CN1027848C - 使功率放大器功率斜升的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明推出一种使功率放大器(203)输出功率迅速、平滑地上升到所需功率电平而不致产生严重的猝发频率噪声的功率放大器控制器。这种控制器有一个RF输出功率检测器(211)，用来产生一个与功率放大器(203)的功率电平有关的信号(229)。该信号(229)与一个参考信号(213)进行比较，确定功率放大器(203)是否有效。比较器(215)产生的信号(227)用来确定自动输出控制(AOC)信号(231)的电压电平，对功率放大器的放大量进行控制。

Description

一般来说，本发明与功率放大器的控制电路有关，而具体来说，本发明与功率放大器的功率斜升控制电路有关。

功率放大器在发送射频（RF）信号上用途很广，其中包括用于无线电话通信系统，当然，还有其它许多用途。在一个无线电话通信系统中，有好几个固定的区站收发机。每个固定区站收发机都是有线电话系统与该固定区站收发机服务地区内的各个移动无线电话机之间的一个接口。固定区站收发机和无线电话机通过发送和接收FM调制的射频信号相互通信。

在一个模拟无线电话系统中，可用于无线电话通信的可用RF频谱很宽。这个可用RF频谱可划分为一个个具有较窄频段的信道。根据申请，每一个无线电话机占用一个频道，在这个频道上与固定区站收发机交换信息。这就是所谓的频分多路复用（FDMA）系统。在一次通话期无线电话发射机接通，在整个通话时间内保持频率不变。因此，为了进行一次可能长达几分钟通话，无线电话机的发射机，其实也就是功率放大器（PA），只需接通一次和断开一次。固定区站收发机在一次通话期间也可以保持一直接通。在 一个FDMA系统中，由于接通的次数不多，因此功率放大器的通断要求并不十分严格。如果发射机接通太快，就会出现一个较大的瞬时猝发噪声，然而无非是在一次通话期间发生一次，对该通信系统并不会有多大影响。同样，如果功率放大器接通过慢，则在一次通话的开始，交谈中会有一个很小的不易察觉的间歇。这些问题只不过是对用户有些不方便，还谈不上是使系统性能降低的重大问题。

在新近提出的蜂窝状数字无线电话系统中，对功率放大器的接通要求急剧提高。这类新系统采用时分多路复用（TDMA）的通信体制。在一个TDMA通信系统中，有8个或16个无线电话机合用一个200千赫宽的信道，在这个信道上广播。在一个信道上的各无线电话机周期性地分别占用相应的577微秒（μs）宽的时隙（tims    slot）。在这个时隙期间，无线电话机使功率放大器斜向上升到适当的频率和功率，发送出准备的数据，然后再使功率放大器斜向下降，这样才不至于对共享这同一信道的其它用户产生干扰。因此就大大地提高了对功率放大器控制的要求。

已经制定的集体与用移动通信（Group    Special    Mobile    GSM）维护规则ETSI/PT-12    05.05（4.2.2和4.5.2），1991.3，对数字无线电话通信系统作了规定。这些规则意识到要提高功率放大器的要求，已经规定了如图7和图8所示的时间隔离（time    mask）和谱频隔离（spectral    freqnencg    mask），这是所有在该系统中使用的无线电话设备必要要满足的。这些涉及时间和频率隔离 的技术规范要求功率放大器十分平滑地斜向上升，并且有严格的时间限制。

没有这些要求，TDMA数字通信系统就会不能工作。如果PA导通太慢，甚至只是几微秒，也会严重地危及固定区站收发机与无线电话机之间的数据传送。如果PA导通太快，则会产生频谱很宽的猝发噪声，对频率相同或相近的无线电话机形成干扰。因此，就需要一个功率放大器的控制器来控制功率放大器，使得功率放大器的功率迅速、平稳地斜向上升到所需功率，既不会产生猝发频率噪声，也不致丢失数据。

以前，一直采用一个数字信号处理器（DSP）和一个数模变换器（D/A）来控制PA，使PA斜升满足GSM规范。DSP所产生的自动输出控制（AOC）电压输入到一个积分器内，与一个RF功率检测器的输出进行比较。AOC信号和检测器信号之差加到功率放大器系统的控制输入端上。在理想情况下，这个闭环的功率放大器系统将根据这个控制电压调整RF功率，直至RF功率检测器的输出等于AOC电压。然而，系统远非这样理想。

