CN1282141A - 具有负载控制以产生幅度包络的放大器系统 - Google Patents

Abstract

一种放大器系统用于提高使用线性调制方案的放大系统的效率。该放大器系统有信号放大器来接收恒定的幅度输入信号并且产生该输入信号的放大信号。可变阻抗网络响应负载控制信号来给信号放大器的输出提供不同的阻抗。耦合到可变阻抗网络上的包络映射电路响应期望的调幅(AM)包络产生负载控制信号。不同的阻抗使期望的AM包络被外加到输入信号的放大的信号上。

Description

具有负载控制以产生幅度包络的放大器系统

本申请与下述未获授权的美国专利申请相关：申请号：___(CS10069)由Alberth等提交，名称是“负载包络跟随放大器系统”，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”。

本发明涉及一种高效率的功率放大器系统。特别是，本发明涉及一种带有线性调制方案中的有效放大的负载控制的放大器系统。

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。

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中的发射机的放大器系统的实施例的框图；

图5显示了通过图4的放大器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的放大器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的第一实施例；

图8显示了可变阻抗网络的第二个实施例；

图9是一个使用于与图4的放大器系统连接的信号质量检测器的实施例；

图10是一个放大器系统的可选实施例的框图；

图11是另一个放大器系统的可选实施例的框图。

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使用放大器系统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，放大器系统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，第一数一模(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包含与这里是限幅放大器109的幅度限制元件耦合的同相和正交相位(IQ)调制器108。限幅放大器109是与这里是可变增益放大器(VGA)110的可变增益元件耦合的。附加的放大级可以在VGA110之前或之后插入。

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，限幅放大器109，和VGA 110也是常规设计的。

放大器系统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。

射频调制信号被加载到限幅放大器109。限幅放大器109从射频调制信号中去掉AM包络以提供给VGA110一限幅信号。

另外，幅度限幅信号可以通过在限幅放大器109前的电路产生从而可以不要限幅放大器109。例如，I和Q信号可以在加载到IQ调制器108之前被修改，从而IQ调制器108可以如现有技术那样产生恒定的包络信号。用于限幅信号幅度的电路模块与放大器系统90的组合可以被称为功率放大器包络消除和恢复(PA LEER)系统。

此外，IQ调制器108的另一个可选实施例只是除去部分的AM包络以产生部分限幅信号。这降低了可变阻抗网络120的动态范围。

而且，平均发射功率控制电路(未显示)被耦合到控制块70(图3)，发射机电路，和放大器系统90(图4)上。该平均发射功率控制电路是象现有技术中那样用于产生一自动输出控制(AOC)信号。在所示实施例中，控制块70包含平均发射功率控制电路。VGA 110在VGA控制输入111接收AOC信号来设置VGA 110的增益。通过改变VGA 110的增益，无线电话62可以改变它的平均发射输出功率(还有限幅信号的平均幅度)。

VGA 110可以是一个多级的可变增益放大器，从而使增益级能够被改变。多个可变增益放大级还可以沿着发送路径的不同部分分布。更进一步，至少一些必要的可变增益可以通过可变衰减器的使用获得而不是象现有技术那样使用可变增益放大器来实现。

响应于进行接收信号强度测量(例如，开环功率控制)的无线电话62，控制块70可以产生AOC信号。远程收发信机60还可以发送给无线电话62功率控制指令(例如IS-95 CDMA闭环功率控制)，而且控制块70产生至少是部分地响应远程收发信机60功率控制指令的AOC信号。另外，控制块70可以使用开环和闭环功率控制的组合产生AOC信号。

由VGA 110产生的射频信号为了信号放大而耦合到缓冲放大器(未显示)上。放大器增加通过射频路径的最大增益以使最大的必要的输出功率在必要时是可以获得的。这个缓冲信号仍然是一限幅信号。

缓冲信号被作为功率放大器输入信号耦合到功率放大器118上。功率放大器118在功率放大器输出端124上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(未显示)是实质上恒定的，因为功率放大器的供电电压并不响应于AM包络而故意改变。因此，功率放大器118被偏置以提供放大上述限幅信号的最大的效率。

对应于加载到功率放大器118的实质上恒定的偏置，可变阻抗网络120给功率放大器输出端124提供可变负载阻抗。通过改变出现在功率放大器输出端124上的阻抗，功率放大器的输出功率是可以改变的。这是因为可以使功率放大器的输出功率与出现在功率放大器的输出端的负载阻抗相反地改变。

