CN104221282A - 应用于整形表以提高包络跟踪放大器的功率放大器效率的振幅因数减小 - Google Patents
应用于整形表以提高包络跟踪放大器的功率放大器效率的振幅因数减小 Download PDFInfo
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Abstract
公开了一种控制通向包络跟踪放大级的包络调制电源的输入的方法，所述方法包括：产生代表将放大的信号的包络的包络信号；向所述包络信号应用整形函数，以产生整形包络信号，包括将高输入包络值处的整形包络信号削波；将所述整形包络信号作为输入信号提供到所述包络调制电源。
Description
技术领域
本发明涉及用于实现非恒定包络信号的有效率放大的技术。本发明特别地涉及使用包络跟踪电源进行放大，包含了用于将包络信号整形的整形函数。
本发明特别地(但非排他地)涉及射频(RF)信号的放大。
背景技术
许多现代通信系统通常使用非恒定包络调制技术来实现高频谱效率。为了避免频谱扩展到相邻的通信信道，需要高线性射频(RF)放大。传统的固定偏压放大器仅能通过“回退”(backing off)放大器实现所需的线性，使得它在远低于其峰值功率能力的功率下正常操作。遗憾的是，该区域中的DC-RF功率转换效率非常低。因此，这些设计耗散了相当多的热并且当用于便携式应用时缩短了电池寿命。
例如，电池寿命最大化在移动无线设备中是极为重要的。根据大多数高频谱效率通信标准，移动发送器大部分时间以比最大功率小得多的功率操作。这样的原因有两个。首先，一般使用功率控制将平均发送功率减小至进行可靠通信所需的最小水平，其次，大多数新兴调制方案具有高峰值-平均功率比。因此，功率放大器重要的是在显著低于最大值的功率下保持高效率，其中，功率放大器大多数时间在此功率下操作。
用于增大放大器效率的已知技术(“包络跟踪”(ET))使用电源调制器将电源电压调制成基本上与输入RF信号的包络一致。为了实现最高整体效率，电源调制器本身的效率必须高，从而需要将开关模式的DC-DC转换器用于调制器。电源调制器的设计对于放大器的系统性能是至关重要的。除了实现好效率之外，调制器必须还表现出在现代通信应用中有用的高带宽、高线性和低噪声，这些现代通信应用通常使用高带宽CDMA或OFDM调制方案并且还要求高调制精度。
改进的线性方法使用包络电压实现电压映射(或整形)功能以实现来自RF放大器的恒定增益，从而减少对预失真或反馈的需要。包络电压和电源电压之间的映射(或整形)函数可以使用连续函数，在所述连续函数中，可以根据电源电压的知识唯一地推导出包络电压。
本发明的目的是提供一种改进的包络跟踪功率放大器布置，在该布置中，使用整形函数将提供给调制电源的包络信号整形。
发明内容
根据本发明，提供了一种控制通向包络跟踪放大级的包络调制电源的输入的方法，所述方法包括以下步骤：产生代表将放大的信号的包络的包络信号；向所述包络信号应用整形函数，以产生整形包络信号，此步骤包括：将高输入包络值处的整形包络信号削波；将整形包络信号作为输入信号提供到所述包络调制电源。
将削波引入整形包络的步骤优选地导致放大器输出信号的振幅因数(crest factor)减小。将削波引入整形包络的步骤优选地导致增大的平均功率和增大的功率放大器效率。
所述方法还可包括调节削波的尖锐度。
所述整形包络信号的削波电平可依赖于平均发送器功率进行调节。
当发送器平均功率减小时，所述整形包络信号的削波电平可减小。
将削波引入整形包络的步骤可包括缩放通向整形表的输入和/或来自整形表的输出。
将削波引入整形包络的步骤可包括用经修改的整形函数替换现有的整形函数。
本发明还提供了一种控制包括包络调制电源的包络跟踪放大级的方法，所述方法包括以下步骤：确定将应用于包络信号的削波电平、作为将所述包络信号整形的部分，用于控制所述包络调制电源。
