专利名称：放大器的稳定的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及电子放大器中线性化的问题，更具体地说，涉及控制这些系统中相移的问题。
线性调制方案以包络变化的代价产生频谱利用上的更大增益。当这些信号通过非线性RF放大器时，将会发生失真，从而导致超出所分配信道的频谱扩展和互调产物的产生。因此，对于线性调制系统最好具有线性RF放大器。但是，常规的线性放大器也同样无法胜任，这意味着存在对功率效率高的线性放大器的需求，以便能够在移动电话中用电池为它们供电。
众所周知，采用前馈线性化作为使非线性放大器线性化的方法。它是基于在输出端消除放大器的失真。通过将放大器的输出信号与输入相比较来测量失真信号或误差信号。此误差信号与失真不同相，并被加至输出端，从而使失真减小。误差信号需要通过线性RF功率放大器来放大。
但是，随着RF功率放大器的效率提高，其失真也增大，因此要放大的误差信号电平也增大。误差信号越大，线性放大器也越大，因此功耗越大，而效率越低。这种系统已被具体应用于宽带系统。简言之，前馈线性化系统的实例可具有两个回路，其中第一回路包括作为参考路径的、需要具有相同增益和相移的主放大器路径，以便减去主功率放大器中产生的失真。对第二回路也一样，其中误差放大器路径需要具有与主路径相同的增益和相移，以便可从主功率放大器信号中包含的误差中减去该误差。
在极坐标域或笛卡儿坐标域中得到上述控制是可能的。根据一种方法，在极坐标域中控制相位和增益。根据另一种方法，在笛卡儿坐标域中执行控制，其中借助于正交向量来控制增益和相位。这两种方法都有它们特别的优点和缺点。笛卡儿系统的特别的缺点是缺乏稳定性。
众所周知，利用反馈来使非线性系统线性化。一种方法是利用笛卡儿反馈，即利用基带正交调制的负反馈来减少互调失真，而且复杂性和成本低。在美国专利5157346中描述了笛卡儿增益和相位控制。本专利中所述的解决方案仍会遇到稳定性问题。其原因是，放大器路径和参考路径中的相移必须等于在至少90度以内，否则系统将不稳定。即使如此，几度的相位误差仍严重地降低了系统的性能。这意味着需要仔细的调整，但是温度和老化效应会限制其性能，甚至导致系统振荡。
因此，可以看出仍然存在这样的需要利用笛卡儿坐标域中的反馈提供功率放大器的线性化而可以将相位误差保持在几度以内。
因此，本发明的一个目的是提供一种将放大器的相位误差稳定在几度以内的、用于笛卡儿反馈的方法和装置。
本发明通过自动控制系统中的相位来实现上述目的。反馈系统通常具有运算放大器。内部补偿的运算放大器近似于产生90度相移的积分器，所以另一个90度的附加相移会使放大器振荡；甚至超过大约30度的相移都会使性能劣化，并且增益和噪声产生尖脉冲，如果在具有运算放大器的回路中引入延迟或相移，则系统不一定稳定。在无线电技术中，这些延迟可以是例如上和下变频器或功率放大器。为了使系统稳定，必须在该闭合回路中某处减去相应的相移。在所有情况下，旋转对于保持稳定性都是必需的，虽然这至少在理论上可以通过仔细微调来人工地实现。通常相移是发射器中的若干转，比如说20次360度，必须被控制在比如说+-30度之内。
本发明通过直接或间接地测量相位差来自动地控制系统中的相位，然后相应地在笛卡儿坐标系上执行旋转，以便将相位误差调整到几度以内。
有几种方法测量相位差。最简单的方法是测量笛卡儿相位和增益控制元件的输出相位，将其与参考信号的相位比较。或者，利用到增益和相位控制器的控制信号作为输出相位的测量值、间接地测量输出相位也是可行的。然后，从通过笛卡儿相位检测器获得的参考信号的相位中减去该相位，而相位差就被用来旋转坐标。
坐标旋转可以在系统中的若干位置上执行。可以在主放大器路径中的某处以RF形式进行旋转，或者可以旋转送到增益和相位控制器的控制信号。其他可行方案是参考信号的相位旋转、从主放大器到求和点的信号的旋转、或者误差信号的旋转。
本发明比所有其他使这种形式的笛卡儿回路稳定的方法好，而且免去了繁琐耗时的调整的必要。此外，因为相位控制很精确，所以本发明可以获得比任何现有解决方案更高的带宽和整体性能。
虽然已在上面概括了本发明，但是在所附的权利要求书中定义了根据本发明的方法和系统。
现在参考仅以实例方式给出、并在附图中说明的本发明的最佳实施例，更加详细地描述本发明，图中
