CN1223080C - 负载包络跟随放大器系统 - Google Patents

Abstract

一种负载包络跟随(LEF)放大器系统，提高使用线性调制方案的放大系统的效率。LEF系统具有信号放大器，用于接收具有调幅(AM)包络的输入信号。信号放大器产生输入信号的放大信号。可变阻抗网络被耦合于信号放大器的输出并实质上连续地响应于负载控制信号把不同的阻抗提供给信号放大器的输出。包络映射电路被耦合于可变阻抗网络以产生响应于并代表实质上连续地改变输入信号的AM包络的幅度的负载控制信号。

Description

负载包络跟随放大器系统

本申请与下述未获授权的美国专利申请相关：申请号：＿＿(CS90026)由Alberth等提交，名称是“负载包络消除和恢复放大器系统”，申请号：＿＿(CS10069)由David Schlueter提交，名称是“具有供电调整以控制相邻和相间信道功率的功率放大电路”，申请号：＿＿(CS10022)由Klomsdorf等提交的，名称是“基于存储器的放大器负载调整系统”，申请号：＿＿(CS90025)由Klomsdorf等提交，名称是“具有负载调整以控制相邻和相间信道功率的功率放大电路”。

技术领域

本发明涉及一种高效率的功率放大器系统。特别是，本发明涉及一种用于线性调制方案中的有效放大的负载包络跟随(LEF)放大器系统。

背景技术

蜂窝电话使用的迅速、巨大的增长导致处理所有的蜂窝用户的频谱的不足。这个不足已经激发了向一种频谱效率更高的有更高的用户容量的数字调制方案的迁移。这样的调制方案包含临时标准(IS)-136时分多址(TDMA)，个人数字蜂窝，基于码分多址的IS-95，全球移动通信系统(GSM)和TDMA边缘。另外，新的并且更高的数据速率容量系统被建议并发展成为第三代蜂窝系统。

该数字蜂窝系统通常需要线性调制，该线性调制确实促进了更高的系统容量，但是它也导致了较低效率的功率放大器。功率放大器持续地消耗着使用于蜂窝通信系统中的便携式无线电话的整个耗用电流的相当大的百分比部分。该耗用电流越高，可用的通话时间和待机时间就越少，这是由于便携式无线电话的电池组将被更快地消耗掉。因此，使用于便携式无线电话中的功率放大器的效率是一种临界的参数；效率越高，便携式无线电话的功率放大器消耗的电流越少，可用的通话/待机时间就越多。已经有一些技术被用来改进功率放大器线性调制系统的效率了。

一种改进功率放大器的效率的技术是包络消除与恢复(EER)。EER是Leonard Kahn在1952年首先提出(July Proceedings of the I.R.E.第803页-806页)。一个功率放大器(PA)EER系统的框图示例如图1所示。该PA EER系统100包括一个与功率放大器4耦合的限幅器2，同时功率放大器4与天线14耦合。该PA EER系统100还包括通过一个滤波器8与功率放大器4耦合的供电电压控制电路6。

在许多数字蜂窝系统中，载带信息的射频信号同时包含调幅(AM)与调相(PM)分量。一个出现在输入端12处带有AM与PM分量的RF信号由限幅器2进行处理。该限幅器2除去AM信息并且传递一个实质上恒定的包络信号给功率放大器4。该限幅器可以是一个简单的限幅射频放大器。

另外，一个出现在输入端16的包络信号包含着关于一个出现在输入端12的射频信号的射频信号包络的信息。该包络信号被加载到供电电压控制电路6。最后，一个实质上恒定的供电电压被加载到输入端10的供电电压控制电路6。滤波器8和供电电压控制电路6包含一个开关电源，该开关电源响应于出现在输入端16的供电电压来调制出现在输入端10的包络信号。上述供电电压控制电路6和滤波器8如此地在线路18上提供根据原始出现在输入端12的射频信号的AM包络变化的变化电压信号。通过调制功率放大器的供电电压，该期望的AM包络被外加在功率放大器的输出信号上，而且带有恢复的AM包络的合成信号通过天线14传输。因为除去了出现在输入端12的射频输入信号的AM部分，所以PA EER系统100允许功率放大器4作为一种非常有效率的C类放大器来运转。所有的AM信息都是通过变换出现在线路18上的功率放大器供电电压来外加到功率放大器的输出信号上的。

这个PA EER系统100存在着一些技术困难与缺点。首先，用来充分地除去射频输入信号的AM部分的限幅器是难于实现的。当工作频率增加的时候，这个困难也随之增加。其次，上述的供电电压控制电路6和滤波器8实质上是一种开关电源。这些电路典型地消耗了许多最终分解并减少了上述PA EER系统的总效率的功率。第三，很难开发一个能够满足所需带宽需求的供电电压控制电路6，使供电电压控制电路6跟随例如码分多址(CDMA)蜂窝电话系统的宽带系统的AM包络。例如，通过将出现在输入端12的射频信号分解为单独的AM和PM信号产生出现在输入端16的包络信号。上述分解的AM信号比复合信号有显著的更高频带宽度，因此供电电压控制必须在这个分解的AM信号的频带宽度上进行。对于许多第三代蜂窝系统来说，在大致20MHz这个范围上的开关速度是这样的PA EER系统所必需的。最后，上述PA EER系统100的生产成本也比较昂贵。滤波器8需要的一些零组件包括至少一个大型电感线圈。这些部分都增加了便携式无线电话的可观的费用和尺寸，而且由于便携式无线电话是一个商品的许多倍，因此价格也是一个关键的参数。

