CN110247674B - 基于电源电压编码调制的一线通射频前端控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电源电压编码调制的一线通射频前端控制方法，步骤包括S100：将基带调度单元输出的射频前端TTL控制信号通过调制映射的方式将其分别调制在电源电压上进行传输；S200：射频前端通过对电源电压进行检测解映射获得相应控制信号，S300：以获得的相应控制信号对射频前端对应单元电路进行控制。本方案可实现多个快速响应控制信号的控制，通过对控制信号进行编码映射为不同电源电压（电源电压编码调制），电路实现简单、成本低和功耗低，控制信号基于基带调度单元，与收发射频信号无关，不受信号带宽、功率等影响，通用性好，适用于不同通信体制。

Description

基于电源电压编码调制的一线通射频前端控制方法及系统

技术领域

本发明涉及射频前端控制领域，具体涉及一种基于电源电压编码调制的一线通射频前端控制方法及系统。

背景技术

在现代移动通信系统终端中，为响应节能环保战略，对终端的能耗要求日趋严格，尤其以电池供电且电池尺寸容量受限的移动终端设备中，能耗决定了整机续航时间的长短，同时也直接影响终端的易用性和可用性。为实现节能的要求，终端通常是根据业务需求情况进行实时调整确定开启或关闭射频前端、射频通道和基带硬件加速器、基带软处理单元等功能单元，以实现各级模块的低功耗节能，调度单元根据基带处理单元根据协议获取调度控制参数，完成对各个功能模块的低功耗调度，功能框图如图1所示。

鉴于时分多址（TDMA）系统按照时隙进行收发的特性较利于控制调度的理解，下面以TDMA系统为例进行说明。TDMA系统终端根据系统资源时隙分配情况，决定终端在相应时隙完成信号的接收和发射（收发时隙可以重合也可以有间隔，这取决于系统和终端的收发复用方式是频分复用还是时分复用），收发相对独立，即在接收空闲时隙时，相应射频前端接收低噪放（LNA）、射频接收通道和基带接收处理单元均应处理低功耗状态；同理，在发射空闲时隙时，相应射频前端功率放大器（PA）、射频发送通道和基带发送处理单元均应处于低功耗状态。

在目前常规通信终端中，由于基带处理单元、射频通道单元和射频前端单元多通过印制板（PCB）级、芯片级和软件逻辑控制等方式进行集成在一起，较容易实现调度模块对各单元的控制。然而在部分需要适应拉远应用场景的终端中，射频前端需与终端主机相隔较远距离进行使用。为方便用户使用，减少使用时设备间的连接，常采用一根射频同轴线缆进行连接，即“一线通”。

正如公开号为CN109217830A的中国专利，一种射频功率放大器开关控制电路、射频前端发射链路及接收链路中提到，一根射频同轴线缆需要同时传送射频收发信号、直流电源、载波通信信号等。载波通信信号通过载波调制技术传输串口命令参数，从而实现射频前端参数的在线配置。直流电源通过电源馈电的方式通过射频线缆进行传输，用于射频前端设备供电，故不能再同时传输收发控制（T/R）、低噪放时能（LNA_EN）和功放使能（PA_EN）等低频（近直流）TTL逻辑控制信号。虽然可以通过载波通信控制指令、关闭电源和CN109217830A中采用的基于信号检测方案实现射频前端低功耗的控制，然均存在一定程度上的缺陷或非最优方案。

通信指令控制方案，通过载波通信控制指令实现射频前端低功耗控制时，由于采用载波调制的方式对串口指令进行传输，存在较大的延时，不能用于10us级及更快时间响应要求的终端中。以精简快速的1字节串口控制为例，串口波特率设置为115200，其传输时长为：

上述时间仅仅为传输该字节数据所需要的时间，尚不包括处理器解析处理数据的处理时延，而实际使用时，通信指令需完成功能众多，如射频前端接收增益设置及查询、发送增益设置及查询、射频前端温度查询、射频前端功放输出功率查询、射频前端功放状态、射频前端天线姿态（方位、俯仰）等等，因此实际实现时通常采用格式化的通信协议进行控制，协议数据长度长达16字节甚至上百字节，其控制时延将更长，且处理器解析指令时受处理器其他软件功能影响吗，可能产生较大时延抖动，从而不利于基带调度单元采用时间补偿的方式进行提前发送控制信，同时处理器需要实时解析指令，同样会产生较大功耗，因此不适合用于射频前端的低功耗实时控制；

关闭电源方案；关闭电源方案可以获得极低的功耗，然而也会带来非常严重的问题——无法接收信号。由于采用单根射频同轴线缆馈电进行供电，无法对收发进行单独控制，导致关闭电源后接收通道也无法正常工作，终端只能主动发起业务而不能被动接收业务，甚至在大多数需要接收同步和广播信息的系统中，终端将退出网络，严重影响终端的功能业务，因此此方案应用及其受限；