所述方法还可包括确定所述削波电平的尖锐度。
所述削波电平可是在不超过频率失真要求的情况下能应用的最低可能削波电平。
本发明还提供了一种包括包络调制电源和放大器的包络跟踪放大级，所述包络跟踪放大级包括：整形表，其用于向代表将放大的信号的包络的信号应用整形函数以产生整形包络信号，其中，所述整形表适于将高输入包络值处的整形包络信号削波。
根据权利要求12所述的包络跟踪放大级，其中将削波引入整形包络导致放大器输出信号的振幅因数减小。
将削波引入整形包络优选地导致增大的平均功率和增大的功率放大器效率。
所述整形表还可适于调节削波的尖锐度。
所述整形表可适于依赖于平均发送器功率调节所述整形包络信号的削波电平。
所述整形表可适于当发送器平均功率减小时调节所述整形包络信号的削波电平。
所述包络跟踪放大级还可包括用于将所述整形表的输入和/或输出削波的缩放块。
所述包络跟踪放大级可适于用经修改的整形函数替换现有的整形函数。
附图说明
现在，通过参照附图描述本发明，在附图中：
图1示出其中可以实现根据本发明及其实施方式的改进的示例性放大系统；
图2(a)和图2(b)示出示例性线性和非线性放大器的输入功率-输出功率的图线；
图3(a)至图3(c)示出示例性信号的频谱特性；
图4(a)和图4(b)示出示例性放大器的效率-输出功率的图线和信号概率密度函数；
图5示出示例性整形函数；
图6示出其中实现了本发明的示例性包络跟踪功率放大器的增益；
图7示出根据示例实施方式的图1的放大系统的变形形式；
图8示出本发明的整形函数在满功率和回退功率下的比较；
图9示出其中实现了本发明的在回退功率下操作的示例性包络跟踪功率放大器的概率密度函数。
具体实施方式
现在，将参照示例性布置以示例方式描述本发明。本发明不限于任何所述布置的细节，除非明确陈述。示例性布置的一些方面可以按不同组合实现，凭借出于说明本发明目的的示例性组合的陈述，本发明不限于特征的特定组合。
图1示出其中可以实现根据本发明的实施方式的改进的示例性包络跟踪射频(RF)功率放大器系统100。包络跟踪功率放大器系统100包括功率放大器102、上变频器104、包络检测器106、整形表108、包络调制电源110。
线112上的输入I/Q信号形成通向上变频器104的输入，上变频器104产生线122上的针对RF功率放大器RF输入信号。用PIN表示输入I/Q信号的瞬时功率。线112上的输入I/Q信号也形成通向包络检测器106的输入，包络检测器106在其输出处在线116上产生代表输入I/Q信号的包络的包络信号。如图1的布置中所示，包络检测器106另外地可以产生通向整形表108的线107上的控制信号。在替代布置中，可以直接从基带处理电路(未示出)提供这个用于整形表的控制信号。线116上的包络信号被作为输入提供到整形表108。线118上的整形表的输出向包络调制电源提供输入，包络调制电源依赖于其上在线120上向RF功率放大器提供电源电压。RF功率放大器在其输出处在线114上产生放大后的RF输出信号。用POUT表示RF输出信号的瞬时功率。
上变频器104将线112上的输入I/Q信号转换成RF信号用于放大。包络检测器接收线112上的I/Q信号，在其输出处产生代表输入信号的包络的包络信号，即，提供代表包络信号的幅值的信号。
包络调制电源110的实现在本发明的范围之外，本领域的技术人员应该理解，可用多种方式实现包络调制电源110。通常，包络调制电源110包括开关电压源，在该开关电压源中，可以依赖于通过整形表提供的包络信号的瞬时幅值，选择多个电源电压中的一个。在有效率的放大方案中，可以接着进一步调节所选择的电源电压，以在被作为电源电压提供到RF功率放大器之前提供瞬时包络信号的更准确呈现。本发明不限于包络调制电源的任何特定实现。
功率放大器102可以被实现为单级或多级放大器。