另外一个改良功率放大器的效率的技术被称作包络跟随(EF)。一个EF系统的简化框图如图2所示。该PA EF系统200包括一在射频路径上与天线40耦合的功率放大器30和一个在供给路径上通过滤波器34与功率放大器30耦合的供电电压控制电路32。

出现在输入端38的带有AM和PM调制分量的射频信号被加载到功率放大器30。另外，包含关于在输入端38的射频信号的AM包络的信息的包络信号通过输入端42加载到供电电压控制电路32。同样上述供电电压控制电路32和滤波器34本质上就是开关电源。实质上恒定的供电电压通过输入端36被加载到上述供电电压控制电路32。

在这个系统中，在输入端38并不从射频信号中除去AM。而是，通过线路44提供给PA30的电压供给是响应该AM包络的幅度而降低或者增加的。因此加载到功率放大器30的供电电压跟随加载到功率放大器30的射频信号的AM包络。通过按照AM包络调制功率放大器30的供电电压，整体上消耗较少的功率。例如，当上述包络在峰值的时候，功率放大器30的供电电压就增加，但是当该包络在最小值的时候，供电电压就减小，从而节约功率。这样的话就相当程度上提高了功率放大器30的效率。

因为由功率放大器30产生的输出信号上的实际的AM并不是在供电电压控制电路32中始发，所以供电电压控制电路32和滤波器34的带宽要求相对于PA EER100是降低了。这个系统同时也消除了对高频限幅器的需要。然而，PA EF系统200仍然需要一个供电电压控制电路32和滤波器34，这些都相当程度上增加了便携式无线电话的成本和尺寸。

于是，就需要一个在线性调制系统中的可操作的功率放大器系统。并且更进一步的需要这些线性功率放大器系统更为有效率以使便携式无线电话运行的耗用电流最小化。还更进一步的需要最小化生产线性功率放大器系统的成本以便使得使用该功率放大器系统的便携式无线电话的价格具有竞争力。

发明内容

根据本发明的一个方面，一种负载包络跟随放大器系统，包括：具有输入和输出的信号放大器，输入用于接收具有调幅包络的输入信号，信号放大器用于产生输入信号的放大信号；耦合于信号放大器的输出的可变阻抗网络，可变阻抗网络用于响应于负载控制信号把不同的阻抗提供给信号放大器的输出；耦合于可变阻抗网络的包络映射电路，用于响应于改变输入信号的调幅包络的幅度来产生负载控制信号。

根据本发明的另一方面，提供了一种发射调制的信息信号的方法，该方法包括：接收具有调幅包络的输入信号；响应于所述调幅包络的幅度改变，产生负载控制信号；响应所述负载控制信号，改变在功率放大器的负载阻抗；用所述功率放大器放大具有调幅包络的所述输入信号。

附图说明

图1是一个现有技术中的包络消除与恢复(EER)系统的框图；

图2在现有技术中包络跟随(EF)系统的框图；

图3是具有接收机和发射机的无线电话的框图；

图4是一个使用在图3中的发射机的负载包络跟随(LEF)系统的框图；

图5显示了通过图4的LEF系统产生的射频调制信号；

图6是一个显示了与三个瞬时功率电平相应的三个向用于图4的LEF系统中的功率放大器呈现的不同的最佳阻抗的史密斯圆图；

图7显示了可用于向功率放大器呈现不同阻抗的可变阻抗网络；

图8显示了可变阻抗网络的第二个实施例；

图9是一个与PA LEF系统协同使用的信号质量检测器的实施例；

图10是一个LEF系统的可选实施例的框图；

具体实施方式

图3是一台无线电话通信系统300的框图形式的例图。该无线电话通信系统300包括一个远程收发信机60和一个或多个诸如无线电话62这样的无线电话。该远程收发信机60通过这台无线电话62在一个指定的地址区域内发送和接收射频信号。

该无线电话62包括天线64，发射机66(也可以称为射频发射机)，接收机68，控制块70，合成器72，双工器74，和用户接口76。为了接收信息，这台无线电话62通过天线64检测包含数据的射频信号并且产生检测的射频信号。接收机68将该已检测射频信号转换成为电基带信号，解调该电基带信号，恢复包括自动频率控制信息的数据，并且输出数据至控制块70。控制块70将该数据格式化成为可辨别的声音或由用户接口76使用的数据信息。典型情况下用户接口76包括麦克风，扬声器，显示器，和数字小键盘，该用户接口76用于接收用户输入信息并且提供被远程收发信机60传输的接收数据。接收机包括：低噪声放大器，滤波器，降频变换混频器和正交混频器，还有自动增益控制电路这样的电路，是现有技术中公知的。

