专利名称：用罚值和底值进行控制的延迟失配前馈放大器系统的制作方法
相关申请信息本申请要求2003年9月10日提出的序号为60/501,911的临时申请和2002年12月18日提出的序号为60/434,825的临时申请之权益，本申请参照其全部内容而结合该申请。
背景技术：
1.发明领域本发明涉及RF功率放大器和放大方法。本发明尤其涉及前馈放大器和控制前馈放大器的方法。
2.现有技术描述及有关背景信息RF放大器是复制在输入端存在的RF信号并产生具有更高功率输出信号的器件。从输入端至输出端的功率增加称为放大器的“增益”。当增益在输入信号动态范围为常数时，该放大器称为是“线性”的。放大器在功率提供方面其容量是受限的，因为增益与相位变化，尤其是大功率饱和状态下，这使得所有实际放大器在输入功率变化时都呈非线性。所产生的失真功率相对输出信号功率之比是放大器非线性的量度。
在RF通讯系统中，放大器的最大可允许非线性是由政府机构(例如FCC或ITU)规定的。因为放大器运行在饱和状态附近固有地呈非线性，线性要求往往成为对额定功率提供能力的限制。一般说，当运行在饱和状态附近时，因为放大器输出的信号功率增加在比例上小于所产生的失真功率增加，放大器的线性迅速变坏。
传统上运用各种补偿方法来减小系统输出的失真，转而提高额定功率提供能力，前馈补偿是其中被优选采用的方法。在前馈RF功率放大器中使用误差放大器来放大主放大器的失真分量，该分量又与主放大器输出异相合成，以抵消主放大器失真分量。一般说，前馈补偿提供主放大器的功率能力和误差放大器的线性。
前馈放大器的性能一般可以根据两个抵消环路来分析。环路1称为载波抵消环，包括RF输入和主放大器。除提供主放大器信号输出之外，该环路1还提供从主放大器输出取样并与RF输入信号的一个异相取样合成获得的失真信号。传统上，环路1信号的增益与相位受控而理想地提供输入RF载波分量被完全抵消而只余下失真分量的失真信号。环路2一般称为误差抵消环或辅助通路环。在环路2中，从环路1来的失真分量经误差放大器放大，在误差耦合器处送回主通路，以抵消主通路中失真分量，理想地在输出端提供无失真信号。
在很多情况下，导频信号以偏离于信号频宽的频率置入主放大器信号通路。该导频信号充当一个已知频率上的已知失真电平。导频信号的隔离、检测和抵消使环路2增益调节器和相位调节器控制更为容易。传统的前馈控制器使接在误差耦合器之后的环路2测试耦合器上测量的置入导频信号功率成为最小。导频最小值也称为导频抵消。
传统的前馈方案的问题在于第二环延迟器中的元件成本和信号损失。该延迟器可采取延迟电缆或延迟滤波器的形式。延迟越长，延迟器成本和信号损失就越高。延迟器损失通过衰减主放大器输出减小了前馈放大器系统的输出功率容量。为了补偿这种损失，必须使用成本更高的主放大器。为了减小信号损失和元件成本，可以减小或撤出延迟。减小或撤去第二环路延迟，会引入与包括误差放大器在内的误差通路的延迟失配。该延迟失配收窄第二环路抵消的带宽，只在一个频率产生完全抵消。这种抵消带宽收窄是由具有延迟失配引入的频率误差的相移造成的。正如在传统的前馈系统中所做，当通过减小导频功率控制第二环路时，第二环路抵消的中心频率将被置于导频频率之上。因为导频信号在频率上被偏置于信号带宽，第二环路抵消在数值上较低，与信号带宽不对称。一般说，主放大器失真特性会产生相对于输入信号带宽的对称频谱失真特性，最大失真在频率上非常接近于信号。为了满足输出信号频谱要求，第二环路抵消带宽的中心频率应设在输入信号的中心频率处。
因此，目前需要一种经改善的延迟失配前馈放大器系统，该系统可以解决频率依赖第二环路抵消的问题并优化系统性能。
发明概要本发明第一方面提供一种前馈放大器，其中包括接收RF信号的输入端；接收和放大RF信号的主放大器；以及连接在RF输入端和主放大器之间的导频信号源。前馈放大器还包括主放大器输出取样耦合器；与输入相连并提供延迟的RF信号的第一延迟器；以及将延迟RF信号耦合至来自主放大器的被取样输出的载波抵消合成器。误差放大器接收和放大载波抵消合成器的输出，误差耦合器将误差放大器的输出和来自第二延迟器的经延迟主放大器输出合成，从而抵消由主放大器引入的失真。相位调节器连接在载波抵消合成器和误差放大器之间。一输出端与误差耦合器输出端相连，提供放大的RF信号。前馈放大器还包括与输出端相连的导频信号检测器和与导频信号检测器相连的自适应控制器，用于控制相位调节器设定值以提供一个从使检测出的导频信号最小的相位调节偏移的相位调节，该偏移可通过改变相位调节成本函数的底值加以调节。
