CN1067537A - 检测和校正功率放大器的饱和的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明为检测功率放大器的饱和情况并且自动 校正输出控制电压以避免进一步饱和的功率放大器 控制器。该控制器检测RF输出信号的功率，产生一 个与检测到的功率相关的信号，并在一个比较器中把 该信号的变化与AOC信号的电压变化进行比较。 该比较器为一个DSP产生一个与功率的饱和情况相 关的信号。DSP检查该信号的状态。在检测到饱和 时，包含在DSP内的一个算法逐步降低AOC信号 的电压，直至RF输出信号的功率有变化为止。

Description

总的来说，本发明涉及功率放大器控制电路。更详细地来说，本发明涉及一种用于功率放大器的饱和检测和控制。

使用功率放大器发射射频（RF）信号具有许多使用场合，包括（但并不限制于）无结电话通信系统。在一个无线电话通讯的系统中，有许多处于固定地址的转发器。每个固定地址转发器都是有线电话系统和包含在被上述的固定地址转发器服务的地理区域中的多个便携式或者移动式无线电话系统之间的接口。固定地址转发器和无线电话之间通过互相发送和接收经FM调制的射频信号进行通讯。

在模拟无线电话系统中，有很宽的RF频段可用于无线电话通讯。这些可用的RF频段被划分成许多较窄的频道。按要求，每个无线电话被分配给一个频道，无线电话就在这个频道上向固定地址转发器发送信息并且从该固定在址转发器接收信息，这种系统叫做频分多重存取（FDMA）系统。在通话期间，无线电话的发射机将被打开，并且在整个通话期间都保持在一个固定频率上。这样，对于一次可能持续几分钟的通话而言，发射机以及无线电话的功率放大器（PA）只需打开一次以及关上一次。固定地址转发器也可以只在通话期间处于工作状态。在FDMA系统中，由于只把功率放大器打开有限次数，因此对功率放大器的打开和关断要求并不十分严格，如果发射机被很快打开，就会有短促的但很响的突发噪声，但由于在一次谈话中只出现一次，因此它不会严重影响通讯系统。同样，如果功率放大器是慢慢地接通的，那么在通话最初的交谈中将有一个听不见的间隔。这些问题只会给用户带来不便，不会严重地使系统性能劣化。

在新近推出的数字蜂窝式无线电话系统中，对功率放大器的接通要求已大大地提高了。这种新系统使用时分多重访问（TDMA）通讯系统。在TDMA通讯系统中，8个或者16个无线电话共享一个200KHz宽的广播信道。一个信道中的每个无线电话被重复地分配给一个577μs的时隙。无线电话在这一时隙中快速地使功率放大器工作在正确的频平和功率上，送出需要的数据，再快速关断功率放大器以免干拢其享同一频率的其他用户。这样，对功率放大器的控制要求就大大增加了。

人们曾提出了一种分组特殊移动（GSM）建议方案（ETSI/PT-12  05.05（4.2.2及4.5.2），1991年，3月）来定义一个数字无线电话通讯系统。这个建议方案考虑到了对功率放大器的提高了的要求，确定了如图7和图8中所示的系统中所用的所有无线电话设备必须满足的时间掩蔽（mask）和频谱频率掩蔽。这些有关时间和频率掩蔽的规定需要在严格的时间限制内使功率放大器实现非常平缓的斜坡式接通。

当功率放大器不能产生如控制电路要求的那么多的功率时就会产生饱和。便携式无线电话中的电池电压下降以及环境温度极端化时都会引起饱和。功率放大器的饱和会产生两个问题。即，发生饱和的功率放大器会降低该功率放大器的某些性能，并且还会降低该功率的效率。第二，过大的功率控制电压将导致需要过长的时间来关断功放。

如果用来关断功放所需的时间过大，哪怕只大几个微秒，则该功率放大器将会与使用同一频率的其他功放发生干扰。这种干扰将会造成在固定地址转发器和无线电话间发送的数据丢失，而这些数据丢失又会使整个无线电话通信系统的性能劣化。这样，就需要一个功率放大器控制器来限制功放的饱和时间，特别是功率放大器的发送时间快完时的饱和时间。

本发明提供了一种具有一个放大器，一个放大器控制器和一个第一信号的发射机。该放大器具有至少二个输入端、至少一个输出端和一个饱和点。第一信号中具有一个功率电平和一个第一频率，该信号被送至放大器的输入端。放大器对加至其第二输入端的一个第二信号的电压作出反应。放大器控制器在放大器的输出端处检测放大器的饱和状态，产生出上述第二信号。这样，放大器就不再饱和了。

图1是可以采用本发明的无线电话通信系统的方框图，

图2.是一个功率放大器以及相应的可以采用本发明的功放控制电路的方框图。

图3.示出了本发明中的AOC控制信号和相应的饱和检测信号的电压可能出现的电压与时间关系图。

图4.示出了可以利用本发明的功率放大器的期望输出的功率-时间关系图。

图5.是一种所以采用本发明的方法流程图，DSP算法。

图6.是采用了本发明的一个功率放大器控制电路的示意图。

图7.是GSM推荐方案，05.05（4.2.2）所定义的GSM时间掩蔽。

图8.是GSM推荐方案05.05（4.5.2）所确定的GSM频谱频率掩蔽。

这里描述的本发明可以被应用在如图1所述的TDMA无线电话系统中。在无线电话系统中，都有一个固定地址转发器101，该转发器101向一个地理覆盖区域内的许多便携式或移动式无线电话发出射频信号，便携式无线电话103就是这样的一个电话，一个无线电话系统都被分配给一个允许其在其内进行广播的频带，该频带被划分成多个200KHz宽的信道，每个信道都能处理转发器101与其覆盖区域内的最多8个无线电话之间的通信，每个无线电话都被分配给许多时隙，无线电话就在这些时隙内向转发器101广播信息或者从转发器101接收信息。每个时隙的持续时间大约为577毫秒。便携式无线电话103可以是摩托罗拉公司生产的型号为FI9Uv-DO960AA的无线电话，该无线电话包括一个发射器107，一个接收器109以及一个数字信号处理器（DSP）111（比方说摩托罗拉公司生产生的DSP56000）。DSP111和发射机107之间可以采用多根信号线113实现多个信号的传送。

发射器107的转发器101都含有符合分组特殊移动（GSM）推荐方案[ETSI/PI-12  05.05（4.2.2以及4.5.2），1991年3月]中规定的严格要求的功率放大器。这些规定要求任何发射器满足图7中所示的时间掩蔽和图8中所示的频谱频率掩蔽。天线105用来向转发器101发送射频信号以及从转发器101接收射频信号。

接收信号时，天线105将信号转变成射频电信号，并将这些电信号传送到接收器109。接收器109对射频电信号进行解调，并转换成可被便携式无线电话103中的其余部分使用的数据信号。

在发射射频信号时，DSP111通过信号线113向转发器107给待发射的信息以及控制信息。发射器107接受这些数据，将它们转变成射频电信号，并使用功率放大器向这些射频电信号供给适量的功率。天线105接下来接受这些射频电信号，把它们转换成射频信号，再将它们发射到空中供转发器101服务。

功率放大器203和其相应的控制器位于发射器107中，如图2中的方框图所示。功率放大器203的作用是接收待发回固定地址转发器101的含有声音和数据的射频输入，再将这些射频输入信号放大至适当的功率电平以进行发射，激励器205是个可调式功率放大器，它把RF输入信号209调整至相对于功率放大器203而言适当的输入电平上。

图2中的方框图中具有多个控制回路，即标准控制回路，快速启动回路以及功率放大器的饱和检测回路。有关标准控制回路以及快速启动回路的细节可以从希厄特拉（Hietala）等人于1991年6月3日提交的第07/709，738号美国专利申请“功率放大器快速启动方法及设备”中找到。该专利申请也已转让给本发明的受让人。所有的控制回路都使用耦合器201。耦合器是一个电磁耦合器，它能将RF输入信号耦合至控制回路但又不使RF输出信号产生过大的损耗。

检测器211检测RF输出信号的功率电平，并且建立一个功率电平信号229，该信号的电压对应于RF输出信号中的功率大小。检测器211还输出一个基准信号213，该基准信号213的电压值对应于功率放大器203不工作时由该检测器输出的DC偏置值。

饱和控制回路防止激励器205和功率放大器203由于控制信号输入的缘故而超出其放大极限。该饱合回路由耦合器201、控制器211、比较器217以及数字信号处理器223组成。饱和检测比较器217将检测器输出信号229与AOC电压信号231加以比较，以确定检测器输出信号229是否对AOC电压231的变化作出响应。当检测器输出信号229的电压降至AOC信号231的电压值之下时，进行这种比较能从控制信号指示出饱和，原因是检测器电压在饱和期间将不会因AOC电压中的相应变化而发生变化。输出信号233输入到DSP223中，DSP223中含有一个将AOC信号231的电压逐级降低直至低于饱和时的检测器电压229的装置。然后，AOC信号231的电压可以逐级增加或者逐级减少，在本最佳实施例中，AOC信号的电压被进一步逐级减少，从而确保功率放大器203保持在不饱和状态;但是，AOC信号231的电压也可以被逐级增加而更接近饱和阈值，这取决于给定利用具体需要。

