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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Mobilkommunikationssysteme
und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Minimieren des
Leistungsverbrauchs in einem Mobilkommunikations-Endgerät durch
Steuern der Vorspannung/des Ruhestroms eines Hochfrequenz-Leistungsverstärkers.
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In
einem Mobilkommunikations-Endgerät sind
die lineare Kennlinie und der Leistungsverbrauch von primärem Belang
bei der Konzipierung eines Leistungsverstärkers. Das heißt, der
Leistungsverstärker
wird unter Berücksichtigung
des Leistungswirkungsgrads und der Linearität bei maximalem HF- (Hochfrequenz)
Ausgang konzipiert. Ein Leistungsverstärker der Klasse AB wird im
Allgemeinen verwendet, um die Doppelanforderung von höchstem Leistungswirkungsgrad
und Linearität
zu erfüllen.
Dann wird eine entsprechende Impedanzanpassung und ein Vorspannungszustand
für jede
Verstärkungsstufe
bestimmt. Das Mobilkommunikations-Endgerät wird jedoch nicht immer mit
der maximalen Ausgangsleistung betrieben und sein Sendeausgang kann
je nach Entfernung von einer Basisstation und seiner Geschwindigkeit
schwanken. Bei Entfernungen, die näher an der Basisstation liegen, ist
die Sendeleistung des Mobilkommunikations-Endgeräts reduziert. Wenn im Gegensatz
dazu das Mobilkommunikations-Endgerät weiter von der Basisstation
entfernt ist, wobei es sich immer noch innerhalb eines Radius einer
Zelle befindet oder sich seine Geschwindigkeit erhöht, wird
ein HF-Ausgang gesendet, der sich dem maximalen Ausgang des Verstärkers nähert.
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1 ist
ein Blockschaltbild, das einen herkömmlichen Leistungsverstärker darstellt,
dem eine feste Vorspannung und ein fester Ruhestrom zugeführt werden,
um den maximalen Ausgang eines Mobilkommunikations-Endgeräts zu erhalten.
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Unter
Bezugnahme auf 1 verstärken die Verstärker 101 und 102 ein
HF-Eingangssignal gemäß einer
Eingangsvorspannung und einem Ruhestrom, die jeweils einen festen
Wert aufweisen. Eine Energieversorgung 103 führt die
feste Vorspannung den Verstärkern 101 und 102 zu.
Ein Stromregler 104 führt
den festen Ruhestrom den Verstärkern 101 und 102 zu.
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Der
in der oben beschriebenen Weise konstruierte Leistungsverstärker wird
mit einer festen Vorspannung und einem festen Ruhestrom betrieben.
Allerdings zeigt ein derartiger Leistungsverstärker einen bemerkenswert reduzierten
leistungserhöhten
Wirkungsgrad (Power Added Efficiency) (PAE, das heißt, das
Verhältnis
einer Wechselstrom-Ausgangsleistung minus einer Wechselstrom-Eingangsleistung
zu einer Gleichstromleistung des Leistungsverstärkers) auf seinem niedrigen
Ausgangsleistungspegel, wie durch die grafische Darstellung von 6 angegeben.
Die Darstellung mit der gepunkteten Linie zeigt den PAE, wobei die
Vorspannung und der Ruhestrom auf vorgegebenen Werten fest sind,
um den maximalen HF-Ausgang zu erhalten. Die grafische Darstellung
zeigt, dass unnötige
Gleichstromleistung verbraucht wird, weil der Leistungsverstärker der
Klasse AB, der normalerweise um den maximalen Ausgangspegel arbeitet,
im Modus Klasse A arbeitet, wenn der Ausgangspegel abnimmt. Ein
vorgeschlagenes Verfahren zum Lösen dieses
Problems besteht darin, einen Leistungsverstärker selektiv auf einem niedrigen
Ausgangspegel und einem hohen Ausgangspegel zu betreiben, indem
Schaltverstärker
verwendet werden, die entweder in Reihe oder parallel geschaltet
sind.
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2 ist
ein Blockschaltbild, das einen weiteren herkömmlichen Leistungsverstärker darstellt,
in welchem Verstärker
parallel geschaltet sind. In 2 werden
parallel geschaltete Verstärker
gemäß einem gewünschten
Ausgangspegel, (d.h. hoch oder niedrig), geschaltet.
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Unter
Bezugnahme auf 2 erfasst ein RSSI- (Empfangssignalstärken-Anzeige)
Detektor 206 eine Stärke
eines Signals, das von einer (nicht gezeigten) Basisstation empfangen
wird, und informiert eine Steuereinheit 205 über die
erfasste Signalstärke.
Die Steuereinheit 205 steuert Schalter 201 und 207,
um einen entsprechenden Verstärker
gemäß dem Ausgang
des RSSI-Detektor 206 zu aktivieren, und steuert des Weiteren
eine Energieversorgung 208, um dem aktivierten Verstärker Energie
zuzuführen.
Die Schalter 201 und 207 schalten ein HF-Eingangssignal
unter der Steuerung der Steuereinheit 205 zu den Verstärkern 202 und 203 oder
dem Verstärker 208.
