专利名称：平行式失真信号发生器及其功放应用电路的制作方法
技术领域：
本发明属于无线通信与广播领域，特别是涉及一种平行式失真信号发生器及其在射频功率放大器线性化电路中的应用电路前馈单环式线性补偿功率放大器、预失真式线性补偿功率放大器、和前馈单环-预失真混合式线性补偿功率放大器。
背景技术：
随着通信产业的迅猛发展，通信体制和相应设备的更新换代也越来越快。仅仅十几年时间，通信已经从第一代模拟通信走到了数字通信时代，从当初仅仅话音通信，发展到现在的因特网、电子邮件、多媒体等业务。据统计，到2003年，全球就拥有7亿的Internet用户和8.3亿的无线用户。这些发展无疑是在通信设备的高新技术应用下，才能得以实现。根据国际通信专家分析，通信的发展主要依靠通信硬件的开发，而通信硬件的开发，其中关键技术之一是射频功率放大器的技术提高。移动通信系统应用的日益广泛与深入，原有信道变得愈加拥挤，人们一方面不断地开始开拓更高地频段来满足要求，另一方面采取各种新的调制技术和信道复用技术来充分利用现有信道带宽，如QAM和QPSK等技术。但频谱利用率越高，对信道的信噪比要求也越高。这就要求硬件特别是射频功率放大器单元具有良好的特性，其中最重要的指标之一就是非线性度。
应用的需求促进了技术的发展，各种类型的线性化技术相继问世。常见的有前馈型(Feedforward)、反馈型(Feedback)、预失真(Predistortion)型等，它们结构不同、各具特色。特别是前馈功率放大器和预失真放大器，由于都采用开环电路形式，工作稳定性好，得到了迅速的发展。然而这两种电路在实现时，都需要一个用来补偿功率放大器非线性分量的失真信号发生器模块，而失真信号的特性很大程度上决定了这两种电路的线性化指标。传统的失真信号发生器主要由非线性元件和延迟线等部件来构成。其主要问题一方面是由于非线性与主放大器的非线性特性吻合性不佳影响了补偿效果，另一方面由于延迟线等部件的相位特性随频率、温度等条件的改变而改变，从而增加了电路的不稳定性和调试的难度。
如图2是传统的前馈双环功率放大器的原理框图，输入信号经过功分器201输出，一路信号通过可变衰减器202、可变相移器203进入主功率放大器204进行放大，另一路经过延迟线206输入到功率合成器208；主功率放大器204输出的信号经过取样耦合器205取样后，通过一个固定衰减器207到达功率合成器208的另一个输入端，与延迟线206来的输入信号进行信号相抵消，消除掉主功率放大器输出取样信号中的输入信号分量，得到代表功率放大器的失真信息的失真信号分量，并经过可变衰减器211、可变相移器212进入误差放大器213进行线性放大；放大后的失真信号通过输出耦合器210进入功率放大器的输出通道，与经过延迟线209延迟的主功率放大器的输出信号进行失真信号的相抵消，消除掉主功率放大器产生的失真信号，在功率放大器的输出端得到线性度很高的的大功率输出信号。由图2可以看出，前馈双环功率放大器包括两个基本的环路失真产生环路和失真消除环路，两环路分别完成失真的提取和失真的消除功能，以达到线性化的目的。其中失真产生环路的失真提取要通过耦合一部分的主功率放大器204的输出信号，同时还需要延迟线206来实现。这样一方面浪费了主功率放大器204的输出功率，另一方面由于延迟线206的加入造成电路的设计和调试困难。前馈双环功率放大器是在误差产生环和误差消除环共同配合来实现线性化的。即前馈双环电路的线性化性能取决于这两个环中各个信号之间的相位与幅度的平衡。在实际电路中，人们一般采用延迟线方法来实现主、副电路之间的相位平衡，由于延迟线常常随频率与温度的变化而变化，同时延迟线无法实现自适应调整，所以要实现这种相位平衡，就必须非常小心地不断调试两个延迟线电路。另外由于使用两个环路，需要大量的器件，造成系统的成本增高。因而这样的放大器电路存在的缺点是系统存在着高生产成本、电路设计调试困难和很大的研发风险。
