一种用于自适应频率补偿的前馈功率放大器

摘要

一种用于自适应频率补偿的前馈功率放大器，包括第一功分器、第一相位矢量调节器、检测频率的数字装置、主放大器、第一耦合器、延时滤波器、第一合路器、第一幅度矢量调节器、第二功分器、第二耦合器、延时器、第二合路器、第二幅度矢量调节器、第二相位矢量调节器、误差放大器、检波器和控制模块，采用第一幅度矢量调节器和第一幅度矢量调节器调节第一级抵消环路，采用第二幅度矢量调节器和第二幅度矢量调节器调节第二级抵消环路。第一级抵消环路提取输入信号频率和功率数据，主信号放大输出信号耦合一部分和输入耦合信号进行抵消，提取误差信号。第二级抵消环路中，误差信号放大后和主信号放大输出抵消，抵消掉失真信号，实现功放的线性化。

说明书

技术领域

本发明涉及移动通信领域，尤其涉及自适应前馈功率放大器。

背景技术

目前通信领域运用最多的线性化技术有数字预失真技术（DPD）和前馈技术。由于前馈技术可实现很宽的带宽，线性校准能力强，加之数字预失真技术目前不支持跳频，前馈技术依旧是多载波基站放大器功放主流的线性化技术。

如图1所示，传统的双环前馈系统的原理：信号输入后经过功分器等功率分配成两路，一路信号经主功放放大后，再经耦合器1耦合一部分信号送到合成器，另一路信号经延时线1后输入到合成器，两路信号在合成器处抵消，提取出主功放的非线性失真信号。提取出的非线性失真信号，经过误差功放放大，输入到耦合器2，耦合器1直通信号经过延时线2后输入到耦合器2，在耦合器2处合路抵消，抵消掉失真信号然后输出。理论上前馈功放就能够很好的抵消失真信号，但是随着放大器的输入频率发生变化，这时环路的幅度和相位参数就出现了失配，前馈系统信号抵消性能就会大大消弱，整个系统的线性度就急剧的恶化。为了使得前馈功率放大器实现很宽的带宽，解决前馈技术中输入不同频率时的影响，保证系统的线性和工作的稳定，必须加入自适应载波对消控制方法。已经得到很好应用的自适应方法有：导频信号检测自适应方法和最小功率检测自适应方法。

导频信号检测方法是在电路中引入一个适当功率大小的导频信号，导频信号进入前馈系统后将被看作一个参考信号而得到一定程度的抵消。如果该导频信号通过前馈环路被抵消了，那么需要抵消的信号也会被前馈环路进行最大的压缩，通过检测导频信号的大小，调节环路中矢量调节器，实现自适应调节。导频自适应存在以下缺点：首先，导频自适应方法的电路非常复杂，成本高；其次，根据导频自适应原理，导频自适应方法会引入一个额外的频率，这个频率的信号是不可能被完全抵消的，这样就会在设备中引入一个附加的杂散。

最小功率检测方法是对信号抵消环路输出功率进行能量检测，以输出功率最小为目标，自动调节矢量调节器，通过这种方式实现自适应控制。最小功率检测方法运用存在很大的局限行，其只能运用在第一环抵消环路，实现误差信号提取的自适应控制。在前馈放大器第二环抵消环路，由于前馈第二环路实现抵消后，主信号的功率将远远大于失真信号，通常大60dBC甚至更多，这样通过功率检测方法根本无法检测到误差信号的功率，因此也就无法判断抵消情况而实现自适应控制。

发明内容

本发明目的是解决前馈技术中失真信号提取环路载波对消受频率参数变化的影响，保证放大器在很宽的带宽下的线性和工作的稳定。

本发明的技术方案为一种用于自适应频率补偿的前馈功率放大器，包括第一功分器、第一相位矢量调节器、检测频率的数字装置、主放大器、第一耦合器、延时滤波器、第一合路器、第一幅度矢量调节器、第二功分器、第二耦合器、延时器、第二合路器、第二幅度矢量调节器、第二相位矢量调节器、误差放大器、检波器和控制模块，

