專利名稱：用于射頻功率放大器的動態(tài)偏置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及無線數(shù)字通信系統(tǒng)。具體地說，本發(fā)明涉及一種關(guān)于對應(yīng)用在無線通信中的射頻功率放大器進(jìn)行動態(tài)偏置的方法和系統(tǒng)。并且本申請是對國際申請?zhí)枮镻CT/US01/09911、中國國家申請?zhí)枮?1809507.0、發(fā)明名稱為“對射頻功率放大器的工作偏置進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)的系統(tǒng)和方法”提出的分案申請。
背景技術(shù)：
典型的數(shù)字通信系統(tǒng)在發(fā)送信息或數(shù)據(jù)時使用一個連續(xù)頻率載波，并使用調(diào)制技術(shù)對其振幅、頻率或相位進(jìn)行改變。在調(diào)制之后，信號被放大并通過通信介質(zhì)而發(fā)送。
一個多路訪問通信系統(tǒng)允許多個用戶單元對同一個通信介質(zhì)進(jìn)行訪問，從而發(fā)送或接收信息。此種通信介質(zhì)一般指的是用于在兩個單元之間傳送信息的信道。對于無線電通信而言，信道的電磁頻譜可以從幾千赫茲的極低頻率，經(jīng)過若干兆赫的短波，到高達(dá)幾百兆赫的甚高頻和超高頻，再到初于1千兆赫的微波波段。
原有技術(shù)的多路訪問通信系統(tǒng)如圖1所示。通信技術(shù)——如頻分多址(frequency division access，F(xiàn)DMA)、時分多址(time division access，TDMA)、載波偵測多址(carrier sense multiple access，CSMA)、碼分多址(code division access，CDMA)以及其它技術(shù)——允許不止一個用戶單元對同一個通信介質(zhì)進(jìn)行訪問。這些技術(shù)可混合使用，以創(chuàng)建混合型的各種多址訪問機(jī)制。例如已提出的第三代無線協(xié)議的時分雙工(TDD)模式就是混合了TDMA和CDMA的一種技術(shù)。
圖2中顯示原有技術(shù)條件下的一個示例性CDMA無線通信系統(tǒng)。對待發(fā)送的數(shù)據(jù)使用偽噪聲(PN)信號進(jìn)行調(diào)制后，以加寬頻帶(擴(kuò)頻)來發(fā)送通信數(shù)據(jù)。待發(fā)送信號的頻寬在可以高達(dá)幾百萬赫茲的頻率波段中可能僅有幾千赫茲。通信信道被多個獨立的副信道(subchannel)同時使用。對于每個副信道而言，所有其它的副信道都是一種干擾。
如圖所示，既定頻寬的單獨一個副信道與一個單一的擴(kuò)展代碼混合，該擴(kuò)展代碼重復(fù)一種由寬帶PN(偽噪聲)序列發(fā)生器所產(chǎn)生的預(yù)定模式。這些單一的擴(kuò)展代碼對彼此來說通常都是偽正交的，從而使得擴(kuò)展代碼之間交互相關(guān)的可能性接近于零。一個數(shù)據(jù)信號按PN(偽噪聲)序列進(jìn)行調(diào)制以產(chǎn)生一個數(shù)字?jǐn)U頻信號。其后，以該數(shù)字?jǐn)U頻信號來調(diào)制一個載波信號并將其發(fā)送。一個接收機(jī)將發(fā)送的信號進(jìn)行解調(diào)并析取出其中的數(shù)字?jǐn)U頻信號。在與對應(yīng)的PN序列進(jìn)行對比后，將發(fā)送的數(shù)據(jù)再現(xiàn)出來。當(dāng)擴(kuò)展代碼彼此正交時，接收到的信號就可以關(guān)聯(lián)與特定擴(kuò)展代碼相關(guān)的特定用戶單元信號。這樣，只有所希望的與特定擴(kuò)展代碼相關(guān)的預(yù)定用戶單元信號會得到增強(qiáng)，而對應(yīng)于所有其它用戶單元的信號則不會得到增強(qiáng)。