发明内容
本发明的目的是提出一种通过平行式失真信号发生器产生非线性失真信号，此信号可用于消除功率放大器的非线性失真，进而实现功率放大器的线性化。同时本发明的目的是要进一步提出利用平行式失真信号发生器实现的前馈单环式线性补偿功率放大器、预失真式线性补偿功率放大器、前馈单环-预失真混合式线性补偿功率放大器。
本发明是这样构成的，其中，平行式失真信号发生器的特征在于包括反相分配器，由工作于线性状态的放大器A1和传输延迟线L1构成的线性支路，由工作于非线性状态的放大器A2和传输延迟线L2构成的非线性支路和同相相加器，输入信号经过反相分配器产生一路与输入信号反相，另一路与输入信号同相的两路输出信号，这两路信号又分别输入到线性支路与非线性支路，经过线性支路和非线性支路中的放大器作用后，信号相位相反而信号幅度相等的两路输出又输入到同相相加器，并经同相相加器的输出产生了非线性的失真信号。
较之已有的大功率射频信号输出装置而言，本发明的优点在于提出了一种基于平行式电路的产生失真信号的方法。采用此方法一方面使获得失真信号来补偿功率放大器的非线性失真变得简单，而且电路简单，调试方便；另一方面将使电路的成本降低达40％左右。所述的电路构成简单，方法巧妙、新颖，实现成本低廉、开发技术风险小。
应用平行式失真信号发生器的前馈单环式线性补偿功率放大器，其特征在于前馈单环式线性补偿功率放大器的信号输入端上设有功分器，该功分器的一个信号输出端经主功率放大器A1连接到输出耦合器C的一个信号输入端，功分器的另一个信号输出端经平行式失真信号发生器、误差放大器A2、可变相移电路、可变增益电路连接到输出耦合器C的另一个信号输入端；所述的误差放大器A2、可变相移电路、可变增益电路和输出耦合器C构成失真信号消除模块；输入的射频信号通过功分器分成两个支路分别输入到主功率放大器A1和平行式失真信号发生器，并进入失真信号消除模块；主功率放大器A1将输入信号功率放大后，作为主功率放大器输出信号馈送给输出耦合器C；在另一支路输入的信号先经过平行式失真信号发生器产生对应于主功率放大器的失真信号，而后该失真信号经过失真信号消除模块中的误差放大器线性放大后，通过可变相移电路和可变增益电路适当调整相位和幅度，再通过输出耦合器C耦合到主功率放大器的输出端，并与主功率放大器产生的失真信号相抵消，消除掉主功率放大器输出信号中的失真信号分量，得到高线性的大功率射频信号输出。
该方案在采用了平行式失真信号发生器后，原有的功率放大器的电路结构发生了改变，由于整个环路只有一个环路来实现失真信号的相抵消，所以本电路成为前馈单环式线性补偿功率放大器。同时原有的前馈双环功率放大器中所存在的缺点都得到了改进。
应用平行式失真信号发生器的预失真式线性补偿功率放大器，其特征在于由预失真器模块和主功率放大器连接组成，预失真器模块的输入耦合器C1的信号输出端经延时单元连接到输出耦合器C2的一个信号输入端，输入耦合器C1的信号耦合端经平行式失真信号发生器、增益相移调整网络连接到输出耦合器C2的另一个信号输入端；输入的射频信号通过预失真器模块，在预失真器模块中，输入的信号一部分经过延时单元到达输出耦合器C2的一个信号输入端，一部分通过输入耦合器C1输入到平行式失真信号发生器产生对应于主功率放大器的失真信号，而后该失真信号通过增益相移调整网络适当调整幅度和相位，通过输出耦合器C2与经过延时单元的输入信号共同输出，构成主功率放大器的输入信号；预失真器模块输出的信号与主功率放大器的特性在幅度上相等，在相位上相反；预失真器模块输出的信号经过主功率放大器，实现与主功率放大器产生的失真信号相抵消，从而消除掉主功率放大器输出信号中的失真信号分量，得到高线性的大功率射频信号输出。
