專利名稱：：利用非線性放大器的高效率rf發(fā)射機系統(tǒng)的制作方法利用非線性放大器的高效率RF發(fā)射機系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請要求2005年5月27日提出的美國臨時申請No.60/685,145的優(yōu)先權(quán)，其公開內(nèi)容在此結(jié)合作為參考。本發(fā)明涉及發(fā)射機。更具體地說，本發(fā)明涉及利用非線性放大器以產(chǎn)生輸入信號的線性放大的發(fā)射設(shè)備和方法，特別是具有高的峰-平均功率、具有改進的效率的發(fā)射設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
：現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)需要具有改進的效率同時避免失真的發(fā)射機?；咀畲蟮倪\行成本是由發(fā)射機的放大器消耗的電能的費用。在已知的系統(tǒng)之上任何效率上的顯著改進都將存在同樣的能量和成本節(jié)約的顯著優(yōu)點。使用單個功率放大器，例如A類，將發(fā)射機的效率限制到該放大器的固有效率，而且沒有辦法提高效率。已經(jīng)提出了各種各樣的方案和通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來改進效率。一種已知的放大器結(jié)構(gòu)是利用無源短線(stub)來控制失真的Chiriex系統(tǒng)。IcefyreSemiconductor己經(jīng)在最近報告了一種利用兩個放大器加一個組合器的Chiriex型放大器系統(tǒng)。同樣已知的是數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)，但是其要求大約5dBPA(功率放大器)的補償，這就引入了失真。然而，其在峰值功率以高效率運行確是最優(yōu)的。如同另一種已知的發(fā)射機的實例，1974年提出的D.C.Cox利用兩個"LINC"(具有非線性組件的線性放大器)結(jié)構(gòu)的放大器以克服功率上的這個極限，同時保持線性。LINC結(jié)構(gòu)使用單個分離器將輸入信號S(t)的幅度(或相位)調(diào)制轉(zhuǎn)換為兩個恒定(等幅)包絡(luò)信號Si(t)和S"t)的相位調(diào)制。每個都工作在峰值功率具有高效率的非線性放大器接收并放大沿兩個并行分支傳送的每個恒定包絡(luò)信號S！(t)，S2(t)。當(dāng)在無源、混合組合器相加時，信號包絡(luò)Si(t)、s2(t)再現(xiàn)原始信號的線性放大。在這種方式下，RF微波功率放大器可與兩個恒定包絡(luò)信號運行在飽和狀態(tài)，產(chǎn)生最大放大器效率并且產(chǎn)生原理上完美的線性。已知的LINC恒定包絡(luò)信號S,(t)和S2(t)可以以信號分量向量或矢量圖給出，如圖12所示的那樣，其中I軸表示同相分量而Q軸表示正交相位分量。Si和S2已知為兩個旋轉(zhuǎn)的向量Sjt)和S2(t)，每個具有相對于信號S(t)的幅度r隨/2以及相位角e(t)，復(fù)雜形式表示為s(,)=K,)jW,o《K,)"max。標(biāo)準(zhǔn)的混合組合器，即，在其的兩個分支之間在所有端口具有高隔離的混合組合器，給出了極好的線性，但是其使LINC發(fā)射機系統(tǒng)的效率降低。當(dāng)輸出信號的峰-平均功率增大時常規(guī)UNC發(fā)射機的效率的確降低了。然而，當(dāng)今的無線通信系統(tǒng)中的大多數(shù)調(diào)制技術(shù)，例如CDMA、WCDMA、MQAM(M64)、以及OFDM信號，表現(xiàn)出高的峰-平均功率。以這種信號應(yīng)用到已知的LINC系統(tǒng)，組合的結(jié)構(gòu)降低了效率。然而，LINC結(jié)構(gòu)仍然比僅使用具有單個RFA類放大器的一個分支的效率更高。對于無線通信系統(tǒng)，因此存在改進LINC系統(tǒng)的效率的需求，特別是對于使用具有高的峰-平均功率分布圖的輸入信號的LINC系統(tǒng)。
發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明的一個主要目的是提供一種以在已知LINC系統(tǒng)上的顯著改進的效率運行的發(fā)射機系統(tǒng)，特別是當(dāng)輸入信號具有高的峰-平均功率時。本發(fā)明的另一個目的是提供這種改進的發(fā)射機效率的同時保持基本上線性的輸出信號。本發(fā)明的還一個目的是利用具有有助于維護人員的組件成本和可用性的標(biāo)準(zhǔn)組件提供這種改進的效率和良好的線性。本發(fā)明的還一個目的是提供具有上述優(yōu)點的能夠在廣泛的頻率范圍，包括RF和微波，之上運行的發(fā)射機系統(tǒng)。本發(fā)明的還一個目的是提供具有上述優(yōu)點的能夠采取多樣化配置的發(fā)射機系統(tǒng)，其中每一種配置都可以針對特定的應(yīng)用優(yōu)化。一種發(fā)射機系統(tǒng)，特別是適合用作用于幅度調(diào)制("AM")的輸入信號的無線通信的射頻或微波(下文中，統(tǒng)稱為"RF")的發(fā)射機系統(tǒng)，該發(fā)射機系統(tǒng)具有信號分離器，分離器將時變的AM輸入信號S分解為兩個相位調(diào)制的包絡(luò)信號S!和S2，具有相位角0。包絡(luò)信號S!