为了将包含信息的射频信号从无线电话62传送到远程收发信机60，用户接口76将用户输入数据引导到控制块70。控制块70典型情况下包括：DSP核心，微控制器核心，存储器，时钟发生电路，软件，和功率放大器控制电路中的任何一些。控制块70格式化从用户接口76获得的信息并且将它输送到发射机66以变换成为射频调制信号。发射机66将射频调制信号输送到天线64以传输到远程收发信机60。因此，也可称为射频发射机的发射机66用于发送一个调制的信息信号。双工器在发射机66发射的信号和通过接收机68接收的信号之间提供隔离。

合成器72为接收机68和发射机66提供信号，调谐到适当的频率，以允许信息信号的接收和发射。对接收机68与发射机66的功能控制，比如信道频率，由控制块70提供。因此，控制块70提供合成器72程序指令以完成频率合成。

图4是一个能被上述无线电话62使用的发射机的框图。该发射机400使用功率放大器负载包络跟随(PA LEF)系统90来完成在线性调制方案中有效率的操作。

在图4中，发射机400被划分成为基带电路92，射频(RF)电路94，PA LEF系统90，和滤波器95。基带电路92和射频电路94可以被共同地称为发射机电路。滤波器95是常规设计的并且可以被合并入双工器74(图3)。

该基带电路92包括第一有限脉冲响应(FIR)滤波器96，第二FIR滤波器98，第一数-模(DAC)转换器100，第二DAC102，第一消除混叠滤波器104，和第二消除混叠滤波器106。所有的在图4中显示的基带电路92的电路都是常规设计的。不需要付出创造性才能就能使用该基带电路92的其它配置。而且，至少该基带电路的一部分可以通过使用图3所示的控制块70中的电路来实现。

射频电路94包含与这里是可变增益放大器(VGA)109的可变增益元件耦合的同相和正交相位(IQ)调制器108。VGA109与缓冲放大器110耦合。IQ调制器包含接收出现在第一基带输入端112上的同相基带信号(I)，出现在第二基带输入端114的正交相位基带信号(Q)，同相中频(IF)载频信号(未显示)，和正交相位IF载频信号(未显示)的混频器对。该IQ调制器还包含一与混频器对耦合的上变换混频器用来将IF调制信号转换成为射频信号。IQ调制器108，VGA109，和缓冲放大器110也是常规设计的。

PA LEF系统90包含包络映射电路116，功率放大器118和可变阻抗网络120。功率放大器118可以是单级放大器或多级放大器。

从第一基带输入端112和第二基带输入端114到射频输出端122的路径被典型的称为射频路径。本射频路径的修改和/或增加都是可以被实施的。例如，在优选实施例中，带有相关的中频滤波器的上变换混频器被包括在射频路径中(例如，在这个IQ调制器108的内部)来完成频率选择。另外，IQ调制器也可以将基带信号直接地转换成为发射射频，从而形成直接发射发射机。

在控制块70内部的电路(图3)分别地将用户输入转换成为加载到第一基带输入端112和第二基带输入端114的数字I及Q信号。第一FIR滤波器96和第二FIR滤波器98滤波I和Q信号以降低符号间的干扰，否则该干扰将对传输信道或者传输媒体上的传输造成影响。第一DAC100和第二DAC102将数字I和Q信号转换成为I和Q模拟信号。第一消除混叠滤波器104和第二消除混叠滤波器106以现有技术已知的方式滤波I和Q模拟信号。

IQ调制器108接收I和Q模拟信号，并且将其正交调制成为一IF调制信号。在IQ调制器108内部的上变换混频器将IF调制信号转换成为RF调制信号。按照利用的调制方案，IF调制信号和RF调制信号通常包含调幅(AM)包络和调频(FM)包络。

RF调制的信号被提供给VGA109。另外，平均发射功率控制电路(未示出)被耦合于控制块70、发射机电路和PA LEF系统90。平均发射功率控制电路用于产生自动输出控制(AOC)信号，这一点在现有技术中是已知的。在图示的实施例中，控制块70(图3)包含平均发射功率控制电路。VGA109在VGA控制输入111处接收AOC信号，用于设置VGA109的增益。通过改变VGA109的增益，无线电话62(图3)可改变它的平均发射输出功率(并且从而改变调制信号的平均幅度)。

在替换的实施例中，VGA109是多级可变增益放大器，从而可改变几个级的增益。可变增益放大的多个级也可沿发射路径的不同部分分布。而且，至少一些必要的可变增益可通过可变衰减器而不是现有技术中已知的可变增益放大器来实现。

控制块70响应于进行接收信号强度测量的无线电话62产生AOC信号(例如开环功率控制)。远程收发信机60还可发送功率控制命令到无线电话62，并且控制块70至少部分响应于远程收发信机60功率控制命令产生AOC信号(例如IS-95CDMA闭环功率控制)。另外，控制块70可应用开环与闭环功率控制的组合产生AOC信号。

VGA109产生的RF信号被耦合于缓冲放大器110进行信号放大。这个放大器通过RF路径提高最大增益，从而在必要时可实现最大必要输出功率。在IQ调制器108的输出，缓冲的信号根据使用的调制方案包含调幅(AM)包络和调相(PM)。缓冲的信号被耦合于功率放大器118，作为功率放大器输入信号。功率放大器118在功率放大器输出124处产生功率放大器输入信号的放大信号。加载到功率放大器118的供电电压(未示出)实质上是恒定的，因为功率放大器供电电压不响应于AM包络而有意识地变化。因此功率放大器118被偏置来具有足够的电流和电压峰值储备，以在甚至是最高的输出功率电平时提供实质上是线性的放大。