图3是AOC控制信号231和饱和检测信号237的电压与时间的关系图。图中，AOC控制信号303的电压持续上升。大约在22μs在右，功率203中将检测到饱和状态。这种状态由比较器217检测到，在图中反映为饱和检测信号301迅速上升。在检测到饱和时，DSP223逐渐降低AOC控制信号231的电压，一直至（大约在27μs时）AOC控制信号231的电压低足以使功率放大器203最终退出饱和状态，在图中表现为饱和检测信号301的电压值的下降。

虚线305示出不采用本发明时AOC控制信号的电压波形。在这种情况下，AOC控制信号的电压将继续进入功放203的饱和功率区，这会引起器件损坏，还会在关断功放203时引起频谱频率扰乱。

图4中示出了如图2中的203所示的那种典型功率放大器的功率与时间的关系图。采用了本发明之后，功放203的功率在线段401部分持续上升。在403处，功放203大约在22μs时变成饱和状态。饱和检测控制回路立即意识到功放203已饱和，并向DSP223发生警告。DSP223随之减小AOC控制信号3231的电压，在405处，功放203退出饱和。在剩下的时隙内，功率被维持在略低于饱和阈值的电平上，这样，功率就可以被平稳地关断。

图5中表示的是DSP223在激发饱和控制信号233时所采用的方法流程图，其中的变量X，Y和Z均为根据系统的需要而设置的变量。

变量X取决于具体应用中的算法的期望精度。变量X的值越小，最终的功率电平将越精确，但功放203退出饱和所需的时间也就越大。在本实施例中，变量X被设置为2个D/A阶梯，约为18mV。

变量2为功放设定对于AOC信号的电压变化进行调整所需的时间。在本实施例中，变量2设定为500ns。

变量Y是算法中需要的一个可选阶跃的一部分，Y是功放退出饱和之后的AOC信号的电压的附加变化。AOC信号的电压可以根据具体应用需要而增加或者减小。在本实施例中，变量Y被设为4个D/A阶梯，即大约36mV。AOC控制信号的电压被降低上述的电压Y，从而使功放距饱和阀值更远。

在本实施例中，整个方法以501开始，这里完成功放203的快速启动。在503步，DSP检查饱和检测信号233的状态。如果饱合检测信号为高，意味着功放203已饱和，则算法至第505步。如果饱和检测信号233为低，则算法进至第513步。在第505步，AOC控制信号231的电压被减少一个预定的增量X。在第507步，该算法等待预定的2ns，直至功放203根据新建立起来的AOC电压调整它的功率。在第509步，DSP223检查饱和检测信号233的状态。如果状态检测信号233还为高，则退回至第505步。如果饱和检测信号233为低，指示着功放203不再饱和，则算法进至第511步，在第511步，AOC控制信号231的电压变化一个预定的增量Y。这个变化即可以是电压的增加，也可以是电压的减少，视系统的需要而定。在本实施例中，该电压减小一个预定的增量Y。在第513步，算法结束。

图6是包含饱和检测控制回路的功放203控制电路的示意图。该电路包括：耦合器607，检测器605，积分器601，功率范围控制器603以及饱和检测电路609，饱和检测电路在比较器641处把AOC电压控制信号631与检测器输入电压信号629加予比较。一旦检测到AOC电压高于检测器的电压时，饱和检测信号233即变高，这一情况被通报给DSP223，从而中以采用图5中所示的饱和检测算法来降低AOC控制信号的电压。

在检测器605的输出端处进行饱和检测要比在积分器219处进行检测要好。如果在积分器219的输入端进行饱和检测，那么因积分器219引起的延时将使输出功率在饱和检测器指示出饱和已被校正之前被减小得远比需要的要大。这样，在积分器219的输出端进行饱和检测将造成功放203的使用效率不高，也不会满足图7中所示的GSM时间掩蔽。

因此，通过使用饱和检测比较器217把AOC控制信号的电压与检测器输出信号229的电压加以比较，可以确定功放203是否饱和。同时，使用DSP223以及如图5所示的算法，可以把功放器203，以及防止扰乱图7和图8所示的频谱时间和频谱掩蔽。