和S2在2n+2個并行分支(n=0，1，2，…)中被至少一個非線性放大器放大。來自n+l個分支的兩個組的放大的信號包絡(luò)Si和S2在混合組合器被相加以產(chǎn)生與輸入信號S化相同的輸出信號S。ut，但是基本上是線性放大的，而且具有良好的效率。本發(fā)明的發(fā)射機系統(tǒng)使用三種可能的發(fā)射機信號解決方案(實施例)的其中一種，所有的方案都利用具有低頻(例如，140KHz)的基帶信號和具有RF頻率的模擬部分。基帶信號部分用于將輸入信號(低頻)分解為位于相同的低頻的2n+2個恒定包絡(luò)信號(第一個方案)；針對輸入信號的某些幅度級別的兩個可變包絡(luò)信號(第二個方案)；針對某些級別的2n+2個可變包絡(luò)信號，以及針對其它級別的2n+2個恒定包絡(luò)信號(第三個方案)。在第一個方案中，發(fā)射機的模擬部分的特征在于n+l個分支的兩個組，或者2n+2個總的分支，n-l,2，...。每個分支包括一個上變頻器、RF放大器，而且在優(yōu)選形式中，允許連續(xù)信號的k/2微帶線或其它的傳輸線(放大之后在組合器處控制失真)。附加的分支和放大器構(gòu)成響應(yīng)于輸入信號的幅度等級調(diào)諧放大增益和最優(yōu)相位角A的一個額外的"級，，或多個級，在此0i是當(dāng)開關(guān)操作以接通或斷開某些分支時與信號包絡(luò)有關(guān)的相位角。具體而言，對于輸入信號的每個幅度等級僅接通兩個分支，斷開2n個分支。在每個分支中有一個恒定的包絡(luò)信號。對于輸入信號的每個級別，接通的兩個分支是利用混合組合器加入的。如果在發(fā)射機的模擬部分中使用了開關(guān)，則優(yōu)選增加一個激勵器以提高輸入RF信號到所需的級別。第二個方案中的模擬部分的特征在于僅有兩個分支(如在常規(guī)LINC系統(tǒng)中的那樣)，這些分支中的每一個由一個上變頻器(或混頻器)和一個RF放大器形成。該兩個分支的輸出信號通過利用混合組合器相加。在該第二個方案中，兩個輸出信號SnS2表示(i)用于某些信號級別的可變包絡(luò)，其中(o<e<ek，isksn)，(ii)用于其它級別的恒定包絡(luò)信號，其中ek<e<en，8=90度。利用信號處理電路中的預(yù)失真函數(shù)，第二個方案的系統(tǒng)給出了良好的線性。如下面通過效率公式(22)所證明的，這種系統(tǒng)給出了優(yōu)于常規(guī)LINC發(fā)射機的改進的效率。第三個方案中的模擬部分使用兩個相等的分支組，總共2n+2個分支，如第一個方案中。每個分支由一個上變頻器和RF放大器組成，而且優(yōu)選人/2微帶線或者提供期望的連續(xù)信號的類似功能的傳輸線。對于輸入信號的每個級別，僅兩個分支接通，2n個分支斷開。在每個分支中，信號SnS2對于某些級別是恒定的，而對其它的級別是可變的恒定包絡(luò)。該第三個方案是同時使用了第一和第二個方案的混合。第一個方案的特征在于RF放大器的多個分支。使用的分支數(shù)量越多，發(fā)射機系統(tǒng)的總體效率越高。當(dāng)確定了對RF發(fā)射機系統(tǒng)所要求的效率時，于是可以利用本公開中給出的公式，特別是下述的公式17，分析確定所需的分支數(shù)量。更具體而言，知道了輸入的將要發(fā)射的信號(即，信號的"PDF，，)類型，并且假定所有使用的RF放大器表現(xiàn)出相同的效率值，等于Tla叫，那么作為第一步，確定將達到的平均功率llamp的值。作為第二步，例如，利用MATLAB軟件，優(yōu)化下面的公式(17)描述的表達式以獲得在與信號包絡(luò)SnS2的其中之一相關(guān)的每個分支組中所需的RF放大器的數(shù)量。此后，可以精調(diào)諧得到6i值以考慮每個RF放大器的實際效率。一旦確定了將要添加的分支的數(shù)量，則可以分析比較(1)較高增益的RF放大器的增益，和(2)0i，在此"i，，表示每個分支i的最優(yōu)值(I5i￡n)確定所用的每個較低增益RF放大器的增益。對于每個級別的輸入信號，信號處理器僅接通兩個分支，斷開2n個分支。對于輸入信號的每個幅度等級，通過與HPGL、或VHDL、或充當(dāng)數(shù)字開關(guān)的類似的軟件一同工作的數(shù)字信號處理器(DSP)或者微處理器來處理基帶信號。這種開關(guān)選擇接通哪兩個分支。如所建模的，效率的改進相比于可比較的經(jīng)典LINC系統(tǒng)至少是兩倍。第二個方案使用如常規(guī)LINC系統(tǒng)那樣的相同的通用原理電路一每個分支中連接的一個放大器僅有兩個分支。然而，雖然一般的結(jié)構(gòu)與常規(guī)LINC系統(tǒng)中的相同，輸入信號的分解確不相同。通過剪裁和最優(yōu)化對僅僅兩個非線性放大器的每一個的一部分工作范圍的放大倍數(shù)，而不是如方案1中的利用額外的放大器級和分支，這種第二個方案改進了經(jīng)典LINC系統(tǒng)。對于輸入信號的某個級別，每個RF放大器工作在從其ldB壓縮功率的XdB范圍內(nèi)。在這個工作區(qū)，每個RF放大器都是非線性的，而且結(jié)果是增益不恒定并且信號包絡(luò)Si和S2不恒定。第二個方案的信號處理器使用由下面的公式22給出的分析表達式以應(yīng)付增益的這個變化以產(chǎn)生良好的線性。該公式應(yīng)用作為用于其中相位角滿足條件(Xe〈ek的條件的預(yù)失真函數(shù)，其中6k是與取值為0度和90度之間的信號包絡(luò)有關(guān)的相位角。在這個工作區(qū)中，混合組合器以其效率的100%工作。