用於射頻功率放大器的動態偏置的製作方法
2023-10-08 22:16:14 2
專利名稱：用於射頻功率放大器的動態偏置的製作方法
技術領域：
本發明主要涉及無線數字通信系統。具體地說，本發明涉及一種關於對應用在無線通信中的射頻功率放大器進行動態偏置的方法和系統。並且本申請是對國際申請號為PCT/US01/09911、中國國家申請號為01809507.0、發明名稱為「對射頻功率放大器的工作偏置進行動態調節的系統和方法」提出的分案申請。
背景技術：
典型的數字通信系統在發送信息或數據時使用一個連續頻率載波，並使用調製技術對其振幅、頻率或相位進行改變。在調製之後，信號被放大並通過通信介質而發送。
一個多路訪問通信系統允許多個用戶單元對同一個通信介質進行訪問，從而發送或接收信息。此種通信介質一般指的是用於在兩個單元之間傳送信息的信道。對於無線電通信而言，信道的電磁頻譜可以從幾千赫茲的極低頻率，經過若干兆赫的短波，到高達幾百兆赫的甚高頻和超高頻，再到初於1千兆赫的微波波段。
原有技術的多路訪問通信系統如圖1所示。通信技術——如頻分多址(frequency division access，FDMA)、時分多址(time division access，TDMA)、載波偵測多址(carrier sense multiple access，CSMA)、碼分多址(code division access，CDMA)以及其它技術——允許不止一個用戶單元對同一個通信介質進行訪問。這些技術可混合使用，以創建混合型的各種多址訪問機制。例如已提出的第三代無線協議的時分雙工(TDD)模式就是混合了TDMA和CDMA的一種技術。
圖2中顯示原有技術條件下的一個示例性CDMA無線通信系統。對待發送的數據使用偽噪聲(PN)信號進行調製後，以加寬頻帶(擴頻)來發送通信數據。待發送信號的頻寬在可以高達幾百萬赫茲的頻率波段中可能僅有幾千赫茲。通信信道被多個獨立的副信道(subchannel)同時使用。對於每個副信道而言，所有其它的副信道都是一種幹擾。
如圖所示，既定頻寬的單獨一個副信道與一個單一的擴展代碼混合，該擴展代碼重複一種由寬帶PN(偽噪聲)序列發生器所產生的預定模式。這些單一的擴展代碼對彼此來說通常都是偽正交的，從而使得擴展代碼之間交互相關的可能性接近於零。一個數據信號按PN(偽噪聲)序列進行調製以產生一個數字擴頻信號。其後，以該數字擴頻信號來調製一個載波信號並將其發送。一個接收機將發送的信號進行解調並析取出其中的數字擴頻信號。在與對應的PN序列進行對比後，將發送的數據再現出來。當擴展代碼彼此正交時，接收到的信號就可以關聯與特定擴展代碼相關的特定用戶單元信號。這樣，只有所希望的與特定擴展代碼相關的預定用戶單元信號會得到增強，而對應於所有其它用戶單元的信號則不會得到增強。
因為在CDMA系統中多個副信道共享同一帶寬，大部分原有技術的無線通信系統都採用了某種形式的自適應傳輸功率控制(TPC)以防止副信道之間相互幹擾。當一個用戶單元或一個基站正在接收一個特定信號時，所有其它副信道或用戶單元的信號都顯示為噪聲。因此，增加一個用戶單元的信號功率等級就意味著增加了對其它用戶單元的噪聲。
在原有技術的CDMA通信系統中，一個基站通過下行鏈路向特定的用戶單元發送通信信號。信號一經接收，就會被進行定性的計算和比較。根據比較結果，一個TPC信號通過上行鏈路被發送至基站，並且要求基站增大或減小其對該特定用戶單元的傳輸功率。這一方法即人們所知的正向信道功率控制。相反地，對於由用戶單元向基站發出的信號所進行的功率控制就是反向信道功率控制。
通過用前驅動級、可變增益放大器、衰減器或類似裝置來調整使用TPC信號的RF(射頻)放大器的輸入信號振幅，可以影響用於傳輸的信號輸出的功率水平。然而，放大器的增益和偏置保持不變。因此，當發送的信號振幅增大或減小時，放大器的工作點是連續的。
