CN1302616C - 通信系统以及包含这种通信系统的装置 - Google Patents

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Abstract

一种通信系统，它包括连接检测器以及连接偏置发生器的功率放大器。检测器包括受控放大装置，用于产生输出信号(Th_S)，所述信号(Th_S)指示输入信号的功率并具有可控偏置电平。偏置发生器包括电平敏感电流发生器，用于产生由输出信号(Th_S)控制的电流(Cc)。所述电平敏感电流发生器具有阈值电平，从而当输出(Th_S)信号低于阈值电平时，电流(Cc)基本上为零。否则，电流(Cc)由信号(Th_S)线性控制。偏置发生器还包括连接电平敏感电流发生器的适配器，其中包括电流控制的适配装置，用于产生控制信号(C_S)以控制放大器的特性，控制信号(C_S)具有与电流(Cc)的可控线性相关性。

Description

通信系统以及包含这种通信系统的装置
技术领域
本发明涉及一种通信系统，它包括功率放大器，用于对输入信号进行放大以及发送放大后的信号，所述通信系统还包括检测器和偏置发生器。本发明还涉及包含这种通信系统的装置。
背景技术
通信系统属于密切联系的世界中最常用的系统。通信系统的性能取决于其应用环境。在特高频应用中，这种通信系统的线性和效率之间存在折衷。此外，在无线应用中有一些采用调幅方案的标准，如EDGE、AMPS、UMTS。采用上述标准之一时，要求极好的线性和效率。通信系统最好是同时还具有来自外部源的尽可能低的功耗。
从EP-622895 A1中已知一种降低通信设备中功耗的方法。在这个文件中，提出一种包含功率放大器的通信设备。功率放大器的偏置电压由包含与连接加法器的栅偏置发生器相连的检测器的装置来产生，检测器还连接主控制器。检测器产生与功率放大器中的输入信号成比例的DC信号，DC信号又加到栅偏置发生器(GBG)。GBG还产生适合使功率放大器偏置的栅偏置电压。栅偏置电压提供给加法器的第一输入端。在加法器的第二输入端提供主控制器所产生的、指明主控制器是否发送信号的控制信号。当主控制器没有向功率放大器发送信号时，功率放大器没有被偏置；当主控制器向功率放大器发送信号时，功率放大器被偏置，其中考虑到GBG所产生的信号。这种先有技术的缺点在于：必需包括一个加法器，它采用主控制器产生的指明功率放大器是否具有输入信号的专用信号。它涉及到主控制器具有其中包含与加法器的额外连接的特殊结构。另一个缺点是通过检测器、GBG以及加法器传递时信号的附加延迟。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种通信系统以及包含这种通信系统的装置，其中仅使用功率放大器中的输入信号。
本发明提供了一种通信系统，包括：
-功率放大器，用于对输入信号(In_S)进行放大以及发送放大后的信号(O_S)，
-检测器，包括受控放大装置，用于产生输出信号(Th_S)，所述输出信号指示所述输入信号(In_S)的功率，所述输出信号(Th_S)具有可控偏置电平，
-偏置发生器，包括：
-电平敏感电流发生器，用于产生由所述输出信号(Th_S)控制的电流(Cc)，所述电平敏感电流发生器具有阈值电平(TL)，从而当所述信号(Th_S)低于所述阈值电平(TL)时，所述电流(Cc)为零，如果所述输出信号超过所述阈值电平，则所述电流(Cc)由所述输出信号(Th_S)线性控制，以及
-适配器，与所述电平敏感电流发生器(301)相连，包括电流控制的适配装置，用于产生控制信号(C_S)以控制所述放大器的特性，所述控制信号(C_S)具有与所述电流(Cc)的可控线性相关性。
偏置发生器包括电平敏感电流发生器(LSCG)，用于产生由输出信号控制的电流，所述信号的可控阈值电平可适应LSCG，所述LSCG具有一个阈值电平，当输出信号低于该阈值电平时，由输出信号控制的电流基本上为零，否则，所述电流由输出信号线性控制。
偏置发生器还包括连接LSCG的适配器，包括电流控制适配装置，用于产生控制信号以控制放大器的特性，控制信号具有与输出信号所控制的电流之间的可控线性相关性。