Die Energieversorgung 208 führt dem Verstärker 203 und 203 oder
dem Verstärker 204 eine
feste Spannung zu. Für
die nicht-ausgewählten Verstärker, (d.h. 202, 203 oder 204),
ist die Spannung abgeschaltet. Die Verstärker 202, 203 und 204 werden
verwendet, um das HF-Eingangssignal paarweise zu verstärken (pair
amplify).
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Im
Betrieb erfasst der RSSI-Detektor 206 die Stärke eines
empfangenen Signals. Wenn die erfasste Signalstärke größer ist als ein vorgegebener
Pegel, steuert die Steuereinheit 205 die Schalter 201 und 207,
um das HF-Eingangssignal über
den Verstärker 204 zu
verstärken,
der einen niedrigen Ausgangspegel aufweist, und um das verstärkte Signal an
einen HF-Ausgangsanschluss RFout auszugeben, und setzt gleichzeitig
eine variable Netzspannung Va1 auf 0 Volt. Wenn die erfasste Signalstärke kleiner
ist als ein vorgegebener Pegel, steuert die Steuereinheit 205 die
Schalter 201 und 207, um das HF-Eingangssignal über die
Verstärker 203 und 203 zu
verstärken,
die einen hohen Ausgangspegel aufweisen, und um das verstärkte Signal
an den HF-Ausgangsanschluss RFout auszugeben, und setzt gleichzeitig
eine variable Netzspannung Va2 auf 0 Volt. Und zwar wird für einen
niedrigen Ausgangspegel der Verstärker, der eine niedrige Gleichstromleistung
abführt,
dazu verwendet, eine unnötige
Verlustleistung zu unterdrücken,
indem die Energie abgeschaltet wird, die dem Verstärker zugeführt wird, der
für eine
hohe Gleichstromleistung notwendig ist.
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Ein
Schaltverfahren für
in Reihe geschaltete Verstärker
ist dem beschriebenen parallelen Schaltverfahren ähnlich und
wird daher hierin nicht im Detail beschrieben. Kurz gesagt kann
der Gleichstrom-Leistungsverbrauch für einen niedrigen Ausgangspegel
reduziert werden, indem eine Vorspannung abgeschaltet wird, die
einem Ausgangsanschluss-Verstärker
in seriell geschalteten Verstärkern zugeführt wird.
Hier wird ein HF-Signal
an einem vorderen Anschluss verstärkt, der an dem Ausgangsanschluss-Verstärker geschaltet
und zu einem HF-Ausgangsanschluss RFout überbrückt wird.
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Die
oben genannten Schaltverfahren stellen keine vollständige Lösung bereit,
da sie unter den folgenden Problemen leiden. Erstens steigen die
Kosten und erhöht
sich das Volumen auf Grund eines zusätzlichen parallel geschalteten
Verstärkers.
Des Weiteren ist es schwierig, den Wirkungsgrad des Verstärkers auf
Grund der festen Vorspannung und des festen Ruhestroms zu optimieren.
Zweitens wird eine Schaltung kompliziert, wenn mehr als zwei Ausgangspegel
vorhanden sind. Obwohl Lösungen
des bisherigen Stands der Technik den Wirkungsgrad innerhalb eines
begrenzten Bereichs erhöhen
können, bleibt
die Optimierung des Wirkungsgrads schwierig.
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US 5,627,857 schlägt ein Verfahren
für linearisierte,
digitale automatische Verstärkungsregelung
(AGC) in einem Radio vor, das einen Sende-AGC-Verstärker, einen
Emp fangs-AGC-Verstärker,
eine Sende-Linearisierungseinrichtung, die eine Vielzahl von Sende-Flankenwerten
und eine Vielzahl von Sende-Offsetwerten umfasst, und eine Empfangs-Linearisierungseinrichtung,
die eine Vielzahl von Empfangs-Flankenwerten und eine Vielzahl von Empfangs-Offsetwerten
umfasst, aufweist, wobei ein RSSI-Detektor ein digitales Leistungspegelsignal
aus einem empfangenen Signal erzeugt, ein Integrator das digitale
Leistungspegelsignal integriert, um ein digitales AGC-Einstellsignal
zu generieren, wobei die Linearisierungseinrichtungen, die eine
Vielzahl von Flankenwerten und Offsetwerten aufweisen, liniearisierte
Empfangs- bzw. Sende-Einstellsignale in Reaktion auf einen entsprechenden
der Flankenwerte und einen entsprechenden der Offsetwerte erzeugen,
und Wandler die linearisierten digitalen Empfangs- bzw. Sende-Einstellsignale in
analoge Empfangs- bzw. Sende-Einstellsignale umwandeln, um die Verstärkung des
Empfangs- bzw. Sende-AGC-Verstärkers
zu steuern.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung mit
höherem
Leistungswirkungsgrad und ein Verfahren zum Steuern der Ausgangsleistung
eines Mobilkommunikations-Endgeräts
bereitzustellen.