在一优选实施例中，前馈放大器导频信号检测器可包含导频信号测试耦合器和导频信号接收器。该前馈放大器还可包含连接在主输出取样耦合器和误差耦合器之间的第二延迟器，其中第二延迟与通过误差放大器的信号通路延迟是失配的。该前馈放大器也可包含连接在载波抵消合成器和误差放大器之间的增益调节器，控制器控制增益调节器来提供使检测的导频信号最小的增益调节。自适应控制器最好包含实现成本最小搜索算法的处理器。该成本最小搜索算法最好包括一个基于相位调节方向的罚值。该前馈放大器还可包含导频基准耦合器，用于对由导频信号源置入的导频信号取样，其中自适应控制器与导频参考耦合器相连，从检测出的导频信号和导频基准信号求出导频电平。该前馈放大器还可包含连接在导频基准耦合器和导频信号接收器之间的环回(loop back)测试开关。导频最好偏离RF载波频率，相位调节偏移对应于导频抵消的中心频率对RF载波频率的位移。
依照本发明的另一方面，提供一种延迟失配前馈放大器，它包括接收RF输入信号的输入端。第一控制环路与该输出端相连，包括主放大器、主放大器取样耦合器、延迟元件和抵消合成器。第二控制环路与第一控制环路相连，并包含第一信号通路、内含误差放大器的第二信号通路和使第一和第二信号通路耦合的误差耦合器。第一和第二信号通路具有延迟失配。一输出端与误差耦合器相连。导频信号源与第一控制环路相连。前馈放大器包括在其输出端检测导频信号的装置。前馈放大器还包括与检测装置相连并控制第二环路的装置，将第二控制环路抵消稳定在偏离导频和邻近RF信号带宽中心的中心频率上。
在延迟失配前馈放大器的一个优选实施例中，控制装置包括第二控制环路中的相位调节器和实现环路控制算法并向相位调节器提供可变的调节器设定值的处理器。检测装置最好包括与输出端相连并向导频信号接收器提供输出的第二环路测试耦合器。在一优选实施例中，该处理器和算法计算与若干调节器设定值关联的成本函数，这些设定值从检测的导频信号和成本函数的预设底值求得。该处理器和算法用成本函数改变调节器设定值，将所算出的成本函数向预设底值移动。若成本函数处于底值且调节器设定值朝向不希望方向移动，则该处理器和算法还可在成本函数上加罚值。不希望方向可对应于增加相位调节器设定值或减少相位调节器设定值，这取决于特定的实现方式。
依照本发明的另一方面，提供一种利用前馈补偿来放大RF输入信号的方法。该方法包括以下步骤接收一个RF输入信号并将该信号提供给主信号通路；在主信号通路中置入导频信号；取样RF输入信号并将取样的RF输入信号供给第二信号通路；以及利用主放大器在主信号通路放大该信号。该方法还包括以下步骤取样主放大器输出；将第二信号通路被取样的RF输入信号延迟；将经延迟的RF输入信号耦合至来自主放大器的被取样输出，从而抵消来自主放大器的被取样输出的载波分量的至少一部分，并提供载波被抵消的具有载波分量和失真分量的信号；利用误差放大器放大载波已抵消的信号来产生误差信号；以及将误差信号与经延迟的主放大器输出合成，以抵消由主放大器引入的失真并提供经放大的RF输出。该方法还包括以下步骤检测在放大的RF输出中的导频信号；通过一个可变相位设定值调节输入到误差放大器的信号的相位；以及控制相位调节至偏离于使检测出的导频信号最小的设定值的稳态设定值。
在一个利用前馈补偿的放大RF输入信号的方法的优选实施例中，控制相位调节的步骤包含使具有底值和与调节方向有关的罚值的相位控制成本函数为最小的步骤。罚值可以与增加或减小信号相位有关，这取决于其实现方式。而且，导频可以设为低于或高于RF输入信号中心频率，这也取决于其实现方式。成本函数的底值确定多个具有相同成本的相位设定值，稳态设定值最好包含所述多个具有相同成本的相位设定值中的一个。例如，稳态设定值可包含具有相同成本的最低相位设定值。或者，稳态设定值可以包含具有相同成本的最高相位设定值。相位控制成本函数可以视为具有由底值定义的下界，该下界有第一和第二边缘。稳态设定值可以对应于成本函数的下界的第一和第二边缘中的一个。
依照本发明另一方面，提出一种用于控制一放大器系统的环路的自适应控制器。该自适应控制器包括接收导频信号的接收器和与该接收器连接并用环路控制算法编程的处理器，以根据接收到的导频信号提供输出相位调节器设定值作为输出。该环路控制算法包含一个具有底值和一个与设定值调节方向相关的罚值的成本函数。
依照本发明另一方面，提供一种控制具有控制环路的放大器系统的方法，该控制环路包括控制环路输入端、第一信号通路、第二信号通路和控制环路输出端，第一和第二信号通路中至少一个包含放大器。该方法包括在控制环输出端检测导频信号并将检测出的导频信号与底值比较的步骤。若导频信号大于底值，则设定环路控制成本函数等于导频信号。若导频信号小于底值，则设定环路控制成本函数等于底值。该方法还包括确定环路控制调节方向，若环路控制在不希望的方向上调节，则给底值加上罚值以导出新的成本函数。该方法还包括调节第二信号通路的相位以使成本函数的值最小的步骤。
依照本发明另一方面，提供一种控制放大器系统控制环路的方法。该控制环路包含第一信号通路和第二信号通路以及输入端和输出端，第一和第二信号通路具有延迟失配。该方法包括在输出端检测导频信号并调节第一和第二信号通路中至少一个的相位的步骤。该方法还包括控制调节而使被检测的导频信号在偏离最小值的电平上的步骤。