图1是现有技术中已知的前馈线性化系统的示意图。
图2是在极坐标域中控制相位和增益的现有技术的前馈线性化系统的示意图。
图3是在笛卡儿坐标域中控制相位和增益的现有技术的前馈线性化系统的示意图。
图4-7表示根据本发明的不同实施例的示意图，其中提供在笛卡儿坐标域中控制相位和增益的前馈线性化系统。
详细说明按照图1的现有技术的前馈线性化系统包括被命名为LOOP1的比较回路，其中主路径中的主放大器amp1与包括延迟线路del1的参考路径平行地延伸。主路径和参考路径均接收输入信号inp1。响应输入信号inp1，放大器amp1产生失真的输出信号outp1。具有延迟线路del1的参考路径引入基本与放大器amp1的延迟相等的延迟，从而产生被延迟的input1、即delinp1。比较器comp1接收信号outp1和delinp1，并且在其输出端产生表示信号outp1与delinp1之差的误差信号err1。如果比较回路LOOP1被平衡，则误差信号err1表示放大器amp1所产生的失真。
在第二回路LOOP2中，把误差信号err1通过振幅和相位匹配网络(未示出)馈送到误差放大器amp2，从那里馈送到组合器comb的第一输入端。放大器amp1的输出outp1也通过延迟线路del2馈送到组合器comb的第二输入端，延迟线路del2引入基本上与比较器comp1和上述振幅和相位匹配网络所引入的延迟相等的延迟。
因而，在LOOP1中，主放大器amp1路径达到具有与参考路径相同的增益和相移的要求，以便减去主功率放大器amp1中产生的失真。对LOOP2也一样，其中误差放大器路径达到具有与主路径相同的增益和相移的要求，所以可从主功率放大器信号中包含的误差减去该误差。
在极坐标域或笛卡儿坐标域中实现上述控制都是可行的。图2粗略地示出一种控制相位和增益的方法。图2与图1不同之处仅在于与放大器amp1的输入端串联地引入相位控制元件phase1和增益控制元件gain1，并且与放大器amp2的输入端串联地引入相位控制元件phase2和增益控制元件gain2。
图3中粗略地示出另一种在笛卡儿坐标域中控制增益和相位的现有技术的方法，它在以下方面不同于图1。输入信号inp1通过控制电路与主放大器amp2耦合，所述控制电路包括串联的90度分相器和笛卡儿相位和增益控制元件。90度分相器接收信号inp1并将其分为由笛卡儿相位和增益控制元件接收的两个正交分量0和-90。笛卡儿相位和增益控制元件4被控制信号I和Q控制。也在放大器amp2之前引入类似于上述控制电路的安排。
根据图2和图3的上述两种方法都具有它们各自特定的优点和缺点。笛卡儿系统的特定缺点在于它缺乏稳定性。
图4中示出本发明的实施例，它是在笛卡儿坐标域中控制相位和增益的前馈线性化系统的形式。来自信号源1的输入信号A被信号分配器A1分成信号B和C。信号C被延迟线路2延迟以用作参考信号，如紧接下文所述。信号B与主放大器路径耦合，所述主放大器路径包括串联的90度分相器3、笛卡儿相位和增益控制元件4以及主放大器5。90度分相器3接收信号B并将其分成由笛卡儿相位和增益控制元件4接收的两个正交分量BI和BQ。控制元件4的输出被馈送到主放大器5，后者产生输出信号E。主放大器输出信号E的一部分F和延迟信号C被馈送到减法电路7，后者产生信号E与参考信号C之差G。在90度分相器8中产生参考信号C的正交分量形式的参考矢量CI和CQ。正交分量CI和CQ分别被馈送到相关器9和10的第一输入端，相关器还在各自的第二输入端接收信号G。最简单形式的相关器9和10可以是乘法器，执行信号G与正交分量CI和CQ的相关，从而产生误差矢量H和J。在旋转器11中接收正交误差矢量H和J，以便在其中旋转，然后通过回路滤波器12和13控制笛卡儿相位和增益元件4，如紧接下文所述。从而闭合控制回路。
旋转误差矢量H和J使系统无条件地稳定，与主放大器路径B和参考路径C之间的相位差无关。在本发明中，这是通过直接或间接地测量包含主放大器5的回路的相移来获得的，然后相应地利用此信息旋转坐标系。
