Método de predistorsión y dispositivo para mejorar la potencia eléctrica de amplificadores de potencia en aplicaciones de comunicación digital inalámbricas.

Metodo para linealizar un circuito amplificador de potencia teniendo como seral de entrada una seral de entrada de banda base digital,

una seral de salida de potencia, un amplificador de potencia y un modulo linealizador (LM), comprendiendo este metodo los pasos de:

- extraccion de una seral de realimentacion RF desde la seral de salida de potencia,

- conversion descendente de la seral de realimentacion RF a seral de realimentacion FI, 10 - filtracion de la seral de realimentacion FI con un filtro de paso de banda,

- conversion digital de la seral de realimentacion FI filtrada en una seral digital de realimentacion,

-conversion de la seral digital de realimentacion en dominio de la frecuencia usando la transformada rapida de Fourier, FFT, en bloques de muestras n para obtener bloques FB-FFT de realimentacion,

- calcular el promedio de al menos dos bloques de los bloques FB-FFT de realimentacion para obtener un bloque FB-FFT medio,

- conversion de la seral digital de banda base de entrada en dominio de la frecuencia usando la transformada rapida de Fourier, FFT, en bloques de muestras n para obtener bloques FF-FFT de entrada,

- calcular el promedio de al menos dos bloques de los bloques FF-FFT de entrada para obtener un bloque FF-FFT medio,

- division del bloque FF-FFT medio con el bloque FB-FFT medio para obtener valores de correccion FFT,

- obtencion de los valores de coeficiente de filtro del dominio temporal, TD, basados en valores de correccion FFT,

- aplicacion de los valores de coeficiente de filtro del dominio temporal, TD, a un filtro de paso de banda digital, siendo la entrada de dicho filtro digital la seral digital de banda base de entrada,

- conversion de la salida del filtro de paso de banda digital en analogica con un convertidor digital-analogico para obtener una seral de entrada FI corregida,

- aplicacion del filtro de paso de banda a la seral de entrada FI corregida,

- conversion ascendente de la seral de entrada FI corregida y filtrada para obtener una seral de entrada RF corregida,

- aplicacion de la seral de entrada RF corregida al amplificador de potencia para producir la seral de salida de potencia.

Metodo de predistorsion y dispositivo para mejorar la potencia electrica de amplificadores de potencia en aplicaciones de comunicacion digital inalambricas 5

Introducción [0001] La presente invencion concierne al campo de amplificadores de potencia y en particular a la mejora del rendimiento del amplificador por un bucle de realimentacion que actua sobre la seral de entrada. Esta invencion se puede usar en todos los transmisores de comunicacion inalambrica, ya que definitivamente hay un amplificador de potencia en la ultima parte del transmisor antes de la antena, y cada amplificador de potencia tiene un rendimiento de potencia limitado (dependiendo del tipo de modulacion) debido a su curva de entrada-salida. Se pretende mejorar la potencia electrica de amplificadores de potencia en diferentes aplicaciones a traves de la introduccion de un nuevo metodo de predistorsion para mitigar distorsiones lineales y no lineales de amplificadores de potencia.

Tecnica anterior [0002] Hoy en dia, hay muchos metodos diferentes para la linealizacion de amplificadores de potencia que generalmente usan tablas de consulta (LUT) y/o usan metodos fuera de linea para el aprendizaje de los coeficientes y LUTs de una vez. Tambien, hay muchos metodos de adaptacion que constantemente adaptan los coeficientes y datos usados para la linealizacion. Actualmente, la mayoria de estos metodos de adaptacion se desarrollan en el dominio temporal y generalmente necesitan serales de aprendizaje (tal como pre- y postambulos en la seral) . Por otra parte, en base a casi todos los metodos actuales no se puede construir un modulo "plug and play" autonomo que se pueda usar en varias de las aplicaciones actuales.

Aqui se ofrece un metodo nuevo y un sistema para la linealizacion de PAs tanto en el dominio de la frecuencia como en el dominio temporal, que se puede implementar como un modulo "plug and play" autonomo que es configurable, y es independiente de muchos parametros principales en sistemas inalambricos tal como la modulacion, la relacion potencia de cresta-potencia media (PAPR) de la seral, y el tipo de amplificador de potencia (que no es el caso en todos y cada uno de los metodos presentados hasta ahora) .