對于輸入信號的較小值，其中每個RF放大器可以以非常低水平的增益工作，輸入信號被分解為兩個恒定包絡(luò)的信號Si和S2以避免每個RF放大器的巨大失真。在這個工作區(qū)中，混合組合器以如經(jīng)典LINC系統(tǒng)中的與e相位角的余弦平方成正比的效率工作。第三個方案使用第一和第二個方案的結(jié)合。以如第一個方案同樣的方式，選擇將要使用的分支的數(shù)量(2n+2)。對于輸入信號幅度的確定值，輸入信號被分解為可變包絡(luò)，而不是恒定包絡(luò)。對于輸入信號幅度的較小值，輸入信號如第一個方案中被分解為恒定包絡(luò)。對于輸入信號的每個值，僅兩個分支被接通，由此提供了高效率的系統(tǒng)。這個系統(tǒng)產(chǎn)生了優(yōu)于方案一和方案二的提高的效率，而且線性良好。根據(jù)下面考慮附圖的詳細(xì)描迷將更加全面地理解本發(fā)明的這些和其它特征和目的。圖1是根據(jù)本發(fā)明的第二個實施例構(gòu)成和運行的LINC發(fā)射機的原理圖；圖2示出了相對左邊的坐標(biāo)軸為常規(guī)LINC類型發(fā)射機的發(fā)射機的效率，相對右邊的坐標(biāo)軸為兩個普通無線通信信號的PDF曲線特性，所有的都作為LINC相位角0的孤度函數(shù)；圖3是與常規(guī)LINC發(fā)射機系統(tǒng)相比具有一個額外的級的根據(jù)本發(fā)明的RF發(fā)射機的第一個實施例的原理圖；圖4是對應(yīng)于圖3的在每個分支具有X/2的微帶線以促進信號連續(xù)以及控制組合器處的失真的4個分支的輸出的詳細(xì)視圖；圖5是在數(shù)字開關(guān)之后具有上變頻器/混頻器的圖3和4所示的發(fā)射機的數(shù)字部分開關(guān)實施例的詳細(xì)視圖；圖6是在模擬開關(guān)之前具有上變頻器/混頻器的圖3和4所示的發(fā)射機的模擬部分開關(guān)實施例的詳細(xì)視圖；圖7是利用n個多個額外的級的圖3-6所示的本發(fā)明的第一個實施例的可選實施例的原理圖；圖8示出了圖7中所示的具有相位角e，62的三(n=2)發(fā)射機的效率曲線2，而且02與每個放大器相關(guān)聯(lián)；圖9示出了對于F、RF類放大器的輸入功率的函數(shù)的特征輸出功率，例如本發(fā)明的第二個實施例中圖1中所用的放大器；圖IO是對應(yīng)于圖9的曲線圖，但是利用同樣的F、RF類放大器的功率增益作為輸入到放大器的功率的函數(shù)；圖11示出了RF放大器的特征DC電流作為輸入功率的函數(shù)；以及圖12是分成具有相對于信號S(t)的相位角差e的時間(t)變化的恒定信號包絡(luò)S！(t)和S2(t)的常規(guī)LINC發(fā)射機中的信號分量的信號分量矢量圖。具體實施方式圖1和12示意了LINC放大器10的主要構(gòu)建塊，接收輸入信號S(t)的信號分離器12，兩個分支14，14，各分支承載分解的或分離的信號Si(t)和S2(t)，放大器16,16，每個放大器具有放大分離的信號的增益G，以及將信號S,和S2無源組合以產(chǎn)生輸出信號S。ut(t)的組合器18，輸出信號S。ut(t)基本上是S(t)的線性放大。公式(1-4)給出了信號之間的各種關(guān)系。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>(3)本發(fā)明集中在通過保持良好的線性改進效率。經(jīng)典LINC系統(tǒng)中的組合結(jié)構(gòu)的瞬時效率由如下公式給出77,=cos2,))(5)因此，組合器的平均效率等于1其中，Pi為輸入信號的概率密度函數(shù)("PDF")的瞬時值。LINC系統(tǒng)的平均效率為LINC中使用的兩個RF放大器16，16工作在高頻(類別B、C、F或其它等效類別，例如類別D或E),每個放大器的效率等于T]amp。圖2示意了效率降低的問題。當(dāng)PDF信號取較低值(e接近于0弧度)的時候，對應(yīng)于常規(guī)LINC匹配的組合器的效率(余弦平方)的曲線顯示出較高的值。當(dāng)余弦平方取較低的值(接近于e=7r/2或1.57弧度)時，信號的PDF(右手邊刻度)得到較高的值。公式(6)示出了組合的平均效率t]avg，為效率tli和PDF兩項的乘積。這證明了為什么當(dāng)出現(xiàn)了具有高的峰-平均的信號時，LINC匹配的組合器的效率會降低一高的峰-平均功率意味著信號的PDF取其較高的值，接近于e=7r/2(參見圖2)，當(dāng)cos9值較低而且處于支配地位時。I.用于改進效率和給出良好線性的第一個方案A-增加一級RF放大器在本發(fā)明的這個實施例中，參考圖3的RF發(fā)射機10，，AM輸入信號S(t)在信號分離器12處被轉(zhuǎn)換為兩個恒定幅度包絡(luò)Si(t)和Sz(t),定義如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>在此情況下，如由公式(3)和(4)所描述的同樣的方式分解S(t)。所用的瞬時效率與圖2所示的一致。分離器12，使用低頻基帶信號來確定兩個恒定包絡(luò)Si(t)和S2(t)。圖5中所示的分離器12，同樣具有數(shù)字信號處理DSP可編程卡和/或微處理器控制器20,以及利用VHDL(YHSIC(甚高速集成電路)HardwaredescriptionLanguage)切換的FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)22。