CN101243609A - 可重新配置的发射机 - Google Patents

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CN101243609A CNA2006800297030A CN200680029703A CN101243609A CN 101243609 A CN101243609 A CN 101243609A CN A2006800297030 A CNA2006800297030 A CN A2006800297030A CN 200680029703 A CN200680029703 A CN 200680029703A CN 101243609 A CN101243609 A CN 101243609A
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Abstract

本发明涉及发射设备和方法，其中放大被实现为，根据哪种操作模式最好地满足所用无线电系统的需要，可以在开关操作模式和线性操作模式之间改变。这提供了为不同系统使用相同硬件的可能。

Description

可重新配置的发射机
技术领域
本发明涉及发射设备和在例如蜂窝无线电发射系统的发射系统中使用的方法。
背景技术
功率放大器(PA)是任何无线电发射机的重要部件。其把承载信息的RF(射频)信号放大到适合传输的功率电平。其通常是位于天线之前的发射机(TX)链的最后的有源部件。在发射机的任何单个部件中，通常功率放大器还具有最高功耗。
存在多种不同类型的功率放大器。可以根据拓扑或者功率放大器被驱动或匹配的方式来区分功率放大器。
目前在现代无线通信中使用的大部分功率放大器是线性的。这意味着功率放大器的输入信号是完全调制的RF信号，包含先前已经在发射机中施加的所有幅度和相位调制。功率放大器仅仅提供增益，在输出处产生对输入的“忠实复制”——仅仅增加功率。
“A类”表示最线性类型的功率放大器，其中在RF输入的整个周期内放大器的输出都遵循输入的波形。这产生最少的失真，但导致最低效率类型的功率放大器——功率放大器的偏置电流必须足够大从而使得输入RF信号从不会把晶体管强迫到非线性区域，例如，在二极管的情况下，引起设备进入饱和或切断。
通过对设备进行重新偏置来降低传导角从而使得对于部分输入周期晶体管切断，可以提高功率放大器的效率，但这是以非线性失真为代价的。完全传导是A类。当传导是输入周期的50％(即，在输出处仅仅再生输入周期的一半)时，放大器为“B类”。当放大器操作在这两类之间时，其被称为“AB类”。功率放大器设计者试图获得在效率和非线性失真之间的折衷。设计者期望功率放大器尽可能的高效，同时仍然满足无线系统频谱需求，例如，临近信道的泄漏率、归因于调制的频谱等。
设计者还使用各种技术以允许线性功率放大器以较高的效率进行操作，同时具有可接受的失真。这些技术包括多种措施，例如预失真、利用输出功率电平的PA电源调整和包络追踪。
当传导小于输入周期的50％时，该放大器被称为操作在“C类”。这是完全非线性放大器例子。在最有效率的功率放大器中，晶体管作为开关操作。这种开关模式类型的放大器是“D类”、“E类”和“F类”，尽管C类和硬驱动或饱和的B类放大器通常也位于该组中。
非线性或者开关模式的功率放大器不能在没有大量失真和频谱再生的情况下传递包含幅度调制(AM)的任何信号。然而，如果没有AM的恒定包络RF信号被用作输入，则不会发生失真。这些放大器的输出幅度在理想的情况下也直接与电源成比例。因此，为了在功率放大器的输出处获得包含AM和相位调制(PM)的复合调制，可以对功率放大器的电源施加AM。非线性放大器也非常高效，理论上具有达到100％的效率。
图1和2显示了在线性和开关模式功率放大器之间的在输入、输出和电源调制方面的关键性差异。
