CN1792073A - 无线通信设备的qam发射机单元的自动功率控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明一般涉及在无线通信设备中采用的相干调制器领域，具体地说，涉及三种不同类型功率控制电路(201E)和一种用于控制要在集成在无线通信设备QAM发射机(200a/b/c)中的功率放大器(205)输出端发射的调制RF信号(x(t))输出功率(P_out)的方法，其确保随时间和温度变化的功率稳定性。由此，通过衰减(S0)由在QAM发射机(200b)的调制器级(204E)中使用的频率合成单元(202)产生的振荡器信号的功率电平(P_c)来控制所述输出功率(P_out)。RF输出信号(x(t))的实际功率电平(P_out)馈送(S2)到自动功率控制环(201E)反馈链中比较器级(212)的第一输入端，并与表示馈送到比较器级(212)第二输入端的RF信号的期望输出功率电平(P_out)的额定功率电平(P_ref)的参考信号(V_ref)相比较(S3)。

Description

无线通信设备的QAM发射机单元的自动功率控制电路

技术领域

本发明一般涉及在无线通信设备中采用的相干调制器领域，具体地说，涉及三种不同类型的功率控制电路，以及一种用于控制要在集成在无线通信设备QAM发射机中功率放大器的输出端发射的调制RF信号输出功率的方法。

背景技术

在过去的几年中，对于应用到无线通信设备的高效功率控制电路的需求持续增长。闭环功率控制中的一个关键任务是设计要集成在无线RF发射机模拟前端中的模拟电路，这些模拟电路用于控制在时间t上要发射的RF信号x(t)的输出功率P_out。太快的倾斜(ramp)导致RF频谱的不必要扩展，而太慢的倾斜违反了规定时间限制。因此，由外部控制电压V_ctrl设置通常由无线RF发射机输出端的功率放大器(PA)提供的输出功率P_out。V_ctrl和P_out之间的关系常常是非线性的，并受温度、公差、电源电压、频率和PA输入功率的影响。为了实现P_out的充分稳定性，需要功率控制环路，虽然一些设计者例如仍通过控制PA电源电压来使用非反馈概念。这种控制环路通常包括RF检测器和由来自基带控制器的输入信号提供的环路放大器。常规的功率控制环路设计主要是在各自应用的RF检测器上有所不同，但环路放大器还包括有趣的设计方面。

功率控制环路设计中的一个重要问题是动态范围。对于基于GSM的移动电话而言，最大天线功率是33dBm，而最小功率电平是5dBm。检测器动态必须显著地更高，例如大于34dB，这相当接近良好的二极管检测器所能达到的。需要大动态范围的另一个原因是，例如在常规的基于TDMA的通信系统中，功率放大器从“断电”模式开始，在该模式中RF电平由噪声和串扰确定。对于GSM系统而言，上述电平应该低于大约-48dBm，这将导致动态范围大于70dB。如果控制V_ctrl电压被加到功率放大器的控制输入，则输出功率P_out增加。但是由于有限的检测器动态，环路没被锁定，并在该点可能发生检测器响应更大的过冲。

两个问题使功率控制环路设计成为困难的任务。一个是一些功率放大器不是非常快，这意味着在控制输入的阶跃电压ΔV_ctrl和输出功率的相应变化ΔP_out之间可能存在明显的延迟。这限制了功率控制环路的速度，并可能导致不稳定性。第二个问题是功率放大器和许多检测器是非线性电路元件。当用理想线性检测器和线性环路放大器构建功率控制环路时，理想的功率放大器将具有恒定的斜率dP_out/dV_ctrl，但在实际上dP_out/dV_ctrl是控制电压V_ctrl的函数，这导致与偏压有关的总环路增益，并使反馈系统的频率补偿相当困难。然而，如果环路稳定，则对于一些功率电平而言，电路可能太慢。

在图1a+b中示出了包括QAM发射机100a和QAM接收机100b的常规无线通信系统。在该系统的发射机端100a上，基本操作如下：首先数字数据被编码(i_k，q_k)，然后在提交给数模转换器102之后，复值正交同相(I)和正交(Q)信道通过正交调制器104被组合。通过内部混频级将合成的信号组合上变换到RF频带。然后，在已经通过滤波级之后，该RF信号驱动功率放大器106，该功率放大器的输出信号x(t)被馈送到发射(TX)天线108。天线将信号辐射到空中，并完成发射。虽然必须使用略微不同的构件，但接收机端100b仅是相反的。首先，接收的RF信号x(t)被滤波，以选择感兴趣的RF频带。其后，该信号被馈送到低噪声放大器112(LNA)。通常，然后信号被滤波，并被直接从RF频带下变换到基带(在零差接收机的情况下)，或与一个或多个中频(IF)级混合(在采用外差或超外差接收机的情况下)。由此，最终的混频级将信号分成其I和Q分量。只要在基带上，I和Q信号就在进一步处理之前被提交到模数(A/D)转换器120。

功率放大器是QAM发射机100a的构件，其将要发射的RF信号x(t)放大到驱动发射天线108所需的必要功率电平P_out。在大多数无线通信系统中，功率放大器是最大的功耗者，这通常是由于需要发送到天线的功率(功率输出)本身非常大。这并不包括在功率放大器内消耗的总功率，而仅仅是驱动天线所需的功率。由于将总是存在在有源设备和外围电路中消耗的一些功率，因此功率放大器消耗的总功率必定大于功率输出。由于功率输出规范其自身常常大于RF系统中其余块的功耗，并且这种功率放大器的功耗会高于指定功率输出，因此功率放大器显然是系统的主要功耗者。

由于可靠地发射调制RF信号x(t)所需的功率电平常常相当高，因此在功率放大器内消耗了许多功率。在许多无线应用中，该放大器所消耗的功率量并不重要；只要正发射的信号具有足够的功率，那就足够好了。然而，在仅存在有限可用能量(这对于发射过程是不够的)的情况下，必须使所有设备消耗的功率最小化，以使能量可用的时间长度最大化。