在利用了混頻器(上變頻器)24之后，每個分支14，14，中的信號通過呈現(xiàn)電壓增益等于GJiigh的兩個RF放大器16H，16H中的其中一個。增益為G_low的兩個RF放大器16L，16L斷開。第一個方案的輸出電壓定義如下，其中0<0":<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>如果e>e;:對于超過e;的e值，兩個開關(guān)22(圖3)改變路線，信號S于是被引到電壓增益為G_low的兩個RF功率放大器16L，16L。電壓增益為G—high的兩個RF放大器16H，16H被開關(guān)斷開。輸出電壓定義如下PW=r-."w.c。,(12)線性和效率在第一個方案中，4-分支(14，H，14，L,14，H,14，L)實施例，當(dāng)e-0i時，并且考慮公式(11)和(12)，連續(xù)信號的條件要求G—/ow=G—/z妙.Co,)(13)由于所有所用的RF放大器16H，16L在輸入處呈現(xiàn)出相同的功率電平(輸入電壓等于rmax/2)，"次級"RF放大器16L，16L(G_low)相比"初級，，RF放大器16H，16H(G_high)給出了較低電平的輸出功率。兩個功率電平之間的差異為20Log(Cos(A))。此外，如果低電平RF放大器16L的相位等于高電平RF放大器16H,那么輸出信號肯定是線性的。不然的話，則必須考慮校正基帶信號中和/或電路的模擬部分中的相位以便在輸出產(chǎn)生良好的線性。系統(tǒng)的效率變?yōu)镴>。s2(A).A+~^^I>。s，m)《(14)o鄰鴻cos(c/,h,《其中，iiavgT-系統(tǒng)的總平均效率；Tlwgh-具有增益設(shè)置為G—high的RF(包括微波)放大器的效率；Pk-對應(yīng)于ek的PDF;ilhm=具有增益為設(shè)置G—low的RF或微波放大器的效率；ek=與取值小于A的信號包絡(luò)有關(guān)的相位角；A=當(dāng)開關(guān)工作時與信號包絡(luò)有關(guān)的相位角；em-與取值大于0i的信號包絡(luò)有關(guān)的相位角；pm-對應(yīng)于em的PDF。與通過/>式(6和7)描述的經(jīng)典LINC的效率相比，本系統(tǒng)的效率通過取得的值超過l的項-~^_得到改進。cos，,)為了選擇最佳的0i值，使用本發(fā)明的RF發(fā)射機系統(tǒng)的這個實施例給出最大效率的任何人首先考慮兩種類型的RF放大器(高16H和低16L電平)是"匹配的"，因為為了計算的目的以找到對最優(yōu)的相位角值的第一近似，它們被假定具有相同的效率值比率llamp。因此可以例如利用眾所周知MATLAB軟件求解公式(14)以獲得當(dāng)8i在0和90度之間變化時其的最大值。由此獲得的A的計算值可以被考慮作為將使用的第一個值，不過在當(dāng)所使用的兩種類型的RF放大器的實際效率實際上不同時進行調(diào)整?？梢允褂媒o出了高效率，例如類別D或E的類別C、F或其它的操作類別用于RF放大器16H，16L。利用這種類型的操作類別，當(dāng)輸入功率非常低時RF放大器16的輸出阻抗通常較高。由此，被斷開的兩個RF放大器(當(dāng)另外的兩個在我們的系統(tǒng)中為接通時)在輸出處表現(xiàn)出高阻抗。結(jié)果，使用具有根據(jù)工作頻率確定的k/2的微帶線26(圖4)(或者具有同樣的功效的某些其它的線)如所指示的被用于在輸出具有良好的線性。使用不同于X/2的其它長度的微帶線是可能的，因為可以調(diào)節(jié)線頭的長度(由處于斷開狀態(tài)的RF放大器造成的)以消除高階諧波，并因此提高了接通的RF放大器的效率。開關(guān)位置開關(guān)22可以形成為信號系統(tǒng)的基帶(數(shù)字)部分中，或者系統(tǒng)的模擬RF部分中，的基帶開關(guān)。圖5示出了可以使用的FPGA(利用VHDL語言)。也可在RF電路中使用開關(guān)22b,22b(例如，二極管開關(guān))，如下的圖6中所示。在此情況下，如所建模的，RF設(shè)計將更為準(zhǔn)確以避免輸出信號的失真。分離器(Srl(t)，Sr2(t))中的信號S(t)的分解在此情況下需要作如下改變rmax^(p(')+WO)^^=<夕.2—'公式(15)在此f(e)根據(jù)上面的公式(io)確定。分別利用公式(is)，通過將+e和+f(e)改變?yōu)?e和-f(e)可獲得Sr2(t)分量。注意，對于這種RF開關(guān)設(shè)計情形，Srl和Sr2是分解的或分離的信號包絡(luò)S!和S2。RF開關(guān)對其的輸入功率電平敏感。因此，在分離器的輸出考慮了兩個功率電平，并且在具有功率增益等于G一d的低功率電平RF放大器的輸入中需要一個激勵器28，如圖6所示。B一為進一步提高效率增加多級RF放大器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作為選擇，或者更一般而言，利用第一個方案的實施例，可以通過增大每個組分支14,14中的RF放大器16的數(shù)量顯著提高系統(tǒng)10，的效率。圖7示出了用于本發(fā)明的RF發(fā)射機系統(tǒng)IO，的這個方案的原理。系統(tǒng)的設(shè)計變得更為復(fù)雜，但效率快速提高。需要考慮每個RF放大器15的相位，于是在基帶信號中存在調(diào)節(jié)。使用具有不同電壓增益GJow一i(i=l到n)的低功率RF放大器16L(1)…16L(n-l)隱含需要考慮&(6i，i=l到n)的n個值。