CN1658497A - 用于改进无线通信系统中的功率放大器效率的方法和装置 - Google Patents

用于改进无线通信系统中的功率放大器效率的方法和装置 Download PDF

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Abstract

用于改进无线通信系统中的功率放大器效率的方法和装置。一种用于无线通信设备的功率管理方法和装置根据接收信号强度指示符信号和来自基站的功率控制指令信号产生平均期望发送功率信号。根据呼出数据流的数据参数和至少一个环境信息信号产生电源电平调节信号。使用电源电平调节信号与平均期望发送功率信号的组合、或者增益控制信号与经改变的电源电平调节信号的组合，来产生可变电源信号，该可变电源信号被提供给输出放大器模块，以产生足够的输出无线设备无线电信号，同时减少输出放大器模块中的功率损耗。

Description

用于改进无线通信系统中的功率放大器效率的方法和装置
技术领域
本发明涉及无线通信装置。更具体地，涉及用于改进具有大范围内的可变发送功率和/或高峰均功率比的无线通信系统中的功率放大器效率的方法和装置。
背景技术
手持无线通信设备和其他类型的无线发送器通常由一个或多个内部电池供电。这种设备的一个主要性能指标是其电池寿命，电池寿命通常被定义为电池一次充电能为设备供电的时间段。电池电力的大部分消耗在无线设备的发送器的功率放大器部分。功率放大器部分将要发送的信号的功率从相对较低的内部功率电平放大到与远程基站以及其他设备进行无线通信所需要的高得多的功率电平。改进功率放大器效率(或者更一般地说，改进发送器的效率)可以减少功耗，增长电池寿命。
因而，需要一种提供改进的功率放大器效率(或者更一般地说，改进的发送器效率)的系统。
发明内容
本发明提供了一种功率管理系统，其向无线通信设备的输出功率放大模块的功率放大级提供可变的电源信号。对功率放大级产生的经放大的发送信号的期望功率进行估计，并将其用于改变提供给输出功率放大器的电源电压，以减少功率放大级的功率损耗。优选地，根据至少一个环境信息信号来调节所估计的期望功率。例如，温度信息信号、电池状态信号和无线通信设备的工作频率中的至少一个可以用于增大所估计的期望功率电平，以提供对电源信号进行更精确的控制。
在第一方面，本发明提供了一种功率管理系统，其用于向无线通信设备中的输出功率放大器模块提供可变的电源信号。该功率管理系统包括：平均功率和增益控制模块，用于提供增益控制信号和平均期望发送功率信号，该平均期望发送功率信号是响应于功率控制指令信号和接收信号强度指示符信号中的至少一个而产生的；环境传感器单元，用于提供至少一个环境信息信号；连接到环境传感器单元的电源电平调节发生器，用于响应于要由无线通信设备发送的基带呼出数据流的数据参数指示以及所述至少一个环境信息信号来提供电源电平调节信号；以及连接到平均功率和增益控制模块的电源装置，用于响应于平均期望发送功率信号与电源电平调节信号的组合或者增益控制信号与经改变的电源电平调节信号的组合，向输出功率放大器模块提供可变电源信号。
环境传感器单元包括温度传感器和电池状态传感器中的至少一个，所述温度传感器用于提供温度信息信号作为所述至少一个环境信息信号的一部分，所述温度信息信号被与无线通信设备的硬件的温度相关联；所述电池状态传感器用于提供电池状态信息信号作为所述至少一个环境信息信号的一部分，所述电池状态信息信号被与用于为无线通信设备供电的电池相关联。也可以包括与对基带呼出数据流进行发送的频率相关联的频率信息信号，作为环境信息信号的一部分。
平均功率和增益控制模块可以包括：平均功率电平模块，用于产生平均期望发送功率信号；以及连接到平均功率电平模块的增益控制模块，用于产生增益控制信号。此外，电源装置包括：电源控制模块，用于提供功率控制信号；以及连接到电源控制模块的开关转换器，用于响应于功率控制信号提供可变电源信号，其中，电源装置连接到电源电平调节发生器，用于响应于平均期望发送功率信号与电源电平调节信号的组合向输出功率放大器模块提供可变的电源信号。
另选地，电源电平调节发生器可以根据平均功率和增益控制模块提供的增益控制信号来产生经改变的电源电平调节信号，并且电源装置包括：连接到平均功率和增益控制模块以及电源电平调节发生器的求和器，用于对增益控制信号与经改变的电源电平调节信号进行求和，以产生第一功率控制信号；连接到求和器的限幅器，用于接收第一功率控制信号并产生第二功率控制信号；连接到限幅器的开关转换器，用于接收功率控制信号并产生可变电源信号；以及连接到电源电平调节发生器以及平均功率和增益控制模块的逆映射器，用于分别接收环境信号和经改变的增益控制信号，并产生限幅器调节信号，所述逆映射器还连接到所述限幅器，用于向限幅器提供限幅器调节信号，以调节限幅器的性能。
优选地，电源装置被配置为将可变电源信号保持在最小电压电平之上。此外，电源电平调节发生器可以由多个查找表实现，其中为每个环境信息信号和数据参数指示提供一个查找表，并且对各查找表的输出进行组合以产生电源电平调节信号。另选地，这些查找表中的至少一个可以由对应的公式实现。
此外，通过以下步骤对电源模块进行标定：
(i)以恒定功率电平从无线通信设备发送无线设备无线电信号，同时监测相邻信道功率比(ACPR)；
(ii)减小可变电源信号的幅度，同时保持无线设备无线电信号的恒定输出功率；
(iii)当ACPR增大到预指定的设计目标时，记录可变电源信号的幅度；
(iv)增大无线设备无线电信号的输出功率，并针对几个输出功率电平重复步骤(i)到(iii)；以及
(v)计算理想传递函数，用于获得控制开关转换器的功率控制信号。
可以通过以下步骤进一步对电源模块进行标定：
(vi)针对几个不同的无线通信设备重复步骤(i)到(v)，以获得平均传递函数；以及
(vii)对平均传递函数执行曲线拟合。
此外，通过以下步骤对电源电平调节发生器进行标定：
(viii)为电源电平调节发生器加载使得输出功率放大器模块在最低发送功率点工作的值；
(ix)对发送功率进行标定，直到输出功率放大器模块的输出功率略超过针对电源电压电平确定的目标功率；
(x)对平均功率电平模块的输出值进行插值，并在由逆映射器进行调节之后将该经插值的输出值载入电源电平调节发生器；