Los circuitos amplificadores de potencia (etapas de salida) se clasifican como A, B, AB y C para diseros analogos, y clase D y E para diseros de conmutacion basados en el angulo de conduccion o "angulo de circulacion" Θ de la seral de entrada a traves del dispositivo amplificador, es decir, la parte del ciclo de seral de entrada durante la que el dispositivo amplificador conduce. La imagen del angulo de conduccion se deriva de la amplificacion de una seral sinusoidal. (Si el dispositivo esta siempre encendido, Θ = 360º .) El angulo de flujo esta estrechamente relacionado con la eficiencia de potencia amplificadora. Las distintas clases se presentan a continuacion.

Clase A

Se usa el 100% de la seral de entrada (angulo de conduccion Θ= 360º o 2π, es decir, el elemento activo funciona en su intervalo lineal todo el tiempo) . Cuando la eficiencia no se tiene en cuenta, la mayoria de los amplificadores lineales de seral pequeros se diseran como clase A, lo que significa que los dispositivos de salida estan siempre en la 45 region de conduccion. Los amplificadores de clase A son tipicamente mas lineales y menos complejos que otros tipos, pero son muy ineficientes. Este tipo de amplificador se usa mas frecuentemente en etapas de seral pequera o para aplicaciones de baja potencia (tal como auriculares de transmision) .

50 Clase B

Se usa el 50% de la seral de entrada (Θ = 180º o π, es decir, el elemento activo funciona en su intervalo lineal la mitad del tiempo y esta mas o menos desconectado durante la otra mitad) . En la mayoria de la clase B, hay dos dispositivos de salida (o conjuntos de dispositivos de salida) , cada uno de los cuales conduce alternativamente para 55 exactamente 180 grados (o medio ciclo) de la seral de entrada; amplificadores selectivos de RF pueden tambien ser implementados usando un unico elemento activo.

Estos amplificadores son sometidos a distorsión de transito si la transferencia de un elemento activo al otro no es perfecta, como cuando dos transistores complementarios (es decir, un PNP, un NPN) se conectan como dos seguidores 60 de emisor con su base y terminales de emisor en comun, requiriendo que la tension de base gire a traves de la region donde ambos dispositivos estan desconectados.

Clase AB

Aqui los dos elementos activos conducen mas de la mitad del tiempo como medios para reducir las distorsiones de transito de los amplificadores de clase B. En el ejemplo de los seguidores de emisor complementarios, una red de polarizacion permite mas o menos corriente de reposo proporcionando asi un punto operativo en algun lugar entre la clase A y la clase B. A veces se arade una cifra, por ejemplo AB 1 o AB2, con cifras mayores implicando una corriente de reposo mayor y, por lo tanto, mas de las propiedades de clase A.

Clase D

Articulo principal: el uso de esta conmutacion para conseguir una eficiencia de potencia muy alta (mas del 90% en diseros modernos) . Al permitir que cada dispositivo de salida este bien completamente conectado o desconectado, las perdidas se minimizan. La salida analogica se crea mediante modulacion por ancho de pulsos (PWM) , es decir, el elemento activo se conecta durante intervalos mas largos o mas cortos en vez de modificar su resistor. Hay esquemas de conmutacion mas complicados como la modulacion sigma-delta, para mejorar algunos aspectos del rendimiento como distorsiones inferiores o una mejor eficiencia.

Otras clases [0010] Hay varias otras clases de amplificadores, aunque son principalmente variaciones de las clases anteriores. Por ejemplo, los amplificadores de la clase H y clase G estan marcados por la variacion de las lineas de alimentacion (en pasos distintos o de una forma continua, respectivamente) despues de la seral de entrada. El calor residual en los dispositivos de salida se puede reducir mientras la sobretension se mantiene a un minimo. El amplificador que se alimenta con estas lineas pueden ser en si de cualquier clase. Estos tipos de amplificadores son mas complejos, y son principalmente usados para aplicaciones especializadas, tal como unidades de muy alta potencia. Tambien, los amplificadores de clase E y clase F son comunmente descritos en la bibliografia para aplicaciones de radiofrecuencias donde la eficiencia de las clases tradicionales se desvia sustancialmente de sus valores ideales. Estas clases usan una sintonizacion armonica de su redes de salida para conseguir una eficiencia mas alta y se pueden considerar un subconjunto de la clase C debido a su caracteristicas del angulo de conduccion.

