TWI743955B

TWI743955B - 具有數位預失真機制的功率放大裝置及方法

Info

Publication number: TWI743955B
Application number: TW109128481A
Authority: TW
Inventors: 航劉; 王文山; 周千譯; 傑聖楊
Original assignee: 瑞昱半導體股份有限公司
Priority date: 2020-08-20
Filing date: 2020-08-20
Publication date: 2021-10-21
Also published as: US20220060154A1; US11671060B2; TW202209807A

Abstract

一種具有數位預失真機制的功率放大裝置，包含：數位預失真電路及功率放大器。數位預失真電路接收包含來源實部及來源虛部分量的來源數位訊號，以在來源實部分量以及來源虛部分量中的第一者及第二者分別為低態及高態電壓準位時，以第一及第二電壓準位交替輸出等效於低態電壓準位做為第一預失真分量，並直接輸出第二者做為第二預失真分量，進而產生包含輸入實部及輸入虛部分量的輸入訊號，其中第一及第二預失真分量分別為輸入實部及輸入虛部分量其中之一。功率放大器接收輸入訊號進行功率放大，產生輸出訊號。

Description

具有數位預失真機制的功率放大裝置及方法

本發明是關於功率放大技術，尤其是關於一種具有數位預失真機制的功率放大裝置及方法。

功率放大器通常需要較低的負載阻抗，以產生較高的輸出功率。一般而言，負載阻抗是固定的，以使輸出訊號的功率大小與負載阻抗無關，僅與輸入訊號的電壓以及電流大小有一對一的對應關係。

然而，對例如以複數射頻數位至類比轉換器實現的功率放大器來說，功率放大器工作狀態的變化，恆定的負載會偏離實際工作狀態的理想負載而動態變化，同時會造成輸入訊號與輸出訊號間的非線性關係。功率放大器在輸入訊號的實部分量與虛部分量其中之一為低態而另一者為高態時，將因為負載相對於理想負載的偏離，而使具有高態者受低態者的影響無法全幅輸出。輸出的訊號無法達到最大的功率，使效能降低。

鑒於先前技術的問題，本發明之一目的在於提供一種具有數位預失真機制的功率放大裝置及方法，以改善先前技術。

本發明包含一種具有數位預失真機制（digital pre-distortion；DPD）的功率放大裝置，包含：數位預失真電路以及功率放大器。數位預失真電路配置以接收包含來源實部分量以及來源虛部分量的來源數位訊號，並在判斷來源實部分量以及來源虛部分量中的第一者為低態電壓準位且第二者為高態電壓準位時進行數位預失真，以第一電壓準位以及第二電壓準位交替輸出等效於第一者之低態電壓準位做為第一預失真分量，以及直接輸出第二者做為第二預失真分量，進而產生包含輸入實部分量以及輸入虛部分量的輸入訊號，其中第一預失真分量以及第二預失真分量分別為輸入實部分量以及輸入虛部分量其中之一。功率放大器配置以接收輸入訊號進行功率放大，產生輸出訊號。

本發明另包含一種具有數位預失真機制的功率放大方法，應用於一功率放大裝置中，包含：使數位預失真電路接收包含來源實部分量以及來源虛部分量的來源數位訊號；使數位預失真電路在判斷來源實部分量以及來源虛部分量中的第一者為低態電壓準位且第二者為高態電壓準位時進行數位預失真，使數位預失真電路以第一電壓準位以及第二電壓準位交替輸出等效於第一者之低態電壓準位做為第一預失真分量，以及直接輸出第二者做為第二預失真分量，進而產生包含輸入實部分量以及輸入虛部分量的輸入訊號，其中第一預失真分量以及第二預失真分量分別為輸入實部分量以及輸入虛部分量其中之一；以及使功率放大器接收輸入訊號進行功率放大，產生輸出訊號。

有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作較佳實施例詳細說明如下。

本發明之一目的在於提供一種具有數位預失真機制的功率放大裝置及方法。

請參照圖1。圖1顯示本發明的一實施例中，一種具有數位預失真機制的功率放大裝置100的方塊圖。

於一實施例中，功率放大裝置100為例如，但不限於複數（IQ-based）射頻數位至類比轉換器（radio frequency analog-to-digital converter；RF DAC），以接收數位的來源訊號OS，進行功率放大後產生模擬的輸出訊號OUT。