(xi)将发送功率电平调节到略低于所述目标功率的值；以及
(xii)增大发送功率电平的值，并重复步骤(viii)到(xi)，直到达到最大指定发送功率点。
另一方面，本发明提供了一种向无线通信设备中的输出功率放大器模块提供可变电源信号的方法，所述无线通信设备从基站无线电信号接收呼入数据流，并以无线设备无线电信号的形式发送呼出数据流，所述方法包括以下步骤：
(a)检测用来产生接收信号强度指示符信号的基站无线电信号的信号强度和基站无线电信号中的功率控制指令信号中的至少一个；
(b)响应于所述接收信号强度指示符信号和功率控制指令信号中的至少一个来产生平均期望发送功率信号；
(c)产生至少一个环境信息信号，用于获得关于无线通信设备的环境的信息；
(d)根据基带呼出数据流的数据参数指示和所述至少一个环境信息信号产生电源电平调节信号；以及
(e)对平均期望发送功率信号与电源电平调节信号、或者增益控制信号与经改变的电源电平调节信号中的一组进行组合，以产生可变电源信号，根据接收信号强度指示符信号和功率控制指令信号中的至少一个来获得所述增益控制信号，并将可变电源信号提供给输出功率放大器模块。
该方法的步骤(c)优选地包括以下步骤中的至少一个：
(i)产生与该无线通信设备的硬件的温度相关联的温度信息信号，并提供所述温度信息信号，作为所述至少一个环境信息信号的一部分；
(ii)产生与用于为该无线通信设备供电的电池相关联的电池状态信息信号，并提供所述电池状态信息信号，作为所述至少一个环境信息信号的一部分；以及
(iii)产生与对呼出数据流进行发送的频率相关联的频率信息信号，并提供所述频率信息信号，作为所述至少一个环境信息信号的一部分。
该方法的步骤(e)可以包括以下步骤：
(iv)对平均期望发送功率信号与电源电平调节信号进行组合，以产生功率控制信号；以及
(v)将功率控制信号转换为可变电源信号。
另选地，该方法的步骤(e)可以包括以下步骤：
(iv)将经改变的电源电平调节信号与增益控制信号相加，以提供第一功率控制信号，所述经改变的电源电平调节信号是根据增益控制信号的推导而产生的；
(v)对第一功率控制信号进行限幅以提供第二功率控制信号；以及
(vi)将第二功率控制信号转换为可变电源信号。
步骤(v)可以进一步优选地包括提供限幅器调节信号以调节限幅参数的步骤，所述限幅器调节信号是响应于环境信号与经改变的增益控制信号的组合而产生的。此外，该方法还可以包括将可变电源信号保持在最小电压电平之上的步骤。
附图说明
为了更好地理解本发明，并更清楚地示出怎样实现本发明，现在仅以示例的方式对附图进行说明，附图示出了本发明的示例性实施例，在附图中：
图1是用于无线通信设备的功率管理系统的示例性实施例的框图；
图2是图1的功率管理系统的更详细的框图；
图3是示出无线通信设备的功率放大器需要的瞬时最大功率与提供给该功率放大器的电源之间的关系的曲线图；
图4是用于无线通信设备的功率管理系统的另一实施例的框图；
图5是用于无线通信设备的功率管理系统的另一实施例的框图；
图6是示出根据图5的实施例的期望功率电平与功率控制信号之间的关系的曲线图；
图7a是示出用于标定功率管理系统的第一标定方法的步骤的流程图；以及
图7b是示出用于标定功率管理系统的第二标定方法的步骤的流程图。
具体实施方式
在以下的详细说明中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了多个具体细节。然而，本领域的一般技术人员可以理解，无需这些具体细节就可以实现本发明。此外，不对公知的方法、过程和部件进行详细说明，以免使得本发明不突出。
正如公知的那样，无线通信设备产生利用无线电发送器来发送的内部数据信号。该数据信号通常是相对低频的信号，该信号通常被称为基带信号。基带信号被与频率高得多的载波信号混频以产生发送信号。发送信号在输出功率放大模块的一个或多个放大级被放大，以产生经放大的发送信号，其受到充分供电从而在远程基站或其他通信设备被以很小的数据损失或者没有数据损失地接收。
通常，输出功率放大模块的放大级包括：预放大级，用于产生预放大的发送信号；以及功率放大级，用于产生放大的发送信号。使用增益控制模块来控制预放大级的放大电平，该增益控制模块通常由增益控制器实现。通常使用用于确定经放大的发送信号的期望功率电平的各种开环和/或闭环方法来设置该放大电平。随后将经预放大的发送信号在功率放大级中再次放大，以产生经放大的发送信号。功率放大级的增益通常是固定的，但可以随着电源电平而变化。对功率放大级供电从而使其可以产生具有发送所需的瞬时最大功率的经放大的发送信号。
在经放大的发送信号不具有大动态范围的功率电平的无线设备中，或者在经放大的发送信号具有非常低的峰均功率比(PAPR)的无线设备中，上述针对功率放大级的电源方案是可接受的。然而，在很多情况下，为了容纳具有高PAPR的信号，或者为了容纳可能具有不同的期望功率电平和不同PAPR的不同类型信号，经放大的发送信号的功率电平具有大的动态范围。功率放大级必须能够产生这样的放大发送信号：使得始终容纳存在于该放大发送信号中的基带数据的任何数据类型或数据速率所需的最高瞬时功率电平。因而，在常规的功率管理方案中，功率放大级总是配有足以容纳指定的最大瞬时功率电平的最大量的电源电压。然而，大多数时间，放大发送信号的实际瞬时功率电平可能远低于指定的最大瞬时功率电平，从而导致信号发送期间功率放大级的工作效率不高。提供给功率放大器的过量功率作为热或其他损耗而被耗散。
本发明提供了一种功率管理系统，其向无线通信设备的输出功率放大模块的功率放大级提供可变电源信号。功率放大级产生的放大发送信号的期望功率被估计并用于改变针对功率放大器的电源电平，以减少功率放大级中的功率损耗。有利地，为了增加精度，如以下进一步论述的，估计的期望功率还基于至少一个环境信息信号。
首先参照图1，图1示出了无线通信设备10的框图，无线通信设备10具有数据发送模块12、天线14、接收器16和功率管理系统18。无线通信设备10可以是任何类型的无线通信设备，例如可以启用电子邮件的个人数字助理、蜂窝电话、便携式计算机等。图1示出了根据本发明的功率管理系统18的第一示例性实施例；其他实施例在后面的图中示出。