整形表108是用于将包络信号整形的功能块，并且向线116上的包络信号应用整形函数，以提供线118上的整形包络信号。所应用的整形函数是由在线107上从包络检测器接收的(在附图的示例性布置中)控制信号确定的。控制信号可以确定多个整形函数之中的哪个整形函数应用于包络信号。控制信号可以仅仅是代表线112上的I/Q输入信号的平均功率的信号。包络信号的整形影响功率放大器102的效率和线性。
放大级100的特征在于预操作阶段，预操作阶段针对给定输入(I/Q)信号电平确定最优瞬时电源电压电平，以便满足特定系统目标。
放大级100的这个特征会需要放大级的多个功率扫描。这个特征可包括测量各种功率放大器参数，包括电源电压、偏置电压、RF增益、RF相位、电源电流、RF输入功率和RF输出功率。
通常，测量确定特定性能特性或目的必需的装置参数。如果例如期望的是优化放大级的增益，则针对不同的输入(包络)信号和电源电压组合，测量确定增益必需的那些参数。
因此，可在表征过程之后建立用于给定放大级的测量数据库。可基于瞬时输入参数和对整形函数的选择，使用所得的测量数据库来预测装置的操作系统性能。在使用时，依赖于通向放大器的输入信号的特性(诸如，通向放大器的输入信号的平均功率)，询问在表征操作中得到的数据，以确定将应用于输入信号的最佳整形函数，从而确保通向包络调制电源的整形包络信号最优地满足所决定的性能特性。
放大器级的表征可按多种方式执行，本发明不限于具体的表征技术。最便利地，可使用自动化测试设备执行表征。
图2(a)示出线性放大器的瞬时输出功率POUT-瞬时输入功率PIN的图线202。图2(a)还示出通向放大器的输入信号的概率密度函数的图线204。在这种线性放大器中，输入信号的振幅因数PIN(PK)/PIN(AV)(即，峰值输入功率与平均输入功率之比)和输出信号的振幅因数POUT(PK)/POUT(AV)(即，峰值输出功率与平均输出功率之比)是相同的。
图2(b)示出在高功率下表现出压缩的放大器的瞬时输出功率POUT-瞬时输入功率PIN的图线206。输出信号的振幅因数POUT(PK)/POUT(AV)此时小于输入信号的振幅因数PIN(PK)/PIN(AV)。非线性放大器因此减小了输入信号相对于线性放大器布置的振幅因数，这样可以被视为实现了振幅因数减小(CFR)。
可如下地理解术语“压缩”。如图2(b)中所示，一旦输出功率达到水平POUT(PK)/，即使输入功率上升，输出功率也不再上升，于是放大器压缩。在放大器的压缩操作区域中，放大器的输出功率取决于电源电压。在放大器的线性操作区域中，依赖于通向放大器的输入功率。
上述原理应用于任何放大器系统，包括传统固定电源放大器以及包络跟踪放大器。在固定电源放大器的情况下，主要通过放大器技术的基础特性(例如，CMOS、双极性等)确定压缩特性，放大器设计者影响压缩特性形状的范围受到限制。
对于根据本发明的包络跟踪放大器，通过表征装置得到的数据用于推导整形函数，该整形函数在高瞬时输出功率处施加受控的振幅压缩。
相比于固定电源放大器，包络跟踪放大器的压缩特性的形状可直接受包络整形表控制，并且可以被视为“可软编程的”。例如，可选择整形表值，以实现恒定放大器增益，或者在高功率下实现增益压缩。
因为压缩特性的形状是“可编程的”，所以所得的功率放大器失真的频域特性也可受到控制。
为了说明这些考虑，图3(a)示出理想线性放大器的频谱特性。图3(b)示出具有软压缩特性的放大器的频谱特性，图3(c)示出具有硬压缩特性的放大器的频谱特性。软压缩导致接近RF载波的低级失真，而硬压缩将失真在更宽的带宽上扩展。
通过软削波实现软压缩并且通过硬削波实现硬压缩。用图5的迹线216指示PA电源电压的削波电平。一旦达到削波电平，整形函数214对于输入功率上升不会表现出电源电压进一步上升。在软削波的情况下，从中等功率下的整形函数的未削波区域到高功率下的整形函数的削波区域的转变是逐渐的。在硬削波的情况下，这种转变是突然的。
