专利名称：使用在线非平衡放大器的预失真电路的制作方法
技术领域：
本发明属于预失真电路领域，所述预失真电路用来补偿和校正非线性信号处理器件的失真。更具体地说，本发明是一个独创的电路，用来减少对传输视频信号的光信号进行光调制时的二阶失真。
以这种方式，信息可以被编码到所发射的激光脉冲里，并在光信号被光检测器检测到时解码成原始信息。这样的光信号可以携带大量的数据，是传输视频信号(如模拟和数字的有线电视信号)的极好媒介。
把信息编码到光信号上去的一种方法是改变(或调制)光脉冲的密度。接收光检测器输出信号的电路可以把所传输的数据解码成可用的形式。这种方法称为幅度调制。由于激光器的非线性会产生失真信号，这些失真信号会干扰原始的信号。
由信号处理器件的非线性导致的信号处理中的畸变问题并不限于这儿的激光器发射光信号的例子。处理由非线性引起失真的困难在很多信号处理情况下都会出现。比如，象放大电信号的放大器这样基本的电路单元可能是非线性的，在一些情况下会使处理后的信号失真。
在前面的例子里，为了传输激光数据信号，人们通常选用分布式的反馈激光器(DFB激光器)。DFB激光器的性能主要受二阶失真的限制。特别地，一个用作光信号源的激光器产生的光调制深度(OMD)是受限于二阶失真的。这一点非常重要，因为OMD决定了所传输信号的质量。
例如，用一个光信号来传输视频信号，此视频信号使用调幅的载频信号。在这样一个信号中，定义信号清晰度的载波噪声比是与OMD的平方成正比的。这样，使用某些方法来降低二阶失真就会帮助增加光调制深度，显著提高传输的动态范围。在视频传输末端得到的是一幅优良的画面。
所以，能够补偿和校正非线性信号处理单元(如产生调制后的光信号的非线性激光源)中的失真的方法和装置是非常需要的。
为了解决这个问题，人们已经作了多方面的努力。在基本原理上，流行的解决方法就是一个预失真电路，在信号被非线性处理单元处理之前，此预失真电路使信号失真。这种失真与非线性处理单元处理时引起的失真是匹配的，这样就抵消了失真。
比如，Blauvelt等人于1992年7月21日发表的美国专利第5,132,639号，提出了
图1所示的一种预失真电路。如图1所示，12指示的射频信号输入到10所示的直接耦合器中，被分成一个主要的电路径(13)和两个次要的电路径(14和16)。主要电路径13上的信号功率通常比次要路径14和16的信号功率高。例如，使用一个11dB的直接耦合器就可以获得这种效果。
典型地，主要电路径13包括一个时延调整单元23，在24处产生一个延迟的调整信号。该信号被输入到第二个直接耦合器11中。第一个次要电路径14依次包括失真产生器15、幅度调整电路17、频率调整电路19和一个精密的相位调整电路21。精密调整相位的电路21的输出信号在22处输入到第二个直接耦合器11中。
失真产生器15的输出信号中包括输入信号频率的非线性失真成分。该失真信号与传输器件(没有在图中)产生的失真在幅度上是匹配的，只是有180度的相移。传输器件可以是一个产生激光的激光器，在输出(25)处接收和发射激光。
第二个直接耦合器11把主路径24和22的失真信号合成起来。传输器件产生的失真就会被预失真信号抵消掉。这样，在理想状况下，经过传输得到的信号是一个没有残留失真的信号。
第二条次要路径6是补充第一条次要路径7的。与第一条一样，第二条次要路径6也依次包括失真产生器35、幅度调整电路37、频率调整电路39和精细相位调整电路41。路径6在42处提供一个输出信号，该信号与来自第一条次要路径7的信号一起被第二个直接耦合器11所合成。在这个例子里，第二条次要路径6是用来产生传输信号中的三阶失真的，以便抵消由传输器件(没有画出)所引起的三阶失真。
以前的另一个解决非线性失真问题的努力可以在Childs于1992年6月2日发表的美国专利第5,119,392号中找到。Childs试图使用一个场效应管来校正二阶失真。该场效应管具有平方律特性，与产生光信号的激光器在线连接。由于该晶体管的场特性依赖于其掺杂特性，故很难获得一个进行理想平方率操作的FET。这种类型的预失真电路性能是有限的。