当今所用的不同种类功率放大器的数量多的数不清，并且它们的范围从完全线性到完全非线性，以及从相当简单到非常复杂。在PA术语中，“线性”功率放大器是在其输入和输出之间具有线性关系的一种放大器。虽然功率放大器可包括以非线性方式工作(例如，FET在截止和饱和之间切换的情况下)的晶体管，但它仍可被看作是线性的。虽然非线性功率放大器以相对高的效率为特征，但它们的非线性导致输出信号扩展(由于互调分量，特别是在本机振荡器中存在许多相位噪声的情况下，这将导致功率放大器输入的扩展)。

典型的功率放大器是由几个串联级组成的。每个级通常都比前一级更大和更强大。由于大部分静态电流由大功率级(对于无线通信所需的低输出功率电平而言，不需要这些级)获得，因此当不需要用于旁路大功率级的机构时，将导致能量消耗的显著降低。

由于无线电话以电池电源工作，因此还希望其发射机尽可能高效地工作，以省电并延长电池寿命。理想地，对于诸如由UMTS标准管理的W-CDMA系统而言，功率放大器级应该能够有效、线性地工作在其要求的动态范围内。然而，现有技术还没有接近理想，并且目前许多无线电话的功率管理都很差。在低功率发射期间，功率被不必要的级联放大器级所浪费。因此，已经尝试旁路掉未用级。

在正常工作条件下，常规的无线RF收发机设备使用自动功率控制(APC)电路来控制其放大级的输出功率。在大多数RF收发机中找到的APC电路都有用于连接到线性功率放大器的外部连接。在末级功率放大器的输出端检测到调制RF信号的功率之后，所述信号被转换为DC电压，并被馈送到可变增益中频(IF)级，以便在长时间间隔上保持最终输出功率恒定。由于很早就实现了APC电压生成，因此由热漂移、工作电压偏移等引起的增益漂移不由电路进行补偿。另一个选择是，从末级放大器的驱动功率中得到AFC电压，并将其馈送到RF收发机的外部APC输入。原理是，当功率放大器变得激励过度时，它将产生反馈到收发机的APC电路中的负电压。该电压用作收发机的发射级中的增益控制，该发射级又自动降低驱动功率(收发机的输出功率)并限制来自过激励放大器的失真。

图2a示出了根据现有技术的常规APC环路200a的示意框图，其用于稳定实现RF信号发生器的模拟电路的RF输出端214b’处的功率。该电路还可用于执行幅度调制。它包括：频率合成单元202’(FSU)；功率分配器206’(例如定向耦合器)，其将调制RF输出信号的反射波馈送到宽带检测器二极管208’；以及放大级212’，该放大级的输出信号被馈送到电控衰减器204’，例如幅度调制器级，其包括用混合微波集成电路(MIC)技术实现可调电阻器的电流控制PIN二极管。在所述RF信号发生器用于扫描频率应用的情况下，通常应用外部检测器208”(未示出)，以便将检测RF单元输入端的功率电平保持恒定。

图2示出了在基于EDGE通信环境中的无线通信设备的QAM发射机200的示意框图，该QAM发射机包括根据现有技术的APC环路201，该APC环路用于稳定QAM发射机200的RF输出端210处的功率电平P_out。由此，提供有参考信号V_ref的比较器级212的输出端与可变增益功率放大器205的增益控制输入端连接，该参考信号V_ref表示由宽带检测器二极管208反馈到APC环路201的期望输出功率电平P_out和实际输出功率电平P_out的额定功率电平P_ref，该可变增益放大器控制QAM发射机200的输出功率电平P_out。

由此，复值模拟基带信号x_LP(t)(要发射的实值RF带通信号x(t)的复包络或等效低通信号)可写作：

     x_LP(t)＝i(t)+j·q(t)＝a(t)·e^j·(t)    (1)其中：

     i(t):＝Re{x_LP(t)}，                     (1a)

     q(t):＝Im{x_LP(t)}，                     (1b)

$a\left(t\right):=\left|x_{\mathrm{LP}}\left(t\right)\right|=\sqrt{i^2\left(t\right)+q^2\left(t\right)},---\left(1c\right)$

并且 $j:=\sqrt{-1}$ 是虚数单位。由此，

i(t)表示时域中x_LP(t)的同相(I)分量，

q(t)表示时域中x_LP(t)的正交(Q)信号，

a(t)表示x_LP(t)的幅度分量，其由x(t)的包络给出，以及

(t)表示x_LP(t)的相位分量，其也是x(t)的相位分量。

i(t)和q(t)分别通过两个调制器级204a和204b从基带直接上变换到RF频带，这两个调制器级由为高频载波信号提供正弦波形的本机振荡器202驱动：

    c_i(t)≡c(t):＝A_c·cos(2π·f_LO·t)，(2a)其中A_c(以

为单位)是载波信号c_i(t)的幅度系数，而f_LO(以GHz为单位)是本机振荡器202提供的载波频率。连接到上变换混频器204a一个输入端的希尔伯特变换器204c提供载波信号c_i(t)的90度相移，以使用于将正交信号q(t)从基带直接上变换到RF频带的载波信号由下式给出：

$c_q\left(t\right):=A_c\·\cos (2\mathrm{\π}\·f_{\mathrm{LO}}\·t+\frac{\mathrm{\π}}{2})=-A_c\·\sin (2\mathrm{\π}\·f_{\mathrm{LO}}\·t).---\left(2b\right)$

使用x_LP(t)(或者分别使用i(t)和q(t))，要发射的调制RF信号x(t)由此可写作：

$x\left(t\right)=\mathrm{Re}\{x_{\mathrm{LP}}\left(t\right)\·e^{+j\·2\mathrm{\π}\·f_{\mathrm{LO}}\·t}\}=i\left(t\right)\·c_i\left(t\right)+q\left(t\right)\·c_q\left(t\right)$

＝i(t)·cos(2π·f_LO·t)-q(t)·sin(2π·f_LO·t)  (3)

