CN105981301B - 用于包络跟踪调制器的负载电流传感器 - Google Patents

用于包络跟踪调制器的负载电流传感器 Download PDF

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Abstract

一种用于感测包络跟踪(ET)调制器(1150)的负载电流的装置(1000)和方法，所述装置和方法使得能够测量功率放大器(130)的负载阻抗。与负载阻抗特性相关联的损伤可以通过校准和预失真进行抑制，而不是(如现有技术所做的)通过反馈进行抑制。所述ET调制器(1150)提供了可重新配置为用于感测所述负载电流的目的的线性调节器的开关调节器。这允许开环操作所述ET调制器(1150)，从而消除了(现有技术中使用的)由于利用环路滤波器和误差放大器导致的功耗开销，并且实现了更高的整体效率。

Description

用于包络跟踪调制器的负载电流传感器
本发明要求2014年2月24日递交的发明名称为“用于包络跟踪调制器的负载电流传感器”的第14/188,305号美国非临时申请的在先申请优先权，该在先申请的内容以引入的方式并入本文本中。
技术领域
本发明涉及无线通信，尤其涉及一种具有带包络跟踪调制器的功率放大器的无线发射器。
背景技术
在诸如移动电话和USB调制解调器之类的无线通信终端中，调制功率放大器(power amplifier，PA)的供电电压以跟随传输信号的包络允许PA以更高的效率操作。这种技术被称为包络跟踪(envelope tracking，ET)。在这种类型的系统中，产生PA供电电压的电路/部件被称为ET调制器。
转到图1A和图1B，其中示出图示当供电电压VCC是静态的(图1A)和当VCC跟踪Vout的包络(图1B)时功率放大器操作期间的输出电压(Vout)的图。一般情况下，当功率放大器的供电电压VCC降低时，功耗降低，因此提高了效率。然而，它的非线性也增大，这导致输出信号劣化。
当VCC是静态时，当VCC等于输出电压Vout的峰值时达到标称线性操作的最大效率，如图1A中所示。当调制VCC使得它跟随Vout的包络时，如图1B中所示，此时标称线性操作得以维持。然而，VCC的平均值低于其为静态时的情况，因此功率放大器的平均功耗更低并且效率提高。因此，在功率放大器操作中利用包络跟踪(ET)技术有益处。
现在转到图2，其中示出无线通信终端/设备内的现有技术发射器系统100的电路/部件的一部分的框图。虽然发射器系统100中可能包括其它电路/部件，但图中仅示出对于理解本发明必要且相关的那些部分。输入信号“ID”和“QD”是基带信号的数字同相和正交分量。数模转换器(digital-to-analog converter，DAC)110将这些信号转换成相应的模拟分量“IA”和“QA”。收发器120(其可以包括发射器)将IA和QA转换为射频(radio-frequency，RF)信号“X”。RF信号X被输入到功率放大器(PA)130进行放大以产生具有从发射器系统100的天线(未示出)进行传输所需的功率电平的RF信号Y。
信号ID和QD还被输入到产生传输信号的包络波形“E”的包络发生器140。包络跟踪(ET)调制器150接收波形E，并使用开关调节器(也称为开关模式电源或切换器)(从设备的主电源Vsup)产生功率放大器(PA)供电电压VCC。对于“理想的”ET调制器，VCC与波形E相同。对于非理想的ET调制器，可以调节(预失真)波形E来补偿ET调制器150的频率响应和非线性，使得VCC更紧密地对应于波形E
现在转到图3，其中示出ET调制器150中开关调节器151的典型的现有技术集成电路(integrated circuit，IC)实施，以及典型的现有技术滤波器155。开关调节器包括高侧/低侧开关154，高侧/低侧开关154包括晶体管M1和M2(形成高侧开关)和晶体管M3和M4(形成低侧开关)。通常，选择薄氧化物用于开关晶体管M1和M4，以允许低功耗下的高切换频率。对于共源共栅晶体管M2和M3，其栅极电压保持为恒定值VcascH、VcascL，选择厚氧化物，以允许在超过薄氧化物晶体管的最大电压额定值的Vsup值下运行。
脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)发生器152利用非重叠(发生前断开)的高侧和低侧波形PWMH和PWML来驱动开关154的开关晶体管的栅极，其中高侧和低侧波形PWMH和PWML的随时间变化的脉冲宽度对应于包络波形E。在切换级的输出处，由L1、C1、L2、C2形成的低通电感电容(inductor-capacitor，LC)滤波器155以及电阻Rload(即，功率放大器带给滤波器的负载电阻)移除从开关调节器152输出的输出电压Vsw的高频分量以便产生所需的功率放大器供电电压波形VCC。
将了解，LC滤波器的频率响应取决于Rload的值，如图4中所示。对于给定的Rload，可以选择电感器和电容器的值使得频率响应是最优的(即，它在包络信号的带宽内具有足够的平整度，并使切换过程所产生的Vsw的较高频分量具有足够衰减)。然而，在实践中，Rload是E和VCC的递减函数，并且通常在10：1范围内变化。由于这一点，如果针对这一范围的中间附近的负载对滤波器进行优化，频率响应将在包络的负偏移过程中表现出过量上升并在包络的正偏移过程中表现出过量下降。
具有功率放大器供电电压VCC的Rload的变化导致的一个另外结果是由于增益(或衰减)是Rload的函数而造成的从E到VCC的总传递特性的非线性。这种非线性以及前一段中描述的变化的频率响应导致传输信号的劣化。
对于给定的功率放大器(PA)阻抗特性，对ET调制器150的频率响应和非线性的影响可以通过调整(预失真)ET调制器150的输入波形E而得到补偿。然而，因为功率放大器阻抗特性部分由于一种或多种制造特性和容差而变化，期望的是作为确定必要补偿的工厂校准的一部分来测量每个设备/终端的功率放大器阻抗特性。在这一过程中，为了执行这种测量中，需要感测ET调制器150的负载电流。
在一种现有技术方法中，测量负载阻抗特性的需要通过增加反馈环路而得以避免，如图5中所示，该反馈环路包括环路滤波器160和加和器/加法器161。如果环路增益和环路带宽足够高，那么反馈将抑制VCC与信号E的偏差从而使得传输信号的损伤可接受地低。环路滤波器160的目的是提供足够的环路增益，这种环路增益具有确保压制Rload的所有变化的稳定性的频率响应。这对于具有静态输出的开关调节器而言是相对简单的，因为可以使得带宽任意低。然而，对于ET调制器150，高带宽要求(例如，对于长期演进(LTE)蜂窝标准，高达20MHz)使得环路滤波器的设计出现困难，因为要实现足够的环路增益和带宽以使得反馈有效，同时保持在负载阻抗的全范围变化(通常约10：1，例如4到40)上的稳定性。