因為在CDMA系統(tǒng)中多個副信道共享同一帶寬，大部分原有技術(shù)的無線通信系統(tǒng)都采用了某種形式的自適應(yīng)傳輸功率控制(TPC)以防止副信道之間相互干擾。當(dāng)一個用戶單元或一個基站正在接收一個特定信號時，所有其它副信道或用戶單元的信號都顯示為噪聲。因此，增加一個用戶單元的信號功率等級就意味著增加了對其它用戶單元的噪聲。
在原有技術(shù)的CDMA通信系統(tǒng)中，一個基站通過下行鏈路向特定的用戶單元發(fā)送通信信號。信號一經(jīng)接收，就會被進(jìn)行定性的計算和比較。根據(jù)比較結(jié)果，一個TPC信號通過上行鏈路被發(fā)送至基站，并且要求基站增大或減小其對該特定用戶單元的傳輸功率。這一方法即人們所知的正向信道功率控制。相反地，對于由用戶單元向基站發(fā)出的信號所進(jìn)行的功率控制就是反向信道功率控制。
通過用前驅(qū)動級、可變增益放大器、衰減器或類似裝置來調(diào)整使用TPC信號的RF(射頻)放大器的輸入信號振幅，可以影響用于傳輸?shù)男盘栞敵龅墓β仕?。然而，放大器的增益和偏置保持不變。因此，?dāng)發(fā)送的信號振幅增大或減小時，放大器的工作點是連續(xù)的。
已提出的第三代無線協(xié)議可提供寬帶寬、高數(shù)據(jù)速率的通信。推薦的帶寬為5～10兆赫通信信道。然而眾所周知，通信中會發(fā)生大約10～15dB的快衰落。例如，如果一個移動用戶單元處于一個既定網(wǎng)元的邊緣并且正以最大功率進(jìn)行發(fā)送，就需要有10～15dB的發(fā)送輸出功率范圍以滿足發(fā)送中的瞬間增量。圖3中用戶單元輸出功率(以dB為單位)每秒的變化曲線即反映了以上的情況。其中，平均輸出功率為12dB到17dB。如圖3所示，在16秒時間采樣上，超過平均發(fā)送功率的瞬態(tài)峰值功率的出現(xiàn)率大約為1～10％。這表明了需要高傳輸功率的有限持續(xù)時間。
對數(shù)據(jù)信號進(jìn)行調(diào)制的最常用方法為正交調(diào)幅(QAM)。該方法可根據(jù)一個輸入信號而改變一個預(yù)定的載波頻率振幅以及相位。該方法之所以會如此流行，是因為多種類型的正交調(diào)幅(QAM)(64QAM、256QAM等)和正交相移鍵控調(diào)制都通過將振幅信息作為調(diào)制的一部分，而更有效地使用了可用帶寬，這不同于只包括很少振幅信息甚至不包括振幅信息的調(diào)頻、頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK)或二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)。為了將信號適當(dāng)?shù)胤糯?，發(fā)送功率放大器必須工作于線性狀態(tài)。在調(diào)制器端口，輸入信號的動態(tài)范圍可能很大。例如，在第三代無線協(xié)議中，輸入信號的峰值均值比可能超過10dB。
過高的瞬間峰值是不合需要的。傳輸輸出功率每增大3dB，以瓦特為單位的基礎(chǔ)射頻放大功率就需要增大一倍，而這則有可能迫使放大器進(jìn)入其反應(yīng)曲線中的非線性工作范圍。這樣就會導(dǎo)致增加頻帶外發(fā)射并且會降低放大器的工作效率。另外，放大器的功率源必須具備大于可預(yù)期的最大瞬間峰值的容量。而這對于使用電池的手持裝置來說是特別不合需要的。為了適應(yīng)由高瞬間峰值所導(dǎo)致的更高功率水平，就需要更復(fù)雜的放大器電路。否則，放大器增益、電池壽命和通信時間都會受到損害。
原有技術(shù)中使用了許多技術(shù)以提高射頻功率放大器的工作效率，如預(yù)失真發(fā)生器、包絡(luò)反饋校正和前饋糾錯等。然而，原有技術(shù)用來提高射頻功率放大器效率的改善措施卻加重了現(xiàn)有的設(shè)計問題。
因此，就需要一種可配合原有技術(shù)而解決上述問題的射頻放大器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為一種根據(jù)傳輸功率控制信號(TPC)而對射頻發(fā)送放大器的工作偏置進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明對于可用功率源功率受限的應(yīng)用提供了高效率的射頻功率放大器。本發(fā)明使用了一個駐留在特定通信結(jié)構(gòu)——該通信結(jié)構(gòu)具有檢波器和電壓-電流轉(zhuǎn)換器——中的TPC信號，直接根據(jù)傳輸功率的需要而達(dá)成放大器工作偏置。