依照本发明另一方面，提供一种对放大器系统控制环路中的RF信号的失真抵消进行控制的方法。该控制环路具有第一信号通路和第二信号通路以及输入端和输出端，该第一信号通路和第二信号通路具有延迟失配。该方法包含将一导频音置入RF信号并在输出端检测导频信号的步骤，该导频音具有偏离RF信号带宽的中心频率的频率。该方法还包括这样的步骤控制第二控制环路的第一和第二信号通路中至少一个的相位，以将第二控制环路失真抵消稳定在偏离导频信号频率并相对于RF信号带宽的中心大体对称的频率上。
更多的特点和优点将在以下本发明的详细说明中介绍。
附图的简单说明
图1是本发明的前馈补偿功率放大器的方框示意图。
图2是本发明的前馈检测和控制系统的方框示意图。
图3是本发明的第二环路控制处理算法的示意方框图。
图4是本发明的第二环路相位控制处理算法的示意方框图。
图5是本发明的第二环路增益控制处理算法的示意方框图。
图6是本发明的控制成本处理算法的示意方框图。
图7是本发明的控制改善确定算法的示意方框图。
图8是图解本发明的控制系统与方法的三维控制成本图。
图9是图8的三维控制成本图的二维切片。
本发明的详细说明图1和图2表示本发明优选实施例的前馈补偿功率放大器(PA)系统的方框图。图1表示基本的前馈放大器，图2表示控制器。
如图1所示，前馈放大器具有使用两个控制环的传统结构。环路1包含信号输入端103、取样耦合器106、增益调节器108、相位调节器109、导频信号输入耦合器112、主放大器115、主取样耦合器118、输入基准耦合器130、延迟器133、抵消合成器136和环路1测试耦合器139。环路2包含主取样耦合器118、主通路延迟器121、误差耦合器124、载波抵消合成器136、环路2增益调节器141、环路2相位调节器142、误差放大器145、环路2测试耦合器148和输出端127。如图2所示，控制器可以包括以下详述的实现成本最小搜索算法的处理器203。D/A变换器206、209将数字增益调节和相位调节控制信号转换为送往增益与相位调节器141和142(见图1)的模拟信号α2，φ2。导频信号发生器215产生送往导频信号输入耦合器112(见图1)的导频信号。导频信号接收器212从环路2测试耦合器148(见图1)检测任何尚未抵消的导频信号，并将检测出的导频信号以数字形式送往处理器203。还设有导频基准耦合器212和环回开关218，其动作将在后文详述。
首先介绍基本工作原理。控制环路1涉及各以α1和φ1表示的增益调节器108和相位调节器109设定值的调节，以减少从输入基准耦合器130到环路1测试耦合器139所测得的第一环路增益。该增益与相位调节器值在文中称为“调节器设定值”。第一环路的控制方法已为本领域专业人士所熟知，在此不再详述。另外，也可以采用临时申请序号60/434,825的方案。为控制环路2，增益与相位调节器(141和142)的要求设定值α2，φ2分别使在环路2测试耦合器148处测得的失真最小。导频信号源112在主放大器115通路(在106之后，但在118之前)置入频率偏离于信号带宽的导频信号。该导频信号的作用如同一已知频率上已知的失真信号。对该导频信号的隔离、检测和抵消使环路2增益与相位调节器的控制更为容易。
本发明提出一种新的前馈系统的自适应控制系统与方法(图1)，其中第二环路延迟是失配的。在传统延迟失配前馈系统中，第二环路增益调节器141和相位调节器142这两者受到控制，使得在系统输出端148处测到的所置入导频功率相对于调节的偏导数为最小。在第二环路延迟失配系统中，传统方法在导频上产生第二环路抵消，但在输入信号带宽内只有较小的抵消。抵消的这种随频率而不同是由于具有延迟失配引入的频率误差的相移。本发明修改这种传统的方法来处理延迟失配。在本发明中，增益调节器141可按照使置入的导频功率相对于增益调节的偏导数为最小的标准方法加以控制。然而，相位调节器142被有意偏移，使得第二环路中导频信号不完全地抵消。由于第二环路延迟失配，第二环路相位调节器这种有意的失调(misalignment)可控制第二环路完全抵消的频率。通过调节导频信号的抵消程度，可以将第二环路抵消的中心频率调节至放大信号的中心频率。前馈放大器将产生频率接近输入信号带宽的对称频谱性能。当使用本发明时，置入的导频信号电平应设成满足具有小于完全抵消的前馈系统乱真要求。
本发明还提出规定和控制第二环路相位调节器142的稳态偏移的系统与方法。通过改变第二环路相位调节的“成本函数”，所要的相位调节器偏移可成为稳态调节。在第二环路相位最小方法中引入底值和罚值以便于进行相位调节器142设定值偏移的精确调整。相位调节器设定值偏移可被控制，以补偿第二前馈环路中的延迟失配。
