CN1539200A - 用于功率放大器的工作点调整的电路装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于主要是移动电信终端设备的功率放大器的工作点调整的电路装置和方法，该终端设备具有非恒定包络线的调制方法，其中通过相邻信道功率与使用信道功率的比较如此调整功率放大器的工作点，即刚好不超过相邻信道与使用信道功率之比的阀值。

Description

用于功率放大器的工作点 调整的电路装置和方法

本发明涉及用于主要是移动电信终端设备的功率放大器的工作点调整的电路装置和方法，该终端设备具有非恒定包络线的调制方法。

当今的移动无线标准部分预先规定具有非恒定包络线的调制方法。在此特别列举具有W-CDMA(宽带码分多址＝BreitbandCodemultiplex Vielfachzugriff)的UMTS标准或者HPSK调制(HPSK＝Hybrid Phase Shift Keying)以及具有3∏/8偏移8PSK的EDGE标准调制(EDGE＝Enhance Datarate for GSM Evolution)。

在没有应用特别方法的情况下一般能够以严格线性的放大器元件无失真放大调幅的HF信号。

放大器特性曲线中的非线性导致幅度失真以及由于AM到PM转换导致放大器输出信号的相位失真。通过当今移动无线标准定义的数字调制方法对由此引起的传输误差反应非常灵敏。此外附加通过互调、特别是第三和第五级、不希望地扩宽了发射频谱。

就认真设计的发射放大器应遵循通过技术条件确定的、允许的幅度与相位误差的范围、特别遵循相邻信到功率(ACP：Adjacent ChannelPower)或者相邻信道功率与使用信道功率(ACLR：Adjacent ChannelLeakage Ratio)之比的范围。

放大器的必要的线性运行的前提条件是，放大器的1dB输出压缩点明显高于输出信号的峰值功率电平。在设计整个放大器级和偏置电流/电源电压的情况下必须考虑该要求。

如果如此放大器对于最大提供的输出功率定参数，则在较小功率电平的情况下产生不必要的高电流消耗。功率放大器的效率随着输出功率电平的变小快速下降。

特别是在按照UMTS标准工作的设备中，必须重视发射机的低电流消耗，因为在此发射机工作在连续模式(Vollduplex全双工)并且因此不利的效率显著影响所用电池的最大可能使用寿命。

在目前普遍已知的实施中，在所谓的“查询”表中存放例如依赖于输出功率电平的功率放大器的调整-偏置/电源电压，首先在试验批中定义其值。这要求在生产时高的补偿费用、较大的存储器需求，不可能防止设备老化。

在BP 896 439 A2中公开了另一个已知的变体，在该变体中建议各个晶体管级的电流消耗与依赖于所期望的输出功率的额定值比较并且跟踪晶体管的工作点。在此缺点也是较高的补偿费用和存储器需求，其中同样仅仅通过一个“查询”表补偿频率响应。

因此本发明的任务是找到一种自动调整移动电信终端设备的功率放大器的工作点的可能性，该终端设备具有非恒定包络线的调制方法，始终刚好如此调整工作点，即满足ACLR要求。

通过独立权利要求的特征解决该任务。本发明的有益改进是从属权利要求的目标。

因此具有非恒定包络线调制方法的移动电信终端设备的功率放大器的工作点调整的发明者建议一个电路装置，具有用于在使用信道上产生发射信号-下面称为使用信道信号-的元件，其中通过在后级放大器中的失真在相邻信道上也产生信号分量-在下面称为相邻信道信号-，并且具有一个在其工作点中可调整的功率放大器用于放大传递给天线的发射信号，其中预先规定一个用于输出耦合一部分已放大的发射信号一下面称为分信号一的元件，并且该输出耦合的分信号经过一个混频器混频在一个固定的中频上，借助于中频滤波器对分信号滤波，并且预先规定一个调节电路，以便使已滤波的分信号的功率电平保持在一个预先确定的值。此外预先规定一个连接了功率检波器的滤波器，其用于从保持恒定的分信号中输出耦合相邻信道信号，通过其检波器输出信号控制功率放大器关于偏置和电源电压的工作点。

通过该电路装置实现，刚好如此调整工作点，即刚好达到所要求的相邻信道发射功率与使用信道发射功率之比，由此调整发射放大器的刚好绝对必需的电流消耗。因此得出没有在生产设备时复杂补偿的情况下并且没有适合于此外所用的“查询”表的额外存储器的情况下非常节能的调整。因为借助于调节环中频上的分信号功率保持恒定，检波器输出信号是当前ACLR的直接标准。

