KR100508355B1

KR100508355B1 - 오디오 및 ｒｆ 증폭기용 공유 전원을 구비하는 휴대용무선 송수신기

Info

Publication number: KR100508355B1
Application number: KR10-2002-0005128A
Authority: KR
Inventors: 구스타보디. 레이제로비치
Original assignee: 모토로라 인코포레이티드
Priority date: 2001-01-29
Filing date: 2002-01-29
Publication date: 2005-08-17
Also published as: KR20020063526A; US6760604B2; US20020102952A1

Abstract

본 발명의 무선 송수신기(100)는 무선 주파수 전력 증폭기(102) 및 비교적 높은 출력의 오디오 전력 증폭기(110)를 포함한다. RFPA는 선형 변조된 신호를 증폭한다. 공유 전력 조절기(108)는 양측 증폭기들로 동시에 공급 전압을 제공한다. 그러나, 통상적으로 임의의 주어진 시간에 하나의 증폭기만이 액티브 상태이므로, 공급 전압은 송신 신호인지 오디오 신호인지에 상관없이 증폭될 신호의 엔벨로프를 따르도록 제어된다. 양측 증폭기들이 액티브 상태인 경우, 공급 전압은 고정 레벨로 설정될 수도 있고, 2개의 엔벨로프 중 더 높은 것을 따를 수 있다.

Description

오디오 및 ＲＦ 증폭기용 공유 전원을 구비하는 휴대용 무선 송수신기{PORTABLE RADIO TRANSCEIVER HAVING SHARED POWER SOURCE FOR AUDIO AND RF AMPLIFIERS}

본 발명은 일반적으로 이동 통신 장치에 대한 전력 제어에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 이동 통신 장치에서 전력 증폭기 효율을 최적화시키는 것에 관한 것이다.

통상적인 통신 장치에서 발견되는 바와 같이 휴대용 무선 송수신기는 무선 주파수(이하, 'RF'라 함) 증폭기 및 오디오 증폭기 양자 모두를 포함한다. RF 증폭기는 통신 장치에 의해 송신되고 변조된 무선 신호를 증폭하는 한편, 오디오 증폭기는 통신 장치에 의해 수신된 오디오 신호를 증폭한다. 모든 휴대용 또는 이동 통신 장치에서 배터리 수명은 중요한 설계 고려사항이다. 대부분 이동 통신 장치에서 RF 증폭기는 비교적 높은 전력량을 요구한다. 따라서, 이들은 통상적으로 전력 요구를 감소시켜 배터리 수명을 증가시키도록 기타 설계 기준 내에서 허용가능한 한 효율적으로 설계된다. 셀룰러 폰 등의 다수의 이동 통신 장치들에서, 이어피스(earpiece) 스피커를 구동하는 것이 최대 볼륨에서도 RF 증폭기만큼 큰 전력을 요구하지 않기 때문에 오디오 증폭기가 큰 전력을 사용하는 것은 아니다. 그러나, 트렁크 라디오(trunked radios) 등의 몇몇 이동 통신 장치에서, 이들이 먼 거리에서도 들리도록 의도된 스피커를 구동하기 때문에 오디오 전력은 상당히 크다. 게다가, 몇몇 셀룰러 폰은 스피커폰 기능을 제공하기도 하는 데, 이는 트렁크 라디오에 링크되어 반이중(half-duplex) 통신의 형태가 된다.

동시에, 예를 들어 직교 진폭 변조 등과 같이 몇몇 선형 변조 타입을 포함하는 몇몇 변조 포맷이 보급되어 왔다. 이러한 변조는 몇몇 디지털 통신 시스템에서 사용된다. 그러나, 선형 변조의 단점중 하나는 출력 및 공급 전압간 차이가 증가할수록 효율이 떨어진다는 점이다. 서로 다른 전력 설정에서 사용되는 선형 RF 증폭기에 대하여, 이러한 비효율성은 저출력 전력 레벨에서 송신하는 경우에 전력 절감과 맞먹을 수 있다. 그러나, 협 채널 스펙트럼 사용의 이점은 이러한 비효율성을 수용하거나 또는 이러한 비효율성을 중화시키는 회로를 디바이스에 부가시키기에 충분히 이로운 것으로 빈번하게 밝혀진다.