该方案中，预失真线性功率放大器电路的核心在于预失真器的设计。传统的预失真器可以采用复杂的二极管桥路获得，也可以采用三极管(有源或无源应用)实现，因为三极管的基极与发射极间的电压电流特性也是非线性的。可是要想获得特性良好的预失真器，采用传统的方法一方面电路较为复杂，另一方面成本比较高。若采用本发明的平行式失真信号发生器构成预失真器，则整个电路比较简单，且易实现。
应用平行式失真信号发生器的前馈单环-预失真混合式线性补偿功率放大器，其特征在于由前馈单环模块和主功率放大器A1连接组成，前馈单环模块的信号输入端上设有功分器，该功分器的一个信号输出端经主功率放大器A1连接到输出耦合器C的一个信号输入端，功分器的另一个信号输出端经平行式失真信号发生器、误差放大器、增益相移调整网络到达输出耦合器C的信号耦合端；输出耦合器C的输出端信号经过主功率放大器A1放大后输出；输入的射频信号通过前馈单环模块，在前馈单环模块中输入的信号通过功分器分成两路，一路经过驱动放大器放大后到达输出耦合器C，另一路输入到平行式失真信号发生器产生对应于主功率放大器的失真信号，而后该失真信号通过误差放大器线性放大，再经过增益相移调整网络适当调整幅度和相位后，通过输出耦合器C与驱动放大器输出信号共同构成主功率放大器的输入信号；该前馈单环模块输出的信号与主功率放大器的特性在幅度上相等，在相位上相反；该前馈单环模块输出的信号经过主功率放大器，与主功率放大器产生的失真信号相抵消，从而消除掉主功率放大器输出信号中的失真信号分量，得到高线性的大功率射频信号输出。
该方案结合了以上两种方案的优缺点，使对功率放大器的需求同时满足增益和输出功率两个要求。它是利用平行式失真信号发生器作为失真信号的基础上，结合了前馈单环式线性补偿功率放大器的特点又结合了预失真式线性补偿功率放大器的特点的一种新型的很理想的功率放大器。
图1是本发明平行式失真信号发生器原理框图。
图2是传统的前馈双环功率放大器原理框图。
图3是本发明实施例一前馈单环式线性补偿功率放大器原理框图。
图4是预失真线性功率放大器基本框图。
图5是本发明实施例二中的预失真器电路框图。
图6是本发明实施例二预失真式线性补偿功率放大器原理框图。
图7是本发明实施例三前馈单环-预失真混合式线性功率放大器原理框图。
具体实施例方式
本发明实施例中，平行式失真信号发生器的特征在于包括反相分配器，由工作于线性状态的放大器A1和传输延迟线L1构成的线性支路，由工作于非线性状态的放大器A2和传输延迟线L2构成的非线性支路和同相相加器，输入信号经过反相分配器产生一路与输入信号反相，另一路与输入信号同相的两路输出信号，这两路信号又分别输入到线性支路与非线性支路，经过线性支路和非线性支路中的放大器作用后，信号相位相反而信号幅度相等的两路输出又输入到同相相加器，并经同相相加器的输出产生了非线性的失真信号。参照图1，输入的射频信号通过180°反相分配器101分成两路，经过反相分配器101的信号相位上就相差180°，两路信号分别通过线性支路102和非线性支路103到达同相相加器104相加输出。适当控制两个支路的主信号分量，使其幅度相等，这样两个支路的主信号分量在相位上相反，幅度上相同，且上、下支路的传输线长度相同，所以相加的结果就可实现主信号分量抵消，而最终的输出中只留下非线性失真分量。信号的传输过程采用如图1所示的双音信号来表示。
本发明实施例一为应用平行式失真信号发生器的前馈单环式线性补偿功率放大器，其特征在于前馈单环式线性补偿功率放大器的信号输入端上设有功分器，该功分器的一个信号输出端经主功率放大器A1连接到输出耦合器C的一个信号输入端，功分器的另一个信号输出端经平行式失真信号发生器、误差放大器A2、可变相移电路、可变增益电路连接到输出耦合器C的另一个信号输入端；所述的误差放大器A2、可变相移电路、可变增益电路和输出耦合器C构成失真信号消除模块；输入的射频信号通过功分器分成两个支路分别输入到主功率放大器A1和平行式失真信号发生器，并进入失真信号消除模块；主功率放大器A1将输入信号功率放大后，作为主功率放大器输出信号馈送给输出耦合器C；在另一支路输入的信号先经过平行式失真信号发生器产生对应于主功率放大器的失真信号，而后该失真信号经过失真信号消除模块中的误差放大器线性放大后，通过可变相移电路和可变增益电路适当调整相位和幅度，再通过输出耦合器C耦合到主功率放大器的输出端，并与主功率放大器产生的失真信号相抵消，消除掉主功率放大器输出信号中的失真信号分量，得到高线性的大功率射频信号输出。