把实质上恒定的偏置用于功率放大器118，可变阻抗网络120响应于发射的信号的包络对功率放大器输出124提供可变负载阻抗以改变功率放大器118的负载线。这提高功率放大器118的总效率并降低耗散功率。

包络映射电路116是信号处理器并且能够通过例如DSP或专用集成电路(ASIC)实现。包络映射电路技术是本领域的普遍技术人员所熟悉的。包络映射电路的一例子在美国专利5,420,536中被描述。其它包络映射电路可以如现有技术所知的那样进行实施。

通过控制块70(图3)产生的平均功率电平信号，在图4中标出的PAVG，被加载到功率电平输入端126。平均功率电平信号包含关于期望发射功率电平的信息并因此是AOC信号的导数。

平均功率电平信号为了映射过程而由包络映射电路116使用的。对于特定的输出功率电平，一定存在使功率放大器118有最高的效率的最佳输出阻抗。当发射功率电平被通过改变VGA109的增益来改变的时候，不同的最佳阻抗必须被提供给功率放大器输出端124。因此，包络映射电路116必须产生在总线132上的负载控制信号，这个信号不仅是I和Q信号幅度的响应，而且是平均发射功率电平的响应。

例如，当无线电话62被用于一IS-95码分多址(CDMA)蜂窝电话系统时，平均发射功率必须以一次1dB在从-50dBm到+24dBm的范围内变化。这个动态范围是至少部分地通过VGA109获得的。然而，因为在IS-95中的OQPSK调制，传输信号具有含有其幅度从-40dB到5.6dB变化的AM包络，并且0dB的方差作为特定的平均输出功率设定的中值输出电平。因此，如果发射功率电平被设置为24dBm，调制包络的幅度从-16dBm到29.6dBm变化。一组设定被包含在包络映射电路116中以使负载控制信号可以响应线路132和134上分别地检测的I值和Q值调整可变阻抗网络120。当发射功率电平在24dBm的时候这些设定对于检测I和Q值来说就是确定的。

当不同的平均发射功率被选择的时候，比如-50dBm，出现在功率电平输入端126的平均功率电平信号就反映了这种变化。利用OQPSK调制，传输信号现在含有幅度在从-90dBm到-44.4dBm的范围内变化的AM包络。包络映射电路116现在在总线132上产生负载控制信号以响应I/Q信号的幅度和相位与新的发射功率电平调整可变阻抗网络120。

控制块70(图3)也产生被加载到包络映射电路116的模式输入端128的模式信号。该模式信号用于这个发射机400的工作模式的选择。例如，无线电话62可以是可以在CDMA模式和AMPS模式操作的多模式电话机。该模式信号引起包络映射电路116在总线132上产生负载控制信号，使可变阻抗网络120按照这台无线电话62工作的特殊的模式工作。

如果这台无线电话62是在AMPS模式下工作的话，在总线132上的负载控制信号将实质上只是依赖于该期望平均发射功率电平。这是因为在AMPS模式，传送信号由频率调制得到的恒定的包络信号。

响应于该检测的基带I和Q信号的幅度和相位、该期望平均发射功率电平和这台无线电话的工作模式，该包络映射电路116连续地产生负载控制信号。按照所选择的工作模式，负载控制信号代表I和Q基带信号的动态幅度和相位以及这台无线电话62的平均期望发射功率电平。该负载控制信号可以是包含关于发射机的瞬时绝对功率电平信息的或者是数字信号模式，模拟波形，或模拟和数字波形的组合。该包络映射电路116可以算术地或者作为查找表来执行包络变换功能。

另外，发射用户输入信息的方法包括把用户输入信息转换为输入信号、用输入信号调制载波信号以形成具有调幅(AM)包络的调制信号、用功率放大器放大具有AM包络的调制信号，并在功率放大器的输出处实质上与AM包络一致地改变负载阻抗。

图4显示了可选地包括耦合到可变阻抗网络120的输出端的隔离器91的发射机400。这个隔离器给可变阻抗网络120的输出端提供实质上恒定的阻抗。这将给该可变阻抗网络120提供给功率放大器输出端124的不同的阻抗提供额外的可预测性。

图4还显示了该发射机400可选地包含将该包络匹配电路116耦合到IQ调制器108上去的失真控制线133。这个失真控制线133在将该输入信号加载给功率放大器124之前可选地允许在一输入信号上引入预失真。

该可变阻抗网络120提供给功率放大器输出端不同的阻抗以便最大化功率放大器的效率并同时仍保持功率放大器线性。由于该功率放大器118的偏置和提供的不同的输出负载，该功率放大器118在尽可能接近于饱和/压缩状态下运转以提供最大化的功率放大器118的效率。工作在饱和状态下可能引起功率放大器118在射频输入信号上引入失真。而且，该可变阻抗网络120可以对该信号引入一定程度的幅度和相位失真。利用对此失真的先验知识，通过测量，计算或者两者结合的方式，预失真可以被外加到所要放大的信号上以便用来解释由于功率放大器118和/或可变阻抗网络120引起的失真。