在发射获得的RF信号x(t)之前，由于某一输出功率电平P_out必须到达在某一距离处的接收机，因此该信号必须被放大。由于这个原因，需要增益控制功率放大器205。

由于本发明涉及基于时分复用(TDM)的通信网络中的无线通信设备的基于EDGE的QAM发射机，其中上游方向的每个QAM信道都被细分为预定数量的时分多址(TDMA)信道，因此必须实现8个使用同一载波频率f_LO的物理TDMA信道。图3a示出了具有8个时隙的TDMA帧300a的典型结构，每个时隙都有在常规的基于TDMA的通信系统中使用的156.25比特的时隙长度T_s和148比特的突发长度T_Burst。由于可将8个不同移动终端映射到这8个时隙上，因此每个移动终端分别具有1个(在GPRS中有几个)用于发射或接收的TDMA信道；在其它TDMA信道上，由于相应时隙被分配给其它移动终端，因此不允许移动终端发送。

由于基于TDMA的通信系统的上行链路中发射信号流的RF功率的突发特性，无线RF发射机的输出功率必须在不同时隙之间分别向上倾斜到适当的电平，或者向下倾斜到0，以使在发射期间RF输出功率恒定，以便于不同TDMA信道的时分复用。在图3b中示出了在基于TDMA的通信系统的上行链路中发射信号流的RF输出功率P_out在时间t上的典型突发图300b。可以看出，对于j:＝(i+1)mod 8和i∈{0，1，2，...，7}，无线RF发射机200b的输出功率P_out必须在相邻时隙TS_i和TS_j之间向上倾斜到适当的电平，或向下倾斜到0，以使在发射期间输出功率电平P_out恒定，以便于不同TDMA信道之间的时分复用。在数据发射开始之前的某个时间，移动终端将发射功率从0增加到期望的输出功率P_out。各个时隙TS_i的这个部分被称为“向上倾斜”。在达到期望输出功率P_out之后，开始数据发射。各个时隙TS_i的这个部分通常被称为“有用部分”。TS_i的最后部分则被称为“向下倾斜(ramp down)”。

如今，通过根据图2中所示现有技术的APC电路201，来实现用于稳定QAM发射机200输出功率电平P_out的这个向上倾斜和向下倾斜过程。由此，提供有参考信号V_ref和实际输出功率电平P_out的比较器级212的输出端连接到控制所述输出功率电平P_out的可变增益功率放大器205的增益控制输入端，该参考信号表示RF输出信号的功率P_out的额定功率电平P_ref。实际输出功率电平P_out通过直接测量(如图2中所示，其中P_out的一部分通过定相耦合器206耦合并通过宽带检测器二极管208反馈到APC环路201)或间接测量(例如通过测量功率放大器205的输出电流，该输出电流直接与输出功率P_out成比例)提供。然后测量的功率电平P_out与额定功率电平P_ref比较。如果实际功率电平P_out高于参考信号的功率电平P_ref。，则可变增益功率放大器205的增益G_PA减少，以便调节P_out。反之亦然，如果P_out低于P_ref，则G_PA增加，以便调节P_out。在“向上倾斜”部分期间，额定功率电平P_ref增加，在“向下倾斜”期间，额定功率电平降低，并且在“有用”部分期间，额定功率电平保持稳定。由于APC环路201E根据参考信号的功率电平P_ref调节输出功率电平P_out，因此输出功率P_out分别向上或向下倾斜，并在“有用”部分期间保持在预定电平。

现有技术简要描述

EP 0961402 A2中描述的发明涉及基于CDMA的扩展频谱多路存取系统中的移动终端的QAM发射机中增益控制的发射机和方法，其通过向不同路径提供RF信号的不同增益来有效利用电池电源，并避免了要发射的RF信号的功率电平中的假信号。

接下来，在US 2002/0123363 A1中描述的发明关于用于补偿由线性调制引起的功率测量的数据相关性的方法和设备。该方法包括执行发射输出功率的第一测量以及执行反射功率的第二测量的步骤，其中以时分多路复用方式执行这两种测量。该方法还包括如下步骤：基于在第一测量期间发射的数据计算第一平均功率，基于在第二测量期间发射的数据计算第二平均功率，以及基于第一平均功率和第二平均功率之间的差来补偿至少一个测量的功率值。

US 5276917公开了一种用于执行移动无线电话双模发射机中的发射机功率接通的方法，该双模发射机包括APC环路和用于控制串联耦合到双工电路的至少两个发射功率放大器级的接通的机构，需要这些发射功率放大器级，以确保发射机的稳定工作。在功率放大器级的前面，放置压控放大器和衰减器(VCA)，接收来自APC环路反馈链中功率控制块的反馈信号。该方法包括顺序接通所述功率放大器级的步骤。其后，接通发射功率控制信号(TXC)。根据本发明的另一实施例，首先接通输出功率放大器级，由发射启动信号(TXE)启动。此后，接通输入功率放大器级，由向上倾斜控制信号(RAMP-UP)启动，并最后接通发射功率控制信号(TXC)。然后功率放大器将放大的RF信号x(t)输出到双工电路的发射终端。

在WO 03/001688 A2中描述的发明针对移动通信设备的无线发射机，其中基于要发射的RF信号x(t)的功率电平P_out和/或工作模式，来调节消除由集成功率放大器的开关引起的瞬态寄生信号所需的平滑滤波器的带宽。由此通过控制滤波器中的跨导元件来调节滤波器的带宽。出于此目的，可控制滤波器特性，以便获得可接受的开关频谱，从而使得功率放大器的输出功率P_out能够可接受地快速向上倾斜。例如，可根据设备工作所依据的应用通信标准(例如GSM-850、GSM-900、DCS或PCS)以及要发射的RF信号x(t)的功率电平P_out来调节滤波器参数。

此外，在EP 0944175 A1和US 6212367 B1中公开的发明涉及能够满足接收(Rx)频带内发射机噪声的严格规范的移动电话装置。该移动电话装置由此包括：调制器，用于产生要在发射(Tx)频带内发射的调制RF信号x(t)；功率放大器，用于将所述RF信号x(t)提供给发射天线；具有通带和阻带的可调滤波器，其置于调制器和功率放大器之间；以及控制电路，用于调谐滤波器，以使通带处于Tx频带，而阻带处于移动电话装置的Rx频带。

