CN1272979A - 控制移动通信终端的输出功率的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种控制移动通信终端中的输出功率电平的装置和方法。所述装置包括:一RSSI检测器,用于检测从一基站接收的信号的强度;和一控制器,该控制器具有用于存储相应于所接收信号的强度的偏置电压控制值和偏置电流控制值的一存储器,其中所述控制器响应于所检测信号的强度而读取相应的偏置电压控制值和偏置电流控制值,并将所读取的各值提供给所述功率放大器。

Description

控制移动通信终端的 输出功率的装置和方法

                         背景技术

                        1.发明领域

本发明一般涉及移动通信系统，特别涉及通过控制射频放大器的偏置电压/电流而使移动通信终端中的功率损耗最低的装置和方法。

                        2.相关技术的描述

在移动通信终端中，线性特性和功率损耗代表了设计功率放大器时的主要考虑因素。也就是说，功率放大器是考虑到在最大RF(Radio Frequency，射频)输出时的功效和线性度而设计的。AB类功率放大器(class AB poweramplifier)通常用于满足最大功效和线性度的双重要求。于是，确定每个放大级的相应阻抗匹配和偏置状态。然而，移动通信终端并不总是按最大输出驱动，并且其发送输出可按照到基站的距离及其速率而变化。距离基站越近，移动通信终端的发送功率越小。相比之下，如果移动通信终端距离基站更远，同时仍位于一小区半径之内，或者其速率增加，则发送接近于放大器最大输出的RF输出。

图1是说明施加固定偏置电压和电流以获得移动通信终端的最大输出的传统的功率放大器的方框图。

参照图1，放大器101和102按照各自具有固定值的输入偏置电压和偏置电流来放大输入RF信号。电源103将固定偏置电压提供给放大器101和102。电流控制器104将固定偏置电流提供给放大器101和102。

以上述方式构成的功率放大器通过固定偏置电压和偏置电流来工作。然而，这种功率放大器在其低功率输出电平时呈现明显降低的功率增大效率(power added efficiency，P.A.E.，即，功率放大器的AC输出功率减去AC输入功率与其DC功率的比率)，如图6的曲线图所指示的。虚线曲线表示偏置电压和偏置电流固定在规定值以获得最大RF输出时的P.A.E。该曲线图说明，由于通常在最大输出电平附近工作的AB类功率放大器在A类模式中随着输出电平降低而工作，因而会消耗不必要的DC功率。提出来以解决这个问题的一种方法是，利用串联或并联连接的开关放大器而在低输出电平和高输出电平时选择性地驱动功率放大器。

图2是说明其中各放大器并联连接的另一个传统的功率放大器的方框图。在图2中，并联连接的放大器按照所需的输出电平(即，高或低)进行切换。

参照图2，RSSI(Received Signal Strength Indication，接收信号强度指示器)检测器206检测从基站(未示出)接收的信号的强度并通知控制器205该检测信号强度。控制器205控制开关201和207，以按照RSSI检测器206的输出起动相应的放大器，并进一步控制电源208，以向起动的放大器提供电源。开关201和207在控制器205的控制下将输入RF信号切换到放大器202和203或者放大器204。电源208将固定电压提供给放大器202和203或者放大器204。非选择的放大器(即202，203或204)将其电压截止(cut off)。放大器202，203和204用于对输入RF信号进行对偶放大(pair amplify)。

在工作过程中，RSSI检测器206检测接收信号的强度。如果检测的信号强度大于规定电平，则控制器205控制开关201和207，以通过具有低输出电平的放大器204放大输入RF信号，并将放大的信号输出到一输出RF端RFout，同时将可变电源电压Va1设定为0伏。如果检测的信号强度小于规定电平，则控制器205控制开关201和207，以通过具有高输出电平的放大器202和203放大所述输入RF信号，并将放大的信号输出到所述输出RF端RFout，同时将可变电源电压Va2设定为0伏。也就是说，对于低输出电平，消耗低DC功率的放大器用于通过截止向对高DC电源来说必要的放大器提供的电源来抑制不必要的功率消耗。

