CN1047896C - 具有嵌套的调幅控制器和调相控制器的功率放大器 - Google Patents

Abstract

含有调幅(AM)和调相(PM)分量的发射信号需要具有AM和PM控制环(515、517)的发射机。PM控制环为发射机提供调相、频率变换和相位预失真。相位预失真/校正是用振荡器(505)实现的，因此功率放大器(PA)的相位校正量基本上是没有限制的。另外，PM控制环(517)是嵌套在功率放大器(507)上的，允许PM控制环(517)校正任何由PA(507)引入的失真。

Description

具有嵌套的调幅控制器和调相控制器的功率放大器

本发明涉及线性发射机，具体涉及嵌套在射频发射机的功率放大器(PA)组件周围的调幅(AM)控制环和调相(PM)控制环。

一般地说，射频发射机(例如用于无线电话机中的射频(RF)发射机)使用标准的调相(PM)技术。因调制格式中无调幅(AM)分量，故PM发射机使用高效的和具有大幅度非线性的功率放大器(PA)。这些PA通常使用晶体管偏置技术，从而使偏置电流最小化，并且通过改变偏置电流来控制输出功率。

近来，需要一种用于发射具有AM分量和PM分量的信号的发射机。AM/PM发射机要求具有用于幅度和相位的调制电路。一般地说，调制电路由控制环电路配置形成。图1是现有技术AM/PM发射机的详细方框图，该发射机具有AM115控制环和PM117控制环。除了调相之外，PM控制环117还进行相位基准信号121至所需输出频率的频率变换。

PM控制环117包括混频器101、鉴相器103和压控振荡器(VCO)105。混频器产生中频信号127，该信号的频率等于频率基准输入信号123的频率与从VCO105反馈信号的频率之差。根据中频信号127的相位与相位基准输入信号121的相位差，鉴相器103产生误差信号。鉴相器的输出驱动VCO的调谐端，致使VCO输出信号具有近似等于相位基准输入信号121相位的相位，从而提供了VCO输出信号的调相。为了进行频率变换，鉴相器的输出驱动VCO的调谐端，致使VCO输出信号具有等于本机振荡器输入信号频率加上相位基准信号频率的频率。

AM控制环在具有输出幅度控制端的功率放大器(PA)107上被构成一体。AM控制环115包括PA107、输出功率耦合器109、包络检波器111和差分放大器113。PA输出信号的分量通过耦合器109反馈到包络检波器111。根据包络检波器111输出与幅度基准输入信号125的电压之差，差分放大器113产生误差信号。差分放大器113驱动PA输出幅度控制端，致使PA输出的幅度响应幅度基准输入信号125的电压，从而实现功率放大器输出信号的调幅。

当进入PA控制端的AM控制信号引起PA输出信号的相移时，就会产生问题，称为AM至PM的变换效应。这种AM至PM的变换效应是PA非线性的结果，该非线性是PA的特性，PA使用了用于将偏置电流最小化和将功率效率最大化的设计技术，当通过变化偏置电流控制输出功率时就会产生上述特性。

在过去已经采用了若干种方案去消除上述的AM至PM变换效应。首先是通过采用更为线性的PA组件，减少AM至PM的变换效应。然而，线性的PA效率较低，消耗功率较大，因此并不希望用于便携式无线电话机。第二种方案是调整基准信号的相位，致使PA输入信号的相位被预失真，从而抵消PA中产生的相位失真。然而，所需的预失真度取决于输出信号电平、电源电压和温度，结果形成非常复杂的开环控制方案。第三种方案是将PA嵌套在对PA输入信号移相的预失真环中，致使通过预失真环的总相移被自动地限制为0。

图2是嵌套在预失真环中的PA的简化方框图。在该电路中，输入信号在进入PA205之前先通过输入耦合器201和移相器203。PA输出信号通过输出耦合器207。输入耦合器201和输出耦合器207将输入信号和PA输出信号的分量馈送到鉴相器209。根据输入信号与PA输出信号相位之差，鉴相器产生误差信号。鉴相器209的输出驱动移相器203的控制端，致使PA的输入被自动地预失真，PA的输出信号具有近似等于输入信号的相位。因此，预失真环消除了PA中的相位失真。然而，该预失真环电路增加了不希望有的成本知复杂性。此外，当PA的相移超过移相器的有限范围时会产生问题。