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Die
Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden von den abhängigen Ansprüche definiert.
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Gemäß einem
Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vorrichtung
zum Steuern eines Ausgangsleistungspegels in einem Mobilkommunikations-Endgerät zum Senden
eines HF-Signals, das durch einen Leistungsverstärker über eine Antenne verstärkt wird,
und zum Empfangen eines Signals von einer Basisstation über die
Antenne einen RSSI-Detektor zum Erfassen einer Stärke eines Signals,
das von der Basisstation empfangen wird, und eine Steuereinheit,
die einen Speicher zum Speichern von Vorspannungs-Regelungswerten
und Ruhestrom-Regelungswerten aufweist, die Stärken von empfangenen Signalen
entsprechen, wobei die Steuereinheit den entsprechenden Vorspannungs-Regelungswert
und Ruhestrom-Regelungswert in Reaktion auf die erfasste Signalstärke liest
und die gelesenen Werte dem Leistungsverstärker als Steuersignale zuführt.
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In
einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein
Verfahren zum Steuern eines Ausgangsleistungspegels in einem Mobilkommunikations-Endgerät bereitgestellt,
das einen Speicher zum Speichern von Vorspannungs-Regelungswerten
und Ruhestrom-Regelungswerten, die Stärken von empfangenen Signalen
entsprechen, einen Leistungsverstärker zum Verstärken eines
HF-Signals und eine Antenne zum Senden des durch den Leistungsverstärker leistungsverstärkten HF-Signals und
zum Empfangen eines Signals von einer Basisstation aufweist. Das
Verfahren umfasst die Schritte des Erfassens einer Stärke eines
Signals, das von der Basisstation empfangen wird, des Auslesens
des entsprechenden Vorspannungs-Regelungswerts und Ruhestrom-Regelungswerts
aus dem Speicher in Reaktion auf die erfasste Signalstärke und
des Zuführens
des ausgelesenen Vorspannungs-Regelungswerts und Ruhestrom-Regelungswertes zu
dem Leistungsverstärker.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
oben genannten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung gehen deutlicher aus der folgenden ausführlichen Beschreibung
im Zusammenhang mit den folgenden begleitenden Zeichnungen hervor:
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1 ist
ein Blockschaltbild, das eine herkömmliche Leistungsverstärker-Auslegung
zeigt, wobei eine feste Vorspannung und ein fester Ruhestrom zugeführt werden,
um den maximalen Ausgang eines Mobilkommunikations-Endgeräts zu erhalten;
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2 ist
ein Blockschaltbild, das eine weitere herkömmliche Leistungsverstärker-Auslegung zeigt,
in welcher Verstärker
parallel geschaltet sind;
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3 ist
ein Blockschaltbild, das eine Vorrichtung zur Leistungssteuerung
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zum kontinuierlichen Steuern einer Vorspannung
und eines Ruhestroms zeigt, um einen maximalen Wirkungsgrad in Bezug
auf Ausgangspegel zu erhalten;
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4 ist
ein detailliertes Schaltbild der in 3 gezeigten
Leistungsverstärker;
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5 ist
ein Diagramm einer Vorspannung und einer Ruhestrom-Steuerspannung
als eine Funktion eines Sendeleistungspegels, um in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung einen maximalen Wirkungsgrad zu erhalten;
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6 ist
ein Diagramm eines leistungserhöhten
Wirkungsgrads (PAE) als eine Funktion des Sendeleistungs-Ausgangspegels
sowohl für
eine herkömmliche
feste Vorspannungssteuerung als auch eine variable Vorspannungssteuerung
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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7 ist
ein Diagramm, welches ein Nachbarkanal-Leistungsverhältnis (ACPR)
als eine Funktion des Sendeleistungs-Ausgangspegels sowohl für eine herkömmliche
feste Vorspannungssteuerung als auch eine variable Vorspannungssteuerung
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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8 ist
ein Diagramm, das eine Leistungsverstärkung als eine Funktion eines
Sendeleistungs-Ausgangspegels zeigt, der eine variable Vorspannungssteuerung
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung verwendet.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird hierin im Folgenden unter Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung
werden bekannte Konstruktionen oder Funktionen nicht im Detail beschrieben,
um die vorliegende Erfindung nicht unübersichtlich zu machen.
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Wenn
Verstärker
in Reihe oder parallel geschaltet sind für einen Schaltausgang gemäß einem gewünschten
Ausgangsleistungspegel, ist es im Allgemeinen schwierig, eine Schaltung
zum Steuern von mehr als zwei Leistungspegeln zu konstruieren. Derzeit
kann eine abgegebene Leistung nur auf ein paar Leistungspegeln gespeichert
werden. Mit anderen Worten, wenn die Ausgangsleistungspegel, an denen
der Wirkungsgrad verbessert wird, auf irgendeine Weise begrenzt
oder eingeschränkt
werden, kann der Leistungsverbrauch-Wirkungsgrad nicht optimiert
werden.