这种系统有两个缺点，因而不能保证时间隔离和谱频隔离。首先，RF功率检测器能检测的功率放大器输出的RF功率范围是有限的。低于这个范围，检测器输出的是一个与功率放大器的功率变化无关的低电压。在这种情况下，控制回路开路，输出功率无法随AOC电压变化。实际上，积分器的输出将会达到最大的负电压，因为此时 的检测器输出电压是大于AOD电压的。其次，激励/功率放大器通常有一个导通门限，积分器的输出必要在斜升波形加到功率放大器前就达到这个门限。

由于这种控制回路有这些缺点，因此要在功率放大器有效后，检测器才会有效，控制回路闭合，对AOC电压进行跟踪。然而，与时控制回路所要跟踪的是当时电平的AOC电压。这就会使功率放大器急速导通（如图4曲线401所示），从而导致不能满足谱频隔离的要求。

因此，需要有一种适合这种专用功率放大器需要、能使其输出功率迅速平滑地斜向上升的功率放大器控制回路。

本发明推出了一种发射机，这种发射机包括用来放大一个第一信号的放大装置和用来控制放大装置的控制装置。放大装置有至少两个输入端、至少一个输出端、一个有效状态和一个非有效状态，而且受着一个第二信号的电压控制。具有一定功率和第一频率的第一信号耦合到功率放大器那至少两个输入端中的第一输入端上。

控制装置包括：1）产生耦合到放大装置那至少两个输入端中的第二输入端的第二信号的装置;2）根据放大装置的有效状态产生一个第三信号的装置;3）根据第三信号状态确定第二信号的电压电平的装置，采用了这些装置就能使放大第一信号的放大装置斜升到有效状态而不致产生严重的猝发频率噪声。

图1为本发明无线电话通信系统方框图。

图2为本发明的功率放大器及相应的功率放大器控制电路的方框图。

图3为功率放大器输出功率对时间的曲线。

图4为示出功率放大器的所需输出和未采用本发明的功率放大器的波形的功率对时间的曲线。

图5为采用本发明的功率放大器控制回路后的功率对时间的曲线。

图6A为本发明功率放大器控制电路原理图。

图6B为本发明另一个实例的原理图。

图7为GSM规则05.05（4.2.2）规定的GSM时间隔离。

图8为GSM规则05.05（4.5.2）规定的GSM谱频隔离。

这里所揭示的本发明可用于图1所示的TDMA无线电话系统。在无线电话系统中固定区站收发机101向处在它覆盖的地区内的各便携式移动无线电话机发送RF信号。移动无线电话机103就是其中的一个。一个无线电话系统分配到一个频带，可以在这个频带内进行广播。这个频带又划分为几个带宽为200千赫的信道。每个信道能够处理收发机101与在其覆盖区内的多至8个无丝电话之间的通信。每个无线电话机可以在分配给它的各个时隙内向收发机101发送信息和从收发机101接收信息。每个时隙的宽度在577微秒左右。莫托罗拉公司（Motorola，Inc.）出品的F19UVDO960AA型移动无线电话机103包括发射机107、接收机109和数字信号处 理器DSP（如莫托罗拉公司出的DSP56000）111。在多路信号线113上有几个信号在DSP111和发射机107之间传送。

发射机107和收发机101都含有符合如GSM维护规则ETSI/PT-12    05.05（4.2.2和4.5.2），1991.3，所规定的严格要求的功率放大器。这个规范要求任何一个发射机都满足如图7所示的时间隔离指标和如图8所示的谱频隔离指标。天线105用来向收发机101发送射频信号和接收从收发机101发来的射频信号。

在接收信号时，天线105将收到的信号变换成射频电信号，传送给接收机109。接收机109对射频电信号进行解调后再变换成移动无线电话机103的其它部分可以使用的数据信号。

在发送射频信号时，DSP111将需要发送的信息和发射机107的控制信息通过多路信号线113馈送给发射机107。发射机107将输入的数据变换成射频电信号，再通过功率放大器使射频电信号达到必需的功率。天线105输入射频电信号，将之变换成射频信号，发射到空中，供收发机101接收。

功率放大器203及其有关的控制器都在发射机107内，方框图如图2所示。功率放大器203的作用是接收含有要发回给固定区站收发机101的语音和数据的射频输入，将射频输入信号放大到发送所要求的适当的功率电平。激励器205是一个可调的功率放大器，它将RF输入信号209调整到功率放大器203所需的合适的输入电平。

图2方框图含有几个控制回路，包括：基准控制回路，斜升回路和功率放大器饱和检测回路。所有这些控制回路都利用了耦合器201。耦合器201是一个电磁耦合器，它将RF输出信号耦合到各控制回路，而对RF输出信号并不产生多大的损耗。

检测器211对RF输出信号的输出功率电平进行检测，产生一个功率电平信号229，功率电平信号229的电压表示了RF输出信号中的输出功率。检测器211还输出一个参考信号213。参考信号213的电压表示了检测器213在功率放大器203非有效时输出的直流偏置。