電壓增益G_high相對G_low—i可表示為G—/ow_!.=G_hig/i-Cos(0,)/=1,o"(16)組分支14，14，和具有電壓增益G_low_i(i=l到n)的任何RF放大器16L(1)...16L(n-l)中的高階RF放大器16H的輸出功率之間的差異等于fcos(60)dB。例如，當(dāng)0i-6O度時，RF放大器16L(G—low—i)相比較高功率電平的RF放大器16H(G—high)工作在6dB低的功率電平。組合器效率組合器的瞬時效率由下面的公式定義:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage18</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage18</formula>平均效率的表達式變?yōu)?lt;formula>formulaseeoriginaldocumentpage18</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage18</formula>其中，lSn;i]high-具有增益設(shè)置為G—high的RF(包括微波)放大器的效率；PkWavg:對應(yīng)于9k的PDF;:具有增益設(shè)置為G_low的RF(包括微波)放大器的與取值小于9i的信號包絡(luò)有關(guān)的相位角；當(dāng)開關(guān)工作時與信號包絡(luò)有關(guān)的相位角；對應(yīng)于&的PDF;:系統(tǒng)的平均效率。公式(17)為本發(fā)明所特有的。其顯示出通過項提高了效COS(0,)率，該項的每個值都具有大于l(對于0<9,卯度)的值。如上所述，我們知道所用的信號類型(即，輸入信號S(t)的PDF)被使用，而且我們假定所有RF放大器16所需的最初的優(yōu)化計算給出相同的效率值，等于11amp。作為第一步，首先確定平均效率的值。然后，如利用公式(14)，例如利用MATLAB軟件，由公式(17)描述的表達式為16H，而且16L(1)到16L(n)被優(yōu)化，以獲得每個組分支14，，14，中所需的RF放大器的數(shù)量。此后，可以調(diào)節(jié)所得到的6i值，或者"精-調(diào)諧"，以便考慮每個RF放大器的實際效率。圖8中的曲線2示出了相比常規(guī)LINC發(fā)射機系統(tǒng)(也在圖2中示出)的曲線1的效率的改進。對于具有高的峰-平均的信號，這種改進比其它信號的要大。如上注意到的，對于許多重要的應(yīng)用經(jīng)典LINC的局限性在于使用了具有高的峰-平均功率的信號。比較圖2和圖8接近G-卯度(tt/2或1.57孤度)時，曲線2相比曲線1獲得較高的值。確認(rèn)結(jié)果利用CDMA和64QAM信號的統(tǒng)計PDF，可以建模和證明本發(fā)明的系統(tǒng)相比經(jīng)典LINC電路效率更高?？紤]圖2，其中示出了CDMA和64QAM信號的PDF。利用本發(fā)明第一個方案的RF發(fā)射機系統(tǒng)，額外的一級或多級的實施例，而且首先僅考慮增加一級RF放大器16L(1)(G—low_l),下面的表I給出了結(jié)果效率的比較。這些結(jié)果假定使用更高電平和更低電平的RF放大器，而且它們的效率相同。此后，公式(14)給出了如下詳述的對于增加一級的值，而公式17給出了對于增加了利用16L(1)和16L(2)的兩級的值。表I<table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>相比高階RF放大器輸出0i-50度相應(yīng)于比具有高增益的放大器的輸出功率低3.8dB的值；6i-55度相應(yīng)于比具有高增益的放大器的輸出功率低4.8dB的值；e2=80度相應(yīng)于比具有高增益的放大器的輸出功率低15.2dB的值。II.提供良好線性和高效率分析的第二個方案本發(fā)明的第二個實施例并沒有使用附加的一級或多級放大器和相關(guān)的分支。其僅使用兩個非線性RF放大器。每個RF放大器在一個分支中使用；結(jié)果僅存在兩個分支(圖1)，如經(jīng)典LINC結(jié)構(gòu)中的情形。然而，信號的分解與經(jīng)典LINC中所開發(fā)的不同。兩個RF放大器16，16通常工作在高效率(類別B，C...)，特征在于非恒定的功率增益，以及在輸出處沒有非線性。本發(fā)明在RF放大器16，16的非線性工作區(qū)使用每個RF放大器16，16。圖9中示出了具有類別F的適當(dāng)?shù)腞F放大器的功率輸出作為到放大器的輸入功率的函數(shù)。在第一工作區(qū)，從放大器的高效率處的輸出功率到若干dB的補償，分離器12工作，將輸入信號S(t)分解，分離輸入信號S為兩個相同的信號S"S2(但不是分離為兩個恒定包絡(luò))。在這個工作區(qū)，兩個分支14，14中的每一個中的兩個RF放大器16，16在輸出給出兩個信號，信號在組合器18中被相位相加。實際上，組合器18以100%的效率工作。在分析中，僅考慮信號的一個部分，從需要高效率(圖9中右邊部分)的輸出功率到XdB的補償，在此如下面的更為詳細(xì)的描述確定X。從輸出功率的該XdB補償點到進一步的dB補償?shù)哪承┎欢c的另外的工作區(qū)構(gòu)成信號的第二部分。利用非恒定功率增益，輸出功率的XdB的補償對應(yīng)于輸入信號功率中的YdB的補償，X^Y。接著，在信號的該第二部分中應(yīng)用LINC分解(參見公式1到4)。