采用前馈修正的放大器线性化方法

本发明涉及一种采用前馈修正的放大器的线性化方法。

在由W.E.Sabin和E.O.Schoenike主编的“单边带系统和电路” (Mc Graw-Hill公司，1987年)一书的第13章，448-472页上可得 到的由Edward G.Silagi著的“超低失真功率放大器”一文中已知用于 修正非线性信号响应特性的对放大装置的前馈修正。前馈修正典型地包 括得到放大器的一个输入信号样本并且把它和从放大器输出端得到的样 本进行比较以获得误差信号。该误差信号代表该放大器的非线性信号响 应特性(噪声和失真)。接着在使输出信号和输入信号线性相关的方针 下把该误差信号和放大器的输出信号组合起来。公开放大器前馈修正的 其它文献包括美国专利3,471,798号、4,348,642号、4,352, 072号以及4,595,882号的说明书。

上述的放大器前馈修正起修正该放大器的非线性特性的作用，但是 不对接连的放大器或者输出放大器的非线性信号响应特性提供任何改 善。该接连的放大器可能具有需要修正的非线性信号响应特性。此外， 若输出放大器在高功率等级上运行，对该输出放大器采用前馈修正可能 是不经济的，因为前馈修正典型地造成该功率的1/4至1/2以上的损耗。

本发明的一个目的是通过对前面的放大器提供前馈过调改进具有非 线性信号响应特性的输出放大器的线性度。

根据本发明，通过向一个前面的放大器提供前馈修正，使具有非线 性信号响应特性并位于多级放大器网络中信号源和负载之间的输出放大 器线性化。这是通过在该放大器网络内选择一个前面的放大器并且其中 该选出的前面的放大器呈现和该输出放大器相类似的非线性响应特性来 完成的。对选定的放大器施加输入信号以产生中间输出信号，从而该中 间输出信号一般呈现出对该输入信号的作为该选定放大器的非线性信号 响应特性的函数的信号差异。输入信号的至少一部分和中间输出信号的 至少一部分相组合以得到表示该信号差异的误差信号。按得到修正的中 间输出信号的方式组合误差信号和中间输出信号。把该修正的中间输出 信号施加到输出放大器，从而得到输出信号。按提供过调中间输出信号 的方针调整误差信号，该过调中间输出信号用足以补偿输出放大器的非 线性信号响应特性的量过调，从而输出放大器的输出信号基本上和输入 信号线性相关。

本发明包括一种通过向前面的放大装置提供前馈修正使具有非线性 信号响应特性的并位于多级放大器网络中信号源和负载之间的输出放大 装置线性化的方法，该方法包括步骤：在所述网络内选择一个前面的放 大装置，其中所述前面的放大装置呈现和所述输出放大装置相类似的非 线性信号响应特性；向所述选定的前面的放大装置施加输入信号以产生 中间输出信号，从中该中间输出信号一般具有对所述输入信号的作为所 述选定前面的装置的非线性信号响应特性的函数的信号差异；组合所述 输入信号的至少一部分和所述中间输出信号的至少一部分从而得到表示 所述信号差异的误差信号；以得到修正的中间输出信号的方式组合所述 误差信号和所述中间输出信号；把所述修正的中间输出信号施加到所述 输出输出放大装置从而得到输出信号；以及按提供过调所述中间输出信 号的方针调整所述误差信号，该过调的所述中间输出信号用足以补偿所 述输出放大装置的非线性信号响应特性的量过调，从而所述输出放大装 置的所述输出信号基本和所述输入信号线性相关。

现通过参照附图以示例的方式说明本发明，附图是：

图1是一个概略方块图，表示实施本发明的一个实施例中使用的设 备；

图2是功率输入对功率输出的转移曲线图；

图3是另一个功率输入对功率输出的转移曲线图，

图4是表示另一种设备的概略方块图；以及；

图5是一个概略方块图，表示对图4所示概略方块图的改进。

本发明的目的在于使具有非线性信号响应特性并且在多级放大器网 络中位于信号源和负载之间的输出放大器线性化。线性化是通过向一个 前面的放大器提供前馈过调实现的。

在图1中所示的放大器网络中，存在一个采取功率放大器PA形式 的输出放大器以及一个本文中称为中间功率放大器IPA的前面的放大 器。在一个放大器网络中这些放大器串联连接并且位于信号源SS以及在 本文中用天线10为例的负载之间。可以理解该输出放大器不必真正是最 后一级，而可以是一个中间放大器如中间放大器IPA，并把功率放大器 PA和天线10一起考虑为负载。如后面根据图4更详细地说明的那样， 本发明的另一种型式可包括采用一个位于网络中的低功率级上的中频放 大器。在该示例中，输出放大器被认为是中功率放大器IPA、功率放大 器PA以及天线10的组合。