Todos los amplificadores de potencia de RF distorsionan la seral de entrada cuando la potencia de seral de entrada alcanza casi el nivel de saturacion de PA. Estas distorsiones se puede modelar como distorsiones AM/AM y AM/PM que han sido descritas en muchas publicaciones sobre la comunicacion. En algunas aplicaciones tal como en los sistemas OFDM, debido a la sensibilidad de los receptores a estos tipos de distorsiones, los diseradores del sistema de comunicacion total usan el PA en un margen suficiente desde su punto de saturacion para asegurar que la seral de salida no se distorsiona mas alla de un umbral aceptable. Usando metodos diferentes de predistorsion, este margen se puede reducir y la potencia electrica de PA puede ser aumentada. El documento US-A-2003184372 divulga un metodo para linealizar un circuito amplificador de potencia que tiene como seral de entrada una seral de entrada banda base digital, una seral de salida de potencia, un amplificador de potencia y un modulo linealizador, comprendiendo este metodo los pasos de extraccion de una seral de realimentacion RF desde la seral de salida de potencia, efectuando una conversion descendente de la seral de realimentacion RF a seral de realimentacion FI, filtrando la seral de realimentacion FI con un filtro de paso de banda, convirtiendo digitalmente la seral de realimentacion FI filtrada en una seral digital de realimentacion, convirtiendo la seral digital de realimentacion en dominio de la frecuencia usando la transformacion rapida de Fourier, FFT, en bloques de muestras N para obtener bloques FB-FFT de realimentacion, calculando el promedio de al menos dos bloques de los bloques FB - FFT de realimentacion para obtener un bloque FB-FFT medio, obteniendo valores de coeficiente de filtro del dominio temporal, TD, basados en valores de correccion FFT, aplicando valores de coeficiente de filtro... [Seguir leyendo]

1. Metodo para linealizar un circuito amplificador de potencia teniendo como seral de entrada una seral de entrada de banda base digital, una seral de salida de potencia, un amplificador de potencia y un modulo linealizador (LM) , 5 comprendiendo este metodo los pasos de:

- extraccion de una seral de realimentacion RF desde la seral de salida de potencia,

- conversion descendente de la seral de realimentacion RF a seral de realimentacion FI, 10

- filtracion de la seral de realimentacion FI con un filtro de paso de banda,

- conversion digital de la seral de realimentacion FI filtrada en una seral digital de realimentacion,

-conversion de la seral digital de realimentacion en dominio de la frecuencia usando la transformada rapida de Fourier, FFT, en bloques de muestras n para obtener bloques FB-FFT de realimentacion,

- calcular el promedio de al menos dos bloques de los bloques FB-FFT de realimentacion para obtener un bloque FB-FFT medio, 20

- conversion de la seral digital de banda base de entrada en dominio de la frecuencia usando la transformada rapida de Fourier, FFT, en bloques de muestras n para obtener bloques FF-FFT de entrada,

- calcular el promedio de al menos dos bloques de los bloques FF-FFT de entrada para obtener un bloque FF-FFT 25 medio,

- division del bloque FF-FFT medio con el bloque FB-FFT medio para obtener valores de correccion FFT,

- obtencion de los valores de coeficiente de filtro del dominio temporal, TD, basados en valores de correccion FFT, 30

- aplicacion de los valores de coeficiente de filtro del dominio temporal, TD, a un filtro de paso de banda digital,

siendo la entrada de dicho filtro digital la seral digital de banda base de entrada,

- conversion de la salida del filtro de paso de banda digital en analogica con un convertidor digital-analogico para 35 obtener una seral de entrada FI corregida,

- aplicacion del filtro de paso de banda a la seral de entrada FI corregida,

- conversion ascendente de la seral de entrada FI corregida y filtrada para obtener una seral de entrada RF 40 corregida,

- aplicacion de la seral de entrada RF corregida al amplificador de potencia para producir la seral de salida de potencia.