由于环路增益、带宽和稳定性之间的权衡，大多数其它现有技术解决方案需要额外的误差放大器162(如图5中所示)以实现可接受的发射器性能。环路滤波器160(其必须是有源滤波器)和误差放大器162均从主供电电压汲取功率，这降低了系统100的总体效率并且大大减弱了使用包络跟踪的优势。
设计使用包络跟踪的解决方案时的一个挑战是以下事实：功率放大器(PA)130带给ET调制器150的负载阻抗随功率放大器供电电压并随传输信号的包络而变化。这造成ET调制器150的频率响应的变化及其传输特性的非线性，这两者导致传输信号的劣化。
因此，需要这样一种发射器系统，它使得能够感测ET调制器的负载电流，并因此能够测量功率放大器(PA)的负载阻抗。这将使得能够通过校准和预失真而不是通过反馈来抑制阻抗特性。
发明内容
根据本发明，提供了一种具有包络发生器的发射器，所述包络发生器用于接收(待传输的)数据信号并基于所述接收的数据信号产生包络信号。耦合到所述包络发生器的包络跟踪(ET)调制器用于接收所述包络信号，所述包络跟踪调制器包括脉冲宽度调制(PWM)发生器以及具有第一输出和感测输出的开关电路。所述PWM发生器和所述开关电路用于作为处于第一模式的线性调节器运行并在所述第一输出处产生第一功率放大器电源信号作为校准信号，并作为处于第二模式的开关调节器运行并在所述第一输出处产生第二功率放大器电源信号作为所述接收的包络信号。电流传感器电路耦合到所述ET调制器的所述第二输出并用于感测所述第一输出处所述第一功率放大器电源信号的电流。滤波器耦合到所述ET调制器的所述第一输出以过滤所述第二输出信号并产生功率放大器开关式供电源。所述发射器还包括耦合到所述滤波器的功率放大器，其中当处于所述第二模式时，所述功率放大器用于：接收所述功率放大器开关式供电源作为供电电压，接收并放大从所述数据信号产生的第一发射器信号并输出放大后的发射器信号。
在本发明的另一实施例中，提供了一种针对发射器中的功率放大器的负载阻抗特性的变化的调整方法，其中所述发射器包括包络信号发生器和包络跟踪(ET)调制器，所述ET调制器包括用于供电以操作所述功率放大器的电压调节器。所述方法包括作为处于第一模式的线性电压调节器操作所述电压调节器，其中在所述第一模式下运行包括：感测由所述电压调节器供电给所述功率放大器的功率，计算所述功率放大器的负载阻抗信息，以及存储所述计算的负载阻抗信息。所述方法还包括作为处于第二模式的开关电压调节器操作所述电压调节器，其中在所述第二模式下运行包括：产生待由所述发射器传输的数据的包络信号，根据所述存储的负载阻抗信息预失真所述包络信号，以及根据所述预失真后的包络信号操作所述开关电压调节器。
在又一实施例中，提供了一种发射器，所述发射器包括具有脉冲宽度调制(PWM)发生器的包络跟踪(ET)调制器以及具有第一输出和第二输出的开关电路，其中所述第一输出耦合到功率放大器。所述PWM发生器和所述开关电路用于：在校准操作模式期间作为线性电压调节器运行以通过所述第一输出向所述功率放大器供电，以及在正常操作模式期间作为开关电压调节器运行以通过所述第一输出向所述功率放大器提供作为包络信号的供电。电流传感器耦合到所述ET调制器的所述第二输出并用于感测从所述第一输出输出到所述功率放大器的电流。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考下文结合附图进行的描述，相同的数字表示相同的对象，其中：
图1A和图1B分别是示出针对静态供电电压和针对包络跟踪的功率放大器操作的信号波形；
图2是示出无线通信终端/设备内的现有技术发射器系统的电路/部件的一部分的框图；
图3示出图2中所示的现有技术包络跟踪(ET)调制器中的开关调节器的典型的现有技术集成电路(IC)实施；
图4示出LC滤波器的频率响应如何取决于负载电阻的值；
图5是具有环路滤波器和误差放大器的现有技术实施的图2中所示的系统的框图；
图6是根据本发明的发射器系统的相关部分的图；
图7是图6中所示的ET调制器的更详细的图；
图8A至图8E是图6中所示的ET调制器的可替代实施例；
图9示出示例性无线通信网络，包括具有本发明中描述的发射器系统的通信设备；
图10是示例性无线通信网络的另一实施例，包括具有本发明中描述的发射器系统的通信设备；
图11A和图11B示出可以实施根据本发明的发射器系统和方法的示例设备的框图；
图12示出根据本发明的用于校准和操作发射器系统的过程1400。
具体实施方式
本发明内容描述了一种用于在通信系统中的无线通信设备/终端内的发射器中使用的包络跟踪功率放大器和补偿系统。这样的无线通信系统可以根据任何协议、标准或规范运行，包括例如，诸如全球移动系统(Global System for Mobile，GSM)、码分多址(CodeDivision Multiple Access，CDMA)、通用移动电信系统(Universal MobileTelecommunication System，UMTS)、全球微波接入互操作性(WorldwideInteroperability for Microwave Access，WiMAX)、WiFi等，以及本领域技术人员已知的其它协议、标准或规范。
为了简洁，省略了通信设备/终端及其发射器系统的许多部分或方面，并且本文中仅描述或示出了对于理解本发明必要或相关的那些元件或设备。
本发明描述和论述了一种用于消除对于与功率放大器一起使用的ET调制器中的反馈环路和误差放大器的需要的装置和方法的各种实施例。这将导致更高的整体发射器效率。此外，这使得利用电池电源操作的终端/设备在经历更长的时间间隔之后才需要对电池进行充电，此类终端/设备诸如移动电话、智能电话、平板电脑、笔记本式计算机等。由于它减少了现有技术解决方案中的某些部件，因此这种ET调制可以利用更小的芯片面积来构造从而使成本更低。另外，本发明提供了一种更简单的ET调制器电路设计，这导致更短的开发时间、更低的开发成本以及更低的开发风险。