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Wenn
es möglich
ist, eine Mindest-Gleichstrom-Vorspannungsleistung (minimum DC bias
power) innerhalb des Bereichs fortgesetzter Linearität entlang
aller Bereiche zu variieren, an denen Ausgangsleistungspegel variiert
werden, kann der Verbrauch einer Gleichstromleistung minimiert werden. Dazu
sollten die Merkmale eines Leistungsverstärkers genau verstanden und
eine entsprechende Steuerung berücksichtigt
werden.
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Wenn
die oben genannten Anforderungen erfüllt sind, das heißt, wenn
die Vorspannung und der Ruhestrom in eine Spannung und einen Strom
zum Maximieren des Wirkungsgrads geändert werden können, kann
der Leistungsverbrauch-Wirkungsgrad optimiert werden, ohne ein Umschalten
zu erfordern. Im Allgemeinen ist ein S-Parameter eines Transistors für eine Änderung
eines Vorspannungszustands nicht empfindlich. Dies bedeutet, dass
der maximale Ausgang mit dem geänderten
Vorspannungszustand und der entsprechenden Impedanz für Linearität nicht
in hohem Maße
geändert
werden. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuerverfahren zum
Minimieren einer Gleichstromleistung basierend auf einem Empfangssignalpegel.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Steuern einer
Vorspannung und eines Ruhestroms bereit, die dem Leistungsverstärker gemäß einem
gewünschten
Ausgangsleistungspegel des Senders zugeführt werden.
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Eine
in 3 gezeigte Steuereinheit 304 in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung umfasst einen Speicher zum Speichern
von Werten, die zum Minimieren des Gleichstromleistungsverbrauchs
der Leistungsverstärker 302 und 303 benötigt werden.
Das heißt,
der Speicher speichert Vorspannungs-Regelungswerte, Ruhestrom-Regelungswerte
und automatische Verstärkungs-
(AGC) Regelungswerte eines AGC-Verstärkers, um ein Sendesignal zu
erhalten, das einen optimalen Ausgangsleistungswert in Reaktion
auf die Stärke
eines empfangenen Signals aufweist. Die Vorspannungs-Regelungswerte, Ruhestrom-Regelungswerte und
AGC-Werte werden durch Versuch bestimmt, und sie können als
Spannungswerte ausgedrückt werden,
wie durch ein Diagramm in 5 dargestellt.
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Unter
Bezugnahme auf 3 wird eine Vorrichtung zur
Leistungssteuerung zum kontinuierlichen Steuern einer Vorspannung
und eines Ruhestroms gezeigt, um einen maximalen Leistungswirkungsgrad
gemäß einem
gewünschten
Sender-Ausgangsleistungspegel in einem Mobilkommunikations-Endgerät zu erhalten.
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In
der Vorrichtung zur Leistungssteuerung von 3 empfängt eine
(nicht gezeigte) Antenne ein Signal, das von einer Basisstation
gesendet wird, oder sendet ein leistungsverstärktes HF-Signal, (d.h. Sendesignal),
zu der Basisstation. Ein RSSI-Detektor 305 erfasst eine
Stärke
eines Signals, das von der Basisstation empfangen wird, und informiert
die Steuereinrichtung 304 über die erfasste Signalstärke. Die
Steuereinrichtung 304 liest den Vorspannungs-Regelungswert,
Ruhestrom-Regelungswert und AGC-Wert, die in ihrem internen Speicher
gespeichert sind, gemäß der Signalstärke, über die durch
den RSSI-Detektor 305 informiert wurde, und führt diese
Werte einem entsprechenden Element zu. Der Vorspannungs-Regelungswert
und Ruhestrom-Regelungswert werden verwendet, um eine Vorspannung
und einen Ruhestrom zu steuern, die für die Leistungsverstärker 302 und 303 erforderlich sind.