在US 5752172中公开了一种用在无线电话中的发射机输出功率控制电路。所述发射机电路由此包括：功率放大器，其输出耦合到用于发射放大的调制RF信号x(t)的天线；可变增益激励放大器(VGA)，其输出端耦合到功率放大器的输入端，而输入端耦合到调制器的输出端，该调制器需要输出在预定动态功率范围内的调制RF信号x(t)；以及至少一个可编程增益放大器(PGA1，PGA2)，其串联耦合在调制器的输出端和VGA的输入端之间。可编程增益放大器具有选择用于将可变增益激励放大器的动态范围需求降低到低于所述预定动态功率范围的动态范围。

最后，在US 6118988中公开的发明涉及用在移动电话中的发射功率控制系统，以及控制与基站(BS)和用户的移动台(MS)之间的距离成比例发射的调制RF信号x(t)的发射功率P_out大小的相应方法。该发射功率控制系统由此通过根据发射功率P_out的大小补偿实际增益与增益控制值之间误差的方式来提供精确的发射功率电平P_out。根据本发明的一个实施例，发射功率控制系统包括发射部分、移动台调制解调器、功率检测器、增益差控制部分以及功率放大器控制部分。首先，由发射部分提供的发射功率信号被功率检测器转换为DC电压。然后移动台调制解调器基于该DC电压分别输出第一和第二增益控制值。其后，增益差控制部分产生增益差控制信号，并根据所述第一增益控制值和衰减信号将该增益差控制信号加到发射部分。功率放大器控制部分根据所获得的表示发射功率信号的DC电压和第二增益控制值将功率放大器增益控制值输出到发射部分。

发明目的

考虑到上述技术发展水平，本发明的目的就是提供一种用于放大RF信号的自动功率控制(APC)电路，该电路减少了在衰减模式(“关(OFF)级”)和放大模式(“开(ON)级”)之间转变期间多级功率放大器中的噪声生成问题。

通过独立权利要求中的特征实现上述目的。在从属权利要求中定义了有利的特征。

发明内容

本发明基本上专门用于基于时分复用(TDM)的无线蜂窝网络环境中无线通信设备的QAM发射机，其中上游方向的每个QAM信道都被细分为预定数量的时分多址(TDMA)信道，并且参与通信的每个移动终端都被分配到预定长度为T_TS的周期性重复时隙TS_i。该QAM发射机包括：具有两个上变换混频器的调制器级，其由本机振荡器驱动，用于将要发射的复值模拟基带信号x_LP(t)的同相(I)和正交(Q)信号从基带直接上变换到RF频带；90度移相器，其连接到上变换混频器的一个输入端；以及求和元件，用于组合两个上变换混频器的RF输出信号。此外，所述QAM发射机包括自动功率控制环路，用以稳定QAM发射机输出端的调制RF信号x(t)的功率电平P_out。所述功率控制环路包括比较器级，该比较器级提供有参考信号V_ref和实际输出功率电平P_out，该参考信号表示RF输出信号x(t)期望输出功率电平P_out的额定功率电平P_ref，该实际输出功率电平由定相耦合器提供，并由宽带检测器二极管反馈到自动功率控制回路。所述比较器级的输出信号馈送到置于调制器级中的压控衰减器的控制输入端，该压控衰减器用于衰减由调制器级的本机振荡器提供的振荡器信号的功率电平P_c。

附图说明

根据以下描述、所附权利要求书以及附图，本发明的有利特征、方面和有用的实施例将变得明显。由此，

图1a示出了使用根据现有技术I/Q调制器的无线通信设备的常规QAM发射机的示意框图；

图1b示出了使用根据现有技术I/Q解调器的无线通信设备的常规QAM接收机的示意框图；

图2示出了具有根据现有技术的自动功率控制(APC)电路的QAM发射机的示意框图，该APC电路用于稳定QAM发射机输出端的功率电平，其中提供有参考信号和实际输出功率电平的比较器级的输出端连接到控制输出功率电平的可变增益功率放大器(PA)的增益控制输入端，参考信号表示RF输出信号功率的额定功率电平；

图2a示出模拟RF信号发生器的示意框图，其包括根据现有技术的常规APC环路，用以稳定RF信号发生器输出端的功率电平，该APC环路特征在于：提供有参考信号和实际输出功率电平的比较器级的输出信号馈送到控制输出功率电平的电控衰减器的控制输入端，参考信号表示RF输出信号期望输出功率电平的额定功率电平；

图2b示出了QAM发射机的示意框图，其包括根据本发明第一实施例用于稳定集成功率放大器输出端的功率电平的APC环路，该APC环路实现为闭环电路，并且其特征在于：提供有参考信号和实际输出功率电平的集成比较器级的输出信号被提供给控制输出功率电平的压控衰减器(VCA)的控制输入端，该参考信号表示RF输出信号的期望输出功率电平的额定功率电平；

图2c示出了QAM发射机的示意框图，其包括根据本发明第二实施例用于稳定集成功率放大器输出端的功率电平的APC环路，该APC环路实现为开环电路，并且其特征在于：所述VCA的控制输入端连接到提供外部控制信号的微控制器(μC)；

图2d示出了QAM发射机的示意框图，其包括根据本发明第三实施例用于稳定功率放大器输出端功率电平的APC环路，该APC环路实现为闭环电路，并且其特征在于：提供有参考信号和功率放大器的DC电源电流的集成比较器级的输出信号被提供给控制输出功率电平的VCA的控制输入端，该参考信号表示RF输出信号的期望输出功率电平的额定功率电平；

图3a示出了具有用在基于TDMA的通信系统中的8个时隙的TDMA帧的典型结构；

图3b示出了在基于TDMA的通信系统的上行链路中发射信号流的RF输出功率随时间获得的突发图，其中无线RF发射机的输出功率必须在相邻时隙之间向上倾斜到适当的电平，或向下倾斜到0，以使发射期间RF输出功率恒定，以便于不同RF发射机的时分复用；