출력 전압이 공급 전압 이하로 상당히 떨어지면 선형 RF 증폭기가 비효율성으로 불리해지는 것 같이, 가변 전력 출력에 대해 오디오 증폭기도 그러하다. 오디오 신호는 가변 진폭을 갖기 때문에, 선형 변조된 RF 신호와 유사하다. 대체로, 이어피스 스피커가 RFPA 전력에 비하여 작은 전력량으로 구동되기 때문에 셀룰러 전화기 등의 대부분의 이동 통신 장치에서 오디오 증폭기의 비효율성은 훨씬 작다. 그러나, 다수의 트렁크 라디오 또는 쌍방향 라디오가 훨씬 큰 오디오 출력을 사용하고, 몇몇 셀룰러 또는 이동 전화는 종래의 이어피스 스피커 출력에 비하여 훨씬 고전력의 오디오 출력을 갖는 등의 스피커폰 동작 모드를 갖는다. 보다 고출력인 명백한 이유는 사용자가 수신된 오디오 신호를 멀리서도 들을 수 있기 때문이다.

휴대용 및 이동 배터리 전력 장치들을 설계하는데 있어서 배터리 수명은 중요한 고려사항이다. 이와 같이, 설계자는 전력 요구를 감소시키고 가능한 한 효율성을 증가시키려고 노력한다. 무선 주파수 전력 증폭기 및 고출력 오디오 전력 증폭기 양자 모두를 구비하는 휴대용 송수신기에서, 전력 소비는 저전력, 이어피스 오디오 출력 회로만을 갖는 종래의 장치보다 일반적으로 높다. 따라서, 고출력 오디오 전력 증폭기를 구비하는 송수신기 장치에는, 배터리 수명을 보호하기 위해 송수신기 동작의 효율성을 높이는 방법 및 장치에 대한 요구가 있어 왔다.

본 명세서는 신규한 것으로 간주되는 본 발명의 특징을 정의하는 청구항을 포함함과 더불어, 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 번호를 부여한 도면과 관련된 다음 설명을 고려함으로서 더 잘 이해될 것이다. 종래 기술에 대한 간단한 설명 역시 유용한 것으로 고려된다.

본 발명은 두 개의 단계로 다수의 선형 증폭기를 구비하는 것에 대한 비효율성의 문제를 해결한다. 첫 번째로, 전원은 증폭될 신호를 트래킹하고, 그 신호에 따라 증폭기에 맞추어 공급 전압을 조정하도록 제공된다. 증폭기에 맞추어 공급 전압을 조정함으로써, 증폭기는 가장 효율적인 동작점인 포화점 근처로 유지된다. 두 번째로, 전원은 오디오 증폭기 및 무선 주파수 전력 증폭기(RFPA) 양자 모두에 의해 공유된다. 어떤 증폭기가 액티브 상태이든지 간에, 전원의 출력은 입력 신호에 따라 증폭기에 맞게 조정된다. 양측 증폭기가 액티브 상태일 때, 전원은 양측 증폭기에 인가하기에 충분히 높은 사전 선택된 레벨로 설정될 수 있거나, 보다 큰 전력 요구를 가지는 증폭기에 따라 조정될 수 있다.

이제 도 1을 참조하면, 본 발명에 따라서 공유 전원을 구비하는 휴대용 무선 송수신기(100)에 대한 블럭 회로도가 도시된다. 송수신기는, 변조기(104)에 의해 제공되는 무선 주파수 신호 등의 송신될 신호를 증폭하기 위해 무선 주파수 전력 증폭기(RFPA)(102)를 포함한다. 변조기는, 예를 들어, 마이크로폰(106)에서 생성되어 송신될 오디오 신호를 변조한다. 변조기가 선형 변조를 제공하는 경우에, 그 결과로 얻은 신호 역시 송신될 오디오 신호에 대응하는 엔벨로프를 가질 것이다. 마찬가지로, 선형 변조된 신호를 증폭하는 과정에서, RFPA는 송신될 신호의 엔벨로프에 따르는 전력 요구를 가진다. 신호에 있어서의 피크(peak)는 보다 높은 전력을 필요로 하는 반면, 밸리(valley)는 보다 낮은 전력을 필요로 한다. 신호의 전압이 증폭되는 그러한 많은 증폭기에 있어서, 부하는 상대적으로 일정하기 때문에, 전류는 전력을 따르는 것과 마찬가지로, 전압을 따른다. 종래 기술에 있어서, 통상적으로 RFPA에 공급되는 전압은 일정하다. 즉, RFPA에 전력을 공급할 때, RFPA에 공급되는 전압의 진폭은 변하지 않는다. 그러나, 이는 공급 전압과 출력 전압 간의 차이가 증가함에 따라 손실을 야기한다. RFPA에 공급되는 전력은 배터리(109)에 의해 제공되는 전압을 조절하는 공유 전력 조절기 또는 전원(108)에 의해 제공된다. 공유된다는 것은, 전원에 의해 제공되는 전력 및 전압이 RFPA 및 오디오 증폭기(110)에 의해 공유된다는 것을 의미한다. RFPA는 종래 기술에서 실행되는 바와 같이, 송신 경로 또는 수신 경로와 안테나(114)를 택일적으로 결합하는 안테나 스위치(112)에 접속된다. 수신 경로는 수신된 무선 신호를 복조하여 라인(118) 상에 오디오 신호를 제공하는 복조기(116)를 포함한다. 제1 스피커(120)로부터 먼 거리에서 들릴 수 있는 충분한 레벨로 오디오 신호를 증폭하기 위해 사용되는 오디오 증폭기(110)에 오디오 신호가 공급된다. 제2 오디오 증폭기(122)는 이어피스(124) 등과 같이 근거리 사용을 위한 오디오 신호를 증폭하는데 사용될 수도 있다. 수신된 오디오 신호는 동작하는 동안, 오디오 증폭기 전력 요구에 대응하는, 오디오 신호 엔벨로프를 갖는다.

