CN1128505C - 用于线性发射机的方法与装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种方法与装置以求一个发射机(200)具有稳定的、线性的响应。发射机(200)包含一个放大级(242)，以及具有一反馈信号(252)的一个负反馈校正环(244)。将一个参考信号(251)与反馈信号(252)合并，以产生一个误差信号(253)，用于连接给放大级(242)。当参考信号(251)与误差信号(253)之间的差别超过特定的阈值时，改变发射机的诸参数。

Description

用于线性发射机的方法与装置
本发明一般涉及发射机，尤其涉及线性发射机。
典型的无线通信设备中，发射机被连接至一付天线以便为通信信号提供一条传输路径。该发射机包含一个功率放大器以在传输之前放大信号。一个发射机的性能可受其工作环境影响。例如，工作在一个电磁反射结构附近的发射机易于受到反射回来经由天线进入发射机的能量的影响。反射能量对发射机的性能可以是有害的，尤其是对功率放大器的性能。功率放大器设计在使增益、效率、功率输出电平以及其它类似参数最大时，通常依赖一个不变的负载阻抗。为防范反射能量所导致的负载阻抗变化，通常在天线与发射机的功率放大器之间插入一个隔离器，以便防止反射能量保护功率放大器。隔离器将反射能量导向一个吸收负载终端。尽管隔离器通常作用良好，但隔离器给无线通信设备的设计增加大量的成本、尺寸以及重量。
对反射能量问题的另一项现有技术解决方法引入一个定向耦合器，以检测反射能量并相应地调节功率放大器的增益。通常，为使对功率放大器破坏的潜能最小，当出现反射能量高电平时，减小功率放大器的增益。定向耦合器和辅助电路亦给无线电设备的设计增加成本和复杂性。
图1是显示一个现有技术线性放大器100的框图。线性放大器，它们通常用于正交幅度调制(QAM)，必须提供一个可预测的响应以便可靠地发送复基带信号。线性发射机100中，信号源110给发射机电路120提供一个复基带信号。放大电路122将信号放大以供经由天线130的发射。来自负反馈校正环124的一路反馈信号与源信号在加法器121中混合，这在现有技术中是典型的。反馈环被用来改善功率放大器的线性。这样做的过程中，减小了相邻信道频率上所发送的能量电平——它被称为邻道干扰。这样的相邻信道能量对这些信道上正在进行的通信可以是有害的，因此需要负反馈校正。现有技术进一步所包含的是，发射机100在天线130与剩余的发射机电路之间安装有一个隔离器126。
不论天线130对隔离器所呈现的阻抗如何，隔离器对功率放大器呈现一个不变的负载阻抗。从而，隔离器的使用避免了功率放大器的增益和相位特性的不可预测的变化——如果将天线直接连接至功率放大器则将出现这些变化。技术熟练人员将理解的是，变化的负载阻抗将导致功率放大器增益变化，因此，改变负反馈校正环的有效性。这种负载变化还会导致功率放大器中相位的变化——该变化将使得负反馈环不稳定。不稳定的工作会导致对其它通信业务的严重干扰和/或对发射机的破坏。因此，隔离器避免负载阻抗的变化以及伴随的从天线130反射的能量而在发送中保护发射机。
令人想得到的是，提供一种线性发射机而同时避免伴随隔离器的成本、尺寸以及重量问题。这种发射机必须能够对操作环境的变化迅速进行调节，以保持稳定、线性的响应。
图1是显示现有技术线性发射机的一个框图。
图2是根据本发明的一个线性发射机。
图3显示根据本发明的、用于实现图2线性发射机内变化的检测并对其调节的电路。
图4是根据本发明的一个时序图，显示以标定一个误差信号为目地的激活自动增益控制系统。
图5是表述根据本发明的标定误差信号的阈值包络的曲线。
图6是表述根据本发明的不同天线负载下功率放大器传递特性的曲线。
图7是根据本发明的另一种可供选择的实施方式，用于实现图2线性发射机工作特性的检测和调节。
图8侧重于对应图7实施方式的诸校正动作的实现。
图9是根据本发明的引入了图2线性发射机的一台通信设备的框图。
尽管本说明书结束于定义本发明诸特征——它们被认为是新颖的——的权利要求书，但相信，通过结合附图对以下描述进行研究，将更好地理解本发明，附图中推行类似的参考数。
