CN1306344A - 与调制有关的信号放大方法和装置 - Google Patents
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Abstract
公开了一种在与一产生多种调制格式信号的放大器(15)和一负载进行信号通信的调制格式转换器(20)。调制格式转换器(20)包括至少一个与放大器(15)和负载(25)进行信号通信的匹配网(62,100),其中至少一个匹配网(62,100)可以具有对应于多种调制格式信号的多个阻抗值。调制格式转换器(20)还包括匹配网(62,100)中的可控元件(70,72,74,76,102),可控元件(70,72,74,76,102)可以具有一个以上的阻抗值。
Description
本发明一般涉及无线电信的功率放大系统，更具体地讲，涉及允许无线系统以多种模式和/或调制操作的系统和方法。
最近十年中蜂窝电话之类的无线通信系统的使用获得了快速增长，现在世界上大多数国家在它们的疆界内建立了无线系统。由于不同的带宽，功率和频率需求，各个国家(甚至同一国家内不同地区)的无线系统的操作模式互不相同。作为数字蜂窝电话操作的一个实例，美国大多使用基于码分多址(CDMA)或时分多址(TDMA)操作模式的数字蜂窝系统，而西欧一般使用基于移动通信全球系统(GSM)模式的数字蜂窝系统。
当前需要能够以多种模式和/或调制操作的无线电信系统，例如可以在支持不同调制格式的多种系统中操作的蜂窝电话。作为一个实例，需要有一种能够在TDMA和CDMA操作模式中工作的蜂窝电话。但是，熟悉本领域的人员知道，由于每一种模式的发射功率电平，后置功率放大器介入损耗，和有关调制的线性和效率要求中的差别，每一种模式对蜂窝电话的功率放大器有专门的限制。因为为了适当地操作，功率放大器必须具有用于每一种调制格式的不同的输出负载线，这种蜂窝电话对设计和制造提出了挑战。
过去提出的解决这一问题的建议包括为每种调制格式设立独立的功率放大器，然后在这些放大器链之间切换。这涉及占据了更多空间和增加系统成本的重复电路。许多未来的蜂窝电话将需要设计容纳更多的调制格式(随新格式的开发)，增大了这一问题的复杂性，使得工程技术人员遇到了更大的困难。
Schwent等的第5,060,294(‘294)号美国专利中公开了一种改变功率放大器负载特性以造成放大器饱和或防止放大器饱和的装置。但是，将来，蜂窝电话将具有以多种线性模式操作的能力，例如以线性TDMA(例如，利用移相键控调制)和某种CDMA形式。’294专利没有说明操作在不同线性调制格式之间的蜂窝电话。
此外，‘294专利披露根据于放大器是操作在饱和还是不饱和模式改变放大器的偏置电流。如上所述，‘294专利没有讨论操作在不同线性调制格式之间的蜂窝电话。另外，改变放大器偏置电流提供了一阶放大器性能提高。存在进一步提高效率和/或线性的需要。
Dixon等的第5,291,516号美国专利公开了一种带有根据操作模式的可调节输出滤波器的双模式发射机。专利说明了诸如信号的邻近频道干扰，辐射发射和辐射噪声功率之类的事项，但没有提供放大器效率和/或线性所需的性能改进。
Dent的第5,361,403号美国专利公开了一种在放大器以第一功率电平放大AM信号时的第一负载阻抗与放大器以第二功率电平放大FM信号时的第二负载阻抗之间转换的放大器。但这种放大器需要蜂窝电话通过不同线性调制方案操作。例如，这些不同的线性调制方案可以是包括不同形式的四相移相键控(QPSK)，二进制移相键控(BPSK)，和/或正交幅调(QAM)的不同形式的数字调制。这些调制的不同数字调制形式具有以特定方式影响放大器效率的不同峰值对平均值比特性。
因此，需要有一种以多种操作模式操作的，显著减小制造的复杂性，空间和成本的，并且提高了放大器性能的放大器。
图1是利用一个调制格式转换器(也称为可变阻抗网)的示例发射机的局部方框图；
图2示出了图1中所示调制格式转换器(MFS)方框的一种示例实现；和
图3示出了有关图2的MFS所用的不同调制格式的史密斯圆图(Smith chart)的阻抗曲线图。