借助整形表控制频域失真特性的能力是有价值的，因为允许控制关键系统参数(诸如，调整的发送发射要求)和效率之间的权衡。这样允许通过使用振幅因数减小增大放大器的效率。可以将振幅因数减小的量和削波特性的形状优化，以最大化与仍然满足发送器频谱发射要求相称的效率。
现在，参照图4(a)和图4(b)说明效率与峰值-平均功率比(PARA)的相关性。
图4(a)和图4(b)中用参考标号211表示的迹线表示在各个固定电源电压下RF放大器的效率-输出功率。图4(a)和图4(b)中的迹线210表示其中电源电压动态地跟踪瞬时RF功率的包络跟踪RF放大器的效率-输出功率。
图4(a)的迹线212示出典型3G/4G波形的概率密度。在图4(a)中，已经选择整形表的值以实现线性振幅响应。没有出现削波，信号的振幅因数是PPK/PAVG1。
在图4(b)中，已经选择整形表的值，以便故意地引入软削波。用迹线213示出输出的概率密度函数。图4(b)的放大器的峰值功率与图4(a)的放大器的峰值功率相同，但峰值出现得更频繁。图4(b)的放大器的平均功率PAVG2高于图4(a)的放大器的平均功率PAVG1，因此振幅因数PPK/PAVG1减小。
可看出图4(b)的放大器的平均效率EAVG2高于图4(a)的放大器的平均效率EAVG1。
图5示出将输入功率映射到功率放大器电源电压的示例性整形函数214。示出削波电平216，削波电平216代表与诸如以上图2(b)的布置关联的削波，从而提供图3(b)或图3(c)的频谱特性，以实现振幅因数减小。在图6中示出所得的功率放大器AM/AM(增益)特性。
因此，根据本发明，可通过选择合适的整形表值来实现振幅因数减小。在实现振幅因数减小的过程中，可以使用软削波或硬削波。装置的表征可包括变化削波的电平(即，振幅因数减小的程度)以及削波的尖锐度(软/硬)，以确定可得到的最低可能振幅因数减小(为了增大平均功率)经受仍然与关于频域中的频谱失真的调整要求相符。
此外，已经示出，使用整形表实现振幅因数减小提高了功率放大器效率。
根据本发明，使用功率放大器表征数据库确定最优整形函数，以满足所需的系统目标。通过减小振幅因数，不可避免地引入受控且蓄意量的失真。这是可接受的，坚持提供的调整限制。调整限制可确定可应用振幅因数减小的程度。
还可任选地使用整形表将振幅因数减小应用于从最大功率回退的信号。这可通过直接替换整形表值或者通过将整形表的输入和/或输出乘以比例因子来实现，如图7中示出的示例性实施方式中所示的。在这个实施方式中，查找表中的值没有改变并且通过整形控制块113将线107上的平均输入映射到线117和121上的查找表111输入和输出比例因子m1和m2。比例因子m1和m2用于控制缩放通向查找表111的输入和来自查找表111的输出的乘法器115和119。
在替代布置中，整形表108的值可直接依赖于线107上的信号所指示的平均输入功率进行更新。根据PA特性数据库确定经修订的整形表值。
图8示出原始整形函数214和经修订整形函数219。经修订整形函数在较低功率电平下引入软削波并且还可任选地降低施加的最小功率放大器电压。经修订整形函数提高了功率放大器和电源调制器的回退效率，同时仍然允许功率放大器与调整的发送频谱发射限制相符。
图9的迹线220表示其中使用经修订的整形函数(例如，图8的219)的包络跟踪功率放大器的概率密度函数。
本发明可用任何包络跟踪放大器架构来实现。这种架构可见于移动通信系统、无线基础设施发送器、TV发送器或移动电话装置(手机)。
本文中已经通过参照特定示例和实施方式描述了本发明，这些示例和实施方式用于理解本发明并且理解本发明的优选实现方式。然而，本发明不限于任何给定实施方式的详情，也不限于相互排他的任何实施方式的细节。本发明的范围由所附权利要求书限定。