现在参看图2，它显示根据本发明的一个线性发射机200。一个数字信号处理器(DSP)210代表这样一个信号源，它给一个可变衰减器212提供一个输入信号。该信号是这样一个复数字基带信号，它拥有正交分量，即同相信号分量和正交信号分量。衰减器212提供这样一个已调参考信号251，它被连接至一个求和点216。求和点216将一个反馈信号252与该参考信号251相加或合并，以提供一个误差信号253，作为输入给一个放大级或电路242。该放大级包含一个上变换器或混频器224，以将已调基带信号搬移到要求的传输射频(RF)，该频率由本机振荡器的频率所确定。一个增益级227放大该频率搬移信号并给一个RF功率放大器229提供一个输入，而RF功率放大器229则提供一个RF输出信号225。负反馈校正环244中，RF输出信号被一个定向耦合器243取样并提供给一个下变换器或混频器222，从而使射频信号回到基带频率。混合器222的输出是反馈信号252。RF输出信号255被馈送给天线235。
在移相控制器228控制下的移相器226被用以设定环路相位，以使得求和点216中反馈信号252从参考信号251中高效地减除。通过控制施加于下变换器222上的本机振荡器的相位，调节反馈环相位。一个衰减器控制器214控制施加于发射机电路的已调参考信号的电平。一个最佳实施方式中，衰减调节和相移控制是结合一个调整波形而提供的。1991年11月19日签发给Gailus等人的U.S.Patent No.5,066,923 Linear TransmitterTraining Method And Apparatus中可找到关于调整波形方法论的详细描述。除为便于本发明的理解之外，不再给出进一步的讨论。调整波形通常在传输的开始时发送，但也可以根据通信协议在传输的过程中发送。调整波形为电路提供一个调节调制电平以及环路相位的测试信号。合适的衰减调节避免功率放大器削波(clipping)，削波是造成相邻信道干扰(邻道干扰)的主要原因。合适的环路相位调节对防止环路不稳定性是必要的。
在将本发明的线性发射机200与现有技术的诸线性发射机对比时，重要的是注意在天线235与发射机电路的其它剩余部分之间少了一个隔离器。隔离器的去除使放大电路暴露在可呈现在天线235的各阻抗的整个范围之下。普通发射机的惯例中，这些阻抗可大大偏离由天线的额定自由空间设计值所表征的阻抗。当靠近天线邻区放置若干反射体或吸收体时，呈现在天线的阻抗以复杂的方式变化。因为放大器设计典型地以一个相对不变的负载阻抗为前提，当不能保证这个不变的负载阻抗时，必须在发射机电路中作适当的补偿。
本发明包含使用电路检测和补偿发射机工作环境的变化以便保持线性的、稳定的运行。最佳实施方式中，包含检测电路270和调节电路280，以检测发射机电路中由工作环境变化而产生的变化并初始化一个或多个所需的校正动作。诸校正动作包含对发射机电路中信号的衰减和/或相位的调节，即发射机参数的改变。检测电路270根据参考信号和误差信号确定参考信号与误差信号之间是否有足够的差别以保证对电路的调节。当该差别被确定为超过一个特定的阈值时，调节电路280初始化发射机参数的诸调节，比如通过在放大级内部改变反馈环增益或反馈环相位或其它信号。可供选择地，可练习调整波形和伴随的发射机电路的诸调节。一般地，衰减器控制器214和移相控制器228运作以最大限度地分别调节反馈环的增益和相位，
图3根据本发明的图2检测电路270和调节电路280的一个实施方式的更为详细的视图。该实施方式中，检测和调节电路结合调整波形的使用运作来设定发射机诸参数。分离电路部分310、350分别处理来自衰减器或其它信号源的复基带信号的同相和正交信号分量。在同相信号分量电路310中，一个求和点316与参考信号的同相信号分量311连接(参看图2的参考信号251)。求和点316将参考同相信号分量311与一个相应的反馈信号312合并，以提供一个误差同相信号分量313。参考信号311连接至一个阈值发生器315，它产生信号阈值331。首选地，信号阈值331拥有两个分量，一个上阈值和一个下阈值，它们根据参考信号按一个常数改变。