CN1998157B - 高频发射机中的功率调节 - Google Patents
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Abstract
一种用于调节发射机的信号功率的设备包括控制回路(2)，该控制回路(2)包括受控系统(21)、电压检测器(31)、评估电路(32)和输入放大元件(33)。去耦元件(3)将控制回路(2)的输出与下游的电气负载(4)去耦合。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于调节发射机的输出功率的设备和方法，尤其是用于调节射频发射机的输出功率的设备和方法。
背景技术
在采用CMOS工艺生产半导体元件的过程期间，过程参数会有相对大的波动。这导致CMOS半导体元件的部件特性有剧烈波动。在使用CMOS工艺生产的功率放大器的情况下，这导致输出功率相当大的变化。在这种情况下，尤其是在射频发射机中，通常出现几个dB的功率差，在射频发射机中，根据调制信号产生经过调制的并且被放大的射频传输信号。
另外，如果发生温度波动，则半导体元件的特性也发生变化，并且在放大器的情况下，这导致另外的输出功率的波动。
众所周知，模拟控制器可被使用，所述模拟控制器补偿部件特性的取决于温度的波动。然而，COMS半导体元件具有高度复杂的温度响应，该温度响应需要高度复杂性来达到令人满意的结果。此外，这样的控制器并不允许补偿由生产过程引起的部件特性的波动。
另外，众所周知设置控制回路，其中放大器的输出功率被测量，并且该放大器的输入信号被调节。如果放大器输出处的负载由没有更详细地说明的负载形成，诸如是不匹配的天线，则要求有特殊的预防措施，以便降低对功率测量的反应效应，并且这些反应效应能导致被破坏的测量结果。例如，为此目的需要定向耦合器，该定向耦合器必须被布置在外部，也就是说，该定向耦合器不在集成电路之内。因此，这种类型的功率测量增加了部件的数量，这导致了增加的空间要求、增加的整个设备所汲取的电流、以及增加的生产成本。
补偿由生产过程引起的部件特性的波动的又一选择方案是在生产之后单独测量每个发射电路并根据测量结果校准该发射电路。因为过高的成本，所以这种选择方案是不可实行的。
发明内容
本发明的目的是说明一种用于调节发射机(尤其是射频发射机)的信号功率的节省成本的设备和涉及较少工作的方法，该设备和方法能补偿由部件特性的波动引起的信号功率波动。
这个目的通过独立权利要求的特征来实现。本发明的有利的扩展方案和改进方案在从属权利要求中被说明。
本发明利用了以下事实，即如果与负载去耦合地测量电压，则信号功率能借助电压测量间接地被确定。
为此目的，本发明设置具有受控系统、电压检测器、评估电路以及输入放大元件的控制回路，该受控系统产生模拟输出信号，该电压检测器基于该模拟输出信号产生检测器信号，该评估电路接收该检测器信号并产生评估信号，该输入放大元件用于根据该评估信号来放大受控系统的输入信号。本发明还设置去耦元件，该去耦元件被连接在控制回路下游并将控制回路的输出与下游的电气负载去耦合。
其输出功率由其输入电压控制的去耦元件将控制回路的输出与负载去耦，该负载被连接在去耦元件的下游，并且该负载的输入阻抗通常是未知的。因此，去耦元件的输出功率能以一种简单的方式通过在其输入处的电压测量被确定。因此，控制回路能基于去耦元件输入处的单个电压测量来调节去耦元件输出处的信号功率。为此目的，不需要复杂的信号功率测量。
本发明使得无需任何反应而重新调整信号功率的波动成为可能。特别地，尤其是对于受控系统中的部件而言，由生产过程和由温度引起的部件特性的波动和耗散被重新调整。这使得有效地和简单地抵消部件特性中的甚至大的波动成为可能，诸如抵消那些例如在CMOS半导体元件中出现的波动。本发明降低了过程波动对输出功率的影响，而对所汲取的整个电流没有任何负面影响。
根据本发明的一个特别有利的改进方案，去耦元件是放大元件，例如是多级放大器的最后一级，该多级放大器的第一级是受控系统的部分。这种情况下的电压检测器在放大元件的驱动中分接电压，也就是说，在多级放大器的最后一级的驱动中分接电压。
根据本发明的另一有利的改进方案，放大元件具有共射-共基放大器，这导致输入电压与输出功率之间的基本上是线性的关系。这个线性意味着，评估电路可被设计成特别简单的电路。
根据本发明的一个有利的改进方案，来自受控系统的输出信号由交流电压信号形成，特别是由如例如适于传输无线电信号的射频信号形成。这允许电压检测器以特别简单的形式被设计为电压峰值检测器。这种情况下的电压峰值的大小提供去耦元件的输入电压的量度，并且因此也提供去耦元件的输出功率的量度。例如，电压峰值检测器可由交叉耦合的CMOS晶体管形成，这意味着电压测量只需要两个有源部件。这最小化获得电压或功率测量结果的复杂度，以及最小化测量所必需的部件所汲取的电流。