Claims (19)
1.一种控制通向包络跟踪放大级的包络调制电源的输入的方法，所述方法包括以下步骤：
a.产生代表将放大的信号的包络的包络信号；
b.向所述包络信号应用整形函数，以产生整形包络信号，此步骤包括：
i.将高输入包络值处的整形包络信号削波；
c.将整形包络信号作为输入信号提供到所述包络调制电源。
2.根据权利要求1所述的方法，其中将削波引入整形包络的步骤导致放大器输出信号的振幅因数减小。
3.根据权利要求2所述的方法，其中将削波引入整形包络的步骤导致增大的平均功率和增大的功率放大器效率。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，所述方法还包括调节削波的尖锐度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述整形包络信号的削波电平依赖于平均发送器功率进行调节。
6.根据权利要求1所述的方法，其中当发送器平均功率减小时，所述整形包络信号的削波电平减小。
7.根据权利要求5和6中的任一项所述的方法，其中将削波引入整形包络的步骤包括缩放通向整形表的输入和/或来自整形表的输出。
8.根据权利要求5和6中的任一项所述的方法，其中将削波引入整形包络的步骤包括用经修改的整形函数替换现有的整形函数。
9.一种控制包括包络调制电源的包络跟踪放大级的方法，所述方法包括以下步骤：
a.确定将应用于包络信号的削波电平、作为将所述包络信号整形的部分，用于控制所述包络调制电源。
10.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括确定所述削波电平的尖锐度。
11.根据权利要求9或权利要求10所述的方法，其中所述削波电平是在不超过频率失真要求的情况下能应用的最低可能削波电平。
12.一种包括包络调制电源和放大器的包络跟踪放大级，所述包络跟踪放大级包括：
a.整形表，其用于向代表将放大的信号的包络的信号应用整形函数以产生整形包络信号，其中，所述整形表适于将高输入包络值处的整形包络信号削波。
13.根据权利要求12所述的包络跟踪放大级，其中将削波引入整形包络导致放大器输出信号的振幅因数减小。
14.根据权利要求13所述的包络跟踪放大级，其中将削波引入整形包络导致增大的平均功率和增大的功率放大器效率。
15.根据权利要求12至14中的任一项所述的包络跟踪放大级，其中所述整形表还适于调节削波的尖锐度。
16.根据权利要求15所述的包络跟踪放大级，其中所述整形表适于依赖于平均发送器功率调节所述整形包络信号的削波电平。
17.根据权利要求15所述的包络跟踪放大级，其中所述整形表适于当发送器平均功率减小时调节所述整形包络信号的削波电平。
18.根据权利要求16和17中的任一项所述的包络跟踪放大级，所述包络跟踪放大级还包括用于将所述整形表的输入和/或输出削波的缩放块。
19.根据权利要求16和17中的任一项所述的包络跟踪放大级，所述包络跟踪放大级适于用经修改的整形函数替换现有的整形函数。
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20160930 Address after: American California Applicant after: Snaptrack, Inc. Address before: cambridge Applicant before: Nujira Ltd. |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170308 Termination date: 20190116 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |