CN111740708B 一种基于发射机支路增益设置进行调节功率放大器多电平电源电压的系统及方法 （西北大学）

一种基于发射机支路增益设置进行调节功本发明公开一种基于发射机支路增益设置进行调节功率放大器多电平电源电压的系统及方法，该系统包括射频收发信机、升压/降压直射频收发信机向升压/降压直流-直流变换器发射频预失真器将处理后的射频预失真信号发送2机用于输出模拟电压信号控制升压/降压直流-直流变换器的输出可变多电平电源电压值压直流-直流变换器的输入直流电压转换成多电平电源电压中相应的一种电压值作为输出射频预失真器，用于接收射频发射机输出的射频激励信号功率放大器，用于接收多电平电源电压和射频预失真信号，分信号反馈射频送至射频收发信机进行下变频和解模数转换器，用于接收功率放大器放大后的射频信号功率强度指示模拟增益指数控制单元，用于在系统出厂前通过离线模式对实测发射支路增益查找单元，用于接收增益指数控制单元分配发射支路电路单元中各个电路的功率放大倍数或增益,并输出信号去设置发射支路发射支路电路单元,用于根据发射支路增益查找单元分配的发射支路各个电路的功率放大倍数或增益,设置各个电路相应的功率增益值，从而确定射频激励信号在射频预失真控制指数简化单元，用于接收增益指数控制单元输出的增益指第一数模转化器转换为模拟电压信号控制升压/降压直流-直流变换器输出相应的电压电其中，所述第二数模转换器将数字基带信号转换为模拟对载波信号进行调制，调制后的调制信号实现3所述控制指数简化单元对增益指数进行简化处理的过程包括：根首先预设功率放大器输出目标功率分贝毫瓦值,再通过增益指数控制单元设置放大发射支路增益查找单元查找出事先设计好的各个电路放大增益分配格式,该增益分配格式送至发射支路电路单元对各个电路单元的放在出厂前离线状态下进行功率放大器输出信号功率大小或强弱和发射机支路增益指信道中心频率点对所需传输信号进行功率放大器输出信号功率大小或强弱和发射机支路在每一增益指数设置下实测功率放大器输出信号功率,从而记录所有增益指数同实测功行功率放大器输出信号功率大小和发射机支路增益指数之间确定关系的校准,经过在每一频率点上调节增益指数，直至实测射频发射机输出功率和目标功率之间的误差≤±1分2.根据权利要求1所述的一种基于发射机支路增益设置进行调节功率放大器多电平电误差信号产生器，用于接收射频发射机输出的射频激励信号经第二耦路前馈射频信号以及功率放大器输出的射频放大信号经第一耦合器耦合的一支路反馈射预失真系数生成器，根据误差信号自适应更新预失真系数,直到误差信号减小并且收4预失真生成器，根据非线性多项式对射频激3.根据权利要求1所述的一种基于发射机支路增益设置进行调节功率放大器多电平域并通过升压/降压直流-直流变换器直接对功率放大器电源电压进行设置或调节,用作4.根据权利要求2所述的一种基于发射机支路增益设置进行调节功率放大器多电平电集功率放大器的输入信号，所述升压/降压直流-直流控制器输出模拟电压信号控制升压/5.根据权利要求4所述的一种基于发射机支路增益设置进行调节功率放大器多电平电述计算机对功率放大器射频信号输出的等效基带信号和功率放大器射频信号输入的等效6.根据权利要求5所述的一种基于发射机支路增益设置进行调节功率放大器多电平电7.根据权利要求6所述的一种基于发射机支路增益设置进行调节功率放大器多电平电用于补偿功率放大器在不同电源电压下引起的步骤S1：误差信号生产器分别采集射频收发信机输出的射频合的前馈射频信号和功率放大器输出的射频放大信号经第一耦合器耦合的反馈射频信号，并分别经过下变频、解调处理后获得前馈射频信号的基带信号和反馈射频信号的基带信5步骤S2：将步骤S1中更新的预失真系数发送至预失真多项式生成器生成预失真多项步骤S3：在预失真生成器内，预失真多项式的同相分量与输8.