该包络映射电路116也包含为了在失真控制线133上产生失真控制信号的失真控制电路。该失真控制信号可以是一模拟信号或数字信号。另外，该失真控制电路可以在无线电话62的不同的部分而不是包络映射电路116的内部。例如，失真控制电路可以在控制块70(图3)的内部。

图4显示了失真控制线133将包络映射电路116耦合到IQ调制器108以使IQ调制器108内部的电路引入预失真信号。另外，失真控制信号可以被加载到发射机400电路的不同部分，比如基带电路92(图4)或控制块70(图3)内部电路。预失真因此可以经基带电路92或通过控制块70(图3)的内部电路引入。

因此，无线电话62有数字处理电路(或者在图4的内部包络映射电路116，图3的控制块70，或者无线电话62内部的其它地方)以将用户输入信息转换成为一输入信号。无线电话62也包含发射电路(这里是基带电路92和/或射频电路94)，将数字处理电路耦合到该功率放大器118的输入端，以便在将输入信号加载给信号放大器之前放大和调制输入信号。另外，无线电话62包含耦合到数字处理电路，发射电路和包络映射电路116中任何一个上的失真控制电路。失真控制电路使数字处理电路和发射电路中的任何一个在将输入信号加载到功率放大器118之前将预失真引入到输入信号上。失真控制电路可以通过使用DSP，微控制器，或者其它电路来实现。

另一种描述是，失真控制电路被耦合于包络映射电路116和发射电路(这里是基带电路92和/或RF电路94)。失真控制电路用来产生失真控制信号并把该失真控制信号耦合于发射电路以引起发射电路在把输入信号加载到功率放大器118之前把预失真施加于输入信号。

预失真的引入是本领域的普通技术人员所熟知的。作为一例子，参见美国专利5,113,414。其它引入预失真的方法和系统可以作为现有技术所知的那样加以实现。

在包络映射电路116中可使用内插来产生负载控制信号，该信号引起可变阻抗网络120在阻抗的实质上连续的范围上变化。可替换地，负载控制信号引起可变阻抗网络120以不连续的步长改变提供给功率放大器输出124的不同的阻抗。

图4也显示了发射机400可选地包括耦合到功率放大器输出端124上的信号质量检测器140。信号质量控制线路142引导信号质量指示给包络映射电路116。该信号质量检测器140测量在功率放大器输出端124上产生的射频信号的峰值对平均值比。

信号质量检测器140的输出端被包络映射电路116用于补偿在射频路径上的电路的变化。例如，功率放大器118的性能随温度改变。功率放大器118的性能在不同的无线电话内部也从部件到部件发生变化。可变阻抗网络120的性能也随着温度变化和部件变化而改变。所有的这些变化必须通过设置功率放大器118的工作点而引起最坏情况条件来导致。例如，功率放大器118可以被偏置以产生更高的静态电流来在超过最坏情况的温度和部件变化条件下维持线性，该静态电压比如果不可能有性能偏差下的所需的静态电流高。不得不引起这些最坏情况条件意味着功率放大器118不得不被偏置以消耗附加的DC功率来在可能的最坏情况条件下维持线性。

包含信号质量检测器140有助于引起性能变化从而允许在每个无线电话内部使用的功率放大器118在更靠近饱和的条件下运转，从而最大化功率放大器的效率。信号质量检测器140监视射频信号的峰值对平均值比。另外，信号质量检测器140还可以测定无线电话62(图3)发射的相邻信道功率量(ACP)。关于测量相邻信道功率更进一步的细节在一尚未授权的名为“空闲的信道耗散功率监视设备和方法”的美国专利申请中有记载，申请号是No.08/968,625，申请日是1997年11月12日，转让给本发明的受让人，将其内容作为参考。信号质量检测器140通过信号质量控制线路142发送峰值对平均值比的指示给包络映射电路116。包络映射电路116使用该信号质量指示来调整可变阻抗网络120，该可变阻抗网络120控制出现在功率放大器输出端124的阻抗以维持射频信号中恒定的峰值对平均值比。

改变呈现在功率放大器输出端124上的阻抗可以通过图5和图6更好的被理解。图5显示了在图4的功率放大器输出端124产生的射频调制信号150。输入到功率放大器118(图4)的输入信号具有AM包络，射频调制信号150(图5)是一带有恢复的AM包络152的输入信号的放大信号。由于不同的线性调制方案，AM包络的幅度连续地变化从而产生了波峰154和波谷156。平均发射功率电平，如虚线158所示，介乎于波峰154和波谷156之间。调制由射频载波信号160进行。

正如上面讨论的那样，可变阻抗网络120(图4)被连续地调整以提供实质上最优的阻抗给功率放大器输出端124(图4)。这使得对于沿着AM包络152(图5)的不同幅度偏移(excursion)和不同平均发射功率电平都最大化功率放大器118的效率。