因此，期望研制一种AM/PM发射机，能够进行调频、频率变换和调幅，其中对于PA中产生的相位失真没有限制，不取决于输出信号电平、电源电压或温度。

图1是现有技术发射机的详图。

图2是现有技术功率放大器的详图。

图3是以方框图形式表示的根据本发明的无线电话系统图。

图4是以方框图形式表示的根据本发明的发射机详图。

图5是以方框图形式表示的根据本发明的发射机详图。

图6是以方框图形式表示的根据本发明发射机另一种实现方案的详图。

图3举例示出了习用无线通信收发信机300(下称“收发信机”)的方框图。收发信机300使移动或便携的用户装置能够与基站(未示出)通信，例如通过无线通信系统(未示出)中的射频(RF)信道。基站然后再提供与陆线电话系统(未示出)和其他用户装置的通信。具有收发信机300的用户装置的例子是蜂窝式无线电话机。

图3的收发信机300一般包括天线301、双工器302、接收机303、发射机305、基准频率信号源307、锁相环(PLL)频率合成器308、处理器310、信息源306和信息接收器304。

下面说明收发信机300各方框之间的互连及其工作。天线301从基站接收RF信号320，以便由双工器302滤波。双工器302提供频率选择性，以便将RF接收信号分离在线311上，将RF发射信号分离在线313上。在另一种方案中，双工器可以提供临时的选择性，通过开关将RF接收信号分离在线311上，将RF发射信号分离在线313上。接收机303被耦接，用于在线311上接收RF接收信号，并且工作，以便在线312上产生接收基带信号，提供给信息接收器304。基准频率信号源307在线315上提供基准频率信号。PLL频率合成器308被耦接，用于接收在线315上的基准频率信号和在数据总线318上的信息，并且工作，以便在线316上产生收发信机调谐信号，用于将接收机303和发射机305调谐到特定的RF信道。处理器310通过数据总线318控制PLL频率合成器3o8、接收机303和发射机305的工作。信息源306在线314上产生基带调幅信号，在线321上产生基带调相信号。发射机305被耦接，用于接收基带调幅信号314和基带调相信号321，并且工作，以便在线313上产生RF发射信号。双工器302耦接线313上的RF发射信号，用于作为RF信号320通过天线301发射。

在蜂窝式无线电话系统中的RF信道例如包括声音和信令信道，用于发射和接收(下称“收发”)基站与用户装置之间的信息。声音信道被分配用于收发声音信息。信令信道，也称为控制信道被分配用于收发数据和信令信息。正是通过这些信令信道，用户装置得以接入蜂窝式无线电话系统，并且被指定声音信道，以便进一步与陆线电话系统通信。在能够在信令信道上收发宽带数据的蜂窝式无线电话系统中，信令信道的频率间隔可以是多个声音信道频率间隔。

在某些蜂窝式无线电话系统中，收发信机300与基站在信令信道上间歇地收发之间的信息。在这种系统中，例如采用了时分多址(TDMA)信令方法，以便同步间歇的信息。在这种类型的系统中，保持收发信机300在整个时间全部通电，使收发信机300调谐到信令信道，在未接收信息的那些时间期间将不必要地消耗收发信机的电池。因此，当收发信机不收发信息时，可以将收发信机300的某些部分断电，以便延长电池的寿命。另外，当信号质量足够好，以致无需相同信息的进一步重复时，可以将收发信机300的某些部分断电，以便延长电池寿命。在收发信机300接收工作期间，间歇地使收发信机通电和断电，即起动和关断，被称为工作的断续接收(DRX)方式。在工作的DRX方式下，快速地起动和关断收发信机300的某些部分导致极大地节省了电池的寿命。