一种实现权利要求1-7任一项基于发射机支路增益设置进行调节功率放大器多电在线上模式下，射频发射机内控制指数简化单元对接收的增益指数简化控制指数，并由电源电压查找单元根据输入的简化控制指数查找对应的电源电压值，通过第一数模转换器转换为模拟电压信号控制升压/降压直流-直流变换器输出电压电平作为功率放大器在下一帧发射功率值范围的相应实际电功率放大器工作在不同电源电压下，通过射频收发信射频发射机内发射支路增益查找单元对接收的增益指数通过查表方式分配至发射支射频发射机输出的射频激励信号经第二耦合器耦合的一支路前馈射频输出耦合信号或6大器射频信号输出的等效基带信号和功率放大器射频信号输入的等效基带信号代入最小新其预失真系数，用于在线上模式中补偿功率放大器在不同电源电压下引起的非线性失受控于其输入的模拟电压，所述模拟电压通过射频发射机中的发射支路增益设置进行调7[0002]通常功率放大器作为无线发射机系统或设备未端频信号时,无论放大后输出射频信号的平均功率较强或较弱,其放大器电源电压是固定不率放大器的直流功耗也较大,并导致功率效率降低。改善功率效率的有效方式之一是根据功率放大器输出信号功率強弱来动态调节放大器电源电压值,电源电压随着放大器输出信[0003]电源调制器或升压-降压DC-DC转换器可分别向功率可变电源电压是根据功率放大器输入射频信号包络变化或基于下一时间段中功率放大器输出射频信号平均功率,因而相对应向功率放大器提供可变电源电压的方式分别称为包络用该包络信号作为输入来控制电源调制器(如图1中包络跟踪组件)，使其电源调制器输出压,并且该动态电源电压跟踪射频信号包络变化,因而电源电流也随着射频信号包络变化而上升或下降,其结果减少了多余直流电压并确保放大器可以输出瞬时功率,从而最大限度地改善了功率效率并且延长了电源电池使用持续时间。但是该技术缺点是:由于受电源调制器传输带宽限制,电源调制器输出射频信号包络变化会导致功率放大器产生严重非线[0005]同包络跟踪(ET)技术相比较，平均功率跟踪(APT)技术根据射频信号在下一段时间内的平均功率测量值或估算值来通过升压/降压直流-直流(DC-DC)转换器(如图1中平均低，但放大后的射频信号具有抑制带内频谱旁瓣和带外杂散性能好,硬件实现也较为简单输信号并且放大器输入射频信号功率较低时,同常规固定电源电压功率放大器相比,平均估值下一段时间中射频信号的平均功率,但困难的是如何实时测量或估值该时段内信号功率,并依据测量或估值信号功率来调节功率放大器的电源电压,而又不延迟及影响该射频8[0006]本发明针对上述存在的技术问题，提出了对下一帧传输射频信号,直接根据发射机支路增益设置调节功率放大器多电平电源电压,向功率放大器提供相应电源电压值以降低多余的直流功耗,从而改善功率放大器功率效率,并且同时采用射频预失真器(RFPD)辅助对功率放大器在不同电源电压激励下引起的非[0007]发射机支路增益用来控制功率放大器下一帧输出射频信号平均功率的大小或强发射机用于输出模拟电压信号控制升压/降压直流-直流变换器的输出可变多电平电源电射机输出的射频激励信号经第二耦合器耦合的一支路射压供给下放大射频预失真信号，将放大的射频预失真信号作为射频放大信号发送至天线，用于射频信号功率强度指示模拟电压信号反馈至一支路前馈射频信号以及功率放大器输出的射频放大信号经第一耦合器耦合的一支路反[0016]预失真系数生成器，根据误差信号自适[0017]预失真多项式生成器，根据更新的预失真系数对输入的前馈射频信号经下变频、[0018]预失真生成器，根据非线性多项式对射频激励信号进行处理得到射频预失真信9方式分配发射支路电路单元中各个电路的功率放大倍数或增益,并输出信号去设置发射支[0023]发射支路电路单元,用于根据