以下请阅图1-9，介绍本发明的特定实施例。本发明提供一种控制系统与方法，用以将第二环路相位调节器142控制在偏离传统的第二环路抵消相位调节器设定值的一个相位调节器设定值上。本发明是对若干现有的前馈环路控制系统与方法的修改。本发明适用于所有这些当前可用的装置和方法。为简明起见，本发明以在一个通常使用的装置和方法中的应用进行描述。本领域专业人士容易明白本发明同样适用于其他普遍使用的基于导频信号的第二环路抵消装置和方法。
环路控制是在调节器设定值(增益与相位)的二维空间搜索的选代过程。提供最小控制成本的第二环路调节器设定值就是想要的稳态值。在传统前馈系统中，最小控制成本与在系统输出端148处接收的最小导频一致。在本发明中，控制成本函数被修改以达到一个替代的结果。由于有了这种确定控制成本的新方法，可以使用所有标准的导频抵消控制过程。一种普遍使用的成本最小化搜索算法以坐标下降为基础。用于前馈放大器第二环路导频成本最小化任务的坐标搜索，一次沿其中一个坐标方向进行调节，在增益与相位之间交替地进行。同样，本发明可等同地用于同相(I)和直角相位(Q)调节器，控制器可以作出相应的有效增益与相位设定值。
控制调节步长是环路控制的另一方面。一般说，大的步长容许有较快的收敛性，但是有较大的不稳定可能性和较高的稳态误差。小的步长有较好的稳态性能，但是收敛很慢。有效控制算法动态地调节步长，以提供迅速的收敛、稳定性和小的稳态控制误差。普遍使用的步长选择方法，根据所接收的导频最小化速率的需要而调节步长。
请阅图1所示前馈放大器方框图。第二环路的误差通路包括主取样耦合器118、输入信号载波抵消合成器136、增益调节器141、相位调节器142和误差放大器145。主放大器输出经延迟器121，在误差合成耦合器124中与误差通路的延迟合并。延迟器121与误差通路的延迟是不匹配的，在有些情况甚至可以不使用延迟元件121，在主通路中仅存在固有的延迟。这个合并完成了第二环路。调节增益调节器141和相位调节器142可产生各种程度的失真抵消。
图2表示一个在产生和接收导频信号的同时对第二环路增益调节器141和相位调节器142进行控制的系统。增益调节器141和相位调节器142控制值即设定值，由成本最小化处理器203计算并分别用D/A变换器206和209设定。导频信号发生器215产生为导频信号接收器212接收专门设计的导频信号。有若干种产生导频信号和接收导频信号的方法，它们为本领域专业人士所熟知。这些方法中每种方法的目的是，产生在图1的环路2测试耦合器148处能容易地与所要信号和也存在的失真分离的导频信号。由于导频信号波分离，第二环路可以通过消除置入的导频信号来调节失真的抵消。本发明适用于当前用于前馈系统的所有导频信号产生和接收的方法，有助于第二环路中的抵消。
图2也示出了一个用于导频信号接收器校准的环回开关218，该环回开关是备选的。假如使用该环回开关选件，可以将接收的导频电平与发生的导频电平进行比较。那么从这两个测量值可以算出第二环路导频的抵消。通过包括这开关，成本最小化处理器203发往导频信号发生器215的导频信号配置数据可以动态地控制所发生的导频电平。随着导频发生电平的每个变化，该控制开关可以选择导频信号发生器，测量该源导频电平，将开关拨回环路2测试耦合器，并对每个后续的测量计算所接收的导频信号的抵消。该开关有时也可以用于测量发生的导频电平，以消除导频发生功率随温度或电源电压变化的漂移。由于环回开关提供的导频电平控制能力，在环路控制过程中可使导频电平动态地下降，以减少前馈放大器的导频信号输出127，同时保持对环路控制适当的接收导频信号强度。若不用该备选开关，则要将发生导频电平先设定为一低电平以避免乱真前馈输出，在运行前要先作校正，且在运行时要保持恒定。
图2所示的导频信号发生环回开关，提供了对发生导频的环回校正的最简单方法。然而，在第二环路中导频电平可在误差耦合器124中合成之前的任一处测量。例如，耦合器可设在主放大器之后但在误差合成耦合器124之前，在主取样耦合器118和环路1合成耦合器136之间，或者可以使用环路1测试耦合器139。图2所示方法的优点在于，不包括任何输入信号103或由主放大器115产生的失真。图2所示方法的缺点是，它在主放大器之前测量接入第一环路的导频功率127。主放大器增益随着温度和电源电压而变化。因为第二环路实际上正好在主放大器115后开始，主放大器中的增益漂移似乎会改变导频抵消电平。若一特定系统中主放大器115中的增益变化明显，则导频置入耦合器112可移到第一环路增益调节器108前。当第一环路增益调节器设定值被设成达到输入信号抵消时，主放大器中增益漂移将(以本领域专业人士熟知的方式)被第一环路增益调节器108抵消。
上述的导频信号发生、接收和控制方法提供了映射第二环路导频抵消的系统与方法。图8表示作为第二环路增益调节器141和相位调节器142的控制之函数的导频抵消的理想三维映射。该映射也可称为环路控制成本函数。一些传统的前馈系统控制增益与相位调节器设定值来产生最小成本。本发明通过包含底值和罚值来改变基于导频最小化的成本函数。通过包含底值和罚值，将达到对稳态相位调节器偏移的控制。
