用于具有高papr的信號的高效率和高線性自適應(yīng)功率放大器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明的一些實(shí)施例涉及用于具有高PAPR的信號的高效率和高線性自適應(yīng)功率放大器。本發(fā)明的一個實(shí)施例提供一種用于控制無線發(fā)送器中的功率放大器的操作的系統(tǒng)。在操作期間，該系統(tǒng)接收待發(fā)送的基帶信號，并且基于基帶信號的電平在具有第一功率回退因子的高功率回退模式與具有第二功率回退因子的正常模式之間動態(tài)切換功率放大器的操作模式。
【專利說明】用于具有高PAPR的信號的高效率和高線性自適應(yīng)功率放大器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開內(nèi)容主要地涉及一種在正交頻分復(fù)用(OFDM)發(fā)送器中使用的功率放大器。更具體而言，本公開內(nèi)容涉及一種能夠在放大OFDM信號時實(shí)現(xiàn)高效率的自適應(yīng)功率放大器。
【背景技術(shù)】
[0002]正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)由于它的許多優(yōu)點(diǎn)而在近年來已經(jīng)變得越來越流行，這些優(yōu)點(diǎn)包括頻率效率和在嚴(yán)格無線環(huán)境中抗頻率選擇性信道衰落。在過去十年期間，OFDM已經(jīng)變成諸如WiF1、全球微波接入互操作性(WiMAX)、數(shù)字視頻廣播(DVB)、長期演進(jìn)(LTE)、TV白空間(TVWS)等許多標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。
[0003]然而OFDM也受一些弊端困擾。一個重要問題是發(fā)送的信號的高的峰均功率比(PAPR)。高峰值可能造成功率放大器飽和從而導(dǎo)致非線性信號失真。為了防止非線性失真，常規(guī)方式依賴于通過使功率的輸出功率完全回退(back-off)以適應(yīng)高峰值來保持功率放大器在線性范圍中工作。這樣的方式可能造成低信噪比(SNR)或者加大尺寸和低效率的功率放大器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的一個實(shí)施例提供一種用于控制無線發(fā)送器中的功率放大器的操作的系統(tǒng)。在操作期間，該系統(tǒng)接收待發(fā)送的基帶信號并且基于基帶信號的電平在具有第一功率回退因子的高功率回退模式與具有第二功率回退因子的正常模式之間動態(tài)切換功率放大器的操作模式。
[0005]在關(guān)于這一實(shí)施例的變化中，該系統(tǒng)將基帶信號從數(shù)字域轉(zhuǎn)換至模擬域；調(diào)制DA轉(zhuǎn)換的基帶信號；并且由功率放大器放大調(diào)制的信號。
[0006]在關(guān)于這一實(shí)施例的變化中，在動態(tài)切換功率放大器的操作模式時，該系統(tǒng)確定基帶信號的電平是否超過預(yù)定閾值。如果是這樣，則該系統(tǒng)將功率放大器置于高功率回退模式中；如果不是這樣，則該系統(tǒng)將功率放大器置于正常模式中。
[0007]在又一變化中，將功率放大器置于高功率回退模式中包括增加功率放大器的偏置電壓或者偏置電流。
[0008]在關(guān)于這一實(shí)施例的變化中，第一功率回退因子與第二功率回退因子之差取決于基帶信號的峰均功率比(PAPR)。
[0009]在關(guān)于這一實(shí)施例的變化中，從用于無線發(fā)送器的基帶數(shù)字信號處理器(DSP)接收基帶信號。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1呈現(xiàn)了圖示了常規(guī)無線發(fā)送器的架構(gòu)的圖。[0011]圖2呈現(xiàn)了圖示了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的無線發(fā)送器的架構(gòu)的圖。
[0012]圖3呈現(xiàn)了圖示了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的示例功率放大器控制器的架構(gòu)的圖。
[0013]圖4呈現(xiàn)了圖示了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的控制功率放大器的操作的過程的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]呈現(xiàn)以下描述以使本領(lǐng)域任何技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)和使用本發(fā)明，并且在具體應(yīng)用及其要求的背景中提供以下描述。對公開的實(shí)施例的各種修改將容易為本領(lǐng)域技術(shù)人員所清楚，并且這里限定的一般原理可以應(yīng)用于其它實(shí)施例和應(yīng)用而未脫離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)和范圍。因此，本發(fā)明不限于所示實(shí)施例而是將被賦予與這里公開的原理和特征一致的最廣范圍。
