CN1186575A - 温度补偿自动增益控制 - Google Patents
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Abstract
本发明的方法和装置,根据无线电设备的关键部件的温度,限制该无线电设备的输出功率。温度传感器(1025)测量部件的温度并向功率控制电路(1030)传送该温度信号。在功率放大器(1015)的输出端测量(1020)发射功率。当温度增高时,功率控制电路(1030)减少发射功率,以降低关键部件的温度。监测该功率使之不减少到低于标准所要求的功率电平。
Description
背景技术
I.技术领域
本发明涉及自动增益控制，更具体地说，本发明涉及根据温度调节便携式无线电设备的发射功率。
II.相关技术的描述
美国联邦通信委员会(FCC)(Federal Communications Commission)管理美国射频(RF)频谱的使用。FCC对特定应用分配RF频谱内的一定带宽。所分配RF频谱带宽的用户必须采取措施，确保该带宽内、外辐射发射保持在可接受的电平内，以避免干扰工作于相同或其它带宽的其它用户。该电平由FCC和该带宽的特定用户组两者共同管理。
800MHz蜂窝状电话系统其前向链路(蜂窝区至无线电话机的发送)工作在869.01MHz至893.97MHz带宽，后向链路(无线电话机至蜂窝区的发送)工作在824.01MHz至848.97MHz带宽。该前、后向链路带宽分成多个频道，每个频道占用30KHz带宽。蜂窝状电话系统的一个特定用户可同时在一个或多个这些频道上工作。系统的所有用户必须确保符合分配给它们的一个或多个频道内及频道外所许可的发射电平。
有若干不同的调制技术可用于蜂窝状电话系统。频分多址(FDMA)和码分多址(CDMA)是调制技术的两个例子。FDMA技术用于“高级移动电话系统”(AMPS)，它在IS-54标准中有详细叙述。CDMA无线电话系统的要求在IS-94标准中作了详细描述。
FDMA调制技术产生的信号同一时刻只占用一个频道，而CDMA调制技术产生的信号需占用多个频道。这两类技术均必须将其返回链路的辐射控制在所分配频道内、外可接受的范围内。为了达到最大系统性能，CDMA技术用户必须仔细控制其工作频道内、外辐射功率电平。
开环和闭环功率控制是两种控制辐射功率的方法。如吉尔豪森(Gilhousen)等人申请并转让给夸尔柯姆(Qualcom)公司的美国专利USP5056109中所述，这两种功率控制方法也确定返回链路发射能量。
图1表示典型的蜂窝区移动通信无线电话。在基于FDMA和CDMA的无线电话中，发射机功率放大器(PA)101的驱动有可能超过维持可接受的频道外辐射的点。这主要是由于高输出功率时，功率放大器101的失真输出电平增大。同时功率放大器101的驱动超过某个点可引起内部对无线电设备的干扰。例如CDMA中PA击穿，由于过渡电流大而影响合成器相位噪声。上述两种情况均产生不可接受的无线电通信性能。
由于无线电话硬件的一些不希望的影响，频道上维持适当的输出功率是困难的。例如，基于CDMA的无线电设备必须提供功率控制系统，该系统在80dB至90dB很宽的动态范围内工作，以使发射输出功率与接收的输入功率线性相关。
在接收机103和发射机102RF部分中产生的线性与非线性误差可产生不可接受的功率控制性能。且，基于FDMA和CDMA的无线电设备都必须工作在不同频道上，同时维持可接受的输出功率电平。输出功率电平和输入功率检测值随频率的变化可引起返回链路发送能量产生不可接受的误差。
无线电设备中另一个功率控制问题是功率放大器及支持电路产生的热量。这些部件耗散的热与功率放大器的RF输出功率直接有关。
这种热耗散可由大型散热器、风扇及其它驱热的机械装置加以处理。但在这种情况下，无线电设备将增加额外的重量和费用。在便携式无线电设备中，由于需要减小尺寸、降低重量和成本，增加风扇或大型散热器是不可行的。
这些情况对基于FDMA和CDMA的无线电设备设计者提出了一些重要课题。归根到底，需要实质上不增加重量和费用而降低无线电设备工作温度。
本发明的温度补偿自动增益控制包含温度补偿功率放大装置。该放大装置包含具有调节放大器增益的控制输入端的可变增益放大器。功率检测器耦连至可变增益放大器并产生发射信号的功率值。温度传感器用于对预定热量产生部件产生温度信号。功率控制电路具有耦连至所述功率检测器的第1输入端、耦连至所述温度传感器的第2输入端和耦连至所述可变增益放大器的控制输入端的输出端。该功率控制电路根据所述功率值和温度信号调节可变增益放大器。
附图概述
图1表示典型现有技术的用于无线电话系统的无线电话射频部分的框图。
图2是本发明的功率控制校正装置的框图。
图3是图2所涉及的功率限制控制部分的框图。
图4是图2所涉及的闭环功率控制部分的框图。
图5是图2所涉及的PA限制阈值控制部分的框图。
图6是本发明的变换实施例，它利用以累加器反馈控制为基础的功率限制控制系统。
图7是本发明的变换实施例，它利用以闭环功率控制累加器为基础的功率限制控制系统。
图8是本发明的变换实施例，它利用以积分反馈控制为基础的功率限制控制系统。
图9是本发明的变换实施例，它利用根据接收功率量度和闭环功率控制设定估计输出功率的功率限制控制系统。
图10是本发明温度补偿自动增益控制的框图。
图11是表示图10实施例优点的曲线。
较佳实施例的详细叙述
本发明的方法提供移动无线电设备的功率控制校正和波段内、外保持可接受的最大发送电平。这是利用在每个无线电设备生产测试期间产生的一系列校正表进行实时补偿而得以完成的。
图2表示具有本发明功率控制校正装置的CDMA无线电设备的框图。图3、4和5是图2的具体详细框图。该无线电设备包括：接收线性化部分，发射线性化部分，功率放大器偏置控制部分及功率限制控制部分。
接收线性化部分包括自动增益控制(AGC)部分。输入AGC部分的信号在前向链路上接收并由低噪声放大器(LNA)211放大。LNA211的输出输入至可变增益放大器212。该放大器212产生的信号经模/数转换器(ADC)213转换成数字信号。
然后由数字功率检测器214计算此数字化接收信号的功率。该功率检测器214包括按基准电压对检测的功率积分的积分器。在较佳实施例中，无线电设备的解调器提供基准电压以便指示额定值，解调器要求在该值控制环锁定以保持功率电平恒定。因为功率电平偏离最佳范围太远将降低解调器的性能，所以解调器需要此额定值以优化性能。功率检测器214进行积分，产生AGC调整信号(setpoint)。该调整信号和接收频率索引输入至接收机线性化表216。
AGC调整信号和频率索引用于对线性化表216寻址，以存取合适的校正值。该校正值又输出至数-模转换器(DAC)215，产生接收AGC调整信号的模拟表示。
该模拟量调整可变增益放大器212的偏置。可变增益放大器212的控制促使接收AGC环路闭合，从而使接收线性化表216的输入相对于RF输入功率为预定的直线。该线性化除去除随频率的变化外，还去除其它不希望的线性和非线性误差，否则它们在接收机的接收线性化表216的输入端是很明显的。这些误差和变化会助长发射机中的误差。
为了减小接收和发射链中相对于频率的误差，接收和发射线性化表利用频率索引(index)，该索引规定接收和发射链目前工作的中心频率。在工厂校正无线电设备时，线性化表除上述校正值外，还装入通过频率索引的数值，以修正与工作的中心频率有关的误差。
AGC调整信号是无线电设备的开环功率控制信号。在较佳实施例中，此调整不需要蜂窝区的控制输入，而由无线电设备本身进行的功率控制。当自蜂窝区接收的信号功率增加时，无线电设备减少其发射功率。该输出功率控制是由经低通滤波器217滤波后的AGC调整信号完成的。
发射部分包括组合AGC调整信号与闭环功率控制(206)的调整信号的数字加法器210。加法器210的输出馈送至功率控制限定部分205。分别示于图3和图4的功率控制限定部分205和闭环功率控制部分206的动作将在后文详细讨论。
功率控制限定部分205的输出与发射频率索引一起用作对发射机线性化表204所存数值寻址。发射机线性化表204包含无线电设备生产测试所确定的数值。选择的数值输入至数-模转换器203，后者的输出(输入数字值的模拟表示)控制可变增益放大器202。