第一功分器分别连接第一相位矢量调节器和延时器，第一相位矢量调节器、检测频率的数字装置、主放大器、第一耦合器、延时滤波器依次连接，第一耦合器的耦合信号输出经第一幅度矢量调节器输入第二功分器；第二功分器的输出分别连接检测频率的数字装置和第二合路器的一路输入，延时器连接第二合路器的另一路输入；第二合路器的输出依次连接第二耦合器、第二幅度矢量调节器、第二相位矢量调节器、误差放大器，第二耦合器的耦合信号输出接入检波器；延时滤波器和误差放大器连接第一合路器；控制模块与检测频率的数字装置、第一相位矢量调节器、第二相位矢量调节器、第一幅度矢量调节器、第二幅度矢量调节器和检波器分别连接。

而且，采用第一幅度矢量调节器和第一幅度矢量调节器调节第一级抵消环路，采用第二幅度矢量调节器和第二幅度矢量调节器调节第二级抵消环路，所述第一级抵消环路包括第一功分器、主放大器、第一耦合器、第二功分器、延时器和第二合路器，所述第二级抵消环路包括第二耦合器、误差放大器和第一合路器构成第二级抵消环路；

移动通信信号进入后，先通过第一功分器，第一功分器将输入的移动通信信号分成两部分，其中一部分信号记为A1，信号A1经过第一相位矢量调节器，输入至检测频率的数字装置进行处理，处理后信号输入到主放大器，经主放大器放大后通过第一耦合器，第一耦合器的直通信号经过延时滤波器进入第一合路器；第一耦合器产生的耦合信号经过第一幅度矢量调节器后，经第二功分器分为两部分，一部分信号记为B1，信号B1反馈给检测频率的数字装置，另一部分信号记为B2，信号B2进入第二合路器；

第一功分器输出的另一路信号记为A2，信号A2经过延时器延时后进入第二合路器，两路信号A2和B2在第二合路器处互相抵消；第二合路器输出信号进入第二耦合器，第二耦合器产生的耦合信号输入检波器；控制模块根据检波器所得检测值大小调节第一幅度矢量调节器和第一相位矢量调节器，使得第二合路器输出信号总功率最小，提取出失真信号；失真信号经第二耦合器输出的直通信号经过第二幅度矢量调节器、第二相位矢量调节器调整，然后经过误差放大器放大后进入第一合路器；进入第一合路器的两路信号在第一合路器处完成抵消，得到合路后信号即为线性度很高的射频放大信号。

而且，控制模块中预置第二相位矢量调节器和第二幅度矢量调节器对应频率的设置表，控制模块根据反馈给检测频率的数字装置的信号B1，调节第二相位矢量调节器和第二幅度矢量调节器。

和现有技术相比，本发明具有如下优点：首先，本发明克服了传统导频信号检测法电路复杂的缺点，电路简单、易实现，而且成本低。其次，解决了最小功率检测自适应无法应用在第二环的弊端。再次，不会引入新的失真频率，线性化抵消能力更强。最后，依据预先内置的失真提取信号幅度、相位与输入频率的映射关系，检测到输入信号后，将失真提取信号的幅度和误差设置到最佳状态，从而解决了误差放大器在设备带宽内不同频率的线性度不一致的问题，增大了前馈功放的带宽，且实现了线性化补偿全带宽内的一致性。

附图说明

图1为传统的双级前馈功率放大器原理框图。

图2为本发明实施例所提供使用了电流检测自适应方法的前馈功率放大器原理框图。

具体实施方式   

本发明提出的前馈功率放大器可实现自适应频率补偿，前馈功率放大器的误差矢量调节器跟随输入载波信号的频率的变化来自动调节失真提取信号的幅度和相位，从而使失真提取信号在失真信号抵消环路中始终处于最佳的抵消状态，从而使前馈功放的线性度达到最优。

