20是最好地显示在图17中的一组数字信号处理算法,其被实施以确保多级多尔蒂放大器/发射机以给定的运作频率的无减损和线性运行。就这一点而言,数字预失真单元22的实施方式被最好地显示在图16中;数字信号分配单元24的实施方式被最好地显示在图14中;数字相位对准单元26的实施方式被最好地显示在图15中。由基带信号处理模块20执行的运作和算法容许数字信号的数字处理以及数字信号输出。 [0053] 在运作中,数字预失真单元22是一种算法,其采用初始输入信号基带同相/正交(IIN/QIN)信号,以根据上述等式(参见图16)生成打算供给数字适应性信号分配单元24的预失真基带数字信号(IPred/QPred)。 [0054] 数字信号分配单元24是一种算法,其(根据图14)被应用于从数字预失真单元24获得的数字基带信号(IPred/QPred),以生成数字基带信号(IC/QC)、(IP1/QP1)和(IP2/QP2),从而确保在上变频和RF功率放大之后,在RF多尔蒂合成网络输入处的电流幅值遵循在多尔蒂PA的原始设计频率或超过该频率的多支路数字多尔蒂发射机运作模式的理想电流分布。精确地,基带信号(IPred/QPred)被适应性地拆分,以补偿由于输出合成器对与多尔蒂PA的原始设计频率不同的基带信号的载波频率的频率响应而导致的输出RF功率损耗;并且确保在多尔蒂PA的原始设计频率和超过该频率的拟理想负载调制行为。 [0055] 数字信号分配单元24能够基于一组有限脉冲响应(FIR)线性相位数字滤波器被实施,该滤波器其被设计为确保以发射信号的每一频率组分执行最佳信号分离。 [0056] 数字相位对准单元26是一种算法(根据图15),其被应用于基带信号(IC/QC)、(IP1/QP1)和(IP2/QP2),以生成基带信号(IIN,C/QIN,C)、(IIN,P1/QIN,P1)和(IIN,P2/QIN,P2),从而针对相位不平衡问题补偿数字域。 [0057] 参考图2,信号上变频模块28可以包括第一、第二和第三数模转换器(DAC)分别为30、32和34,并且包括三信道上变频器36。DAC30、32和34和三信道上变频器36可以是任何市场上可获得的部分。每一个DAC30、32和34是一个电子设备,其将在基带信号处理模块20的输出处获得的基带流(IIN,C/QIN,C)、(IIN,P1/QIN,P1)和(IIN,P2/QIN,P2)转换成连续的模拟信号。 三信道上变频器30是一个电子设备,其采用来自DAC30、32和34的低频输入模拟信号来产生供给RF功率放大模块44的输入的RF信号RFIN,C(来自第一单信道上变频器38)、RFIN,P1(来自第二单信道上变频器40)和RFIN,P2(第三单信道上变频器42)。 [0058] 参考图2,信号上变频模块28可以包括第一、第二和第三数模转换器(DAC)分别为30、32和34,并且包括第一、第二和第三单信道上变频器分别为38、40和42。DAC30、32和34和单信道上变频器38、40和42可以是任何市场上可获得的部分。每一个DAC30、32和34是一个电子设备,其将在基带信号处理模块20的输出处获得的基带流(IIN,C/QIN,C)、(IIN,P1/QIN,P1)和(IIN,P2/QIN,P2)转换成连续的模拟信号。上变频器36是一个电子设备,其采用来自DAC30、 32和34的低频输入模拟信号来产生供给RF功率放大模块44的输入的RF信号RFIN,C、RFIN,P1和RFIN,P2。 [0059] 参考图2和图3,RF功率放大模块44包括载波放大器46和两个峰值放大器48和50。载波放大器46是一个电子设备,其放大输入射频信号RFIN,C。两个峰值放大器48和50是电子设备,其放大输入射频信号RFIN,P1和RFIN,P2。