图6显示了一个表示对应于三个瞬时功率电平被提供给功率放大器输出端124(图4)的三个不同的最佳阻抗的史密斯圆图。因此，第一阻抗点182，第二阻抗点184，第三阻抗点186代表在单个载波频率上但是在功率放大器输出端124的不同的功率电平上的阻抗。第一阻抗点182与最高功率点162(图5)对应，第二阻抗点184与平均发射功率电平(图5的虚线158所示)对应，第三阻抗点186与最小的功率点164对应。通过连续地改变出现在功率放大器输出端124的负载阻抗，与最佳的功率放大器118效率对应的负载阻抗可以在AM包络152的幅度变化的时候持续不断的出现在功率放大器118上。功率放大器118的总效率因此也就增加了。

如图5和6所示，第二阻抗点184是与平均功率点163(图5)相应的。如果，由于温度和/或部件的变化，测量到的峰值对平均值比大于预定期望的峰值对平均值比的话，不同的阻抗将依据通过阻抗点182到186表示的阻抗组被选择。不同的阻抗是通过在史密斯圆图上沿着阻抗组，在通过方向箭头188显示的方向上移动被选择的。因此，作为为了一个特定功率电平而使用第二阻抗点184的替代，第三阻抗点186被使用。这使得功率放大器118更靠近于饱和状态工作，从而提高放大器效率。同样地，如果峰值对平均值比比期望值小的话，不同的阻抗是通过沿着方向箭头188指示方向相反的方向在阻抗组中移动被选择的，如图6的史密斯圆图180所示。

信号质量检测器可以通过使用二极管检测电路和电阻-电容网络来实现。图4显示了信号质量检测器通过信号质量控制线路142直接地将信号质量指示发给包络映射电路116。另外，信号质量指示可以被耦合到其它电路来进行处理，比如控制块70(图3)，然后被耦合到包络映射电路116。更进一步，类似运算放大器电路(未显示)的模拟电路能接收在总线132上的负载控制信号和在信号质量控制线路142上的信号质量指示。模拟电路然后能够处理那两个信号并且产生被加载到可变阻抗网络120的修正负载控制信号。

图7显示了可被用来给功率放大器118(图4)提供不同的阻抗的可变阻抗网络600的第一实施例。该可变阻抗网络600包含第一传输线路190，耦合到大地电位194上的固定的旁路电容器192，第二传输线路196，和至少一个耦合到大地电位194的可变元件198。可变元件198可以从包括变容二极管和电压可变电容器的组里边被选择出来。负载控制信号被加载到输入端202作为改变可变元件198的电容的电压。箭头204显示了在输入端206出现的阻抗对于不同的输出功率电平来说，为了功率放大器118(图4)维持实质上最优的阻抗。

其它可变阻抗网络600的结构是可以被预想的。例如，可以包含附加的元件，比如集总元件或分布参数元件电感线圈，附加的传输线路和电容器，附加的可变元件。

图8显示了可变阻抗网络602的第二实施例。该可变阻抗网络602包含第一传输线路206，耦合到大地电位210上的固定的旁路电容器208，第二传输线路212，和至少一个耦合到大地电位210的可变元件214。可变元件包含多个电容器216，这些电容器可以交替使用PIN二极管或微机械开关耦合到和断开功率放大器输出端124。负载控制信号被加载到输入端218用来开启和关闭将多个电容器216耦合到功率放大器输出端124上的多个开关。箭头222显示了出现在输入端224的阻抗被维持为在不同的输出功率电平上给功率放大器118(图4)提供实质上最优的阻抗。

因此，该可变阻抗网络有至少一个可变元件。可变元件可以从包括变容二极管，电压可变电容器，多个电容器的组中被选择出来，前述多个电容器可以使用微机电式开关或者PIN二极管交替耦合到和断开信号放大器的输出端。

可变阻抗网络602的别的结构可以被不需付出创造性而预想出来。例如，可以包含附加的元件，比如集总元件或分布参数元件电感线圈，附加的传输线路和电容器，附加的可变元件。可变阻抗网络600和可变阻抗网络602的组合可被用于增加可得到的阻抗的范围。而且，负载控制信号可以包含分别地控制不同的可变的阻抗元件的多个信号。

图9是与PA LEF系统90联用的信号质量检测器140的具体实施例。该信号质量检测器140包括通用的包络检波器261，一平均值电路264，第一运算放大器266，差分电路268，峰值检测器270，和第二运算放大器272。

平均值电路264包括一个耦合到旁路电容器278和并联电阻280上的串联电阻器276。峰值检测器270包括耦合到旁路电容器294和并联电阻296上的二极管检测器292。

差分电路268有通过一串联电阻器282耦合到运算放大器284的负输入端的第一输入端304。第二输入端306通过串联电阻器286和旁路电阻288耦合到运算放大器284的正输入端。运算放大器284的输出端是信号质量检测器输出端262。

输出信号的抽样加载到信号质量检测器输入端260，并且通用的包络检波器261利用AM包络来产生检测基带信号。检测基带信号被加载到平均值电路264和峰值检测器电路270。检测基带信号的峰值是由峰值检测器270产生的，而检测基带信号的平均值是由平均值电路264产生的。

第一运算放大器266和第二运算放大器272是电压跟随器以提供在平均值电路264和差分电路268之间的隔离和峰值检测器270和差分电路268之间的隔离。缓冲平均值被加载到第一输入端304，信号的缓冲检测峰值被加载到第二输入端306。