功率放大裝置100包含：數位預失真電路110以及功率放大器120。

數位預失真電路110配置以接收包含來源實部分量OSI以及來源虛部分量OSQ的來源訊號OS。於一實施例中，數位預失真電路110根據來源實部分量OSI以及來源虛部分量OSQ的電壓準位進行處理，以產生包含輸入實部分量INI以及輸入虛部分量INQ的輸入訊號IN。

更詳細地說，當低態電壓準位以邏輯值為0表示，高態電壓準位以邏輯值為1表示時，來源實部分量OSI以及來源虛部分量OSQ的電壓準位以邏輯值表示將具有四種可能的狀態，亦即（0,0）、（0,1）、（1,0）以及（1,1）。

在來源實部分量OSI以及來源虛部分量OSQ中的第一者為低態電壓準位且第二者為高態電壓準位，亦即邏輯值表示為（0,1）或（1,0）的組合時，數位預失真電路110配置以執行數位預失真程序。

請同時參照圖2A以及圖2B。圖2A以及圖2B顯示本發明的一實施例中，數位預失真電路110進行數位預失真後所輸出的訊號波形圖。其中，橫軸表示時間，縱軸表示電壓。

當來源實部分量OSI為低態電壓準位VL（例如0伏特）且來源虛部分量OSQ為高態電壓準位VH（例如3伏特）時，數位預失真電路110將如圖2A所示，以第一電壓準位X以及第二電壓準位-Y交替輸出等效于來源實部分量OSI之低態電壓準位做為第一預失真分量DP1。並且，數位預失真電路110可如圖2B所示，直接輸出為高態電壓準位VH的來源實部分量OSQ做為第二預失真分量DP2。

其中，第一預失真分量DP1即為圖1中，輸入訊號IN的輸入實部分量INI。第二預失真分量DP2即為圖1中，輸入訊號IN的輸入虛部分量INQ。

於一實施例中，數位預失真電路110可選擇性地以相同的頻率，交替輸出第一電壓準位X以及第二電壓準位-Y做為第一預失真分量DP1。經過平均後，將等效為X-Y的低態電壓準位VL。

舉例而言，數位預失真電路110可使X與Y相等，例如為3。因此，數位預失真電路110將交替輸出為3伏特的第一電壓準位以及為-3伏特的第二電壓準位做為第一預失真分量DP1，以等效為0伏特（3-3=0）的低態電壓準位VL。

於一實施例中，以相同的一個固定頻率輸出時，最終產生的輸入訊號IN將會在頻譜上的此固定頻率出現不必要的突波。因此，在另一實施例中，數位預失真電路110可由不同的頻率進行第一電壓準位X以及第二電壓準位-Y的輸出。

請同時參照圖3A以及圖3B。圖3A以及圖3B顯示本發明的一實施例中，數位預失真電路110進行數位預失真後所輸出的訊號波形圖。

當來源實部分量OSI為高態電壓準位VH（例如3伏特）且來源虛部分量OSQ為低態電壓準位VL（例如1伏特）時，數位預失真電路110將如圖3A所示，直接輸出為高態電壓準位VH的來源實部分量OSI做為第二預失真分量DP2。並且，數位預失真電路110可如圖3B所示，以第一電壓準位X以及第二電壓準位-Y交替輸出等效于來源虛部分量OSQ之低態電壓準位VL做為第一預失真分量DP1。

其中，第一預失真分量DP1即為圖1中，輸入訊號IN的輸入虛部分量INQ。第二預失真分量DP2即為圖1中，輸入訊號IN的輸入實部分量INI。

數位預失真電路110可選擇性地在一週期中交替輸出N次第一電壓準位X以及M次第二電壓準位-Y做為第一預失真分量DP1。經過平均後，輸出電壓將等效為(NX-MY)/(N-M)的低態電壓準位VL。

舉例而言，當來源實部分量OSI之低態電壓準位為1伏特，數位預失真電路110可使X與Y分別為例如1.5伏特以及2伏特。因此，數位預失真電路110將交替輸出4次為1.5伏特的第一電壓準位以及2次為-2伏特的第二電壓準位做為第一預失真分量DP1，以等效為1伏特（(4×1.5-2×2)/(4-2)=1）的低態電壓準位VL。

因此，以不同頻率交替輸出第一電壓準位X以及第二電壓準位-Y時，突波的出現將由分別對應的出現次數M以及N決定，呈現在強度上較小且在頻譜上較為分散的狀態。

另一方面，在來源實部分量OSI以及來源虛部分量OSQ均為高態電壓準位或是均為低態電壓準位，亦即邏輯值表示為（0,0）或（1,1）的組合時，數位預失真電路110配置以不執行數位預失真程序。數位預失真電路110將直接輸出來源實部分量OSI以及來源虛部分量OSQ為輸入訊號IN的輸入實部分量INI以及輸入虛部分量INQ。