图3是基于坐标的环路控制算法的方框图。该算法在303，先设定环路2增益调节器141和相位调节器142的初始值。接着在306，选择增益调节器和相位调节器的初始步长。此后，该算法在迭代相位调节309和迭代增益调节312之间进行。迭代相位调节框309中，含有图4所示的相位调节优化算法。迭代增益调节框312中，含有图5所示增益调节优化算法。增益与相位调节算法两者均包括步长控制方法。图3中没有包含“退出”。在实用系统中，可能需要添加“退出”。设置“退出”的策略取决于具体应用，它不包括在本发明范围内，但本领域专业人士理应明白。
图4包含相位调节器控制算法309。该算法中的步骤提供步长控制成本函数最小化算法。一进入该算法，在403从存储器下载现在的相位调节器值和相位控制步长。然后在406设定控制计数器，该计数器监视总调节次数“I”和连续调节改善的次数“M”。此后在412中，测量第二环路成本。(图6给出成本函数算法的框图)。在415，取得相位步长，之后进行第二次控制成本测量。在421中，用这二次成本测量值确定环路控制是否改善。假如控制确实改善，在433中，总“I”计数器和改善“M”计数器均加一。然后在442中，将总调整计数器“I”与最大调节常数“L”比较。假如已达到最大调节常数，在445中存储相位调节器值和控制步长，退出该循环，进入增益调节。假如没有达到最大调节常数“L”，则在436中再将改善计数器“M”与用户定义的控制阻尼常数“N”比较。假如改善计数器“M”小于“N”，则在418中将第一成本测量设定为等于第二成本测量，控制循环返回415，进行另外的相位步长控制。假如在436中连续改善次数等于“N”，那么增益步长乘2，但以最大相位步长(SPmax)为限，在439中改善计数器“M”被复位到零。在步长改变和改善计数器复位439之后，在418中第一成本测量设为等于第二成本测量，控制循环返回415，进行另外的相位步长控制。假如二次测量成本评价412确定环路调节没有改善，相位恢复到前值424。在将相位还原后，将相位步长除以2，但限于最小相位步长(SPmin)427，然后将相位步向反转430。最后在445中，存储当前相位调节器控制值和当前步长，退出该循环，进入增益调节。
在上述相位控制算法中，每当达到N次连续环路控制改善，相位步长就乘以2。阻尼常数“N”确定相位控制如何快地加速趋向想要的调节设定值。如果取“N”＝1，则增益调节器控制步长就会每次改善就加倍。这种控制就会很快，但可能不稳定，或者大过所要稳态值。如果取“N”为很大数，则步长很少增加，使得收敛很慢。一般“N”在2至4的范围内取值较为理想。
在上述相位控制算法中，在“L”次相位调节以后停止相位调节。包含退出方法是为了防止无限次控制循环的可能性。例如“L”可以设定为阻尼常数“N”的3至5倍。
在上述相位控制算法中，每当遇到不利的控制调节，相位步长就减半并反转方向。算法假定先前的相位步长已越过所要控制设定值。通过每遇到不利控制调节，就控制步长减半，每个接着的过调就会比上次过调减小。所述算法也表明在一次不利的相位调节控制步长后就马上转向增益调节。作为一种选择，可以在每次不利的增益调节步长之后改变步向，而在计数一定次数的方向改变之后再将相位步长减半，并转向增益调节。这种方法对于第一相位步长确实有用，假如该步长引起不利的调节。然而一般说，将不利的调节次数增加到超过1，就会使收敛放慢。若增加一个这样的计数器，则在相位步长减半并退出循环而转向增益调节之前，不利调节的次数应决不会超过2。
图5表示相同的增益控制过程312。只要将增益调节器的值和增益步长代替相位调节器142的值和相位步长，那么增益调节器141控制的描述就与相位调节器控制的描述完全一样。相位和增益控制的不同在于如何确定环路控制成本和环路改善。
图6给出了环路控制成本计算器。在进入成本计算器后，在606从前馈放大器接收导频功率测量值。在603将这些导频测量值与未经抵消的导频信号相参照。通过借助于图2所示的可选用的环回开关218来临时用导频基准耦合器221测量置入的导频功率电平，就可以做到这一点。只要在前馈初始化时通过关掉误差放大器145来接收导频信号，也可以测量导频基准。然后在609可以根据接收的测量值606和基准电平603计算导频最小化(或环路增益)。假如成本计算器按增益算法312工作，则控制成本设为等于导频最小值627，然后该计算器退出。假如成本计算器按相位算法309工作，则在615将导频抵消与一成本底值比较。假如导频最小值大于该底值，则将成本设为等于该导频最小值627，然后退出该成本计算器。假如导频最小值小于底值，则将成本设为等于底值618。接着，在621中确定所要的控制偏移方向。(若例如相位调节当前正在减小的相位调节方向步进，而减小的相位调节偏移是所要的，则在621中确定为YES)。若相位调节当前正在所要的控制方向移动，则退出该成本计算器。假如控制正在所要偏移的相反方向移动，则在成本上加一罚值624，然后退出该成本计算器。