阈值发生器315对/从参考信号的同相分量加/减一个常数偏置，以建立连续的、可变的断路点(trip ponits)，它们分别形成参考信号的上、下阈值界限。参考信号311还被用作设定自动增益控制(AGC)系统320的输入，该系统被用以标定误差信号313以供比较之用。AGC系统320使用一个可变增益放大器321标定误差信号313来提供一个当线性发射机以一种已知的、最佳的或最优的状态工作着的时候与参考信号311一致的标定误差信号332。在最优状态，AGC系统320运作来标定误差信号以直接与参考信号一致，使得在参考信号与误差信号之间没有调制电平的差别。一般地，在调整之后，即当调整波形的发送和伴随的发射机电路调节完成之后，发射机被迅速置于一种最佳状态。
参看图4，显示根据本发明的表述使能AGC系统的一个时序图。在线性发射机中调整操作完成后不久该AGC系统被激活。例如，天线开关线(ASW)变低，初始化调整波形的发送。在调整间隔期间，调整波形被用来测量和调节环路相位。此操作保证沿环路一周的反馈极性为负，在求和点产生相减效果。同样，在调整间隔期间，功率放大器的削波点被测出并被用以确定即将施加到已调参考信号上的衰减电平。最佳实施方式中，调整操作约占1.6毫秒。完成调整操作后，AGC系统在一段短时(典型地100微秒窗)内被激活。在AGC激活窗内，AGC监控参考信号311，同时调节可变增益放大器321，该放大器改变误差信号的增益以产生标定的误差信号332。AGC窗结束时，使用抽样保持技术固定施加到放大器可变增益级的增益控制电压，以保持标定误差信号332。图5显示阈值发生器315所产生的上、下阈值信号值，以及调整和AGC系统操作完成后不久的标定误差信号。
如果出现天线负载的变化，则功率放大器削波点、介入相位或两者兼有将可能致使误差信号超过上阈值、下阈值，或两者兼有。作为削波点变化的一个示例，图6显示一个功率放大器的输入-输出特性，以及负载阻抗变化对该特性的影响。与额定负载相关联的增益由一个有限非零斜率610定义。如果调制电平在负载阻抗变化过程中保持为常数，相对于额定负载阻抗的情形，该斜率减小至斜率620的斜率。被减小的斜率620意味着功率降低。因为总的反馈环增益部分地由功率放大器的贡献组成，天线负载变化导致环路增益降低。环路增益降低被理解为误差信号幅度的增加，它致使误差信号超过来自阈值发生器的阈值包络。因此，当误差信号飘离阈值包络之外时，它是发射机内部需要调节的标志。结果，发射机可由调节补偿至信号的调制电平和相位，以在那里将功率放大器的削波点重新设立在斜率630所反射的削波点上。
返回参看图3，将标定误差信号332与阈值信号331所代表的上、下界限或阈值的值比较。窗比较器317确定是否对发射机诸部分的工作特性引起调节。一般地，通过使能一个调整波形的发送、接下来的测量以及环路增益和环路相位的调节，产生对发射机电路的调节。一个实施方式中，对发射机诸参数的调节是通过使衰减器改变参考信号、以及通过在负反馈校正环内部导致一个相位调节而实现的。当调整发生时，控制电路327亦对接键控AGC系统，以便给可变增益放大器321重新设置诸增益参数。与-门325是这样的一个控制电路的一部分，该控制电路避免在保留给调整操作的1.6微秒的时隙内、或在激活AGC系统的100微秒的窗内，发布Training Enable(调整使能)信号。若没有与-门325以及它与控制电路的连接，则一个调整操作可产生对另一个调整操作之请求的无限循环。串接调整操作和ACG系统的激活至少达到两个欲求的效果。第一，调整操作响应于呈现给功率放大器的天线负载变化补偿环路相位和环路增益。第二，AGC系统的激活，在施加于将需要附加补偿的功率放大器的未来负载变化之前，重新设置检测电路。
用于正交信号分量的电路350类似与用于同相信号分量的电路310。因此，参考信号正交分量351经过一求和点356与一个相应的反馈信号352合并，以提供一个误差正交信号分量353。一个阈值发生器355通过对/从参考信号的正交分量加/减一个常数，产生一个阈值包络为窗比较器357所使用。可变放大器361标定误差正交信号分量353，以产生这样一个标定误差信号362，它被窗比较器357用作一个比较。首选地，可变放大器361的控制器从属于电路310内用于同相信号分量的控制系统，以减小电路的复杂性。用于同相信号分量的电路310或者用于正交信号分量的电路350可被用以使能调整，这一点由或-门380证明。