图1显示了具有偏置点设置从而使得功率放大器线性地进行操作的线性功率放大器10的示意性电路图。而且，电源(电压VCC)必须被设置为足够高的恒定电平以便使得功率放大器线性地操作。输入驱动电平必须位于合适的值以保持该设备线性地操作。在输入处提供具有AM和PM的RF输入信号，并且在输出处获得具有基本相同AM和PM的被放大的输出信号。
图2显示了具有偏置点设置从而使得功率放大器作为开关来操作的开关模式功率放大器12的示意性电路图。关于电源，通过其电源节点向开关模式功率放大器引入AM(例如调制的电源电压VCC)。可以在输入处提供仅具有PM的RF输入信号，并且可以在输出处获得具有AM和PM的放大的输出信号，而已经与输入信号分离的AM可以通过电源节点来添加。当操作在开关模式时，对功率放大器的输入驱动电平必须足够高以便对功率放大器进行硬开关，即输入必须使该放大器保持在增益压缩。因此，在线性模式中，也就是说，当操作在线性模式下时，功率放大器的输入功率通常小于操作在开关模式下的输入功率。
在1950年首次提出使用图2的开关模式功率放大器的发射机的一种形式并且称为包络消除和恢复(EER)。首先在中间频率(IF)或RF产生RF信号。包络被检测并馈送到PA电源。然后信号在被馈送到功率放大器的RF输入之前经过限幅器从而剩余仅PM的信号。多年来，向非线性放大器的电源提供幅度调制信号的概念已经作为“Kahn技术”而众所周知。该结构通常还包括上变换，有时利用偏置回路方法。
最近几年，尤其是由于快速、Δδ分数N型锁相环(PLLs)的出现，进一步发展和改进了EER概念。包络消除和恢复不再是必须的，而是可以在数字基带中产生幅度和相位信号。然后幅度信号被馈送到数模转换器(DAC)并馈送到非线性放大器电源。相位信号被差分以便获得描述频率的信号并且于是被用于调制PLL合成器。这通常是把频率数据放到Δδ调制器中以获得FM调制的分数N型PLL。
在AM路径中实现最快电源的最有效方式是开关模式电源(SMPS)。然而SMPS的带宽受到可实现的开关速度的限制。
在极性发射机结构中，把I和Q信号从Cartesian坐标(正弦和余弦)转换为极坐标(幅度和相位)。幅度和相位信息被分离并向下发送到分开的路径直到在开关模式功率放大器中重新结合。如上面已经提到的那样，从初始信号(恒定包络或非恒定包络)中提取的相位信息被转换成恒定包络信号。这可以通过对设计为输出预期发射频率的锁相环进行相位调制来实现。现在可以通过压缩的放大器来放大所产生的信号而不涉及幅度信息失真。所提取的幅度信息用于调制功率放大器的电源。
然而，开关模式发射机还在其动态范围方面受到限制。该动态范围不仅随开关模式功率放大器而变，还随开关模式电源而变，其中开关模式功率放大器在较低电压处展示极端的幅度和相位的非理想性，电源的最低可用输出电压受限于SMPS内可用开关占空比以及由开关动作所显示的波动。
该动态范围问题是在例如极性发射机的开关模式发射机中最难解决的问题。安装在各种版本码分多址(CDMA)方案(例如3GPP WCDMA(第3代合作计划宽带CDMA)或CDMA2000)中的系统具有超过70dB的非常大的功率控制范围。然而，极性发射机可用的功率控制范围可能大约只有30dB。这对于GSM(全球移动通信系统)或GSM-EDGE(GSM演进的增强型数据)类型的系统是足够的，但是对于需要大的功率控制范围的CDMA系统并不够。
发明内容
本发明的目标是提供一种高效的发射设备和方法，从而可以保证在所有类型的发射系统中的灵活使用。
本发明的目标通过一种发射设备来实现，其包括：
●放大器装置，其被配置为能操作在开关操作模式下和线性操作模式下；
●开关装置，用于有选择地控制所述放大器装置操作在所述开关操作模式或所述线性操作模式中。
此外，通过一种发射方法来实现上述目标，该方法包括控制传输信号的放大，以便基于发射所述传输信号的发射系统来在开关操作模式或在线性操作模式下有选择地放大所述传输信号的步骤。
因此，通过只要有可能——例如如果功率控制范围足够，就有选择地使用开关模式方式，可以增加发射的功率效率。而且，对于宽动态范围系统的切换到线性模式的能力提供了为不同系统使用相同硬件的可能性，并且因此导致增强的灵活性。