根据一个实施例，发射的相位是笛卡儿增益和相位控制器4与放大器5的输入端之间的相位，它可以间接地利用增益和相位控制器4的控制信号Q和I来确定。接收的相位是减法电路7上信号F的输入端的相位，它是通过将信号F投影到参考矢量CI和CQ上来获得。在相位检测器21、22中执行此操作，所述检测器在各个第一输入端上接收信号F和在各个第二输入端上接收各个参考矢量CI和CQ。来自相位检测器21和22的输出21a和22a分别被馈送到相位减法器23，在其中计算发射的相位与接收的相位之差。
更具体地说，相位减法器23分别包括两组23a和23b的各两个相位检测器23a1和23a2，23b1和23b2。一个输入端上的相位检测器23a1和23b1各接收来自相位检测器22的输出22a。一个输入端上的相位检测器23a2和23b2各接收来自相位检测器21的输出21a。相位检测器23a1和23b2各自的第二输入端一起连接到回路滤波器12的输出端。相位检测器23a2和23b2各自的第二输入端一起连接到回路滤波器13的输出端。
把相位检测器23a1和23a2的输出相加而形成至回路滤波器25的输入，其输出形成旋转器11的第一输入。减去相位检测器23b1和23b2的输出，从而形成至回路滤波器24的输入，回路滤波器的输出形成旋转器11的第二输入。
更具体地说，旋转器11分别包括两组11a和11b的各两个乘法器11a1和11a2，11b1和11b2。一个输入端上的乘法器11a1和11b1各接收来自回路滤波器25的输出25a。一个输入端上的乘法器11a2和11b2各接收来自回路滤波器24的输出24a。乘法器11a1和11b2的各个其他输入端接收来自相关器9的矢量H。乘法器11a2和11b1的各个其他输入端接收来自相关器10的矢量J。
乘法器11a1和11a2的输出相减而形成至滤波器12的输入。乘法器11b1和11b2的输出相加而形成至滤波器13的输入。
还可以设想本发明的可供选择的实施例。
可以在系统中的若干位置上执行相位测量以及坐标系旋转，图4应该被看作一个实例。例如，显然，可以直接对控制信号Q和I进行坐标系旋转，即可以将旋转器1 1设在滤波器12和13之后。其他实例是对任何所涉及的RF信号旋转，这些信号有例如图5所示的参考信号C、来自主放大器5的信号E、图6所示的从主放大器到求和点7的信号F、或者图7所示的构成求和点7的输出的信号G。以如上所述的同样方式，可以直接或间接地以各种方式测量相差。
图5-7具有以下共同点它们都没有图4中的旋转器11，而且误差矢量H和J分别送到滤波器12和13。在图5的情况中，信号C在90度分相器26中被分成笛卡儿相位和增益控制元件27中所用的两个正交分量，分别被来自滤波器24和25的信号24a和25a所控制。在分相器8中接收控制元件27的输出。在图6的情况中，信号F在90度分相器28中被分成笛卡儿相位和增益控制元件29中所用的两个正交分量，分别被来自滤波器24和25的信号24a和25a所控制。在减法电路7的上输入端接收控制元件29的输出。在图7的情况中，信号G在90度分相器30中被分成笛卡儿相位和增益控制元件31中所用的两个正交分量，分别被来自滤波器24和25的信号24a和25a所控制。在相关器9和10的共用的上输入端接收控制元件31的输出，从而分别产生在滤波器12和13中接收的误差矢量H和J。图4-7中所示的实现用于获取主放大器路径与参考路径之间的增益和相位的相等。因此，主放大器产生的任何失真都是减去信号F和C的结果。这意味着控制回路补偿了主放大器回路中的变化。
从上述内容中，显而易见，控制回路还可以用来抑制主放大器回路中产生的失真，因为失真可以看作是放大器特性中信号引入的变化的结果。
上述实施例仅仅起到说明而非限制的作用。显然，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以对上述实施例进行更改。本发明不应该被认为是仅限于所述实例，而应该被认为在范围上等效于所附的权利要求书。
权利要求