数据发送模块12包括：基带装置20、上变频模块(up-conversionblock)22和输出功率放大模块24。上变频模块22包括数模转换器(DAC)26和混频器28。输出功率放大模块24包括：预放大器30、滤波器32(其是可选的)、以及功率放大器34。预放大器30和滤波器32实现预放大级，功率放大器34实现功率放大级。接收器16包括如本领域技术人员所公知的功率控制数据检测器，该功率控制数据检测器用于为输出功率放大模块24提供功率控制信息。
功率管理系统18包括：平均功率和增益控制模块36、电源电平调节发生器38、数据参数检测器40(其是可选的)、和电源装置42。平均功率和增益控制模块36向预放大器30提供增益控制信号44，并向电源装置42提供平均期望发送功率信号46。增益控制信号44被提供给预放大器30以控制预放大器30的增益。平均期望发送功率信号46是根据功率控制指令信号48和接收信号强度指示符信号50中的至少一个而产生的，接收信号强度指示符信号50是接收器16根据无线通信设备10接收到的信号而提供的。电源装置42还接收来自电源电平调节发生器38的电源电平调节信号52，并对平均期望发送功率信号46与电源电平调节信号52组合，以向功率放大器34提供可变电源信号54。优选地，该操作对包括每1.25ms进行更新的功率控制指令信号48的输入变化进行响应。电源电平调节发生器38根据通信设备10要发送的数据的数据类型和数据速率来确定由电源电平调节信号52提供的附加调节。优选地，电源电平调节信号52也可以随着其他参数(例如下文将进一步详细描述的环境参数等)而变化。
无线通信设备10通过由天线14发送和接收的无线电信号来与远程基站58和其他设备通信。如下文将更详细地描述的那样，基站58发送基站无线电信号60，该基站无线电信号60由天线14接收并由接收器16处理，以从其提取数据。这种数据路径可以称为前向链路。无线通信设备10还从天线14向基站58发送无线设备无线电信号62。在无线通信设备10始发并在基站58结束的数据路径可以称为反向链路。
在前向链路中，天线14检测并接收一个基站无线电信号60，并将接收信号64提供给接收器16。如本领域技术人员所公知的，接收器16通常包括几个功能模块，以将接收信号64转换为数字信号，并对接收信号64进行处理以去除噪声、进行下变频或解调等。在包括IS-95码域多址(CDMA)标准和并发通信(subsequent communication)标准的许多通信系统中，基站58可以在作为接收信号64的一部分的功率控制指令信号48中发送一系列功率控制指令。功率控制指令信号48指示功率管理系统18增加或减小发送的无线设备无线电信号62的功率。在一种标准中，功率控制指令信号48被以数据比特的形式发送，并可以被以800功率控制比特每秒的速率接收。基站58之一将根据该基站58从无线通信设备10接收到的无线设备无线电信号62的质量来发送功率控制指令信号48。如果无线设备无线电信号62是以足以使其被解码并使用的功率被接收的，那么基站58可以指示无线通信设备10保持或减小无线设备无线电信号62的功率。如果无线设备无线电信号62是临界的或者过于微弱而不能使用，则基站58可以指示无线通信设备10增大无线设备无线电信号62的功率。这种类型的功率控制通常称为反向链路闭环功率控制。
一些无线通信系统，包括在IS-95 CDMA标准和并发标准下工作的系统，还可使用反向链路开环功率控制。开环功率控制是通过对无线通信设备10接收到的基站无线电信号60的信号强度进行测量来执行的。如果基站无线电信号60的信号强度高，则假定无线通信设备10可以以较低强度发送无线设备无线电信号62，相反地，如果基站无线电信号60的信号强度低，则假定无线设备无线电信号62必须更强以按可用的形式到达基站58。开环功率控制基于以下假设：(i)无线电基站58以近似恒定的信号强度发送基站无线电信号60，以及(ii)前向链路中的基站无线电信号60的衰减与反向链路中的无线设备无线电信号62的衰减大致相同。
在此描述的本发明实施例被配置为根据开环和闭环功率控制方案来工作。本发明的实施例可以被配置为：通过使接收器16测量接收信号64的信号强度以提供接收信号强度指示符信号50，从而根据开环功率控制方案来工作。因此，接收信号强度指示符信号50与基站无线电信号60的信号强度对应。在这种情况下，功率控制指令可以是开环功率指令(从接收信号强度指示符信号50获得)与闭环功率控制比特(其被编码在接收的基站无线电信号60的控制信道内)的组合。在缺少闭环修正时，仅根据接收信号强度指示符信号50进行功率控制。
现在讨论根据开环和闭环功率控制方案来工作的功率管理系统18的各种详细实施例。除非另外指出，否则各实施例中用相同标号标识的部件以相同的方式工作。现在参照图2，平均功率和增益控制模块36包括平均功率电平模块66和增益控制模块68。此外，电源装置42包括电源控制模块70和开关转换器72。
接收器16提取功率控制指令信号48，并将该信号48传送到平均功率电平模块66。接收器16还产生接收信号强度指示符信号50，并将该信号50传送到平均功率电平模块66。平均功率电平模块66对功率控制指令信号48与接收信号强度指示符信号50进行组合，以计算针对无线设备无线电信号62的平均期望发送功率信号46。通常，在无线通信设备10与一个基站58之间建立无线电通信时，使用接收信号强度指示符信号50来设置初始功率电平。随着无线通信设备10从一个位置移动到另一个位置，其可能与不同的基站58进行通信，在基站58之间的无缝“切换”(hand-off)是所希望的。为便于这种“切换”，当无线通信设备10最初开始与新基站58通信时，平均功率电平模块66依靠接收信号强度指示符信号50来估计平均期望发送功率信号46。在无线通信设备10与该基站58之间进行通信期间，随着从基站58接收到功率控制指令信号48中的指令，对平均期望发送功率信号46进行修正。功率控制比特是时间集成并被添加到开环功率的“上”和“下”指令。随着时间过去，可以对平均期望发送功率信号46进行非常精确的修正，以在足以使得无线设备无线电信号62可以以可用形式被基站58之一接收(即，不会因其他信号的干扰或因信号强度低而使其被破坏或不能解码)的功率与使得无线设备无线电信号62不会干扰其他与基站58或其他通信设备进行通信的设备的功率之间提供平衡。