CN109217830A中基于信号检测的方案。该方案主要用于对发送信号进行检测来控制功放的低功耗，通常由于功放电路是射频前端的主要耗能部件，此功能可较大程度改善整个射频前端的功耗。然而此方案仍存在较多不足之处：

（1）仅能控制发送通道，不能实现其他控制，如接收通道和T/R控制等。通常接收信号载噪比较低，加之接收信号带宽为整个系统频带，远大于实际信号带宽，因此接收信号通常淹没在宽带噪声中，无法通过简单的信号检测方式检测出接收信号，以天通卫星移动通信系统为例，射频前端接收通道带宽为30MHz，而实际话音信道带宽为20KHz左右，载噪比恶化约32dB。此外，由于射频前端接收通道可接收整个系统带宽内的所有信道信号，无法识别出真正需要检测出的信号，故不能实现接收通道的低功耗控制。

（2）检波控制信号存在时延，且不能通过基带调度控制单元进行补偿。检波控制电路是通过检查真实发送信号来产生开启和关闭控制信号的。受检波器、比较器、模拟开关等电路的时延特性影响，其开启控制信号始终晚于发送信号，从而影响发送信号质量，严重时将影响发送信号能否满足开关时间模板的要求。发送信号严格受基带调度单元控制，且必须与系统规定时隙对齐，因而不能通过简单地提前发送信号来达到补偿相关时延的目的。

以天通卫星移动通信系统为例，在进行最高数据速率传输时其符号速率约为250k/s，按照开关时间模板要求（见图2），其突发功率上升时间为2个符号时间即8us，在其之后需达到满足功率状态，因此功放开关响应时间必须小于8us（含检波电路时延）。而实际实现时还应考虑其是否满足突发功率上升模板的要求，因此应尽量减小功放开关响应时间对突发信号的影响，应控制在0.5符号以内即2us。

以上举例仅为天通卫星移动通信系统符号速率为250k/s的情况下对控制信号响应时延的要求，在符号速率上兆每秒甚至几十兆每秒的通信系统中，其对控制时延要求将更苛刻，甚至该方案将不再适用。

（3）检波控制信号时延大小受信号功率影响，且对输入信号功率（载噪比）有最低要求。

由于检波器的检波特性和后级比较器固定参考门限电压的原因，当信号功率较大时，在突发功率上升的初期（如0.3个符号）其检波输出电压就超过参考门限电压，从而控制后级功放开启；然而在信号功率较小时，可能需要在突发功率上升的中后期（如1个符号）方可开启后级功放，从而形成不同的时延大小。

当输入信号功率（或载噪比）较小时，在有信号和无信号时检波器输出检波电压波动较小，对比较门限设置较为敏感的同时，容易造成控制逻辑错误，因此在发射输入信号载噪比较低的情况下该方案将不在适用。

（4）检波控制电路的引入，仍会增加射频前端功耗。为保证较小信号的正常检测和较小的检波控制时延，检波之路通常需要根据检波器的功率检波范围将信号放大至合适功率电平，如CN 109217830 A中检波器LT5534的线性检波范围约为-50dBm至-8dBm（见图3），检波之路中采用的放大器N1，这些器件需要一直保持上电工作状态，因而也会产生不低的功耗，尤其是放大器。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于电源电压编码调制的一线通射频前端控制方法，很好的解决现有相关问题和满足使用要求。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于电源电压编码调制的一线通射频前端控制方法，其步骤包括：

S100：将基带调度单元输出的射频前端TTL控制信号通过调制映射的方式将其分别调制在电源电压上进行传输；

S200：射频前端通过对电源电压进行检测解映射获得相应控制信号；

S300：以获得的相应控制信号对射频前端对应单元电路进行控制。

进一步的，所述电源电压调制映射表设计时应结合终端射频前端电路各种工作模式状态下电源电压要求、各种模式下对电源转换效率、电源电路静态功耗、电源电压调制电路的实现难度、电源电压调制延迟时间、电源电压检测解调分辨率及开关动态负载对电压的牵引效应等因素进行综合设计。

进一步的，所述调制映射采用电源电压调制映射电路实现；

电源电压调制映射电路的实现方案包括：电源组开关切换、数控DCDC电源、数控模拟开关结合DCDC电源、数字电位器结合DCDC电源；

输出电压通过反馈电阻R2进行控制，输出电压计算公式如下：

将R1固定选择为1M欧姆，则

与反馈电阻R2呈线性比例关系，因此可以通过改变反馈电阻R2的阻值来改变输出电压。

进一步的，所述反馈电阻R2采用固定电阻值33.41kΩ的基础上并联电阻配合单刀单掷模拟开关进行调整。

进一步的，所述检测解映射采用电源电压检测解调电路实现；所述电源电压检测解调电路通过ADC采样后进行数字判断解调，或采用电压比较器和逻辑器件的组合实现电压检测解调输出。