本实施例的基本思路是用本发明的平行式失真信号发生器取代传统的前馈双环电路中的失真产生环。如图3，输入的射频信号由功分器301分成两路信号，功分器301的一个输出端信号到达主功率放大器302，功分器301另一个输出端信号输入到平行式失真信号发生器304，得到代表主功率放大器的失真信息的失真信号分量，并经过失真信号消除模块中的误差放大器305进行线性放大，并通过可变相移电路306、可变增益电路307进行相位和幅度的调整，经调整后的失真信号通过输出耦合器303进入主功率放大器的输出通道，与主功率放大器的输出信号进行失真信号的相抵消，消除掉主功率放大器产生的失真信号，在功率放大器的输出端得到线性度很高的的大功率输出信号。由于整个环路只有一个环路来实现失真信号的相抵消，所以本电路成为前馈单环式线性补偿功率放大器。本实施例的线性化过程也可用图3中的双音信号加以表示。
本发明实施例二为应用平行式失真信号发生器的预失真式线性补偿功率放大器，其特征在于由预失真器模块和主功率放大器连接组成，预失真器模块的输入耦合器C1的信号输出端经延时单元连接到输出耦合器C2的一个信号输入端，输入耦合器C1的信号耦合端经平行式失真信号发生器、增益相移调整网络连接到输出耦合器C2的另一个信号输入端；输入的射频信号通过预失真器模块，在预失真器模块中，输入的信号一部分经过延时单元到达输出耦合器C2的一个信号输入端，一部分通过输入耦合器C1输入到平行式失真信号发生器产生对应于主功率放大器的失真信号，而后该失真信号通过增益相移调整网络适当调整幅度和相位，通过输出耦合器C2与经过延时单元的输入信号共同输出，构成主功率放大器的输入信号；预失真器模块输出的信号与主功率放大器的特性在幅度上相等，在相位上相反；预失真器模块输出的信号经过主功率放大器，实现与主功率放大器产生的失真信号相抵消，从而消除掉主功率放大器输出信号中的失真信号分量，得到高线性的大功率射频信号输出。预失真线性化技术的研究始于八十年代初期。随着数字移动通信技术的飞速发展，该技术的发展也极为迅速。预失真线性功放的结构框图，如图4所示，它在主功率放大器402的前面增加一个预失真级401。预失真级401的变换特性与主功率放大器402的信号在幅度上相等，而在相位上相反，这样由主功率放大器402产生的失真信号就可以相互抵消，从而改善功率放大器的线性。从图4可以看出，预失真线性功率放大器电路的核心在于预失真器的设计。传统的预失真器可以采用复杂的二极管桥路获得，也可以采用三极管(有源或无源应用)实现，因为三极管的基极与发射极间的电压电流特性也是非线性的。可是要想获得特性良好的预失真器，采用传统的方法一方面电路较为复杂，另一方面成本比较高。若采用本发明的平行式失真信号发生器构成预失真器，则整个电路比较简单，且易实现。图5是采用本发明的平行式失真信号发生器的预失真器的基本原理框图。图5中，输入的射频信号通过输入耦合器501分成两个支路，一路信号经过一个延时单元到达输出耦合器503，另一路信号进入平行式失真信号发生器504产生代表主功率放大器的失真信息的失真信号分量，该失真信号经过增益相移调整网络505调整后，由输出耦合器503与经过延时电路的输入信号共同构成预失真级的输出信号。该预失真信号的产生过程可用图5所示的双音信号加以表示。图6是采用上述预失真级的预失真式线性补偿功率放大器的原理框图。如图6，输入的射频信号经过预失真级601产生与主功率放大器602的失真信号特性幅度相同、相位相反的信号输入到主功率放大器602，与主功率放大器602的失真信号对消，消除掉主功率放大器产生的失真信号，在主功率放大器的输出端得到线性度很高的的大功率输出信号。本实施例的线性化过程可用图6所示的双音信号加以表示。