基带装置20产生要发送到基站58之一的基带呼出数据流76。根据基带装置20支持的业务的类型，呼出数据流76可以仅包括一种类型的数据，或者可以在不同的时间具有不同类型的数据。例如，一些无线通信设备提供多种功能，包括电子邮件通信、文本消息、话音通信、以及其他扩展业务。不同业务可以使用具有不同PAPR特性的不同编码和调制方法。例如，在CDMA中，即使低数据速率业务在数据调制之后也具有高PAPR。随着数据速率增大，PAPR进一步增加。数据参数检测器40实时检测基带呼出数据流76中的数据类型，并将数据参数指示提供给电源电平调节发生器38。另选地，并且更优选地，可以由基带装置20实时地将数据参数指示直接提供给电源电平调节发生器38。因此，实线箭头将基带装置20连接到电源电平调节发生器38，而针对数据参数检测器40及对应的连接使用虚线。数据参数指示包括关于基带呼出数据流76中的数据类型、数据调制和数据速率的信息。
上变频模块22对基带呼出数据流76进行处理，以将其转换为对应的模拟输出信号78。首先DAC 26将基带呼出数据流76转换为模拟信号。随后由混频器28将该模拟信号与载波频率进行混频，以产生模拟输出信号78，现在，模拟输出信号78处于射频范围内而不是基带内。如本领域技术人员所公知的，根据具体实现，混频可以以单个步骤或以多个步骤实现。还可以使用滤波。载波频率是由无线通信设备10工作所遵循的通信标准来确定的，这是本领域技术人员很容易理解的。此外，应该注意，许多无线设备(包括示例性无线通信设备10)能够在多于一个频带中并且在各频带内的多于一个信道内发送无线设备无线电信号62。
电源电平调节发生器38使用基带呼出数据流76的数据参数指示以确定电源电平调节信号52。在本实施例中，电源电平调节发生器包括PAPR映射器，其可以由查找表实现。该查找表是离散查找表，其是通过对原型无线通信设备进行测试而预先计算的。具体地，选择针对数据参数的值，例如特定的数据速率测试值，并给定功率放大器34的固定电源电平，对裕量(headroom)进行观测。随后选择电源电平调节值以将裕量降低到最小电平。随后将该调节值输入查找表，并将其与特定的数据速率测试值相关联。在工作期间，随后使用数据参数指示(也就是，数据类型、数据速率和数据调制)作为进入查找表的索引，以查找针对电源电平调节信号52的值。如果数据类型需要高发送数据带宽，则电源电平调节信号52通常具有高于标称值(nominal value)的值。还可以根据环境因素(在下文进一步详细描述)改变电源电平调节信号52。由于发送链的特征还在发送无线设备无线电信号62的频带的上边缘和下边缘对电源电平调节信号52进行调节。出于示例目的，功率电平调节信号52可以根据数据类型以800db/秒的变化速率(slew rate)在0到9dB的范围内变化。
通常，无线通信设备10的制造商或销售商在电源电平调节发生器38中配置PAPR映射器，以针对不同的数据类型、数据调制和数据速率以及将在下文进一步描述的其他参数为功率电平调节信号52提供适当的值。PAPR映射器在后文将进一步详细描述。这是通过依照后文中进一步详细描述的标定方法来实现的。
在本发明的另选实施例中，可以使用公式而不是使用查找表来实现PAPR映射器，所述公式基于对电源电平调节发生器38的各种输入与功率电平调节信号52的对应值之间的关系。
平均期望发送功率信号46被提供给增益控制模块68，增益控制模块68将平均期望发送功率信号46转换为增益控制信号44。增益控制模块68可以被实现为已标定的查找表，以在天线14处实现与平均期望发送功率信号46一致的期望平均发送功率电平。增益控制模块68中的查找表对预放大器30的控制特性中的非线性以及功率放大器34中的增益变化(这是由提供给功率放大器34的电源电压电平的变化而引起的)进行补偿。查找表的内容是在无线通信设备10的工厂标定期间根据接收信号强度指示符信号50和在设备的天线端口处观测到的发送器功率而写入的。查找表中的增益值是根据接收信号强度指示符信号50计算的，其随后根据功率控制指令信号48中的控制比特而发生偏移。在工作期间，可以对表中的值执行线性插值。
预放大器30接收模拟输出信号78，并在增益控制信号44的控制下进行放大，以产生经预放大的发送信号82。增益控制信号44被产生为使得通过调节预放大器30的增益，平均期望发送功率信号46的增大或减小引起输出功率放大器模块24的放大发生对数线性增大或减小。
经预放大的发送信号82被滤波器32滤波以产生经滤波的发送信号84。滤波器32去除无线通信设备10的预放大器30和前级引入到经预放大的发送信号82中的噪声。滤波器32的具体特性(例如通带频率范围、滤波阶次(filter order)等)取决于无线通信设备10中使用的具体预放大器30和前级。本领域的技术人员可以为过滤器32选择适当的参数。应注意，滤波器32是可选的，在经预放大的发送信号82充分无噪声的情况下可以省略。
经滤波的发送信号84由功率放大器34放大，以提供放大的发送信号86。天线14发送经放大的发送信号86，作为无线设备无线电信号62。经放大的发送信号86具有足够的功率，从而其可以被任一个基站58按可接收并可解码以重新创建基带呼出数据流76的形式接收。
经放大的发送信号86的平均功率电平和峰值功率电平随时间而变化。经预放大的发送信号82的幅度将随着平均期望发送功率信号46变化而发生变化。功率放大器34通常具有恒定的增益系数，因而，经放大的发送信号86还具有随时间而变化的平均功率电平。功率放大器34还可以具有随电源电压电平而变化的增益系数，但是，如本领域所公知的，可以使用标定表(calibration table)来补偿这种变化。当模拟输出信号78具有高PAPR时，经放大的发送信号86的瞬时功率电平也将改变。在任何时间点，功率放大器34需要足够的功率来操作其内部的电子器件，并产生放大的发送信号86。当放大的发送信号86具有其最大瞬时功率电平时(即：在与平均期望发送功率信号46的最高可能值对应的经放大发送信号86的最大峰值期间)，功率放大器34必须仍至少具有一定的裕量，以确保经放大的发送信号86在其峰值不被限幅。在无线通信设备10的输出功率放大器模块24中出现显著功率损耗的一个原因是：经放大的发送信号86很少处于该最大电平，而通常处于低很多的功率电平。提供给功率放大器34的电源电平与经放大的发送信号86的幅度之间的过多裕量耗散为热量。