可以提供电源装置以用于为放大器装置供电，其中电源装置响应于开关装置而被控制，以便如果开关操作模式被选择，则产生具有幅度调制的电源，如果线性操作模式被选择则产生恒定电源。因此，在开关操作模式下，可以通过电源信号有选择地再次引入幅度调制。
此外，可以在线性操作模式中应用预失真、利用输出功率的电源电压调整以及包络追踪中的至少一个，从而使得在线性操作模式中获得电源的有限幅度调制。因此，可以提高效率。
此外，可以提供信号处理装置，用于产生提供给放大器装置的放大器输入信号，其中该信号处理装置可以响应于开关装置而被控制，从而使得如果所述开关操作被选择，则产生所述具有恒定包络的放大器输入信号，并且如果所述线性操作模式被选择，则产生所述具有幅度调制的所述放大器输入信号。作为例子，开关装置可以包括第一开关装置，用于有选择地把与幅度调制对应的包络信号或恒定功率控制信号连接到电源装置。
此外，可以提供用于从发射设备的输入信号中提取幅度调制的提取装置。尤其的，该提取装置可以包括用于把输入信号的同相分量和正交分量转换为幅度信号和相位信号的转换装置，并且其中所述幅度调制是从所述幅度信号导出的。因此，提供可以由Cartesian I/Q信号驱动的可重新配置极性发射机。可变延时装置可被配置为，响应于开关装置，有选择地调整在所提取的幅度调制和输入信号的相位调制之间的相对延时。
信号处理装置可以包括响应于开关装置而被控制的幅度调制装置。如果开关操作模式被选择，则幅度调制装置可以被设置为恒定输出状态。作为例子，开关装置可以包括第二开关装置，用于有选择地把与幅度调制对应的包络信号或恒定控制信号连接到幅度调制装置的调制输入。
作为附加措施，可以提供预失真装置，用于将选择性预失真应用到幅度调制装置的载波输入信号，以便如果线性操作模式被选择，则有选择地补偿幅度调制装置的特性。
可以通过使用偏置装置来选择或设置操作模式，其中偏置装置响应于开关装置而改变放大器装置的偏置信号。偏置装置可以包括用于产生可变偏置电流的可编程电流源以及用于产生可变偏置电压的可编程电压源中的至少一个。
此外，在从属权利要求中定义了其它的有利发展。
附图说明
下面，根据参考附图的实施例来描述本发明，其中：
图1显示了线性功率放大器的示意图；
图2显示了开关模式功率放大器的示意图；
图3显示了在开关操作模式下依照本发明实施例的可重新配置极性发射机的示意框图；以及
图4显示了在线性操作模式下依照本发明实施例的可重新配置极性发射机的示意框图。
具体实施方式
下面将结合如图3和4所示的将在蜂窝无线电系统中使用的可重新配置极性发射机，来描述本发明的实施例。作为一个例子，可重新配置极性发射机可以是移动终端设备(例如移动电话或移动计算机终端)或者基站设备的一部分。图3和图4所示的电路可以被集成为单个芯片或芯片集合，从而被组装在上述移动终端设备或基站设备中的至少一个中。
依照实施例，可以根据哪种操作模式最好地满足所用无线电系统的需要，来在开关模式操作(开关操作模式)和线性模式操作(线性操作模式)之间改变极性发射机。
当如图3所示操作在开关模式时，功率放大器4的电源30被幅度调制，并且功率放大器4的输入被提供仅具有相位调制的恒定包络RF信号。偏置电路34对功率放大器4进行偏置从而使其操作在开关模式，例如E类、F类或饱和类B。输入驱动电平通过在前的级被设置为合适的电平。
当操作在图4所示的线性模式时，偏置电路34对功率放大器4进行偏置从而使功率放大器4操作在A类或AB类。功率放大器4的输入信号既通过AM调制又通过PM调制。为此，幅度调制器36必须被包含在发射链或分支中。至少一个可变增益放大器2提供所需的动态范围。
当功率放大器4处于线性模式时，可以使用与线性发射机相关联的效率改进技术，例如预失真、利用输出功率的电源电压调整以及包络追踪。向功率放大器4供电的电源单元30可以是带宽可变的，根据环境来在静态功率控制模式、包络追踪和完全幅度调制之间切换。
