CN101217748A - 一种td-scdma终端及其射频功放省电方法 - Google Patents

一种td-scdma终端及其射频功放省电方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种TD－SCDMA终端及其射频功放省电方法。所述TD－SCDMA终端包括供电电池、基带处理芯片和功率放大器，还包括供电电压控制电路，其中：所述基带处理芯片，用于根据配置的输出功率输出控制信号到供电电压控制电路；所述供电电压控制电路，用于根据所述控制信号对供电电池的输出电压进行转换，将转换后的电压输出到功率放大器，对功率放大器进行供电。依照本发明，可以显著降低TD－SCDMA终端的发射功耗。

Description

一种TD-SCDMA终端及其射频功放省电方法
技术领域
本发明属于移动通信领域，特别是涉及一种TD-SCDMA终端及其射频功放省电方法。
背景技术
时分同步码分多址(TD-SCDMA)系统是我国拥有自主知识产权的第三代移动通信系统，TD-SCDMA产业的发展对增强民族产业能力和中国移动通信技术的发展有重大意义。目前TD-SCDMA终端的发展现状仍然是TD-SCDMA商用化的瓶颈。作为支持中国3G标准的终端，它的通讯功能变得更加强大，除了传统的语音业务，高速数据业务等也逐渐成为终端的必备功能，这些新的功能对终端省电设计提出了更高的要求，同时，终端功耗也是用户最为关心的终端直观性能之一，因此终端的省电成为直接影响TD-SCDMA商用进程的重要因素。
无线收发信机是TD-SCDMA终端系统的一个重要组成部分，也是一个主要耗电单元。图1是TD-SCDMA终端射频前端结构示意图。如图1所示，对发射链路，射频信号由射频收发机(Tranceiver)输出，经功率放大器(PA)、隔离器(Isolator)及天线开关(ANT_SW)，由天线发射到空间；对接收链路，信号从天线端被接收，经天线开关、声表面滤波器(SAW)送入射频收发机。当终端工作在发射模式时，功率放大器(PA)是链路中最主要的耗能器件，如果功率放大器的实际效率很低，整个系统的功耗就会很大。
因此，如何提高功放效率，进而减少终端上行功率消耗就成为亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种TD-SCDMA终端及其射频功放省电方法，以提高终端中功放效率，从而减少终端上行功率消耗。
为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
一种TD-SCDMA终端，包括供电电池、基带处理芯片和功率放大器，还包括供电电压控制电路，其中：
所述基带处理芯片，用于根据配置的输出功率输出控制信号到供电电压控制电路；
所述供电电压控制电路，用于根据所述控制信号对供电电池的输出电压进行转换，将转换后的电压输出到功率放大器，对功率放大器进行供电。
较佳地，所述供电电压控制电路包括数模转换器、DC-DC电压转换器和LC滤波器，其中：
所述基带处理芯片，进一步用于输出GPIO信号到DC-DC电压转换器，控制DC-DC电压转换器的开关，以及根据配置的输出功率输出SPI信号到数模转换器；
所述数模转换器，用于对输入的SPI信号进行数模转换，输出模拟电压信号到DC-DC电压转换器；
所述DC-DC电压转换器，用于根据模拟电压信号对供电电池的输出电压进行转换，将转换后的电压输出到LC滤波器；
所述LC滤波器，用于对DC-DC电压转换器的输出电压进行滤波后输出到功率放大器，对功率放大器进行供电。
一种TD-SCDMA终端的射频功放省电方法，包括：
在功率放大器与供电电池之间引入供电电压控制电路，由所述供电电压控制电路根据配置的输出功率对功率放大器的供电电压进行调节。
较佳地，所述方法还包括：根据供电电压控制电路中各器件的时间响应特性，以及TD-SCDMA系统帧结构的时序特点对供电电压调节的时序进行控制。