由负载阻抗引起的功率放大器的输出功率改变的例子在美国专利5，276，912中被披露。虽然专利5，276，912是集中在实数负载阻抗而不是复数负载阻抗，但是如果为了不同的功率电平，选择适当的负载相位的话，则可以保持高效率。

因此，功率放大器118可以为了放大限幅信号在饱和状态下运转，从而最大化功率放大器的效率。通过连续地改变出现在功率放大器输出端124的负载阻抗，AM包络可以被恢复成出现在功率放大器输出端124的信号。

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P_AVG，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188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VGA 110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1分贝在从-50毫瓦分贝到+24毫瓦分贝的范围内变化。这个动态范围是至少部分地通过VGA 110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-40分贝到5．6分贝变化的AM包络，并且0分贝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24毫瓦分贝，调制包络的幅度从-16毫瓦分贝到29．6毫瓦分贝变化。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24毫瓦分贝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-50毫瓦分贝，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-90毫瓦分贝到-44．4毫瓦分贝的范围内变化的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，该包络匹配电路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。

因此，普遍地，控制电路，这里是控制块70(图3)，将用户输入信息转换成为数据流并且产生表示期望调幅(AM)包络的信号。耦合到该控制块70(图3)的发射机电路(例如图4的基带电路92和射频电路94)处理该数据流以形成恒定的包络相位调制(PM)信号。该放大器系统90被耦合到该发射机电路上。该负载控制信号使可变阻抗网络120连续地提供给功率放大器输出端124不同的阻抗。该包络映射电路116响应表示期望AM包络的信号的响应产生负载控制信号。对于给定的调制方案，当按照调制方案，用户输入信息调制载波信号时，用户输入信息将具有相关的AM包络。该不同的阻抗使得期望AM包络在输出端122外加到恒定的包络PM信号上。

图4显示了可选的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。

另外，发送用户输入信息的方法包含将这个用户输入信息转换成为一输入信号，调制带有该输入信号的载波信号以形成带有一调幅(AM)包络的调制信号，限幅该调制信号的幅度以产生一限幅信号，利用功率放大器放大该幅度限幅信号，并且实质上与AM包络协调地连续地在该功率放大器的输出端上改变负载阻抗以便在该限幅信号上恢复该AM包络。

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124不同的阻抗以便最大化功率放大器的效率并且恢复AM包络。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(例如功率放大器118)之前放大，调制，和限幅输入信号。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。

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。

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。

改变出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显示了在可变阻抗网络120(图4)的输出端产生的射频调制信号150。输入到功率放大器118(图4)的输入信号是具有实质上恒定幅度的信号，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)来同时恢复AM包络并对每一个沿着AM包络的偏移(excursion)都最大化功率放大器的效率。

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(例如在恢复的AM包络上的三个瞬时的偏移)。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，输出功率可以是不同的以便恢复AM包络，并且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。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是与放大器系统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-平均值比例在实质上等于预定值为止。

在一个可选实施例中，限幅放大器109(图4)只是去除调制信号的部分AM包络以形成处理信号。这可以被用来减少完全地恢复AM包络所必要的在功率放大器输出端124上的阻抗的范围。

因此，该限幅放大器109并非完全地去掉该调制信号的AM包络。例如，限幅放大器109除去AM包络的顶部的8分贝。该可变阻抗网络120然后连续地提供不同的阻抗给该功率放大器的输出端以恢复该AM包络。

许多的高频幅度信息是被包含在AM包络的谷底(例如最小值)156(图5)。通过使用放大器系统242系统以增加仅仅AM包络的一部分，负载控制信号的频带宽度就可以大大的降低。另外，通过使用放大器系统242系统以仅仅增加AM的顶部8分贝，就可以在较高的输出功率上改良功率放大器的性能，在较高的输出功率上功率放大器消耗了大多数的电流。

图4说明VGA 110可选地通过线路135被包络映射电路116控制。功率放大器有有限数量的射频增益以便使与可变阻抗网络120的组合可能没有足够的动态范围用来充分地在出现在输出端122的信号上外加AM包络。因此，VGA 110的增益能被用来调整以与期望的AM包络协调，以便在出现在输出端122上的信号上外加至少一部分的AM包络。