공유 전력 조절기(108)는 RFPA와 오디오 증폭기(110) 양자 모두에 전력을 제공하여, 이들 구성요소 각각의 전력 요구를 충족시킨다. 각각의 증폭기를 최적의 동작 상태로 유지하기 위하여, 공유 전력 조절기에 의해 제공되는 전압은 각각의 증폭기가 증폭하는 신호의 신호 엔벨로프에 따라서 조절된다. 고출력 오디오 경로가 이용되는 경우, 송수신기는 통상적으로 통신의 반이중 모드에서 동작하기 때문에, 대부분의 경우 이것이 가능하다. 즉, 송수신기가 송신하고 있을 때는, 수신하지 않으며, 그 역의 경우도 마찬가지이다. 따라서, 송수신기가 송신하고 있을 때, 공유 전원의 출력은 송신 신호의 엔벨로프 E_T(t)를 따른다. 송수신기가 수신하고 있을 때, ti는 오디오 신호 엔벨로프 E_R(t)를 따른다. 공유 전원의 제어라는 것은 출력 전압을 충분히 높게 유지함으로써 현재 액티브 상태에 있는 전력 증폭기의 동작이 중단되는 것을 방지한다는 것이다. 일반적으로, RFPA와 오디오 전력 증폭기가 각각 액티브 상태인 경우에, RFPA 전력 요구와 오디오 전력 증폭기 요구 양자 모두를 충분히 충족시키는 레벨로 증폭기들에 공급되는 공급 전압을 제어한다. 그러나, 경우에 따라서, 송수신기가 셀룰러 전화기에서 핸드-오프 동안에 발생하는 바와 같이, 제어 정보를 통신 인프라스트럭처에 송신 중인 경우 등에, 두 증폭기는 온 상태일 수 있다. RFPA 및 오디오 전력 증폭기 양자 모두가 액티브 상태가 될 필요가 있는 경우, 단순히 전력 조절기의 출력 레벨을 가장 높게 설정하도록 또는, 가장 높은 전압 레벨을 요구하는, 증폭되는 신호의 엔벨로프를 출력 전압이 따르도록 전력 조절기를 제어할 수 있다. 즉, 상대 논리 OR 함수에 상당하는 것이 2개의 엔벨로프 신호에 대하여 수행되고, 그 중 어느 하나가 전력 조절기의 보다 높은 출력 전압 레벨을 요구하든지 간에, 조절기는 그 하나를 따른다. 바꾸어 말하면, RFPA 전압 요구가 RFPA 전력 요구에 상당하고, 오디오 전력 증폭기 전압 요구가 오디오 전력 증폭기 전력 요구에 상당하는 경우, 공유 전력 조절기는 공급 전압 레벨을 적어도 RFPA 전압 요구와 오디오 전력 증폭기 전압 요구 중에 더 높은 레벨만큼 높도록 제어한다. 두 증폭기가 액티브 상태일 수 있는 시간 주기가 매우 짧을 것으로 예상될지라도, 단순히 공유 전력 조절기 출력을 최대 레벨로 설정하는 것은 종래의 무선 통신 프로토콜하에서 동작하는 송수신기에서 배터리 수명을 연장하는 것에 주목할 만한 영향을 미치지는 않을 것이다. 바람직한 실시예에서, 증폭기에 공급된 전압은 증폭기의 포화점으로부터 1dB의 백오프(backoff)에서 증폭기가 동작하도록 설정된다. 백오프는, 공급 전압이 순간적인 출력 전력 진폭에 대해 증폭기를 그 포화점에서 동작시키기에 충분한 레벨을 초과한다는 것을 의미한다. 바꾸어 말하면, 주어진 출력 전력 레벨에 대해, 증폭기의 포화에 기인하는 입력 신호의 바람직하지 않은 왜곡없이 증폭기가 동작하도록 유지하기 위하여, 소정의 공급 전압 레벨이 요구된다. 바람직한 실시예에서, 공급 전압은 최소 공급 전압이 1dB 근처일지라도 초과하며, 따라서, 공급 전압은 1dB 백오프를 유지한다고 할 수 있다.

이제 도 2를 참고하면, 공유 전원을 구비하는 휴대용 무선 송수신기의 개략 블럭 회로도가 도시된다. 제어 라인 또는 제어 버스(202)는 공유 전력 조절기(108)의 동작을 제어하는데 사용된다. 송신 신호 및 오디오 신호 엔벨로프(E_T(t) 및 E_R(t))는 각각 전력 조절기에 의해서 샘플링된다. 출력(118)은 RFPA(102)와 오디오 PA(110) 양자 모두에 결합된다. 도시된 바와 같이, 2개의 엔벨로프 신호(E_T(t) 및 E_R(t))가 각각 전력 조절기에 공급될 수 있거나, 단일 라인이 전력 조절기에 접속될 수 있고, 다른 송수신기의 부분은 예를 들어, 실제로 변조 및 복조 기능을 수행하는 디지털 신호 프로세서 등과 같이 어떤 신호가 공급되었는지를 결정할 수 있음을 당업자들은 이해할 것이다