通过控制第一开关单元40和第二开关单元42的开关状态，发射机可以根据需要来被有选择地设置为线性或开关模式。这可以通过手动的用户操作或通过基于检测的自动操作来实现，这取决于所选发射系统。
例如，如果检测到或者确定发射机将使用具有低动态范围需求的发射系统(例如GSM)，则功率放大器4可以操作在图3所示的开关操作模式。这可以通过相应地控制第一开关单元40以将电源单元30连接到上部分支来实现，其中通过上部分支提供从I/Q输入信号中导出的幅度调制或包络信号(AM)。此外，控制第二开关单元42以将功率控制电路26的恒定输出信号连接到幅度调制器36的调制输入。结果，幅度调制功率信号被提供给功率放大器4，并且功率放大器4的输入信号的包络被保持基本恒定。
功率控制电路26的输出信号还用于控制可变增益放大器(VGA)2，以设置用于驱动功率放大器4的所需动态范围和最大增益。
当发射机被用在需要高动态范围的系统中(例如WCDMA)时，功率放大器4可以操作在图4所示的线性操作模式。这可以通过相应地控制第一开关单元40以将电源单元30连接到功率控制电路26的恒定输出信号来实现。此外，控制第二开关单元42以将上部分支连接到幅度调制器36的调制输入，其中通过上部分支提供从I/Q输入信号中导出的幅度调制或包络信号(AM)。结果，幅度调制输入信号被提供给功率放大器4并且功率放大器4的电源信号的包络被保持基本恒定。
必须设计功率放大器4从而使其以可接受的性能操作在开关操作模式和线性操作模式下。尤其地，通过偏置电路34提供给功率放大器4的偏置信号可以被例如可编程电流和/或电压源设置。这些偏置电压和/或偏置电流被设置为将功率放大器4偏置为适合于取决于发射系统的线性操作模式或开关操作模式——即第一和第二开关单元40，42的开关状态——的偏置值。因此，偏置电路34可以具有控制输入(没有显示)，该控制输入由提供给第一和第二开关单元40，42的相同控制信号或信息来控制。
作为附加的措施，当功率放大器4操作在开关操作模式时，为了补偿功率放大器4的AM/AM和AM/PM失真特性，可能需要向发射链(图3和图4的下部分支)提供预失真。当操作在线性操作模式下时，为了提高功率放大器4的效率，还可以期望使用其它措施，例如预失真、利用输出功率电平的电源调整或包络追踪。预失真可以通过配置在发射链中的相应的预失真单元(没有显示)来提供。
电源单元30经由第一低通滤波器32来提供功率信号以用于移除不想要的高频分量或者寄生信号，并且通常可以是开关模式电源，尽管电源单元30还可以实现为线性调整器、开关模式电源和线性调整器的结合、线性放大器、开关电容电源，等等。
在用于提供幅度信息或包络信号的上部分支或幅度路径中，如果发射机在其输入处接收数字I和Q数据流，则提供数模转换器(DAC)24。在某些实现方式中，幅度路径中的DAC 24可以被消除，并且数字或PWM(脉冲宽度调制)信号到达开关模式电源单元30。DAC 24之后是用于移除不想要的高频分量或寄生信号的第二低通滤波器28。
后端RF-IC 20将获得脉冲整形之后的数字I和Q数据流，并且把它们转换为幅度和相位信号。实现的一种方式是利用Cordic处理器提供的某些Cordic算法。Cordic处理器把I和Q数据流的Cordic坐标(正弦和余弦)转换为极坐标(幅度和相位)。幅度和相位信息被分离并被分别提供给分离的路径，即上部幅度分支和下部发射链。
幅度信息被储送到DAC 24。在图3的开关操作模式中，DAC 24向电源单元30提供模拟的参考或控制信号。在图4的线性操作模式中，该DAC24向幅度调制器36提供模拟的AM信号。幅度调制器36可以实现为混频器、可变增益放大器(例如流控可变增益放大器)、具有调制电源的非线性或开关模式缓存器、可变衰减器或某些提供幅度调制功能的其它模块。准确的实现方式取决于将使用的半导体技术和系统需求。当发射机运行在开关操作模式时，通过把功率控制电路26的输出信号提供给幅度调制器36的调制输入，幅度调制器36可以被设置为恒定输出状态。此外，当发射机运行在线性操作模式时，为了补偿幅度调制器36的AM/AM或AM/PM特性，需要通过合适的预失真单元(没有显示)来提供数字预失真。