在该电路装置的一个优选实施形式中发明者建议，用于分信号功率调节的调节电路至少具有一个放大器(VGA)、一个衰减节、一个功率检波器、一个运算放大器(Integrator)和一个低通滤波器。

在脉冲系统中、比如EDGE系统、必需附加一个保持电路，在象UMTS的、工作在连续模式的系统中可以放弃该电路。

正如已经简述的，根据本发明的电路装置优选用在CDMA便携机(CDMA＝code division multiple access＝码分多址)或TDMA便携机中(TDMA＝time division Multiple access＝时分复用)。

根据本发明的想法发明者也建议了一种用于移动电信终端设备的功率放大器的工作点调整的方法，该终端设备具有非恒定包络线的调制方法，在该方法中输出耦合包含使用信道信号和相邻信道信号的一部分已放大的发射信号-下面称为分信号-，该信号混频到一个确定的中频上，借助于中频滤波器对信号滤波，在一个调节电路中该信号被放大到一个预先确定的电平并且依赖于包含在其中的相邻信道信号的功率调节功率放大器的工作点。

对此有益的是，为了调节功率放大器的工作点，这类参数、双极晶体管的基极电流和电源电压或场效应晶体管的栅极电压和电源电压从预先确定的输出值逐渐降低、以该输出值可靠满足对相邻信道信号/使用信道信号之比的要求、直到相邻信道信号/使用信道信号之比刚好与也许扣除了预定安全性的技术条件一致。

也可以直接在基带中进行分信号的混频。

此外有益地如此对于分信号的调节范围限定调节电路的调节速度，即调节不影响发射信号的幅度调制。

下面根据优选的实施例借助于图详细说明本发明。图示分别如下：

图1指出了功率晶体管级的理想化的输出特性曲线族；

图2指出了一个1W 1.9GHz GaAs MESFET的AM/PM；

图3指出了根据本发明的电路装置；

图4指出了EDGE系统的发射脉冲串的曲线；

图5指出了具有ACLR检测的发射机结构。

在图1中描述了一个功率晶体管级的理想输出特性曲线族。画出了三种不同电源电压的“Loadlines”(＝负载线)，这些负载线分别定义了所要求的负载阻抗并且从大的输出功率、转折点(在特性曲线拐点中的集电极电流或者漏极电流和电压)和电源电压中得出负载线。通过双极晶体管的已调整的基极电流或者场效应晶体管的已调整的栅极电压确定负载线L上的工作点BP(＝偏置点)。根据分别应用的放大器种类A或AB，在A或者AB工作方式下以在工作点周围的对称控制为出发点，则负载线的横坐标和上面的终点表示线性放大器的范围。如果较强地控制晶体管，则输出信号限幅并且信号波形失真。

如果在较小输出功率的情况下降低电源电压V_C和/或基极电流I_B或者栅极电压，则只要信号幅度没有电流和/或电压限幅(“被斩波”)信号波形和增益就保持不变。

由于从乘积I_C×V_C中得出该级的DC输入功率，所以在稳定的HF输出功率的情况下效率随着下降的电源电压V_C和下降的集电极或者漏极静电流而提高。

因此力求电源电压V_C和基极电流I_B或者栅极电压刚好调整到如此高度，即要求放大器准线性工作。

在实际晶体管级中除了幅度失真(AM到AM转换，AM/AM)外也存在相位失真(AM到PM转换，AM/PM)。因此除了附加的互调分量外也引起所谓的错误矢量，由此在数字接收机的判定器中加重了符号的分配并且也许引起误码。基于不同机理产生幅度失真或者相位失真。此外在非线性依赖电压的电容上产生在半导体元件中的相位失真。

在确定的放大器控制中相位失真的程度显著依赖于放大器的工作模式。这例如在图2中就GaAs-MESFET放大器进行了描述。图2摘引自“S.C.Cripps，RF Power Amplifiers for WirelessCommunications，Artech House Publishers 1999，24页，ISBN0-89006-989-1。圆圈标记各自的P_1dB点。指出的特性是典型的，可是随着半导体工艺的发展而变化。

清楚看到，在AB工作方式下-以AB1表明-明显在1dB以下-压缩点显著产生相位失真。在所谓“深度AB模式”下-以AB2表明-相位随着对数以dB描绘的输入功率几乎线性改变直到P_1dB点(1dB压缩点)，在该点上反向升高。与此相反在“A模式”中在“A”中远离P_1dB点产生显著的AM/PM失真。