图8和图9表示成本计算器是如何工作的。图8是表示理想的第二环路成本函数的三维图。增益调节器和相位调节器这二者的设定值确定导频最小值或环路增益，例如从导频信号输入端112和环路2测试端148处测得的。可以控制增益调节器141和相位调节器142，以增加或减小导频最小值。当调节增益141时控制成本可直接从导频最小化映射确定。当控制相位调节器142时，在导频最小化的一特定电平上设底值。图8给出一个无罚值的成本曲线，其中相位调节器142被改变而增益调节器141保持恒定，稍微偏离最佳增益调节。这两条曲线在图9中重现。图9中还给出了为增加相位而引入罚值的成本效应。所述罚值促成相位调节器在减小方向偏移。所述罚值本来可以已用于减小相位。假如罚值被用于减小相位，则该底值和罚值的成本最小值就会被置于底值边界的较高的相位边缘。
图9的横坐标既表示相位设定值φ2又表示频率ω。在第二环路延迟失配时，相移随频率的误差被引入第二环路抵消计算。对于给定的延迟误差，从最大导频频率的最小化或从第二环路中最小环路增益(例如从导频信号源112至环路2测试耦合器148测量)的增量相移偏移，对应于在第二环路中最大失真抵消的增量频率偏移。图9表示导频频率置于输入信号的中心频率以下的情况。假如该罚值本来可用于减小相位，则底值和罚值的成本最小值就会已被置于底值边界的较高相位边缘，而导频会被置于一个信号带宽以上的频率。
最后，图7表示控制改善计算器。控制改善计算器主要在第二次测量成本低于第一次测量成本时确定环路控制有改善。然而，假如第一次和第二次测量成本相等，则可能引起问题。控制改善计算器根据控制步进方向和所要的相位调节器设定值偏移方向确定控制改善是否发生703。假如相位调节当前正步进在所要的偏移方向，则相等的第二次调节视为有改善的控制709。假如相位调节器控制当前正步进在所要的偏移方向的相反方向，则相等的第二次调节视为不利的控制706。通过以这种方法确定相同成本的情况，当步进在所要的方向的反方向时设置一无限小的罚值。这仅是为将控制偏移推向所要的方向。然而，如图6所示，仍要加上一个较大的固定罚值，以在存在噪声的情况下避免控制混乱。因为导频电平将被设置在低值以避免前馈输出端127处的乱真辐射，所接收的噪声可能引起问题。有了图6所示的添加的罚值，对连续的相同成本总是给予改善性能的控制计算器能在大多数情况毫无问题地运行。但是，图7给出的控制改善计算器也消除对于相同成本的任何控制不定性。
一般说，在上述控制算法中使用的罚值可以设定为任意的大值。假如相位控制将成本正好设定在底值界限，而没有加罚值，则相位调节器设定值离开罚值方向的步长应该始终产生比在罚值方向步进引起的成本增加小的成本增加。因为如图4所示步长可以变化，目标应该是设定罚值成本高于由最大可容许相位步长在罚值的相反方向所产生的成本。
底值可以根据所要结果进行计算。当将第二环路误差放大器145通路与第二环路延迟通路121比较时，给定组第二环路延迟配合误差会造成相位随频率的移动。通过撤去或减小第二环路延迟器121，误差放大器145通路的延迟就会长于延迟器121通路的延迟。假如导频置于所要的信号带宽之下，这种延迟失配将造成相位调节器设定值在从传统的第二环路导频最小值减小的方向上，以实现居于所要的信号带宽中心的第二环路抵消。从导频频率偏移和该组延迟配合误差，可以算出所要的相位调节器偏移。根据该相位调节器设定值偏移，可不增加底值和罚值从图8和图9给出的的导频最小化函数计算导频最小化程度。然后可设置底值和罚值方向，以求出该计算结果。
然而，一般说不必遵照算出的方法。作为代替，可以通过调节底值和导频电平来调整相位调节偏移。在调整时，环回校正应被中止。如上所述，对于较长的误差通路延迟，罚值方向应设成增加相位调节器设定值的方向。起初底值被设定在最低可能值上，而置入的导频电平设置在易于检测的电平上。当成本最小化处理器203被启动，第二环路将被控制到传统的导频最小化设定值。底值然后应被增加，一直到相位调节器设定值偏移刚好开始。这样就将底值设置成接近图2所示的导频信号发生器215和接收器212系统的最小灵敏度。然后可以慢慢地减小置入的导频电平112，而同时监测前馈线性，观察输入信号带宽上下的对称性能。(在保持底值恒定时减小导频电平，实际上，增加底值要在环回选件218不存在或当前禁用时。)因为随着导频电平的减小，相位调节设定值在减小方向的偏移量会增加，频谱性能的对称性应改善。在某点，非线性频谱失真会从在载波带宽之下的较小频谱功率会由于对称性移动到载波带宽之上的较小频谱功率。以这种方式，可以调节相位调节器设定值偏移到产生所要的功率频谱对称性。一旦该单元已调到适当的相位调节偏移，就可以启用环回功能，追踪导频信号发生器功率的漂移。按照这种调整方法或类似方法逐台进行调整，每台制造的设备可被容易地设置为正确的相位调节偏移。