较佳地，所述对供电电压调节的时序进行控制包括：设计功放供电电压的初始化和关闭时序，供射频发射开关使用；以及设计功放供电电压调节时序，供发射常开时，相邻发射时隙之间功率变化使用。
较佳地，所述根据配置的输出功率对功率放大器的供电电压进行调节具体包括如下步骤：
A、给出各时时隙的发射功率，判断所述发射功率是否超过临界功率，若是，进入步骤B，否则，进入步骤D；
B、按高功率的拟合函数计算功率控制字；
C、根据功率控制字与供电电压关系函数，计算供电电压，并根据供电电压计算供电电压控制字后，进入步骤F；
D、按低功率的拟合函数计算功率控制字；
E、根据最小供电电压计算供电电压控制字；
F、写入功率控制字和供电电压控制字。
较佳地，步骤F之前还包括：
在确定有连续的发射时隙，且有电压跨度超过极限值时，将低电压调高，使电压跨度等于极限值，并根据调整后的电压重新计算供电电压控制字。
较佳地，所述功率控制字与供电电压关系函数的获取包括如下步骤：
C1、写入不同的功率控制字；
C2、测量ACLR，调整功放供电电压，使ACLR刚好达标；
C3、测得每个功率控制字对应的供电电压；
C4、以功率控制字为输入，供电电压为输出，进行多项式拟合，得出拟合函数。
较佳地，所述高功率的拟合函数的获取包括如下步骤：
B1、写入不同的高功率控制字；
B2、根据功率控制字对供电电压的拟合函数计算并配置电压；
B3、测得各功率控制字对应的输出功率；
B4、以功率值为输入，功率控制字为输出，进行多项式拟合，得出高功率拟合函数并找到临界功率。
较佳地，所述低功率的拟合函数的获取包括如下步骤：
D1、写入不同的低功率控制字；
D2、配置最低电压；
D3、测得各功率控制字对应的输出功率；
D4、以功率值为输入，功率控制字为输出，进行多项式拟合，得出低功率拟合函数。
本发明在TD-SCDMA终端中实现了射频功放供电电压的可调节，最显著的效果是功放功耗大幅降低。同时在硬件、时序控制及自动校准方面，尽量利用现有设计，在实现新功能同时避免了系统复杂度的增加。
附图说明
图1为TD-SCDMA终端射频前端结构示意图；
图2为TD-SCDMA终端发射功率的概率分布图(郊区)；
图3为供电电压不变和供电电压随输出功率改变两种情况下的功放功耗对比示意图；
图4为本发明较佳实施的TD-SCDMA终端的结构示意图；
图5为本发明的功放供电电压变化的时序控制示意图；
图6为本发明的功率校准步骤图；
图7为本发明的供电电压控制流程图。
具体实施方式
首先对TD-SCDMA终端的发射信号特性进行分析，从中探寻改善功放效率的途径。
3G通信技术中普遍采用了四相移键控(QPSK)调制和码分多址(CDMA)调制方式，TD-SCDMA系统也是如此。为保证这种非恒包络信号尽量不失真，终端发射链路，尤其射频功率放大器需要有较高的线性。为此，3G无线通讯标准(3GPP)中对衡量上行信号的线性度的邻道泄漏比(ACLR)做出了严格规定。邻道泄漏比是反映系统发射信号线性的一个重要指标，其定义为主信道的发射功率与其落到相邻信道辐射功率的比值，在TD-SCDMA系统中分别规定了第一邻道(主信道±1.6MHz)ACLR和第二邻道(主信道±3.2MHz)ACLR，限值分别为33dB和43dB。这些发射信号线性度的指标要求在TD-SCDMA终端中必须采用高线性的甲类或甲乙类射频功率放大器。这种类型的功率放大器的功率效率(PAE)不高，最大只有40％左右。
根据3GPP规范，TD-SCDMA射频发射机的输出功率应在-49dBm至24dBm之间变化，功放的效率随功放的输出功率做同向变化。如前述，射频功放效率最大40％左右，这种最高效率只出现在功放最大功率输出时，随输出功率的降低，效率会更低。在实际应用中，终端发射机并非总是工作在最大功率输出条件。图2是TD-SCDMA终端发射功率的概率分布图(郊区)。从图中可以看到，多数情况下，TD-SCDMA终端的发射功率都小于其最大发射功率24dBm，90％左右的发射功率都小于16dBm，即TD-SCDMA终端的功放在多数时间发送的都是低功率信号。在市区和郊区环境下，TD-SCDMA终端的平均输出功率分别为5dBm和10dBm，  因而，对TD-SCDMA终端而言，提高功放效率最有效的途径是提高低功率水平时的功放效率。