参考图1，图1示出了一个示例发射机10。发射机10最好是一个蜂窝电话发射机，或任何能够在无线环境中发送信息的其它无线型发射机。熟悉本领域的人员知道，发射机10包括滤波混频器之类的其它组件，但是为了不没有必要地使附图复杂化，没有示出这些元件。
发射机10包括一个线性功率放大器15，一个调制格式转换器(MFS)20(也称为可变阻抗网)，一个负载25，一个控制单元30，一个微处理器42，和一个电源和偏置控制单元52。线性功率放大器15和控制单元30分别经过信号连线35和40连接到MFS 20。MFS 20经过信号连线45连接到负载25。
线性功率放大器15是一个为现有已知的线性操作而偏置的一般固态放大电路。负载25是一个对其输送功率的元件，并且除了其它组件之外，负载25包括一个天线。MFS 20变换线性功率放大器15输出级所见的阻抗值。熟悉本领域的人员都知道，通过调节不同阻抗值，以优化码分多址(CDMA)和线性时分多址(TCMA)之类不同调制类型的线性功率放大器15的输出级的性能。例如，众所周知的，存在于放大器输出端的负载沿一条负载线影响其操作点。因而，可以调节负载阻抗以提高线性功率放大器15的效率和/或线性。一个特定调制格式所需的负载阻抗是通过实验预定的。
微处理器42提供对发射机的各种控制功能，例如，以下将进一步说明的，提供对电源和偏置控制单元52和控制单元30的控制。微处理器也确定提供到线性功率放大器15的输入信号的调制类型，从而可以把MFS 20变换到适当的阻抗设置。当在蜂窝电话(未示出)中使用发射机10时，微处理器42执行已知的其它蜂窝电话控制功能。此外，熟悉本领域的人员知道，可以使用其它处理装置替代微处理器42确定所用调制类型。
控制单元30控制MFS 20阻抗值的变换，并且将在下面进一步详细说明。此外，电源和偏置控制单元控制应用于线性功率放大器15的偏置设置，并将在下面进一步详细说明。
图2是MFS 20的一个示例实现。线性放大器15包括一个一级放大器55(也称为激励放大器)和一个二级放大器60(也称为输出级放大器)。作为选择，线性功率放大器15可以是一个单级功率放大器。MFS 20包括一个与线性功率放大器15和负载25(图1)进行信号通信的匹配网62。匹配网62可以具有对应于多个被线性功率放大器15放大的线性调制格式信号的多种阻抗值。
匹配网62包括一个第一可控元件70，一个第二可控元件72，一个第三可控元件74，和一个第四可控元件76。第一可控元件70是一个电压可变电容器。在Kenneth D.Cornett,E.S.Ramakrishnan,Gary H.Shapiro,Raymond M.Caldwell,和Wei-Yean Howrig1991年10月申请的第5,137,835号美国专利中公开了一个电压可变电容器的实例，该专利完整地结合于此作为参考。电压可变电容器的另一个实例是现有技术已知的变容二极管。
可以把第一可控元件70设定为作为电源电位函数的各种不同电容值。施加到可控元件70的电源电位是双极性的，以把第一可控元件70变换到第一电容和第二电容。作为选择，电源电位可以有两种以上的状态，并且第一可控元件70可以具有两种以上的电容状态。电容器80是一个用作阻断电容器和/或匹配电容器的固定电容器。
第二可控元件72是一个根据调制格式将电容器81在线性功率放大器15的输出端接入或断开的PIN二极管。例如，当调制格式信号是来自CDMA模式操作时，那么把电容器81接入，用作一个分路电容器。而当调制格式信号是来自线性TDMA模式操作时，那么把电容器81断开。此外，第二可控元件72可以是另一种类型的变换装置，例如已知的微机电开关或场效应晶体管(FET)。同样，第三控制元件74和第四控制元件76分别用于电容器82和83，以进一步改变提供到线性功率放大器15的阻抗。
熟悉本领域的人员知道，可以使用利用各种不同可变控制元件的其它配置和组合。此外，对于某些应用，容纳不同调制格式所需的阻抗值的范围可能不需要这样多的可变控制元件，或可能需要更多的可变控制元件。
控制单元30向MFS 20提供控制信号，以控制可变控制元件。在所示的实施例中，控制信号是由一个移位寄存器95产生的双极性信号。在一个替代实施例中，控制信号不是由移位寄存器产生的，并且对任何一个可变控制元件的控制信号可以呈现多种离散或连续值。在所示实施例中，给移位寄存器95提供一个由微处理器42(图1)产生的格式变换串行控制字。作为替代，可以由耦合到发射机10的其它电路(未示出)产生控制字。将格式变换串行控制字施加到控制单元30的输入端92。