图4示出了根据本发明用于稳定要由无线通信设备的QAM发射机发射的调制RF信号的功率电平的方法的流程图。

具体实施方式

在下文中，将详细解释图2b中示出的本发明的一个实施例。可从附表中得到用图1a-4中的标号标记的符号的意义。

图2b示出一种根据本发明一个实施例用于控制输出功率电平P_out的新方法。由此，通过控制本机振荡器202的功率电平P_c，即载波信号的幅度A_c，来执行P_out随时间的形状，即向上倾斜和向下倾斜过程，以及用于在时间T_Burst期间稳定P_out的过程。想法是应用压控衰减器203，其衰减系数a(以dB为单位)可以(从a＝0dB开始)连续调节。由于通过正弦载波信号c_i(t)和c_q(t)将模拟基带信号i(t)和q(t)上变换到RF频带，因此调制器级204E的输出功率P_Mod可计算如下：

      P_Mod＝G_Mod·k·P_i，q·P_c   (4a)

其中  P_i，q:＝P_i+P_q，  (4b)其中G_Mod是调制器的增益系数，P_i和P_q(以W为单位)分别是同相信号i(t)和正交信号q(t)的功率电平，P_c(以W为单位)是载波信号c_i(t)和c_q(t)的功率电平，P_Mod(以W为单位)是调制器输出信号的功率电平，并且k(以W^-1为单位)是获得具有正确单位(以W为单位)的P_out所需的比例系数。在下文中，将假设k＝1W^-1，并且G_Mod是表示总调制器增益的无因次变量。于是QAM发射机200b的输出功率电平P_out可写作：

P_out＝G_PA·P_Mod＝G·k·P_i，q·P_c   (5a)

其中       G:＝G_PA·G_Mod， (5b)其中G_PA是功率放大器205的增益系数。如果加上压控衰减器203，则公式(5a)得到：

其中a是压控衰减器203的衰减。可以看出，如果G、k、P_iq和P_c是常数，则P_out只是a的函数：

P_out～a for P:＝G_PA·P_Mod＝G·k·P_i，q·P_c＝const.  (6b)

对于高值的G、P_i，q和P_c，可通过调节压控衰减器203的衰减系数a来实现P_out的稳定性。

本发明的第一实施例涉及如图2b所示的QAM发射机200b，其中表示RF输出信号期望输出功率电平P_out的额定功率电平P_ref的参考信号馈送到比较器级212的第一输入端，而表示RF信号x(t)的实际功率电平P_out的反馈信号(FS)馈送到比较器级212的第二输入端。

在第一和第二实施例中，所述自动功率控制电路201E实现为闭环电路，其中所述压控衰减器203的控制输入端连接到比较器级212的输出端，并且要发射的RF信号x(t)的检测信号幅度或者功率放大器205的电源电流I_PA被用作所述反馈信号。在第三实施例中，所述自动功率控制电路201E实现为开环电路，其中所述压控衰减器203的控制输入端连接到提供外部控制信号(PA控制)的微控制器(μC)。

本发明的另一方面关于一种用于稳定要由无线通信设备的QAM发射机200b在分配给所述无线通信设备的周期性重复时隙TS_i的突发周期T_Burst期间发射的调制RF信号x(t)的功率电平P_out的方法。图4中示出了该方法的流程图400。在检测(S1)到RF输出信号x(t)的实际功率电平P_out、将所述实际功率电平P_out反馈(S2)到自动功率控制环路201E的反馈链中的比较器级212的第一输入端、并比较(S3)所述实际功率电平P_out与参考信号V_ref(其表示提供给比较器级212的第二输入端的RF输出信号的期望输出功率电平P_out的额定功率电平P_ref)之后，通过控制QAM发射机200b的调制器级204E中的压控衰减器203的衰减系数a，来调节(S0)实际功率电平P_out，该压控衰减器用于衰减由调制器级204E的本机振荡器202提供的近似正弦的振荡器信号的功率电平P_c。在P_ref和P_out之间差的绝对值小于或等于预定阈值ΔP_thres的情况下，算法结束；否则，过程继续步骤S1。由此，非线性PA增益控制(比较图2)由线性电路元件-压控衰减器203(VCA)代替，从而避免了在衰减模式(“关级”)和放大模式(“开级”)之间转变期间多级功率放大器中产生噪声的问题。此外，可通过外部PA控制信号调节功率放大器205的增益系数G_PA。例如，该增益系数可在突发周期T_Burst期间变为最大值，而在突发周期T_Burst之外被切断，以改进相邻信道隔离。

代替检测(S1)RF输出信号x(t)的实际功率电平P_out、将所述实际功率电平P_out反馈(S2)到自动功率控制环路201E的反馈链中的比较器级212的第一输入端、比较(S3)P_out与参考信号V_ref(其表示馈送到比较器级212第二输入端的RF输出信号期望输出功率电平P_out的额定功率电平P_ref)、以及通过根据图2b中所示的本发明第一方法基于实际功率电平P_out与额定功率电平P_ref之间差的大小和符号来控制压控衰减器203的衰减系数a来补偿(S4)RF输出功率P_out的不稳定性，可以想到以下两种稳定要发射的调制RF信号x(t)的功率电平P_out的方法。

根据图2c中所示的本发明第二方法，通过存取(S1’)存储在无线通信设备集成存储器中的关于设备制造商明确指出的设备特定硬件公差的信息，和/或关于由温度漂移dT/dt、电池电压漂移dUb_att/dt等(在无线通信设备的开发期间测量它们，实际上不需要测量P_out)引起的影响的信息，来补偿(S2’)RF输出功率P_out的不稳定性。

根据本发明的第三个方法，通过测量(S1”)功率放大器205的DC电源电流I_PA、将与I_PA成比例的电压U_RM提供(S2”)给比较器级212的第一输入端、并比较(S3”)U_RM与参考信号V_ref来补偿(S4”)这些不稳定性，该参考信号表示提供给比较器级212第二输入端的RF输出信号的期望输出功率电平P_out的额定功率电平P_ref。与第一方法相比，所述输出功率电平P_out不是直接观察到。通过存取存储在所述设备的集成存储器中的信息，能够确定功率放大器205的测量电流消耗是如何与无线通信设备的RF输出功率电平P_out相关。在此情况下，检测器不是RF感测器208，而是实现为低欧姆电阻器R_M的电流感测器，其置于功率放大器205的电源线上。