对串联连接的放大器的切换方法类似于所述的并联切换方法，因而在此不再详细描述。简言之，对低输出电平来说，可通过切断提供给串联连接的放大器中的输出端放大器的偏置电压来减少DC功率耗散。这里，RF信号是在前端放大的，在输出端放大器切换，并旁路到输出RF端RFout。

上述的切换方法由于它们存在下列问题而不能提供完善的方案。首先，由于并联连接的附加放大器而导致成本提高且体积增大。此外，由于固定的偏置电压和电流而造成很难优化放大器的效率。第二，只要输出电平超过两个，则电路变得复杂。尽管现有技术的方案可在有限范围内提高效率，优化该效率仍然很难。

                       本发明的概述

因此，本发明的一个目的是提供一种用于通过按照需要的发送输出功率电平控制偏置电流和偏置电压来使移动通信终端的功耗最小的装置和方法。

为实现本发明的上述目的，一种控制通过天线发送由一功率放大器放大的RF信号并通过天线从一基站接收信号的移动通信终端中的输出功率电平的装置，所述装置包括：一RSSI检测器，用于检测从所述基站接收的信号的强度；和一控制器，具有用于存储相应于所接收信号的强度的偏置电压控制值和偏置电流控制值的一存储器，其中所述控制器响应于所检测信号的强度而读取该相应的偏置电压控制值和偏置电流控制值，并将所读取的各值作为控制信号提供给所述功率放大器。

在本发明的另一方面，提供了一种控制移动通信终端中的输出功率电平的方法，所述移动通信终端具有：一存储器，用于存储相应于所接收信号的强度的偏置电压控制值和偏置电流控制值；一功率放大器，用于放大一RF信号；和一天线，用于发送由功率放大器功率放大的RF信号，并从一基站接收信号。所述方法包括步骤：检测从所述基站接收的信号的强度；响应于所检测的信号强度而从所述存储器中读取相应的偏置电压控制值和偏置电流控制值；和将读取的偏置电压控制值和偏置电流控制值提供给所述功率放大器。

附图的简要说明

从下列结合附图的详细描述中，本发明的上述和其它目的、特征和优点将变得更加明显。附图中：

图1是说明施加了固定偏置电压和电流以获得移动通信终端的最大输出的传统的功率放大器结构的方框图；

图2是说明其中放大器并联连接的另一个传统的功率放大器结构的方框图；

图3是按照本发明的一个实施例的，用于连续控制偏置电压和偏置电流，以获得相对于输出电平的最大效率的一种功率控制装置的方框图；

图4是图3所示功率放大器的详细电路图；

图5是按照本发明为获得最大效率的作为发送功率电平的函数的偏置电压和偏置电流控制电压的曲线图；

图6是用于传统的固定偏置控制和按照本发明的可变偏置控制这两者的，作为发送功率输出电平的函数的功率增大效率(P.A.E.)的曲线图；

图7是用于传统的固定偏置控制和按照本发明的可变偏置控制这两者的，作为发送功率输出电平的函数的相邻信道功率衰减(adjacent channelpower rejection，ACPR)的曲线图；和

图8是说明按照本发明，利用可变偏置控制的作为发送功率输出电平的函数的功率增益的曲线图。

                   优选实施例的详细描述

下面将参照附图描述本发明的优选实施例。在下面的描述中，没有详细描述公知的结构或功能，以免影响本发明。

一般来讲，当放大器按照所需输出功率电平串联或并联连接而用于切换输出时，很难构造用于控制功率超过两个电平值的一电路。实际上，仅在少数功率电平值时可节约耗散功率。换言之，如果效率提高的输出功率电平以某种方式被限制或制约，不能优化功耗效率。

如果有可能在沿着输出功率电平变化的所有区域的连续线性范围内改变最小DC偏置功率，则DC功率的消耗可以最小化。为做到这一点，应当准确了解功率放大器的特性，并且应当考虑适当的控制。

为满足上述要求，即，如果偏置电压和偏置电流可改变为达到最大效率时的电压和电流，则不需要切换就可以优化功耗效率。一般来讲，晶体管的S参数对偏置状态的变化不敏感。这就意味着在改变后偏置状态下的最大输出和为了线性化的匹配阻抗不会急剧改变。本发明致力于根据接收的信号电平而使DC功率最小化的控制方法。本发明提供了一种按照所需的发送器输出功率电平而控制提供给功率放大器的偏置电压和偏置电流的方法。