发射支路增益功率放大倍数或增益,设置各个电路相应的功率增益值，从而确定射频激励信号在射频预通过第一数模转化器转换为模拟电压信号控制升压/降压直流-直流变换器输出相应的电行适当放大,其放大增益作为发射支路增益的一部分；所述调制器使用放大后的输入基带信号对载波信号进行调制，调制后的调制信号实现了频谱搬移,即低频频谱搬移到高频频谱,所述上变频器和调制器设计在一起实现频谱搬移；所述射频功率放大驱动器对调制后放大器放大增益是固定的，而射频功率放大驱动器放大增益是可调节的,通过调节可增大功率区域大小间接进行设置,以便选择合理的电源电压值避免使用多余和过高的电源电压[0030]优选的，所述电源电压查找单元根据发射机支路增益指数所在的区域并通过升压/降压直流-直流变换器直接对功率放大器电源电压进行设置或调节,用作传输下一帧射对功率放大器射频信号输出的等效基带信号和功率放大器射频信号输入的等效基带信号器耦合的前馈射频信号和功率放大器输出的射频放大信号经第一耦合器耦合的反馈射频将误差信号代入自适应更显算法中进行初始预失真平作为功率放大器在下一帧发射功率值范围的相[0041]射频发射机内发射支路增益查找单元对接收的增益指数通过查表方式分配至发[0042]射频发射机输出的射频激励信号经第二耦合器耦合的一支路前馈射频输出耦合差异产生误差信号，或根据反馈射频信号在频域中频带外的泄漏信号的强弱得到误差信放大器射频信号输出的等效基带信号和功率放大器射频信号输入的等效基带信号代入最换器输出电压用作下一帧发射信号期间的功率放大器的电调节功率放大器多电平电源电压的系统著特点是基于发射机支路增益设置范围直接调节功率放大器电源电压而无需测量功率放大器输出信号在下一帧信号传输时间内的平均功率,这是由于发射支路的增益值设置同功率放大器输出平均功率的关系是在校准阶段通过实测获得的,并储存在发射机的存储器中,因此根据发射支路增益设置范围并通过查表方法直接自动调节设置放大器电源电压而无需实测,该发射支路增益设置是用来调整下一帧小时,发射支路增益对功率放大器电源电压进行调节使之也相应降低,这样直流电流也降得到改善。通过调节电源电压以降低多余直流功耗,并同时采用射频预失真器辅助该调节功率放大器电源电压的激励,以便在保持较大功率放大器输出信号功率时,对放大器输出[0047]本发明的主要应用领域是第4代(4G)和第5代(5G)无线通信网络发射基站(BS)中中功率放大器的功率消耗占到整个系统设备消耗的大约60％-70％以上,所以改善功率放大器的功率效率在改善整个系统功率效率过程中占[0048]本发明的社会经济和环境有益效果是基于发射机支路增益设置进行调节功率放大器多电平电源电压，以便降低多余的电源直流功耗从而改善功率放大器功率传输效率、质量。因此,对该系统设备通过降低直流功耗而改善功率传输效率技术也被称为绿色无线[0050]图1为现有技术的一种包络和平均功率激励(跟踪)功率放大器系统以及数字预失[0052]图3为本发明的第一实施例中发射支路增益调节功率放大器多电平电源电压以及[0053]图4为本发明的第二实施例中发射支路增益调节功率放大器电源电压以及射频预[0054]图5为发射支路中各个电路单元放大增益配置产生以及和功率放大器输出功率之[0055]图6为本发明第一实施例中发射支路增益调节功率放大器电源电压以及射频预失[0057]图8为本发明提出针对下一帧发射信号期间(某一时间段内)的间接估值平均功[0058]图9为本发明在离线模式下即非工作模式下,对功率放大器在不同电源电压工作[0059]图10为本发明在离线模式下,对功率放大器在不[0063]本发明公开了一种基于发射机支路增益设置进行调节功率放大器多电平电源电[0064]具体的(详细功能框图请参考图6所示)，所述射频收发信机170包括射频发射机降压直流-直流变换器112的输出多电平电源电压值中的某一固定电源电压作为功率放大[0065]所述升压/降压直流-直流变换器112直接基于发射支路放大增益区域范围输出信作为功率放大器116的电源电压,射频收发信机170可对该放大增益区域范围输出信号编程。