本措施具有在电视发射机中改进线性放大作用的应用。其它的应用 情况例如可包括单边带通信发射机、蜂窝无线基站发射机和微波发射 机。

在图1、2和3的实施例中，通过在带有前馈电路的中功率放大器 IPA的周围提供前馈修正来修正输出功率放大器PA的线性度。

在图1中所示的具有多个放大器的网络中选择一个例如中功率放大 器IPA的前面的放大器，使它呈现和输出放大器PA相类似的非线性信 号响应特性。即，参见图2，曲线20表示在施加前馈修正之前的IPA转 移曲线。如所示，这条曲线是一条非线性曲线，显示出输出信号以非线 性方式响应施加的输入信号。曲线22表示在前馈修正后达到输出对输入 的线性关系的IPA转移曲线。输出放大器PA具有和放大器IPA的曲线 20相类似的非线性信号响应特性。选出的放大器IPA也呈现如IPA转移 曲线20表示的非线性信号响应特性。本发明打算调整前馈修正，从而达 到如曲线24表示的过调，曲线24显示过调后的IPA转移曲线。

请再参照图1，图中可看出前馈电路包括一个定向耦合器30，其用 于提供输入信号的样本，通过一个放大器34和一个可变时间延迟器36 接着把该样本施加到混合组合器32的输入端a上。依靠一个可变定向耦 合器40得到中功率放大器IPA输出信号的样本并提供到组合器32的输 入端b上。该组合器组合施加到其输入端a和b的信号，并且在输出端c 提供信号的向量差和在输出端d提供这些输入的向量和，该向量和端接 在假负载电阻器38上。

可调整可变时间延迟器36以补偿通过中功率放大器IPA的时延。 这允许使输入信号的样本和输出信号的样本时间重合地到达组合器的输 入端a和b。可调整方向耦合器40的耦合因子K2以使在正常的小信号 条件下两个样本输入相等并同相。定向耦合器40用于改变来自中功率放 大器IPA的输出信号的振幅，而可变时间延迟器36用于改变两个样本之 间的时延关系。若样本相同，则输出端子c处组合器的差输出为零。耦 合因子k2的调整满足下述条件：

K1＝(G1)(K2)                (1) 其中G1代表中功率放大器IPA的增益而K1代表定向耦合器30的耦合 因子。

在大信号条件下，中功率放大器IPA的增益(G1)会改变并且会 在混合组合器32的输出端c处出现误差信号。该误差信号用可变时间延 迟器50及可变衰减器52调整、由线性放大器54放大并通过定向耦向器 56与中功率放大器的输出信号组合。调整可变时间延迟器50，从而通过 包括着延时器50、衰减器52和放大器54的修正通路的时延和通过包含 着固定时间延时器58的放大器IPA的输出电路中的通路的时延相匹配。

常规地调整可变衰减器52，从而从放大器IPA的输出端经过定向 耦合器50、混合组合器52、线性放大器54以及耦合器56的增益为1。 即，符合下式：

(K2)(G2)(K3)＝1               (2)

其中增益G2是线性放大器54的增益，K3是定向耦合器56的耦合 因子。线性放大器的增益G2取为包含着混合组合器32及衰减器52的损 失。

前馈信号用来修正中功率放大器IPA中的非线性。通过注明曲线20 代表修正前的IPA转移曲线，在图2中说明这一点。曲线22代表前馈修 正后的IPA转移曲线。这是放大器IPA的输出相对于输入的一种线性关 系。通过适当的调整，可完美地修正任何振幅的非线性。任何相角的非 线性会明显地修正。在该意义之下，可把相角非线性定义成通过放大器 IPA的作为输入信号电平的函数的相移。