本发明的实施例一的前馈单环式线性补偿功率放大器固然可以使功率放大器达到线性化的目的，但这个电路对误差放大器的要求比较高。在实施例一的分析中，是在误差放大器完全线性之下的，采用实施例一的前馈单环式电路，当要对大功率放大器做较大的线性抵消时，则误差放大器就必须在较大功率情况下保持高线性，对误差放大器的选择会受到一定的限制。
本发明的实施例二的预失真式线性补偿功率放大器，与实施例一相比，可以不考虑误差放大器问题，但是对主功率放大器的要求较高。实际的需求中对功率放大器的要求通常需同时满足增益和输出功率两个要求。
结合以上两种方案的优缺点，本发明提出第三个实施例，即前馈单环-预失真混合式线性补偿功率放大器，其特征在于预失真混合式线性补偿功率放大器由前馈单环模块和主功率放大器A1连接组成，前馈单环模块的信号输入端上设有功分器，该功分器的一个信号输出端经主功率放大器A1连接到输出耦合器C的一个信号输入端，功分器的另一个信号输出端经平行式失真信号发生器、误差放大器、增益相移调整网络到达输出耦合器C的信号耦合端；输出耦合器C的输出端信号经过主功率放大器A1放大后输出；输入的射频信号通过前馈单环模块，在前馈单环模块中输入的信号通过功分器分成两路，一路经过驱动放大器放大后到达输出耦合器C，另一路输入到平行式失真信号发生器产生对应于主功率放大器的失真信号，而后该失真信号通过误差放大器线性放大，再经过增益相移调整网络适当调整幅度和相位后，通过输出耦合器C与驱动放大器输出信号共同构成主功率放大器的输入信号；该前馈单环模块输出的信号与主功率放大器的特性在幅度上相等，在相位上相反；该前馈单环模块输出的信号经过主功率放大器，与主功率放大器产生的失真信号相抵消，从而消除掉主功率放大器输出信号中的失真信号分量，得到高线性的大功率射频信号输出。
图7就是前馈单环-预失真混合式线性补偿功率放大器的原理框图。图7中，输入的信号通过前馈单环模块701输入到主功率放大器702实现主功率放大器的线性化。前馈单环模块701中，输入的信号通过功分器703分成两路，其一路信号通过驱动放大器放大后到达输出耦合器705，另一路信号输入至平行式失真信号发生器706后产生代表主功率放大器702的失真信息的失真信号分量，该失真信号经过误差放大器707线性放大后，通过增益相移调整网络708调整后，由输出耦合器705与驱动放大器704的输出信号共同构成一个经过放大了的与主功率放大器702的失真信号特性幅度相同、相位相反的预失真信号。该预失真信号输入到主功率放大器702实现与主功率放大器产生的失真信号相抵消，消除掉主功率放大器产生的失真信号，在主功率放大器的输出端得到线性度很高的的大功率输出信号。本实施例的线性化过程可用图7所示的双音信号加以表示。
权利要求
1.一种平行式失真信号发生器，其特征在于包括反相分配器，由工作于线性状态的放大器A1和传输延迟线L1构成的线性支路，由工作于非线性状态的放大器A2和传输延迟线L2构成的非线性支路和同相相加器，输入信号经过反相分配器产生一路与输入信号反相，另一路与输入信号同相的两路输出信号，这两路信号又分别输入到线性支路与非线性支路，经过线性支路和非线性支路中的放大器作用后，信号相位相反而信号幅度相等的两支路输出又输入到同相相加器，并经同相相加器的输出产生了非线性的失真信号。