总体而言，本发明描述了将ET调制器内的开关调节器重新配置为线性调节器的各种电路和方法。这使得能够使用产生线性调节器的输出电流的缩小比例的副本的电流镜像来感测(到功率放大器的)负载电流。换言之，ET调制器在两种不同的模式下操作：(1)正常或操作模式，其中调节器作为开关调节器操作(正常操作)，和(2)校准模式，其中调节器作为线性调节器操作。
本文中描述的包络跟踪调制器(及其各种实施例)是蜂窝终端、设备或基站的一部分，并且阻抗特性测量是作为制造终端或基站时的工厂校准的一部分执行的。将了解，本发明教示了使用系统内的额外部件和电路来实现阻抗特性测量。
参考图6，示出了根据本发明的无线通信终端/设备(例如，基站、无线通信设备等)内的发射器系统1000的电路/部件的相关部分。虽然发射器系统1000中可能包括其它电路/部件，但图中仅示出对于理解本发明必要且相关的那些部分。
类似于图2中所示的系统100，输入信号“ID”和“QD”是基带信号的数字同相且正交的分量。数模转换器(DAC)110将这些信号转换成相应的模拟分量“IA”和“QA”。收发器120(其可以包括发射器)将IA和QA转换为射频(radio-frequency，RF)信号“X”。RF信号X被输入到功率放大器(PA)130进行放大以产生具有从发射器系统1000的天线(未示出)进行传输所需的功率电平的RF信号Y。将了解，DAC 110、收发器120和功率放大器(PA)130可以与图2中所示的相应元件相同或相似。
信号ID和QD还被输入到产生传输信号的包络波形“E”的包络发生器1140。包络跟踪(ET)调制器1150(其包括LC滤波器1155)接收波形E，并使用ET调制器1150内的开关调节器(也称为开关模式电源或切换器)(从设备的主电源Vsup)产生功率放大器(PA)供电电压VCC。
系统1000还包括校准控制电路1170、DAC 1175、模数转换器(analog-to-digitalconverter，ADC)1180和感测电路1185，它们如图6中所示那样配置。一般而言，额外电路将开关调节器(在ET调制器1150中)重新配置为用于感测负载电流的目的的线性调节器---这将在下面更详细地进行描述。
校准控制电路产生输出到DAC 1175的数字输入信号，DAC 1175输出校准电压VCAL以输入到ET调制器1150。感测电路1185包括电阻器R1和电容器C3，电阻器R1和电容器C3用于产生由ET调制器1150产生的感测电流Isense的平均电压值Vsense。电压Vsense输入到ADC 1180进行数字转换并输入到校准控制电路1170。校准控制电路1170处理Vsense并向包络发生器1140输出补偿信号以控制施加到信号E的预失真，这补偿了ET调制器1150的频率响应和非线性。功率放大器(PA)130带给ET调制器1150的负载阻抗计算如下：
其中n是晶体管M1、M2和M5、M6(图7)之间的比例因子。
在校准模式下，校准控制1170控制DAC 1175使得校准电压Vcal在功率放大器130的供电电压VCC的在正常操作中将出现的最小值与最大值之间步进变化。例如，Vcal可以以0.1V的步长从0.5V扫描到4.5V。对于Vcal的每个值，校准控制1170使得数字基带信号分量ID和QD的振幅以如下方式变化：使得功率放大器130的RF输入信号X的功率PX在正常操作中将出现的最小值与最大值之间步进变化。例如，PX可以以1dB的步长从-40dBm扫描到10dBm。这通过功率调节器电路1190(图6中示出)来完成。可替代地，功率调节器电路1190可以设置在IA、QA信号路径中或实施为DAC 110a、110b的一部分(以便在ID、QD数字信号到IA和QA模拟信号的数模转换过程中改变振幅)。将了解，这种功率调整也可以在到功率放大器130的路径中的另一点处执行。
对于每对值(Vcal，PX)，校准控制1170如上述那样计算负载电阻Rload。结果是作为Vcal和PX的函数的Rload值的二维表。这一信息可以存储在存储器(参见图11A、图11B)中。校准控制1170产生并提供电包络发生器1140的补偿信号的形式取决于预失真是如何实施的。例如，校准控制1170可以连续地输出其测得的Rload值，包络发生器1140可以将这些值存储在用于计算LC滤波器1155的失真的查找表中，并向包络信号E施加相应校正。
现在转向图7，提供了根据本发明的ET调制器1150的一个实施例的更详细的图。ET调制器1150包括PWM发生器1152(其可以与图3中所示的PWM发生器152相同或相似)和开关电路1154，它们一起充当电压调节器1151。将了解，调节器1151可重新配置或可编程以充当开关调节器或线性调节器。开关电路1154包括高侧开关(由晶体管M1、M2形成)和低侧开关(由晶体管M3、M4形成)。
在一个实施例中，ET调制器1150与现有技术ET调制器150相同或相似，但增加了晶体管M5、晶体管M6、开关S1、开关S2和放大器1159，它们如图7中所示和配置。
在第一操作模式(例如，正常模式)期间，开关S1和S2设置为位置1，并且调节器1151作为开关调节器操作或充当(被配置为)开关调节器(如结合图3描述的)。当期望测量功率放大器(PA)阻抗特性(例如，在工厂校准期间)时，在第二操作模式(例如，测量或校准模式)期间将开关S1和S2设置为位置2。在这种配置中，调节器1151作为线性调节器(也称为低压降调节器或LDO)操作或充当(被配置为)线性调节器。在这种第二操作模式下，放大器1159作为增益级操作并且晶体管M1和M2(现作为共源共栅电流源而不是开关运行)充当输出设备，使得输出电压VSW等于放大器1159的反相输出处的电压Vcal。晶体管M5和M6形成电流镜像，该电流镜像产生电流Isense，Isense是经M1和M2流向功率放大器130的负载电流Iload的缩小比例副本(比例因子n)。
将了解，现有技术(参见图5)增加反馈环路(具有环路滤波器和误差放大器)以避免测量负载阻抗特性的必要。然而，利用根据本发明的系统1000和本文中的教示，可以容易地执行负载阻抗特性的测量并且几乎不增加额外电路，从而消除了现有技术反馈环路的复杂性。
系统1000提供了可重新配置为用于感测负载电流的目的的线性调节器的开关调节器。形成开关调节器的高侧开关的一个或多个晶体管形成线性调节器的输出电流源，并且增加的电流镜像产生在输出电流源中流动的电流的缩小比例副本，该副本被输入到电流传感器。
通过感测开关调节器的负载电流同时将其重新配置为线性调节器，可以测量功率放大器带给包络跟踪调制器的负载阻抗。