當(dāng)這些ei值對應(yīng)于輸入信號的不同幅度等級時，此處的分析考慮了e,(i=i到n)，其中e產(chǎn)0度而0=90度。利用公式(1)和(2),輸出功率的XdB的補償對應(yīng)于相位角ek,k為1和n之間確定的整數(shù)。信號的第一部分對應(yīng)于o<e<ek,而第二部分對應(yīng)于e^e〈卯度。換言之，不是將額外的放大器級作用于信號，而是將輸入信號分解為由RF發(fā)射機不同地處理的不同部分，以產(chǎn)生具有所需的線性度的期望的放大效率。如果0〈e,在此情況下，在信號的第一部分，兩個非線性RF放大器16，16以可變包絡(luò)運行。這與需要恒定包絡(luò)的經(jīng)典LINC相反。結(jié)果的輸出信號失真，因為該可變性必須被校正。帶有可編程卡的分離器微處理器或DSP的信號處理在基帶信號中使用預(yù)失真，其需要作為輸出功率P。ut相對0的數(shù)據(jù)輸入。對于對應(yīng)于&(0<i<k)值的給定輸入功率電平，公式(2)保持相同并且給出KO"隨'O(18)每個rf放大器的增益g(e)隨e(非線性運算)而改變，如圖IO所示。繪制功率增益G2,dB，電壓增益G的平方，作為入口功率(dBm)的函數(shù)。針對每個0i值對應(yīng)有一個電壓增益值Gi。公式(3)和(4)變換為&(,)=s2(0=，cos(《.).(19)輸出信號S。ut定義如下I,(,,)=Y.G,..cos(《)e*(''),)(20)其中v]/i為當(dāng)輸入信號對應(yīng)于時RF放大器在每個分支的相位。結(jié)果，存在輸出信號的兩個失真源。第一個源在RF放大器的相位變化之上構(gòu)成，而第二個源是RF放大器的增益變化。為了校正由增益變化導(dǎo)致的失真，輸出信號必須與項Gi.cos(9i)成比例。為此，可以在基帶信號中使用電壓增益相對仏的數(shù)據(jù)(如圖10中所給出的)，然后尋找6j值，其驗證G;.cos(A)=G,cos(《.)(21)于是，由RF放大器引入的相位為i|/j，利用分離器12(基帶信號)通過輸入信號中的簡單的相位調(diào)節(jié)來校正V|/j。如果上述正確的話，利用公式20和21,構(gòu)成本發(fā)明的第二個實施例的預(yù)失真函數(shù)，然后，當(dāng)它們被執(zhí)行時，輸出信號S。w肯定是線性的，并且由于放大而沒有失真。第一信號部分的結(jié)果效率&或者非線性放大器的第一工作區(qū)中的運4于如下定義。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage22</formula>(22)其中ilamp是RF放大器的最大效率，Idc_max是對應(yīng)于最大效率Tlamp((00=0度))的DC電流，而ldcJ是對應(yīng)于0j的DC電流。對于每個i值有一個對應(yīng)的j值。圖ll示出了Idc相對圖9和10的RF放大器的輸入功率的關(guān)系曲線。當(dāng)0增大時Idc電流降低。Idc—max/ldcj項相比值l要大，而且當(dāng)e增大時增大。由此，本發(fā)明的發(fā)射機的效率相比經(jīng)典LINC發(fā)射機的效率提高了。如果e^e〈e^在此情況下，對如上所述的第二信號部分應(yīng)用LINC分解，以如下公式定義放大器工作區(qū)的第二部分的結(jié)果效率<formula>formulaseeoriginaldocumentpage22</formula>(23)同時考慮部分l和2，本發(fā)明的RF發(fā)射機系統(tǒng)的總平均效率定義如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage22</formula>(24)然而注意，對應(yīng)于信號的一個部分的限制，通過利用公式(22)和優(yōu)化公式(24)選擇ek以找到所需的更好的效率。III.同時混合第一和第二個方案的第三個方案本發(fā)明的第三個方案或?qū)嵤├瑫r應(yīng)用了上迷的方案1和2。也就是說，在多級方案(圖7)中，每個RF放大器16H，16L(1)…16L(n-l)與一個非恒定包絡(luò)一起使用，而不是恒定包絡(luò)。在具有GJiigh，G_low—i(i=l到n-l)的多級RF放大器中，在條件O<e<0k下應(yīng)用第二個方案。在最后一個RF放大器(G_low—n-l)完全應(yīng)用第二個方案，即，相對于方案/實施例2考慮上述的信號的第二部分。新的平均效率Tlavg為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage23</formula>(25)在這個實施例中，可以優(yōu)化公式(25)以找到最佳的0i(i-l到n)值以獲得最佳效率。利用根據(jù)本發(fā)明的RF發(fā)射機，相比現(xiàn)有技術(shù)的RF發(fā)射機系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)顯著的整體效率的改進，以及具有良好線性的輸出信號。本發(fā)明的RF發(fā)射機在當(dāng)與具有高的峰-平均功率分布圖的現(xiàn)代無線輸入信號一同使用時特別有效。本發(fā)明的系統(tǒng)利用常規(guī)組件，并且可以在廣范圍的RF(包括微波)頻率之上運行。雖然已經(jīng)參考其的優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)理解的是對本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言將想到各種各樣的修改和替代。