45 2. Metodo segun la reivindicacion 1, donde para obtener los valores de coeficiente de filtro de dominio temporal, TD, este comprende el paso de convertir los valores de correccion FFT en dominio temporal para obtener los valores de coeficiente de filtro de dominio temporal, TD.

3. Metodo segun la reivindicacion 1 o 2, en el que la seral de entrada del circuito amplificador de potencia es una seral 50 de entrada RF, comprendiendo el metodo los pasos de:

- conversion descendente de la seral de entrada RF en seral de entrada FI,

- filtracion de la seral de entrada FI con un filtro de paso de banda, 55

- conversion digital de la seral de entrada FI filtrada en seral de entrada de banda base digital.

4. Metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el filtro de paso de banda es programable segun el ancho de banda de la seral de entrada. 60

5. Metodo para linealizar un circuito amplificador de potencia teniendo como seral de entrada una seral de entrada de banda base digital, una seral de salida de potencia, un amplificador de potencia y un modulo linealizador (LM) , comprendiendo este metodo los pasos de:

- extraccion de una seral de realimentacion RF desde la seral de salida de potencia,

- conversion descendente de la seral de realimentacion RF en seral de realimentacion FI.

5. filtracion de la seral de realimentacion FI con un filtro de paso de banda,

- conversion digital de la seral de realimentacion FI filtrada en una seral digital de realimentacion,

- conversion de la seral digital de realimentacion en dominio de la frecuencia usando la transformada rapida de 10 Fourier, FFT, en bloques de muestras n para obtener bloques FB-FFT de realimentacion,

- conversion de la seral digital de entrada en dominio de la frecuencia usando la transformada rapida de Fourier, FFT, en un bloque de muestras n para obtener un bloque FF-FFT de entrada,

-division del bloque FF-FFT de entrada con el bloque FB-FFT de realimentacion para obtener bloques de correccion FFT,

- calcular el promedio de al menos dos bloques de los bloques de correccion FFT para obtener valores FFT medios.

20. obtencion de los valores de coeficiente de filtro de dominio temporal, TD, basados en los valores de correccion FFT,

- aplicacion de los valores de coeficiente de dominio temporal, TD, a un filtro de paso de banda, siendo la entrada de dicho filtro la seral digital de entrada,

-conversion de la salida del filtro en analogica con un conversor digital-analogico para obtener una seral FI de entrada corregida,

- aplicacion de un filtro de paso de banda a la seral de entrada FI corregida.

30. conversion ascendente de la seral de entrada FI corregida filtrada para obtener una seral de entrada RF corregida,

- aplicacion de la seral de entrada RF corregida al amplificador de potencia para producir la seral de salida de potencia.

6. Metodo segun la reivindicacion 5, donde, para obtener los valores de coeficiente de filtro de dominio temporal, TD, comprende el paso de convertir los valores de correccion FFT en dominio temporal para obtener los valores de coeficiente de filtro de dominio temporal, TD.

7. Metodo segun la reivindicacion 5 o 6, en el que la seral de entrada del circuito amplificador de potencia es una seral 40 de entrada RF, comprendiendo el metodo los pasos de:

- conversion descendente de la seral de entrada RF en seral de entrada FI,

- filtracion de la seral de entrada FI con un filtro de paso de banda, 45

- conversion de la seral de entrada FI filtrada en la seral de entrada de banda base digital.

8. Metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, en el que el filtro de paso de banda es programable segun el ancho de banda de la seral de entrada. 50

9. Circuito amplificador de potencia que tiene como seral de entrada una seral de entrada de banda base digital, una seral de salida de potencia, un amplificador de potencia y un modulo linealizador (LM) conectado con la seral de entrada, la seral de salida y la seral de realimentacion, comprendiendo este modulo linealizador:

55. un convertidor reductor para convertir la seral RF de realimentacion en seral FI de realimentacion,

- un primer filtro de paso de banda para filtrar la seral FI de realimentacion,

- un primer convertidor A/D para convertir la seral FI de realimentacion filtrada en la seral digital de realimentacion,

60 -un primer modulo FFT para convertir la seral digital de realimentacion en bloques FB-FFT de realimentacion, -un segundo modulo FFT para convertir la seral de entrada en bloques FF-FFT,

- un modulo de division para dividir el bloque FF-FFT de entrada por el bloque FB-FFT de realimentacion para obtener bloques de correccion FFT,