按照本发明的图3所示的控制器304包括一存储器，用于存储使功率放大器302和303的DC功耗最小化所需的值。也就是说，该存储器存储一自动增益控制(automatic gain control，AGC)放大器的偏置电压控制值、偏置电流控制值和AGC值，以响应于接收信号的强度而获得具有最优输出功率电平的发送信号。所述偏置电压控制值、偏置电流控制值和AGC值是由经验确定的，并且它们可由图5的曲线所指示的电压值来表示。

参照图3，该图示出了用于在移动通信终端中按照所需的发送器输出功率电平连续控制偏置电压和偏置电流，以获得最大功效的功率控制装置。

在图3的功率控制装置中，天线(未示出)接收从基站发送的信号或者将功率放大的RF信号(即发送信号)发送到基站。RSSI检测器305检测从基站接收的信号的强度，并将检测信号强度通知给控制器304。控制器304按照由RSSI检测器305通知的信号强度来读取其内部存储器中存储的偏置电压控制值、偏置电流控制值和AGC值，并将这些值提供给相应单元。所述偏置电压控制值和偏置电流控制值用于控制由功率放大器302和303所需求的偏置电压和偏置电流。即可以说，最后输出级的功率电平(RFout)是由所述偏置电压控制值和偏置电流控制值所控制的功率放大器302和303的功率增益，以及由所述自动增益控制值所控制的AGC放大器307的功率增益来确定的。相应地，所述偏置电压控制值和偏置电流控制值用作一用于控制功率放大器302和303所需的最优偏置电压和偏置电流的控制值。此外，所述AGC值是用于控制AGC放大器307的功率增益的控制值，用于获得在最后输出级(RFout)所需的功率电平。此时，应当根据随偏置电压控制值和偏置电流控制值而变化的功率放大器302和303的功率增益来确定AGC值。为以电压值形式使用所述控制值，控制器304应当包括用于内部或独立地产生所述电压值的结构。控制器304可包括在移动台调制解调器(MSM)中或使用附加的ASIC电路。可变电源301是由从控制器304提供的偏置电压控制值来控制的，并将偏置电压提供给放大器302和303，以使它们的功效最大。AGC放大器307是由从控制器304提供的AGC值来控制的，并且控制输入IF(Intermediate Frequency，中频)信号的增益。本机振荡器308产生要提供给频率转换器309的载波。频率转换器309将AGC放大器307的输出乘以从本机振荡器308输出的载波，以输出上变换的RF信号。驱动放大器310放大从频率转换器309输出的RF信号。功率放大器302和303按照从可变电源301输出的偏置电压和由从控制器304输出的偏置电流控制值确定的偏置电流，来放大从驱动放大器310输出的RF信号，从而输出具有想要的输出功率电平的发送信号(即RF输出信号)。上述操作是可行的，因为功率放大器302和303的偏置电压和偏置电流是由存储在控制器304的存储器中的经验的偏置电压控制值和偏置电流控制值来控制的。通过偏置电流控制值来控制偏置电流的技术是本领域技术人员所熟知的，因而不再给出进一步的描述。

因此，按照本发明的功率控制装置通过相应于所检测的接收信号强度的偏置电压控制值和偏置电流控制值来优化功率放大器302和303的功效，并通过相应于所检测的接收信号强度的AGC值来控制AGC放大器307的增益。