例如，雖然在使用MATLAB軟件(運行在任何適當(dāng)?shù)挠嬎銠C上，例如常規(guī)PC)計算時描述了各種各樣的優(yōu)化，例如ei的優(yōu)化，或者針對給定效率將使用的分支的最優(yōu)數(shù)量的計算，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將想到其它的軟件和布置以完成這些和類似的計算。同樣，雖然描述了X/2微帶線和類似的傳輸線促進從分支到組合器的信號傳輸，也可以使用對本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的其它阻抗匹配設(shè)備，即使是可能增大成本或降低效率。上述的修改和變化確定為落入所附權(quán)利要求書的范圍之內(nèi)。權(quán)利要求1.一種根據(jù)具有低頻基帶和以RF頻率模擬放大的幅度調(diào)制的輸入信號S，產(chǎn)生放大的輸出信號Sout的發(fā)射機系統(tǒng)，包括信號分離器，將所述輸入信號S分解為兩個相位調(diào)制包絡(luò)信號S1和S2，所述包絡(luò)信號S1和S2具有同樣的低頻，并沿總共2n+2(n＝0，1，2，...)個平行分支傳送；每個所述分支中的至少一個RF非線性功率放大器；組合器，根據(jù)所述放大的包絡(luò)信號S1和S2，產(chǎn)生基本上線性的輸出信號Sout；以及信號處理器，包括所述信號分離器，所述信號處理器最優(yōu)化所述放大器的操作，作為分離的輸入信號S的相位角θ的函數(shù)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射機系統(tǒng)，其中所述信號處理器包括與每個所述分支相關(guān)的開關(guān)，而且與所述包絡(luò)信號Si和S2的其中之一相關(guān)的每個所述分支中的所述放大器包括高增益放大器，以及n個低增益放大器(n21),其中所迷高和低增益放大器的每一個與最優(yōu)的0值0i(lSi^n)相關(guān)，其中所述開關(guān)接通由所述信號處理器選擇的兩個所述RF放大器，而且每個與所述包絡(luò)信號Si和S2的其中一個相關(guān)，以針對給定的輸入信號S最優(yōu)化所述放大器的線性和效率。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)射機系統(tǒng)，其中所述包絡(luò)信號Sj和S2幅度恒定。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)射機系統(tǒng)，其中所述分支的每一個還包括所述RF放大器的輸入處的上變頻器，以及所述功率組合器的輸入處的阻抗匹配組件以實現(xiàn)基本的線性。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的發(fā)射機系統(tǒng)，其中所述阻抗匹配組件為半波條紋，在此k是根據(jù)所述系統(tǒng)的RF工作頻率設(shè)置的。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)射機系統(tǒng)，其中所述開關(guān)位于與所述RF放大器相關(guān)的所述系統(tǒng)的模擬部分中，而且進一步包括激勵器，所述激勵器被連接以增加對所述低增益RF放大器的每一個的RF信號輸入。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)射機系統(tǒng)，其中每個所述RF放大器都有基本上相同的效率值ila叫，而且通過最大化下述公式獲得初始最優(yōu)0i值:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>其中，n-lllavgT-所述系統(tǒng)的總平均效率；rihigh=具有增益設(shè)置為GJiigh的RF(包括微波)放大器的效率；Pk-對應(yīng)于ek的PDF;Tlum-具有增益設(shè)置為G—low的RF或微波放大器的效率；ek-與取值小于ei的信號包絡(luò)有關(guān)的相位角；6i=當(dāng)開關(guān)工作時與信號包絡(luò)有關(guān)的相位角；em-與取值大于0i的信號包絡(luò)有關(guān)的相位角；pm-對應(yīng)于em的PDF。8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)射機系統(tǒng)，其中n=l,設(shè)置所述開關(guān)以在05ei時接通所迷兩個高增益放大器；當(dāng)e〉9i時接通所述兩個低增益放大器，每一個所述低增益放大器與每個所述包絡(luò)信號Si和s2相關(guān)聯(lián)。9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)射機系統(tǒng)，其中每個所述RF放大器具有基本上相同的效率值llamp，而且通過最大化下述公式獲得初始最優(yōu)0i值(13^1):W。竭'=icos、yJ《+iA>《.其中，l$n;rihigh=具有增益設(shè)置為G_high的RF放大器的效率;-對應(yīng)于0k的PDF;-具有增益設(shè)置為G一low的RF放大器的效率;-與取值小于仏的信號包絡(luò)有關(guān)的相位角；-當(dāng)開關(guān)工作時與信號包絡(luò)有關(guān)的相位角；-對應(yīng)于0j的PDF;所述系統(tǒng)的平均效率。