已提出的第三代無線協議可提供寬帶寬、高數據速率的通信。推薦的帶寬為5～10兆赫通信信道。然而眾所周知，通信中會發生大約10～15dB的快衰落。例如，如果一個移動用戶單元處於一個既定網元的邊緣並且正以最大功率進行發送，就需要有10～15dB的發送輸出功率範圍以滿足發送中的瞬間增量。圖3中用戶單元輸出功率(以dB為單位)每秒的變化曲線即反映了以上的情況。其中，平均輸出功率為12dB到17dB。如圖3所示，在16秒時間採樣上，超過平均發送功率的瞬態峰值功率的出現率大約為1～10％。這表明了需要高傳輸功率的有限持續時間。
對數據信號進行調製的最常用方法為正交調幅(QAM)。該方法可根據一個輸入信號而改變一個預定的載波頻率振幅以及相位。該方法之所以會如此流行，是因為多種類型的正交調幅(QAM)(64QAM、256QAM等)和正交相移鍵控調製都通過將振幅信息作為調製的一部分，而更有效地使用了可用帶寬，這不同於只包括很少振幅信息甚至不包括振幅信息的調頻、頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK)或二進位相移鍵控(BPSK)。為了將信號適當地放大，發送功率放大器必須工作於線性狀態。在調製器埠，輸入信號的動態範圍可能很大。例如，在第三代無線協議中，輸入信號的峰值均值比可能超過10dB。
過高的瞬間峰值是不合需要的。傳輸輸出功率每增大3dB，以瓦特為單位的基礎射頻放大功率就需要增大一倍，而這則有可能迫使放大器進入其反應曲線中的非線性工作範圍。這樣就會導致增加頻帶外發射並且會降低放大器的工作效率。另外，放大器的功率源必須具備大於可預期的最大瞬間峰值的容量。而這對於使用電池的手持裝置來說是特別不合需要的。為了適應由高瞬間峰值所導致的更高功率水平，就需要更複雜的放大器電路。否則，放大器增益、電池壽命和通信時間都會受到損害。
原有技術中使用了許多技術以提高射頻功率放大器的工作效率，如預失真發生器、包絡反饋校正和前饋糾錯等。然而，原有技術用來提高射頻功率放大器效率的改善措施卻加重了現有的設計問題。
因此，就需要一種可配合原有技術而解決上述問題的射頻放大器。
發明內容
本發明是為一種根據傳輸功率控制信號(TPC)而對射頻發送放大器的工作偏置進行動態調節的方法和系統。本發明對於可用功率源功率受限的應用提供了高效率的射頻功率放大器。本發明使用了一個駐留在特定通信結構——該通信結構具有檢波器和電壓-電流轉換器——中的TPC信號，直接根據傳輸功率的需要而達成放大器工作偏置。
具體地說，本發明提供一種用於接收數據以及在一無線通信下路連結信號中的一發送功率控制信號的用戶單元，其包含一射頻功率放大器(12)，所述射頻功率放大器(12)具有一個偏置點，並放大所述通信信號而產生一射頻輸出信號；一檢波器(14)，用以接收所述的通信信號並從所述的通信信號中移除調變成分，從而提供檢波器輸出信號；一個電壓-電流轉換器(16)，連接到所述檢波器(14)的輸出端，用以處理所述的發送功率控制信號與所述檢波器輸出信號，以產生一電流信號(30)；以及一個電流鏡(18)，用以接收所述電流信號並且連接到所述的射頻輸出信號，用以比較所述的電流信號與射頻輸出信號而產生一偏置信號；其中，響應所述的偏置信號而動態調整所述的射頻放大器的所述偏置點。
另外，本發明還提供一種在無線通信下路信號中接收數據與一發送功率控制發送功率控制信號的用戶單元中，通過所述的用戶單元動態調整射頻功率放大器操作偏置的方法，所述的射頻放大器將一通信信號進行放大以用於傳送，所述的方法包含接收所述的通信信號與所述的發送功率控制信號；自所述的通信信號中移除調變成分，以產生一直流電壓信號；處理所述的發送功率控制信號與所述的直流電壓信號，以產生一電流信號；將所述的電流信號與所述射頻功率放大器的一輸出信號加以比較，以產生一偏置信號；以及利用所述的偏置信號，動態地調整所述的射頻放大器的操作偏置。