본 발명의 기본적인 방법은 도 3에 도시되어 있으며, 도 3은 본 발명에 따라서 공유 전원을 구비하는 휴대용 무선 송수신기를 동작시키는 방법의 순서도(300)이다. 개시 단계(302)에서, RFPA, 오디오 PA 및 공유 전원이 다른 송수신기 구성 성분과 함께 제공되었다. 전력 조절기의 출력을 제어함에 있어서, 송수신기는 RFPA 및 오디오 PA 양자 모두가 온 상태로 될 필요가 있는지의 여부를 알기 위한 조사를 행할 수 있다 (304). 그러한 경우, 출력은 2개의 PA 중 보다 큰 전압 요구를 충족시키도록 조절될 수도 있고, 또는 PA 중 어느 하나의 요구를 충족시키기에 충분한 고정 레벨로 설정될 수도 있다 (306). 증폭기들 중 하나만이 온 상태인 경우에 있어서, 본 방법은 RFPA가 온 상태일 때 RFPA의 전력 요구에 따라 공급 전압 레벨을 제어하는 단계(308, 310) 및, 오디오 전력 증폭기만이 온 상태일 때 오디오 전력 증폭기의 전력 요구에 따라 공급 전압 레벨을 제어하는 단계(312, 314)를 포함한다. 전술한 바와 같이, 바람직하게 공유 전력 조절기에 의해 제공되는 공급 전압은, 공급 전압 레벨이 증폭기에서의 전력 손실을 감소시키는 데에 필요한 레벨보다 크게 되지 않는 방식으로 순간 레벨이 증폭되는 신호의 엔벨로프를 따르도록 제어되어, 효율성을 향상시킨다.

도 4는 본 발명에 따라 동작되는 증폭기의 공급 및 출력 전압에 대한 전압 대 시간의 예시적인 그래프(400)를 나타내고 있다. 하측 곡선(402)은 증폭될 신호의 엔벨로프일 수 있고, 또는 증폭기의 전압 요구일 수 있다. 이들 모두는 대응관계에 있다. 상측 곡선(404)은 공유 전력 조절기에 의해 공급되는 전압을 나타내며, 도면에 도시되는 바와 같이 하측 곡선을 따른다. 도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 오디오 증폭기 및 RF 전력 증폭기 양자 모두의 공급 전압 및 출력 전압에 대한 전압 대 시간의 예시적인 그래프이다. 제1 곡선(502)은 예를 들어 송신 신호의 엔벨로프의 곡선을 나타낸다. 제2 곡선(504)은 예를 들어 수신된 오디오 신호의 엔벨로프를 나타내며, 시간 t₁에서 송신 신호 이후에 시작한다. 제3 곡선(506)은 공유 전력 조절기에 의해 제공되는 공급 전압을 나타낸다. t₁까지, 단 하나의 증폭기만이 액티브 상태이므로, 공급 전압은 송신 신호의 엔벨로프를 따른다. 그러나, t₁에서, 전력 조절기는, 단순히 출력 공급 전압 레벨을 고정 레벨(508)로 설정하는 것과 같이 몇몇 방식 중 하나로 동작할 수도 있고, 2개의 신호 중 보다 높은 신호를 따를 수도 있다. 시간 t₂에서, 오디오 엔벨로프는 송신 엔벨로프를 초과하며, 시간 t₃까지 그 상태가 계속된다. 이에 응답하여, t₂와 t₃ 사이에서, 전력 조절기는 오디오 곡선이 더 높아진 후에는 그 곡선을 따르도록 제어된다.