图4以方框图形式示出了图3的发射机305。在图3所示的实施例中，调相信号321提供基带同相(I)调制信号和正交(Q)调制信号。调相器408根据基带同相调相信号和基带正交调相信号工作，产生调制载波信号421，该信号作为相位基准信号输入到PM环417。PM环417包括混频器401、鉴相器403、压控振荡器(VCO)405、PA407、耦合器409、开关419和限幅器420。当PA407初始被接通时，开关419将VCO405的输出信号连接到限幅器420。在AM控制环415达到锁定状态之后，开关419将耦合器的输出信号连接到限幅器420。开关操作向混频器401提供信号，无论PA407是接通或是关断，都有足够的功率电平使PM控制环417达到锁定。在另一种方案中，如果当PA407关断时，PA输出信号足以使PM控制环417达到锁定，或者PA407永不关断，就能够省去开关419和限幅器420。

混频器401产生中频信号427，该信号的频率等于频率基准输入信号316的频率与从限幅器420反馈的信号的频率之差。根据中频信号427与相位基准输入信号421的相位之差，鉴相器403产生误差信号。鉴相器的输出驱动VCO405的调谐端，致使限幅器420输出信号的相位近似等于相位基准输入信号421的相位。因为限幅420、开关419和耦合器411都只有较低的相位失真，所以PA输出的相位也近似等于相位基准输入信号421的相位。因此，PM控制环417实现了PA407输出信号的调相。

此外，PM控制环417实现了在VCO输出信号上的必要预失真，致使PA中的相位失真被自动地消除了。预失真的实现无需复杂的专用预失真环电路。完成预失真是通过调谐VCO405，而不是如本发明背景技术中所述的通过移相器。使用VCO405，相位校正量基本上量没有限制的。因此解决了超过可能的相移范围的问题。

鉴相器的输出述驱动，VCO的调谐端，致使VCO输出信号的频率等于频率基准信号316的频率加上或减去相位基准信号421的频率。因此，PM环417实现了频率变换。

AM控制环415在PA407上与之形成一体。AM控制环115包括PA407、输出功率耦合器409、包络检波111和差分放大器413。PA输出信号的分量通过耦合器409反馈到包络检波器411。根据包络检波器输出与来自信息源306的幅度基准输入信号314的电压差，差分放大器413产生误差信号。在另一种方案中，能够从调相输出信号421的幅度导出幅度基准信号314。差分放大器413驱动PA输出幅度控制端，致使PA输出的幅度响应幅度基准输入信号314的电压，从而实现功率放大器输出信号的调幅。

图5以方框图形式示出了图3的发射机305。PM环517包括鉴相器503、低通滤波器502、压控振荡器(VCO)505、PA507、耦合器509、开关519、限幅器520和分数(fractional)。N分频器501。分数N分频器501包括多累加器分数N锁相环，例如序号为5166642、名称为“用串联复合的多累加器分数N合成”的美国专利，该专利的发明人为Hietala，并且转让给本发明的受让人、当PA507被初始接通时，开关519将VCO505的输出信号连接到限幅器520。在PM控制环517达到锁定状态之后，开关将耦合器509的输出信号连接到限幅器520。因此，当PA507处于关断状态时，开关519和限幅器520向分数N分频器501提供信号，使其具有足够的功率电平让环路达到锁定。在另一种方案中，如果PA输出信号的电平在关断状态足以使环路达到锁定，就可以省去开关519和限幅器520。根据分数N分频器输出信号527与基准输入信号521的相位差，鉴相器产生误差信号。鉴相器的输出驱动VCO的调谐端，致使限幅器520输出信号的相位近似等于基准输入信号乘以分数N分频比的相位。因为限幅器520、开关519和耦合器509都只有较低的相位失真，所以PA输出的相位也近拟等于基准输入信号521乘以在调相信号321上产生的分数N分频比的相位。因此，PM环517实现了VCO505输出信号的调相。另外，PP环实现了在VCO输出信号上的必要预失真，致使PA中的相位失真被自动地消除了。预失真的实现无需复杂的专用预失真环电路。因为完成预失真是通过调谐VCO，而不是移相器，所以PA相位校正量基本上是没有限制的。因此解决了超过可能相移范围的问题。鉴相器的输出还驱动VCO的调谐端，致使VCO输出信号的频率等于所需的发射机输出频率。