根据本发明的装置的优点在于：提供输入信号的发生器不需要适合于产生指明发生器是否发送信号的额外信号。检测器包括放大器装置，并在其输出端提供指示输入信号的功率的信号。分开的发生器控制放大器装置的输出端的偏置，以及输出信号具有可控偏置电平。偏置发生器包括电平敏感电流发生器(LSCG)，其特征在于，当它接收低于预定阈值电平的信号时，其输出电流基本上为零。否则，输出电流基本上随输入信号线性变化。偏置发生器还包括适配器，用于使偏置发生器所产生的电流适应功率放大器。适配器包括适配装置，用于产生控制信号，这个信号控制功率放大器，使得输出信号和输入电流之间的相关性可受到控制。
在一个最佳实施例中，检测器包括受控放大器装置，所述受控放大器装置还包括连接低通滤波器的放大器，用于以可控方式放大输入信号并发送输出信号。如果放大器装置的输出阻抗和LGSC的输入电容实现的滤波不足以滤除可能出现在LGSC输入端的信号或寄生信号的高频分量，则低通滤波器实现对放大装置的输出信号的高频分量的附加滤波。实际上，低通滤波确保LGSC输入端上基本上是直流(DC)信号。低通滤波器能够以各种方式实现，例如采用电感器和电容器、开关电容滤波器、连接电容器的传输线。在一个最佳实施例中，低通滤波器采用多个电阻器和电容器来实现。这种解决方案非常适合用于相对极高频率的通信系统。
在本发明的另一个实施例中，控制信号是信号向量。当功率放大器具有级联的多级、即前一级的输出信号为下一级的输入信号时，这个特征极为有用，其中所述各级由信号向量的一个分量来控制。
在本发明的一个实施例中，一种发射系统包括级联的如上所述的多个通信系统。在这种情况下，一个通信系统的输出信号输入到下一个通信系统和下一个检测器。
本发明的另一个目的是提供一种装置，包括：
-如上所述的通信系统，所述通信系统的一个输出端与所述装置(400)的一个输出端(Out_A)相连，用于发送具有第二相位和第二振幅的放大信号(O_S)，
-用于接收具有第一相位和第一振幅的输入信号(Input)的一个输入端(I_A)，
-极性指示器，它的第一接收输入端(P1)连接所述输入端(I_A)，第二接收输入端(P2)连接所述输出端(Out_A)，用于产生第二控制信号(C_Ph)，所述第二控制信号(C_Ph)指示所述第一相位和所述第二相位之间的相位差，以及
-可变增益放大器，具有用于接收所述输入信号(Input)的一个输入端(I4)，用于接收所述第二控制信号(C_Ph)的第一控制输入端(C2)，和一个输出端(O2)，用于向所述通信系统(1)的一个输入端提供一个信号，该信号表示在所述第二控制信号(C_Ph)的控制下对所述输入信号(Input)的放大。
本发明的另一个目的是提供一种装置，包括：
-如上所述的通信系统，所述通信系统(1)的一个输出端与所述装置的一个输出端(Out_A)相连，用于发送具有第二相位和第二功率的放大信号(O_S)，
-用于接收具有第一相位和第一功率的输入信号(Input)的一个输入端(I_A)，
-功率指示器，包括用于接收所述输入信号(I_A)的第三接收输入端(P4)、用于接收所述放大信号(P_S)的第四接收输入端(P5)，用于产生第三控制信号(C_P)，所述第三控制信号(C_P)与所述第一功率和部分所述第二功率之间的功率差基本上成比例，
可变增益放大器，具有用于接收所述输入信号(I_A)的一个输入端(I4)，和用于接收所述第三控制信号(C_P)的一个第三控制输入端(C3)，所述可变增益放大器向所述通信系统的一个输入端发送一个信号，该信号表示在所述第三控制信号(C_P)的控制下对所述输入信号(I_A)的放大。
当需要功率放大器的进一步改善的效率时，则采用上述功率指示器。功率指示器在其输出端提供指示输入信号的功率和功率放大器输出信号的部分功率之间的功率差的控制信号，改善了所述装置的效率。通过以下参照附图对本发明的示范实施例的说明，本发明的上述及其它特征和优点将会非常明显。
附图说明
图1说明根据本发明的一个实施例的通信系统1的框图，
图2详细说明检测器20和偏置发生器30，
图3表示检测器20和偏置发生器30的MOS型晶体管实施例，