这种负载阻抗测量用于确定负载阻抗随信号的包络和功率放大器的供电电压发生的变化，这里称为阻抗特性。测量阻抗特性的结果用于预失真包络跟踪调制器的输入，以补偿其(非理想的)频率响应和非线性。
根据本发明的包络跟踪调制器是无线设备/终端或基站的一部分，并且阻抗特性测量可以作为制造设备/终端或基站时的工厂校准的一部分执行。
系统1000使得能够感测ET调制器的负载电流，并且因此能够测量功率放大器的负载阻抗。与负载阻抗特性相关联的损伤可以通过校准和预失真进行抑制，而不是(如现有技术所做的)通过反馈进行抑制。这允许开环操作ET调制器，从而消除了(现有技术中使用的)环路滤波器和误差放大器的功耗开销，并且实现了更高的整体效率。
现在转向图8A，提供了根据本发明的ET调制器1150(标识为1150a)的另一实施例的更详细的图。ET调制器1150a包括PWM发生器1152(其可以与图3中所示的PWM发生器152相同或相似)和开关电路1154a，它们一起充当调节器。将了解，该调节器可重新配置或可编程以充当开关调节器或线性调节器。开关电路1154a由高侧开关(晶体管M1)和低侧开关(晶体管M4)形成。除了高侧和低侧开关不利用级联晶体管之外，这种配置与开关电路1154(图7中所示)相似。
与图7中所示实施例一样，在第一操作模式(例如，正常模式)期间，开关S1和S2设置为位置1，并且调节器作为开关调节器操作或充当(被配置为)开关调节器。当期望测量功率放大器(PA)阻抗特性时，在第二操作模式(例如，测量或校准模式)期间将开关S1和S2设置为位置2。在这种配置中，调节器作为线性调节器操作或充当(被配置为)线性调节器。在这种第二模式下，放大器1159作为增益级操作并且晶体管M1(现作为电流源而不是开关运行)充当输出设备，使得输出电压VSW等于放大器1159的反相输出处的电压Vcal。晶体管M5形成电流镜像，该电流镜像产生电流Isense，Isense是经M1流向功率放大器130(图8A中未示出)的负载电流Iload的缩小比例副本(比例因子n)。
现在转向图8B，提供了根据本发明的ET调制器1150(标识为1150b)的另一实施例的更详细的图。这一实施例类似于图8A的包括额外放大器电路810的实施例。ET调制器1150b包括PWM发生器1152(其可以与图3中所示的PWM发生器152相同或相似)和开关电路1154b，它们一起充当调节器。该调节器可重新配置或可编程以充当开关调节器或线性调节器。开关电路1154b由高侧开关(晶体管M1)和低侧开关(晶体管M4)形成。将了解，这种开关电路配置可以利用级联晶体管(虽然未示出)。
与前面的实施例一样，在第一操作模式期间，开关S1和S2设置为位置1，并且调节器作为开关调节器操作或充当(被配置为)开关调节器。当期望测量功率放大器(PA)阻抗特性时，在第二操作模式(例如，测量或校准模式)期间将开关S1和S2设置为位置2。在这种配置中，调节器作为线性调节器操作或充当(被配置为)线性调节器。在这种第二模式下，放大器1159作为增益级操作并且晶体管M1(现作为电流源而不是开关运行)充当输出设备，使得输出电压VSW等于放大器1159的反相输出处的电压Vcal。晶体管M5形成电流镜像，该电流镜像产生用于输入到放大器电路810的电流。
额外放大器电路810(如图8B中所示)包括具有源极跟随晶体管M6的放大器A2，源极跟随晶体管M6保持晶体管M5的漏极电压等于晶体管M1的漏极电压。这提高了电流镜像的准确性，但Vsense的电压范围受晶体管M6在饱和区域中操作的要求的限制。将了解，放大器A2的非反相输入可替代地连接到Vcal而不是VSW。
现在转向图8C，提供了根据本发明的ET调制器1150(标识为1150c)的另一实施例的更详细的图。将了解，这一实施例类似于图8A的包括额外放大器电路820的实施例。ET调制器1150c包括PWM发生器1152(其可以与图3中所示的PWM发生器152相同或相似)和开关电路1154c，它们一起充当调节器。该调节器可重新配置或可编程以充当开关调节器或线性调节器。开关电路1154c由高侧开关(晶体管M1)和低侧开关(晶体管M4)形成。将了解，这种开关电路配置可以利用级联晶体管(虽然未示出)。
与前面的实施例一样，在第一操作模式期间，开关S1和S2设置为位置1，并且调节器作为开关调节器操作或充当(被配置为)开关调节器。当期望测量功率放大器(PA)阻抗特性时，在第二操作模式(例如，测量或校准模式)期间将开关S1和S2设置为位置2。在这种配置中，调节器作为线性调节器操作或充当(被配置为)线性调节器。在这种第二模式下，放大器1159作为增益级操作并且晶体管M1(现作为电流源而不是开关运行)充当输出设备，使得输出电压VSW等于放大器1159的反相输出处的电压Vcal。晶体管M5形成电流镜像，该电流镜像产生电流Isense，Isense是经M1流向功率放大器130(图8C中未示出)的负载电流Iload的缩小比例副本(比例因子n)。
额外放大器电路820(如图8C中所示)包括耦合到电阻R1和电容器C3(也参见图6)的放大器A2。这一电路用于保持晶体管M5的漏极电压等于晶体管M1的漏极电压，并且还产生Isense的平均值并将其转换为电压Vsense。这种配置提供了与图8B的实施例相似的准确性，但没有对Vsense的范围限制。将了解，放大器A2的非反相输入可替代地连接到Vcal而不是VSW。
现在转向图8D，提供了根据本发明的ET调制器1150(标识为1150d)的另一实施例的更详细的图。这一实施例与图7中所示的实施例相同，但包括开关S3。ET调制器1150d包括PWM发生器1152(其可以与图3中所示的PWM发生器152相同或相似)和开关电路1154d，它们一起充当调节器。该调节器可重新配置或可编程以充当开关调节器或线性调节器。开关电路1154d由处于级联配置的高侧开关(晶体管M1和M2)和低侧开关(晶体管M3和M4)形成。
与前面的实施例一样，在第一操作模式期间，开关S1和S2设置为位置1，并且调节器作为开关调节器操作或充当(被配置为)开关调节器。当期望测量功率放大器(PA)阻抗特性时，在第二操作模式(例如，测量或校准模式)期间将开关S1和S2设置为位置2。在这种配置中，调节器作为线性调节器操作或充当(被配置为)线性调节器。在这种第二模式下，放大器1159作为增益级操作并且晶体管M1(现作为电流源而不是开关运行)充当输出设备，使得输出电压VSW等于放大器1159的反相输出处的电压Vcal。晶体管M5形成电流镜像，该电流镜像产生电流Isense，Isense是经M1流向功率放大器130(图8C中未示出)的负载电流Iload的缩小比例副本(比例因子n)。