1.一种自动控制构成主放大器路径的线性化电子放大器中的相位的方法，所述主放大器路径从信号源接收信号并且具有主输出，所述方法包括将来自所述信号源(A)的所述信号(1)分成送到所述主放大器路径(3，4，5)的主信号(B)和参考信号(C)，所述主信号和参考信号(B，C)具有相位差；将所述主信号(B)分相成第一正交矢量分量(BI/BQ)，以及将所述参考信号(C)分相成第二正交矢量分量(CI/CQ)；所述矢量分量构成笛卡儿系统的一部分；其特征在于测量所述主信号(B)与所述参考信号(C)之间的所述相位差；以及通过按照所述相位差的控制旋转所述坐标、从而使所述相位差减至最小来稳定所述笛卡儿系统。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于在所述主放大器路径(3，4，5)中的笛卡儿相位和增益控制元件(4)中接收所述第一分离信号(BQ，BI)，并且由此产生所述主信号(B)的输出相位；通过笛卡儿相位检测器(21，22)确定所述参考信号(C)与信号(F)之间的相位差，所述信号(F)从所述主放大器(5)的输出端指向该信号(F)与所述参考信号(C)的求和点(7)；对在所述笛卡儿相位和增益控制元件(4)处的输出相位(I，Q)与利用所述笛卡儿相位检测器(21，22)获得的所述相位之间的相位差进行所述测量。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于在所述主放大器路径(3，4，5)中的笛卡儿相位和增益控制元件(4)中接收所述第一分离信号(BI，BQ)，由此产生所述主信号(B)的输出相位；产生用于控制所述笛卡儿相位和增益控制元件(4)的控制信号(I，Q)；通过笛卡儿相位检测器(21，22)确定所述参考信号(C)与信号(F)之间的相位差，所述信号(F)从所述主放大器(5)的输出端指向该信号(F)与所述参考信号(C)的求和点(7)；以及通过测量所述控制信号(I，Q)的相位、并从利用所述笛卡儿相位检测器(21，22)获得的所述相位中减去它来执行所述相位差的所述测量。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于产生来自所述主放大器(5)的输出信号与所述参考信号(C)的差信号(G)；将所述正交矢量(CI，CQ)和所述差信号(G)相关，从而产生误差矢量(H，J)来作为送至所述旋转装置(11)的输入变量，以便在其上进行旋转而产生所述控制信号(I，Q)。
5.如权利要求1至4中任何一个所述的方法，其特征在于对所述主放大器路径(3，4，5)中的射频(RF)信号(E)进行旋转。
6.如权利要求1至5中任何一个所述的方法，其特征在于对所述参考信号(C)的相位进行所述旋转。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于将所述参考信号分相成第三正交矢量分量；对所述第三正交矢量分量进行相关，从而产生送至所述第二分相装置(8)的输入。
8.如权利要求2所述的方法，其特征在于对从所述主放大器的输出端指向所述信号(F)与所述参考信号的求和点(7)的所述信号(F)执行所述旋转。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于将从所述主放大器的所述输出端引出的所述参考信号(F)分相成第四正交矢量分量；对所述第四正交矢量分量进行相关，从而产生送至所述求和点(7)的输入。
10.如权利要求4所述的方法，其特征在于对造成所述放大器的输出信号(E)与所述参考信号(C)之差的误差信号(G)执行所述旋转。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于将所述误差信号(G)分相成第五正交矢量分量；使所述第五正交矢量分量相关，从而产生送至所述相关装置(9，10)的输入，所述相关装置用于接收所述第二正交矢量和所述差信号(G)并且使之相关，从而产生误差矢量。
12.一种自动控制构成主放大器路径的线性化电子放大器(3，4，5)中相位的系统，所述主放大器路径从信号源(1)接收信号并且具有主输出(E)，所述系统包括信号分离装置(A1)，用于将来自所述信号源(A)的所述信号(1)分成送到所述主放大器路径(3，4，5)的主信号(B)和参考信号(C)，所述主信号和参考信号(B，C)具有相位差；第一分相装置(3)，用于将所述主信号(B)分相成第一正交矢量分量(BI/BQ)，以及第二分相装置(8)，用于将所述参考信号(C)分相成第二正交矢量分量(CI/CQ)；所述矢量分量构成笛卡儿系统的一部分；其特征在于装置(21，22，23)，用于测量所述主信号(B)与所述参考信号(C)之间的相位差；以及旋转装置(11；27；29；31)，用于通过按照所述相位差的控制旋转所述坐标，从而使所述相位差减至最小来稳定所述笛卡儿系统。