因此，找一种简单的方法来对非线性信号处理单元(如光信号产生器)进行预失真是很有必要的。
本发明的其他一些目的、长处和新颖特性将在随后的叙述中说明，本领域的技术人员可以通过阅读这些材料或实现本发明来了解这些特性。本发明的目的和优点可以通过后附的权利要求中列出的方式来获得。
作为一个达到前面所述和其它一些目的的在线预失真电路，是多个放大级串联构成的，以便接收信号并在信号被送往非线性处理单元前对信号进行预失真处理。因为任何激光发射器都需要射频放大器，对于激光发射器来说，级联的射频放大器不是一个额外的单元。本发明的非平衡射频放大器被用作一个通常意义上的射频放大器和预失真电路，显著简化了整个电路。每一个放大级都包括提供一对直流电压输入的电压导轨。至少提供给一个放大级的该对直流电压是不相等的，以达到预失真的效果。
第一放大级优选包括一个接收输入信号的输入端、一个放大器、和一个对称-不对称变换器，此变换器的初级绕组连接于信号输入端和放大器的第一输入端之间，次级绕组接在放大器的第二输入端和地之间。在初级绕组和放大器的第一输入端之间优选有第一电容，次级绕组和放大器的第二输入端之间也有第二电容。
所述多放大级结构的第二或最后一级主要包括一个输出端(信号被放大级处理后由此输出)，一个放大器，一个对称-不对称变换器，此变换器的初级绕组连接于信号输出端和放大器的第一输出端之间，次级绕组接在地和放大器的第二输出端之间。优选的是在初级绕组和放大器的第一输出端之间有第一电容，次级绕组和放大器的第二输出端之间有第二电容。如果只有两个放大级的话，第二级优选是通过电容与第一级相连的。
本发明还优选包括一个接在所述多放大级输出端的阻抗匹配单元。
此外，本发明的电路还优选包括一个斜坡电路。此斜坡电路的输出接在所述多放大级的输入上。此斜坡电路优选包括一个电容、一个电阻、一对串联的电阻，此三者是并联的；一个电阻和一个电感，它们串联连接在地和所述两个串联的电阻之间。
本发明还提供了一种对电信号进行预失真的方法。这就是对信号所经过的多个放大级的其中至少一级经一对电压导轨提供两个不相等的直流电压，从而对信号预失真。这只需要降低直流电压的一侧就可以办到。优选的是，此方法还包括通过控制直流电压的任一侧来控制预失真，以达到校正激光二极管特性曲线的亚线性或超线性的目的。加在所述一对电压导轨上的向所述多放大级中的至少一级提供的电压电平的差值；用一个阻抗匹配单元和多放大级的输出端相连的阻抗匹配。
图1是传统的预失真电路的方框图；图2是本发明的预失真电路的电路图；图3是本发明所基于的数学原理图；图4是说明图2电路的工作情况的框图；图5是本发明的斜坡电路的电路图，该电路可以与图2的预失真电路相连。
优选实施方案的详细说明本发明提供了一个与非线性信号处理单元级联的预失真电路，非线性信号处理单元可以是象半导体DFB激光器之类的电-光器件，从而可以补偿和校正信号处理过程中引起的失真。本发明的具体电路如图2所示。
如图2所示，本发明的预失真电路可以包括两个彼此级联的非平衡射频放大器101和102。在操作中，输入信号提供给第一个放大器101(即预失真电路的第一级)的端点103。该输入信号经过两个级联的射频放大器101和102，在端点136处输出。在端点136处，信号进入一个非线性处理单元(没有示出)，例如下文讲到的诸如DFB激光器的光信号发生器。
信号从端子103输入后，先经过对称-不对称变换器104的初级绕组121。对称-不对称变换器104的次级绕组122接在地和放大器105的一个输入端之间。对称-不对称变换器104的初级121、次级122的输出分别经过电容126和127以一对信号125的形式进入放大器105的输入级。