可变延时单元22被提供为具有调整在上部幅度路径和下部相位路径之间的相对延时的能力，从而使得这些调制信号在相同时间到达功率放大器4(当发射机运行在开关操作模式时)或幅度调制器36(当发射机运行在线性操作模式时)。
可以通过幅度调制器36之后的VGA 2和VGA队列来提供所需的功率控制动态范围。此外，对于某些系统，为了过滤噪声和/或寄生信号，需要在功率放大器4之前增加带通滤波器(没有显示)。
相位信息或相位调制被差分并且然后馈送到PLL合成调制器38，PLL合成调制器可以根据需要被实现为单点FM调制器(例如，分数N合成器)或以两点调制来实现。PLL合成调制器38中的压控振荡器(VCO，没有显示)可以运行在信道频率或信道频率的倍数(例如2x或4x)。当VCO运行在信道频率的倍数时，PLL合成调制器38具有频分器以将VCO频率转换为实际信道频率(例如除以2或4)。这将取决于将支持的频带数量和从信道信息提供的频率分配，其中所述信道信息是作为控制信息提供的或存储在(可编程)信道单元或存储器44中的。此外，可以测试并表征PLL合成调制器38的特性，即，对于具有预重点的单点PLL调制或双点PLL调制。
依照上述实施例所提出的发射机相对于传统IQ调制方式的优点是，通过只要有可能就使用开关模式方式而提高了效率。而且，通过为很宽的动态范围系统而切换到线性操作模式的能力，可以获得相对于“纯”开关模式发射机的优点，该优点提供了不同系统使用相同硬件的可能性。
总之，已经基于图3和图4描述了发射设备和方法，其中可以根据哪种操作模式能最佳地满足所用无线电系统的需要，来在开关操作模式和线性操作模式之间改变放大。这提出了为不同系统使用相同硬件的可能性。
应当注意本发明并不严格限定为上述实施例，并且可以实现在具有可以被配置为有选择地操作在线性操作模式或开关操作模式下的放大电路或器件的任何发射机结构中。可以通过使用任何类型的开关单元，例如有源或无源半导体单元或开关电路，来实现第一和第二开关单元40，42。此外，可以提供仅仅一个或两个以上开关单元，以实现有选择地把幅度信息提供给幅度调制器36或者功率放大器4的电源输入。一般而言，本发明意图覆盖其中放大器可以有选择地在线性操作模式和开关操作模式之间切换的任何实施例或修改。因此优选实施例可以在所附权利要求的范围内进行改变。

Claims (26)

1.一种发射设备，包括：
a)放大器装置(4)，其被配置为能操作在开关操作模式下和线性操作模式下；以及
b)开关装置(40，42)，其用于有选择地控制所述放大器装置，以操作在所述开关操作模式下或所述线性操作模式下。
2.如权利要求1所述的设备，进一步包括电源装置(30)，其用于向所述放大器装置(4)供电，所述电源装置(30)响应于所述开关装置(40)而被控制，使得如果所述开关操作模式被选择则产生具有幅度调制的电源，并且如果所述线性操作模式被选择则产生恒定电源。
3.如权利要求1或2所述的设备，进一步包括效率改进装置，用于当所述放大器装置(4)处于所述线性操作模式时，应用预失真、利用输出功率的电源电压调整和包络追踪中的至少一个。
4.如权利要求2所述的设备，其中所述开关装置包括第一开关装置(40)，其用于有选择地把与所述幅度调制相对应的包络信号或恒定功率控制信号连接到所述电源装置(30)。
5.如权利要求1或2所述的设备，进一步包括信号处理装置(36，38)，其用于产生提供给所述放大器装置(4)的放大器输入信号，所述信号处理装置(36，38)响应于所述开关装置(42)而被控制，使得如果所述开关操作模式被选择则产生具有恒定包络的所述放大器输入信号，并且如果所述线性操作模式被选择则产生具有幅度调制的所述放大器输入信号。