输出的电源电压值大小受控于发射支路增益区域范围设置,该增益区域和下一帧射频[0067]误差信号产生器146，用于接收射频发射机180输出的射频激励信号160经第二耦合器136耦合的一支路前馈射频输出耦合信号168以及功率放大器116输出的射频放大信号馈射频信号的基带信号和反馈射频信号的基带信号,根据他们之间在时间域上的差异或频入的射频耦合信号168和反馈射频信号130在时间域的差异并代入迭代公式更新预失真系数对放大前输入的射频耦合信号168经下变频、解调、低通滤波处理后的基带信号进行处[0071]所述功率放大器116接收预失真信号128,并对其进行功率放大,产生功率放大后且根据远端用户接收该信号的质量反馈信息共同决定下一帧将要发射信号的强度或大小,从而通过设置发射支路相应的放大增益值调节下一帧发射信号的强度,同时根据该放大增益所处的区域范围来调节升压/降压直流-直流变换器112输出的[0072]如图6所示，为基于发射机支路增益设置进行调节功率放大器多电平电源电压的[0073]所述的功率放大器116输出的射频放大信号经过双工器122处理后送至发射天线114发射出去，从发射天线114接收的射频信号经过双工器122处理后并经过外部低噪声放频放大信号经过第一耦合器124后其中一小部分反馈射频信号130反馈至射频预失真器150内，同时该小部分中的一部分信号反馈射频送至射频收发信机170中的射频接收机进行下射频收发信机170中在发射模式下,而射频接收机190处于空闲状态下进行下变频和解调处理,从而省去射频预失真器150中的下变频器、解调器、和模数转换器152以便简化系统设[0077]下变频器194，用于接收经过射频开关196选择之后的射频信号138或反馈射频信低频基带信号通过低通滤波器被送至数字信号处的输出信号,该功率放大器驱动单元186的输出功率驱动信号送至之后的功率放大器行进一步功率放大或先经过射频预失真器150作预失310实现延迟时间τ1以便匹配正交射频调制器320产生的延迟；360构成,其中延迟电路330产生延迟时间τ2实现-90度相位移动,从而形成正交支路射频信输出信号,并分别和同相乘法器340以及正交乘法器350相乘,其相乘后的输出经过加法器[0084]第二耦合器136耦合出一小部分射频信号送至正交射频调制器320,第三耦合器166将加法器360输出射频信号同预失真信号在第三耦合器166中合成相加后送到功率放大[0086]本发明公开的一种基于发射机支路增益设置进行调节功率放大器多电平电源电值以及借助功率放大器输出发射信号强度指示信号(TSSI)126，进行校准发射机支路增益指数同功率放大器输出平均功率值之间一对一关系,该发射信号强度指示信号(TSSI)126[0087]需要说明的是离线(offline)模式和线上(online)模式之间区别:离线模式是指射频收发信机处于一种非工作状态,例如设备或系统处在工厂参数性能测试和参数校准阶段；而线上模式为所使用的设备或系统处于工作使用状态,例如设备或系统处于用户使用[0088]虚线方框内的功率测量单元618和发射信号强度模型建立单元616表示该单元只述发射信号强度模型建立单元616的输出端与射频发射机180中的发射支路增益查找单元[0090]模数转换器(ADC)602，用于接收功率放大器116放大后的射频信号功率强度指示[0091]增益指数控制单元604，用于在系统设备出厂前通过离线模式对实测发射功率与控制发射支路增益查找单元608