指出，涉及基于互调的频谱扩展(Spectral Regrowth)的相位失真是一个重要的影响、可是很少表明是一个主导影响，其常常反映在互调频谱的非对称曲线中。在最佳晶体管工作点的调整中一般通过对ACLR的要求确定范围。

困难在于，在发射运行中确定或者调整关于偏置点BP和电源电压V_C的各最佳工作点，在该工作点刚好满足ACLR要求。

图3指出了一个根据本发明的电路装置，其产生一个依赖于发射信号的ACLR的检测电压。

在此功率放大器1的一部分输出信号与功率耦合元件2输出耦合并且作为分信号供给VGA(可变增益放大器)。通过VGA的可控增益在一个定义的范围内产生后级混频器5的输入电平。这样此外降低了大信号对后级的要求。在控制部分中可以从发射机针对RF输出端22a的各自要求的额定发射功率中推导出控制量。

以滤波器6对混频器5的输出信号滤波并交给第二个VGA7的输入端。通过一个调节环、包括衰减节8、功率检波器9、具有汇合点11和积分器12的运算放大器10和(在EDGE模式中选择)保持节13、使该放大器7的输出信号的电平保持恒定，并且分信号经过一个带通滤波器14(相邻信道滤波器)交给功率检波器15。产生的检波器输入电平可以通过信号21“Detector Op.-Point”匹配应用的检波器。衰减节8的衰减从其值上与给定的ACLR值一致。由此保证，在考虑信道功率的调节环的检波器9上和在相邻信道功率的检波器15上始终存在相同的输入电平。因此通过检波器9和15中的两个二极管的热耦合补偿ACLR检波器输出电压的温度变化过程，这两个二极管在一个外壳中作为双二极管实施。调整耦合元件2、VGA4+7和混频器5的频率响应或者温度变化特性。

必须如此选择中频滤波器6的带宽，即使用信道信号和相邻信道信号无衰减地通过。应当如此限定调节环8-13的时间常数以便调整调节速度，即调节不跟随发射信号的幅度调制。基于W-CDMA信号的扩展和从中得出的频谱特性容易满足对UMTS设备的要求。

可是EDGE信号具有明显低的带宽，相应在此是最小出现的AM分量。此外GSM系统作为TDMA系统(Time Division Multiple Access＝Zeitmultiple)工作。在此出现在周期性的脉冲串内的发射，也就是说循环出现的时间周期，在该周期内发射机工作，其他时间发射机不产生发射功率。另一方面调节应当是足够快的，以便在一个脉冲串器件、在真正的数据传输之前可以达到稳定状态。

带宽和倾斜(Ramping)的二个要求是彼此对立的。在建议的电路装置中因此预先规定一个保持节13，以该保持节可以在发射机输出信号22高调(发射脉冲串的向上倾斜)之后、可是该在使用数据传输之前并因此在幅度调制之前进行快速调节，对于剩余的脉冲串以已调节的增益可以驱动VGA7。

在图4中对于EDGE脉冲串描述了附属的时间特性。该图指出了对时间t的发射功率P[dBm]，其中首先从左向右开始向上倾斜42，转向具有调幅分量的数据传输阶段43，然后以向下倾斜44结束。同时以45表明保持节的控制信号电平，其中逻辑高电平相当于“保持”。

在图5中描述了图3的根据本发明的电路装置集成在直接调制发射机中。

在一个功能模块3中包括了建议的电路装置(ACLR检测器)。振荡器46的TX-LO信号39通过一个直接调制器33以在发射机的数字范围内产生的基带信号直接调制到发射频率上并且以VGA38和功率放大器1放大。通过控制信号41控制功率放大器1的工作点BP以及电源电压V_C。以可控的DC/DC变换器31产生可变功率放大器的电源电压。或者-正如在此描述的-可以以硬件或也可以通过二个分离的数/模转换器实现对放大器控制信号32和放大器电源电压控制信号32的影响。

ACLR检测器输出信号16用作当前ACLR的标准并经过模/数转换器26写入数据部分25中并且在那里用于控制功率放大器工作点和功率放大器电源电压。为此二个参数从预定的输出值开始以较低效率、逐渐降低，以该输出值可靠满足ACLR要求，直到ACLR刚好与扣除也许预定安全性的技术条件一致，并且发射机达到较高效率。

发射机基带信号(AM/AM或耦合的AM/AM+AM/PM)的适当数字预矫也是可能的，其中ACLR检测器输出信号是反馈。

由于在检波器输出信号16中假定一个附加恒定的ACLR，涉及直流电压，所以关于A/D转换器动态特性、A/D转换器取样速率、计算费用、存储器费用和补偿费用对后面的数据分析处理器的要求是非常低的。