本发明已结合所提的优选实施例详细叙述，然而，本领域专业人士要理解在本发明范围内可以做出各种变化和修改，数量之多难以一一详述。因此上述详细说明应仅视为说明而非在本质上加以限定。
权利要求
1.一种前馈放大器，其中包括接收RF信号的输入端；接收并放大所述RF信号的主放大器；连接在RF信号输入端和主放大器之间的导频信号源；主放大器输出取样耦合器；与输入端相连并提供经延迟RF信号的第一延迟器；将经延迟RF信号耦合至主放大器取样输出的载波抵消合成器；接收并放大载波抵消合成器的输出的误差放大器；将误差放大器输出和来自第二延迟器的经延迟的主放大器输出合成以抵消由主放大器引入的失真的误差耦合器；连接在载波抵消合成器和误差放大器之间的相位调节器；与误差耦合器输出端相连并提供经放大的RF信号的输出端；与输出端相连的导频信号检测器；以及与导频信号检测器相连的自适应控制器，它用于控制相位调节器设定值，以提供从使检测的导频信号最小的相位调节偏移的相位调节，该偏移可通过改变相位调节成本函数的底值调节。
2.如权利要求1所述的前馈放大器，其特征在于所述导频信号检测器包括导频信号测试耦合器和导频信号接收器。
3.如权利要求1所述的前馈放大器，其特征在于还包括连接在主输出取样耦合器和误差耦合器之间的第二延迟器，其中所述第二延迟与通过误差放大器的信号通路的延迟失配。
4.如权利要求1所述的前馈放大器，其特征在于还包括连接在载波抵消合成器和误差放大器之间的增益调节器。
5.如权利要求4所述的前馈放大器，其特征在于所述控制器控制所述增益调节器，以提供使检测的导频信号最小的增益调节。
6.如权利要求1所述的前馈放大器，其特征在于所述自适应控制器包括实现成本最小搜索算法的处理器。
7.如权利要求6所述的前馈放大器，其特征在于所述成本最小搜索算法包括基于相位调节方向的罚值。
8.如权利要求2所述的前馈放大器，其特征在于还包括导频基准耦合器，用于对由导频信号源置入的导频信号取样，其中自适应控制器与导频基准耦合器相连接，并从检测的导频信号和导频基准信号求出导频值。
9.如权利要求8所述的前馈放大器，其特征在于还包括连接在导频基准耦合器和导频接收器之间的环回测试开关。
10.如权利要求1所述的前馈放大器，其特征在于所述导频频率偏离于RF载波频率，其中所述相位调节偏移对应于导频抵消的中心频率相对于RF载波频率的偏离。
11.一种延迟失配前馈放大器，其中包括接收RF输入信号的输入端；与所述输入端相连的第一控制环路，它包括主放大器、主放大器取样耦合器、延迟器和抵消合成器；与第一控制环路连接的第二控制环路，第二控制环路包括第一信号通路、内含误差放大器的第二信号通路以及连接第一和第二信号通路的误差耦合器，所述第一和第二通路具有延迟失配；与误差耦合器相连的输出端；与第一控制环路相连的导频信号源；在输出端检测导频信号的检测装置；以及与检测装置相连的控制装置，该装置控制第二控制环路，使第二控制环路抵消稳定在一个偏离导频信号频率并靠近RF信号的带宽中心的中心频率上。
12.如权利要求11所述的前馈放大器，其特征在于所述控制装置包括在所述第二控制环路中的相位调节器，以及实现环路控制算法并向所述相位调节器提供可变调节器设定值的处理器。
13.如权利要求11所述的前馈放大器，其特征在于所述检测装置包括与输出端连接的并向导频信号接收器提供输入的第二环路测试耦合器。
14.如权利要求12所述的前馈放大器，其特征在于所述处理器和算法计算与调节器设定值有关的成本函数，该成本函数从检测的导频信号和该成本函数的一个预设底值求出。
15.如权利要求14所述的前馈放大器，其特征在于所述处理器和算法利用所述成本函数改变所述调节器设定值，以将算出的成本函数移向预设的底值。
16.如权利要求15所述的前馈放大器，其特征在于若成本函数处于底值且调节器设定值朝向非所要方向移动，则所述处理器和算法在该成本函数上加上一罚值。
17.如权利要求16所述的前馈放大器，其特征在于非所要方向对应于相位调节器设定值的增加。
18.如权利要求16所述的前馈放大器，其特征在于非所要方向对应于相位调节器设定值的减小。
19.一种利用前馈补偿放大RF输入信号的方法，包括以下步骤接收RF输入信号并将所述信号送往主信号通路；在所述主信号通路中置入导频信号；对RF输入信号取样，并将被取样的RF输入信号送往第二信号通路；利用主放大器放大所述主信号通路上的信号；对主放大器输出进行取样；延迟第二信号通路上的被取样的RF输入信号；将延迟的RF输入信号耦合到来自主放大器的被取样输出，从而抵消来自主放大器的所述被取样的输出的至少一部分载波分量，并提供具有失真分量的载波被抵消信号；用误差放大器放大所述载波被抵消信号来提供误差信号；将所述误差信号和所述主放大器的输出合成，以抵消由主放大器引入的失真，提供经放大的RF输出；检测在所述经放大的RF输出中的所述导频信号；用一可变的相位设定值调节输入到所述误差放大器的信号的相位；将所述相位调节控制到一个偏离于使检测的导频信号最小的设定值的稳态设定值上。