对称-不对称变换器104输出的一对信号125有相同的幅度，但相位差180度。随后由放大器105输出的一对信号分别经电容130和131进入第二放大器108的输入端，第二放大器108就是预失真电路的第二级。
该对信号然后由第二放大器108输出，分别经电容134和135到达第二对称-不对称变换器111。对称-不对称变换器111的次级绕组124接地，初级绕组123接到信号输出端136。
前已提到，提供到输出端136的信号是供给一个非线性信号处理单元的，比如说一个光信号发生器(未画出)。可以采用一个电阻112或者变压器，用来匹配放大器108的输出阻抗。
这里的非平衡射频放大器101和102各有两个直流电压导轨106、107和109、110。此四个直流导轨分别接有电感128、129、132和133。如果非平衡射频放大器101和102各自的两个直流导轨存在并且被提供了相等的(或平衡的)预定电压，则放大器101和102就是普通的射频放大器。在这种情况下，放大器101和102仅对输入信号起放大作用，几乎没有失真。
当然，如果供给任一所述放大器在对该放大器供电的两个导轨之间不相等，则放大器就是非平衡的，所提供的电压是就有偏置的。非平衡放大器105和/或108的偏置电压可以用来抵消后面的非线性单元(未画出)引起的二阶失真。
如前所述，所需要的偏置电压是由对每一对直流导轨106、107和109、110上提供的直流电压电平作不平衡而产生的。例如，在每一对DC导轨106、107和109、110中，提供在任一个导轨上的DC电平都可以降低以产生所期望的偏置电压。
为减少非线性处理单元所引起的失真所需要的最佳偏置电压取决于许多因素，最显著的就是所使用非线性单元的确切类型和特性。比如激光器，激光偏置状态，平衡放大器，放大器和匹配变压器的排列。相应的，在任何特定系统中校正失真的最佳偏置电压是不可能由计算得到的，但必须由实验来决定。在成对的DC导轨106、107和109、110上的不同偏置电压，可以用来校正引起信号失真的亚线性或超线性激光二极管特性曲线。
与现有技术相反，在本发明的电路中，没有必要采用射频指向性耦合器、延迟线、延迟线平衡、滤波器、射频切换开关(跳线)、附加的失真产生器、射频信号的幅度调整、频率斜坡和相位调整单元。
可能的情况是图1电路中的射频调整单元可能在射频频带范围内引入不希望的相位偏移和/或寄生相移。这些所不期望的相移在射频频段的引入会影响最后的校正结果。延迟线难于调整，并且调整结果不可靠。然而，使用象放大器101和102这样的高质量非平衡放大器通常就能避免这个问题，显著改进失真校正电路的性能，简化必须的调节操作。因为在这种情况下唯一需要调节的参数就是直流电压，而直流电压的调整总是比任何射频调节容易得多。
另外，输入级的对称-不对称变换器104和输出级的对称-不对称变换器111可以用变压器来取代，这并不违背本发明的精神或超出其范围。这个校正电路可以与激光器放在很小的电路板上，这进一步减少了寄生参数。整个预失真电路非常简单，并且稳健。
下面我们用激光器作为非线性光信号发生器的例子，来解释一下本发明的原理。在固定的偏置和射频输入状态下，激光器具有内在的非线性。设拍矢量V1是激光器在某个特定频率处产生的失真，预失真电路提供一个幅度相同，和激光器失真相位相差180度的补偿矢量V2。从而，V2用来抵消激光器失真V1。
一旦激光器的光调制深度OMD到达削波点，并且合成的二阶失真(CSO)和合成的三阶失真(CTB)被控制在一定范围内的，比如CSO和CTB小于-65dBc，那么再进一步降低激光器失真并不会提高整个系统的性能。因此，并不总是需要激光器预失真电路实现完全抵消失真以优化HFC系统的性能。特别是对CSQ失真来说更是如此，因为对HFC网络来说，在激光发生器后的射频放大器通常有很低的CSO失真。
图3说明了预失真电路是怎样工作的。OC代表一个激光失真矢量V1，CF表示校正矢量V2。由于这两个矢量不是完全匹配的，故二者之间有一个偏差角∠OCF＝θ。OF表示最终的校正误差。如图3所示，圆半径r＝OF。所有终点落在圆内的校正矢量V2都有比OF好的最终校正误差。在相位偏差为θ时，不管是如何控制校正信号的幅度，可获得的最大校正量小于20log(sinθ)。