前馈修正提供对中功率放大器IPA的修正，从而其上得到的输出信 号呈现对输入信号的实质上的线性关系。但是，这不提供任何对采取功 率放大器PA形式的输出放大器的非线性信号响应特性的补偿的修正。根 据本发明，通过中功率放大器的前馈过调补偿功率放大器PA的转移特性 中的非线性。从而把中功率放大器IPA选择成呈现和功率放大器PA相 类似的非线性信号响应特性。这样，如果功率放大器PA的转移曲线特性 类似于中功率放大器的转移曲线特性，则可以通过调整衰减器52实质性 地修正功率放大器PA的非线性信号响应特性。例如，可以把衰减器52 调整成比完美地修正中功率放大器下要少6dB的损耗。在这种情况下， 所引入的通过定向耦合器56的修正信号将是修正中功率放大器IPA所需 信号的二倍(电压基础上)。该附加的修正量是修正功率放大器PA的非 线性特性的适当指向和振幅。这可以从参见图3看出，图中示出表示修 正前中功率放大器IPA和功率放大器PA的组合转移曲线的转移曲线 60。在对中功率放大器IPA施以过调后，该组合转移曲线在图3中用曲 线62表示，它提供功率放大器PA的输出相对于中功率放大器IPA的输 入的线性响应。通过这种处理可显著地修正功率放大器PA中的相角非线 性。

尽管最好使选定的放大器IPA和功率放大器PA具有相同的非线性 信号响应特性，但是为使本处理是有效的这种匹配不是必须的。只要功 率放大器的转移曲线的形状大致类似于在其上施加前馈过调的前面的放 大器的形状就可以获得输出放大器的线性度的明显改进。可变衰减器52 和可变时间延迟器52都可调整以使该输出功率放大器的非线性或失真为 最小。例如，在单边带通信发射机中，可采用二个音调测试信号并且在 利用频谱分析仪观察结果下对延时器50和衰减器52进行调整。在HDTV 数字电视发射机中，测试信号可以是标准的八电平VSB信号。可利用谱 频分析仪观察功率放大器的输出并且对延时器50和衰减器52进行调整 以引起FCC谱频屏蔽内的相邻信道干扰。

在常规的模拟电视发射机中，例如美国采用的，包括着伴音载波(用 于共模传输)的标准NTSC信号可用带有叠加色度的斜波调制并施加到 放大器IPA和PA的组合上。可在分析仪上观察结果谱频。在这种情况 中，可在低于影象载波0.92兆赫和高于伴音载波的0.92兆赫(伴音载波 和彩色信号载波之间的差)上观察到频带外的交调成分。调整时延器50 和衰减器52使这些交调成分最小。

概言之，对例如功率放大器PA的输出放大器线性化的处理涉及下 述步骤。按被选出的放大器级呈现和要修正的下游或后面的放大器级相 类似的非线性响应特性，在多级放大器网络中选择一个较低的功率放大 器级。接着，在该较低的功率放大器级周围施加前馈修正。对小信号条 件使混合组合器32的二个输入的增益和相角匹配。这是通过调整延时器 36和定向耦合器40实现的。当在组合器32的输出端c上没有或只有极 小的输出信号时达到匹配。接着，在前馈修正信号已引入后，在某刻对 放大器IPA的输出取样本。这可以通过利用谱频分析仪观察该输出来达 到。可调整前馈回路中的增益和时延，以使功率放大器PA的输入和中功 率放大器IPA的输入线性相关。该较低的功率级得到修正。此刻，在正 常信号条件下利用谱频分析仪可检查该功率放大器的输出。接着，通过 调整延时器50和衰减器52重新调节前馈回路的增益和时延，从而以使 从功率放大器PA获得的输出实质上和施加到中功率放大器IPA的输入 成线性相关的方式过调施加到该功率放大器的输入端的信号。

下面描述图1中采用的电路的几个参数。图1中表示的示例打算用 于高清晰度电视(HDTV)中，其中中功率放大器的输入功率可以在0.01 瓦的量级上。中功率放大器的增益G1可在40,000的量级上，从而输 出功率为400瓦量级。定向耦合器30的耦合因子K1的量级可为-20dB 或者K1＝1/100。定向耦合器40的耦合因子K2的最级可以为-66dB或 者K2＝1/4,000,000。中功率级放大器IPA从输入到输出的增益可以为+ 46dB量级。放大器IPA可以是几个放大器级。