峰值和平均信号之间的差值在输出端262产生，然后其通过一模拟-数字(A-D)转换器(未显示)抽样。该A-D转换器可以在包络映射电路116(图4)的内部，或者是控制块70(图3)的内部，或者无线电话62内部的其它地方。该抽样的差值是用来与给出包络的峰值对平均值比的值的相关表格进行比较的。因为抽样是平均值，所以该抽样发生在很低的速率。该包络映射电路116调整该由可变阻抗网络120提供的负载阻抗，直到该监视峰值对平均值比在实质上等于预定值为止。

在另一个实施例中，PA LEF系统90(图4)仅响应于AM包络的一部分。这样作可降低跟随AM包络所需的阻抗范围。作为示例，仅AM包络的顶部的8dB被跟随，从而可变阻抗网络120仅响应于AM包络的顶部的8dB而提供阻抗给功率放大器118。

大部分高频幅度信息被包含在AM包络的谷值(即最小值)156(图5)中。通过利用PA LEF系统来仅响应于AM包络的一部分，负载控制信号的带宽被明显降低。另外，通过应用PA LEF系统来仅响应于AM包络的顶部的一部分，功率放大器性能在更高输出功率处得到改善，在那里功率放大器引入大部分电流。

图10是例示结合了另一实施例的PA LEF系统702的发射机700的一部分的框图。驱动器放大器242被耦合于功率放大器244。功率放大器输出246被耦合于可变阻抗网络248。包络映射和控制电路250被耦合于驱动器放大器242、功率放大器244和可变阻抗网络248。包络映射和控制电路250也经压控电路252被耦合于功率放大器244的供电端口247。

具有AM包络的输入信号被加载到系统输入240，平均发射功率的指示经功率电平输入254被加载到包络映射和控制电路250，并且操作模式的指示经模式输入256被加载到包络映射和控制电路250。另外，响应于并代表I和Q信号的幅度和相位变化的信号经总线270被加载到包络映射和控制电路250。包络映射电路250在总线264上产生响应于并代表I和Q信号的幅度和相位变化的负载控制信号。

驱动器放大器242提供输入信号的初步信号放大，功率放大器244把输入信号放大为最终的发射功率电平以产生放大的信号。可变阻抗网络248被耦合于来接收放大的信号和负载控制信号。负载控制信号响应于I和Q信号的幅度和相位变化引起可变阻抗网络248来提供不同的阻抗给功率放大输出246。

在许多应用中，发射的输出功率在可利用的发射功率电平的低端。例如，在IS-95 CDMA蜂窝电话系统中，发射的功率范围是+24dBm到大约-50dBm。与高的功率电平相比，在低的功率电平处便携无线电话在统计上花费更多的时间来发射。

如果对功率放大器的供电电压在整个发射功率范围上被基本维持恒定，导致功率放大器效率的亏损。在低的发射功率电平期间把功率放大器244的供电电压降低，或者甚至进一步在AM包络中的谷值期间降低，将提高系统的总效率。

因此，包络映射和控制电路250在供电控制线路262上响应于功率电平输入254处的信号产生供电电压控制信号。然后功率放大器244的供电电压随期望的平均发射功率电平变化。例如，当发射功率向最大值方向提高时，在供电端口247处的供电电压提高到它的最大值电压。供电电压控制信号也随AM包络中的幅度变化而变化，以进一步提高效率。

电压控制电路252是线性或开关调整器。由于功率放大器244的供电电压会影响功率放大器244增益，在工厂可执行定相以补偿和分解增益中的变化。

为更高的效率改进，驱动器放大器242和/或功率放大器244中的DC电流可响应于所需的平均发射功率电平而被调整。例如，当平均发射功率电平被降低时，在驱动器放大器242和功率放大器244中需要更小的电流来使它们保持线性。因此，包络映射和控制电路250在线路258上产生第一偏置控制电压，在线路260上产生第二偏置控制电压。

如果驱动器放大器242是场效应晶体管(FET)放大器，第一偏置控制电压可以是门控电压。类似地，如果功率放大器244是FET放大器，第二偏置控制电压可以是门控电压。如果使用双极器件，偏置控制电压可以是例如基极发射极电压。

如图4中所述的那样，可对PA LEF系统702增加可选的特征。例如，在输出266处可放置隔离器。另外，可增加预失真。最后，可在输出处放置信号质量检测器以恒定地监测输出信号来维持预定的峰值对平均值比。

优选实施例的前面描述被提供来使熟悉本领域的技术人员使用该用于启动扩展频谱无线电话接收机的方法或制造其装置。对熟悉本领域的技术人员而言很明显可以对这些实施例进行各种修改，并且这里限定的一般原理可被应用于其它实施例。

例如，AM包络可源自在蜂窝无线电话系统中使用的调制方案，这些系统可选自由时分多址(TDMA)系统、码分多址(CDMA)系统以及组合TDMA CDMA的系统组成的一组。另外，PA LEF系统可被用在任何无线发射系统中，该系统具有线性放大是必须的或者在载波信号上产生AM包络的调制方案。

另外，无线电话可以实质上在单一的期望平均功率上发射。在那种情况下，负载控制信号响应于AM包络的至少顶部部分。负载控制信号不响应于期望的平均功率电平中的变化。

PA LEF系统对高效放大系统提供RF信号。PA LEF系统提供低成本高效率的方法和系统，以用于放大具有AM包络的调制信号。在无线电话中的使用与现有技术相比以低成本提供了明显的电流节省。随将来的无线电话的复杂性提高，在无线电话中使用的PA LEF系统将提供比传统无线电话更明显的性能优点。