额外放大器电路开关S3(如图8D中所示)在其中ET调制器1150d作为开关调节器(正常模式)操作时的正常操作期间，通过将晶体管M5的栅极连接到主供电电压来禁用电流传感器。
现在转向图8E，提供了根据本发明的ET调制器1150(标识为1150e)的另一实施例的更详细的图。这一实施例类似于图7中所示的实施例。然而，ET调制器1150d包括模拟PWM发生器820和开关电路1154d，它们一起充当调节器。该调节器可重新配置或可编程以充当开关调节器或线性调节器。开关电路1154d由处于级联配置的高侧开关(晶体管M1和M2)和低侧开关(晶体管M3和M4)形成。
与前面的实施例一样，在第一操作模式期间，开关S1和S2设置为位置1，并且调节器作为开关调节器操作或充当(被配置为)开关调节器。当期望测量功率放大器(PA)阻抗特性时，在第二操作模式(例如，测量或校准模式)期间将开关S1和S2设置为位置2。在这种配置中，调节器作为线性调节器操作或充当(被配置为)线性调节器。在这种第二模式下，放大器1159作为增益级操作并且晶体管M1(现作为电流源而不是开关运行)充当输出设备，使得输出电压VSW等于放大器1159的反相输入处的电压包络输入E。晶体管M5和M6形成电流镜像，该电流镜像产生电流Isense，Isense是经M1流向功率放大器130(图8C中未示出)的负载电流Iload的缩小比例副本(比例因子n)。
使用具有模拟包络输入E的模拟PWM发生器830(如图8E中所示)允许E用作校准模式下的校准电压输入，而不需要单独的输入Vcal，如图7中那样。
将了解，在除图8E的实施例之外的任何上述实施例中，PWM发生器1152，152可以是模拟或数字的，并且包络输入E可以是模拟或数字的。
操作
现参考图12，示出了根据本发明的用于校准和操作发射器系统1000的过程1400。将了解，本文中仅描述了对于理解本发明必要的相关步骤/功能。
将理解，过程1400可以示出为包括两个主要过程或操作模式：校准模式(或过程)1410和正常操作模式(或过程)1450。将了解，校准模式1410不仅可以在发射器系统1000的制造、测试和校准期间(即，在部署之前)执行，也可以响应于正常操作期间(即，在部署和用于预期通信服务的正常运作期间)的某些事件，如再启动过程(例如，维修或重启)，或在预定时间时或响应于正常操作期间的预定事件而发生。因此，校准过程可以静态地或动态地(如正常操作模式内发生的子过程)执行。
在校准模式1410下，ET调制器1150可以接收跟踪输入到包络发生器1140的数据的包络跟踪信号E(步骤1412)。将理解，输入数据可以是一组预定的或随机的数据比特。然而，由于开关元件1154被从PWM发生器1152解耦，可以省略这一步骤。在这一模式下，开关S1和S2设置为位置2(由此将PWM发生器1152从开关元件1154解耦)。在这种配置中，电压调节器1151作为处于线性模式的线性电压调节器(也称为低压降调节器或LDO)操作或充当线性电压调节器(步骤1414)。放大器1159作为增益级操作并且晶体管M1和M2作为级联电流源操作并充当输出设备，使得输出电压VSW等于放大器1159的反相输入处的电压Vcal。
校准电压Vcal是从自校准控制电路1170(参见图6)输出的校准控制信号的数模转换(DAC 1175)产生的。如前面所述，在一个特定实施例中，校准电压Vcal在功率放大器130的供电电压VCC的在正常操作中将出现的最小值与最大值之间步进变化(例如，Vcal可以以0.1V的步长从0.5V扫描到4.5V)。同时，对于Vcal的每个值，校准控制电路1170产生功率调节信号，该功率调节信号使得数字基带信号分量ID和QD的振幅以如下方式变化(例如，通过使用功率调节电路1190)：使得功率放大器130的RF输入信号X的功率PX在正常操作中将出现的最小值与最大值之间步进变化(例如，PX可以以1dB的步长从-40dBm扫描到10dBm)。
对于每对值(Vcal，PX)，校准控制电路1170进行接收作为对应于由感测电路1185测得(步骤1416)的Isense的值的输入电压Vsense并如上述那样计算负载电阻Rload(步骤1418)。所得的作为Vcal和PX的函数的Rload值的二维表被存储在存储器中(步骤1420)。
在正常操作期间，在校准过程中产生并存储的Rload值被用来产生用于在包络发生器1140内控制或施加预失真的补偿信号(由校准控制电路产生)。补偿信号的形式取决于预失真是如何实施的。例如，校准控制1170可以连续地输出其测得的Rload值，包络发生器1140可以将这些值存储在用于计算LC滤波器1155的失真的查找表中，并向包络信号E施加相应校正。
在正常操作模式1450下，ET调制器1150接收跟踪输入到包络发生器1140的数据的包络跟踪信号E(步骤1452)。将理解，输入数据将是由发射器系统1000传输的数据。开关S1和S2被设置为位置1，从而以常规方式将PWM发生器1152耦合到开关元件1154。在这种配置中，电压调节器1151作为处于PWM模式的PWM电压调节器运行或充当PWM电压调节器(步骤1454)。放大器1159被从电路解耦，并且ET调制器1151以常规方式操作。
在正常操作期间，在校准过程中产生并存储的Rload值被用来产生补偿信号(由校准控制电路1170产生)，该补偿信号引起包络发生器1140向包络信号E施加预失真(步骤1556)。补偿信号的形式取决于预失真是如何实施的。例如，校准控制1170可以连续地输出其测得的Rload值，包络发生器1140可以将这些值存储在用于计算LC滤波器1155的失真的查找表中，并向包络信号E施加相应校正。在每个时间点，包络发生器1140计算功率放大器130的RF输入信号X的功率的瞬时值和功率放大器的供电电压的所需瞬时值VCC。然后通过查找表中用于(Vcal，PX)的条目给出Rload的对应瞬时值，其中Vcal＝VCC。从作为时间的函数的VCC和Rload的值以及LC滤波器1155的频率特性对于Rload的已知依赖性，包络波形发生器计算并输出包络波形E，该包络波形E将导致VCC具有作为时间的函数的所需值。
将了解，过程1500的以上描述同样适用于图8A至图8E中描述的所有实施例(其中图8D中所示的实施例将需要用于开关S3的额外开关控制)。
RF通信网络