图7显示这样的一个可供选择的实施方式，其中为不用调整而保持稳定的、线性的工作，实行直接调节来增加或减小环路增益、以及滞后或提前环路相位。由于更少的时间被投入调整——调整不传递载有信息的数据，这在无线或其它类型的通信信道的使用中提供更高的效率。进一步地，与调整所提供的一揽子测量和调节技术相对，该方法作用在于仅识别和补偿需要被调节的那个发射机变量。沿用来自图3中相同的参考数，且仅就图7讨论诸不同点。
将窗比较器317、357显示为对应同相信号分量的分立的比较器710、712，以及对应正交信号分量的比较器720和722。当同相信号分量超过阈值包络的上界限(或上阈值)时，同相信号分量比较器710、712输出Ui，而当同相信号分量超过阈值包络的下界限(或下阈值)时输出Li。类似地，当正交信号分量超过阈值包络的上界限(或上阈值)时，正交信号分量比较器720、722输出信号Uq，而当正交信号分量超过阈值包络的下界限(或下阈值)时输出Lq。信号Ui、Li、Uq、以及Lq由一个阈值交越解码器730处理，该解码器确定阈值的特性。
当Ui与Uq(UiUq)；Li与Lq(LiLq)；Ui与Lq(UiLq)；或Li与Uq(LiUq)同时出现时，该阈值解码器确定：至少存在四(4)种阈值特性之一。另外，一个象限确定器740，使用参考信号的同相或正交信号分量，确定参考信号是否落在第一象限(Q1)、第二象限(Q2)、第三象限(Q3)或第四象限(Q4)中。指示Q1、Q2、Q3和Q4的信号线在一个与-门的矩阵750中，与指示阈值特性的线U1Uq、LiLq、UiLq和LiUq连接。基于象限与阈值交越特性的组合，作出是否减小或增大环路增益和/或是否滞后或提前环路相位的一个决定。
图8显示对与-门矩阵750所识别的特定组合而进行的恰当的动作。当存在第一阈值特性(UiUq)并且参考信号处于第三象限(Q3)时；当存在第二阈值特性LiLq并且参考信号处于第一象限(Q1)时；当存在第三阈值特性(UiLq)并且参考信号处于第二象限(Q2)时；或当存在第四阈值特性(LiUq)并且参考信号处于第四象限(Q4)时，减小环路增益。当存在UiUq且参考信号处于Q1时；当存在LiLq且参考信号处于Q3时；当存在UiLq且参考信号处于Q4时；或当存在LiUq且参考信号处于Q2时，增大环路增益。
当存在UiUq且参考信号处于Q4时；当存在LiLq且参考信号处于Q2时；当存在UiLq且参考信号处于Q3时；或当存在LiUq且参考信号处于Q1时，滞后环路相位。当存在UiUq且参考信号处于Q2时；当存在LiLq且参考信号处于Q4时；当存在UiLq且参考信号处于Q1时；或当存在LiUq且参考信号处于Q3时，提前环路相位。首选地，通过改变衰减器来实现环路增益的增大或减小，典型地通过使用一个衰减器控制。通过指令一个移相控制器改变反馈环中相位来实现环路相位的提前或滞后。
通过响应于误差信号的改变直接控制环路增益和环路相位——其中误差信号反映发射机工作环境的变化，可迅速对线性发射机作出调节，以便不通过调整而保持欲求的稳定的、线性的工作。这在信息发送与同时保持发射机的稳定和线性之间提供了实质的灵活性。尽管最佳实施方式作用在于使用若干个被置于调制源与求和点之间的可变衰减器控制环路增益，并进一步在下转换路径中控制环路相位，但技术熟练人员将认可各种可供选择的装置。例如，可通过改变施加与上变换器224上的本机振荡器的相位控制环路相位。可使用一个设置在上转换和/或下转换路径中的可变增益级，来变通地控制环路增益。