可变增益放大器202的偏置由模拟校正值调节至其偏压使发射机线性化表204的输入相对于发射RF输出功率为预定的直线。这种线性化去除了发射机中不希望的线性和非线性误差以及相对于频率的变化。这样，加上前述的接收线性化，可极大地减少因RF性能欠佳引起的开环和闭环功率控制误差。
功率放大器(PA)偏置控制部分218根据发射增益设定控制发射PA201的偏压，使对于PA201电流损耗，给定增益设定的发射边带为最佳。这使电池供电的电话可通过在输出功率较低时，减小PA201的电流消耗而达到最长通话时间，同时可接受的边带电平仍保持输出功率较高。
功率控制限定部分205示于图3。当发射增益加法器210的输出与发射输出功率电平(等于或大于预定的最大输出功率)一致时，功率控制限定部分205控制闭环功率控制和发射增益设定。最大增益设定由PA限定阈值控制部分209确定。
阈值控制部分209根据通过发射输出功率实时测量加以修正的额定值确定最大增益设定。该测量是由模拟功率检测器207完成的，后者的输出通过模-数转换器208转换成数字信号。数字化的功率值又输入至阈值控制部分209。
详细示于图5的阈值控制部分根据高功率检测器(HDET)线性化表501进行工作，该表换算输入的数字化功率值，以便与数字发射增益控制部分的数字运算匹配。从额定最大增益设定中减去(由502)线性化表501的换算输出。最大增益设定可在装配设备时硬编码至无线电设备或在制造和测试时输入无线电设备。
然后，加法器503将最大增益设定与换算输出功率的差与最大增益设定相加。这些信号的和用作校正的最大增益设定。检测功率的这种实时修正有助于减少温度变化和发射机PA老化引起的误差。换言之，若最大增益设定与实时测得的功率值之差为零，则不必修正。而若两者有差异，则该差用于修正最大增益设定。
参见图3，数字比较器301检测何时发射增益加法器210的输出等于或超过最大增益设定。该比较器301控制2∶1转换器302，当加法器210的输出超过最大允许设定时，后者输出最大允许设定。当加法器210的输出小于最大允许设定时，转换器302输出加法器210的直流输出。由此防止发射机超过其最大工作点。
示于图4的闭环功率控制部分206累加主控无线电区站在前向链路上发送的功率控制命令，并输出增益调节信号。功率控制命令在累加器401中积聚。当发射PA201正输出最大允许功率时，累加器401的动作由功率控制限定部分205控制。
当加法器210的输出从小于最大允许设定值变为等于或大于最大允许设定值时，闭环功率控制累加器401的输出锁存至触发器402。当加法器210的输出等于或大于最大允许设定时，按照比较器403和“与非”门404的确定，“与”门405屏蔽将迫使累加器401超过触发器402锁存值的闭环功率控制上调命令。由此，防止功率限定时累加器饱和，而闭环功率控制设定可变化至小于锁定值的任何值。
本发明的变换实施例示于图6。在该实施例中，应用功率基于累加器反馈控制的限定控制系统。首先用功率检测器610测量PA609输出功率，从而系统工作。然后检测的功率由ADC611数字化并由比较器601与最大允许设定比较。若输出功率大于最大设定，则功率限定累加器602通过减少可变增益放大器608的增益，调低功率。若输出功率小于最大设定，则功率限定累加器602回到0dB修正值。
在本实施例中，应用与上述较佳实施例相似的闭环功率控制限定功能(604和605)。但，起闭环功率控制限定功能的触发器是比较器603，它通过用比较器603比较累加器602输出与0dB，检测何时功率限定累加器602限定输出功率。与上述较佳实施例中的表相似的线性化补偿表用加法器606加至发射增益控制。
在示于图7的另一个变换实施例中，应用以闭环功率控制累加器702为基础的功率限定控制系统。首先用功率检测器706测量PA705的输出功率，从而系统工作。检测的功率经数字化(707)后，由比较器701与最大允许设定比较。若输出功率大于最大设定，则修改闭环功率控制累加器702，使放大器704的功率每隔1.25ms下降一次，直至输出功率小于最大设定。若输出功率小于最大设定，则闭环功率控制累加器不修改。与上述较佳实施例类似的线性化补偿表用加法器703加至发射增益控制。