对于传统的射频功放的供电方式，电池供电VBAT直接与功放的供电管脚VCC相连，功放的供电电压不能实时调整。在最大发射功率24dBm的情况下，发射信号需满足3GPP中对ACLR的要求。随着发射功率的减小，信号幅度减小，同样供电条件下的发射信号的线性会增加，要满足ACLR指标，射频功放已经不再需要如最大发射功率时的高线性区的静态工作点，从而发射信号的线性出现冗余。同时，随着发射功率的减小，功放的效率急剧下降。
通过以上分析可知，如果射频功放的供电电压能随发射功率的大小实时地调整，就能始终将发射信号线性控制于合理水平，从而有效地提高功放效率，节省功率。图3为供电电压不变和供电电压随输出功率改变两种情况下的功放功耗对比示意图。可以看出，功率放大器在供电电压随输出功率改变时的功耗明显低于供电电压不变时的功耗。
基于以上分析，下面从三个方面对本发明的内容进行详细描述。
一、硬件设计
请参照图4，本发明较佳实施的TD-SCDMA终端包括供电电池、基带处理芯片、供电电压控制电路和功率放大器。现有的TD-SCDMA终端射频功放供电方式是电池直接给功率放大器供电，本发明主要做如下改进：在电池供电与功放的供电端口之间引入供电电压控制电路。在本发明的TD-SCDMA终端中，所述基带处理芯片用于根据配置的输出功率输出控制信号到供电电压控制电路；所述供电电压控制电路，用于根据所述控制信号对供电电池的输出电压进行转换，将转换后的电压输出到功率放大器，对功率放大器进行供电。
其中，所述供电电压控制电路包括数模转换器(DAC)、DC-DC电压转换器和LC滤波器。
DC-DC电压转换器采用buck拓扑结构，具有高开关频率、高转换效率、低直流压降，而且采用脉冲宽度调制(PWM)控制技术实现输出电压可调节，使射频功放供电电压在一定范围内可调节。
DC-DC输出端的电容电感选取直接影响DC-DC的工作性能。整体上看，电容电感组成一个LC低通滤波器，电感电容的取值要保证滤波器有合适的拐角频率以滤除开关纹波。此外，考虑到电路的瞬态响应和寄生参数，还需进一步分析。对于电感，首先要求尽量低的直流电阻，以减小输出电压的损耗。从电感取值上，低值电感可提高输出电流变化速度，从而改善转换器的负载瞬态响应，但过低的电感值会影响瞬态响应的稳定性，而且增加输出电压纹波。对于电容，要求尽量小的有效串联电阻(ESR)以减小输出电压纹波。电容取值从两个方面权衡：为保证负载瞬态变化时电压稳定，容值要足够大；为使输出端电压变化有更短的响应时间，容值要足够小。通常，DC-DC的数据手册会给出推荐的电感电容值，可结合系统需求选择合适的器件。
DAC产生的模拟电压信号VCON作为电压转换器的电压控制输入，用来调节输出电压值。DAC的控制可复用自动频率控制的三总线SPI_AFC，此信号由基带处理芯片给出。
在本发明中，基带处理芯片输出一独立的GPIO信号DCDC_ON作为DC-DC电压转换器的开关信号。
硬件设计只是本发明内容的一部分，要将硬件真正应用于TD-SCDMA终端系统，还要有相应的时序和自动校准及控制方法相配合。
二、时序设计
由于时分双工(TDD)的特点，时序对TD-SCDMA终端系统非常重要。本发明中引入了功放供电电压的实时调节功能，因此要考虑功放供电电压变化的时序控制。为方便起见，将这种控制命名为自动供电控制(Auto Power SupplyControl，APSC)。
功放供电电压时序取决于两个方面，一是功放供电电压控制电路中各器件的时间响应特性，另一个是TD-SCDMA系统帧结构的时序特点。
DC-DC电压转换器的时间响应特性，主要涉及两个关键参数：打开时间和输出压摆率(slew rate，即输出电压的转换速率，单位可以是V/us)。这两个参数分别决定APSC的打开提前时间和APSC调节的提前时间。以LM3208为例，典型打开时间延迟约40us，最长达60us，压摆率约为0.14V/us。