现在参考图9，示出了示例性无线通信网络900的框图。无线通信网络900包括第一无线通信设备1100和第二无线通信设备1104。第一无线通信设备1100被示出为包括根据本发明的如上所述的系统1000。类似地，第二无线通信设备1104也可以包括根据本发明的如上所述的系统1000。将理解，不一定设备1100和1104均包括发射器系统1000---任一个或两者可以包括系统1000。
两个通信设备1100和1104分别利用天线1102和天线1106通过RF信号进行通信，如图所示。
示例性无线通信网络900可以根据一种或多种无线协议或技术运行，如CDMA、TDMA、FDMA、UMTS、LTE等(及其各版本)。另外，网络900可以支持电路交换和分组交换或分组数据通信。
在图9中的实施例中，第一通信设备1100被示出为移动台或移动终端(或者可能是固定的)，如无线手机，而第二通信设备1104被示出为基站，但不限于这种实施例。设备1100、1104可以是具有无线通信能力的任何设备。如图所示，基站1104包括基站收发器子系统(base transceiver subsystem，BTS)1108，BTS 1108包括系统1000。BTS 1108连接到基站控制器(base station controller，BSC)1110。将BTS 1108和BSC 1110在逻辑上统称为“基站”1104。多个BTS 1108有时共用一个BSC 1110。BSC 1110管理若干BTS之间的资源分配。更一般地，术语“基站”和“接入网”指与移动台无线通信进行通信会话(例如，电路交换或分组交换)的任何实体(或实体集合)。基站1104耦合到公共交换电话网(publicswitched telephone network，PSTN)或其它数据或交换网络。这一路径可以包括其它元件，如耦合到BSC 1110的移动交换中心(mobile switching center，MSC)(未示出)。
虽然将设备1100和1120示出为包括从接收器700独立出来的发射器系统1000，但将理解，发射器和接收器(或其部分)可以组合并形成“收发器”，或者可以配置为一个或多个元件，并且本文中对它们的特性描述不限制设备1100、1120或发射器1000或接收器700。
上文说明的方法/流程和设备可以包含在无线通信网络中，并在诸如下文描述的设备和下面的附图中实施：
图10示出利用本文中描述的创造性包络跟踪调制器的另一示例通信系统1200。一般情况下，系统1200使得多个无线用户能够传输和接收数据和其它内容。系统1200可以实施一种或多种信道接入方法，如码分多址(code division multiple access，CDMA)、时分多址(time division multiple access，TDMA)、频分多址(frequency division multipleaccess，FDMA)、正交FDMA(orthogonal FDMA，OFDMA)或单载波FDMA(single-carrier FDMA，SC-FDMA)。
在这一示例中，通信系统1200包括用户设备(user equipment，UE)1210a至1210c、无线电接入网络(radio access network，RAN)1220a至1220b、核心网1230、公共交换电话网(public switched telephone network，PSTN)1240、互联网1250以及其它网络1260。虽然图10中示出某些数量的这些部件或元件，但系统1200中可以包括任何数量的这些部件或元件。
UE 1210a至1210c用于在系统1200中操作和/或通信。例如，UE 1210a至1210c用于传输和/或接收无线信号。每个UE 1210a至1210c表示任何合适的端用户设备，并且可以包括(或可以称为)以下这类设备：用户设备/设备(user equipment/device，UE)、无线传输/接收单元(wireless transmit/receive unit，WTRU)、移动台、固定或移动用户单元、寻呼机、蜂窝电话、个人数字助理(personal digital assistant，PDA)、智能电话、膝上型计算机、计算机、触摸板、无线传感器或消费电子设备。将了解，UE 1210a至1210c中的一个或多个UE可以包括根据本发明的发射器系统1000。
这里的RAN 1220a至1220b分别包括基站1270a至1270b。每个基站1270a至1270b用于无线地与UE 1210a至1210c中的一个或多个UE通过接口连接，以实现接入核心网1230、PSTN 1240、互联网1250，和/或其它网络1260。例如，基站1270a至1270b可以包括(或可以是)若干种公知设备中的一种或多种，如基站收发器台(base transceiver station，BTS)、Node-B(NodeB)、演进型NodeB(eNodeB)、家庭NodeB、家庭eNodeB、站点控制器、接入点(access point，AP)或无线路由器。将了解，基站1270a至1270b中的一个或多个基站可以包括根据本发明的发射器系统1000。
在图10中所示的实施例中，基站1270a形成RAN 1220a的一部分，RAN 1220a可以包括其它基站、元件和/或设备。此外，基站1270b形成RAN1220b的一部分，RAN 1220b可以包括其它基站、元件和/或设备。每个基站1270a至1270b操作以在特定的地理区域或地区，有时称为“小区”内传输和/或接收无线信号。在一些实施例中，可以采用多输入多输出(multiple-input multiple-output，MIMO)技术使得每个小区具有多个收发器。
基站1270a至1270b通过一个或多个空中接口1290使用无线通信链路与一个或多个UE 1210a至1210c通信。空中接口1290可以利用任何合适的无线接入技术。
可以设想，系统1200可以使用多种信道访问功能，包括如上所述的此类方案。在特定实施例中，基站和UE实施LTE、LTE-A和/或LTE-B。当然，也可以利用其它的多址接入方案和无线协议。