Claims (10)

1、一种发射器，包括用于放大一个第一放大信号的装置和用于控制上述的放大装置的装置，上述的放大装置具有至少二个输入端、至少一个输出端并具有一个饱和点；上述的第一信号具有一个功率电平和一个第一频率，并被耦合至上述的放大装置的至少一个输入端中的第一输入端；上述的放大装置响应于耦合至它的至少二个输入端中的第二输入端上的一个第二信号的电压，上述的控制装置包括：

·用于检测上述的放大装置的饱和状态的装置，该检测装置与上述放大装置的一个输出端相连，

·用于响应于上述的饱和检测装置而产生上述的第二信号的装置，该信号产生装置与上述的检测装置的输出端相连，同时又与上述的放大装置中的至少二个输入端中的第二输入端相连，从而使上述的放大装置不再进入饱状态。

2、如权利要求1中所述的发射器，其中所述的检测装置还包括：

在上述放大装置的输出端检测上述的第一信号中的功率电平的装置，以及

用于确定上述的功率电平检测装置的输出与一个第三信号之间的差值的装置，上述的第三信号是为了控制上述放大装置的功率电平而产生的。

3、根据权利要求1所述的放射器，其中所述用于产生第二信号的装置的特征还在于：

在未检测到饱和时产生一个等于上述的第三信号的信号，

在检测到饱和时产生一个电压值比上述的第三信号小一个增量的信号，直至检测到饱和为止。

4、根据权利要求1的发射器，其中上述的用来产生第二信号的装置还包括一个数字信号处理器和一个数/模转换器。

5、根据权利要求1的发射器，其中上述的饱和检测装置还包括一个差分放大器。

6、设置在一个无线电话内的一个放大器控制器，该无线电话含有用于放大一个第一信号的装置和用于控制上述的放大器的装置，上述的放大装置具有至少二个输入端，至少一个输出端和一个饱和点，并响应于一个第二信号的电压;上述的第二信号被送入上述的放大装置中的至少二个输入端中的第二输入端;上述的第一信号具有一个功率电平和一个第一频率，并被送入上述的放大装置中的至少二个输入端中的第一输入端上，上述的放大器控制器包括：

用于检测耦合至上述放大装置的输出端的第一信号的功率电平的装置，

用于检测上述的功率电平检测装置的输出与一个第三个信号之间的差值的装置，上述的第三装置是为了控制上述放大装置的功率电平而产生的，

用于产生对应于上述的差值和上述放大装置的饱和状态的一个第四信号的装置，

在未饱和时用来根据上述的第三信号产生第二信号的装置，以及

当上述的放大装置饱和时用来产生其电压值比上述的第三信号低一个预定增量的第二信号的装置。

7、根据权利要求6的放大器控制器，其中所述的用于产生第二信号的装置还包括一个数据信号处理器和一个数/模转换器。

8、根据权利要求6的放大器控制器，其中所述的用于确定差值的装置和用于产生所述的第四信号的装置还包括一个差分功率放大器。

9、一种控制一个放大器的方法，该放大器至少具有一个第一输入端，一个第二输入端、一个输出端和一个饱和点，该放大器响应于一个第二信号的电压而对一个第一信号进行放大;上述的第一信号具有一个功率电平的一个第一频率，并被耦合至上述放大器的第一输入端，上述的第二信号被耦合至上述放大器的第二输入端，所述的控制放大器的方法包括下步骤：

在上述的放大装置的输入端控制第一信号的功率电平，

确定上述的功率电平检测装置的输出与一个第三信号之间的差值，上述的第三信号是为了控制上述的放大装置的功率电平而产生的，

产生一个对应于上述的差值以及放大器的饱和的第四信号，

在未饱和时，根据上述的第三信号产生第二信号的装置，以及

当上述的放大装置饱和时，产生一个其电压比上述的第三信号低一个预定增量的第二信号。

10、根据权利要求9的控制放大器的方法，其中所述的产生一个电压值比上述的第三售低一个预定增量的第二信号这一步骤还包括下列步骤：

对应于上述放大器的饱和情况确定上述的第四信号，

对应于确定的饱和情况将上述的第二信号降低一个第一预定增量，

等待一个第二预定增量，

确认上述的第四信号不对应于上述放大器的饱和情况，

将上述的第二信号改变一个预定增量。

Images