图4说明检测器20和偏置发生器30的双极型晶体管实施例，
图5说明本发明的一个实施例中具有不同初始偏置电压的信号C_S和输入信号In_S之间的相关性，
图6说明本发明的一个最佳实施例中具有相同阈值电平但具有不同斜率的信号C_S和输入信号In_S之间的相关性，
图7说明本发明的一个最佳实施例中的装置400。
具体实施方式
图1说明根据本发明的通信系统1的框图。通信系统1包括功率放大器10，它具有第一输入端I1、第一输出端O1以及第一控制输入端C1。通信系统还包括连接偏置发生器30的检测器20。检测器具有第二输入端I2和第二输出端O2。第二输入端I2连接到第一输入端I1，用于接收输入信号In_S。检测器设计成在第二输出端O2提供指示输入信号In_S的功率的信号Th_S，信号Th_S具有可控偏置电平。偏置发生器(BG)30包括第三输入端I3和第三输出端O3，第三输入端连接到第二输出端O2，用于接收信号Th_S。第三输出端O3连接到第一控制输入端C1，设计成发送信号C_S以控制功率放大器10的偏置，偏置经过控制，使得当输入信号In_S的功率较高时，功率放大器10通过较高电压进行偏置，使其线性和效率处于较佳水平。当输入信号In_S的功率较低且控制信号C_S也较低时，功率放大器10没有被偏置，其功耗处于尽可能低的水平。
图2详细说明检测器20和偏置发生器30。检测器20包括连接第二输入端I2和第二输出端O2的受控放大装置201。检测器20还包括连接受控放大装置201的控制发生器202。控制发生器产生信号CG_S，它控制在第二输出端O2发送的信号Th_S的偏置电平。
偏置发生器30包括连接第三输入端I3的电平敏感电流发生器(LSCG)301，用于接收信号Th_S以及产生电流信号Cc。LSCG 301的特征在于，其输出电流Cc相对于从阈值电平开始的信号Th_S基本上是线性的。当输入信号Th_S的振幅低于阈值电平时，输出电流基本上为零。偏置发生器30还包括连接LSCG 301的适配器302，用于接收信号Cc。LSCG 301还连接第三输出端O3，用于产生控制信号C_S。适配器302包括用于产生功率放大器10的适当偏置信号的装置。例如，如果偏置信号为电压，则适配器包括可控电流电压变换器，用于产生功率放大器的适当偏置电压，从而当信号Th_S低于LSCG 301的阈值电平时，所述偏置电压基本上为零，功率放大器10所消耗的功率达到其最小值。否则，当信号Th_S大于LSCG 301的阈值电平时，适配器302产生的输出电压相对于信号Th_S基本上是线性的，且适合相对于输入信号In_S的功率来控制功率放大器10的线性和效率。以类似的方式，可采用对于本领域的技术人员较简易的适当实现的适配器302来产生控制电流。
图3表示检测器20和偏置发生器30的MOS型晶体管实施例。输入信号In_S和检测器20被考虑为差动的，但本领域的技术人员很容易导出单端输入信号In_S或/和单端检测器20的情况。检测器20包括受控放大装置，其中包括将晶体管T5和T6作为负载的一对晶体管T1和T2。输入信号In_S经过放大并转换成差动电流，并通过晶体管T5和T6进一步转换为差动电压。晶体管T5、T6被作为二极管连接，即，它们的漏极连接其栅极。可以看到，任何电流电压变换器均可用来代替晶体管T5和T6，包括例如简单的电阻器。差动晶体管对T1、T2通过采用DC电压发生器Vgg实现的控制发生器202进行偏置。电压发生器Vgg所产生的电压用作控制信号CG_S。电压CG_S还通过电阻器R施加到晶体管T1和T2的栅极，控制晶体管对T1、T2的偏置。晶体管T1和T2的漏极之间的差动输出信号首先通过采用电阻器R1、R2以及电容器C1所实现的低通滤波器进行滤波。这里应当指出，根据放大器的频域，低通滤波器或者可采用电感器和电容器、采用开关电容器来实现。此外，对于极高频率范围，晶体管T1和T2的输出阻抗以及晶体管T3的输入电容可能足以对晶体管T1和T2的漏极中得到的高频信号进行滤波。LSCG 301采用如任何CMOS晶体管一样都具有阈值电压电平的晶体管T3来实现。如果输入信号Th_S低于所述阈值电平，则通过晶体管的输出电流基本上为零。否则，晶体管T3的漏极中的电流指示输入信号Th_S的振幅。晶体管T3的漏极中的电流Cc由晶体管T7、电阻器R3以及电容器C2转换为电压，但也可采用任何电流电压变换器。晶体管T3的漏极中得到的控制信号C_S和信号Th_S之间的相关性基本上是线性的，由初始偏置电平、即阈值电平以及斜率来表征。图5中表示了具有不同初始偏置电压的控制信号C_S和输入信号Th_S之间的相关性。图6中表示了具有相同阈值电平但具有不同斜率的控制信号C_S和输入信号In_S之间的相关性。C_S与Th_S的这些相关性表示为关系式(1)和(2)。