图9是这样一个两路通信设备或无线电设备900的一个框图，该设备利用一个根据本发明原理的线性发射机。无线电设备900包含一个接收机部分910和一个发射机部分920，它们允许该设备工作在接收和发射模式。接收机部分910和发射机部分920支持无线电设备900的通信信号的接收和发射。接收模式中，无线电设备900通过天线901接收一个通信信号。一个发射/接收(T/R)开关902将所收到的通信信号连接至这样的一个滤波器903，它提供对所收到的通信信号的欲求的选择性。滤波器903的输出被加到这样的一个众知的接收机IF部分904，它转换基带信号。接收机IF部分的输出被加到一个众知的音频部分905或数字接收器913，它连同其它部分一道放大音频讯息并将该讯息提供给扬声器906。在发射模式中，音频讯息由一个麦克风907或一个数字源911输入，其输出被加到一个众知的复基带调制器908，以提供一个供线性功率放大器912用的调制信号。线性发射机912利用本发明的原理来处理复基带信号调制器908的输出。通过T/R开关902将线性发射机912的输出加到天线901以供发送。
本发明提供现有技术中所使用的方法之上的若干个重要的优点。线性发射机不用隔离器，因此避免了随之而来的重量、尺寸和成本。然而线性发射机响应于变换着的条件提供平滑的调节，以保持线性和稳定。另外，可在没有延迟以及不对发送施加重大约束的条件下实施这些调节。结果是一个线性发射机能够迅速对操作环境的变化进行调节，同时提供一个令人想得到的稳定的、线性的响应。
尽管已图示和描述了本发明的若干个最佳实施方式，十分清楚的是本发明并不限于此。技术熟练人员不离开后附的权利要求书所定义的本发明的精神和范围，将想到数目众多的修改、变化、变形、替换和等价。

Claims (11)

1.一种用于提供线性发射机的方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供这样一个发射机部分，它拥有一个放大级、以及一个具有一反馈信号的负反馈校正环；
将一个供放大的参考信号与反馈信号合并，以产生一个误差信号用以连接给放大级；
确定参考信号与误差信号之间的差别；以及
当参考信号与误差信号之间的差别超过一个特定的阈值时，改变发射机的诸参数，包含产生一个调整波形并使用调整波形以在发射机内部调节增益和相位参数的步骤。
2.一种用于操作发射机的方法，其特征在于，包括如下步骤：
将一个供放大的输入信号与来自放大级的一负反馈校正环的一个反馈信号合并，以产生一个误差信号用以连接给一个放大级；
产生一个上阈值界限和一个下阈值界限，用于误差信号与输入信号之间的比较；以及
产生一个调整波形，以便当误差信号处在上阈值界限或下阈值界限之 外时，在发射机内部调节诸参数。
3.一种用于操作发射机的方法，其特征在于，包括如下步骤：
将一个供放大的输入信号与来自一负反馈校正环的一个反馈信号合并，以产生一个误差信号用以连接给一个放大级；
产生一个上阈值界限和一个下阈值界限，用于误差信号与输入信号之间的比较；以及
基于对输入信号所位于的象限的确定，并基于对一个特定阈值界限是否发生交越，调节发射机诸参数。
4.一种用于提供线性发射机的方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供拥有一个参考同相信号分量和一个参考正交信号分量的一个参考信号；
将参考同相信号分量和参考正交信号分量与来自相应的反馈环的对应的反馈信号合并，以产生拥有一个误差同相信号分量和一个误差正交信号分量的一个误差信号；
基于参考信号产生第一和第二阈值包络——其每个拥有分别对误差同相信号分量与误差正交信号分量的一个上界限与一个下界限；
对参考信号确定一个象限；
当误差同相信号分量和误差正交信号分量均分别处在第一和第二阈值包络之外时，确定阈值交越特性；以及
基于参考信号的象限和阈值交越特性，为发射机调节诸参数。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，确定一个象限的步骤包括当参考信号处在第一象限、第二象限、第三象限、以及第四象限内时的确定步骤。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，确定阈值交越特性的步骤包括以下步骤：
当误差同相信号分量超过第一阈值包络的上界限且误差正交信号分量超过第二阈值包络的上界限时，确定：存在一种第一阈值特性；