在所有这三种方法中，所述功率控制器205的增益系数G_PA可以是固定的，或者可由外部PA控制信号控制。在第一种情况下，不需要确定何时接通哪一个增益级的逻辑。然而，如果增益系数G_PA保持在最大值，则在没使用的增益级中浪费了电力。在后一种情况下，微控制器可用于接通或切断多个顺序开关的增益级。根据获得RF输出功率P_out的期望值所需的各个增益系数G_PA，通常可激活一个、两个或三个增益级。微控制器从而开启所需的增益级，并通过实现上述三种方法中的任一种来获得P_out的微调。

根据本发明的又一方面，可通过外部功率放大器控制信号(PA控制)来调节(S5)功率放大器205的增益系数G_PA。由此，所述增益系数(G_PA)在突发周期T_Burst内被设为其最大值，而在所述突发周期T_Burst之外被设为0，以改进相邻信道隔离。

本发明的再一实施例涉及基于时分复用(TDM)的通信网络中的无线通信设备，其中上游方向的每个QAM信道都被细分为预定数量的时分多址(TDMA)信道，并且参与通信的每个移动终端都被分配给具有预定长度(T_TS)的周期性重复时隙(TS_i)，其中应用如上所述的QAM发射机200b。

表：所述特征及其相应标号

	率电平Pout的比较器级212的输出端连接到控制所述输出功率电平Pout的可变增益功率放大器205的增益控制输入端，其中该参考信号表示RF输出信号x(t)的功率Pout的额定功率电平Pref，而实际输出功率电平Pout由定向耦合器206提供，并由宽带检测器二极管208反馈到APC环路201
		200a	模拟RF信号发生器的示意框图，包括根据现有技术的常规自动功率控制(APC)环路201S，该APC环路用于稳定RF信号发生器200a输出端的功率电平Pout，其特征在于：提供有参考信号Vref和实际输出功率电平Pout的比较器级212’的输出信号被提供给控制所述输出功率电平Pout的电控衰减器203’的控制输入端，其中该参考信号表示RF输出信号x(t)的期望输出功率电平Pout的额定功率电平Pref，而实际输出功率电平Pout由定向耦合器206’提供，并由宽带检测器二极管208’反馈到APC环路201S
200b	包括APC环路201E的QAM发射机的示意框图，该APC环路根据本发明第一实施例用于稳定集成功率放大器205输出端的功率电平Pout，该APC环路实现为闭环电路，并且其特征在于：提供有参考信号Vref以及由定向耦合器206提供并由宽带检测器二极管208反馈到APC环路201E的实际输出功率电平Pout的集成比较器级212的输出信号被提供给控制输出功率电平的压控衰减器203(VCA)的控制输入端，其中该参考信号表示RF输出信号x(t)的期望输出功率电平Pout的额定功率电平Pref
		200c	包括APC环路的QAM发射机的示意框图，根据本发明第二实施例该APC环路用于稳定集成功率放大器205输出端的功率电平Pout，该APC环路实现为开环电路，并且其特征在于：所述VCA 203的控制输入端连接到提供外部控制信号(PA控制)的微控制器(μC)

200d	包括APC环路201E的QAM发射机的示意框图，根据本发明第三实施例该APC环路用于稳定功率放大器205输出端的功率电平Pout，该APC环路实现为闭环电路，并且其特征在于：提供有参考信号Vref和功率放大器205的DC电源电流IPA的集成比较器级212的输出信号被提供给控制输出功率电平Pout的VCA 203的控制输入端，该参考信号表示RF输出信号x(t)的期望输出功率电平Pout的额定功率电平Pref
		201	根据现有技术的QAM发射机200的自动功率控制(AFC)环路(比较图2)，该AFC环路用于稳定QAM发射机200输出端的功率电平Pout，其特征在于：提供有参考信号Vref以及由定向耦合器206提供并由宽带检测器二极管208反馈给APC环路201的实际输出功率电平Pout的比较器级212的输出信号被提供给控制RF输出信号x(t)的功率电平Pout的可变增益功率控制器205的增益控制输入端，该参考信号表示RF输出信号x(t)的期望输出功率电平Pout的额定功率电平Pref
201E	根据本发明一个实施例的QAM发射机200b的APC环路(比较图2b)，该APC环路用于稳定要发射的RF信号的输出功率Pout，其特征在于：提供有参考信号Vref以及由定向耦合器206提供并由宽带检测器二极管208反馈到APC环路201E的实际输出功率电平Pout的比较器级212的输出信号被提供给控制RF输出信号x(t)的功率电平Pout的电控衰减器203的控制输入端，该参考信号表示RF输出信号x(t)的期望输出功率电平Pout的额定功率电平Pref
		201S	根据现有技术的QAM发射机200a的APC环路(比较图2a)，该APC环路用于稳定RF信号发生器200a输出端的功率电平Pout，其特征在于：提供有参考信号Vref以及由定向耦合器206’提供并由宽带检测器二极管208’反馈到APC环路201S的实际输出功率电平Pout的比较器级212’的输出信号被提供给控制

	RF输出信号x(t)的功率电平Pout的电控衰减器203’的控制输入端，该参考信号表示RF输出信号x(t)的期望输出功率电平Pout的额定功率电平Pref
		202	QAM发射机200和200b的各调制器级204和204E的本机振荡器(LO)，其为正弦振荡器信号c(t)提供可调频率
202’	RF信号发生器200a的本机振荡器(LO)，其为幅度调制器级203’提供正弦振荡器信号c(t)
		203	QAM发射机200b的调制器级204E中的压控衰减器(VCA)，该压控衰减器用于衰减由调制器级204E的本机振荡器202提供的振荡器信号的功率电平Pc
203’	RF信号发生器200a的电控衰减器，例如包括用混合微波集成电路(MIC)技术实现可调电阻器的流控PIN二极管的幅度调制器级，该电控衰减器用于衰减由本机振荡器202’提供的振荡器信号的功率电平Pc
		204	QAM发射机200的调制器级，包括：由本机振荡器202驱动的两个上变换混频器204a+b，用于将要发射的同相(I)和正交(Q)信号从基带直接上变换到RF频带；90度移相器204c，其连接到上变换混频器204a的一个输入端；以及求和元件204d，用于组合两个上变换混频器204a和204b的RF输出信号
204E	QAM发射机200b的调制器级，包括：由本机振荡器202驱动的两个上变换混频器204a+b，用于将要发射的同相(I)和正交(Q)信号从基带直接上变换到RF频带；90度移相器204c，其连接到上变换混频器204a的一个输入端；求和元件204d，用于组合两个上变换混频器204a和204b的RF输出信号；以及压控衰减器203(VCA)，用于衰减由调制器级204E的本机振荡器202提供的振荡器信号的功率电平Pc
		204a	分别由本机振荡器202驱动的调制级204和204E的第一上变