C_S＝斜率*(Th_S-阈值)+初始偏置电压；若Th_S高于阈值(1)
C_S＝初始偏置电压；若Th_S低于阈值(2)
只要Th_S信号小于阈值，则C_S信号为初始偏置电压，如关系式(2)所示，否则关系式(1)成立。初始偏置电压由流经晶体管T3的初始DC电流来确定。所述DC电流又由Th_S信号来确定。初始偏置的大小还由适配器302来确定，并加到功率放大器10。这里应当指出，关系式(1)中涉及的一部分参数是可控制的，如下所述：
-斜率由晶体管T7和T8占用区域控制，
-初始偏置电压由电阻器R3和R4控制，
-阈值由控制发生器202控制。
图4中表示了检测器20和偏置发生器30的双极型晶体管实施例。应当看到，具有相同标号以及强调号(’)的晶体管具有与其MOS对等物相同的功能。还可以看到，检测器20和偏置发生器30的混合技术实现也是可行的，例如，检测器20可通过MOS技术来实现，偏置发生器30可通过双极型技术来实现，反之亦然。
如图3所示，偏置发生器30所产生的控制信号可以是具有多个分量、此处为两个分量Q1和Q2的输出向量C_S。当考虑具有多级的功率放大器时，这种类型的偏置发生器受到关注。考虑功率放大器是两级功率放大器，则分量Q1控制第一级的偏置，以及分量Q2控制第二级。还可以采用类似图4中产生具有一个分量的向量C_S的偏置发生器30。在这种情况下，包括多个受控级的放大器可通过级联通信系统(1)来实现。其中，各通信系统具有由检测器(20)和偏置发生器(30)的相应组合所控制的功率放大器。
在某些特定情况下，可能需要进一步改善功率放大器10的线性和/或效率。当阐明这些要求时，可采用图7所示的装置。图7中，通信系统1连接可变增益放大器(VGA)5。所述装置还包括用于接收具有第一相位和第一振幅的输入信号Input的输入端I_A以及用于发送具有第二相位和第二振幅的输出信号O_S的输出端Out_A。装置400还包括极性指示器4，它的第一输入端P1连接到输入端I_A，第二输入端P2连接到输出端Out_A。极性指示器4产生要通过第一输出端P3发送的第二控制信号C_Ph。第二控制信号C_Ph指示第一相位和第二相位之间的相位差。可变增益放大器VGA 5具有用于接收输入信号I_A的输入端I4、输出端O2以及第一控制输入端C2，输出端O2连接通信系统1的输入端，所述VGA 5设计成通过输出端O2发送信号，该信号表示在第二控制信号C_Ph的控制下对输入信号I_A的放大。在这些情况中，当采用极性指示器4时，装置400具有改善的线性。
需要改进效率时，装置400包括连接可变增益放大器(VGA)5的通信系统1。考虑输入信号Input的特征在于第一功率，以及输出信号O_S的特征在于第二功率。装置400还包括功率指示器6。所述功率指示器包括用于接收输入信号I_A的第三输入端P4以及用于接收输出信号O_S的第四输入端P5。功率指示器6通过第二输出端P6产生第三控制信号C_P。第三信号C_P与第一功率和第二功率之差成比例。VGA 5具有第三控制输入端C3，被设计成通过输出端O2发送信号，该信号表示在第三控制信号C_P的控制下对输入信号I_A的放大。VGA 5的增益以这样一种方式控制，使得第一功率和部分第二功率之差具有最小电平。理想情况下，这个差值完全为零，该装置的效率为100％。实际上，这个差值取决于信号的功率电平，功率指示器6以这样一种方式控制VGA 5，使得效率尽量接近100％。因此，改进了包含功率指示器6的装置400的效率。本领域的技术人员可较为容易地结合上述技术，以便改善如图7所示装置的效率和线性。