为避免这种功率损耗，由电源控制模块70将电源电平调节信号52与平均期望发送功率信号46进行组合以产生功率控制信号90，功率控制信号90可以是脉冲宽度调制信号或脉冲密度调制信号。由开关转换器72将功率控制信号90转换为作为模拟信号的可变电源信号54。可变电源信号54是用于功率放大器34的电源的源。可变电源信号54具有的幅度使得，在产生具有期望质量的放大发送信号86所需要的最大瞬时功率之上存在小但足够的裕量，并且使功率放大器34足以操作其内部电子装置。所需裕量的示例值在1到3dB的量级上。随着对于制造无线通信设备10和功率管理系统18的各种部件的制造一致性增加，可以减少裕量。
现在参照图3，图3示出了功率放大器34产生放大发送信号86所需的瞬时最大功率与可变电源信号54之间的示例关系的曲线图。这种关系可以根据功率管理系统18的实现以及无线通信设备10中使用的部件而发生变化。通常，可变电源信号54在任何时间点都略大于功率放大器34所需的最小电压电平92，以产生具有预定的需要质量的放大发送信号86。可变电源信号54将对应于平均期望发送功率信号46的变化以及无线通信设备10正发送的基带呼出数据流76的数据参数指示的变化而及时改变。在功率管理系统18的另一实施例中，可变电源信号54还优选地由于无线通信设备10的环境(例如温度)的变化、为无线通信设备供电的电池的状态的变化、以及发送无线设备无线电信号62的频率范围的变化而改变。
如前所述，可变电源信号54具有最小电压电平92，该最小电压电平92被选择为，确保即使在功率放大器34产生放大发送信号86所需的瞬时最大功率低时，也向功率放大器34提供足够的功率以保持其稳定并保持其内部电子器件运转。最小电压电平92可以由电源控制模块70(其可以将功率控制信号90维持在最小电压电平92之上)来维持，或者由开关转换器72(其能够直接将可变电源信号54维持在最小电压电平92之上)来维持。根据功率放大器34的设计，针对最小电压电平的值的示例范围是0.9到1.4伏。
功率管理系统18减小在提供给功率放大器34的可变电源信号54的电平与功率放大器34不限幅地产生放大发送信号86所需的电源之间的裕量。这种裕量的减小使得在功率放大器中作为热量消耗的功率量减少了。由于在许多无线设备中功率损耗的最大区域之一是功率放大器中的过多功率裕量，所以总体来说，减少的功率损耗可以显著改进无线通信设备10的功效和电池寿命。
在本发明的范围内，可以以各种方式修改功率管理系统18。例如，在某些情况下，向开关转换器72施加模拟电源信号可能是理想的。为此，可以在电源控制模块70和开关转换器72之间连接DAC。当开关转换器控件72为模拟时这样做。此外，尤其在DAC被用于产生模拟电源信号的情况下，对来自可变电源信号54的高频噪声进行滤波可能是理想的。如果使用德耳塔-西格马(delta-sigma)转换器而不是线性DAC来进行D/A转换，那么这可能是尤其需要的。这种情况下的滤波器可以插入在开关转换器72的输入处。
在本发明的另一另选实施例中，可能理想的是，插入缓冲器(未示出)，以在功率放大器34处将可变电源信号54与经滤波的发送信号84在时间上进行对准(即，优选地以与更新增益控制信号44的速率相同的速率对功率放大器34的电源电压进行更新)。如果基带装置20的输出与电源控制模块70的输入之间的数据路径使得可变电源信号54与数据到达功率放大器34的输入相比发生延迟，则功率放大器34有时可能没有足够的裕量来产生放大发送信号86。为使可变电源信号54和经滤波的发送信号84同步，可以在基带装置20与DAC 26之间、在基带装置20与电源管理系统18的连接点之后插入一数据缓冲器(未示出)。该缓冲器可以被配置为根据功率管理系统18的各种部件所引起的延迟而引入适当的延迟。
现在参照图4，图4中示出了功率管理系统18’的另选实施例，该功率管理系统18’包括连接到电源电平调节发生器38的环境传感器单元93，环境传感器单元93用于提供至少一个环境信息信号。环境传感器单元93包括一个或多个环境传感器，用于感测可以影响功率放大器34的特性从而影响可变电源信号54的电平的参数的变化。例如，可变电源信号54的电平对无线通信设备10的周围温度、为无线通信设备10供电的电池的状态、和/或发送无线设备无线电信号62的频率有响应。
环境传感器单元93可以包括用于检测无线通信设备10的硬件的周围温度的温度传感器94，并将温度信息信号96提供给电源电平调节发生器38。温度信息信号96优选地为数字形式。如果温度传感器94提供模拟温度信息，则可以在温度传感器94与电源电平调节发生器38之间连接一模数转换器(ADC)，以将模拟温度信息信号96转换为数字温度信息信号。可以使用共享存储器或本领域技术人员公知的任何其他数据传送机制将温度信息信号96传送到电源电平调节发生器38。
环境传感器单元93可以包括电池状态传感器98，该电池状态传感器98用于检测用来为无线通信设备10供电的电池的充电电平，以向电源电平调节发生器38提供电池状态信息信号100。与温度传感器94的情况一样，可以使用ADC将模拟电池状态信息信号转换为对应的数字电池状态信息信号。此外，可以使用本领域技术人员已知的技术将数字电池状态信息信号100传送到电源电平调节发生器38。对电池状态进行检测，从而当正在经过输出功率放大器模块24的模拟输出信号78具有高的PAPR时可以增加功率放大器34的电源电平。在这种情况下，对电源电平调节信号52进行调节以补偿由于电池充电较低而引起的预期压缩(compression)。
环境传感器单元93还可以提供频率信息信号104以向电源电平调节发生器38提供关于无线设备无线电信号62的工作(即发送)频率的信息。可以从基带装置20或上变频模块22获得工作频率。与温度传感器94和电池状态传感器98的情况一样，可以使用ADC来提供频率信息信号104，作为对应的数字频率信息信号。