根据本发明的一个优选的改进方案，控制回路和去耦元件被布置在一个集成电路内，并且特别是利用相同的半导体工艺(例如CMOS工艺)来设计。这一方面导致所使用的部件数量被最小化，并且因此导致所需空间被最小化，而且特别是导致根据本发明的设备的功率消耗被最小化。在另一方面，这允许控制回路也补偿去耦元件的部件特性的波动。作为将去耦元件和控制回路一起布置在相同的集成电路内的结果，去耦元件具有部件特性波动，该部件特性波动对应于受控系统中的部件的部件特性波动。这不仅用于由生产过程引起的部件特性波动，而且也用于那些取决于温度的部件特性波动。因此，能使用受控系统中的部件的部件特性的波动来推断去耦元件的部件特性的波动。控制回路内的去耦元件的部件特性的波动和耗散能以简单的方式通过在由评估电路确定评估信号时进行适当加权来补偿。有效监控去耦元件输出处的信号功率因此是可能的。
本发明使得在一个集成电路内实现功率测量是可能的。对于复杂的功率测量不需要借助功率检测器，该功率检测器形成在集成电路的外部的专用部件。这避免了诸如在集成电路外部的部件的复杂线路。
此外，可行的是包括被连接到去耦元件的其它部件的部件特性以及在确定评估信号时的经验值，这些部件诸如下游的放大器，例如通常是外部的放大器。另外，其它变量(诸如温度)可被用于确定评估信号。
根据本发明的一个进一步优选的改进方案，评估电路发出数字评估信号，该数字评估信号可被用来以所定义的步长改变信号功率。
有利地，受控系统的至少一个输入信号同样是数字的，并且输入放大元件包括乘法单元，该乘法单元将该数字评估信号与该至少一个数字输入信号逻辑链接。这允许受控系统的输入信号以简单的方式被放大，并且受控系统的输出功率和去耦元件的输出功率被调节。
附图说明
将在下文参考一个示例性实施例并结合附图更详细地解释本发明，其中：
图1示出射频发射机内的根据本发明的设备的一个示例性实施例；以及
图2示出电压峰值检测器的一个示例性实施例。
具体实施方式
图1示出了射频发射机，该射频发射机将调制信号的I和Q值变换成经过I调制的和经过Q调制的传输信号，将该信号放大，以及将该信号发射给天线4。射频发射机包括数字矢量调制器1、控制回路2和去耦元件3，该去耦元件3具有已知的并且基本上为常数的输入阻抗。控制回路2和去耦元件3位于一个集成电路内，并且使用相同的半导体工艺(例如CMOS工艺)来制造。其它放大元件(未示出)可被连接到去耦元件3，并且同样位于该集成电路上或者被布置在该集成电路的外部。
数字矢量调制器1将数字I和Q值传到控制回路，这些数字I和Q值通过受控系统21内的两个数字/模拟转换器22、22′被转换为两个模拟信号。这两个模拟信号被传到模拟矢量调制器23。本地振荡器产生射频载波信号以及移相90°的载波信号的版本。在模拟矢量调制器23中，这两个射频信号与来自数字/模拟转换器22、22′的两个模拟信号相乘，并被混合以形成经过I/Q调制的传输信号。该传输信号在前置放大器24中被放大，并被传到去耦元件3。去耦元件3包括放大元件。特别地，该前置放大器24与去耦元件3一起形成多级放大器，该多级放大器的最后一级代表去耦元件3。
该调节机构包括电压峰值检测器31、评估电路32以及输入放大元件33。电压峰值检测器31在去耦元件3的输入处和/或在多级放大器24、3的最后一级的驱动中确定射频传输信号中的电压峰值的大小，并且将测量结果或检测器信号传到评估电路32。评估电路32以输出值44的形式产生数字评估信号，该输出值44被传到输入放大元件33。在输入放大元件33中，控制回路的数字输入信号、调制信号的I和Q值在乘法单元34、34′中与数字评估信号(也就是说输出值44)相乘。因此，来自两个数字/模拟转换器22、22′的输出信号一致地被放大，结果，模拟矢量调制器23将相应被放大的传输信号发射给前置放大器24，并且射频发射机将相应被放大的输出信号发射给发射天线4。
电压峰值检测器31将测量信号发射给评估电路32的频率是可变的。电压峰值检测器31有利地给每个所发射的数据单元仅发射一个测量信号，尤其是给每个所发射的数据突发仅发射一个测量信号。测量信号因此是整个数据突发的发射功率的量度。由于每个所发射的数据突发只有一个功率匹配过程发生，并且电压峰值检测器31的积分时间因此比由调幅产生的功率波动的持续时间长很多，所以本发明还可被用于调幅信号的功率调节。评估电路32包括窗口比较器41，该窗口比较器41从电压峰值检测器31接收测量信号。窗口比较器41检查检测器信号是否在规定窗口内，该规定窗口通过上面的和下面的比较电压来限定。如果检测器信号超过或低于该规定窗口，则窗口比较器41将减少的或增加的信号42分别发送给计数器43，该计数器43的计数因此分别被减少或被增加。