RAN 1220a至1220b与核心网1230通信以为UE 1210a至1210c提供语音、数据、应用、互联网协议语音(Voice over Internet Protocol，VoIP)，或其它服务。可以理解，RAN1220a至1220b和/或核心网1230可以与一个或多个其它RAN(未示出)处于直接或间接通信。核心网1230也可以用作其它网络(如PSTN 1240、互联网1250和其它网络1260)的网关接入。此外，一些或所有UE 1210a至1210c可以包括用于使用不同的无线技术和/或协议通过不同的无线链路与不同的无线网络进行通信的功能。
虽然图10示出通信系统的一个示例，但可以对图10做出各种改变。例如，通信系统1200可以包括处于任何合适配置的任何数量的UE、基站、网络或其它部件。
图11A和图11B示出可以实施根据本发明的方法和教示的示例设备。具体地，图11A示出示例UE 1210，图11B示出示例基站1270。这些部件可以在系统1200或任何其它合适的系统中使用。
如图11A中所示，UE 1210包括至少一个处理单元1300。处理单元1300实施UE 1210的各种处理操作。例如，处理单元1300可以执行信号编码、数据处理、功率控制、输入/输出处理，或使得UE 1210能够在系统1200中操作的任何其它功能。处理单元1300还支持在上文更详细地描述的方法和教示。每个处理单元1300包括用于执行一种或多种操作的任何合适的处理或计算设备。每个处理单元1300可以例如包括微处理器、微控制器、数字信号处理器、现场可编程门阵列或专用集成电路。
UE 1210还包括至少一个收发器1302，收发器1302包括发射器系统1000。收发器1302用于调制数据或其它内容以通过至少一个天线1304进行传输。收发器1302还用于解调通过至少一个天线1304接收的数据或其它内容。每个收发器1302包括用于产生供无线传输的信号和/或处理无线接收的信号的任何合适结构。每个天线1304包括用于传输和/或接收无线信号的任何合适的结构。UE 1210中可以使用一个或多个收发器1302，并且UE 1210中可以使用一个或多个天线1304。尽管示出为单个功能单元，但收发器1302也可以使用至少一个发射器和至少一个单独的接收器来实施。
UE 1210还包括一个或多个输入/输出设备1306。输入/输出设备1306方便与用户进行交互。每个输入/输出设备1306包括用于向用户提供信息或从用户接收信息的任何合适的结构，如扬声器、麦克风、小键盘、键盘、显示器或触摸屏。
此外，UE 1210包括至少一个存储器1308。存储器1308存储由UE 1210使用、产生或收集的指令。例如，存储器1308可以存储由一个或多个处理单元1300执行的软件或固件指令以及用于减少或消除输入信号中的干扰的数据。每个存储器1308包括一个或多个任何合适的易失性和/或非易失性存储和检索设备。可以使用任何合适类型的存储器，如随机存取存储器(random access memory，RAM)、只读存储器(read only memory，ROM)、硬盘、光盘、用户身份模块(subscriber identity module，SIM)卡、记忆棒、安全数字(securedigital，SD)存储卡等。
如图11B中所示，基站1270包括至少一个处理单元1350、至少一个发射器1352、至少一个接收器1354、一个或多个天线1356和至少一个存储器1358。处理单元1350实施基站1270的各种处理操作，如信号编码、数据处理、功率控制、输入/输出处理，或任何其它功能。处理单元1350还可以支持在上文更详细地描述的方法和教示。每个处理单元1350包括用于执行一种或多种操作的任何合适的处理或计算设备。每个处理单元1350可以例如包括微处理器、微控制器、数字信号处理器、现场可编程门阵列或专用集成电路。
每个发射器1352包括用于产生用于无线传输到一个或多个UE或其它设备的信号的任何合适的结构，并且还包括上述发射器系统1000。每个接收器1354包括用于处理从一个或多个UE或其它设备无线接收的信号的任何合适的结构。虽然示出为单独的部件，但至少一个发射器1352和至少一个接收器1354(或其部件)可以组合成收发器。每个天线1356包括用于传输和/或接收无线信号的任何合适的结构。虽然这里将共用天线1356示出为耦合到发射器1352和接收器1354两者，但一个或多个天线256可以耦合到一个或多个发射器1352并且一个或多个单独的天线1356可以耦合到一个或多个接收器。每个存储器1358包括一个或多个任何合适的易失性和/或非易失性存储和检索设备。
关于UE 1210和基站1270的其它细节是本领域的技术人员公知的。因此，这里为了清楚省略了这些细节。
在某些实施例中，一个或多个所述设备的部分或全部功能或流程由计算机可读程序代码构成的且内嵌于计算机可读介质中的计算机程序来实现或提供支持。术语计算机可读程序代码摂包括任意类型的计算机代码，包括源代码、目标代码以及可执行代码。术语“计算机可读介质”包括任何类型的可以被计算机访问的非易失性介质，比如，只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、硬盘驱动器、光盘(CD)、数字化视频光盘(DVD)或者任何其他类型的存储器。
为本专利文档中使用的特定术语和短语进行定义是有帮助的。术语“包括”和“包含”以及它们的派生词表示没有限制的包括。术语“或者”是包容性的，意为和/或。短语“与……关联”和“与其关联”以及其派生的短语意味着包括，被包括在内、与……互连、包含、被包含在内、连接到或与……连接、耦合到或与……耦合、可与……通信、与……配合、交织、并列、接近、被绑定到或与……绑定、具有、具有……属性，等等。
虽然本发明就某些实施例和一般相关方法方面进行了描述，但是对本领域技术人员而言，对实施例和方法的各种更改和变更将是显而易见的。因此，示例实施例的上述描述不限定或约束本发明。正如以下权利要求定义，其它修改、替代以及变更也是可能的，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (25)

1.一种发射器，其特征在于，包括：
包络发生器，用于接收待传输的数据信号并基于所述接收的数据信号产生包络信号；
包络跟踪ET调制器，其耦合到所述包络发生器并且用于接收所述包络信号，所述包络跟踪调制器包括脉冲宽度调制PWM发生器以及具有第一输出和感测输出的开关电路，其中所述PWM发生器和所述开关电路用于：
作为处于第一模式的线性调节器运行并在所述第一输出处产生第一功率放大器电源信号作为校准信号，以及
作为处于第二模式的开关调节器运行并在所述第一输出处产生第二功率放大器电源信号作为所述接收的包络信号；