以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

请参阅图2，本发明具体包括：第一功分器、第一相位矢量调节器、检测频率的数字装置、主放大器、第一耦合器、延时滤波器、第一合路器、第一幅度矢量调节器、第二功分器、第二耦合器、延时器、第二合路器、第二幅度矢量调节器、第二相位矢量调节器、误差放大器、检波器、控制模块。

第一功分器分别连接第一相位矢量调节器和延时器，第一相位矢量调节器、检测频率的数字装置、主放大器、第一耦合器、延时滤波器依次连接，第一耦合器的耦合信号输出经第一幅度矢量调节器输入第二功分器；第二功分器的输出分别连接检测频率的数字装置和第二合路器的一路输入，延时器连接第二合路器的另一路输入；第二合路器的输出依次连接第二耦合器、第二幅度矢量调节器、第二相位矢量调节器、误差放大器，第二耦合器的耦合信号输出接入检波器；延时滤波器和误差放大器连接第一合路器。控制模块与检测频率的数字装置、第一相位矢量调节器、第二相位矢量调节器、第一幅度矢量调节器、第二幅度矢量调节器和检波器分别连接。其中，主要由第一功分器、主放大器、第一耦合器、第二功分器、延时器和第二合路器构成第一级抵消环路，主要由延时滤波器、第二耦合器、误差放大器和第一合路器构成第二级抵消环路。

工作原理：移动通信信号（RFin）进入实施例所提供功率放大器后，先通过第一功分器，第一功分器将输入信号分成两部分，其中一部分信号记为A1，信号A1经过第一相位矢量调节器，输入至检测频率的数字装置进行处理，处理后信号输入到主放大器，经主放大器放大后，通过第一耦合器，第一耦合器的直通信号经过延时滤波器进入第一合路器。第一耦合器产生的耦合信号经过第一幅度矢量调节器，调整幅度后经过第二功分器分为两部分，一部分信号记为B1，信号B1反馈给检测频率的数字装置，另一部分信号记为B2，信号B2进入第二合路器。第一功分器输出的另一路信号记为A2，信号A2经过延时器延时后进入第二合路器，两路信号A2和B2在第二合路器处互相抵消。第二合路器输出信号进入第二耦合器，第二耦合器产生的耦合信号输入检波器用于功率检测。控制模块根据检波器检测值大小，自动调节第一幅度矢量调节器和第一相位矢量调节器，使得第二合路器输出信号总功率最小，即主音信号被抵消，提取出失真信号。此失真提取信号经第二耦合器输出的直通信号经过第二幅度矢量调节器、第二相位矢量调节器进行幅度和相位的调整，然后经过误差放大器放大后、进入第一合路器。进入第一合路器的两路信号在第一合路器处完成抵消，得到合路后信号即为线性度很高的射频放大信号（RFout）。