因此，本發明的目標之一就是依據信號放大的需求而對工作偏置進行動態調節。
在閱讀較佳實施例中關於本發明的詳細描述後，所屬領域技術人員會對本系統其它的目標和優點更加清楚。
圖1為原有技術的多路訪問通信系統的簡化系統框圖。
圖2為原有技術的無線通信系統的簡化系統框圖。
圖3為一曲線圖，其顯示了瞬間峰值功率需求。
圖4為本發明的系統框圖。
圖5為本發明中輸入功率與輸出功率的關係曲線圖。
具體實施例方式
以下將參考各附圖來描述實施例，其中，相同的編號通篇代表相同的成分。
圖4所示為本發明中的動態偏置放大系統10，其集成在一個用戶單元內。然而，本領域技術人員應該可以認識到，該系統同樣可以集成作為基站的一部分。系統10包括一個通信信號輸入端20、一個放大器12、一個檢波器14、一個功率控制信號輸入端22、一個電壓-電流轉換器16、一個電流鏡(current mirror)18和一個輸出端24。為了方便本發明的描述，參考了一個使用TPC信號的無線通信系統。然而，所屬領域的技術人員應認識到，本發明可應用到任何一種使用功率控制信號的通信系統之中。
通信信號輸入端20提供輸入的無線通信信號32以待發送。該無線通信信號32可包含聲音、數據或任何其它可通過無線通信系統發送的無線信號。
射頻放大器12接收到輸入信號32，並將輸入信號32的功率進行線性放大，從而以更大的功率等級提供輸出信號38。射頻放大器12可包括一個或多個增益級、對應於每一增益級的一個或多個偏置調節裝置、輸入縮放，等等。RF(射頻)放大器12的電路拓撲結構不在本說明的範圍之內。
檢波器14將調製成分從擴展通信信號中剝離，並提供一個直流電壓輸出信號28，該信號隨時間而緩慢變化。檢波器14的輸出耦合至電壓-電流轉換器16的第一個輸入端。
控制輸入設備22提供一個TPC信號26。TPC信號26的發生細節和/或TPC過程不在本說明的範圍之內。然而總的來說，TPC信號26由基站(或用戶單元)產生，並對用戶單元(或基站)(即對應的通信主體)的發送功率分別做定量測量。基站或用戶單元會將TPC信號26發送到對應的通信主體，以指示該對應的通信主體根據基站或用戶單元所完成的的計算而增加或減小其功率。
電壓-電流轉換器接受到兩個輸入信號，對輸入信號進行縮放(scale)並將兩者結合以產生電流輸出信號30。第一個輸入信號是檢波器輸出信號28。第二個輸入信號是TPC信號26。電壓-電流轉換器16接收這兩個輸入信號26、28，對輸入信號26、28進行縮放或稱加權，並且將輸入信號26、28根據下列預定的公式進行合併，產生電流輸出信號30VC輸出信號＝(W1*logP)+(W2*logV) 等式(1)其中P＝檢波器輸出信號28V＝TPC信號26W1和W2為設計指定常量，是動態功率控制範圍、波形峰值均值比和所用功率放大器的函數。
電流輸出信號30耦合至電流鏡18的一個輸入端。反饋線36將射頻放大器12的輸出38耦合至電流鏡18的第二個輸入端。電流鏡18對兩個輸入信號30、36進行比較，並輸出一個偏置電流34。如圖所示，輸出的偏置電流34與TPC信號26和射頻放大器12的輸出端38都有聯繫。例如，當TPC信號26為高電平時，則表示基站要求用戶單元提供更高的發送功率。如前所述在原有技術中，TPC信號26造成了用戶單元發送信號功率的適當增大或減少。輸入信號30、36都會被縮放以進行比較。如果電流輸出信號30高於射頻放大器12的輸出信號38，電流鏡18會對偏置電流34進行增強。同樣，如果電流輸出信號30低於射頻放大器12的輸出信號38，電流鏡18會對偏置電流34進行減弱。
在對比過程中，電流鏡18產生更大或更小的偏置電流，並從而影響射頻放大器12的線性工作範圍。這將在射頻放大器12保持在線性工作範圍內的同時提供額外的峰值儲備。當TPC信號26減弱時，放大器12並不要求一個大的偏置電流，因為高偏置意味著更高的功率消耗。因此，偏置電流會被減弱以減少功率消耗。