电源电平调节发生器38将基带呼出数据流76的数据参数指示与温度信息信号96、电池状态信息信号100和频率信息信号104中的至少一个进行组合，以确定电源电平调节信号52。在这种情况下，电源电平调节发生器38可以使用多维查找表。为减少复杂度，可以使用二维查找表。使用数据参数指示、温度信息信号96、电池状态信息信号100和频率信息信号104作为进入查找表的索引，来查找针对电源电平调节信号52的值。另选地，当工作频率信道或者温度发生变化时，可以更新查找表的内容。使用频率和温度的影响来通过/-几dB按比例改变二维查找表的内容。在其他另选例中，可以有多个PAPR映射器，一个PAPR映射器为温度信息信号设置，一个PAPR映射器为电池状态信息信号设置，一个PAPR映射器为工作频率设置。在这种情况下，可以将PAPR映射器的输出(以dB为单位)加在一起以获得电源电平调节信号52。如果PAPR映射器的输出的振幅不是以dB为单位的，则可以使用对数组合。在任一情况下，都进行工厂标定以确定环境参数对电源电平调节值的影响。例如，可以将设备10放入环境室并将温度调节到特定值，以针对特定数据参数值确定对电源电平调节值的影响。关于电池状态，可以将设备10的电池的电平调节到不同的值，以针对特定数据参数值确定对电源电平调节值的影响。关于工作频率，可以改变发送频率以针对特定数据参数值确定对电源电平调节值的影响。
如果(a)数据参数表明用于发送的数据带宽高，(b)温度上升，或(c)电池的充电水平降低，则电源电平调节信号52通常高于标称值。总的来说，由于温度、电池状态和工作频率而引起的调节可以对电源电平调节信号52的值产生显著的影响。
电源电平调节发生器38被配置为，针对不同的数据类型、数据调制和数据速率以及环境信息(也就是温度、电池、以及频率信息)，为电源电平调节信号52提供合适的值。针对温度变化，电源电平调节信号52通常在+/-1-3dB的量级上，针对电池电平变化，电源电平调节信号52通常在+/-1dB的量级上，针对发送频率变化，电源电平调节信号52通常在+/-1-3dB的量级上。
本发明的一些实施例可以以不允许获得平均期望发送功率信号46的功率管理系统18”实现。图5示出了其中将平均功率和增益控制模块36实现为单个模块的功率管理系统18”的另选实施例。结果，不能获得平均期望发送功率信号46作为电源装置42的输入。此外，平均功率和增益控制模块36作为查找表和内插器的混合体进行操作。如前所述，功率控制指令信号48和接收信号强度指示符信号50指示期望平均电源电平。平均功率和增益控制模块36响应于期望平均电源电平提供增益控制信号44。
在这种情况下，电源装置42包括求和器110、逆映射器112、限幅器114和开关转换器72。求和器110接收增益控制信号44和经改变的电源电平调节信号52’，以提供第一功率控制信号90’。经改变的电源电平调节信号52’是由电源电平调节发生器38’提供的，从而可以将电源电平调节信号52’直接与增益控制信号44进行求和。通常，增益控制信号44以伏特为单位，电源电平调节信号52以dB为单位，从而这两个信号不能直接加在一起。因而，电源电平调节发生器38’对电源电平调节信号52进行换算以提供经改变的信号52’。具体地，根据平均功率和增益控制模块36中产生的增益控制信号44来进行这种换算，增益控制信号44取决于对平均功率和增益控制模块36中的查找表进行限定的参数。这些参数在无线通信设备10的商业应用之前就是已知的，因此可以用于电源电平调节发生器38’中。
第一功率控制信号90’随后被提供给限幅器114，限幅器114具有正、负饱和值，以及连接这两个值的斜率(slope)。限幅器114对第一功率控制信号90’进行操作，以向开关转换器72提供第二功率控制信号90”。如前所述，开关转换器72随即产生可变电源信号54。如前所述，也可以使用DAC。
限幅器114可以对第一功率控制信号90’进行限幅，或者基于第一功率控制信号90’的幅度根据所述斜率来衰减/压缩第一功率控制信号90’。可以响应于功率管理系统18”的操作改变限幅器114的正、负饱和值和斜率。具体地，可以使用平均功率和增益控制模块36中使用的查找表和环境传感器单元93通过电源电平调节发生器38’提供的环境信息116，来改变限幅器114的正、负饱和值和斜率。具体地，环境信息116和经改变的增益控制信号44’被提供给逆映射器112，逆映射器112随后向限幅器114提供限幅器调节信号118。信号44’的内容是从模块36的查找表中的数据中获得的。因为，由信号44’和116引起的对限幅器的调节按与电源电平调节信号52’的变化速率相比较低的速率进行，所以这些连接线被示为点划线。具体地，当模块36中使用的查找表中发生变化时，或当环境信息116发生显著变化(即，温度发生剧烈变化或者发送频率发生切换)时，进行所述修改。例如，最大饱和值与操作频率相关。按这种方式修变限幅器114以最优化可变电源信号54并由此最优化功率放大器34中的节电。求和器110、限幅器114和开关转换器72优选地通过硬件实现，逆映射器112优选地通过软件实现，然而对这些模块的其它实现也是可以的。
图6示出了平均功率和增益控制模块36的操作。随着平均期望电源电平上升和下降，平均功率和增益控制模块36选择预定值(由实点标识)或者在预定值之间进行插值，以计算用于增益控制信号44的值。优选地，平均功率和增益控制模块在产生增益控制值44时选择最接近的预定值，以避免插值误差。实践中，与图6相关联的范围大约为-52到26dBm。由无线通信设备10的生产商、销售者或操作者将所述预定值编程到平均功率和增益控制模块36中。
功率管理系统18”提供了本发明的一种实际实现，其可以与市售的基带芯片组一起用于不能获得平均期望发送功率信号46作为电源装置42的输入的设备中。
在本文所示的本发明的各实施例中，PAPR映射器可以每20ms提供用于电源电平调节信号的值。在某些情况下，可以每5ms提供用于电源电平调节信号的值。此外，在某些情况下，优选地每1.25ms更新功率放大器34的电源电压，以保证永不破坏ACPR(相邻信道功率比)界限。此外，由电源电平调节发生器38执行映射，使得从用于功率放大器34的低电源电压到高电源电压的转变是期望平均功率电平的一致且平滑的函数，以减少由功率管理系统18的各种实施例引入的非线性。