接著，功率放大器120配置以接收輸入訊號IN進行功率放大，產生輸出訊號OUT。

在常見的應用中，功率放大器是配置以將輸出訊號OUT傳送至與其電性耦接的負載（未繪示）。對例如以複數射頻數位至類比轉換器實現的功率放大裝置來說，恆定的負載會偏離功率放大器實際的工作狀態的理想負載，並與輸入的訊號不再具有一對一的關係。

更詳細地說，工作狀態不同所導致理想負載的變化將造成輸入訊號與輸出訊號間的非線性關係。當輸入訊號的實部分量與虛部分量其中之一為低態電壓準位而另一者為高態電壓準位時，具有高態電壓準位者將因為負載偏離，受到低態電壓準位的影響而無法達到全幅輸出。在根據實部分量與虛部分量繪製的星座圖（constellation）中，原本實部分量與虛部分量的數值均可平均地落在-1至1的範圍中，應可使星座圖呈現理想的方形。然而因為上述動態負載變化的影響，將造成星座圖的形狀扭曲，而具有邊緣壓縮（corner compression）或邊緣擴張（corner expansion）的現象。

因此，本發明的功率放大裝置藉由數位預失真機制，以交替輸出的電壓準位模擬低態電壓準位，使高態電壓準位可以在負載變動的情形下不受低態電壓準位影響達到全幅輸出，進而使輸出訊號整體的功率上升。

需注意的是，上述實施例中的各電壓的數值以及第一電壓準位與第二電壓準位的輸出次數，均僅為一範例。於其他實施例中，各電壓的數值以及第一電壓準位與第二電壓準位的輸出次數，可視實際需求調整，不為上述實施方式所限。

請參照圖4。圖4顯示本發明的一實施例中，一種功率放大方法400的流程圖。

除前述裝置外，本發明另揭露一種功率放大方法400，應用於例如，但不限於圖1的功率放大裝置100。功率放大方法400之一實施例如圖4所示，包含下列步驟：

於步驟S410：使數位預失真電路110接收包含來源實部分量OSI以及來源虛部分量OSQ的來源訊號OS。

於步驟S420：使數位預失真電路110判斷來源實部分量OSI以及來源虛部分量OSQ中是否第一者為低態電壓準位且第二者為高態電壓準位。

於步驟S430：在來源實部分量OSI以及來源虛部分量OSQ中的第一者為低態電壓準位且第二者為高態電壓準位時，使數位預失真電路110以第一電壓準位以及第二電壓準位交替輸出等效於第一者之低態電壓準位做為第一預失真分量DP1，以及直接輸出第二者做為第二預失真分量DP2，進而產生包含輸入實部分量INI以及輸入虛部分量INQ的輸入訊號IN，其中第一預失真分量DP1以及第二預失真分量DP2分別為輸入實部分量INI以及輸入虛部分量INQ其中之一。

於步驟S440：在來源實部分量OSI以及來源虛部分量OSQ均為高態電壓準位或是均為低態電壓準位時，數位預失真電路110直接輸出來源實部分量OSI以及來源虛部分量OSQ為輸入訊號IN的輸入實部分量INI以及輸入虛部分量INQ。

於步驟S450：在步驟S430或步驟S440完成後，使功率放大器120接收輸入訊號進行功率放大，產生輸出訊號。

需注意的是，上述的實施方式僅為一範例。於其他實施例中，本領域的通常知識者當可在不違背本發明的精神下進行更動。

綜合上述，本發明中具有數位預失真機制的功率放大裝置及方法。

雖然本發明之實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本發明，本技術領域具有通常知識者可依據本發明之明示或隱含之內容對本發明之技術特徵施以變化，凡此種種變化均可能屬於本發明所尋求之專利保護範疇，換言之，本發明之專利保護範圍須視本說明書之申請專利範圍所界定者為準。

100:功率放大裝置 110:數位預失真電路 120:功率放大器 400:功率放大方法 S410~S450:步驟 DP1:第一預失真分量 DP2:第二預失真分量 IN:輸入訊號 INI:輸入實部分量 INQ:輸入虛部分量 OS:來源訊號 OSI:來源實部分量 OSQ:來源虛部分量 OUT:輸出訊號 VH:高態電壓準位 VL:低態電壓準位