	换混频器，用于将要发射信号的正交(Q)信号从基带直接上变换到RF频带
		204b	由本机振荡器202驱动的调制级204和204E的第二上变换混频器，用于将要发射信号的同相(I)信号从基带直接上变换到RF频带
204c	连接到上变换混频器204a一个输入端的调制级204和204E的90度移相器(希尔伯特变换器)
		204d	调制器级204和204E的求和元件，用于组合两个上变换混频器204a和204b的RF输出信号
205	可变增益功率放大器(PA)，控制QAM发射机200和200b的RF输出信号的功率电平Pout，其增益GPA由比较器级212的输出信号控制(比较图2)，或者通过外部PA控制信号控制(比较图2b)
		206	在QAM发射机200和200b的APC环路201和201E中的定向耦合器，其为APC环路201(201E)提供提取的反馈信号(要发射的RF信号的反射波)
206’	QAM发射机200a的APC环路201S中的定向耦合器，为APC环路200a提供提取的反馈信号(要发射的RF信号的反射波)
		208	分别在APC环路201和201E的反馈链中的宽带检测器二极管，用于检测所述反馈信号的实际功率电平Pout
208’	在APC环路201S的反馈链中用于检测所述反馈信号的实际功率电平Pout的宽带检测器二极管
		208”	用于检测所述反馈信号的实际功率电平Pout的外部自动功率控制(APC)检测器(未示出)
209’	用于产生电流IG的RF信号发生器200a的可控电流源，该电流强度与期望输出功率电平Pout的额定值Pref直接成比例
		210	QAM发射机200(200b)的发射(Tx)天线
212	QAM发射机200(200b)的比较器级，提供有参考信号Vref

	以及由宽带检测器二极管208分别反馈给APC环路201或201E的实际输出功率电平Pout，该参考信号表示RF输出信号的期望输出功率电平Pout的额定功率电平Pref，该比较器级的输出信号被分别提供给功率放大器205(比较图2)或电控衰减器203(比较图2b)的增益控制输入端
		212’	RF信号发生器200a的APC环路的比较器级，提供有参考信号Vvef以及由宽带检测器二极管208反馈给APC环路201S的实际输出功率电平Pout，该参考信号表示RF输出信号的期望输出功率电平Pout的额定功率电平Pref，该比较器级的输出信号被提供给电控衰减器203’的控制输入端(比较图2a)
214a’	外部APC检测器208”的RF信号发生器200a的输入端
		214b’	RF信号发生器200a的RF输出端
300a	示出用在基于TDMA的通信系统中的具有8个时隙的TDMA帧典型结构的示意图，其中每个时隙都具有156.25比特的时隙长度和148比特的突发长度
		300b	示出基于TDMA的通信系统上行链路中的发射信号流的RF输出功率Pout随时间t的突发图的示意图，其中无线RF发射机200(200a，200b)的输出功率必须在相邻时隙TSi和TSj(其中i∈{0，1，2，...，7}并且j:＝(i+1)mod 8)之间向上倾斜到适当电平，或向下倾斜到0，以使在发射期间输出功率电平Pout恒定，以便于不同TDMA信道之间的时分复用
400	根据本发明说明用于稳定要由无线通信设备的QAM发射机200b发射的调制RF信号x(t)的功率电平Pout的方法的流程图
		S	用于选择性地选择内部APC检测器208’或外部APC检测器208”的开关
S0	步骤#0：通过控制QAM发射机200b的调制器级204E中压控衰减器203的衰减系数a来调节实际功率电平Pout，该压控衰减器用于衰减由调制器级204E的本机振荡器202提供的正

	弦振荡器信号c(t)的功率电平Pc
		S1	步骤#1：检测RF输出信号x(t)的实际功率电平Pout
S2	步骤#2：将所述实际功率电平Pout提供给自动功率控制环路201E的反馈链中比较器级212的第一输入端
		S3	步骤#3：比较所述实际功率电平Pout和参考信号Vref，该参考信号表示提供给比较器级212第二输入端的RF输出信号的期望输出功率电平Pout的额定功率电平Pref
S4	步骤#4：通过基于实际功率电平Pout和额定功率电平Pref之间差的大小和符号来控制压控衰减器203的衰减系数a，来补偿RF输出功率Pout的不稳定性
		S1’	步骤#1’：访问集成在无线通信设备中的只读存储器中存储的数据库，该数据库保存关于设备特定硬件公差、由温度漂移dT/dt和电池电压漂移dUbatt/dt引起的影响的信息
S2’	步骤#2’：基于该信息来补偿RF输出功率(Pout)的不稳定性
		S1”	步骤#1”：通过检测与置于功率放大器205电源线中的低欧姆电阻器RM处的电源电流IPA成比例的压降URM来测量功率放大器205的DC电源电流IPA
S2”	步骤#2”：将这个电压URM提供给自动功率控制环路201E的反馈链中比较器级212的第一输入端
		S3”	步骤#3”：比较S3”检测的电压URM与参考信号Vref，该参考信号表示提供给比较器级212第二输入端的RF输出信号x(t)的期望输出功率电平Pout的额定功率电平Pref
S4”	步骤#4”：通过基于检测的电压URM与参考信号Vref之间差的大小和符号来控制压控衰减器203的衰减系数a，来补偿RF输出功率Pout的不稳定性
		S5	步骤#5：通过外部功率放大器控制信号(PA控制)来调节功率放大器205的增益系数GPA