这就意味着如果整个频带内的相位偏差是11.5°的话，校正结果不会好于14dB。而整个频带内的相位偏差为18°的话，校正结果不会好于10dB。
图3还说明了如果相位偏差得到很好控制的话，可获得中等的校正效果。例如，假设激光器失真矢量OC的幅度是-59dBc，CB和CA是恰好与激光失真矢量相位差180度的校正矢量。在这个例子中，它们的幅度分别是-65dBc和-55.5dBc。在这个幅度范围内的校正信号可以修正激光器失真，使其好于-65dBc。注意此幅度公差是9.5dB。
CD和CE表明校正矢量V2与激光失真矢量V1的相位偏差是相同的。幅度在CD和CE之间的校正矢量可以校正激光器失真，使其好于-65dBc。因为DE＜AB，故校正矢量公差也相应减小了。
CF表明校正矢量V2与激光器失真矢量V1有30°相位偏差。在此情况下，只有一个校正矢量幅度可以最佳地校正失真。此V2的幅度为-60.25dBc。其他校正矢量会导致更糟的校正结果。
图3说明了相位匹配的重要性。如果校正信号与激光失真信号相位差不是180度的话，那么即使校正信号幅度等于失真信号幅度，也不会有最优的校正结果。
回到当前的例子上来，图4以图形的方式说明了图2电路的信号处理过程。在该例子中，使用了一个有轻微非线性的双端口激光器件。因此，激光功率P可由激光器电流i功率级数的前两项来表示P＝a1*i2＋a2*i22(1)
a1和a2是常量。
此电路的两级放大器101和102，都是在使它们(即第一和第二放大器101和102)的导轨106、107和109、110上的直流电平偏置的情况下工作的。这样，此电路的传输函数具有如下形式v2＝B1v1＋B2v12(2)v1＝b1vin＋b2vin2(3)其中B1、B2、b1、b2都是常量。等式(1)到(3)中的高于二阶的项都被忽略了。
使用阻值为R1的电阻112来匹配放大器输出阻抗，得i2＝v2/R1(4)假设激光器失真相对较小，等式(1)到(4)可以合并为v2＝B1b1vin＋(B1b2＋B2b12)vin2(5)P＝(a1B1b1vin/R1)＋((a1(B1b2＋B2b12)/R1)＋(a2B12b12/R12))vin2(6)这样，可得如下的一个线性系统a1b2a2b1=-B1b1R1(1+(B2b12/b2B1))----(7)]]>如果使用变压器来将放大器输出阻抗R1变换成R2，可获得如下的线性系统a1b2a2b1=-B1b1(R1R2)1/2(1+(B2b12/b2B1))----(8)]]>等式(7)和(8)说明可以通过控制非平衡放大器的增益(B1，b1)、电压偏移(b2/b1和B2/B1)、阻抗匹配(R1和R2)来实现一个线性系统。
本发明中使用的放大器可以用标准的半导体器件来制作，如硅二极管，MESFET，HBT，HEMT或GaAs射频放大器。本发明的放大器可以是混合型的或者是MMIC。对本发明电路的任选实施例包括可以使用多于两级的非平衡放大，也可以引入一些负反馈来获得更好的频率响应。
优选使用射频MMIC，好处是这些射频器件的尺寸小。它可以把预失真电路和激光器放到一小块电路板上，可帮助减少寄生效应。
本发明和前述的分析适用于有任意数目的放大器级联的预失真电路。如果B1＝1，就只有一个放大器，如果B1＜1，这个系统就等同于一个射频衰减器。如果放大器的数目等于n，n＞2，则n－1个放大器可以合成一个等效的放大器，以应用前面的分析。
斜坡电路是用来补偿射频放大器的直流偏置可能引起的频率响应改变和激光器频率响应变化。斜坡电路的最终目的是在整个频率范围内产生一个平直的载波噪声比。
图5说明了与图2的预失真电路一样是本发明一部分的斜坡电路。如图5所示，本发明的斜坡电路按如下构设。在节点510和511之间并联着一个电容504、一个电阻505、一对串联的电阻506和507。