圖5所示為放大器增益曲線圖，相當於放大器輸出功率Pout與放大器輸入功率Pin的比值。1dB壓縮點為放大器增益變為非線性時的臨界點。偏置2的1dB壓縮點(即圖中所示的A點)，出現在小於偏置1的1dB壓縮點(即圖中所示的B點)的輸出功率處。如圖所示，本發明得出的動態偏置值擴展了放大器的線性工作範圍。這樣，當輸出功率減弱時，偏置電流會相應地減弱，但仍然可以提供線性放大。當輸入功率增強時，偏置電流級別亦被增強以維持線性工作。
根據統計數據，本發明要優於原有的補償技術。因為在全部發射時間中，僅有一小部分時間發射機要求使用最大功率，通過對TPC信號的動態追蹤，本發明的動態偏置功率放大器可以在很大程度上改善功率消耗。
當以較佳實施例說明本發明時，在本發明範疇內的其它變動是所屬領域技術人員所易知的，本發明的範疇界定於所附權利要求書中。
權利要求
1.一種用於接收數據以及在一無線通信下路連結信號中的一發送功率控制信號的用戶單元，其包含一射頻功率放大器(12)，所述射頻功率放大器(12)具有一個偏置點，並放大所述通信信號而產生一射頻輸出信號；一檢波器(14)，用以接收所述的通信信號並從所述的通信信號中移除調變成分，從而提供檢波器輸出信號；一個電壓-電流轉換器(16)，連接到所述檢波器(14)的輸出端，用以處理所述的發送功率控制信號與所述檢波器輸出信號，以產生一電流信號(30)；以及一個電流鏡(18)，用以接收所述電流信號並且連接到所述的射頻輸出信號，用以比較所述的電流信號與射頻輸出信號而產生一偏置信號；其中，響應所述的偏置信號而動態調整所述的射頻放大器的所述偏置點。
2.如權利要求1所述的用戶單元，其中所述的轉換器(16)通過對所述的發送功率控制信號與所述的檢波器輸出信號進行加權，然後將所述的發送功率控制信號與檢波器輸出信號相加，以執行所述的處理。
3.如權利要求1所述的用戶單元，其中所述的電流鏡在進行所述的比較前，更進一步放大所述的電流信號與所述的射頻輸出信號。
4.如權利要求2所述的用戶單元，其中所述的電流鏡(18)在進行所述的比較前，更進一步放大所述的電流信號與所述的射頻輸出信號。
5.如權利要求1所述的用戶單元，其中所述的通信信號為一CDMA信號。
6.一種在無線通信下路信號中接收數據與一發送功率控制發送功率控制信號的用戶單元中，通過所述的用戶單元動態調整射頻功率放大器操作偏置的方法，所述的射頻放大器將一通信信號進行放大以用於傳送，所述的方法包含接收所述的通信信號與所述的發送功率控制信號；自所述的通信信號中移除調變成分，以產生一直流電壓信號；處理所述的發送功率控制信號與所述的直流電壓信號，以產生一電流信號；將所述的電流信號與所述射頻功率放大器的一輸出信號加以比較，以產生一偏置信號；以及利用所述的偏置信號，動態地調整所述的射頻放大器的操作偏置。
7.如權利要求6所述的方法，其中所述的處理步驟包含對所述的發送功率控制信號與所述的直流電壓信號進行加權，然後，將加權後的所述發送功率控制信號與所述檢波器輸出信號相加。
8.如權利要求6所述的方法，其中所述的比較步驟在進行比較前，更包含將所述的電流信號與所述的輸出信號放大。
9.如權利要求7所述的方法，其中所述的比較步驟在進行比較前，更包含將所述的電流信號與所述的輸出信號放大。
全文摘要
一種根據發送功率控制信號對射頻發送放大器的工作偏置進行動態調節的方法和系統。本發明為可用功率源受限應用提供了高效的射頻功率放大器。本發明使用駐留在帶有檢波器和電流—電壓轉換器的無線通信系統結構中的信號以完成動態放大器工作偏置。
文檔編號H03F1/30GK1681198SQ200510071830
公開日2005年10月12日 申請日期2001年3月28日 優先權日2000年3月29日
發明者L·卡扎克維奇, P·卡布羅爾 申請人:交互數位技術公司