［圖1］顯示本發明的一實施例中，一種具有數位預失真機制的功率放大裝置的方塊圖；［圖2A］以及［圖2B］顯示本發明的一實施例中，數位預失真電路110進行數位預失真後所輸出的訊號波形圖；［圖3A］以及［圖3B］顯示本發明的一實施例中，數位預失真電路110進行數位預失真後所輸出的訊號波形圖；以及［圖4］顯示本發明的一實施例中，一種功率放大方法的流程圖。

400:功率放大方法

S410~S450:步驟

Claims

一種具有數位預失真機制（digital pre-distortion；DPD）的功率放大裝置，包含：一數位預失真電路，配置以接收包含一來源實部分量以及一來源虛部分量的一來源數位訊號，並在判斷該來源實部分量以及該來源虛部分量中的一第一者為一低態電壓準位且一第二者為一高態電壓準位時進行數位預失真，以一第一電壓準位以及一第二電壓準位交替輸出等效於該第一者之該低態電壓準位做為一第一預失真分量，以及直接輸出該第二者做為一第二預失真分量，進而產生包含一輸入實部分量以及一輸入虛部分量的一輸入訊號，其中該第一預失真分量以及該第二預失真分量分別為該輸入實部分量以及該輸入虛部分量其中之一；以及一功率放大器，配置以接收該輸入訊號進行功率放大，產生一輸出訊號。
如申請專利範圍第1項所述之功率放大裝置，其中該第一電壓準位的值為X且該第二電壓準位的值為-Y，該數位預失真電路以相同的頻率交替輸出該第一電壓準位以及該第二電壓準位做為該第一預失真分量，以等效出值為X-Y的該低態電壓準位。
如申請專利範圍第2項所述之功率放大裝置，其中X與Y的值相等，以等效出值為0的該低態電壓準位。
如申請專利範圍第1項所述之功率放大裝置，其中該第一電壓準位的值為X且該第二電壓準位的值為-Y，該數位預失真電路在一週期中交替輸出N次該第一電壓準位以及M次該第二電壓準位做為該第一預失真分量，以等效出值為(NX-MY)/(N-M)的該低態電壓準位。
如申請專利範圍第1項所述之功率放大裝置，其中該數位預失真電路更配置以在判斷該來源實部分量以及該來源虛部分量均為該低態電壓準位或均為該高態電壓準位時，直接分別輸出該來源實部分量以及該來源虛部分量為該輸入訊號的該輸入實部分量以及該輸入虛部分量。
一種具有數位預失真機制的功率放大方法，應用於一功率放大裝置中，包含：使一數位預失真電路接收包含一來源實部分量以及一來源虛部分量的一來源數位訊號；使該數位預失真電路在判斷該來源實部分量以及該來源虛部分量中的一第一者為一低態電壓準位且一第二者為一高態電壓準位時進行數位預失真，使該數位預失真電路以一第一電壓準位以及一第二電壓準位交替輸出等效於該第一者之該低態電壓準位做為一第一預失真分量，以及直接輸出該第二者做為一第二預失真分量，進而產生包含一輸入實部分量以及一輸入虛部分量的一輸入訊號，其中該第一預失真分量以及該第二預失真分量分別為該輸入實部分量以及該輸入虛部分量其中之一；以及使一功率放大器接收該輸入訊號進行功率放大，產生一輸出訊號。
如申請專利範圍第6項所述之功率放大方法，其中該第一電壓準位的值為X且該第二電壓準位的值為-Y，該功率放大方法更包含：使該數位預失真電路以相同的頻率交替輸出該第一電壓準位以及該第二電壓準位做為該第一預失真分量，以等效出值為X-Y的該低態電壓準位。
如申請專利範圍第7項所述之功率放大方法，其中X與Y的值相等，以等效出值為0的該低態電壓準位。
如申請專利範圍第6項所述之功率放大方法，其中該第一電壓準位的值為X且該第二電壓準位的值為-Y，該功率放大方法更包含：使該數位預失真電路在一週期中交替輸出N次該第一電壓準位以及M次該第二電壓準位做為該第一預失真分量，以等效出值為(NX-MY)/(N-M)的該低態電壓準位。
如申請專利範圍第6項所述之功率放大方法，更包含：使該數位預失真電路在判斷該來源實部分量以及該來源虛部分量均為該低態電壓準位或均為該高態電壓準位時，直接分別輸出該來源實部分量以及該來源虛部分量為該輸入訊號的該輸入實部分量以及該輸入虛部分量。