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于所述主放大器路径(3，4，5)中的笛卡儿相位和增益控制元件(4)，它用于接收所述第一分离信号(BQ，BI)，并且由此产生所述主信号(B)的输出相位；笛卡儿相位检测器(21，22)，用于确定所述参考信号(C)与信号(F)之间的相位差，所述信号(F)从所述主放大器(5)的输出端指向该信号(F)与所述参考信号(C)的求和点(7)；装置(23)，用于对在所述笛卡儿相位和增益控制元件(4)处的输出相位(I，Q)与利用所述笛卡儿相位检测器(21，22)获得的相位之间的相位差进行所述测量。
14.如权利要求12所述的系统，其特征在于所述主放大器路径(3，4，5)中的笛卡儿相位和增益控制元件(4)，用于接收所述第一分离信号(BI，BQ)，并由此产生所述主信号(B)的输出相位；装置(9，10，11，12，13)，用于产生用来控制所述笛卡儿相位和增益控制元件(4)的控制信号(I，Q)；笛卡儿相位检测器(21，22)，用于确定所述参考信号(C)与信号(F)之间的相位差，所述信号(F)从所述主放大器(5)的输出端指向所述信号(F)与所述参考信号(C)的求和点(7)；以及用于执行所述相位差的所述测量的装置，它通过测量所述控制信号(I，Q)的相位、并从利用所述笛卡儿相位检测器(21，22)获得的相位中减去它来进行测量。
15.如权利要求14所述的系统，其特征在于装置(7)，用于产生来自所述主放大器(5)的输出信号与所述参考信号(C)的差信号(G)；相关装置(9，10)，用于接收所述正交矢量(CI，CQ)和所述差信号(G)并且使之相关，从而产生误差矢量(H，J)作为送至所述旋转装置(11)的输入变量，以便在其上进行旋转而产生所述控制信号(I，Q)。
16.如权利要求12到15中任何一个所述的系统，其特征在于所述旋转装置(11)在所述主放大器路径(3，4，5)中的射频(RF)信号(E)上执行所述旋转。
17.如权利要求12到15中任何一个所述的系统，其特征在于所述旋转装置对所述参考信号(C)的相位执行所述旋转。
18.如权利要求17所述的系统，其特征在于第三分相装置(26)，用于将所述参考信号(C)分相成第三正交矢量分量；相关装置(27)，用于接收所述第三正交矢量分量并使之相关，从而产生送至所述第二分相装置(8)的输入。
19.如权利要求12所述的系统，其特征在于所述旋转装置对从所述主放大器的输出端指向信号(F)与所述参考信号的求和点(7)的所述信号(F)执行所述旋转。
20.如权利要求19所述的系统，其特征在于第四分相装置(28)，用于将从所述主放大器的输出端引出的所述参考信号(F)分相成第四正交矢量分量；相关装置(29)，用于接收所述第四正交矢量分量并使之相关，从而产生送至所述求和点(7)的输入。
21.如权利要求15所述的系统，其特征在于所述旋转装置对造成所述放大器的输出信号(E)与所述参考信号(C)之差的误差信号(G)执行所述旋转。
22.如权利要求21所述的系统，其特征在于第五分相装置(30)，用于将所述误差信号(G)分相成第五正交矢量分量；第五相关装置(31)，用于接收所述第五正交矢量分量和使之相关，从而产生送至所述相关装置(9，10)的输入，所述相关装置(9，10)用于接收所述第二正交矢量和所述差信号(G)并使之相关，从而产生误差矢量。
全文摘要
本发明一般涉及电子放大器中线性化的问题,更具体地说,涉及控制这些系统中相移的问题。本发明直接或间接地测量输出相位差,然后相应地旋转笛卡儿坐标系,以便将系统中的相位误差调整到几度以内。相位差可以在系统中的不同位置上测量,笛卡儿旋转也可以在不同位置上执行。为了使系统无条件地稳定、而与主放大器路径和参考路径之间的相位差无关,旋转是必要的。本发明实现功率放大器中相位的稳定,从而免除了耗时的调整的必要,并且由于相位控制是很精确的,所以还可获得更高的带宽。
文档编号H03F1/32GK1384997SQ0081502
公开日2002年12月11日 申请日期2000年10月26日 优先权日1999年10月29日
发明者A·赖丁 申请人:艾利森电话股份有限公司