图6以方框图的方式示出了根据本发明的另一种发射机。在该图中，相位信息信号321提供表示所需频率的数字整数输入到被N分频的601，和模拟调相信号输入到图6的加法器604。在另一种方案中，数字整数可以提供调相的分量。这种发射机示出了将调相用于分数N锁相环的另一种方法。这里，模拟调制波形加到鉴相器603的输出。因为采用分数N合成器而能具有较宽带宽，与非分数锁相环相比，该端上的模拟信号可以包含较大的频谱分量。在所有其他方面，发射机的工作都与图5中所示相同。AM控制环515和AM控制环615在拓扑学上和功能上都与图4的AM控制环415相似。

Claims (10)

1.  一种用于发射包含调幅(AM)和调相(PM)的信号的发射机，其特征在于，该发射机包括：

具有信号输入和幅度控制输入的功率放大器(PA)，功率放大器产生具有相位、频率和可变幅度的放大的功率放大器输出信号，幅度响应幅度控制输入；和

具有反馈信号输入、相位基准信号输入和提供频率和频率基准信号输入的调相控制环，该调相控制环特别包括压控振荡器(VCO)，压控振荡器具有压控振荡器输出信号和控制信号输入，压控振荡器输出信号耦合到功率放大器的信号输入，和反馈信号输入耦合到功率放大器放大的输出信号，调相控制环提供相位调制的和预失真的压控振荡器输出信号，致使功率放大器输出信号的相位响应相位基准输入信号，并且功率放大器输出信号的频率响应频率基准信号的频率。

2.  根据权利要求1的发射机，其特征在于：调相控制环进一步包括具有第一和第二输入以及输出端的混频器，和具有第一和第二输入端以及输出端的鉴相器，第一混频器输入耦合到功率放大器输出信号，第二混频器输入耦合到频率基准信号，混频器输出响应频率基准信号的频率，并且被耦合到鉴相器的第一输入端，鉴相器的第二输入端耦合到相位基准信号，鉴相器输出响应相位基准信号的相位，并且被耦合到压控振荡器的控制输入信号。

3.  用于在选定信道上发射射频(RF)信号的无线电装置，其特征在于，该无线电装置包括：

处理器，用于产生幅度基准信号、射频载波信号和相位信息信号，射频载波信号具有第一频率和第一相位；

发射机，包括：

调制器，耦合到相位信息信号，并产生具有第二相位的调相(PM)载波信号；

功率放大器(PA)，具有数据信号输入、功率放大器控制输入和输出，输出提供具有第三频率和第三相位的放大和调制的功率放大器输出信号，第三频率和第三相位响应数据信号输入；

调幅(AM)控制器，具有第一输入和第二输入，第一输入耦合到幅度基准信号，第二输入耦合到功率放大器的输出，调幅控制器产生耦合到功率放大器控制输入的幅度控制信号，幅度控制信号确定功率放大器输出信号的幅度，并且响应幅度基准信号；

混频器，具有第一输入端和第二输入端，第一输入端耦合到射频载波信号，第二输入端耦合到功率放大器输出信号，混频器提供具有第四频率和第四相位的输出信号，第四频率等于第一频率和第三频率之差，第四相位等于第一相位和第三相位之差；

鉴相器，具有第一输入端和第二输入端，第一输入端耦合到混频器输出信号，第二输入端耦合到调相载波信号，鉴相器提供响应第二相位和第四相位之差的鉴相器输出信号；和

振荡器，具有耦合到鉴相器输出信号的输入端，振荡器的输出耦合到输入功率放大器的数据信号，该数据信号具有由鉴相器输出信号确定并响应调相载波信号的相位和由鉴相器输出信号确定并响应射频载波信号的频率。