图10显示了一个合并了一可选实施例的放大器系统242的发射机700的部分的框图。该发射机700包括耦合到放大器系统242上的发射机电路240。

发射机电路240包括耦合到可变增益元件上的相位调制器244，这里的可变增益元件是可变增益放大器(VGA)246。放大器系统242包括耦合到可变阻抗网络250上的功率放大器248，和耦合到可变阻抗网络250上的包络映射电路252。

无线电话62(图3)的控制块70产生承载将要被发射的信息信号的期望的相位信息的相位信号。因此，控制块70包含相位变换电路用以接收用户输入信息并且映射为恒定的包络相位信号。该映射功能可以在软件中通过算法执行，作为一查阅表，或者作为一个硬件和软件的组合，就象现有技术所知的那样。

相位信号被在线路254上加载到相位调制器244。相位调制器接下来产生一个恒定的包络相位调制(PM)信号。实现相位调制器244的许多方法在现有技术中是已知的。例如，一个方法是使用跟随有缓冲放大器(未显示)的频率调制(FM)压控振荡器(VCO)(未显示)来提供适当的功率电平用以驱动功率放大器248。该VCO能直接地产生射频发送信号，或者可将附加的上变换混频器(S)合并入发射机电路240以将中频(IF)信号上转换成为射频。恒定的包络PM信号被加载到VGA246。

VGA246提供初步的信号放大并且提供功率控制。控制块70(图3)产生AOC信号，将AOC信号提供给VGA控制输入256。VGA响应于AOC信号调整它的增益。

恒定的包络PM信号接下来被加载到功率放大器248作为输入信号。功率放大器248放大输入信号以成为最终的发射功率电平来产生放大信号。可变阻抗网络250被耦合以接收放大信号和负载控制信号。在总线266上的负载控制信号使可变阻抗网络250连续地提供给功率放大器输出端249以不同的阻抗。负载控制按照如下所述执行。

期望平均发射功率的指示是通过功率电平输入端262被加载到包络映射电路252，工作模式的指示是通过模式输入端260被加载到包络映射电路。另外，表示用户输入信息的信号通过总线258被加载到包络映射电路252。所有的三个指示信号都可以通过控制块70(图3)产生。

包络映射电路252在总线266上产生负载控制信号，该信号是期望平均发射功率的指示，工作模式，和表示用户输入信息的信号的函数。负载控制信号能通过算法或者是软件中的查阅表以ASIC的方式产生，或者是使用硬件和软件的组合。

功率放大器248的输入信号的幅度是恒定的包络信号，并且因为功率放大器248和可变阻抗网络250的组合而使得幅度不同。一AM包络被外加到在输出端264上出现的输出信号上。因此，现有技术的EER系统是通过改变功率放大器供电电压或偏压将AM外加到功率放大器的输出端上，这里则是通过连续地改变出现在功率放大器输出端249上的负载阻抗来将AM外加到PM信号上的。

通过持续选择适当的负载，不同的幅度函数就能够被外加到在输出端264的输出信号上。通过在功率放大器248放大之后增加调幅，功率放大器可以在更有效率的模式下运转。没有放大器系统242而且执行线性调制的时候，功率放大器在A类或者AB类下运行以使得输入信号具有被忠实再现在功率放大器输出端的AM包络(例如功率放大器在线性模式下运转)。这并不是功率放大器的最有效的工作模式。使用放大器系统，恒定的包络信号被加载到功率放大器作为输入信号，功率放大器就没有必要提供线性放大了。因此，功率放大器可以在一个更有效的模式，比如C类下运行。

因此，通常，控制电路，这里是控制块70(图3)，将用户输入信息转换成为数据流并且产生表示期望调幅(AM)包络的信号。耦合到控制块70(图3)上的发射机电路240处理数据流以便形成恒定的包络相位调制(PM)信号。放大器系统242被耦合到发射机电路240。负载控制信号使可变阻抗网络250连续地给功率放大器输出端249提供不同的阻抗，包络映射电路252响应表示期望AM包络的信号产生负载控制信号。不同的阻抗使期望AM包络在输出端264被外加到恒定的包络PM信号上。

正如图4所示，可选特性可以被加到发射机700和放大器系统242上。例如，隔离器可以设置在输出端264。另外，预失真能够被增加。最后，信号质量检测器可以设置在输出端264，以不断地监视输出信号用来维持预定的峰值对平均值比。