电流传感器电路，其耦合到所述ET调制器的第二输出并且用于感测所述第一输出处所述第一功率放大器电源信号的电流；
滤波器，其耦合到所述ET调制器的所述第一输出以过滤第一输出信号并产生功率放大器开关式供电源；以及
耦合到所述滤波器的功率放大器，其中当处于所述第二模式时，所述功率放大器用于：
接收所述功率放大器开关式供电源作为供电电压，
接收并放大从所述数据信号产生的第一发射器信号，以及
输出放大后的发射器信号。
2.根据权利要求1所述的发射器，其特征在于，还包括：
校准控制电路，其耦合至所述包络发生器和感测电路并且用于：
产生所述校准信号并将所述校准信号输出到所述包络发生器，
从所述电流传感器电路接收电流感测信息，
基于所述电流感测信息计算所述功率放大器的负载阻抗，以及
存储所述计算的负载阻抗。
3.根据权利要求2所述的发射器，其特征在于，所述校准控制电路还用于基于所述存储的负载阻抗产生补偿信号以输入到所述包络发生器，并且所述包络发生器还用于响应于所述补偿信号预失真所述包络信号。
4.根据权利要求3所述的发射器，其特征在于，还包括：
功率调节电路，其耦合到所述校准控制电路并且用于在所述第一模式期间调整所述数据信号的功率。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的发射器，其特征在于，所述校准控制电路基于所述校准信号的多个值计算并存储多个负载阻抗。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的发射器，其特征在于，所述ET调制器包括用于将所述PWM发生器耦合到所述开关电路以及将所述PWM发生器从所述开关电路解耦的装置。
7.根据权利要求5所述的发射器，其特征在于，所述ET调制器包括用于将所述PWM发生器耦合到所述开关电路以及将所述PWM发生器从所述开关电路解耦的装置。
8.根据权利要求7所述的发射器，其特征在于，所述用于耦合和解耦的装置包括至少一个开关。
9.根据权利要求7所述的发射器，其特征在于，所述开关电路包括：
放大器，用于接收校准信号；以及
电流镜像，用于输出流入所述功率放大器的电流镜像电流。
10.一种针对发射器中的功率放大器的负载阻抗特性的变化的调整方法，其中所述发射器包括包络信号发生器和包络跟踪ET调制器，所述ET调制器包括用于供电以操作所述功率放大器的电压调节器，其特征在于，所述方法包括：
在校准操作模式期间作为处于第一模式的线性电压调节器操作所述电压调节器，其中在所述第一模式下运行包括：
感测由所述电压调节器供电给所述功率放大器的功率，
计算所述功率放大器的负载阻抗信息，以及
存储所述计算的负载阻抗信息；并且
在正常操作模式期间作为处于第二模式的开关电压调节器操作所述电压调节器，其中在所述第二模式下运行包括：
产生待由所述发射器传输的数据的包络信号，
根据所述存储的负载阻抗信息预失真所述包络信号，以及
根据所述预失真后的包络信号操作所述开关电压调节器。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括：
在第一模式期间接收校准信号；
输出校准电压电源信号以向所述功率放大器供电；
感测所述校准电压电源信号的电流；以及
基于所述感测的电流计算所述功率放大器的所述负载阻抗。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括：
基于所述存储的负载阻抗产生补偿信号；以及
响应于所述补偿信号预失真所述包络信号。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述第一模式期间调整数据信号的功率。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：基于所述校准信号的多个值计算并存储多个负载阻抗。
15.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：在所述第一模式下将PWM发生器从开关电路解耦。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述第一模式下将PWM发生器从开关电路解耦。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，解耦由至少一个开关执行。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括：
在放大器处接收校准信号；以及
对流向所述功率放大器的电流进行镜像。
19.一种发射器，其特征在于，包括：
包络跟踪ET调制器，包括：
脉冲宽度调制PWM发生器；以及
具有第一输出和第二输出的开关电路，其中所述第一输出耦合到功率放大器，并且
其中所述PWM发生器和所述开关电路用于：
在校准操作模式期间作为线性电压调节器运行以通过所述第一输出向所述功率放大器供电，以及
在正常操作模式期间作为开关电压调节器运行以通过所述第一输出向所述功率放大器提供作为包络信号的供电；以及
电流传感器，其耦合到所述ET调制器的所述第二输出并且用于感测从所述第一输出输出到所述功率放大器的电流。
20.根据权利要求19所述的发射器，其特征在于，还包括：
校准控制电路，其耦合到所述电流传感器，并且用于接收所感测的电流信息并基于电流感测信息计算所述功率放大器的负载阻抗。
21.根据权利要求20所述的发射器，其特征在于，还包括：
包络发生器，用于产生对应于待传输的数据的包络信号；并且
其中所述校准控制电路还基于所述计算的负载阻抗产生补偿控制信号以供输入到所述包络发生器。
22.根据权利要求19至21中任一项所述的发射器，其特征在于，所述ET调制器还包括：
耦合到所述开关电路以产生所述第一输出的电流镜像；以及
耦合到所述第一输出的放大器。
23.根据权利要求22所述的发射器，其特征在于，所述ET调制器还包括：
开关，其耦合在所述PWM发生器与所述开关电路之间，并且可操作用于将所述PWM发生器从所述开关电路解耦以及将所述放大器耦合到所述开关电路。
24.一种用户设备，其特征在于，包括根据权利要求1至9和19至23中任一项所述的发射器。
25.一种基站，其特征在于，包括根据权利要求1至9和19至23中任一项所述的发射器。
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