具體地說，本發(fā)明提供一種用于接收數(shù)據(jù)以及在一無線通信下路連結(jié)信號中的一發(fā)送功率控制信號的用戶單元，其包含一射頻功率放大器(12)，所述射頻功率放大器(12)具有一個偏置點，并放大所述通信信號而產(chǎn)生一射頻輸出信號；一檢波器(14)，用以接收所述的通信信號并從所述的通信信號中移除調(diào)變成分，從而提供檢波器輸出信號；一個電壓-電流轉(zhuǎn)換器(16)，連接到所述檢波器(14)的輸出端，用以處理所述的發(fā)送功率控制信號與所述檢波器輸出信號，以產(chǎn)生一電流信號(30)；以及一個電流鏡(18)，用以接收所述電流信號并且連接到所述的射頻輸出信號，用以比較所述的電流信號與射頻輸出信號而產(chǎn)生一偏置信號；其中，響應(yīng)所述的偏置信號而動態(tài)調(diào)整所述的射頻放大器的所述偏置點。
另外，本發(fā)明還提供一種在無線通信下路信號中接收數(shù)據(jù)與一發(fā)送功率控制發(fā)送功率控制信號的用戶單元中，通過所述的用戶單元動態(tài)調(diào)整射頻功率放大器操作偏置的方法，所述的射頻放大器將一通信信號進(jìn)行放大以用于傳送，所述的方法包含接收所述的通信信號與所述的發(fā)送功率控制信號；自所述的通信信號中移除調(diào)變成分，以產(chǎn)生一直流電壓信號；處理所述的發(fā)送功率控制信號與所述的直流電壓信號，以產(chǎn)生一電流信號；將所述的電流信號與所述射頻功率放大器的一輸出信號加以比較，以產(chǎn)生一偏置信號；以及利用所述的偏置信號，動態(tài)地調(diào)整所述的射頻放大器的操作偏置。
因此，本發(fā)明的目標(biāo)之一就是依據(jù)信號放大的需求而對工作偏置進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)。
在閱讀較佳實施例中關(guān)于本發(fā)明的詳細(xì)描述后，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員會對本系統(tǒng)其它的目標(biāo)和優(yōu)點更加清楚。


圖1為原有技術(shù)的多路訪問通信系統(tǒng)的簡化系統(tǒng)框圖。
圖2為原有技術(shù)的無線通信系統(tǒng)的簡化系統(tǒng)框圖。
圖3為一曲線圖，其顯示了瞬間峰值功率需求。
圖4為本發(fā)明的系統(tǒng)框圖。
圖5為本發(fā)明中輸入功率與輸出功率的關(guān)系曲線圖。
具體實施例方式
以下將參考各附圖來描述實施例，其中，相同的編號通篇代表相同的成分。
圖4所示為本發(fā)明中的動態(tài)偏置放大系統(tǒng)10，其集成在一個用戶單元內(nèi)。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該可以認(rèn)識到，該系統(tǒng)同樣可以集成作為基站的一部分。系統(tǒng)10包括一個通信信號輸入端20、一個放大器12、一個檢波器14、一個功率控制信號輸入端22、一個電壓-電流轉(zhuǎn)換器16、一個電流鏡(current mirror)18和一個輸出端24。為了方便本發(fā)明的描述，參考了一個使用TPC信號的無線通信系統(tǒng)。然而，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到，本發(fā)明可應(yīng)用到任何一種使用功率控制信號的通信系統(tǒng)之中。
通信信號輸入端20提供輸入的無線通信信號32以待發(fā)送。該無線通信信號32可包含聲音、數(shù)據(jù)或任何其它可通過無線通信系統(tǒng)發(fā)送的無線信號。