[0015]MM
[0016]本發(fā)明的實(shí)施例提供一種可以基于信號的電平自適應(yīng)地調(diào)整功率放大器的操作點(diǎn)的OFDM發(fā)送器。更具體而言，當(dāng)基帶信號的電平為高時，增加功率放大器的偏置電壓以保證高電平信號未失真。一旦信號電平返回至正常范圍，則功率放大器返回至它的正常工作模式，因此提供更高總功率效率。由于基于基帶信號進(jìn)行判決，所以在功率放大器的兩個操作模式之間的轉(zhuǎn)變時間可以充分低。
[0017]用于OFDM發(fā)送器的功率放大器
[0018]在OFDM系統(tǒng)中，高PAPR值是許多獨(dú)立子載波的疊加的結(jié)果，并且與子載波數(shù)目直接成比例。更具體而言，OFDM系統(tǒng)的PAPR可以由PAPR(dB) = IOlog(N)給定，其中N是子載波數(shù)目。例如基于OFDM的標(biāo)準(zhǔn)802.lla/g指定OFDM子載波數(shù)目為52。當(dāng)在符號時段期間排列所有52個子載波的相位時，PAPR為17dB。為了適應(yīng)這樣的高峰值而又維持線性(也就是提供增益而不在每個可能峰值壓縮)，功率放大器的操作點(diǎn)需要從峰功率操縱點(diǎn)(handling point)回退17dB。這樣的大功率回退因子意味著功率放大器必須在它的平均功率要求方面加大尺寸。此外，它僅能在信號電平低于峰值時提供顯著減少的輸出功率(減少由PAPR給定的量)。注意由于信號電平在多數(shù)時間低于峰值，并且由于DC功率消耗取決于峰電平，所以功率放大器(PA)的總效率很低。例如典型B類PA的最大功率效率可以是78.5%。然而，如果放大的信號具有IOdB的PAPR值，則這一效率降至7.85%，這意味著IOOmW的輸出功率電平將消耗1.3W的DC功率。這樣的高DC功率消耗對于電池供電的便攜設(shè)備(比如膝上型或者寫字板設(shè)備)和移動設(shè)備(比如智能電話)而言可能是個大問題。
[0019]圖1呈現(xiàn)了圖示了常規(guī)無線發(fā)送器的架構(gòu)的圖。在圖1中，發(fā)送器100包括基帶數(shù)字信號處理器(DSP) 102、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) 104和106、射頻集成電路(RFIC)芯片108、功率放大器110以及天線112。RFIC芯片108包括LPF114和116、可變增益放大器(VGA) 118和120、混合器122和124、加法器126以及功率放大器驅(qū)動器128。
[0020]在操作期間，基帶DSP102分別向DAC104和106輸出I基帶信號和Q信道基帶數(shù)字信號，這些DAC將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換至模擬域。轉(zhuǎn)換的模擬信號然后分別由LPFl 14和LPFl 16以及VGA118和VGA120濾波并且放大。放大的I基帶信號和Q基帶信號然后由包括混合器122-124和加法器126的調(diào)制器調(diào)制。注意，在圖1中未示出調(diào)制器的其它標(biāo)準(zhǔn)部件，諸如本地振蕩器和移相器。然后經(jīng)由功率放大器驅(qū)動器128向功率放大器110發(fā)送經(jīng)調(diào)制的信號。在由PAllO放大之后，經(jīng)由天線112發(fā)送經(jīng)調(diào)制的信號。
[0021]如先前討論的那樣，當(dāng)設(shè)計(jì)功率放大器110時，尤其對于具有高PAPR的OFDM信號而言，很難同時滿足線性和功率效率要求。滿足線性要求經(jīng)常意味著犧牲功率效率，并且反之亦然。為了解決這樣的沖突，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，根據(jù)基帶信號的電平動態(tài)調(diào)整發(fā)送器PA的操作點(diǎn)，因此滿足線性要求而又實(shí)現(xiàn)總體高效率。更具體而言，在本發(fā)明的實(shí)施例中，PA被配置成僅在系統(tǒng)確定基帶信號超過閾值時在高功率回退模式工作；否則，PA被配置成在無需功率回退的正常模式工作。