- un modulo de promedio para calcular el promedio de al menos dos bloques de los bloques de correccion FFT para obtener un valor FFT medio,

- un modulo FFT inverso para convertir los valores de correccion FFT en valores de coeficiente de filtro de dominio temporal, TD,

- un filtro de paso de banda digital que recibe los valores de coeficiente de filtro de dominio temporal, TD, siendo la 10 entrada de dicho filtro digital la seral digital de entrada,

- un convertidor D/A para convertir la salida del filtro de paso de banda digital en analogico para obtener una seral de entrada FI corregida,

- un segundo filtro de paso de banda que tiene como entrada la seral de entrada FI corregida,

- un convertidor elevador para convertir la seral de entrada FI corregida filtrada para obtener una seral de entrada RF corregida,

- medios para aplicar la seral de entrada RF corregida al amplificador de potencia.

10. Circuito amplificador de potencia segun la reivindicacion 9, en el que la seral de entrada es una seral de entrada RF, comprendiendo el modulo linealizador:

- un segundo convertidor reductor para convertir la seral RF de entrada en seral de entrada FI,

- un tercer filtro de paso de banda para filtrar la seral de entrada FI

- un segundo convertidor A/D para convertir la seral de entrada FI filtrada en seral digital de banda base. 30

11. Circuito amplificador de potencia segun las reivindicaciones 9 o 10, en el que los filtros de paso de banda son digitalmente programables para definir el ancho de banda de dicho filtro.

12. Circuito amplificador de potencia que tiene como seral de entrada una seral de entrada de banda base digital, una

seral de salida de potencia, un amplificador de potencia y un modulo linealizador (LM) conectado con la seral de entrada, la seral de salida y la seral de realimentacion, comprendiendo este modulo linealizador:

- un convertidor reductor para convertir la seral RF de realimentacion en la seral FI de realimentacion.

40. un primer filtro de paso de banda para filtrar la seral FI de realimentacion

- un primer convertidor A/D para convertir la seral FI de realimentacion filtrada en seral digital de realimentacion,

- un primer modulo FFT para convertir la seral digital de realimentacion en bloques FB-FFT de realimentacion, -un 45 segundo modulo FFT para convertir la seral de entrada en bloques FF-FFT,

- un primer modulo de promedio para calcular el promedio de al menos dos bloques de los bloques FF-FFT para obtener un bloque FF-FFT medio,

50 -un segundo modulo de promedio para calcular el promedio de al menos dos bloques de los bloques FB-FFT para obtener un bloque FB-FFT medio,

- un modulo de division para dividir el bloque FF-FFT medio por el bloque FB-FFT medio para obtener valores de correccion FFT,

55 -un modulo FFT inverso para convertir los valores de correccion FFT en valores de coeficiente de filtro de dominio temporal, TD,

- un filtro de paso de banda digital que recibe los valores de coeficiente de filtro de dominio temporal, TD, siendo la 60 entrada de dicho filtro digital la seral digital de entrada,

- un convertidor D/A para convertir la salida del filtro de paso de banda digital en analogica para obtener una seral de entrada FI corregida,

- un segundo filtro de paso de banda que tiene como entrada la seral de entrada FI corregida,

- un convertidor elevador para convertir la seral de entrada FI corregida filtrada para obtener una seral de entrada RF corregida, 5

- medios para aplicar la seral de entrada RF corregida al amplificador de potencia.

13. Circuito amplificador de potencia segun la reivindicacion 12, en el que la seral de entrada es una seral de entrada RF, comprendiendo el modulo linealizador: 10

- un segundo convertidor reductor para convertir la seral RF de entrada en seral de entrada FI,

- un tercer filtro de paso de banda para filtrar la seral de entrada F.

15. un segundo convertidor A/D para convertir la seral de entrada FI filtrada en seral digital de banda base.

14. Circuito amplificador de potencia segun las reivindicaciones 12 o 13, en el que los filtros de paso de banda son digitalmente programables para definir el ancho de banda de dicho filtro.

15. Circuito amplificador de potencia segun cualquiera de las reivindicaciones 9 a 14 donde el amplificador de potencia es del tipo seleccionado entre SSPAa, ºlistrones, magnetones, o TWTs.