为便于实施参考起见，提供实施例的放大器具体实现说明如下：

检测频率的数字装置，此模块功能是能实时检测输入信号的频率与功率大小，此数据传输给控制模块，可用于第二环路的失真提取信号的幅度与相位调制；

主放大器，包括级联的至少三级功放管，对输入的信号进行放大，功率放大器的输出功率就是通过主放大器放大输出，会产生非线性失真分量；

误差放大器，包括级联的至少四级功放管，对提取的失真信号进行放大；

第一耦合器，从主放大器输出射频信号中耦合一路射频信号；

第二耦合器，从第二合路器后输出射频信号中耦合一路射频信号；

第一合路器，从误差放大器输出信号中耦合一部分和延时滤波器输出信号功率合成，抵消掉主放大器输出信号中含有的失真信号；

第二合路器，第一耦合器产生的耦合信号经过延时电路后和第二耦合器产生的耦合信号在合路器处功率合成，抵消掉载波信号，提取出失真信号；

第一功分器，将输入信号分成两路信号，一路用于放大，另一路用于载波对消；

第二功分器，将第一耦合器的耦合信号分成两路信号，一路用于反馈给检测频率的数字装置做频率检测和功率检测处理；

延时器，为第一功分器产生的一路信号提供一定的时延；

延时滤波器，为主放大器的输出提供一定的时延；

第一相位矢量调节器，调节第一级抵消环路中输出放大信号的相位；第一幅度矢量调节器，调节第一级抵消环路中耦合信号的幅度；

第二相位矢量调节器，调节第二级抵消环路中输出放大信号的相位； 

第二幅度矢量调节器，调节第二级抵消环路中耦合信号的幅度； 

检波器，检测失真信号预放大后的功率大小；

控制模块，监控检波电路的功率值，并根据检测频率的数字装置上报的频率，自动调节相位矢量调节器和幅度矢量调节器。

以上各部件可采用现有技术已有电路器件实现，检测频率的数字装置和控制模块可由本领域技术人员自行根据需要采用软件方式预先设置工作方式。

具体进行频率补偿自适应时，第一级抵消环路的调节可根据现有技术实现，第二级抵消环路的调节可依据失真提取信号幅度、相位与输入频率的映射关系，在控制模块内部初始化一个预置表，此预置表格用于对应不同输入信号频率下，设置失真提取信号的幅度与相位。此表可通过预先经环路测试，在不同频率的输入信号下，调试第二相位矢量调节器和第二幅度矢量调节器，统计输出信号的线性度，记录线性度最好时第二相位矢量调节器和第二幅度矢量调节器的设置值，然后对应此时的信号频率制成表格预置在控制模块中。正常工作时，检测频率的数字装置上报输入信号频率数据，即可直接查表设置第二相位矢量调节器和第二幅度矢量调节器，初始化失真提取信号的幅度与相位，快速的完成第二环路的自适应设置。

为便于实施参考起见，以下介绍本发明实施例所提供放大器工作时的详细处理步骤，上电初始化时按照以下步骤顺序执行一遍，然后进入自适应循环调节阶段：

步骤1：射频信号进入实施例所提供功率放大器后，先进入第一功分器。这些信号可以是GSM、CDMA、WCDMA等等现有制式不同频段的信号；

步骤2：射频信号经过步骤1处理后，被分为两路信号，一路为待放大信号（信号A1），一路为提取信号（信号A2）。功分器功率分配视具体情况而定，通常可视为等功率分配。提取信号此时功率很小，只含有输入载波信号，不含有非线性失真信号。

步骤3：步骤2中的待放大信号A1，经过第一相位矢量调节器后，可调节此信号的相位。，第一相位矢量调节器的初始值预置在控制模块中，上电初始化时按初始值进行调节，后续可自动调节。

步骤4：步骤2中的提取信号A2，进入延时器，延时器产生的时延，理论上应等于待放大信号A1经过检测频率的数字装置、主放大器、第一耦合器、第一幅度矢量调节器、第二功放器后进入第二合路器时所产生的时延。

步骤5：步骤3中可调节相位的信号，进入检测频率的数字装置，进行数字处理提取输入信号的大小以及频率信息，提取所得数据传输给控制模块用于自适应数据处理，具体提取方式为现有技术，本发明不予赘述。

步骤6：经步骤5中处理的信号，经过主放大器放大后输出，其输出信号中产生了失真信号。

步骤7：步骤6中的输出信号，通过第一耦合器耦合，产生两路信号，分别为直通信号和耦合信号。直通信号衰减很小，耦合度通常大于30dB。

步骤8：步骤7中的直通信号，经过延时滤波器延时后所得延时信号进入第一合路器，此处延时滤波器产生的时延，理论上等于步骤7中的耦合信号经过第一幅度矢量调节器、第二功分器、第二合路器、第二耦合器、第二幅度矢量调节器、第二相位矢量调节器、误差放大器后所产生的时延。