对DAC的时间特性，同样关注打开时间(或唤醒时间)和输出压摆率。以MAX5742为例，唤醒时间为8us，压摆率为0.5V/us。
TD-SCDMA系统帧结构中，对于上行时隙，时序控制的难点在于终端存在连续发射时隙时，时隙间的保护间隔只有12.5us，APSC要在此时间内完成变化。相对于现有的典型DC-DC器件的压摆率，若要实现输出最高电压与最低电压之间的变化，12.5us的时间已经不够。
根据上述情况，本发明进行如下设计：
发射初始化和关闭的情况：主要作如下考虑，DC-DC和DAC的初始化可并行操作，给各器件的时间响应留有足够余量。以LM3208和MAX5742搭建的供电电压控制电路为例，如图5所示，DCDC_ON提前于发射时隙起始点T1＝60us打开。于发射起始点前T2＝28us，唤醒DAC，于发射起始点前T3＝20us，写入所需APSC。当发射结束时，DCDC_ON和DAC随即关闭。
连续发射的情况：连续的发射时隙之间，发射保持常开，DCDC_ON维持不变。因连续发射各时隙的功率可能不同，APSC需要在两时隙间完成变化，设定APSC于前一时隙结束时即开始变化。如图5所示，仍以LM3208和MAX5742搭建的电压控制电路为例，允许的LM3208输出电压调整的时间跨度约为10.5us(减去了MAX5742的变化响应时间)，由LM3208压摆率算出供电电压最大跨度为1.5V，这个电压跨度能基本满足现有应用中连续发射时隙的功放供电电压调整的要求。同时，考虑到技术前瞻性，后续TD-SCDMA系统中可能出现连续发射功率变化大的应用，本发明给出了供电电压跨度超过器件能提供的最大跨度情况下的应对策略。在连续时隙所在子帧开始前，终端根据高层指令已经预置好各上行时隙的功率，同时也预置好各功率对应的供电电压。对连续时隙间的供电电压差做判别，电压差超过极限值的，为保证发射信号的稳定和性能，将相对低的预置电压调高，使电压差恰为最大跨度值。由于可能存在两以上的连续发射时隙，此判别需要循环进行，直到没有电压跨度超过极限值情况为止。图7的供电电压控制流程图的右半部分描述了这一过程。这种兼顾极端情况的应对策略保证了发明方案的完整性。
上述时序顾及了各器件的时间响应以及TD-SCDMA系统帧的特殊结构，能够保证终端发射信号的完整稳定。
三、自动功率校准和控制方法
现有的校准程序中，功率校准方式是，功放供电电压恒定，给定不同的功率控制字，测量对应的功率输出，然后以测得的功率值为输入，功率控制字为输出，用最小二乘法拟合多项式曲线(一般是3次多项式)，将拟合的函数存入终端。自动功率控制时，根据不同的功率值，用拟合函数计算出对应的功率控制字。
因为本发明中功放供电电压可变，影响输出功率的变量多了一个，功率校准和控制所要涉及的情况复杂了许多。
首先，每个功率点需要多大的功放供电电压？电压太大达不到省电的目的，电压太小有可能功放线性不够，造成ACLR不达标准。综合以上两个方面，对于某一特定输出功率，选用刚好使ACLR满足要求的最小供电电压。
理论上，规定了ACLR标准后，功率控制字、功放输出功率以及供电电压之间存在一一对应的关系。只要找到这种对应关系，在TD-SCDMA终端允许的输出功率范围内，都可以按此关系对供电电压和输出功率进行同步的调整。但实际应用中DC-DC电压转换器输出电压有一定范围。以LM3208为例，典型的输出电压范围是0.8V至3.6V(实际中输出的最高电压不超过电池的供电电压)。即现实情况中，功放供电电压降至DC-DC输出下限时，已不可能再降。为应对此情况，本发明按照上述电压功率对应关系，以DC-DC输出下限电压所对应的功率(后文简称临界功率)为分界点，将功放校准和控制以功率为准分成两部分，分别进行校准。
关于功率校准和控制，还隐藏着另一问题：ACLR指标只适用于一定功率范围。随着发射功率下降，发射噪底与发射功率接近，功率降到一定程度后，供电电压不论如何调整，ACLR也不能满足要求(并非功放的线性而是噪底造成)。即存在适用ACLR指标的功率下限临界点。通常情况，适用ACLR指标的功率下限临界点的功率远低于供电电压下限造成的临界功率，因此，此情况在现实中不构成实质性问题。