图4示出了功率放大器302和303的详细结构。

参照图4，输入RF端RFin经彼此串联连接的电容C1和输入端匹配电路401连接到第一晶体管TR1的基极。电容C1耦合到一输入信号，并且输入端匹配电路401匹配输入端RFin和第一晶体管TR1之间的阻抗。偏置电流控制电压Vbias_cntl端经彼此串联连接的电感L1和电阻R1连接到第一晶体管TR1的基极。电容C2连接于所述偏置电流控制电压Vbias_cntl端和地之间。电容C2用于消除功率噪声。电感L1是一RF扼流圈元件，并且电阻R1是限流元件。用于提供偏置电压Vc的控制电压端经电感L2连接到第一晶体管TR1的集电极。电容C3连接于所述偏置电压控制电压端和地之间。电容C3用于消除功率噪声。电感L2是一RF扼流圈元件。第一晶体管TR1的发射极连接到地，并且其集电极经彼此串联连接的电容C4和中间端匹配电路402连接到第二晶体管TR2的基极。电容C4用于耦合第一晶体管TR1的输出信号，并且中间端匹配电路402用于在第一晶体管TR1的输出端和第二晶体管TR2的输入端之间进行阻抗匹配。一偏置电流控制电压Vbias_cntl端经彼此串联连接的电感L4和电阻R2连接到第二晶体管TR2的基极。电容C5连接于所述偏置电流控制电压Vbias_cntl端和地之间。电容C5用于消除功率噪声。电感L5是一RF扼流圈元件，并且电阻R2是限流元件。偏置电压Vc在偏置控制电压端经电感L5加到第二晶体管TR2的集电极。电容C6连接于偏置电压控制端和地之间。电容C6用于消除功率噪声。电感L5是一RF扼流圈元件。第二晶体管TR2的发射极连接到地，并且其集电极经彼此串联连接的输出端匹配电路403和电容C7连接到输出RF端，即RFout。输出端匹配电路403用于在第二晶体管TR2和输出端RFout之间进行阻抗匹配。电容C7用于耦合输出端匹配电路403的输出信号。

在图4中，从可变电源301输出的偏置电压Vc提供给第一和第二晶体管TR1和TR2的每一个集电极(或者在使用FET的情况下连接到漏极)，偏置电流控制电压Vbias_cntl作为模拟信号从控制器304加到所述第一和第二晶体管TR1和TR2的每一个基极(或者在使用FET的情况下加到栅极)。然而，相应的偏置电压可在控制器304的控制下从可变电源301加到晶体管TR1和TR2的每一个基极(或栅极)，以提供偏置电流控制电压Vbias_cntl。

下面将参照图3和图4描述用于按照所需的发送输出功率电平连续控制偏置电压和偏置电流的功率控制装置的操作。

再参照图3，从基站发送的信号通过天线(未示出)加到RSSI检测器305。RSSI检测器305检测通过天线接收的信号的强度，并将所检测的信号强度提供给控制器304。然后，控制器304响应于所检测的信号强度而从其内部存储器中读取用于最大功效的偏置电压控制值和偏置电流控制值。

读取的偏置电压控制值加到可变电源301，以使从该可变电源301输出的偏置电压可加到功率放大器302和303的集电极(或漏极)。读取的偏置电流控制值加到功率放大器302和303的基极(或栅极)，以使该电流可由所述偏置电流控制值来控制。也就是说，控制器304将偏置电压控制值和偏置电流控制值分别提供给可变电源301和基极偏置控制端306，以使图5所示的偏置电压和偏置电流控制电压可提供给放大器302和303。偏置电压作为集电极(或漏极)电压控制信号从可变电源301直接提供给每一个晶体管TR1和TR2的集电极。偏置电流是通过按照加到基极(或栅极)的偏置电流控制值的电压而改变流入每一个晶体管的电流来控制的。

图5所示的偏置电压和偏置电流控制电压之间的对应关系及所需的发送器输出电平作为数据存储在控制器304的存储器中，或者编程为函数。也就是说，图5示出由RSSI检测器305检测的信号强度所需的发送信号(即输出RF信号)的发送功率电平Pout与用于获得最大效率的偏置电压控制值和偏置电流控制值之间的关系。偏置电压控制值和偏置电流控制值是通过经验确定的用于获得发送功率电平的最大效率所必需的控制值。因此，偏置电压控制值和偏置电流控制值是根据接收信号的强度通过经验来确定的，并且存储在控制器304的存储器中。

还需要进行用于补偿根据功率放大器302和303的控制而变化的增益的操作。为此，控制器304将相应控制电压(即AGC值)提供给AGC放大器307。AGC值也是根据所检测的信号强度从控制器304的存储器中读出的。