MFS 20也如现有技术已知的那样包括一个射频(RF)扼流和旁路电路93，以隔离控制单元30和线性功率放大器15的输出阻抗。扼流和旁路电路还包括串联电阻94，以便为可变控制元件设定适当的DC偏置电平。
图2示出了实际上由移位寄存器95同时变换的所有可变控制元件。移位寄存器95的变换时间与发射机10中使用的一个特定调制格式的时间量相比是可以忽略的。
在一个必须有效和线性地放大，例如，CDMA和线性TDMA调制信号的多调制格式无线电话中，线性功率放大器15要求在线性功率放大器15的输出端提供一个优化的阻抗。与MFS 20组合的控制单元30通过为每个调制格式改变MFS 20的阻抗值完成这种要求。可以理解，通过启动可变元件70,72,74和76与控制单元30的适当组合来改变这些阻抗值。
图3在史密斯圆图300上示出了MFS 20提供到线性功率放大器15第二级60上的三个示例阻抗。这三个示例阻抗对应于定义三种不同调制格式的三种多址技术。例如，第一阻抗302对应于一种例如由临时标准IS-54或IS-136定义的TDMA蜂窝电话系统的线性调制格式。第二阻抗304对应于一个产生相同输出功率的线性功率放大器15，但是是用于以，例如，临时标准IS-95定义的CDMA蜂窝电话系统为特征的第二线性调制格式。第三阻抗306对应于一个，例如，可能由一个第三代宽带CDMA(WCDMA)蜂窝电话空中接口标准(已经在各种蜂窝电话标准组织中公开发布和建议)产生的第三线性调制格式。如上所述，对应于各种调制格式的各种不同阻抗值是实验预定的。
当线性功率放大器15是一个多级功率放大器时，MFS 20可以有选择地包括一个耦合在第一级55和第二级60之间的级间匹配网100。级间匹配网100包括一个用于改变第一和第二级之间阻抗级的级间可变控制元件102。级间可变控制元件102的构成和操作与所述的可变控制元件70,72,74和76的相同。级间匹配网100还包括现有技术已知的用于RF匹配目的的无源电感器和电容器。
图2示出了可以通过提供耦合到线性功率放大器15的电源和偏置控制单元52获得的额外性能改进。电源和偏置控制单元52包括一个栅偏压控制115和一个电源偏压控制110。
栅偏压控制115包括一个第一数模转换器(DAC)112和一个DC电路块113。DC电路块包括用于换算和电平移动第一DAC 112产生的模拟信号的各种模拟电路。
电源电压控制110包括一个耦合到电源产生块110的第二DAC114。电源产生块110可以是一个常规线性调节器或一个开关电源。
电源和偏置控制单元可以具有对应于多种调制格式信号的多种偏置设置。例如，在所示实施例中，第一级放大器55和第二级放大器60是场效应晶体管(FET)。栅偏压控制115把偏置电压提供到第一级放大器55和第二级放大器60的栅极，以便为不同的调制格式信号改变各自的漏极电流。为了完成这种操作，微处理器42(图1)注意何时放大的信号类型从一种调制格式信号类型改变为另一种调制格式信号类型。微处理器42产生一个控制字，控制字经过线路200提供到第一DAC 112。然后，第一DAC 112产生一个适合于新调制格式信号的模拟信号。DC电路113处理该模拟信号，以产生施加到第一级放大器55和第二级放大器60栅极的新的栅电压。
此外，电源电压控制110改变对应于不同调制格式信号的第二级功率放大器60的漏极电压。微处理器42(图1)注意到被放大的信号的类型从第一种调制信号类型改变为第二种调制信号类型(例如，从线性TDMA模式过渡到CDMA模式)。微处理器42经过线路201指令第二DAC 114产生一个施加到电源产生器110的不同模拟信号。然后，电源产生器110产生一个适用于正在放大的新调制格式信号类型的第二级功率放大器60的漏极的新电源电压。
通过把不同输出阻抗应用到线性功率放大器15中与改变线性功率放大器的偏置和/或电源电压设置的组合，导致了对以前可能到达的效率的显著提高。