载波放大器46和峰值放大器48和50基于晶体管以及输入和输出匹配网络来实施。匹配网络可以通过使用无源分布元件、基于传输线的结构或者集总元件来实施。 [0060] 在多级/支路多尔蒂放大器的一个可能的配置中,载波放大器46的晶体管和峰值放大器48和50的晶体管尺寸相同。在多级/支路多尔蒂放大器的其他可能的配置中,载波放大器46的晶体管和峰值放大器48和50具有不同的尺寸。对于给定配置的载波设备和峰值设备之间的设备尺寸比率,存在预先限定的运作模式和理想的输出基波电流分布,其描述多级/支路多尔蒂放大器的恰当运作。 [0061] 参考图6,多尔蒂合成网络52包括无源结构,其包括四分之一波长(λ/4)传输线阻抗变换器以及λ/4传输线阻抗逆变器,它们根据基于多支路多尔蒂发射机的运作模式的预先限定的配置而设置。 [0062] 参考图6,显示的一种多支路数字多尔蒂发射机(大致显示在图18的三级数字多尔蒂发射机)的一般结构包括输入模拟功率分配器43(其可以被物理定位在信号上变频单元28或者RF功率放大单元44中)、一个载波放大器46和两个峰值放大器48和50以及RF多尔蒂合成网络52。 [0063] 参考图7,当相同的设备被用于实施载波放大器和峰值放大器时,RF多尔蒂合成网络52包括四条λ/4传输线54、56(其具有特性阻抗Z0)、58(其具有特性阻抗Z0/2)和60(其具有特性阻抗1.73Z0)。Z062是三级多尔蒂放大器的输出负载阻抗。 [0064] 参考图8,三级多尔蒂放大器的理想电流分布。使用相同的设备实施的载波放大器46和峰值放大器48和50使得所有输出电流以峰值功率驱动被对准;并且,当峰值放大器50打开时,来自载波放大器的输出电流是峰值放大器48的输出电流的两倍。 [0065] 图9显示根据本发明的一个示例实施例的电路图,其中载波放大器46和峰值放大器48和50通过使用相同的设备被建立。 [0066] 参考图18和19,数字多尔蒂发射机可以进一步或者替换地包括分别在载波放大器46的输出处和峰值放大器48和50中的每一个的输出处的第一、第二和/或第三高方向性耦合器68、70和72。高方向性耦合器68、70和72可以使用基于无源耦合的结构被建立,并且被嵌入RF功率放大模块44的放大器中的每一个的输出匹配网络内。高方向性耦合器68、70和 72被用于探测放大器的输出信号的样本,从而能够:第一,持续地监测可能随时间变化的它们的AM/PM响应;以及,第二,根据需要更新输入信号。 [0067] 图20显示以额定设计频率运作的本发明的一个实施例的实践性实施方式的测量功率效率性能,其中RF功率放大模块仅具有一个峰值放大器且其中仅应用数字相位对准。 [0068] 图21显示与以额定设计频率运作的本发明的一个示例实施例的实践性实施方式(本发明的数字多尔蒂发射机)比较的模拟多尔蒂现有技术的测量功率效率性能,其中RF功率放大模块仅具有一个峰值放大器且其中仅应用数字适应性功率分配。 [0069] 图22显示与本发明的一个示例实施例的实施方式(本发明的数字多尔蒂发射机)比较的模拟多尔蒂现有技术的模拟功率效率与频率性能,其中RF功率放大模块仅具有一个峰值放大器且其中应用数字适应性功率分配和数字相位对准。 [0070] 图23显示以原始设计频率运作的本发明的一个示例实施例的实践实施方式的频谱的测量性能,其中RF功率放大模块仅具有一个峰值放大器且其中应用数字预失真和数字适应性功率分配。 [0071] 如上参考对应的说明所述,可以对示例实施例作出各种修改,在不违背本发明的范围的前提下,其意在表明,前述描述中包含的以及显示在附图中的所有内容应当被解释为是说明性的而非是限制性的。由此,本发明的宽度和范围不应当被任何上述示例实施例限制,而只能根据所附权利要求及其等同描述限定。 |