图11显示了另一个放大器系统242的可选实施例系统800。放大器系统242的系统800包含耦合到可变阻抗网络352上的功率放大器350，还有耦合到可变阻抗网络352并且通过电压控制电路354耦合到功率放大器350的供电端口351的包络映射与控制电路。

控制块70(图3)将用户输入信息转换成为一输入信号并且产生期望平均发射功率的指示。发射机电路(例如图4的基带电路92和射频电路94或图10的发射机电路240)将输入信号处理以形成实质上恒定的包络信号。功率放大器350接收实质上恒定的包络信号并且在功率放大器输出端366上产生放大信号。可变阻抗网络352被耦合以接收出现在总线355上的放大信号和负载控制信号。负载控制信号使可变阻抗网络352连续地给功率放大器输出端366提供不同的阻抗。

包络映射与控制电路356接收在输入端358的期望平均发射功率的指示，在输入端360的模式指示，在输入端361的用户输入信息的表示，从而在总线355上产生负载控制信号。负载控制信号本质上是映射到与选择的调制方案相关的AM包络上的用户输入信息。

包络映射与控制电路356还在线路353上产生供电电压控制信号，这个信号是直接与平均发射功率的指示相关的。电压控制电路354接收供电电压控制信号并且产生一个与供电电压控制信号直接相关的供电电压。供线电压被加载到功率放大器350的供给端口351。

在许多应用中，发射输出功率是在可用的发送功率电平中的较低电平中的。例如，在IS-95 CDMA蜂窝电话系统中，发射功率范围是大约从+24毫瓦分贝到-50毫瓦分贝。便携式无线电话在低的功率电平上比在更高功率电平上从统计的角度来说要花费更多的时间用来发射。

如果功率放大器的供电电压是在整个的发射功率范围上被保持实质上恒定的话，在功率放大器效率上的牺牲就将出现。降低功率放大器350的供电电压到较低的发射功率电平将增加系统的总效率。

因此，包络映射与控制电路356在供给控制线353响应在输入端358上的信号产生供电电压控制信号。功率放大器350的供电电压将随着期望平均发射功率电平的变化而产生变化。例如，当发射功率向着最大值的方向增加的时候，在供电端口351的供电电压也会向着它们的最大电压的方向增加。

电压控制电路354是如现有技术所知的线性调节器或开关调节器。由于改变功率放大器350的供电电压可以影响功率放大器350的增益，所以相位调整可以在工厂被执行以补偿和分解作为供电电压的函数的增益中的变化。

为了更多的效率改善，在功率放大器350的DC电流可以响应期望平均发射功率电平来调整。例如，当平均发射功率电平被降低的时候，功率放大器350所需求的电流也就更少了。因此，包络映射与控制电路356在线路363上产生一个直接正比于期望平均发射功率的偏置控制电压。偏置控制电压被加载到功率放大器350用来使功率放大器350的偏置电流与期望平均发射功率直接成正比例地变化。

如果功率放大器350是FET放大器，该偏置控制电压可以是控制极电压。如果双极器件被使用的话，偏置控制电压可以是，比如说，基极-发射极电压。

正如图4所示的那样，可选特性可以被增加到放大器系统242的系统702中。例如，隔离器可以被设置在输出端266上。另外，预失真可以被增加。最后，信号质量检测器可以被放置在输出端以不断地监视输出信号来维持预定峰值-平均值比例。

提供前面关于优选实施例的说明，以使本领域的任何熟练技术人员在扩频无线电话接收机的领域使用这种方法或制造上述装置。对于这些实施例的不同修改对于本领域的普通技术人员来说是很容易和明显的，而这里定义使用的一般原理的其它具体的应用也是不需要付出任何创造性的劳动的。例如，AM包络可以由调制方案所决定，该调制方案用于从包括时分多址(TDMA)系统，码分多址(CDMA)系统，还有TDMA-CDMA系统组合的组中选择的系统。另外，放大器系统242可被用于任何带有需要线性放大的或者在载波信号上产生AM包络的调制方案的无线电传输系统。

放大器系统242提供了一个RF信号的有效放大系统。放大器系统242提供了一个节约成本的方法并且提供了一个放大带有AM包络的调制信号的系统。在无线电话中的使用提供了与现有技术相比成本更低的显著节省电流的方法。随着未来一代的无线电话的不断增加的复杂性，使用于无线电话的放大器系统242系统将提供一个超过传统无线电话的显著的性能优势。