步骤9：步骤7中产生的耦合信号，经过第一幅度矢量调节器，进行调幅处理，第一幅度矢量调节器直接由控制模块控制，上电初始化时按初始值进行调节，后续可自动调节。

步骤10：步骤9中经第一幅度矢量调节器处理的信号，经过第二功分器，被分成两路信号，一路信号（信号B1）用于反馈，一路信号（信号B2）用于合路。此处通常为等功率分配。

步骤11：步骤10中的用于反馈的信号B1，输入检测频率的数字装置，检测频率的数字装置使用此信号B1与步骤3中的输入信号A1比较，产生输入信号A1的大小及频率数据，传输给控制模块。具体实现可采用现有技术，例如检测频率的数字装置采用Scintera 公司的SC1887芯片。其中，可预设检测频率的数字装置的传输间隔，例如设置检测频率的数字装置间隔20MS时上告控制模块输出信号的大小和频率信息。

步骤12：步骤10中的用于合路的信号B2，进入第二合路器，与步骤4中延时器产生的时延信号合路，两路信号互相抵消，提取出失真信号。

步骤13，步骤12中抵消后输出的失真信号通过第二耦合器，产生两路信号分别为直通信号和耦合信号。此处耦合度设计为10dB。

步骤14：步骤13中的直通信号，经过第二幅度矢量调节器，进行调幅处理，得到第二幅度矢量调节器直接由控制模块控制，可自动调节。

步骤15：步骤14中的调幅信号，经过第二相位矢量调节器，进行调相处理，第二相位矢量调节器直接由控制模块控制，可自动调节。具体实施时，控制模块根据步骤11中检测频率的数字装置上告的信号大小及频率数据，查内置的第二幅度矢量调节器和第二相位矢量调节器预置表，将第二幅度矢量调节器和第二相位矢量调节器设置到对应的状态，

步骤16：步骤15中的经过调幅调相的信号，经过误差放大器进行放大，此处信号功率较小，误差放大器的线性远好于主放大器，产生的失真信号可忽略不记。

步骤17：步骤16中的经过放大的信号，进入第一合路器，与步骤8中产生的延时信号合路，抵消掉延时信号中的失真分量，提高其线性度。合路后信号即为线性度很高的射频放大信号。

自适应循环调节阶段持续进行，具体调节实现如下：

（1）对第二耦合器的耦合信号（参见步骤13），通过检波器检测其大小，输出与功率大小对应的电压值给控制模块处理。

（2）控制模块根据检测频率的数字装置当前上告的信号大小及频率数据（参见检测步骤11），查内置的第二幅度矢量调节器和第二相位矢量调节器预置表，将第二幅度矢量调节器和第二相位矢量调节器设置到对应的状态。

（3）控制模块以检波器检测电压最小为目的，自动设置第一幅度矢量调节器和第一相位矢量调节器，以对应不同的抵消情况，具体实现方式为现有技术。控制模块调节第一幅度矢量调节器和第一相位矢量调节器会改变第二合路器的抵消情况（参见步骤12），使合路输出的功率变化，从而导致耦合信号功率（参见步骤13）变化，从而导致检波器检测电压变化。

（4）当输入信号频率变化时，检测频率的数字装置会检测到变化并传给控制模块，此时控制模块返回（1），经过循环自适应调节保持检波器检测电压调节到最小。

当检波器功率检测调节到最小时，载波信号会被抵消到最小，失真信号提取越纯净，最后第一合路器的抵消效果越好。

上述自适应的调节，自动、实时设置以功率检测最小为目的，保证了载波对消始终保持对消最好，去除了环境和温度参数变化的影响。而且当输入信号频率变化时，可通过预置的第二幅度矢量调节器和第二相位矢量调节器设置表，将第一合路器处的失真信号对消调节至最佳状态，然后再自动、实时设置以保证第二合路器处载波信号对消至最佳状态。因此实现了对两处合路对消的自适应控制，提高了对消精度，并增大了对消频率带宽，保证了设备全带宽线性化补偿的一致性。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。