数字评估信号或输出值44是基于计数器43的计数来确定的。新的输出值44被确定，以致信号功率以所定义的步长(例如以1.5到2dB为步长)变化。新的输出值44的确定可以包括一权重，该权重考虑到多级放大器24、3的最后一级3(该级被定位在受控系统的外部)以及去耦元件3。此外，当在去耦元件3的下游设置外部放大器时，自平衡过程能被实现。
输出值44能基于软件或硬件由过程控制器(未示出)来确定。为此目的，在最简单的情况下，计数被加到初始输出值，并且总数本身或由总数(例如以适当加权的形式)所计算的值作为输出值44被发射。初始输出值有利地被存储在非易失性存储部件中，以便即使在开始时也能提供输出值44的良好的估计。在最简单的情况下，开始的计数为零。还提供其它确定输出值的算法。例如，输出值能基于该计数与预定加权因子相乘来确定。
在一个优选的实施例中，可能的输出值44被存储在非易失性存储部件(未示出)中，例如被存储在ROM表中。所存储的输出值44已经相对于去耦元件3以及可能其它的放大元件被加权和/或与它们匹配，该去耦元件3位于受控系统之外，该其它放大元件被连接在去耦元件3的下游。计数器43的当前计数确定哪个入口从ROM表中被选择。当计数被减少或被增加时，下一个较低或下一个较高的输出值44从非易失性存储部件(ROM表)中被选择，并被发射到输入放大元件33。基于ROM表确定输出值44也能与基于软件的控制组合。
在进一步优选的实施例中，输出值44和/或关于哪个输出值44最近被使用以及哪个输出值应当在开始被使用的信息被存储在非易失性存储部件中，以便为重新开始提供输出功率的良好的估计。
图2示出了具有交叉耦合的CMOS晶体管T1、T2的电压峰值检测器31的一个示例性实施例。来自受控系统的微分的、模拟输出信号经由接线RFIN、RFINX被注入到电压峰值检测器31中。在射频信号的相应的正和负半周期期间，通过两个晶体管T1、T2的漏源路径交替接通，结果，电容器C1被充电，并且峰值电压U峰值也被分接。此外，在微分射频信号的情况下，需要普通模式的信号Urms用于进行电压测量。这借助于低通滤波器R1或R2和C2来完成。电压峰值检测器31在这种惰况下发射到评估电路32的测量结果或检测器信号包括两个测量值U峰值和Urms。
Claims (27)
1.一种用于调节发射机的信号功率的设备，该设备具有控制回路(2)，该控制回路(2)包括
-受控系统(21)，该受控系统(21)接收数字输入信号并产生模拟输出信号，
-电压检测器(31)，该电压检测器(31)基于该模拟输出信号确定检测器信号，
-评估电路(32)，该评估电路(32)接收该检测器信号并产生数字评估信号，其中所述评估电路(32)具有窗口比较器(41)，该窗口比较器(41)接收所述检测器信号，所述评估电路(32)具有计数器(43)，当所述检测器信号超过或低于规定窗口时，所述窗口比较器(41)将减少信号或增加信号(42)发射到该计数器(43)，从而分别减少或者增加该计数器(43)的计数，并且基于所述计数来确定来自所述评估电路(32)的数字评估信号的输出值(44)，以及
-输入放大元件(33)，该输入放大元件(33)用于根据该评估信号放大受控系统(21)的数字输入信号，其中，该输入放大元件(33)包括乘法单元(34，34′)，该乘法单元(34，34′)将数字评估信号与数字输入信号相乘，
并且该设备具有去耦元件(3)，该去耦元件(3)将该控制回路(2)的输出与下游的电气负载(4)去耦合。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述去耦元件(3)包括放大元件。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述放大元件(3)的输出处的信号功率基本上线性地取决于所述放大元件(3)的输入处的电压。
4.如权利要求1至3之一所述的设备，其特征在于，来自所述受控系统(21)的输出信号是交流电压信号。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，交流电压信号是射频信号。
6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电压检测器(31)包括电压峰值检测器。
7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述电压峰值检测器(31)具有跨接CMOS晶体管。