在示于图8的另一实施例中，应用以积分反馈控制为基础的功率限定控制系统。首先用功率检测器809测量PA808输出功率，从而系统工作。检测的功率经数字化(810)后，输入至遵循下式的积分器801。(调整信号-检测信号)dt
产生增益控制信号的积分器801在0dB饱和并可校正-63dB。由此，增益控制信号限定在一个范围内。若输出功率大于调整信号对应的功率，则积分器以建立在积分常数K基础上的速率调低放大器807的输出功率直至到达设定值。积分器可使功率下降多达63dB。若输出功率小于调整信号对应的功率，则迫使积分器801输出为零，由此不调节输出功率。
在本实施例中，应用与上述较佳实施例类似的闭环功率控制限定功能(803和804)。但，用于闭环功率控制限定功能的触发器是比较器802，它检测何时功率限制积分器801进行限定输出功率。与上述较佳实施例类似的线性化补偿表用加法器805加至发射增益控制。
在示于图9的另一个实施例中，应用仅以Rx功率查找表902所决定的接收功率量度及与实际输出功率相反的闭环功率控制设定为基础的功率限定控制系统。发射功率限制和闭环功率控制限定功能(901)能以使用饱和累加器903的本较佳实施例或上述任一变换实施例来实现。但是，仅用接收功率及闭环功率控制设定估计发射输出功率。
无线电设备产生的大部分热量来自PA和支持PA的直流稳定器。这些部分产生的热再加上环境温度可能超过无线电设备中许多部件的热容量。示于图10的本发明的较佳实施例根据温度控制发射功率。
本实施例使用设置在靠近热敏感部件或靠近产生无线电设备大部分热量的部件(PA及直流稳定器)的、诸如热敏电阻之类的温度传感器。PA输出功率根据这些部件的温度调节。这可以通过调节由包含在图10的功率调节器框1020中的、图2的PA限制阈值控制209产生的最大增益设定信号来实现。这使得无线电设备的最大发射输出功率，可根据测得的温度上调或下调。监测发射功率电平使之不减少至低于IS-95或IS-54标准所要求的电平。
参见图10，发射AGC1035耦连至发射PA1015。直流稳定器1010稳定加至PA1015的DC电力。功率检测器1020测定PA1015发送的信号功率并把该信息馈送至功率控制电路1030。功率检测可如图2实施例所述加以完成。
功率控制电路1030使用由温度传感器1025检测的温度及检测的发射功率，经控制输入端调节发射AGC增益。功率控制电路1030能以多种方式构成。
一种方法是产生控制信号，它与所测温度需要的发射功率调节量成正比。该控制信号加至图2所示无线电设备的发射增益控制部分，以减少发射输出功率，由此降低温度。这种信号产生和相加可通过利用所需信号的采样或连续型的数字或模拟电路或两者组合来完成。
另外一些实施例根据测得的温度和发射输出功率，通过调节诸如发射链中可切换衰减器之类的级调增益部件来调节输出功率。该增益部件可设置在链的不同位置。此外，可通过改变DC偏置点或PA的主直流电源而调节输出功率。
虽然图10把AGC1035和PA1015画成分开，但另一些实施例也可使用一个可变增益PA。该可变增益PA具有耦连至功率控制电路1030的增益控制输入端，且以上述实施例同样方式进行控制。
图10实施例所进行的功率调整对IS-95CDMA规范或IS54 AMPS规范都没有问题。IS-95放宽高环境温度时对发射功率输出的要求。IS-54不具体放宽功率输出要大，但允许在任何给定功率电平发射功率有+2dB和-4dB的变动。该范围一部分可用于减小高环境温度时的发射功率电平。
图10实施例的效果在图11中说明。该图显示，没有温度调节，当环境温度上升时，无线电设备的内部温度持续升高。用本发明的温度调节，无线电设备的内部温度在到达预定的环境温度后开始趋平。
总之，本发明的方法通过限制最大输出功率，确保无线电发射机的发射边带和合成器相位噪声保持在预定规范内。通过包括校准查找表的控制环路完成功率限制。因而，使用本发明方法的无线电设备将不会因蜂窝区发出过多的功率调高指令而超过其最大额定功率电平。即使在蜂窝区错误地决定应增加无线电功率时，该无线电设备也会限制其功率输出。