[0022]圖2呈現(xiàn)了圖示了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的無線發(fā)送器的架構(gòu)的圖。在圖2中，發(fā)送器200包括基帶數(shù)字信號處理器(DSP) 202、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) 204和數(shù)模轉(zhuǎn)換器206、功率放大器控制器208、射頻集成電路(RFIC)芯片210、功率放大器212以及天線214。RFIC芯片包括LPF216和LPF218、可變增益放大器(VGA) 220和可變增益放大器222、混合器224和混合器226、加法器228以及功率放大器驅(qū)動器230。
[0023]在操作期間，基帶DSP202、DAC204 和 DAC206、RFIC 芯片 210、PA212 以及天線 214執(zhí)行與圖1中所示常規(guī)發(fā)送器中的功能相似的各種功能，包括生成I基帶信號和Q基帶信號、DA轉(zhuǎn)換I/Q信號、濾波、調(diào)制、放大以及發(fā)送經(jīng)調(diào)制的無線電信號。此外，基帶DSP202也與基于基帶信號的電平控制PA212的操作的PA控制器208交互。
[0024]更具體而言，當(dāng)PA控制器208檢測到基帶信號的電平為高(諸如超過閾值)時，它將把PA212的操作點(diǎn)移向如下點(diǎn):該點(diǎn)造成PA212在高功率回退模式中工作。在一個實(shí)施例中，PA控制器208將PA212的偏置電壓調(diào)整至更高電平以便讓PA212在高功率回退模式中工作。當(dāng)基帶信號的電平返回至正常時，PA控制器208然后將把PA212的操作點(diǎn)移向它的正常操作點(diǎn)。如更早討論的那樣，PA212在高功率回退模式中工作之時受更低效率困擾，因?yàn)楦咂秒妷阂馕吨逥C功率消耗。然而，由于對于OFDM系統(tǒng)而言，信號電平比平均值大得多的可能性相對低，并且信號電平在多數(shù)時間保持接近或者低于平均電平，所以PA212僅需在這一高功率回退，因此低效率的模式中工作持續(xù)小百分比時間。因此，總效率仍然可以保持高。
[0025]例如，在典型OFDM系統(tǒng)中，信號的電平在95%的時間保持接近或者低于平均電平，而PAPR比IOdB低得多，而僅在其余5%的時間期間信號的PAPR超過10dB。因而PA在95%的時間置于正常工作模式中并且在5%的時間置于具有至少IOdB功率回退因子的高功率回退模式中。對于典型B類PA而言，這意味著PA的效率在95%的時間保持于78.5%電平并且僅在5%的時間降至約7.85%。因而總效率平均約為75%，這比常規(guī)PA的7.85%效率的多于八倍。
[0026]圖3呈現(xiàn)圖示了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的示例PA控制器的架構(gòu)的圖。在圖3中，PA控制器300包括接收機(jī)構(gòu)302、峰檢測器304和控制信號輸出機(jī)構(gòu)306。
[0027]接收機(jī)構(gòu)302負(fù)責(zé)從基帶DSP接收與基帶信號的電平關(guān)聯(lián)的信息，該基帶DSP是負(fù)責(zé)生成基帶信號的基帶DSP。如果調(diào)制方案是正交調(diào)制，則總信號電平取決于I信道信
號和Q信道信號。更具體而言，可以給定總信號的幅度為
【權(quán)利要求】
1.一種用于控制無線發(fā)送器中的功率放大器的操作的方法，包括: 接收待發(fā)送的基帶信號；并且 基于所述基帶信號的電平在具有第一功率回退因子的高功率回退模式與具有第二功率回退因子的正常模式之間動態(tài)切換所述功率放大器的操作模式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括: 將所述基帶信號從數(shù)字域轉(zhuǎn)換至模擬域； 調(diào)制經(jīng)DA轉(zhuǎn)換的基帶信號；并且 由所述功率放大器放大經(jīng)調(diào)制的信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中動態(tài)切換所述功率放大器的所述操作模式包括: 確定所述基帶信號的所述電平是否超過預(yù)定閾值； 如果是這樣，則: 將所述功率放大器置于所述高功率回退模式中；而如果不是這樣，則: 將所述功率放大器置于所述正常模式中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中將所述功率放大器置于所述高功率回退模式中包括增加所述功率放大器的偏置電壓或者偏置電流。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一功率回退因子與所述第二功率回退因子之差取決于所述基帶信號的峰 均功率比(PAPR)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中從用于所述無線發(fā)送器的基帶數(shù)字信號處理器(DSP)接收所述基帶信號。