功率放大器控制回路在基准控制回路中还用了比较器215和DSP223。比较器215输出信号227。输出信号227揭示了功率放大器203和激励器205有效性检测结果。DSP223产生的输出信号225用来提升输出信号227。输出信号225在一个时隙的开始部分为高电平，而在DSP223输出所需输出波形505后降为低电平。这使得输出信号227在有效时隙期间、功率放大器203和激励器205还没有成为有效时得到提升，处于高电平。一旦功率放大器203和激励器205有效，输出信号227就降为低电平。

有效时隙经过10微秒后，DSP223产生一个所需波形，送到数据变换器221。在这个优选实例中，优选波形505是一个余弦上升的波形，它使功率放大器203的输出功率平稳地逐渐上升到所需功率电平。D/A变换器221将数字输入变换成一个模拟输出信号231，也 就是所谓的AOC信号。然后，AOC信号231输给积分器219，而积分器219的输出信号207则作为控制电压加到激励放大器205，去控制激励器205的放大量。

AOC信号2310的电压波形如图5所示。一开始，DSP223通过D/A221与输出信号227配合输出一个恒定的DC电压501作为AOC信号231，因此，积分器输出一个斜率不变的信号503。这个信号503一直上升到比较器215检测到功率放大器203有效为上。一旦检测到功率放大器203有效，输出信号227就降为地电平，有效地停止了线性斜升。AOC信号231保持在一个足以维持功率放大器203有效的电压上直到DSP223输出使激励器和功率放大器渐升到所需功率电平的所需波形。在这个优选实例中，相对时隙起始而言的延迟为10微秒，而所需波形为一个上升的余弦波形505，如图5所示。

饱和控制回路防止了激励器205和功率放大器203由于控制信号输入207而超过放大极限。饱和控制回路由耦合器201、检测器211、比较器217和数字信号处理器223组成。饱和检测比较器217通过将检测器输出信号229与AOC信号231的电压进行比较，确定检测器输出信号229是否随AOC信号231的电压变化。当检测器输出信号229的电压降到低于AOC信号231的电压时，表明控制电压已使功率放大器饱和，因为在饱和期间检测器电压就不随AOC信号231的电压而改变了。饱和比较器的输出信号233输入到含有 一个算法的DSP223中。这个算法使AOC信号231的电压逐步下降，直至检测器输出电压229有了变化。然后，可以再使AOC信号231向上或向下步进。在这个优选实例中，AOC信号231的电压是继续再下降一些，以保证功经放大器203停留在非饱和状态。然而，AOC信号231的电压也可以上升到接近饱和门限，这要根据具体实现的具体需要而定。AOC信号231的电压保持在一个稍低于饱和门限的电平上，直至这个时隙结束。有关饱和控制回路的更为详细的情况可以参阅授予本发明受让人的美国专利申请NO.07/709，737，“功率放大器的饱和检测和校正的方法和装置”（“Power    Amplifi-er    Saturation    Detection    and    Correction    Method    and    Apparatus”，filed    on    behalf    of    Black    et    al.，on    June    3，1991）。

图6A示出了一个斜升控制器优选实例的电路图。在这个优选实例中，比较器输出信号613通过电阻627耦合到AOC信号625。如果比较器615的输出端开路，表示功率放大器非有效，DSP223将5伏的电压加到电阻617上，作为加在比较器615开路集电极输出端上的提升电压。这样，通过电阻629的电阻617的分压，斜升信号就加到了AOC信号625上。当功率放大器203成为有效时，比较器输出信号613变低，将电阻627和电阻617的连接点箝位在地电平，从而结束了这个DC脉冲。从一个时隙开始，经过10微秒后，DSP223通过D/A变换器221输出所需波形，加到AOC信号625。

一旦DSP223将它产生的所需波形加到了AOC信号625（在一个优选实例中，所需波形为一个上升的余弦波形505），就需将电阻617拉低，以取消在发射机非有效时所加的斜升信号。