射頻放大器12接收到輸入信號32，并將輸入信號32的功率進(jìn)行線性放大，從而以更大的功率等級提供輸出信號38。射頻放大器12可包括一個或多個增益級、對應(yīng)于每一增益級的一個或多個偏置調(diào)節(jié)裝置、輸入縮放，等等。RF(射頻)放大器12的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不在本說明的范圍之內(nèi)。
檢波器14將調(diào)制成分從擴(kuò)展通信信號中剝離，并提供一個直流電壓輸出信號28，該信號隨時間而緩慢變化。檢波器14的輸出耦合至電壓-電流轉(zhuǎn)換器16的第一個輸入端。
控制輸入設(shè)備22提供一個TPC信號26。TPC信號26的發(fā)生細(xì)節(jié)和/或TPC過程不在本說明的范圍之內(nèi)。然而總的來說，TPC信號26由基站(或用戶單元)產(chǎn)生，并對用戶單元(或基站)(即對應(yīng)的通信主體)的發(fā)送功率分別做定量測量?；净蛴脩魡卧獣PC信號26發(fā)送到對應(yīng)的通信主體，以指示該對應(yīng)的通信主體根據(jù)基站或用戶單元所完成的的計算而增加或減小其功率。
電壓-電流轉(zhuǎn)換器接受到兩個輸入信號，對輸入信號進(jìn)行縮放(scale)并將兩者結(jié)合以產(chǎn)生電流輸出信號30。第一個輸入信號是檢波器輸出信號28。第二個輸入信號是TPC信號26。電壓-電流轉(zhuǎn)換器16接收這兩個輸入信號26、28，對輸入信號26、28進(jìn)行縮放或稱加權(quán)，并且將輸入信號26、28根據(jù)下列預(yù)定的公式進(jìn)行合并，產(chǎn)生電流輸出信號30VC輸出信號＝(W1*logP)+(W2*logV) 等式(1)其中P＝檢波器輸出信號28V＝TPC信號26W1和W2為設(shè)計指定常量，是動態(tài)功率控制范圍、波形峰值均值比和所用功率放大器的函數(shù)。
電流輸出信號30耦合至電流鏡18的一個輸入端。反饋線36將射頻放大器12的輸出38耦合至電流鏡18的第二個輸入端。電流鏡18對兩個輸入信號30、36進(jìn)行比較，并輸出一個偏置電流34。如圖所示，輸出的偏置電流34與TPC信號26和射頻放大器12的輸出端38都有聯(lián)系。例如，當(dāng)TPC信號26為高電平時，則表示基站要求用戶單元提供更高的發(fā)送功率。如前所述在原有技術(shù)中，TPC信號26造成了用戶單元發(fā)送信號功率的適當(dāng)增大或減少。輸入信號30、36都會被縮放以進(jìn)行比較。如果電流輸出信號30高于射頻放大器12的輸出信號38，電流鏡18會對偏置電流34進(jìn)行增強(qiáng)。同樣，如果電流輸出信號30低于射頻放大器12的輸出信號38，電流鏡18會對偏置電流34進(jìn)行減弱。
在對比過程中，電流鏡18產(chǎn)生更大或更小的偏置電流，并從而影響射頻放大器12的線性工作范圍。這將在射頻放大器12保持在線性工作范圍內(nèi)的同時提供額外的峰值儲備。當(dāng)TPC信號26減弱時，放大器12并不要求一個大的偏置電流，因為高偏置意味著更高的功率消耗。因此，偏置電流會被減弱以減少功率消耗。
圖5所示為放大器增益曲線圖，相當(dāng)于放大器輸出功率Pout與放大器輸入功率Pin的比值。1dB壓縮點為放大器增益變?yōu)榉蔷€性時的臨界點。偏置2的1dB壓縮點(即圖中所示的A點)，出現(xiàn)在小于偏置1的1dB壓縮點(即圖中所示的B點)的輸出功率處。如圖所示，本發(fā)明得出的動態(tài)偏置值擴(kuò)展了放大器的線性工作范圍。這樣，當(dāng)輸出功率減弱時，偏置電流會相應(yīng)地減弱，但仍然可以提供線性放大。當(dāng)輸入功率增強(qiáng)時，偏置電流級別亦被增強(qiáng)以維持線性工作。
根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，本發(fā)明要優(yōu)于原有的補償技術(shù)。因為在全部發(fā)射時間中，僅有一小部分時間發(fā)射機(jī)要求使用最大功率，通過對TPC信號的動態(tài)追蹤，本發(fā)明的動態(tài)偏置功率放大器可以在很大程度上改善功率消耗。