为按照所需的发送输出电平补偿功率放大器302和303的增益变化，有关AGC放大器控制电压的信息作为数据存储在控制器304的存储器中，或者考虑到图8所示的功率增益特性而被编程为函数。也就是说，为按照发送信号的功率电平获得最大效率，通过降低偏置电流和偏置电压而产生的功率放大器302和303的增益在AGC放大器307中被补偿。例如，如果发送信号的功率电平从20dBm改变到10dBm，则功率增益从20dBm到16dBm下降了4dBm，如图8所示。假定AGC放大器307的输入电平固定在-10dBm，并且频率转换器309的增益为0dBm，则AGC放大器307的增益应当在20dBm的输出电平处从10dBm下降4dBm。同时，用于控制AGC放大器307的AGC值存储在控制器304的存储器中。因此，用于控制AGC放大器307的AGC值是按照功率放大器302和303的输出电平来确定的，并且存储在控制器304的存储器中。

因此，AGC放大器307按照从控制器304提供的控制电压来控制输入IF信号的增益。频率转换器309将AGC放大器307的输出信号乘以从本机振荡器308提供的载波，以输出上变换的RF信号。驱动放大器310将上变换的RF信号放大到输入RF端即功率放大器302的RFin所需的电平。功率放大器302和303按照从可变电源301提供到集电极(或漏极)的偏置电压，和由从控制器304提供给基极(或栅极)的偏置电流控制值来控制的偏置电流，来将输入RF信号放大到所需的输出电平，并通过输出RF端RFout输出放大的信号。从输出RF端RFout输出的RF信号通过天线发送给基站。

图6和图7分别示出作为所需的发送功率输出电平的函数的功率增大效率(P.A.E.)曲线图和相邻信道功率衰减(ACPR；In-band channel power/adjacentchannel power，同带信道功率/相邻信道功率)曲线图。每个曲线图都示出了两条曲线，一条是传统的固定偏置控制曲线，而另一条是按照本发明的偏置控制曲线。

首先参照图6，与传统的固定偏置控制相比，当输出电平Pout小于0dBm时，本发明的可变偏置控制的功率增大效率(P.A.E.)提高了10倍；当输出电平Pout处于0dBm和10dBm之间时，功率增大效率(P.A.E.)提高了6-8倍；当输出电平Pout处于10dBm和20dBm之间时，功率增大效率(P.A.E.)提高了2-4倍。如图7所示，ACPR没有表现出很大的变化。

作为功率放大器32的输出电平的函数的功率增益示出在图8中。

参照图8，最小输出电平时的功率增益为4dB，而最大输出电平时的功率增益为23dB。如图所示，在最小和最大输出电平之间的电平处的增益与输出电平成比例地逐渐增加或减少。该增益特性与传统的呈现均匀增益的放大器不同。通过控制AGC放大器307的增益来补偿功率放大器的增益变化。也就是说，如果功率放大器的增益下降，控制器304按照输入IF信号来增加AGC放大器307的增益，以提高AGC放大器307的输出电平。放大的IF信号通过频率转换器309和驱动放大器310转换为具有所需输出电平的RF信号，并提供给功率放大器302的输入端RFin。

结果，由于按照功率放大器的输出电平来控制偏置电压和偏置电流，保持了功率放大器的线性度，并使DC功耗最小。本发明的功率控制装置最好在下列条件下工作。首先，要保持功率放大器的唯一线性特性(例如，ACPR，IMD3(3^th order Intermodulation Distortion，三阶互调失真))。第二，要避免偏置电流和偏置电压的突然变化。偏置电压和偏置电流是在电流控制信号Vbias cntl和驱动电压Vc按照输出电平线性变化以及偏置电流和偏置电压逐渐变化的范围内选择的，以便容易且可靠地按照输出电平控制电压和电流。如果在偏置电压和偏置电流中有突然变化，则功率放大器可导致处在过度偏置状态中的不正常工作。第三，当上述两个条件满足时，使P.A.E.最大。

从上面的描述中可以明显看出，由于移动通信终端中的功率放大器被控制得即使在低输出电平条件下也能使偏置电压和偏置电流保持线性度并且提高了效率，因而可节约电池的电能消耗，并且在不对电池充电的情况下可使用该终端的时间可以加长。

尽管上面已参照本发明的优选实施例图示并描述了本发明，但本领域普通技术人员应当理解，在不脱离由所附权利要求书所定义的本发明的构思和范围的情况下，可对本发明做出多种形式和细节上的改变。