一种基于电源电压编码调制的一线通射频前端控制系统，该系统由射频前端单元、射频一线通单元、基带处理单元组成；

所述射频前端单元由天线、双工器、功放器、低噪声放大器、前端滤波器组、电压检测解调电路组成；

所述射频一线通单元由后端滤波器组、电源电压调制电路组成；

所述基带处理单元由射频收发通道、调度模块、基带数字处理模块组成；

所述调度模块通过电源电压调制电路将射频前端TTL控制信号分别调制电源电压上进行传输；

所述电压检测解调电路用于检测解映射后获得相应控制信号，以此信号对射频前端对应单元电路进行控制。

进一步的，所述基带数字处理模块用于与上层应用进行信息交互。

进一步的，所述调度模块还用于控制射频收发通道完成与所述功放器、低噪声放大器之间的信息交互。

本发明的有益效果是：

（1）可实现多个快速响应控制信号的控制，如收发双工（T/R）控制、接收通道控制（LNA_EN）和发射通道控制（PA_EN）等；

（2）通过对控制信号进行编码映射为不同电源电压（电源电压编码调制），电路实现简单、成本低和功耗低。

（3）控制信号基于基带调度单元，与收发射频信号无关，不受信号带宽、功率等影响，通用性好，适用于不同通信体制；

（4）控制信号具有时延和时延抖动小的特点，同时支持采用基带调度单元进行时延补偿。

附图说明

图1为现有技术通信终端中调度控制示意图；

图2为现有技术突发开关功率时间模板；

图3为现有技术中LT5534输出电压与RF输入功率关系曲线；

图4为本发明系统框图；

图5为电源电压调制映射电路；

图6为反馈电阻值调整示意图；

图7基于电压比较和逻辑器件的电压映射解调示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

一种基于电源电压编码调制的一线通射频前端控制方法，其步骤包括：

S100：将基带调度单元输出的射频前端TTL控制信号通过调制映射的方式将其分别调制在电源电压上进行传输；

S200：射频前端通过对电源电压进行检测解映射获得相应控制信号；

S300：以获得的相应控制信号对射频前端对应单元电路进行控制。

进一步的，所述电源电压调制映射表设计时应结合终端射频前端电路各种工作模式状态下电源电压要求、各种模式下对电源转换效率、电源电路静态功耗、电源电压调制电路的实现难度、电源电压调制延迟时间、电源电压检测解调分辨率及开关动态负载对电压的牵引效应等因素进行综合设计。

所述电源电压调制映射表设计时应结合终端射频前端电路各种工作模式状态下电源电压要求（即所设计的各种调制电压应能保证后级电路对应模式下的正常工作）、各种模式下对电源转换效率（即电源转换效率应能满足整机对功耗的要求）、电源电路静态功耗（即电源的静态功耗应小于整机待机功耗要求）、电源电压调制延迟时间（即电源电压调制延迟时间应小于整机对控制信号延迟时间的要求）、电源电压检测解调分辨率（即解调电路因噪声等引起的电压波动应小于电压解调分辨率，以保证解调结果的正确而不会出现误触发）及开关动态负载对电压的牵引效应（即因负载动态变化时导致的电压波动应小于电压解调分辨率）等因素进行综合设计。

如表1所示，由于功放使能（PA_EN=1）时，需输出大功率射频信号，要求电源供电能力较强，因此将电压映射至更高电源电压可适当降低电源电流，减小电源电流负载牵引影响。表1 电源电压调制映射示例表

调制映射采用电源电压调制映射电路实现；

电源电压调制映射电路的实现方案包括：电源组开关切换、数控DCDC电源、数控模拟开关结合DCDC电源、数字电位器结合DCDC电源。

本实施例给出一种基于数控模拟开关结合DCDC的调制映射电路简单实现示例，如图5所示；

输出电压通过反馈电阻R2进行控制，输出电压计算公式如下：

将固定电阻R1固定选择为1M欧姆，则

与反馈电阻R2呈线性比例关系，因此可以通过改变反馈电阻R2的阻值来改变输出电压。

根据该公式可计算出相应电源对应的电阻值R2如表2所示。

表2 反馈电阻值表

电阻R2的阻值调制可以用过单刀4置（SP4T）开关进行切换，也可采用在R2电阻值33.41的基础上并联电阻配合单刀单掷模拟开关（SPST）进行调整。此处采用第二种方式进行实现，其不存在第一种方式开关切换过程中的先断开后闭合带来的反馈电压波动问题，其原理框图如图6所示。