输入端501直接与节点510相连，输入信号由输入端501进入。输出端502与节点511相连。斜坡电路的输出由输出端502提供给图2所示的本发明预失真电路。在串联的两电阻506和507中间一点和地之间串联了电阻508和电感509。此斜坡电路的构成及使用原理与现有技术是不同的。例如，现有技术在预失真电路中是利用斜坡电路来匹配激光器失真的幅度变化。但是，当斜坡电路改变信号幅度时，它也改变了整个频带内的信号相位。如果象现有技术中那样在预失真电路中使用斜坡电路，这种相位的变化就会改变失真矢量和校正矢量之间的相位关系，降低校正的效果。
在本发明中，图5中的斜坡电路500用在图2的预失真电路的输入级之前。这样，斜坡电路原则上不是预失真电路的一部分。因此，斜坡电路500产生的相位偏移不会降低预失真电路在校正与失真矢量间产生正确相位关系的能力。
如前所述，二阶失真是主要的限制光数据信号准确传输的失真类型。因此，这里所述的发明主要是针对校正二阶失真的。
如果我们不对三阶失真采取任何措施的话，有些地方是需要注意的1)使用的DFB激光器必须有低CTB失真。许多商用DFB激光器都满足这个要求；2)使用高三阶交叉功率点的IP3射频平衡放大器；3)CTB问题可以通过仅仅偏置第一级射频放大器的直流电压，使供给第二级的直流电压保持平衡而进一步减轻。由于第二级的放大，第一级的输入射频信号要远小于第二级的输入射频信号。在这样的情况下，射频电路产生的CTB失真可以忽略。
如果CTB失真不是个问题，那么预失真电路的第一、二级都可以有偏移的直流电压，在被处理的信号中产生最优的预失真效果。当然，在许多情况下，仅偏置第一级的直流电压就足以获得良好的校正效果。本发明的电路原则上可以与另一个在线的三阶预失真电路组合起来。该校正三阶失真的三阶预失真电路将在将来的专利发布中描述。这样，本发明可以用于校正二阶和三阶失真。
在测试这里发布的发明时，使用了商用DFB激光器，如一个4mW～20mW的Fujitsu激光器。在调幅的模拟CATV频率范围内，这种激光器的固有失真并不大。许多商用DFB激光器都有很平坦的频率响应，只有主要由L-I非线性引起的失真。为达到本发明的目的，非平衡放大器可以从合适的商用射频MMIC中选取，如Anadigics ACA 0860-D。
在这些情况下，本发明可以产生优良的校正效果。
根据图示，对于70到110个频道而言，可以被校正的激光功率范围在2mW到20mW以上之间。在整个频带内，可以获得的CSO失真降低为8到10dB。最好情况下，CSO失真甚至可以超过10dB。校正后的CTB失真确实比激光器的固有CTB失真好。应用本发明校正后的激光器满足CATV的所有产业规范。
本发明的在线电压预失真电路的一个好处就是对失真的校正可以以电的方式来控制，使远程控制预失真成为可能。这就大大方便了例行的性能检查和自动调整，提高了系统可靠性和整体性能。
进一步，在通过光纤长距离传输的情况下，为补偿由光纤色散产生的CSO失真，有必要进行区域调整。这种CSO失真依赖于所使用的光纤，在使用光纤前是不可知的或不可量化的。以电的方式预先调节预失真电路来补偿光纤色散，使得可以不用考虑用来传输信号的光纤而改进信号传输。实验表明，使用这种在线非平衡射频预失真电路，对30公里的光纤传输，波长改变允差是20nm。
前面仅仅对本发明进行了示意和描述。它并不旨在穷尽或限制本发明为此处所披露的任何精确形式。按照上述原理，可以进行许多修改和变动。例如，打算校正CATV中的光视频信号传输时，本发明可以用来补偿任何非线性信号发生器(如放大器)的失真。
为了更好地解释本发明的原理和实际应用，我们选择了最佳的结构进行了描述。前面的说明意图使本领域的技术人员最好地利用此发明于不同的具体实现中，进行各种修改以适应特定的应用。
下面的权利要求定义了此发明的范围。
权利要求