如图3所示，电源控制模块70对平均期望发送功率信号46与电源电平调节信号52的组合施加线性变换。该变换是通过查找表或通过公式施加的。公式可以以软件或硬件实现。对变换的确切形状进行调节以调整性能和生产合格率。因此，优选地在使用前对电源控制模块70进行标定。
现在参照图7a，图7a中所示的流程图示出了电源模块标定方法120的步骤。在任意选择的给定基准温度和给定基准电池状态下进行标定。基带装置20被配置为在任意选择的基准发送频率下进行发送。随后电源电平调节值发生器38被配置为将来自基准温度、基准电池状态和基准频率的影响设置为零。标定方法的第一步骤122是在监测ACPR的同时，以恒定功率电平发送无线设备无线电信号62。下一步骤124是在保持无线设备无线电信号62的输出功率恒定的同时，减少到功率放大器34的可变电源信号54的幅度。这是通过如下步骤实现的：随着减小针对功率放大器34的电源电压，增大对功率放大器34的输入驱动，以维持恒定的输出功率。下一步骤126是在ACPR增大到预先指定的设计目标时，记录可变电源信号54的幅度。ACPR被定义为在1.25MHz处、偏移在30kHz带宽内的功率与载波中的功率的比。随着由功率放大器34的线性度因电源消耗而降低，压缩失真(compression artifact)增大。标定方法120中的下一步骤128是增大无线设备无线电信号62的输出功率，并重复步骤122、124和126。用于确定下一功率电平的步长(step size)取决于功率放大器34的具体实现，本领域的技术人员能够理解怎样选择该步长。针对几种输出功率电平重复步骤128。用于标定的输出功率电平的数目取决于功率放大器的实现。通常，可以使用三个适当间隔的输出功率电平来进行标定。
下一步骤130是使用开关转换器72的控制曲线和最小电压电平92来计算理想传递函数，理想传递函数是导出用于控制开关转换器72的数字功率信号90所需要的。理想传递函数与平均功率和增益控制模块36或增益控制模块68中使用的查找表相关联。查找表的结构已经在前面作过描述。下一步骤132是针对几种不同的无线通信设备重复步骤122到130，以获得平均传递函数。
下一步骤134是对平均传递函数执行曲线拟合。实现曲线拟合的一种方法是通过调节线性直线的斜率和截距来将该直线拟合成平均传递函数，从而以最小的误差拟合该平均传递函数。确定的斜率被电源控制模块70用作用于改变电源偏压、斜坡斜率或空载偏流(idle bias current)的参数之一。由输出放大器模块24的无损功率(breakeven power)设置该截距，无损功率是这样的点：在该点，对到功率放大器34的可变电源信号54(以及因此的增益)的进一步减小会使得输出放大器模块24的较前级使用的附加功率大得使无线通信设备10的总功耗增加。该截距与最小电压电平92相一致。然后使用曲线拟合确定的参数来创建针对电源模块70的查找表。
现在参照图7b，图7b中所示的流程图示出了电源电平调节发生器标定方法140的步骤。优选地，在工厂标定期间对每个设备执行标定方法140，以解决产品容限(production tolerance)的变化、以及与为电源控制模块70获得的平均传递函数模型的偏移。标定方法140的第一步骤142是为电源电平调节发生器38加载使得开关转换器72在其最小输出电压处操作的值。这使得标定方法140可以在无线通信设备10的最低发送功率点启动。
下一步骤144是根据步骤142中限定的发送功率点使用常规过程来对发送功率进行标定。该常规过程包括将设备10的自动增益控制增大到预定的“安全”范围上，并记录该发送器输出功率。优选地，首先对该范围的一半进行标定。这一直进行到无线通信设备的输出功率略超过针对设置的电源电压而确定的目标功率。如本领域技术人员所公知的，该目标功率是在无线通信设备10的特性化期间获得的。这种特性化取决于输出功率放大器模块24的部件的生产商。目标功率是通过如下步骤确定的无损点：减小到功率放大器34的电源电平，并确定使得预驱动电路消耗的功率大至减少了在功率放大器功率消耗方面的节余(通过减少裕量而产生节余)。
下一步骤146是对平均功率和增益控制模块36的输出值进行插值，并在由逆映射器112进行适当调节之后将该经插值的输出值载入电源电平调节生成器38。下一步骤148是将发送功率电平调节到略低于目标功率的值。
下一步骤150是增大发送功率电平的值，并重复标定方法140的步骤142到148。连续重复标定方法140，直到达到最大指定发送功率。
本文仅以示例的方式对本发明进行了描述。可以在不脱离仅由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下对这些示例性实施例进行各种修改和变型。

Claims (19)

1、一种功率管理系统，用于向无线通信设备中的输出功率放大器模块提供可变电源信号，该功率管理系统包括：
(a)平均功率和增益控制模块，用于提供增益控制信号和平均期望发送功率信号，该平均期望发送功率信号是响应于功率控制指令信号和接收信号强度指示符信号中的至少一个而产生的；
(b)环境传感器单元，用于提供至少一个环境信息信号；
(c)电源电平调节发生器，连接到环境传感器单元，用于响应于要由无线通信设备发送的基带呼出数据流的数据参数指示和所述至少一个环境信息信号来提供电源电平调节信号；以及
(d)电源装置，连接到平均功率和增益控制模块，用于响应于平均期望发送功率信号与电源电平调节信号的组合、或增益控制信号与经改变的电源电平调节信号的组合，向输出功率放大器模块提供可变电源信号。
2、根据权利要求1所述的功率管理系统，其中，环境传感器单元包括以下部件中的至少一个：
(e)温度传感器，用于提供温度信息信号，作为所述至少一个环境信息信号的一部分，所述温度信息信号被与无线通信设备的硬件的温度相关联；和
(f)电池状态传感器，用于提供电池状态信息信号，作为所述至少一个环境信息信号的一部分，所述电池状态信息信号被与用于为无线通信设备供电的电池相关联。
3、根据权利要求1或2所述的功率管理系统，其中，所述至少一个环境信息信号包括与发送基带呼出数据流所按频率相关联的频率信息信号。