4.  用于发射包含调幅(AM)和调相(PM)的信号的发射机，其特征在于，该发射机包括：

具有信号输入和幅度控制输入的功率放大器，功率放大器产生放大的功率放大器输出信号，该信号具有响应幅度控制输入的可变幅度，并具有相位和频率；和

调相控制环，具有调相输出、反馈信号输入、有信息内容的调制基准信号输入和有某一频的频率基准信号输入，调相控制环包括压控振荡器(VCO)，该振荡器具有压控振荡器输出信号和控制信号，压控振荡器输出信号耦合到功率放大器的信号输入，反馈信号输入耦合到功率放大器输出信号，调相控制环提供调相的和预失真的压控振荡器输出信号，致使功率放大器输出信号的相位响应调制基准信号的信息内容，功率放大器输出信号的频率响应频率基准信号的频率。

5.  根据权利要求4的发射机，其特征在于：其中调相控制环进一步包括具有第一和第二输入端，以及输出端的分频器，和具有第一和第二输入端以及输出端的鉴相器，分频器的第一输入耦合到功率放大器输出信号，和分频器第二输入耦合到调制基准信号，分频器输出耦合到鉴相器第一输入端，鉴相器第二输入耦合到频率基准信号，鉴相器输出响应调制基准信号的信息内容，并被耦合到压控振荡器的控制输入信号。

6.  根据权利要求5的发射机，其特征在于，调制基准信号的信息内容是数字信号。

7.  根据权利要求4的发射机，其特征在于，调相控制环进一步包括具有第一和第二输入端以及输出端的分频器、具有第一和第二输入端以及输出端的鉴相器和具有第一和第二输入端以及输出端的模拟加法器，分频器的第一输入耦合到功率放大器输出信号，分频器的第二输入耦合到表示输出频率的数字数，分频器的输出耦合到鉴相器的第一输入，鉴相器的第二输入耦合到频率基准信号，鉴相器的输出耦合到模拟加法器的第一输入，模拟加法器的第二输入耦合到调制基准信号，模拟加法器的输出耦合到压控振荡器的输入。

8.  根据权利要求4的发射机，其特征在于，放大器的控制输入由调幅控制器提供，调幅控制器具有信号输入和幅度基准输入，信号输入由放大的输出信号耦合，调幅控制器提供耦合到功率放大器控制输入的控制信号输出，致使功率放大器可变的幅度输出响应幅度基准输入。

9.  用于在选定信道上发射射频信号的无线电装置，其特征在于，该无线电装置包括：

处理器，用于产生幅度基准信号、基准频率信号和基带调相信号，基带调相信号具有第一整数值，基准频率信号具有第一频率和第一相位；

发射机包括：

功率放大器，具有数据信号输入端和控制输入端以及输出端，输出提供放大和调制的具有第二频率和第二相位的输出信号，第二频率和第二相位响应数据信号输入；

调幅控制器，具有第一输入和第二输入端，第一输入端耦合到幅度基准信号，第二输入端耦合到功率放大器的输出端，调幅控制器产生耦合到功率放大器控制输入端的幅度控制信号，幅度控制信号确定功率放大器输出信号的幅度，并且响应幅度基准信号；

分频器，具有第一输入和第二输入端，第一输入端耦合到基带调相信号，第二输入耦合到功率放大器输出信号，分频器提供具有第三频率和第三相位的输出信号，第三频率等于第二频率与整数值之比，第三相位等于第二相位与整数值之比；

鉴相器，具有第一输入和第二输入端，第一输入耦合到分频器的输出信号，第二输入耦合到基准频率信号，鉴相器提供响应第三相位与第一相位之差的输出信号；和

具有输入端的振荡器，输入耦合到鉴相器输出信号，振荡器产生数据信号输入到功率放大器，数据信号具有由鉴相器输出信号确定的频率和相位，并且响应基带调相信号。

10.  根据上述任何权利要求的发射机，其特征在于，分频器由分数N型分频器构成。

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