图6B示出了斜升控制器的另一个电路图。比较器输出信号613。接到DSP223的信号613用来向DSP223报告功率放大器203什么时间已经进入有效状态。波形303示出了为了避免由于接通门限而引起的激励器功率电涌对输出进行控制的过程中所存在的问题。这个问题的原因是，DSP223从接收到比较器输出信号227到作出响应控制或限制AOC信号625之间存在着固有的延迟。因此，开发了一个实时电路，将比较器输出信号613间接地与AOC信号625耦合起来。一旦检测到功率放大器203有效，该电路立即将AOC信号625的电压箝位在地电平，从而避免了如波形401所示的过冲。根据检测结果，比较器输出信号613将电容631（在这个优选实例中容量为47微微法）接地。当电容631放电时，就将晶体管623的基极拉低，从而使晶体管623饱和，直至电容631放电结束。在这个优选实例中，电阻619和电阻621的阻值分别为100千欧和220千欧。这个优选实例中的晶体管623可以采用莫托罗拉公司出的MMBT3640。通过使晶体管623饱和一段时间，将AOC信号625的电压拉到地电平，保持功率放大器203处在导通门限，直至DSP223有时间作出反应。DSP223和D/A变换器221产生一个所需的斜升波形，加到AOC信号625。在这个优选实例中所需的波形是一个上升的余弦 波形505，如图5所示。

采用了这种斜升控制回路，可以在一个优选实例中使一个C类放大器迅速、平滑地斜升到所需的功率电平，而不会对频谱有任何不良影响。

Claims (7)

1、一种发射机(107)，这种发射机包括一个放大一个射频(RF)输入(209)的放大装置和一个控制这个放大装置的控制装置，放大装置具有一个RF输入端和一个放大电平输入端，至少一个放大的RF信号输出端，RF输入信号具有一定的功率电平和频率并被加到放大装置的RF输入端，放大装置响应于一个AOC信号(231)的电压，所述控制装置的特征在于包括：

一个产生AOC信号(231)的数模转换器DAC(221)，DAC(221)具有一个输入端和一个输出端，该DAC的输出端连接到放大装置的放大电平输入端；

一个检测器，对放大装置的有效状态作出响应，在检测器输出端产生一个检测器信号，检测器输入端连接到放大的RF信号输出端；以及

一个确定AOC信号(231)的电压电平的数字信号处理器DSP，该数字信号处理器DSP具有一个DSP输入端和一个DSP输出端，DSP输入端接于检测器输出端，DSP输出端连于DAC输入端，从而使放大装置斜升，进入有效状态，而基本上不产生猝发频率噪声。

2、一种按权利要求1提出的发射机（107），其中所检测器的特征是包括：

一个参考电压信号（213）;

一个将RF输入信号（209）与所述参考电压信号（213）比较的比较装置（215）;以及

一个响应所述比较装置;用于产生所述检测器输出信号（227）的产生装置（215）。

3、一种按权利要求1提出的发射机（107）其中所述控制装置的进一步特征在于包括一个产生AOC信号（231）的第二装置（623）接在所述检测器输出端和放大装置的放大电平输入端。

4、一种控制一个功率放大器的方法，功率放大器具有一个RF输入信号，一个放大电平输入信号和一个放大的RF输出信号，所述RF输入信号（209）由功率放大器放大，从而产生放大的RF输出信号，放大量由所述放大电平输入信号（231）控制，所述控制方法的特征在于：

检测功率放大器的有效状态，产生一个指示功率放大器有效的检测信号（227）;所述检测信号确定放大电平输入信号的电压电平;以及

根据所确定的电压电平产生放大电平输入信号。

5、一种按权利要求4提出的控制一个功率放大器的方法，其中所述检测功率放大器有效状态的特征是该步包括下列各步：

提供一个参考电压信号;

将放大的RF输出信号与参考电压信号进行比较;以及

根据比较结果产生所述检测信号。

6、一种按权利要求4提出的控制一个功率放大器的方法，其特征是该方法还包括如下这步：

根据所述检测信号，在还没有产生放大电平输入信号时，产生一个中间信号，去控制功率放大器。

7、一种具有一个功率放大器和一个功率放大器的控制器的无线电话机（103），从而形成一个放大的RF输出信号，而这个功率放大器的控制器则用来控制这个放大器的放大电平，所述功率放大器的控制器的特征是它包括：

一个检测功率放大器的有效状态和非有效状态的检测装置（213），该装置与放大的RF输出信号耦合;

一个对所述检测装置作出响应、产生一个表示功率放大器现行状态的一个比较器输出信号（227）的比较装置（215）;

一个根据所述比较器输出信号确定一个AOC信号（231）的所需电压电平的数字信号处理器（DSP）装置;

一个用于产生具有所述希望的电压电平的所述AOC信号（231）的数模转换器装置（221），该装置将所确定的所需电压电平耦合到功率放大器的放大电平输入端，对功率放大器的放大电平进行控制;以及

一个对所述比较器装置（227）作出响应、产生一个中间信号的装置，该装置有一个输入端和一个输出端，所述输出端接到功率放大器的放大电平输入端上，而所述输入端则接到比较器装置（227）上，从而在没有所AOC信号（231）时对功率放大器的放大量进行控制。

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