4、根据权利要求1到3中任一项所述的功率管理系统，其中，所述平均功率和增益控制模块包括：平均功率电平模块，用于产生平均期望发送功率信号；以及增益控制模块，连接到平均功率电平模块，用于产生增益控制信号。
5、根据权利要求4所述的功率管理系统，其中，所述电源装置包括：电源控制模块，用于提供功率控制信号；以及开关转换器，连接到电源控制模块，用于响应于功率控制信号提供可变电源信号，并且其中，所述电源装置连接到电源电平调节发生器，用于响应于平均期望发送功率信号与电源电平调节信号的组合向输出功率放大器模块提供可变电源信号。
6、根据权利要求1到3中任一项所述的功率管理系统，其中，所述电源电平调节发生器根据平均功率和增益控制模块提供的增益控制信号产生经改变的电源电平调节信号，并且所述电源装置包括：
(g)求和器，连接到平均功率和增益控制模块以及电源电平调节发生器，用于对增益控制信号和经改变的电源电平调节信号进行求和，以产生第一功率控制信号；
(h)限幅器，连接到求和器，用于接收第一功率控制信号并产生第二功率控制信号；
(i)开关转换器，连接到限幅器，用于接收功率控制信号，并产生可变电源信号；以及
(k)逆映射器，连接到电源电平调节发生器以及平均功率和增益控制模块，用于分别接收环境信号和经改变的增益控制信号，并产生限幅器调节信号，该逆映射器还连接到限幅器，用于将限幅器调节信号提供给限幅器以调节限幅器的性能。
7、根据权利要求1到6中任一项所述的功率管理系统，其中，所述电源装置被配置为将可变电源信号保持在最小电压电平之上。
8、根据权利要求1到7中任一项所述的功率管理系统，其中，所述电源电平调节发生器由多个查找表实现，其中为每个环境信息信号和数据参数指示提供一个查找表，并且各个查找表的输出被组合以产生电源电平调节信号。
9、根据权利要求8所述的功率管理系统，其中，所述查找表中的至少一个由对应的公式实现。
10、根据权利要求1到9中任一项所述的功率管理系统，其中，所述功率管理系统还包括：数据参数检测器，连接到无线通信设备的电源电平调节发生器和基带装置，其中所述数据参数检测器提供数据参数指示。
11、根据权利要求5所述的功率管理系统，其中，所述电源模块由以下步骤标定：
(i)在监测相邻信道功率比的同时，以恒定功率电平从无线通信装置发送无线设备无线电信号；
(ii)在保持无线设备无线电信号的恒定输出功率的同时，减小可变电源信号的幅度；
(iii)当相邻信道功率比增大到预先指定的设计目标时，记录可变电源信号的幅度；
(iv)增大无线设备无线电信号的输出功率，并针对几种输出功率电平重复步骤(i)到(iii)；以及
(v)计算理想传递函数，其用于导出控制开关转换器的功率控制信号。
12、根据权利要求11所述的功率管理系统，其中，所述电源模块进一步由以下步骤标定：
(vi)针对几种不同的无线通信设备重复步骤(i)到(v)，以获得平均传递函数；以及
(vii)对平均传递函数执行曲线拟合。
13、根据权利要求11所述的功率管理系统，其中，所述电源电平调节发生器由以下步骤标定：
(viii)为电源电平调节发生器加载使得输出功率放大器模块在最低发送功率点工作的值；
(ix)对发送功率进行标定，直到输出功率放大器模块的输出功率略超过为电源电压电平确定的目标功率；
(x)对平均功率电平模块的输出值进行插值，并在由逆映射器进行调节之后将经插值的输出值载入电源电平调节发生器中；
(xi)将发送功率电平调节到略低于目标功率的值；以及
(xii)增大发送功率电平的值，并重复步骤(viii)到(xi)，直到达到最大指定发送功率点。
14、一种向无线通信设备的输出功率放大器模块提供可变电源信号的方法，所述无线通信设备从基站无线电信号接收呼入数据流，并以无线设备无线电信号发送呼出数据流，所述方法包括以下步骤：
(a)检测用以产生接收信号强度指示符信号的基站无线电信号的信号强度和基站无线电信号中的功率控制指令信号中的至少一个；
(b)响应于所述接收信号强度指示符信号和功率控制指令信号中的至少一个来产生平均期望发送功率信号；
(c)产生至少一个环境信息信号，其用于获得关于无线通信设备的环境的信息；
(d)根据基带呼出数据流的数据参数指示和所述至少一个环境信息信号来产生电源电平调节信号；以及
(e)对平均期望发送功率信号与电源电平调节信号进行组合或者对增益控制信号与经改变的电源电平调节信号进行组合，以产生可变电源信号，所述增益控制信号是根据接收信号强度指示符信号和功率控制指令信号中的至少一个而导出的；并将可变电源信号提供给输出功率放大器模块。
15、根据权利要求14所述的方法，其中，步骤(c)包括以下步骤中的至少一个：
(i)产生与无线通信设备的硬件的温度相关联的温度信息信号，并提供该温度信息信号，作为所述至少一个环境信息信号的一部分；
(ii)产生与用于为无线通信设备供电的电池相关联的电池状态信息信号，并提供该电池状态信息信号，作为所述至少一个环境信息信号的一部分；以及
(iii)产生与发送呼出数据流的频率相关联的频率信息信号，并提供该频率信息信号，作为所述至少一个环境信息信号的一部分。
16、根据权利要求14或15所述的方法，其中步骤(e)包括如下步骤：
(iv)将平均期望发送功率信号与电源电平调节信号进行组合，以产生功率控制信号；以及
(v)将该功率控制信号转换为可变电源信号。
17、根据权利要求14或15所述的方法，其中步骤(e)包括如下步骤：
(iv)将经改变的电源电平调节信号与增益控制信号相加，以提供第一功率控制信号，经改变的电源电平调节信号是根据增益控制信号的推导而产生的；
(v)对第一功率控制信号进行限幅以提供第二功率控制信号；以及
(vi)将第二功率控制信号转换为可变电源信号。
18、根据权利要求17所述的方法，其中，步骤(v)包括如下步骤：提供限幅器调节信号以调节限幅参数，所述限幅器调节信号是响应于环境信号与经改变的增益控制信号的组合而产生的。
19、根据权利要求14到18中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括将可变电源信号保持在最小电压电平之上的步骤。
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