Claims (9)
1.一种温度补偿的功率放大器装置，其特征在于包括：
具有控制输出端和可变增益放大器，该可变增益放大器发送一信号；
耦连至所述可变增益放大器、用于产生所述信号的功率值的功率检测器；
产生温度信号的温度传感器；
具有耦连至所述功率检测器的第1输入端、耦连至所述温度传感器的第2输入端和耦连至所述可变增益放大器控制输入端的输出端的功率控制电路，该功率控制电路根据所述功率值和所述温度信号调节所述可变增益放大器。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括耦连至所述可变增益放大器、用于向所述放大器提供电力的直流稳定器。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述温度信号指示所述可变增益功率放大器的温度。
4.一种温度补偿的功率放大器电路，其特征在于包括：
具有控制输入端的自动增益控制放大器；
耦连至所述自动增益控制放大器输出端的功率放大器，该功率放大器发送一功率放大信号；
耦连至所述功率放大器的输出端、用于产生所述功率放大信号的功率值的功率检测器；
产生温度信号的温度传感器；
具有耦连至所述功率检测器的第1输入端、耦连至所述温度传感器的第2输入端和耦连至所述自动增益控制放大器的控制输入端的功率控制电路，该功率控制电路根据所述功率值和温度信号，调节所述自动增益控制放大器。
5.一种温度补偿的功率放大器装置，其特征在于包括：
具有控制输入端的自动增益控制放大器；
耦连至所述自动增益控制放大器输出端的功率放大器，该功率放大器发送一功率放大信号；
耦连至所述功率放大器的输出端，用于产生所述功率放大信号的功率值的功率检测器；
多个温度传感器，每个温度传感器产生一温度信号；
具有耦连至所述功率检测器和所述多个温度传感器的多个输入端的功率控制电路，该功率控制电路具有耦连至所述自动增益控制放大器的控制输入端的输出端，并根据所述功率值和多个温度信号调节所述自动增益控制放大器。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，进一步包括耦连至所述功率放大器的直流稳定器。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述多个温度传感器分别指示所述装置的部件温度。
8.一种能无线发送信号的无线电设备，其特征在于该设备包括：
产生待发送信号的调制器；
具有控制输入端的自动增益控制放大器，该自动增益控制放大器耦连至所述调制器以向待发送信号提供增益；
耦连至所述自动增益控制放大器输出端的功率放大器，该功率放大器发送功率放大信号；
耦连至所述功率放大器输出端、用于产生所述功率放大信号的功率值的功率检测器；
多个温度传感器，每个温度传感器产生表示所述无线电设备中预定部件温度的温度信号；
具有耦连至所述功率检测器和多个温度传感器的输入端、耦连至所述自动增益控制放大器控制输入端的输出端的功率控制电路，该功率控制电路根据所述功率值和多个温度信号调节所述待发送信号的增益。
9.一种温度补偿的功率放大器装置，该功率放大器具有最大增益设定，其特征在于，所述装置包括：
具有控制输入端的可变增益放大器，该可变增益放大器发送一信号；
耦连至所述可变增益放大器、用于产生所述信号的功率值的功率检测器；
产生温度信号的温度传感器；
耦连至所述功率检测器和温度传感器，而且响应所述温度信号由所述最大增益设定产生经调节的最大增益设定的增益阈值控制器；
具有耦连至所述功率检测器的第1输入端、耦连至所述温度传感器的第2输入端、耦连至所述可变增益放大器的控制输入端的输出端的功率控制电路，该功率控制电路根据所述功率值、已调节的最大增益设定和所述温度信号，调节所述可变增益放大器。
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