Das heißt,
es lässt
sich sagen, dass ein Leistungspegel der letzten Ausgangsstufe (RFout)
durch eine Leistungsverstärkung
der Leistungsverstärker 302 und 303 bestimmt
wird, die durch den Ruhestrom-Regelungswert und den Vorspannungs-Regelungswert
gesteuert werden, und durch die Leistungsverstärkung des AGC-Verstärkers 307,
der durch den automatischen Verstärkungsregelungswert gesteuert
wird. Dementsprechend werden der Vorspannungs-Regeiungswert und der Ruhestrom-Regelungswert
als ein Regelungswert zum Steuern der optimalen Vorspannung und
des optimalen Ruhestroms verwendet, die in den Leistungsverstärkern 302 und 303 erforderlich
sind. Und der AGC-Wert ist ein Regelungswert zum Steuern der Leistungsverstärkung des
AGC-Verstärkers 307,
um den Leistungspegel zu erhalten, der in der letzten Ausgangsstufe
(RFout) erforderlich ist. Zu diesem Zeitpunkt sollte der AGC-Wert
auf Basis der Leistungsverstärkung
der Leistungsverstärker 302 und 303 bestimmt
werden, die durch den Vorspannungs-Regelungswert und den Ruhestrom-Regelungswert
geändert
wurde. Um diese Regelungswerte als eine Form von Spannungswerten
zu verwenden, sollte die Steuereinheit 304 eine Konfiguration aufweisen,
um Spannungswerte intern oder getrennt zu erzeugen. Die Steuereinheit 304 kann
in einem Mobilstationsmodem (MSM) enthalten sein oder eine zusätzliche
ASIC-Schaltung verwenden. Eine variable Energieversorgung 301 wird
durch den Vorspannungs-Regelungswert gesteuert, der von der Steuereinheit 304 zugeführt wird,
und führt
den Verstärkern 302 und 303 eine
Vorspannung zu, um ihren Leistungswirkungsgrad zu maximieren. Der
AGC-Verstärker 307 wird
durch den AGC-Wert gesteuert, der von der Steuereinheit 304 zugeführt wird,
und steuert eine Verstärkung
eines ZF- (Zwischenfrequenz) Eingangssignals. Ein Mischoszillator 308 generiert
eine Trägerwelle,
die einem Frequenzwandler 309 zugeführt werden soll. Der Frequenzwandler 309 multipliziert
den Ausgang des AGC-Verstärkers 307 mit
der Trägerwelle,
die von dem Mischoszillator 308 ausgegeben wird, um ein
aufwärtsgewandeltes
HF-Signal auszugeben. Ein Steuerverstärker (driving amplifier) 310
verstärkt
den HF-Signalausgang vom Frequenzwandler 309. Die Leistungsverstärker 302 und 302 verstärken den
HF-Signalausgang von dem Steuerverstärker 310 entsprechend
einem Vorspannungsausgang von der variablen Energieversorgung 301 und
einem Ruhestrom, der durch einen Ruhestrom-Regelungswert bestimmt wird, der von
der Steuereinheit 304 ausgegeben wird, wodurch ein Sendesignal,
(d.h. HF-Ausgangssignal), ausgegeben wird, das einen gewünschten
Ausgangsleistungspegel aufweist. Dies ist möglich, weil die Vorspannung und
der Ruhestrom der Leistungsverstärker 302 und 303 durch
den experimentellen Vorspannungs-Regelungswert und den Ruhestrom-Regelungswert
gesteuert werden, die in dem Speicher der Steuereinheit 304 gespeichert
sind. Eine Technik zum Steuern des Ruhestroms durch den Ruhestrom-Regelungswert
ist dem Fachmann bekannt, und daher wird keine weitere Beschreibung
angegeben.
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Daher
optimiert die Leistungssteuerungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
den Leistungswirkungsgrad der Leistungsverstärker 302 und 303 durch
den Vorspannungs-Regelungswert und Ruhestrom-Regelungswert entsprechend
der erfassten Stärke
des empfangenen Signals und steuert die Verstärkung des AGC-Verstärkers 307 durch
den AGC-Wert entsprechend der erfassten Stärke des empfangenen Signals.
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Die
detaillierte Konfiguration der Leistungsverstärker 302 und 303 ist
in 4 gezeigt.
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Unter
Bezugnahme auf 4 ist ein HF-Eingangsanschluss
RFin an die Basis eines ersten Transistors TR1 über einen Kondensator C1 und
eine Eingangsanschluss-Abgleichschaltung 401 angeschlossen,
die miteinander in Reihe geschaltet sind. Der Kondensator C1 koppelt
ein Eingangssignal, und die Eingangsanschluss-Abgleichschaltung 401 gleicht eine
Impedanz zwischen dem HF-Eingangsanschluss RFin und dem ersten Transistor
TR1 ab. Ein Ruhestrom-Steuerspannungs- Vbias_cntl Anschluss ist
an die Basis des ersten Transistors TR1 über einen induktiven Widerstand
L1 und einen Widerstand R1 angeschlossen, die miteinander in Reihe
geschaltet sind. Ein Kondensator C2 ist zwischen dem Ruhestrom-Steuerspannungs-
Vbias_cntl Anschluss und einer Masse angeschlossen. Der Kondensator
C2 dient zum Eliminieren von Rauschen. Der indukti ve Widerstand
L1 ist ein HF-Glättungselement
(RF choke element), und der Widerstand R1 ist ein Strombegrenzungselement.
Ein Steuerspannungsanschluss zum Anlegen einer Vorspannung Vc ist
an den Kollektor des ersten Transistors TR1 über einen induktiven Widerstand
L2 angeschlossen. Ein Kondensator C3 ist zwischen dem Vorspannungs-Steuerspannungsanschluss
und der Masse angeschlossen. Der Kondensator C3 dient zum Eliminieren
von Rauschen. Der induktive Widerstand L2 ist ein HF-Glättungselement.