临界功率以上的校准，利用了在规定的ACLR指标下，功率控制字、功放输出功率和功放供电电压的一一对应关系，具体方法如下：
首先制定合适的ACLR指标，要求在一定功率范围内发射信号的ACLR都达到此指标。3GPP对TD-SCDMA终端系统的ACLR要求是第一邻道33dB和第二邻道43dB。考虑某些极端情况，设计中会留有余量。此指标要视不同终端方案而定，对于现有的终端方案，可规定系统的ACLR第一邻道38dB和第二邻道48dB，通常情况是，第一邻道ACLR要比第二邻道ACLR更难达标。
测量功率控制字与功放供电电压的关系函数。以功率控制字为输入，测量当发射信号满足上述ACLR指标时，每个控制字对应的最低的功放供电电压，将测试结果用最小二乘法多项式拟合，得出拟合函数，存入终端。此过程需要反复试探。
功率校准时，对于每个功率控制字，以拟合函数计算出相应的供电电压，直接以此电压值反算DAC的控制字(DC-DC和DAC的输入输出线性)。这样在功率校准过程中，功放供电电压做到随功率相应变化。此外，功率校准之前，供电电压与功率并未直接建立函数关系，加之不同终端的自动功率控制(APC)差异，导致前述的临界功率在校准前只是个大致的范围，没有确定值。经上述APC校准步骤，得到了确定的临界功率点。
临界功率以下的功率校准方法与原有功率校准方法相同，从临界功率点到TD-SCDMA系统要求的发射最小功率-49dBm，以固定的DC-DC最小输出电压作为功放供电电压，进行功率校准，得出拟合函数。功率校准的步骤如图6所示。
前面提及DC-DC的输出电压也存在上限，此上限对系统性能的潜在影响也应充分考虑。输出功率较大情况下，功放供电电压可能被锁定于DC-DC输出的最高点，不能继续升高。具体电压值为VBAT-RDC*I，其中VBAT为电池供电电压，RDC为DC-DC内部开关及外围电感的直流电阻之和，I为输出负载电流。显然，在电池电压不足的情况下，高功率信号的线性会下降，可能造成ACLR不达标。为避免这一问题，本发明一方面尽量选用直流电阻低的DC-DC和电感器件，避免不必要的压降，目前业界的水平已能将两器件串联的直流电阻阻值控制在150mΩ左右；另一方面如前所述，对校准用的ACLR指标留有一定余量，这样即使功放供电不足，发射信号也能满足3GPP关于ACLR的要求。
参考上述功率校准，可以得到功率控制的方法。功率控制的完整流程如图7所示，以临界功率为分界点，分界点两侧的输出功率控制方式不同。临界功率以上，调用可变供电电压情况下的输出功率与功率控制字的拟合函数计算功率控制字，再调用功率控制字对应供电电压的函数计算APSC控制字，实现功放供电电压与功率配合调整；临界功率以下，只调用恒定的最小供电电压下，输出功率与功率控制字的拟合函数计算功率控制字，调整功放功率，将功放供电电压直接锁定于最小电压。此外，因为时序的限制，对连续发射情况还要增加监控供电电压变化跨度不超过规定范围的步骤，具体情况和方法在连续发射的时序设计部分已有详细描述。
实际应用中，功放供电电压并不要求精确，且ACLR指标已留有余量，因此对于同一版本的不同终端，可使用同一个功率控制字对功放供电电压的函数关系，这样大幅节省了终端自动校准时间。
本发明从提高低输出功率时射频功率放大器效率入手，通过硬件上改进射频功放的供电方式，显著减少终端上行功率消耗。并结合TD-SCDMA系统上行突发时隙的结构，提出了相应的上行功率控制时序以及自动功率校准及控制方法，使提高射频功放效率的硬件设计真正运用于TD-SCDMA终端中，实现TD-SCDMA终端的进一步省电。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种TD-SCDMA终端，包括供电电池、基带处理芯片和功率放大器，其特征在于，还包括供电电压控制电路，其中：