Claims (12)

1.一种负载包络跟随放大器系统，包括：

具有输入和输出的信号放大器，输入用于接收具有调幅包络的输入信号，该信号放大器用于产生输入信号的放大信号；

耦合于所述信号放大器的输出的可变阻抗网络，可变阻抗网络用于响应于包络跟随负载控制信号把不同的阻抗提供给所述信号放大器的输出；及

耦合于可变阻抗网络的包络跟随映射电路，用于响应于改变输入信号的调幅包络的幅度来产生包络跟随负载控制信号。

2.如权利要求1所述的负载包络跟随放大器系统，其中，包络跟随负载控制信号使得可变阻抗网络以离散步长改变提供给信号放大器的输出端的阻抗。

3.如权利要求1所述的负载包络跟随放大器系统，还包括耦合于包络跟随映射电路的用于产生期望的平均功率电平信号的控制电路，其中，所述包络跟随映射电路响应于改变调幅包络的幅度和期望的平均功率电平信号来产生包络跟随负载控制信号。

4.如权利要求3所述的负载包络跟随放大器系统，其中，所述调幅包络源自在蜂窝电话系统中使用的调制方案，该蜂窝电话系统是从由时分多址系统、码分多址系统以及组合时分多址、码分多址系统组成的一组中选出的。

5.如权利要求3所述的负载包络跟随放大器系统，其中，可变阻抗网络包括可变元件，该可变元件从变容二极管、电压可变电容器以及交替耦合和不耦合于信号放大器的输出的多个电容器构成的一组中选择，其中耦合是利用PIN二极管或微电机械开关之一而完成。

6.如权利要求3所述的负载包络跟随放大器系统，还包括：

耦合于信号放大器的输入的发射电路，发射电路用于在把输入信号加载到信号放大器之前放大和调制输入信号；及

耦合于包络跟随映射电路和发射电路的失真控制电路，失真控制电路用于产生失真控制信号并把失真控制信号耦合于发射电路，

其中，失真控制信号使得发射电路在把输入信号加载到信号放大器之前把预失真施加于输入信号上。

7.如权利要求3所述的负载包络跟随放大器系统，其用于发射机中，还包括：

用于把用户输入信息转换为输入信号的数字处理电路；

把数字处理电路耦合到信号放大器的输入的发射电路，发射电路用于在把输入信号加载到信号放大器之前放大和调制输入信号；及

耦合于数字处理电路、发射电路和包络跟随映射电路中的任何一个的失真控制电路，用于使数字处理电路、发射电路和包络跟随映射电路中的任何一个在把输入信号加载到信号放大器之前把预失真引入于输入信号上。

8.如权利要求3所述的负载包络跟随放大器系统，还包括耦合于信号放大器的输出的并耦合于包络跟随映射电路的信号质量检测器，信号质量检测器用于监测输入信号的放大信号的峰值对平均值比并产生峰值对平均值比指示，其中，包络跟随映射电路响应于峰值对平均值比的指示产生负载控制信号，从而使得可变阻抗网络把不同的阻抗提供给信号放大器的输出，这使信号放大器产生具有恒定的预定峰值对平均值比的输入信号的放大信号。

9.如权利要求3所述的负载包络跟随放大器系统，还包括耦合于信号放大器的输出的并耦合于包络跟随映射电路的信号质量检测器，信号质量检测器用于监测输入信号的放大信号的相邻信道功率并产生相邻信道功率指示，其中，所述包络跟随映射电路响应于相邻信道功率指示产生包络跟随负载控制信号，从而使得可变阻抗网络把不同的阻抗提供给信号放大器的输出。

10.一种用于发射调制的信息信号的射频发射机，射频发射机包括：

把用户输入信息转换为输入信号的控制块；

耦合于控制块的发射机电路，用于处理输入信号来形成具有调幅包络的调制的输入信号；及

耦合于发射机电路的负载包络跟随放大器系统，负载包络跟随放大器系统包括：

功率放大器，其被耦合以接收调制的输入信号以在功率放大器的输出处产生放大的信号，

可变阻抗网络，其被耦合以接收放大的信号和包络跟随负载控制信号，该包络跟随负载控制信号使可变阻抗网络把不同的阻抗提供给功率放大器的输出，及

耦合于可变阻抗网络、控制电路和发射机电路的包络跟随映射电路，该包络跟随映射电路响应于调幅包络的幅度变化来产生包络跟随负载控制信号。

11.一种用于发射调制的信息信号的方法，该方法包括：

接收具有调幅包络的输入信号；

响应于所述调幅包络的幅度改变，产生包络跟随负载控制信号；

响应所述包络跟随负载控制信号，改变在功率放大器的输出处的负载阻抗；和

用所述功率放大器放大具有调幅包络的所述输入信号。

12.根据权利要求11的用于发射调制的信息信号的方法，还包括：在所述输入信号上施加预失真，以补偿在放大所述输入信号和改变所述负载阻抗任意之一期间在所述输入信号上施加的失真。

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