当误差同相信号分量超过第一阈值包络的下界限且误差正交信号分量超过第二阈值包络的下界限时，确定：存在一种第二阈值特性；
当误差同相信号分量超过第一阈值包络的上界限且误差正交信号分量超过第二阈值包络的下界限时，确定：存在一种第三阈值特性；
当误差同相信号分量超过第一阈值包络的下界限且误差正交信号分量超过第二阈值包络的上界限时，确定：存在一种第四阈值特性。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，为发射机调节诸参数的步骤包括以下步骤：
当存在以下各种情况之一时，减小一个反馈环增益：
存在第一阈值特性并且参考信号处在第三象限内；
存在第二阈值特性并且参考信号处在第一象限内；
存在第三阈值特性并且参考信号处在第二象限内；
存在第四阈值特性并且参考信号处在第四象限内；
当存在以下各种情况之一时，增大一个反馈环增益：
存在第一阈值特性并且参考信号处在第一象限内；
存在第二阈值特性并且参考信号处在第三象限内；
存在第三阈值特性并且参考信号处在第四象限内；
存在第四阈值特性并且参考信号处在第二象限内；
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，减小增益的步骤和增大增益的步骤包括指令一个衰减器调节参考信号的调制电平的步骤。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，为发射机调节诸参数的步骤包括以下步骤：
当存在以下各种情况之一时，滞后一个反馈环的相位：
存在第一阈值特性并且参考信号处在第四象限内；
存在第二阈值特性并且参考信号处在第二象限内；
存在第三阈值特性并且参考信号处在第三象限内；
存在第四阈值特性并且参考信号处在第一象限内；
当存在以下各种情况之一时，提前一个反馈环的相位：
存在第一阈值特性并且参考信号处在第二象限内；
存在第一阈值特性并且参考信号处在第四象限内；
存在第一阈值特性并且参考信号处在第一象限内；
存在第一阈值特性并且参考信号处在第三象限内；
10.一种具有若干个可变发射机参数的线性发射机装置，其特征在于，包括：
一个衰减器，连接至一个调制源且拥有一供放大的参考信号作为输出；
一个负反馈校正环，拥有一个反馈信号；
一个求和点，连接至参考信号和反馈信号，并将参考信号与反馈信号合并，以产生一个误差信号；
一个放大级，连接至误差信号；
一个键控自动增益控制系统，连接至参考信号，并连接至误差信号，并且拥有一个标定误差信号的输出。
一个比较器，连接至参考信号，并连接至标定误差信号，并且当参考信号与标定误差信号之间的差别超过一个阈值时，拥有一个特定的输出信号；
一个控制器，响应特定的输出信号来改变发射机的诸参数；
其中所述的键控自动增益控制系统响应于这样一个调整波形来调节标定误差信号，调整波形是响应于特定的输出信号而被触发的，所述的线性发射机装置还包括：
一个阈值发生器，耦连接到所述的参考信号和所述的比较器；和
一个可变增益放大器，耦连在所述的误差信号与所述的比较器之间。
11.一种具有若干个可变发射机参数的线性发射机装置，其特征在于，包括：
一个调制源，提供包括第一信号分量和第二信号分量的一个供放大的输入信号；
第一和第二电路部分，分别连接至第一信号分量和第二信号分量，每个电路部分包括：
一个放大级，拥有提供一个反馈信号的一个负反馈校正环；
一个求和点，连接至相应的信号分量，并连接至反馈信号，
并且将一个误差信号作为输入提供给放大级；
一个阈值发生器，它产生这样一个阈值包络，阈值包络拥有
对误差信号的一个上界限和一个下界限；
一个阈值交越解码器，连接至第一和第二电路部分，当对第一和第二电路部分的误差信号同时分别处于第一和第二阈值包络之外时，阈值交越解码器提供阈值交越特性；
一个象限确定器，连接至第一和第二电路部分，象限确定器拥有一个基于表征输入信号特性之象限的输出；
调节装置，连接至第一和第二电路部分并可操作，以基于阈值交越特性与输入信号象限的结合将一项调节初始化至一个特定点。
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