和控制指数简过查表方式分配发射支路电路单元中各个电路的功率放大倍数或增益,并输出信号去设置发射支路电路单元614控制各个电路的相应[0093]发射支路电路单元614,用于根据发射支路增益查找单元608分配的发射支路各个电路的功率放大倍数或增益,设置各个电路相应的功率增益值，从而确乘,也称为频率上行变换,调制后的调制信号实现了频谱搬移,即低频频谱搬移到高频频谱,上变频器和调制器设计在一起实现频谱搬移；射频功率放大驱动器对调制后的调制信号进行功率放大以满足之后跟随的功率放大器对其输入信号功率的要求,该放大驱动器放并通过第一数模转化器(DAC)612转换为模拟电压信号控制升压/降压直流-直流变换器112[0097]其中，发射支路增益设置是通过发射支路单元中各个电路放大增益设置而实现,其目的是调节功率放大器116输出射频放大信号120功率大小,图5列举了发射支路增益指等于发射支路增益分贝数(dB),功率放大器输出功率分贝毫瓦等于低通滤波器输入功[0099]首先预设功率放大器输出目标功率分贝毫瓦(dBm)值,再通过增益指数控制单元射支路电路单元614中各个电路放大增益分贝值之和,可参考图5所示。然后根据指数控制单元604的输出增益指数信号发送至发射支路增益查找单元608查找出事先设计好的各个电路放大增益分配格式,该增益分配格式送至发射支路电路单元614对各个电路单元的放目标功率分贝毫瓦(dBm)之间的差距小于特定门槛值,反之在增益指数控制单元604通过反[0100]升压/降压直流-直流变换器112的输出电压值取决于升压/降压直流-直流变换器输入的模拟电压信号模拟电压信号，根据发射机支路增益指数所在的区域并通过升压/降压直流-直流变换器直接对功率放大器电源电压进行设置或调节,用作传输下一帧射频信[0101]本发明中功率放大器电源电压设置值同802.11无线区域网射频信号在每一帧信是射频收发信机170在发射模式下向用户发射帧信号传输的时间，Trx是射频收发信机在器电源电压通过发射支路增益设置(详见图5)同功率放大器输出信号平均功率成正比,即随着每帧信号平均功率值增加或减小,电源电压也随着增加或减小。在发射每帧信号平均失真。这种通过减小多余直流功耗,从而降低直流功耗并且不会引起射频信号失真是因为电源电压在下一帧信号发射之前已设置稳定,并且该电压大小合适，因而不会引起传输信[0102]在出厂前离线状态下进行功率放大器输出信号功率大小或强弱和发射机支路增和最高端信道中心频率点,其信道中心频率点选取同所传输信号带宽有关联。首先选择在低端信道中心频率点对所需传输信号进行功率放大器输出信号功率大小或强弱和发射机支路增益指数之间确定关系的校准,调节发射机支路增益指数从小到大,功率步长大约为率点进行功率放大器输出信号功率大小和发射机支路增益指数之间确定关系的校准,经过下一帧所需输出功率大小,通过调节增益指数而设置发射支路增益完成所需发射功率输出,同时根据简化增益指数找出相对应的电源电压值，并通过数模转化器转换为模拟电压信号控制升压/降压直流-直流变换器输出相应的电压电平作为功[0105]本系统包括射频信号发生器510、升压/降压直流-直流控制器506、升压/降压直率放大器输出等效基带信号时,所述射频信号发生器510的输出端和功率放大器116、衰减直流-直流控制器506输出模拟电压信号控制升压/降压直流-直流变换器112的输出电压，[0106]这里需要说明:信号经过实线连接至频谱分析仪516的输入端是用于采集功率放大器116输出信号数据,而经过虚线连接至频谱分析仪的输入端是用于采集射频信号发生器510输入信号数据作为功率放大器116输入信号数据,这两种不同方式连接至频谱分析仪[0107]其中，射频信号发生器510输出具体应用的[0108]然后,连接射频信