应当指出，本发明的保护范围不限于本文所述的实施例。本发明的保护范围亦不受权利要求书中标号所限制。词“包括”并不排除权利要求书中所述以外的部分。出现在某个元件前面的词“一个”并不排除多个这类元件的情况。构成本发明组成部分的装置既可以按照专用硬件的形式也可以按照编程通用处理器的形式来实现。本发明在于各个新特征或者特征的组合。

Claims (9)

1.一种通信系统(1)，包括：
-功率放大器(10)，用于对输入信号(In_S)进行放大以及发送放大后的信号(O_S)，
-检测器(20)，包括受控放大装置，用于产生输出信号(Th_S)，所述输出信号指示所述输入信号(In_S)的功率，所述输出信号(Th_S)具有可控偏置电平，
-偏置发生器(30)，包括：
-电平敏感电流发生器(301)，用于产生由所述输出信号(Th_S)控制的电流(Cc)，所述电平敏感电流发生器(301)具有阈值电平(TL)，从而当所述输出信号(Th_S)低于所述阈值电平(TL)时，所述电流(Cc)为零，如果所述输出信号超过所述阈值电平，则所述电流(Cc)由所述输出信号(Th_S)线性控制，以及
-适配器(302)，与所述电平敏感电流发生器(301)相连，并包括：
-电流电压变换器(T7，C2，R3；T8，C3，R4)，用于控制由所述适配器(302)提供的控制信号(C_S)的初始偏置和斜率，以控制所述功率放大器的特性，所述控制信号(C_S)具有与所述电流(Cc)的可控线性相关性。
2.如权利要求1所述的通信系统(1)，其特征在于，所述检测器(20)的所述受控放大装置(201)还包括连接低通滤波器的放大器(T1、T2、T5、T6)，用于以可控方式对所述输入信号(In_S)放大并且发送所述输出信号(Th_S)。
3.如权利要求1所述的通信系统(1)，其特征在于，所述输出信号(Th_S)是直流信号。
4.如权利要求2所述的通信系统(1)，其特征在于，所述低通滤波器包括多个电阻器和电容器。
5.如权利要求1所述的通信系统(1)，其特征在于，所述控制信号(C_S)是信号的向量。
6.如权利要求5所述的通信系统(1)，其特征在于，所述功率放大器(10)包括级联的多级，各级由所述控制信号(C_S)的一个分量来控制。
7.一种发射系统，它包括多个串联的如权利要求1所述的通信系统(1)。
8.一种装置(400)，包括：
-如权利要求1所述的通信系统(1)，所述通信系统(1)的一个输出端与所述装置(400)的一个输出端相连，用于发送具有第二相位和第二振幅的放大信号，所述装置还包括：
-用于接收具有第一相位和第一振幅的装置输入信号的一个装置输入端，
-极性指示器(4)，它的第一接收输入端连接所述装置输入端，第二接收输入端连接所述通信系统(1)的输出端，用于产生第二控制信号，所述第二控制信号指示所述第一相位和所述第二相位之间的相位差，以及
-可变增益放大器(5)，具有用于接收所述装置输入信号的另一个输入端，用于接收所述第二控制信号的第一控制输入端，和一个放大器输出端，用于向所述通信系统(1)的一个输入端提供一个信号，该信号表示在所述第二控制信号的控制下对所述装置输入信号的放大。
9.一种装置(400)，包括：
-如权利要求1所述的通信系统(1)，所述通信系统(1)的一个输出端与所述装置(400)的一个输出端相连，用于发送具有第二相位和第二功率的放大信号，所述装置还包括：
-用于接收具有第一相位和第一功率的装置输入信号的一个装置输入端，
-功率指示器(6)，包括用于接收所述装置输入信号的第三接收输入端、用于接收所述放大信号的第四接收输入端，用于产生第三控制信号，所述第三控制信号与所述第一功率和部分所述第二功率之间的功率差成比例，以及
可变增益放大器(5)，具有用于接收所述装置输入信号的另一个输入端，和用于接收所述第三控制信号的一个第三控制输入端，所述可变增益放大器(5)向所述通信系统的一个输入端发送一个信号，该信号表示在所述第三控制信号的控制下对所述装置输入信号的放大。
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