7.一種用于控制無線發(fā)送器中的功率放大器的操作的功率放大器控制器，包括: 接收機(jī)構(gòu)，配置成接收待發(fā)送的基帶信號；以及 控制信號輸出機(jī)構(gòu)，配置成基于所述基帶信號的電平向所述功率放大器輸出控制信號，其中所述控制信號被配置成在具有第一功率回退因子的高功率回退模式與具有第二功率回退因子的正常模式之間動態(tài)切換所述功率放大器的操作模式。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的功率放大器控制器，還包括:確定機(jī)構(gòu)，配置成確定所述基帶信號的所述電平是否超過預(yù)定閾值；并且 其中所述控制信號輸出機(jī)構(gòu)被配置成: 響應(yīng)于所述基帶信號的所述電平超過所述預(yù)定閾值，輸出將所述功率放大器置于所述高功率回退模式中的控制信號；以及 響應(yīng)于所述基帶信號的所述電平少于所述預(yù)定閾值，輸出將所述功率放大器置于所述正常模式中的控制信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的功率放大器控制器，其中將所述功率放大器置于所述高功率回退模式中包括增加所述功率放大器的偏置電壓或者偏置電流。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的功率放大器控制器，其中所述第一功率回退因子與所述第二功率回退因子之差取決于所述基帶信號的峰均功率比(PAPR)。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的功率放大器控制器，其中所述接收機(jī)構(gòu)從用于所述無線發(fā)送器的基帶數(shù)字信號處理器(DSP)接收所述基帶信號。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的功率放大器控制器，其中所述功率放大器控制器是用于所述無線發(fā)送器的基帶數(shù)字信號處理器(DSP)的一部分。
13.一種無線發(fā)送器，包括: 功率放大器； 基帶數(shù)字信號處理器(DSP)； 數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)； 調(diào)制器；以及 功率放大器控制器，其中所述功率放大器控制器還包括: 接收機(jī)構(gòu)，配置成接收待從所述基帶DSP發(fā)送的基帶信號；以及 控制信號輸出機(jī)構(gòu)，配置成基于所述基帶信號的電平向所述功率放大器輸出控制信號，其中所述控制信號被配置成在具有第一功率回退因子的高功率回退模式與具有第二功率回退因子的正常模式之間動態(tài)切換所述功率放大器的操作模式。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的無線發(fā)送器，其中所述DAC被配置成將所述基帶信號從數(shù)字域轉(zhuǎn)換至模擬域，其中所述調(diào)制器被配置成調(diào)制經(jīng)DA轉(zhuǎn)換的基帶信號，并且其中所述功率放大器被配置成放大經(jīng)調(diào)制的信號。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的無線發(fā)送器，其中所述功率放大器還包括:確定機(jī)構(gòu)，配置成確定所述基帶信號的所述電平是否超過預(yù)定閾值；并且 其中所述控制信號輸出機(jī)構(gòu)被配置成: 響應(yīng)于所述基帶信號的所述電平超過所述預(yù)定閾值，輸出將所述功率放大器置于所述高功率回退模式中的控制信號；以及 響應(yīng)于所述基帶信號的所述電平少于所述預(yù)定閾值，輸出將所述功率放大器置于所述正常模式中的控制信號。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的無線發(fā)送器，其中將所述功率放大器置于所述高功率回退模式中包括增加所述功率放大器的偏置電壓或者偏置電流。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的無線發(fā)送器，其中所述第一功率回退因子與所述第二功率回退因子之差取決于所述基帶信號的峰均功率比(PAPR)。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的無線發(fā)送器，其中所述調(diào)制器是正交調(diào)制器。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的無線發(fā)送器，其中所述功率放大器控制器是所述基帶DSP的一部分。
【文檔編號】H03F3/20GK103684285SQ201310025101
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年1月11日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月14日
【發(fā)明者】王航, 李濤, 張丙雷, 莫世雄 申請人:美國頻順通訊科技公司