Der Emitter des ersten Transistors TR1 ist an die Masse angeschlossen,
und sein Kollektor ist an die Basis eines zweiten Transistors TR2 über einen
Kondensator C4 und eine dazwischen liegende Anschlussabgleichschaltung
(terminal matching circuit) 402 angeschlossen, die miteinander
in Reihe geschaltet sind. Der Kondensator C4 dient zum Koppeln des
Ausgangssignals des ersten Transistors TR1, und die dazwischen liegende
Anschlussabgleichschaltung 402 dient zum Abgleichen einer
Impedanz zwischen dem Ausgangsanschluss des ersten Transistors TR1
und dem Eingangsanschluss des zweiten Transistors TR2. Ein Ruhestrom-Steuerspannungs-
Vbias_cntl Anschluss ist an die Basis des zweiten Transistors TR2 über einen
induktiven Widerstand L4 und einen Widerstand R2 angeschlossen,
die miteinander in Reihe geschaltet sind. Ein Kondensator C5 ist
zwischen dem Ruhestrom-Steuerspannungs- Vbias_cntl Anschluss und der
Masse angeschlossen. Der Kondensator C5 dient zum Eliminieren von
Rauschen. Der induktive Widerstand L5 ist ein HF-Glättungselement,
und der Widerstand R2 ist ein Strombegrenzungselement. Eine Vorspannung
Vc wird an einem Vorspannungs-Steuerspannungsanschluss an den Kollektor des
zweiten Transistors TR2 über
einen induktiven Widerstand L5 angelegt. Ein Kondensator C6 ist
zwischen dem Vorspannungs-Steuerungsanschluss und der Masse angeschlossen.
Der Kondensator C6 dient zum Eliminieren von Rauschen. Der induktive Widerstand
L5 ist ein HF-Glättungselement.
Der Emitter des zweiten Transistors TR2 ist an die Masse angeschlossen,
und sein Kollektor ist an einen HF-Ausgangsanschluss RFout über eine
Ausgangsanschluss-Abgleichschaltung 403 und einen Kondensator
C7 angeschlossen, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Die
Ausgangsanschluss-Abgleichschaltung 403 dient zum Abgleichen
einer Impedanz zwischen dem zweiten Transistor TR2 und dem Ausgangsanschluss
RFout. Der Kondensator C7 dient zum Koppeln des Ausgangssignals
von der Ausgangsanschluss-Abgleichschaltung 403.
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In 4 wird
der Vorspannungs- Vc Ausgang von der variablen Energieversorgung 301 zu
jedem Kollektor, (bzw. Drain, wenn FETs verwendet werden), des ersten
und des zweiten Transistors TR1 und TR2 zugeführt, und die Ruhestrom-Steuerspannung
Vbias_cntl wird als ein Analogsignal an jede Basis, (bzw. jedes
Gate, wenn FETs verwendet werden), davon von der Steuereinheit 304 angelegt.
Allerdings kann eine entsprechende Vorspannung an jede Basis (bzw.
jedes Gate) der Transistoren TR1 und TR2 von der variablen Energieversorgung 301 unter
der Steuerung der Steuereinheit 304 angelegt werden, um
die Ruhestrom-Steuerspannung Vbias_cntl zuzuführen.
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Der
Betrieb der Vorrichtung zur Leistungssteuerung zum kontinuierlichen
Steuern einer Vorspannung und eines Ruhestroms gemäß einem
gewünschten
Sende-Ausgangsleistungspegel wird im Folgenden unter Bezugnahme
auf 3 und 4 beschrieben.
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Unter
erneuter Bezugnahme auf 3 wird ein Signal, das von der
Basisstation gesendet wird, dem RSSI-Detektor 305 über eine
(nicht gezeigte) Antenne zugeführt.
Der RSSI-Detektor 305 erfasst eine Stärke des Signals, das über die
Antenne empfangen wird, und informiert die Steuereinrichtung 304 über die
erfasste Signalstärke.
Die Steuereinrichtung 304 liest dann in Reaktion auf die
erfasste Signalstärke
den Vorspannungs-Regelungswert und Ruhestrom-Regelungswert für den maximalen
Leistungswirkungsgrad aus ihrem internen Speicher aus.
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Der
gelesene Vorspannungs-Regelungswert wird der variablen Energieversorgung 301 zugeführt, so
dass die Vorspannung, die von dort ausgegeben wird, dem Kollektor
(bzw. dem Drain) der Leistungsverstärker 302 und 303 zugeführt werden
kann. Der gelesene Ruhestrom-Regelungswert wird der Basis (bzw.
dem Gate) zugeführt,
so dass der Strom durch den Ruhestrom-Regelungswert gesteuert werden kann.
Das heißt,
die Steuereinheit 304 führt
den Vorspannungs-Regelungswert und Ruhestrom-Regelungswert jeweils
der variablen Energieversorgung 301 und einem Basis-Vorspannungs-Steueranschluss 306 zu,
so dass die Vorspannung und Ruhestrom-Steuerspannung, die in 5 dargestellt
sind, den Verstärkern 302 und 303 zugeführt werden.
Die Vorspannung wird direkt als ein Kollektor- (bzw. Drain-) Spannungs-Steuersignal
dem Kollektor jedes der Transistoren TR1 und TR2 von der variablen
Energieversorgung 301 zugeführt. Der Ruhestrom wird gesteuert,
indem der Strom variiert wird, der in jeden Transistor gemäß einer
Spannung des Ruhestrom-Steuerungswerts fließt, der an die Basis (bzw. das
Gate) angelegt wird.