1.一个在线的预失真电路，它包括多个级联连接的放大级，用于接收信号并在信号送到非线性信号处理单元之前对信号进行预失真；每个所述放大级还包括一对电压导轨，用于提供一对直流电平给所述放大级之一；其中提供给至少一个所述放大级的所述一对直流电压电平是不相等的，以实现所述预失真。
2.如权利要求1所述的预失真电路，其中每个电压导轨都包括一个电感。
3.如权利要求1所述的预失真电路，其中第一所述放大级还包括一个输入端，信号由此输入；一个放大器；一个对称-不对称变换器，所述变换器的初级绕组连接在所述输入端和所述放大器的第一输入端，次级绕组连接在放大器的第二输入端和地之间。
4.如权利要求3所述的预失真电路还包括连接在初级绕组和放大器的第一输入端之间的一个电容；和连接在次级绕组和放大器的第二输入端之间的一个电容。
5.如权利要求1所述的预失真电路中，多级放大器的第二级包括一个输出端，信号经多级放大器处理后由此输出；一个放大器；一个对称-不对称变换器，所述对称-不对称变换器的初级绕组连接在信号输出端和放大器的第一输出端之间，次级绕组连接在放大器的第二输出端和地之间。
6.如权利要求5所述的预失真电路还包括一个连接在放大器第一输出端和初级绕组之间的第一电容，一个连接在放大器第二输出端和次级绕组之间的第二电容。
7.如权利要求1所述的预失真电路还包括一个阻抗匹配单元，它接于所述多级放大器的信号输出端。
8.如权利要求3所述的预失真电路还包括多级放大器中与第一级相连的第二级，此第二级包括一个输出端，信号被多级放大器处理后由此输出；第二个放大器；第二对称-非对称变换器，它的初级绕组接在信号输出端和第二放大器的第一个输出端之间，次级绕组接在第二放大器的另一个输出端和地之间。
9.如权利要求1所述的预失真电路还包括一个斜坡电路，它的输出端接到多级放大器的输入端。
10.如权利要求9所述的预失真电路，其中所述斜坡电路还包括互相并联的电容、电阻和一对串联的电阻；串联，并连接在上述的两个串联电阻之间的一点和地之间的电阻和电感。
11.一种以电信号的方式提供预失真的方法，所述方法包括在一对电压导轨上给所述信号所通过的多级放大器的至少一级提供不等的直流电压电平，使信号预失真。
12.如权利要求11所述的方法，还包括控制经所述一对电压导轨向所述多个放大级中的至少一个放大级提供所述直流电压电平之间的差来控制预失真。
13.如权利要求11所述的方法，还包括用一个连接在所述多级放大器输出端的阻抗匹配单元进行阻抗匹配。
14.如权利要求11所述的方法中，多级放大器的第一级包括一个输入端，信号由此输入；一个放大器；一个对称-不对称变换器，它的初级绕组连接在所述输入端和放大器的第一输入端之间，次级绕组连接在放大器的第二输入端和地之间。
15.如权利要求14所述的方法中，还包括连接多级放大器的第二级到第一级上，其中所述第二级包括一个输出端，所述信号被多级放大器处理后由此输出；第二个放大器；第二个对称-不对称变换器，它的初级绕组连接在信号输出端和放大器的第一输出端之间，次级绕组连接在放大器的第二输出端和地之间。
全文摘要
本发明把多个放大器级联,组成了一个在线预失真电路。这些放大器是非平衡的,即电路中的每一个放大级有两个被独立控制的直流电压输入,它们提供不同的(即偏置)DC电平给非平衡放大器。放大器的这种不平衡性在信号中产生了预失真,此预失真可以用来抵消在该信号的后续处理和传输过程中由非线性器件引起的固有失真。为了使预失真与被校正的固有失真匹配,至少需要控制一个放大器级的DC电压偏置。使用了一个斜坡电路与多级放大器(在射频放大器前)相级联,以补偿由非平衡放大器引起的幅度变化。改变一对DC电压的其中之一,可以达到校正激光二极管特性曲线的亚线性或超线性的目的。
文档编号H03F1/32GK1326611SQ99813377
公开日2001年12月12日 申请日期1999年9月9日 优先权日1998年9月17日
发明者S·周 申请人:通用仪器公司