Claims (11)

1．一种放大器系统，包括：

带有输入和输出的信号放大器，输入用于接收实质上恒定的包络输入信号；

耦合到信号放大器的输出上的可变阻抗网络，该可变阻抗网络用于响应负载控制信号给信号放大器的输出提供不同阻抗，从而将期望的调幅(AM)包络外加到实质上恒定的包络输入信号上来产生带有AM包络的输出信号；以及

耦合到可变阻抗网络上的包络映射电路，该包络映射电路用于响应期望的AM包络产生负载控制信号。

2．如权利要求1所述的放大器系统，其特征在于，所述期望的AM包络包含由用户输入信息而产生的调制。

3．如权利要求2所述的放大器系统，其特征在于：所述的包络映射电路接收期望的平均功率电平的指示并且响应期望的AM包络的指示和期望的平均功率电平的指示产生负载控制信号。

4．如权利要求1所述的放大器系统，还包括：

耦合到信号放大器的输入上的发射电路，该发射电路用于放大并且调制输入信号以产生实质上恒定的包络输入信号；和

耦合到包络映射电路与发射电路上的失真控制电路，该失真控制电路用于产生失真控制信号并且将失真控制信号耦合到发射电路，其特征在于失真控制信号使发射电路在将实质上恒定的包络输入信号加载到该信号放大器之前将预失真外加到实质上恒定的包络输入信号上。

5．如权利要求1所述的放大器系统，还进一步包括：耦合到信号放大器的输出上和包络映射电路上的信号质量检测器，该信号质量检测器用于监视输出信号的峰值-平均值比并且产生该峰值对平均值比的指示，其特征在于包络映射电路响应该峰值对平均值比的指示产生负载控制信号，藉此使可变阻抗网络给信号放大器的输出提供不同的阻抗，从而使信号放大器产生带有实质上恒定的预定的峰值对平均值比的输出信号。

6．如权利要求1所述的放大器系统，进一步包括：耦合到信号放大器的输出上和包络映射电路上的信号质量检测器，该信号质量检测器用于监视输出信号的相邻频道功率(ACP)并且产生ACP的指示，其特征在于包络映射电路响应ACP的指示产生负载控制信号，藉此使可变阻抗网络来给信号放大器的输出提供不同的阻抗从而使信号放大器来产生比ACP的预定电平更低的电平。

7．一种用于发射调制信息信号的发射机，包括：

将用户输入信息转换成为数据流并且产生表示期望的调幅(AM)包络的信号的控制电路；

耦合到控制电路上的发射机电路，用于处理该数据流以便形成恒定的包络相位调制(PM)信号；

耦合到发射机电路上的放大器系统，该放大器系统包括：

耦合用来接收恒定的包络PM信号的功率放大器，

耦合到功率放大器的输出的用来接收负载控制信号的可变阻抗网络，

该负载控制信号使可变阻抗网络产生不同的阻抗到功率放大器的输出，以及

耦合到可变阻抗网络和控制电路的包络映射电路，该包络映射电路用于响应表示期望的AM包络的信号产生负载控制信号，

其特征在于不同的阻抗使期望的AM包络在可变阻抗网络的输出被外加到恒定的包络PM信号上。

8．如权利要求7所述的发射机，还进一步包括耦合到功率放大器的输入上的可变的增益元件，该可变的增益元件响应期望的平均输出功率的指示调整恒定的包络PM信号的幅度，控制电路产生期望的平均输出功率的指示，其特征在于该包络映射电路响应期望的平均输出功率指示产生负载控制信号。

9．如权利要求8所述的发射机，还进一步包括耦合到可变阻抗网络的输出的隔离装置，用来在可变阻抗网络的输出提供实质上恒定的阻抗。

10．一种发射用户输入信息的方法，包含：

将用户输入信息转换成为数据流；

产生实质上恒定的幅度信号；

通过功率放大器放大实质上恒定的幅度信号；

并且与期望的调幅(AM)包络实质上协调地改变在功率放大器的输出上的负载阻抗。

11．如权利要求10所述的方法，进一步包括响应期望的AM包络产生负载控制信号，其特征在于通过响应该负载控制信号来变化负载阻抗。

Images