2.一种应用平行式失真信号发生器的前馈单环式线性补偿功率放大器，其特征在于前馈单环式线性补偿功率放大器的信号输入端上设有功分器，该功分器的一个信号输出端经主功率放大器A1连接到输出耦合器C的一个信号输入端，功分器的另一个信号输出端经平行式失真信号发生器、误差放大器A2、可变相移电路、可变增益电路连接到输出耦合器C的另一个信号输入端；所述的误差放大器A2、可变相移电路、可变增益电路和输出耦合器C构成失真信号消除模块；输入的射频信号通过功分器分成两个支路分别输入到主功率放大器A1和平行式失真信号发生器，并进入失真信号消除模块；主功率放大器A1将输入信号功率放大后，作为主功率放大器输出信号馈送给输出耦合器C；在另一支路输入的信号先经过平行式失真信号发生器产生对应于主功率放大器的失真信号，而后该失真信号经过失真信号消除模块中的误差放大器线性放大后，通过可变相移电路和可变增益电路适当调整相位和幅度，再通过输出耦合器C耦合到主功率放大器的输出端，并与主功率放大器产生的失真信号相抵消，消除掉主功率放大器输出信号中的失真信号分量，得到高线性的大功率射频信号输出。
3.一种应用平行式失真信号发生器的预失真式线性补偿功率放大器，其特征在于由预失真器模块和主功率放大器连接组成，预失真器模块的输入耦合器C1的信号输出端经延时单元连接到输出耦合器C2的一个信号输入端，输入耦合器C1的信号耦合端经平行式失真信号发生器、增益相移调整网络连接到输出耦合器C2的另一个信号输入端；输入的射频信号通过预失真器模块，在预失真器模块中，输入的信号一部分经过延时单元到达输出耦合器C2的一个信号输入端，一部分通过输入耦合器C1输入到平行式失真信号发生器产生对应于主功率放大器的失真信号，而后该失真信号通过增益相移调整网络适当调整幅度和相位，通过输出耦合器C2与经过延时单元的输入信号共同输出，构成主功率放大器的输入信号；预失真器模块输出的信号与主功率放大器的特性在幅度上相等，在相位上相反；预失真器模块输出的信号经过主功率放大器，实现与主功率放大器产生的失真信号相抵消，从而消除掉主功率放大器输出信号中的失真信号分量，得到高线性的大功率射频信号输出。
4.一种应用平行式失真信号发生器的前馈单环-预失真混合式线性补偿功率放大器，其特征在于预失真混合式线性补偿功率放大器由前馈单环模块和主功率放大器A1连接组成，前馈单环模块的信号输入端上设有功分器，该功分器的一个信号输出端经驱动放大器连接到输出耦合器C的一个信号输入端，功分器的另一个信号输出端经平行式失真信号发生器、误差放大器、增益相移调整网络到达输出耦合器C的信号耦合端；输出耦合器C的输出端信号经过主功率放大器A1放大后输出；输入的射频信号通过前馈单环模块，在前馈单环模块中输入的信号通过功分器分成两路，一路经过驱动放大器放大后到达输出耦合器C，另一路输入到平行式失真信号发生器产生对应于主功率放大器的失真信号，而后该失真信号通过误差放大器线性放大，再经过增益相移调整网络适当调整幅度和相位后，通过输出耦合器C与驱动放大器输出信号共同构成主功率放大器的输入信号；该前馈单环模块输出的信号与主功率放大器的特性在幅度上相等，在相位上相反；该前馈单环模块输出的信号经过主功率放大器，与主功率放大器产生的失真信号相抵消，从而消除掉主功率放大器输出信号中的失真信号分量，得到高线性的大功率射频信号输出。
全文摘要
本发明涉及一种平行式失真信号发生器，及应用平行式失真信号发生器的预失真式线性补偿功率放大器、前馈单环式线性补偿功率放大器和前馈单环－预失真混合式线性补偿功率放大器。平行式失真信号发生器包括反相分配器，由工作于线性状态的放大器A1和传输延迟线L1构成的线性支路，由工作于非线性状态的放大器A2和传输延迟线L2构成的非线性支路和同相相加器，它可产生非线性失真信号，用于消除功率放大器的非线性失真，进而实现功率放大器的线性化。本发明不仅使获得失真信号来补偿功率放大器的非线性失真变得简单，电路简单，调试方便；而且将使电路的成本降低达40％左右，其构造简单，方法巧妙、新颖，成本低廉，开发技术风险小。
文档编号H03F3/20GK1571272SQ0313881
公开日2005年1月26日 申请日期2003年7月15日 优先权日2003年7月15日
发明者苏凯雄, 郭秀惠 申请人:福州大学