Claims (11)

1.一种在基于时分复用(TDM)的蜂窝网络环境中的无线通信设备的QAM发射机，其中上游方向的每个QAM信道都被细分为预定数量的时分多址(TDMA)信道，并且参与和基站(BS)通信的每个移动终端(MT_i)都被分配到周期性重复的时隙(TS_i)，所述QAM发射机(200b)包括：

-调制器级(204)，其包括：几个由本机振荡器(202)驱动的上变换混频器(204a+b)，用于将复值模拟基带信号(x_LP(t))的同相(I)和正交(Q)信号从所述基带直接上变换到RF频带；90度移相器(204c)，其连接到上变换混频器(204a)的一个输入端；以及求和元件(204d)，用于组合所述上变换混频器(204a+b)的RF输出信号，

-可变增益功率控制器(205)和自动功率控制电路(201E)，用于稳定要在所述功率放大器(205)的输出端发射的RF信号(x(t))的功率电平(P_out)，所述电路(201E)包括提供有参考信号(V_ref)和反馈信号(FS)的比较器级(212)，所述参考信号表示所述RF输出信号(x(t))的期望功率电平(P_out)的额定功率电平(P_ref)，所述反馈信号表示所述RF信号(x(t))的实际功率电平(P_out)，

其特征在于：

置于调制器级(204E)中的压控衰减器(203)，用于衰减由用于直接上变换所述同相(I)和正交(Q)信号的所述本机振荡器(202)提供的近似正弦振荡器信号(c(t))的功率电平(P_c)，从而衰减所述RF输出信号(x(t))的功率电平(P_out)。

2.如权利要求1所述的QAM发射机，其特征在于：

所述自动功率控制电路(201E)实现为闭环电路，其中所述压控衰减器(203)的控制输入端连接到所述比较器级(212)的输出端，并且要发射的所述RF信号(x(t))的检测信号幅度用作所述反馈信号(FS)。

3.如权利要求1所述的QAM发射机，其特征在于：

所述自动功率控制电路(201E)实现为闭环电路，其中所述压控衰减器(203)的所述控制输入端连接到所述比较器级(212)的所述输出端，并且集成在所述QAM发射机(200b)中的功率放大器(205)的电源电流(I_PA)用作所述反馈信号(FS)。

4.如权利要求1所述的QAM发射机，其特征在于：

所述自动功率控制电路(201E)实现为开环电路，其中所述压控衰减器(203)的所述控制输入端连接到提供外部控制信号(PA控制)的微控制器(μC)。

5.一种用于稳定要在集成在无线通信设备的QAM发射机(200b)中的功率放大器(205)的输出端发射的调制RF信号(x(t))的功率电平(P_out)的方法，所述方法在分配给所述无线通信设备的周期性重复时隙(TS_i)的突发周期(T_Burst)期间执行，

其特征在于如下步骤：

通过控制集成在所述QAM发射机200b的调制器级(204E)中的压控衰减器(203)的衰减系数(a)来调节(S0)所述功率电平(P_out)的实际值，所述压控衰减器用于衰减由集成在所述调制器级(204E)中的本机振荡器(202)提供的近似正弦振荡器信号的功率电平(P_c)。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于以下步骤：

-检测(S1)所述RF输出信号(x(t))的实际功率电平(P_out)，

-将所述实际功率电平(P_out)反馈(S2)到自动功率控制环路(201E)的反馈链中的比较器级(212)的第一输入端，

-比较(S3)所述实际功率电平(P_out)与参考信号(V_ref)，所述参考信号表示馈送到所述比较器级(212)第二输入端的所述RF输出信号(x(t))的期望输出功率电平(P_out)的额定功率电平(P_ref)，以及

-通过基于所述实际功率电平(P_out)和所述额定功率电平(P_ref)之间差的大小和符号来控制压控衰减器(203)的衰减系数(a)，来补偿(S4)所述RF输出功率(P_out)的不稳定性。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于以下步骤：

-存取(S1’)存储在集成在所述无线通信设备中的只读存储器中的数据库，所述数据库保存关于设备特定硬件公差、由温度漂移(dT/dt)和电池电压漂移(dU_batt/dt)引起的影响的信息，以及

-基于该信息补偿(S2’)所述RF输出功率(P_out)的不稳定性。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于以下步骤：

-通过检测与置于所述功率放大器(205)的电源线中的低欧姆电阻器(R_M)处的电源电流(I_PA)成比例的压降(U_RM)，来测量(S1”)所述功率放大器(205)的DC电源电流(I_PA)，

-将该电压(U_RM)馈送(S2”)到自动功率控制环路(201E)的反馈链中的比较器级(212)的第一输入端，

-比较(S3”)检测的电压(U_RM)与参考信号(V_ref)，所述参考信号表示馈送到所述比较器级(212)第二输入端的所述RF输出信号(x(t))的期望输出功率电平(P_out)的额定功率电平(P_ref)，以及

-通过基于所述检测电压(U_RM)与所述参考信号(V_ref)之间差的大小和符号来控制压控衰减器(203)的衰减系数(a)，来补偿(S4”)所述RF输出功率(P_out)的不稳定性。

9.如权利要求5-8中任一项所述的方法，其特征在于如下步骤：

通过外部功率放大器控制信号(PA控制)来调节(S5)所述功率放大器(205)的增益系数(G_PA)。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：

所述功率放大器(205)的所述增益系数(G_PA)在周期性重复时隙(TS_i)的突发周期(T_Burst)内设为其最大值，而在所述突发周期(T_Burst)之外设为0，以改进相邻信道隔离。

11.一种在基于时分复用(TDM)的蜂窝网络环境中的无线通信设备，其中上游方向的每个QAM信道都被细分为预定数量的时分多址(TDMA)信道，并且参与和基站(BS)通信的每个移动终端(MT_i)都被分配到预定长度(T_TS)的周期性重复时隙(TS_i)，

其特征在于：

如权利要求1-4中任一项所述的QAM发射机(200b)。

Images