8.如权利要求1至3之一所述的设备，其特征在于，所述设备整体地被布置在一个集成电路内。
9.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述评估电路(32)具有非易失性存储元件，其中，存储初始输出值(44)，并且所述数字评估信号的输出值(44)的确定包括将所述计数器(43)的计数增加到所述初始输出值(44)。
10.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述评估电路(32)具有非易失性存储部件，其中，所述数字评估信号的输出值被存储，以及其中，基于所述计数选择一个输出值(44)。
11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，非易失性存储部件是ROM表。
12.如权利要求1至3之一所述的设备，其特征在于，所述受控系统(21)具有数字/模拟转换器(22，22′)，该数字/模拟转换器(22，22′)将受控系统(21)的数字输入信号转换成模拟信号。
13.如权利要求1至3之一所述的设备，其特征在于，所述受控系统(21)包括模拟矢量调制器(23)。
14.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述受控系统(21)包括使用CMOS工艺制造的矢量调制器。
15.如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述数字输入信号包括调制信号的I和Q值，以及所述模拟输出信号代表经过I/Q调制的传输信号。
16.如权利要求1至3之一所述的设备，其特征在于，所述受控系统(21)包括前置放大元件(24)。
17.如权利要求16所述的设备，其特征在于，所述受控系统(21)包括使用CMOS工艺制造的前置放大元件。
18.如权利要求16所述的设备，其特征在于，所述前置放大元件(24)和所述去耦元件(3)一起形成多级放大器。
19.一种射频发射机，其包括如权利要求1至3之一所述的设备，该设备的输出被连接到发射天线(4)。
20.一种用于调节发射机的信号功率的方法，其中，在控制回路(2)中，
-受控系统(21)接收数字输入信号和产生模拟输出信号，
-电压检测器(31)基于该模拟输出信号确定检测器信号，
-评估电路(32)接收该检测器信号和产生数字评估信号，其中窗口比较器(41)接收所述检测器信号，当所述检测器信号超过或低于规定窗口时，所述窗口比较器(41)将减少信号或增加信号(42)发射给计数器(43)，从而，分别减少或增加该计数器(43)的计数，并且来自所述评佶电路的数字评估信号的输出值(44)基于所述计数来确定，以及
-输入放大元件(33)根据该评估信号放大受控系统(21)的数字输入信号，其中，该输入放大元件(33)包括乘法单元(34，34′)，该乘法单元(34，34′)将数字评估信号与该数字输入信号相乘，
以及具有去耦元件(3)，该去耦元件(3)将该控制回路(2)的输出与下游的电气负载(4)去耦合。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述去耦元件(3)包括放大元件，该放大元件发射信号功率，该信号功率基本上线性地取决于所述放大元件的输入处的电压。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述调节方法的整个过程在一个集成电路内被实现。
23.如权利要求20所述的方法，其特征在于，初始输出值(44)被存储在非易失性存储部件中，并且所述输出值(44)的确定包括将所述计数器(43)的计数增加到所述初始输出值。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述数字评估信号的输出值(44)被存储在非易失性存储元件中，并且基于所述计数选择一个输出值(44)。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，非易失性存储元件是ROM表。
26.如权利要求20至22之一所述的方法，其特征在于，所述数字输入信号包括调制信号的I和Q值，并且所述模拟输出信号代表经过I/Q调制的传输信号。
27.一种用于如权利要求19所述的射频发射机的操作方法，该操作方法包括如权利要求20至22之一所述的方法。
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2006
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