20.如权利要求19所述的利用前馈补偿放大RF信号的方法，其特征在于所述控制所述相位调节包含使一个具有底值和与所述调节的方向有关的罚值的相位控制成本函数为最小的步骤。
21.如权利要求20所述的利用前馈补偿放大RF输入信号的方法，其特征在于所述罚值与信号相位的增加相关。
22.如权利要求20所述的利用前馈补偿放大RF输入信号的方法，其特征在于所述导频信号的频率低于所述RF输入信号的中心频率。
23.如权利要求20所述的利用前馈补偿放大RF输入信号的方法，其特征在于所述罚值与信号相位的减少相关。
24.如权利要求20所述的利用前馈补偿放大RF输入信号的方法，其特征在于所述导频信号的频率高于所述RF输入信号的中心频率。
25.如权利要求20所述的利用前馈补偿放大RF输入信号的方法，其特征在于所述成本函数的底值确定多个具有相等成本的相位设定值。
26.如权利要求25所述的利用前馈补偿放大RF输入信号的方法，其特征在于所述稳态设定值包含具有相等成本的所述多个相位设定值中的一个。
27.如权利要求26所述的利用前馈补偿放大RF输入信号的方法，其特征在于所述稳态设定值包含具有相等成本的最低相位设定值。
28.如权利要求26所述的利用前馈补偿放大RF输入信号的方法，其特征在于所述稳态设定值包含具有相等成本的最高相位设定值。
29.如权利要求26所述的利用前馈补偿放大RF输入信号的方法，其特征在于所述相位控制成本函数具有由所述底值确定的下界，所述下界具有第一和第二边缘。
30.如权利要求29所述的利用前馈补偿放大RF输入信号的方法，其特征在于所述稳态设定值对应于成本函数的所述下界的所述第一和第二边缘中的一个。
31.一种控制放大器系统环路的自适应控制器，其中包括接收导频信号的接收器；以及与所述接收器相连并用环路控制算法编程的处理器，它提供根据所述接收的导频信号而定的相位调节器设定值作为输出，该环路控制算法包含一个具有底值和与设定值调节方向相关的罚值的成本函数。
32.一种控制具有控制环路的放大器系统的方法，该控制环路包括控制环路输入端、第一信号通路、第二信号通路和控制环路输出端，所述第一信号通路和第二信号通路中的至少一个包含放大器，所述方法包括以下步骤检测在控制环路输出端的导频信号；将检测的导频信号与一底值比较；若所述导频信号大于所述底值，则将环路控制成本函数设成等于所述导频信号；若所述导频信号小于所述底值，则将环路控制成本函数设成等于所述底值；确定环路控制的调节方向；若环路控制在非所要方向上调节，则给所述底值加上罚值而导出一新的成本函数；以及调节第二信号通路的相位以使该成本函数的值最小。
33.一种控制放大器系统的控制环路的方法，所述控制环路有第一信号通路和第二信号通路、输入端和输出端，所述第一和第二信号通路具有延迟失配，所述方法包括以下步骤检测在所述输出端的导频信号；调节所述第一和所述第二信号通路中的至少一个的相位；以及控制所述调节，以使所述检测的导频信号处于一个偏离最小值的电平上。
34.一种控制放大器系统的控制环路中RF信号失真抵消的方法，所述控制环路有第一信号通路和第二信号通路、输入端和输出端，所述第一和第二信号通路具有延迟失配，所述方法包括以下步骤在所述RF信号中置入一导频音，所述导频音具有一个偏离RF信号带宽的中心频率的频率；检测在所述输出端的导频信号；以及控制第二控制环路的所述第一和第二信号通路中至少一个的相位，以使第二控制环路失真抵消稳定在一个偏离导频信号频率且相对于RF信号的带宽中心大体对称的频率上。
全文摘要
公开一种利用包含底值和罚值的控制系统和方法的延迟失配前馈放大器。本公开的控制系统和方法容许第二环路相位调节器设定值能以可重复的和受控的方式偏移。运用底值和罚值来偏移稳态相位调节器设定值，修改传统的导频抵消方法。在传统例中，导频抵消具有对应于所要的调节设定值的一个明确的最小值。在公开的方法中，所测量的导频抵消被截短在下界或底值，产生一组相等值的最小控制结果。底值被选择得使相位调节器所要的相位偏移位于最小底值的边缘。为了确保从该组相等值最小控制结果选择正确的相位调节器偏移，增加基于控制方向的罚值。通过引入底值和罚值，相位调节器稳态偏移将被控制在最小底值的边缘。
文档编号H03F3/66GK1726637SQ200380106210
公开日2006年1月25日 申请日期2003年12月11日 优先权日2002年12月18日
发明者M·J·亨顿, R·N·布赖思怀特 申请人:电力波技术公司