包括衰减器52和组合器32的线性放大器的增益G2可以为72dB 量级。定向耦合器56的耦合因子K3的量级可以为-6dB或K3＝1/4。 从中功率放大器IPA的输出端到功率放大器PA的输入端的损耗可以为 100瓦量级，从而功率放大器的输入量级为300瓦。功率放大器具有超过 100的增益。相继地，功率放大器的输出最级可为40,000瓦。这样， 在如此高的功率环境下在功率放大器PA的附近提供前馈修正应是相当 昂贵的。因为前馈损耗为输入信号的1/4至1/2的量级，通常不在功率放 大器级上采用这种修正。

在图1的电路中，可假定放大器34不存在。在该情况下定向耦合器 具有-20dB的增益。但是，表现出较大量级的-30至-40dB的耦合 因子的定向耦合器制造起来更容易和更便宜。这将减小施加到混合组合 器32的样本的振幅。利用设置在从耦合器30到时间延时器36的电路上 的放大器34可放大样本。该放大器具有增益K3，并应使耦合因子K1 和增益G3的乘积等于增益G1和耦合因子K2的乘积。

迄今参照图1-图3讨论的改进的前馈放大器修正涉及通过对前面 的中功率放大器IPA提供前馈过调补偿功率放大器PA的非线性信号响 应特性。如上面所讨论，这种改进的前馈修正可施加在甚至比放大器IPA 更早的低功率放大器级上。

信号源SS可包括几个中频级，并且可以通过向这些较低功率中频 放大器级中的一个或多个提供过调使用本文的前馈修正。这在下面讨论 的图4中示出。图4中和图1中的部件相对应或类似的部件用带有撇号 的类似符号标记标示。即，信号源为源SS′。图1的信号源SS可以包 括图4的信号源SS′以及图4的中频放大器IFA。请注意图1中的可变 耦合器40由图4的固定定向耦合器102代替，而振幅调整的任务是由位 于耦合器102和混合组合器32′的输入端子b之间的可变衰减器104提 供的。该电路包括一个位于定向耦合器56′和放大器IPA之间的上变频 器106。该上变频器和本机振荡器108耦合。

选择图4的中频放大器IFA，使它呈现和中功率放大器IPA及功率 放大器PA的组合相类似的非线性信号响应特性(相角和振幅)。除了注 意输出放大器现在是放大器IPA和PA的组合之外，处理和上面参照图 1、2和3描述的一样。在中频电平上的修正处理只需较小和较便宜的部 件，因为其功率等级要低得多，例如在毫瓦量级上。在设计其非线性信 号响应特性和放大器IPA及PA的组合特性相匹配的放大器IFA上存在 着大的灵活性。

在中频电平上提供前馈过调的另一个优点是可以用电子控制器控制 可变时间延迟器50′和衰减器52′。这允许利用以微处理机为基础的 系统进行调整。

现参见图5，其中图4的可变时间延迟器50′和可变衰减器52′ 分别由电子可变时间延迟器150和电子可变衰减器152代替。在不同的 运行频率下时间延迟器150和衰减器152的最佳设定可以是不同的。对 于运行频率改变的发射机这是特别有用的。时间延时器和衰减器的适当 设定存储在微处理机154的可编程存储器里。该微处理机把输入当作表 示要使用的运行频率的数字频率信息，然后提供适当的用于为选定的运 行频率调整延时器150和衰减器152的数字控制信号。这种广播发射机 可用于不同的信号调制。例如，在电视服务中，在白天可发送NTSC模 拟信号，而在晚上可发送HDTV数字信号。延时器150和衰减器152的 最佳设定存储在存储器中，并且根据对微处理机的输入控制信号或者根 据对信号特性的自动测定得到应用。

通过在多级放大器网络中选择一个前面的放大器并且对该前面的放 大器提供补偿输出放大器的非线性信号响应特性的前馈过调，使具有非 线性信号响应特性的该输出放大器线性化。