所述基带处理芯片，用于根据配置的输出功率输出控制信号到供电电压控制电路；
所述供电电压控制电路，用于根据所述控制信号对供电电池的输出电压进行转换，将转换后的电压输出到功率放大器，对功率放大器进行供电。
2.如权利要求1所述的TD-SCDMA终端，其特征在于，所述供电电压控制电路包括数模转换器、DC-DC电压转换器和LC滤波器，其中：
所述基带处理芯片，进一步用于输出GPIO信号到DC-DC电压转换器，控制DC-DC电压转换器的开关，以及根据配置的输出功率输出SPI信号到数模转换器；
所述数模转换器，用于对输入的SPI信号进行数模转换，输出模拟电压信号到DC-DC电压转换器；
所述DC-DC电压转换器，用于根据模拟电压信号对供电电池的输出电压进行转换，将转换后的电压输出到LC滤波器；
所述LC滤波器，用于对DC-DC电压转换器的输出电压进行滤波后输出到功率放大器，对功率放大器进行供电。
3.一种TD-SCDMA终端的射频功放省电方法，其特征在于，包括：
在功率放大器与供电电池之间引入供电电压控制电路，由所述供电电压控制电路根据配置的输出功率对功率放大器的供电电压进行调节。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：
根据供电电压控制电路中各器件的时间响应特性，以及TD-SCDMA系统帧结构的时序特点对供电电压调节的时序进行控制。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对供电电压调节的时序进行控制包括：
设计功放供电电压的初始化和关闭时序，供射频发射开关使用；以及设计功放供电电压调节时序，供发射常开时，相邻发射时隙之间功率变化使用。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据配置的输出功率对功率放大器的供电电压进行调节具体包括如下步骤：
A、给出各时时隙的发射功率，判断所述发射功率是否超过临界功率，若是，进入步骤B，否则，进入步骤D；
B、按高功率的拟合函数计算功率控制字；
C、根据功率控制字与供电电压关系函数，计算供电电压，并根据供电电压计算供电电压控制字后，进入步骤F；
D、按低功率的拟合函数计算功率控制字；
E、根据最小供电电压计算供电电压控制字；
F、写入功率控制字和供电电压控制字。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤F之前还包括：
在确定有连续的发射时隙，且有电压跨度超过极限值时，将低电压调高，使电压跨度等于极限值，并根据调整后的电压重新计算供电电压控制字。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述功率控制字与供电电压关系函数的获取包括如下步骤：
C1、写入不同的功率控制字；
C2、测量邻道泄漏比ACLR，调整功放供电电压，使ACLR刚好达标；
C3、测得每个功率控制字对应的供电电压；
C4、以功率控制字为输入，供电电压为输出，进行多项式拟合，得出拟合函数。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述高功率的拟合函数的获取包括如下步骤：
B1、写入不同的高功率控制字；
B2、根据功率控制字对供电电压的拟合函数计算并配置电压；
B3、测得各功率控制字对应的输出功率；
B4、以功率值为输入，功率控制字为输出，进行多项式拟合，得出高功率拟合函数并找到临界功率。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述低功率的拟合函数的获取包括如下步骤：
D1、写入不同的低功率控制字；
D2、配置最低电压；
D3、测得各功率控制字对应的输出功率；
D4、以功率值为输入，功率控制字为输出，进行多项式拟合，得出低功率拟合函数。
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