应当清楚，本发明的上述特征不仅仅可以应用在分别给出的组合中而且也可以应用在另外的组合中或应用在所有调整中，没有离开本发明的范围。

总体上介绍了用于主要是移动电信终端设备的功率放大器的工作点调整的电路装置和方法，该电信终端设备具有非恒定包络线的调制方法，其中通过相邻信道功率与使用信道功率的比较如此调整功率放大器的工作点，即刚好不超过相邻信道功率与使用信道功率之比的阈值。为此，通过适当的电路装置输出耦合一部分发射信号，该信号被调整到一个恒定的电平并且包含在其中的相邻信道信号的电平考虑为ACLR的标准。由此提供一种自动并且效率最佳地调整特别是移动电信终端设备的功率放大器的工作点的可能性，该电信终端设备具有非恒定包络线的调制方法，其中始终刚好如此调整工作点，即满足ACLR要求并因此达到具有最大可能效率的运行。对此特别有益的是基于调节电路依赖于发射机的实际输出功率进行ACLR的确定。

Claims (12)

1.用于主要是移动电信终端设备的功率放大器的工作点调整的电路装置，该电信终端设备具有非恒定包络线的调制方法，该装置具有用于在使用信道上产生发射信号-下面称为使用信道信号-的元件(25、33、1)，其中通过在后面放大器中的失真在相邻信道上也产生信号分量-下面称为相邻信道信号，并且该装置具有一个在其工作点中可调整的功率放大器(1)用于放大发射信号(17)，该信号传递给天线，其中预先规定一个元件(2)用于输出耦合一部分已放大的发射信号-下面称为分信号-，并且输出耦合的分信号经过混频器(5)混频在一个固定的中频上，借助于中频滤波器对分信号滤波，并且预先规定一个调节电路(7、8、9、10、13)，以便使已滤波的分信号的功率电平保持在一个预先确定的值，此外预先规定的一个滤波器(14)用于从保持恒定的分信号中输出耦合相邻信道信号，该滤波器与功率检波器(15)连接，通过其检波输出信号控制功率放大器(1)的工作点，该检波输出信号是当前ACLR的直接标准。

2.根据上述权利要求1的电路装置，其特征在于，用于分信号的功率调节的调节电路具有一个放大器(7)、一个衰减节(8)、一个功率检波器(9)、一个运算放大器(10)。

3.根据上述权利要求2的电路装置，其特征在于，用于分信号功率调节的调节电路具有一个保持节(13)。

4.根据上述权利要求1至3之一的电路装置，其特征在于，在混频器(5)和调节电路(7、8、9、10、13)的放大器(7)之间预先规定一个中频滤波器(6)，如此确定其带宽，即使用信道信号和相邻信道信号可以无衰减地通过。

5.根据上述权利要求1至4之一的电路装置，其特征在于，电信终端设备是CDMA便携机或TDMA便携机。

6.移动电信终端设备的功率放大器的工作点调整方法，该终端设备具有非恒定包络线的调制方法，输出耦合包含使用信道信号和相邻信道信号的一部分已放大的发射信号-下面称为分信号-，该信号混频到一个固定的中频上，借助于中频滤波器滤波，该分信号在调节电路中放大到一个预定电平并且依赖包含在其中的相邻信道信号的功率调节功率放大器的工作点。

7.根据上述方法权利要求6的方法，其特征在于，为了调整功率放大器的工作点，这类参数、在双极晶体管中的偏置电流和电源电压或在场效应晶体管中的栅极电压和电源电压、从预定的输出值开始逐渐降低，以该输出值可靠满足对相邻信道信道/使用信道信号之比的要求，直到相邻信道信号/使用信道信号之比与也许扣除预定安全性的技术条件一致。

8.根据上述方法权利要求6至7之一的方法，其特征在于，在分信号混频之后进行中频率波。

9.根据上述方法权利要求6至8之一的方法，其特征在于，对于分信号的电平范围如此限定调节电路的调节速度，即调节不影响发射信号的幅度调制。

10.根据上述方法权利要求6至9之一的方法，其特征在于，用于控制CDMA便携机或TDMA便携机的功率放大器的工作点。

11.根据上述方法权利要求5至10之一的方法，其特征在于，依赖在分信号中包含的相邻信道信号的功率为基带信号(36、37)的适当预矫产生反馈。

12.根据上述方法权利要求5至10之一的方法，其特征在于，依赖在分信号中包含的相邻信道信号的功率为功率放大器(1)的高频输入信号的适当预矫产生反馈。

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