當(dāng)以較佳實施例說明本發(fā)明時，在本發(fā)明范疇內(nèi)的其它變動是所屬領(lǐng)域技術(shù)人員所易知的，本發(fā)明的范疇界定于所附權(quán)利要求書中。
權(quán)利要求
1.一種用于接收數(shù)據(jù)以及在一無線通信下路連結(jié)信號中的一發(fā)送功率控制信號的用戶單元，其包含一射頻功率放大器(12)，所述射頻功率放大器(12)具有一個偏置點，并放大所述通信信號而產(chǎn)生一射頻輸出信號；一檢波器(14)，用以接收所述的通信信號并從所述的通信信號中移除調(diào)變成分，從而提供檢波器輸出信號；一個電壓-電流轉(zhuǎn)換器(16)，連接到所述檢波器(14)的輸出端，用以處理所述的發(fā)送功率控制信號與所述檢波器輸出信號，以產(chǎn)生一電流信號(30)；以及一個電流鏡(18)，用以接收所述電流信號并且連接到所述的射頻輸出信號，用以比較所述的電流信號與射頻輸出信號而產(chǎn)生一偏置信號；其中，響應(yīng)所述的偏置信號而動態(tài)調(diào)整所述的射頻放大器的所述偏置點。
2.如權(quán)利要求1所述的用戶單元，其中所述的轉(zhuǎn)換器(16)通過對所述的發(fā)送功率控制信號與所述的檢波器輸出信號進(jìn)行加權(quán)，然后將所述的發(fā)送功率控制信號與檢波器輸出信號相加，以執(zhí)行所述的處理。
3.如權(quán)利要求1所述的用戶單元，其中所述的電流鏡在進(jìn)行所述的比較前，更進(jìn)一步放大所述的電流信號與所述的射頻輸出信號。
4.如權(quán)利要求2所述的用戶單元，其中所述的電流鏡(18)在進(jìn)行所述的比較前，更進(jìn)一步放大所述的電流信號與所述的射頻輸出信號。
5.如權(quán)利要求1所述的用戶單元，其中所述的通信信號為一CDMA信號。
6.一種在無線通信下路信號中接收數(shù)據(jù)與一發(fā)送功率控制發(fā)送功率控制信號的用戶單元中，通過所述的用戶單元動態(tài)調(diào)整射頻功率放大器操作偏置的方法，所述的射頻放大器將一通信信號進(jìn)行放大以用于傳送，所述的方法包含接收所述的通信信號與所述的發(fā)送功率控制信號；自所述的通信信號中移除調(diào)變成分，以產(chǎn)生一直流電壓信號；處理所述的發(fā)送功率控制信號與所述的直流電壓信號，以產(chǎn)生一電流信號；將所述的電流信號與所述射頻功率放大器的一輸出信號加以比較，以產(chǎn)生一偏置信號；以及利用所述的偏置信號，動態(tài)地調(diào)整所述的射頻放大器的操作偏置。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述的處理步驟包含對所述的發(fā)送功率控制信號與所述的直流電壓信號進(jìn)行加權(quán)，然后，將加權(quán)后的所述發(fā)送功率控制信號與所述檢波器輸出信號相加。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述的比較步驟在進(jìn)行比較前，更包含將所述的電流信號與所述的輸出信號放大。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述的比較步驟在進(jìn)行比較前，更包含將所述的電流信號與所述的輸出信號放大。
全文摘要
一種根據(jù)發(fā)送功率控制信號對射頻發(fā)送放大器的工作偏置進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明為可用功率源受限應(yīng)用提供了高效的射頻功率放大器。本發(fā)明使用駐留在帶有檢波器和電流—電壓轉(zhuǎn)換器的無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的信號以完成動態(tài)放大器工作偏置。
文檔編號H03F1/30GK1681198SQ200510071830
公開日2005年10月12日 申請日期2001年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月29日
發(fā)明者L·卡扎克維奇, P·卡布羅爾 申請人:交互數(shù)字技術(shù)公司