6.如权利要求2或5所述的设备，进一步包括提取装置(20，22)，其用于从所述发射设备的输入信号中提取所述幅度调制。
7.如权利要求6所述的设备，其中所述提取装置(20，22)包括转换装置(20)，用于把所述输入信号的同相分量和正交分量转换为幅度信号和相位信号，并且其中所述幅度调制是从所述幅度信号中导出的。
8.如权利要求5所述的设备，其中所述信号处理装置(36，38)包括幅度调制装置(36)，其响应于所述开关装置(42)而被控制。
9.如权利要求8所述的设备，其中如果所述开关操作模式被选择，则所述幅度调制装置(36)被设置为恒定输出状态。
10.如权利要求9所述的设备，其中所述开关装置包括第二开关装置(42)，其用于有选择地把与所述幅度调制相对应的包络信号或恒定功率控制信号连接到所述幅度调制装置(36)的调制输入。
11.如权利要求8所述的设备，进一步包括预失真装置，用于把选择性预失真应用于所述幅度调制装置(36)的载波输入信号，以便如果所述线性操作模式被选择则有选择地补偿所述幅度调制装置(36)的特性。
12.如权利要求1所述的设备，进一步包括偏置装置(34)，用于响应于所述开关装置来改变所述放大器装置的偏置信号，使得把所述放大器装置设置到所述开关操作模式或所述线性操作模式。
13.如权利要求12所述的设备，其中所述偏置装置(34)包括用于产生可变偏置电流的可编程电流源和用于产生可变偏置电压的可编程电压源中的至少一个。
14.如权利要求6或7所述的设备，进一步包括可变延时装置(22)，其被配置为响应于所述开关装置(40，42)，有选择地调整在所述提取的幅度调制和所述输入信号的相位调制之间的相对延时。
15.一种用于蜂窝无线电系统的移动终端设备，所述终端设备包括如上述权利要求中的任意一个所述的发射设备。
16.一种用于蜂窝无线电系统的基站设备，所述基站设备包括如权利要求1-14中的任意一个所述的发射设备。
17.一种芯片集合，包括集成在如权利要求1-14中的任意一个所述的发射设备上的至少一个集成电路。
18.一种发射方法，包括这样的步骤：控制传输信号的放大，使得基于发射所述传输信号的发射系统，来有选择地在开关操作模式或在线性操作模式下放大所述传输信号。
19.如权利要求18所述的方法，进一步包括这样的步骤：如果所述开关操作模式被选择则产生具有幅度调制的电源，并且如果所述线性操作模式被选择则产生恒定电源。
20.如权利要求18所述的方法，进一步包括在所述线性操作模式中应用预失真、利用输出功率的电源电压调整和包络追踪至中的少一个的步骤。
21.如权利要求18到20中的任意一个所述的方法，进一步包括这样的步骤：如果所述开关操作模式被选择则产生具有恒定包络的放大器输入信号，并且如果所述线性操作模式被选择则产生具有幅度调制的放大器输入信号。
22.如权利要求19到21中的任意一个所述的方法，进一步包括从将通过所述发射方法发射的输入信号中提取所述幅度调制的步骤。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述提取步骤包括把所述输入信号的同相分量和正交分量转换为幅度信号和相位信号，其中所述幅度调制是从所述幅度信号中导出的。
24.如权利要求21所述的方法，进一步包括如果所述线性操作模式被选择，则向发射链应用选择性的预失真以便有选择地补偿所述幅度调制的特性的步骤。
25.如权利要求18所述的方法，进一步包括改变所述放大器中所用的偏置信号，使得把所述放大设置在所述开关操作模式或所述线性操作模式的步骤。
26.如权利要求22或23所述的方法，进一步包括基于所选操作模式有选择地调整在所述提取的幅度调制和所述输入信号的相位调制之间的相对延时的步骤。
CNA2006800297030A 2005-07-15 2006-07-12 可重新配置的发射机 Pending CN101243609A (zh)

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