본 발명은 증폭될 신호의 엔벨로프를 따르는 기술을 사용하며, 그 기술을 공유 전원과 조합한다. RFPA 및 오디오 PA 양자 모두가 동작 중단 방지가 가능한 정도의 낮은 레벨로 또한 엔벨로프에 따라 공급 전압을 제어함으로써 선형 신호를 증폭하기 때문에, 최적의 동작 효율성이 얻어진다. 본 발명의 바람직한 실시예들이 예시되고 설명되었지만, 본 발명이 이들에 한정되는 것이 아님은 분명할 것이다. 본 기술 분야의 숙련된 기술자라면, 첨부된 특허청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고서도, 다양한 수정, 변화, 변경, 대체 및 균등물들을 안출할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따라 공유 전원을 구비하는 휴대용 무선 송수신기의 블럭 회로도;

도 2는 본 발명에 따라 공유 전원을 구비하는 휴대용 무선 송수신기의 개략 블럭 회로도;

도 3은 본 발명에 따라 공유 전원을 구비하는 휴대용 무선 송수신기를 동작하는 방법의 순서도;

도 4는 본 발명에 따라 동작되는 증폭기의 공급 및 출력 전압에 대한 전압 대 시간의 그래프; 및

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 오디오 증폭기 및 RF 전력 증폭기 양자 모두의 공급 전압과 출력 전압에 대한 전압 대 시간의 그래프를 나타낸다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

102 : 무선 주파수 전력 증폭기(RFPA)

108 : 공유 전력 조절기

109 : 배터리

110, 122 : 오디오 전력 증폭기(APA)

112 : 안테나 스위치

Claims

이동 통신 장치의 송수신기의 전력을 제어하는 방법에 있어서,

송신 신호 엔벨로프(envelope)를 갖는 송신될 신호를 증폭하는 무선 주파수 전력 증폭기(RFPA)를 제공하는 단계 - 상기 RFPA는 상기 송신 신호 엔벨로프에 대응하는 RFPA 전력 요구를 갖음 -;

오디오 신호 엔벨로프를 갖는 수신된 오디오 신호를 증폭하는 오디오 전력 증폭기를 제공하는 단계 - 상기 오디오 전력 증폭기는 상기 오디오 신호 엔벨로프에 대응하는 오디오 전력 증폭기 전력 요구를 갖음 -;

상기 RFPA 및 상기 오디오 전력 증기 양자 모두에 결합된 전압 출력을 갖고, 상기 전압 출력에 공급 전압 레벨을 제공하는 공유 전력 조절기를 제공하는 단계;

상기 RFPA만이 온 상태일 때 상기 RFPA 전력 요구에 따라 상기 공급 전압 레벨을 제어하는 단계; 및

상기 오디오 전력 증폭기만이 온 상태일 때 상기 오디오 전력 증폭기 전력 요구에 따라 상기 공급 전압 레벨을 제어하는 단계

를 포함하는 전력 제어 방법.
제1항에 있어서,

상기 RFPA 및 상기 오디오 전력 증폭기 양자 모두가 온 상태일 때 상기 RFPA와 상기 오디오 전력 증폭기의 요구 전압 중에서 더 높은 것으로 상기 공급 전압 레벨을 제어하는 단계를 더 포함하는 전력 제어 방법.
제2항에 있어서,

상기 공급 전압 레벨을 제어하는 단계는, 상기 RFPA 및 상기 오디오 전력 증폭기 양자 모두가 온 상태일 때 상기 어느 하나의 증폭기가 요구하거나 제공할 수 있는 전압보다 높은 고정 레벨로 상기 공급 전압 레벨을 설정하는 단계를 포함하는 전력 제어 방법.
제1항에 있어서,

상기 RFPA만이 온 상태일 때 상기 RFPA 전력 요구에 따라 상기 공급 전압 레벨을 제어하는 단계는, 상기 공급 전압을 상기 RFPA의 1dB 백오프 레벨로 유지하는 단계를 포함하는 전력 제어 방법.
제1항에 있어서,

상기 오디오 전력 증폭기만이 온 상태일 때 상기 오디오 전력 증폭기 전력 요구에 따라 상기 공급 전압 레벨을 제어하는 단계는, 상기 공급 전압을 상기 오디오 전력 증폭기의 1dB 백오프 레벨로 유지하는 단계를 포함하는 전력 제어 방법.