Claims (12)

1.一种控制通过天线发送由一功率放大器放大的射频(RF)信号并通过所述天线从一基站接收信号的移动通信终端中的输出功率电平的装置，所述装置包括：

一接收信号强度指示(RSSI)检测器，用于检测从所述基站接收的信号的强度；和

一控制器，具有用于存储相应于所接收信号的强度的偏置电压控制值和偏置电流控制值的一存储器，其中所述控制器响应于所检测信号的强度而读取相应的偏置电压控制值和偏置电流控制值，并将所读取的各值提供给所述功率放大器。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述存储器存储相应于接收信号的强度的自动增益控制值，用于控制一自动增益控制放大器的增益。

3.如权利要求2所述的装置，还包括一可变电源，用于按照所读取的偏置电压控制值将可变偏置电压提供给所述功率放大器。

4.如权利要求3所述的装置，其中所述偏置电压控制值、偏置电流控制值和自动增益控制值是规定电平的电压值。

5.一种控制移动通信终端中的输出功率电平的装置，所述移动通信终端具有：一自动增益控制放大器，用于响应于自动增益控制值而放大一输入信号；一频率转换器，用于将由所述自动增益控制放大器放大的一信号转换为一射频(RF)信号；一功率放大器，用于放大从所述频率转换器接收的RF信号，以输出功率放大的发送信号；和一天线，用于发送所述功率放大的发送信号，并从一基站接收信号，所述装置包括：

一接收信号强度指示(RSSI)检测器，用于检测从所述基站接收的信号的强度；和

一控制器，具有用于存储相应于所接收信号的强度的自动增益控制值、偏置电压控制值和偏置电流控制值的一存储器，其中所述控制器响应于所检测信号的强度而读取相应的自动增益控制值、偏置电压控制值和偏置电流控制值，将所读取自动增益控制值提供给所述自动增益控制放大器，并将所读取的偏置电压控制值和偏置电流控制值提供给所述功率放大器。

6.如权利要求5所述的装置，还包括一可变电源，用于按照所读取的偏置电压控制值将可变偏置电压提供给所述功率放大器。

7.如权利要求6所述的装置，其中所述偏置电压控制值、偏置电流控制值和自动增益控制值是规定电平的电压值。

8.一种控制移动通信终端中的输出功率电平的方法，所述移动通信终端具有：一存储器，用于存储相应于所接收信号的强度的偏置电压控制值和偏置电流控制值；一功率放大器，用于放大一输入射频(RF)信号；和一天线，用于发送由所述功率放大器功率放大的RF信号，并从一基站接收信号，所述方法包括步骤：

检测从所述基站接收的信号的强度；

响应于所检测的信号强度而从所述存储器中读取相应的偏置电压控制值和偏置电流控制值；和

将读取的偏置电压控制值和偏置电流控制值提供给所述功率放大器。

9.如权利要求8所述的方法，还包括步骤：在所述存储器中存储相应于接收信号的强度的自动增益控制值；和响应于所检测的信号强度而读取相应的自动增益控制值，以将读取的自动增益控制值提供给自动增益控制放大器。

10.如权利要求9所述的方法，还包括步骤：按照所读取的偏置电压控制值将一可变偏置电压提供给所述功率放大器。

11.一种控制移动通信终端中的输出功率电平的方法，所述移动通信终端具有：一自动增益控制放大器，用于响应于自动增益控制值而放大一输入信号；一频率转换器，用于将由所述自动增益控制放大器放大的一信号转换为一射频(RF)信号；一功率放大器，用于放大从所述频率转换器接收的RF信号，以输出功率放大的发送信号；和一天线，用于发送所述功率放大的发送信号，并从一基站接收信号，所述方法包括步骤：

检测从所述基站接收的信号的强度；

响应于所检测的信号强度而从所述存储器中读取相应的偏置电压控制值、偏置电流控制值和自动增益控制值；

将读取的偏置电压控制值和偏置电流控制值提供给所述功率放大器；和

将读取的自动增益控制值提供给所述自动增益控制放大器。

12.如权利要求11所述的方法，还包括步骤：按照所读取的偏置电压控制值将一可变偏置电压提供给所述功率放大器。

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