PkBlow10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)射機系統(tǒng)，其中i^2,設(shè)置所述開關(guān)以當(dāng)esei時接通所述兩個高增益放大器，而當(dāng)0^e￡0i+1時接通兩個所述低增益放大器GJowj,每個所述低增益放大器與所述每個包絡(luò)信號Si和S2相關(guān)聯(lián)，當(dāng)e^e^o度時接通兩個所述低增益放大器G一iowj，每個所述低增益放大器與所述每個包絡(luò)信號Si和S2相關(guān)聯(lián)。11.根據(jù)權(quán)利要求io所述的發(fā)射機系統(tǒng)，其中所述信號分離器包括可與HPGL或VHDL—同操作的數(shù)字信號處理器和/或微處理器控制器的至少其中一個，而且所述開關(guān)包括現(xiàn)場可編程門陣列。12.根據(jù)權(quán)利要求1所迷的發(fā)射機系統(tǒng)，其中所述包絡(luò)信號Si和S2是完全相同而且可變的，所述2n+2個平行分支在數(shù)目上為2(n-0)，而且所述信號處理器和分離器工作，以便(i)當(dāng)(Ke《k時，產(chǎn)生通過所述RF放大器以對應(yīng)于輸出功率的PldB和XdB補償之間的區(qū)域的高可變增益放大的可變包絡(luò)信號St和S2，以及(ii)當(dāng)0k<e<0n時，產(chǎn)生通過所述RF放大器以具有對應(yīng)于e角的余弦平方的效率的低增益放大的恒定包絡(luò)信號S!和S2，在此0k-與相應(yīng)于RF放大器的XdB補償操作的包絡(luò)信號有關(guān)的相位(1Sk5n),以及0=90度。13.根據(jù)權(quán)利要求i2所述的發(fā)射機系統(tǒng)，其中所述相位角e是最優(yōu)的，而且信號處理器控制所述RF放大器的增益和相位，以產(chǎn)生所述基本上線性的輸出信號。14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的發(fā)射機系統(tǒng)，其中所述信號處理器工作以最大化系統(tǒng)效率1]avg-t^+112，在此t]!為當(dāng)0〈e〈0k時系統(tǒng)的效率，而i]2為當(dāng)ek<e<en(lsk^n，en=90>l)時的系統(tǒng)效率，并且ti等于<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>15.根據(jù)權(quán)利要求l所述的發(fā)射機系統(tǒng)，其中所述信號處理器包括與每個所述分支相關(guān)的開關(guān)，而且與所述包絡(luò)信號S!和S2的其中一個相關(guān)的每個所述分支中的所述放大器包括高增益放大器，以及n個低增益放大器(n$l),其中所述高和低增益放大器中的每一個與最優(yōu)的e值e;(lS^n)相關(guān)，其中所述開關(guān)接通由所述信號處理器選擇的兩個所述RF放大器，而且每個都與所迷包絡(luò)信號Si和S2的其中一個相關(guān)，以最優(yōu)化所迷放大器針對給定輸入信號S的線性和效率，以及所述包絡(luò)信號Si和S2是完全相同而且可變的，所述2n+2個平行分支在數(shù)目上為2(n-0)，而且所述信號處理器和分離器工作，以便(i)當(dāng)0〈e〈9k時，產(chǎn)生通過所述RF放大器以對應(yīng)于輸出功率的PldB和XdB補償之間的區(qū)域的高可變增益放大的可變包絡(luò)信號S!和S2，以及(ii)當(dāng)e^e〈0n時，產(chǎn)生通過所述RF放大器以具有對應(yīng)于e角的余弦平方的效率的低增益放大的恒定包絡(luò)信號s!和s2,在此0k-與相應(yīng)于RF放大器的XdB補償操作的包絡(luò)信號有關(guān)的相位(lWn),以及e,90度。16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的發(fā)射機系統(tǒng)，其中最優(yōu)化所述相位角e以產(chǎn)生最優(yōu)的高平均效率iuvg,在此<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>全文摘要一種具有改進的效率和良好線性的發(fā)射機系統(tǒng)將輸入AM信號分解為在相位角θ相位調(diào)制的兩個信號。該發(fā)射機有三個主要的實施例。第一個方案對每個分解的信號包絡(luò)使用至少一個增加的RF放大器，一個或多個放大器具有相比針對該相同的信號包絡(luò)在另一分支中的高增益放大器的增益要低的低增益。一個相應(yīng)于接通總共2n+2個分支(n＝0，1，2，…)中的兩個分支的相位角θ_i被確定。第二個方案使用如僅需要兩個RF放大器的經(jīng)典LINC系統(tǒng)的相同的通用原理結(jié)構(gòu)，但是使用了不同的分解，因為該兩個RF放大器是在它們的線性區(qū)域內(nèi)使用的。所分解的信號包絡(luò)可以是可變的。所放大的輸出信號允許組合器在大部分信號中以100％的效率使用。第三個方案結(jié)合了第一和第二個方案。文檔編號H04B1/04GK101218748SQ200680024894公開日2008年7月9日申請日期2006年5月30日優(yōu)先權(quán)日2005年5月27日發(fā)明者艾哈邁德·比拉法內(nèi)申請人:艾哈邁德·比拉法內(nèi)