本发明是结合特定实现或实施例说明的，为了说明的目的提供了许多细节。因此，上述说明仅是为了说明本发明的原理。本发明可以有其它特殊形式，而不脱离它的精神和基本特征。例如，第一级放大器55(图2)和第二级放大器60(图2)可以是双极晶体管，而不是FET。那么如上所述，电源和偏置控制单元52可以根据调制格式信号的类型或平均输出功率改变第二级放大器60的集电极电压和/或第一级放大器55和第二级放大器60的基极电流。
Claims (17)
1．一种与一放大器和一负载进行信号通信的调制格式转换器，放大器用于放大由不同线性调制方案区分的多种线性调制格式信号，调制格式转换器包括：
与放大器和负载进行信号通信的至少一个匹配网，该至少一个匹配网可以具有对应于多种线性调制格式信号的多个阻抗值；和
该至少一个匹配网中的可控元件，可控元件可以具有一个以上的阻抗值。
2．根据权利要求I所述的调制格式转换器，其中可控元件由一个控制单元控制。
3．根据权利要求2所述的调制格式转换器，其中控制单元包括一个移位寄存器。
4．根据权利要求2所述的调制格式转换器，其中可控元件包括PIN二极管，微机电开关，和电压可变电容器中的任何一个。
5．根据权利要求1所述的调制格式转换器，其中多个线性调制格式信号对应于从实际上由码分多址(CDMA)和线性调制时分多址(TDMA)组成的组中选择的多种多址技术中的任何一种。
6．根据权利要求1所述的调制格式转换器，进一步包括：
与放大器进行信号通信的级间匹配网，放大器是一个具有至少一个第一级放大器和一个第二级放大器的多级放大器，和
该级间匹配网中的可控元件，级间匹配网中的可控元件可以具有一个以上的阻抗值。
7．根据权利要求6所述的调制格式转换器，进一步包括与放大器进行信号通信的电源和偏置控制单元。
8．根据权利要求7所述的调制格式转换器，其中电源和偏置控制单元具有对应于多种线性调制格式信号的多个偏置设置。
9．根据权利要求1所述的调制格式转换器，其中该至少一个匹配网为多种线性调制格式信号中的每一种向放大器提供不同的阻抗，以便以实际上预定方式改变放大器的操作负载线。
10．根据权利要求1所述的调制格式转换器，进一步包括一个与放大器进行信号通信的电源和偏置控制单元。
11．根据权利要求10所述的调制格式转换器，其中电源和偏置控制单元产生对应于多种线性调制格式信号的多个偏置设置。
12．根据权利要求1所述的调制格式转换器，其中该至少一个匹配网具有在放大器操作载频的多个实际上预定的阻抗，该实际上预定的多个阻抗对应于多种线性调制格式信号。
13．一种与一放大器和一负载进行信号通信的调制格式转换器，放大器用于放大由多种不同线性调制方案区分的多种线性调制格式信号，调制格式转换器包括：
与放大器和负载进行信号通信的可变阻抗网，可变阻抗网提供对应于多种线性调制格式信号的多个阻抗值；
该可变阻抗网中的可变阻抗元件，可变阻抗元件可以具有一个以上的阻抗值；和
与放大器进行信号通信的电源和偏置控制单元，电源和偏置控制单元具有对应于多种调制格式信号的多个偏置设置，
其中可变阻抗网为多种线性调制格式信号的每一种向放大器提供一个不同的阻抗，以便以实际上预定的方式改变放大器的操作负载线。
14．根据权利要求13所述的调制格式转换器，其中多个偏置设置包括放大器的电压偏置设置，电源电压设置，和电流偏置设置中的至少一种。
15．根据权利要求13所述的调制格式转换器，其中多种线性调制格式信号产自移相键控调制。
16．一种用于放大由多种不同线性调制格式区分的多个信号的装置，该装置包括：
放大器；
耦合到放大器的可变阻抗网，可变阻抗网为多种不同线性调制格式信号的每一种向放大器提供一个不同的阻抗；和
耦合到放大器的偏置控制电路，偏置控制电路向放大器提供多个偏置设置，该多个偏置设置对应于多种不同线性调制格式。
17．一种放大由多种不同线性调制格式区分的多个信号的方法，该方法包括：
向一个放大器施加以第一线性调制格式为特征的第一信号；
响应第一信号向放大器的输出端提供第一阻抗；
响应第一信号设置放大器的第一偏置条件；
向放大器施加以第二线性调制格式为特征的第二信号；
响应第二信号向放大器的输出端提供第二阻抗；和
响应第二信号设置放大器的第二偏置条件。
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