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Die
Entsprechung zwischen der Vorspannung und Ruhestrom-Steuerspannung,
die in 5 gezeigt sind, und dem gewünschten Senderausgangspegel
wird in dem Speicher der Steuereinheit 304 als Daten gespeichert
oder als eine Funktion programmiert. Und zwar veranschaulicht 5 die
Beziehung zwischen einem Sendeleistungspegel Pout eines Sendesignals,
(d.h. HF-Ausgangssignals), der durch die Signalstärke erforderlich
ist, die von dem RSSI-Detektor 305 erfasst wird, und dem
Vorspannungs-Regelungswert und Ruhestrom-Regelungswert zum Erzielen
eines maximalen Wirkungsgrads. Der Vorspannungs-Regelungswert und
Ruhestrom-Regelungswert sind Steuerwerte, die für einen maximalen Wirkungsgrad
des Sendeleistungspegels notwendig sind, der durch Versuch bestimmt
wird. Daher werden der Vorspannungs-Regelungswert und Ruhestrom-Regelungswert
durch Versuch durch die Stärke
des empfangenen Signals bestimmt und in dem Speicher der Speichereinheit 304 gespeichert.
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Ein
Vorgang zum Ausgleichen einer Verstärkung, die durch die Steuerung
der Leistungsverstärker 302 und 303 variiert,
ist erforderlich. Dazu führt die
Steuereinheit 304 eine entsprechende Steuerspannung, (d.h.
einen AGC-Wert), dem AGC-Verstärker 307 zu.
Der AGC-Wert wird auch aus dem Speicher der Steuereinheit 304 gemäß der erfassten Signalstärke ausgelesen.
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Zum
Ausgleichen einer Änderung
in einer Verstärkung
der Leistungsverstärker 302 und 303 gemäß dem gewünschten
Sendeausgangspegel werden Informationen über die AGC-Verstärker-Steuerspannung
in dem Speicher der Steuereinheit 304 als Daten gespeichert,
oder als eine Funktion unter Berücksichtigung
einer Kennlinie einer Leistungsverstärkung programmiert, die in 8 gezeigt
ist. Das heißt,
zum Erzielen eines maximalen Wirkungsgrads gemäß dem Leistungspegel des Sendesignals
wird die Verstärkung
der Leistungsverstärker 302 und 303,
die durch Reduzieren des Ruhestroms und der Vorspannung erzeugt
wird, in dem AGC-Verstärker 307 ausgeglichen.
Wenn zum Beispiel der Leistungspegel des Sendesignals von 20 dBm
auf 10 dBm geändert
wird, wird die Leistungsverstärkung
um 4 dBm von 20 dBm auf 16 dBm dekrementiert, wie in 8 angegeben.
Unter der Annahme, dass ein Eingangspegel des AGC-Verstärkers 307 auf –10 dBm
festgelegt ist, und die Verstärkung
des Frequenzwandlers 309 0 dBm beträgt, sollte die Verstärkung des AGC-Verstärkers 307 um
4 dBm von 10 dBm am Ausgangspegel von 20 dBm verringert werden.
Indessen werden die AGC-Werte
zum Steuern des AGC-Verstärkers 307 in
dem Speicher der Steuereinheit 304 gespeichert. Auf diese
Weise wird der AGC-Wert zum Steuern des AGC-Verstärkers 307 gemäß dem Ausgangspegel
der Leistungsverstärker 302 und 303 bestimmt
und in dem Speicher der Steuereinheit 304 gespeichert.
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Daher
steuert der AGC-Verstärker 307 eine Verstärkung des
ZF-Eingangssignals gemäß der Steuerspannung,
die von der Steuereinheit 304 zugeführt wird. Der Frequenzwandler 309 multipliziert das
Ausgangssignal des AGC-Verstärkers 307 mit der
Trägerwelle,
die von dem Mischoszillator 308 bereitgestellt wird, um
ein aufwärtsgewandeltes
HF-Signal auszugeben. Der Steuerverstärker 310 verstärkt das
aufwärtsgewandelte
HF-Signal auf einen
Pegel, der an einem HF-Anschluss RFin des Leistungsverstärkers 302 erforderlich
ist. Die Leistungsverstärker 302 und 303 verstärken das
HF-Eingangssignal auf einen gewünschten
Ausgangspegel gemäß der Vorspannung,
die von der variablen Energieversorgung 301 dem Kollektor
(bzw. Drain) zugeführt
wird, und dem Ruhestrom, der durch den Ruhestrom-Regelungswert gesteuert
wird, der von der Steuereinheit 304 der Basis (bzw. dem
Gate) zugeführt
wird, und geben das verstärkte
Signal über
den HF-Ausgangsanschluss RFout aus. Das HF-Signal, das durch den HF-Ausgangsanschluss
RFout ausgegeben wird, wird über
die Antenne zu der Basisstation gesendet.