表3 控制信号与反馈电阻值对应表

作为一种优选实施例，所述反馈电阻R2采用固定电阻值33.41kΩ的基础上并联电阻配合单刀单掷模拟开关进行调整。

所述电源电压检测解调电路通过ADC采样后进行数字判断解调，或采用电压比较器和逻辑器件的组合实现电压检测解调输出。如图7所示，所述检测解映射采用电源电压检测解调电路实现，其基本解调原理如下：

1）

逻辑表达式为：

；

逻辑表达式为：

；

2) U1、U2和U3逻辑输出与输入电压Vin的关系和经过逻辑处理后的

和

如下表所示：

表4 解调输出与输入电压对应表

从表4可以和表3对照可以看出，其解调输出控制逻辑与调制时控制信号逻辑一致，即完成控制信号的恢复输出。

一种基于电源电压编码调制的一线通射频前端控制系统，该系统由射频前端单元、射频一线通单元、基带处理单元组成；

所述射频前端单元由天线、双工器、功放器、低噪声放大器、前端滤波器组、电压检测解调电路组成；

所述射频一线通单元由后端滤波器组、电源电压调制电路组成；

所述基带处理单元由射频收发通道、调度模块、基带数字处理模块组成；

所述调度模块通过电源电压调制电路将射频前端TTL控制信号分别调制电源电压上进行传输；

所述电压检测解调电路用于检测解映射后获得相应控制信号，以此信号对射频前端对应单元电路进行控制。

作为一种优选实施例，所述基带数字处理模块用于与上层应用进行信息交互。

作为一种优选实施例，所述调度模块还用于控制射频收发通道完成与所述功放器、低噪声放大器之间的信息交互。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于电源电压编码调制的一线通射频前端控制方法，其特征在于，其步骤包括：

S100：将基带调度单元输出的射频前端TTL控制信号通过调制映射的方式将其分别调制在电源电压上进行传输；

S200：射频前端通过对电源电压进行检测解映射获得相应控制信号；

S300：以获得的相应控制信号对射频前端对应单元电路进行控制。

2.根据权利要求1所述的基于电源电压编码调制的一线通射频前端控制方法，其特征在于，电源电压调制映射表设计时应结合终端射频前端电路各种工作模式状态下电源电压要求、各种模式下对电源转换效率、电源电路静态功耗、电源电压调制电路的实现难度、电源电压调制延迟时间、电源电压检测解调分辨率及开关动态负载对电压的牵引效应进行设计。

3.根据权利要求2所述的基于电源电压编码调制的一线通射频前端控制方法，其特征在于，所述调制映射采用电源电压调制映射电路实现；

电源电压调制映射电路的实现方案包括：电源组开关切换、数控DCDC电源、数控模拟开关结合DCDC电源、数字电位器结合DCDC电源；

输出电压通过反馈电阻R2进行控制，输出电压计算公式如下：

将固定电阻R1固定选择为1M欧姆，则

与反馈电阻R2呈线性比例关系，因此可以通过改变反馈电阻R2的阻值来改变输出电压。

4.根据权利要求3所述的基于电源电压编码调制的一线通射频前端控制方法，其特征在于，所述反馈电阻R2采用固定电阻值33.41kΩ的基础上并联电阻配合单刀单掷模拟开关进行调整。

5.根据权利要求1所述的基于电源电压编码调制的一线通射频前端控制方法，其特征在于，所述检测解映射采用电源电压检测解调电路实现；所述电源电压检测解调电路通过ADC采样后进行数字判断解调，或采用电压比较器和逻辑器件的组合实现电压检测解调输出。

6.一种实现权利要求1-5中任一项所述的基于电源电压编码调制的一线通射频前端控制方法的系统，其特征在于，该系统由射频前端单元、射频一线通单元、基带处理单元组成；

所述射频前端单元由天线、双工器、功放器、低噪声放大器、前端滤波器组、电压检测解调电路组成；

所述射频一线通单元由后端滤波器组、电源电压调制电路组成；

所述基带处理单元由射频收发通道、调度模块、基带数字处理模块组成；

所述调度模块通过电源电压调制电路将射频前端TTL控制信号分别调制在 电源电压上进行传输；

所述电压检测解调电路用于检测解映射后获得相应控制信号，以此信号对射频前端对应单元电路进行控制。

7.根据权利要求6所述的基于电源电压编码调制的一线通射频前端控制方法的系统，其特征在于，所述基带数字处理模块用于与上层应用进行信息交互。

8.根据权利要求7所述的基于电源电压编码调制的一线通射频前端控制方法的系统，其特征在于，所述调度模块还用于控制射频收发通道完成与所述功放器、低噪声放大器之间的信息交互。

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