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6 und 7 veranschaulichen
jeweils ein Diagramm eines leistungserhöhten Wirkungsgrads (PAE) und
ein Diagramm eines Nachbarkanal-Leistungsverhältnisses (ACPR; bandinterne
Kanalleistung/Leistung des Nachbarkanals) als eine Funktion des
gewünschten
Sende-Ausgangsleistungspegels. Jedes Diagramm zeigt zwei Kurven, eine
davon eine herkömmliche
feste Vorspannungssteuerungskurve, und eine Vorspannungssteuerungskurve
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung.
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Zunächst verbessert
sich unter Bezugnahme auf 6 der leistungserhöhte Wirkungsgrad
(PAE) der erfinderischen variablen Vorspannungssteuerung um das
Zehnfache, wenn der Ausgangspegel Pout kleiner als 0 dBm ist; um
das Sechs- bis Achtfache, wenn er zwischen 0 dBm und 10 dBm liegt;
und um das Zwei- bis Vierfache, wenn er zwischen 10 dBm und 20 dBm
liegt, im Vergleich mit der herkömmlichen
festen Vorspannungssteuerung. Das APCR zeigt keine großen Abweichungen,
wie in 7 angegeben.
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Die
Leistungsverstärkung
als eine Funktion des Ausgangspegels des Leistungsverstärkers 302 ist
in 8 angegeben.
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Unter
Bezugnahme auf 8 beträgt die Leistungsverstärkung an
dem Mindest-Ausgangspegel 4 dB, und die Leistungsverstärkung an
dem maximalen Ausgangspegel beträgt
23 dB. Wie gezeigt, erhöhen
oder verringern sich die Verstärkungen
an Pegeln zwischen dem Mindest- und dem maximalen Ausgangspegel
allmählich
in Proportion zu den Ausgangspegeln. Diese Verstärkungskennlinie unterscheidet
sich von einem herkömmlichen
Verstärker, welcher
eine gleichmäßige Verstärkung aufweist.
Die Verstärkungsabweichung
des Leistungsverstärkers wird
ausgeglichen durch Steuern der Verstärkung des AGC-Verstärkers 307.
Das heißt,
wenn die Verstärkung
des Leistungsverstärkers
abnimmt, inkrementiert die Steuereinheit 304 die Verstärkung des AGC-Verstärkers 307,
um den Ausgangspegel des AGC-Verstärkers 307 gemäß dem ZF-Eingangssignal
zu erhöhen.
Das verstärkte
ZF-Signal wird in das HF-Signal, das einen gewünschten Ausgangspegel aufweist,
durch den Frequenzwandler 309 und den Steuerverstärker 310 umgewandelt
und dem Eingangsanschluss RFin des Leistungsverstärkers 302 zugeführt.
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Demzufolge,
da die Vorspannung und der Ruhestrom gemäß dem Ausgangspegel des Leistungsverstärkers gesteuert
werden, wird die Linearität
des Leistungsverstärkers
beibehalten, und der Gleichstrom-Leistungsverbrauch wird minimiert.
Die erfinderische Leistungssteuerungsvorrichtung arbeitet vorzugsweise
unter den folgenden Bedingungen. Erstens wird eine lineare Kennlinie,
(zum Beispiel ACPR, IMD3, (Verzerrung durch Kreuzmodulation 3. Ordnung))
des Leistungsverstärkers
beibehalten. Zweitens werden abrupte Abweichungen in dem Ruhestrom
und der Vorspannung vermieden. Die Vorspannung und der Ruhestrom
werden innerhalb des Bereichs ausgewählt, in dem das Stromsteuersignal Vbias_cntl
und die Steuerspannung Vc dem Ausgangspegel entsprechend linear
abweichen, und der Ruhestrom und die Vorspannung allmählich abweichen,
wodurch die Spannung und der Strom gemäß dem Ausgangspegel leicht
und zuverlässig
gesteuert werden. Wenn in der Vorspannung und dem Ruhestrom abrupte
Abweichungen vorliegen, kann der Leistungsverstärker zu einer Fehlfunktion
in einem übermäßigen Vorspannungszustand
führen.
Drittens wird der PAE maximiert, wenn die oben genannten zwei Bedingungen
erfüllt
sind.
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Wie
aus der oben genannten Beschreibung hervorgeht, da der Leistungsverstärker eines
Mobilkommunikations-Endgeräts
so gesteuert wird, dass die Vorspannung und der Ruhestrom Linearität selbst bei
einem niedrigen Ausgangspegel beibehalten und der Wirkungsgrad verbessert
wird, wird der Leistungsverbrauch einer Batterie geschont, und die
Zeit, in welcher das Endgerät
ohne erneutes Laden der Batterie verwendet werden kann, kann verlängert werden.
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Obwohl
die Erfindung unter Bezugnahme auf eine gewisse bevorzugte Ausführungsform
davon gezeigt und beschrieben worden ist, ist für den Fachmann klar, dass verschiedene Änderungen
in Bezug auf Form und Details vorgenommen werden können, ohne
vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er durch die Ansprüche im Anhang
definiert ist.