提供用于极性调制和功率放大器线性化的发射机的系统和方法

摘要

公开了一种用于多频无线通信系统中的发射机电路。该发射机电路包括输入调制单元、相位调制系统、幅度调制系统。该输入调制单元接收至少一个表示待调制信息的信号。该相位调制系统耦合到输入调制单元并且提供对输出信号的相位调制。该相位调制系统包括相位检测系统和可调功率放大器。该幅度调制系统耦合到该输入调制单元并且提供对该输出信号的幅度调制。该幅度调制系统包括幅度检测系统和可变增益放大器，其中，该幅度检测系统用于对该可调功率放大器提供输出信号，该可变增益放大器耦合到该可调功率放大器。

说明书

本申请要求2006年6月9日提交的第11/450,115号美国实用新型 申请的优先权，该申请以引用的方式全部合并于此。

技术领域

本发明总体上关于用于发送和接收无线通信的系统和方法，更具体 地说，关于用于无线电通信系统的收发器。

背景技术

可以使用将基带信号表示为幅度和相位分量的信号的极性表示来实 现基带信号的载波调制。通过功能模块分别对载波的相位和幅度进行调 制将这些分量转换到射频载波。由于功率效率的原因，理想的是在发射 机(其通常是非线性功率放大器(PA))的最后一级对这些分量信号进行 组合。当以这种方式实现调制器时，相位和幅度分量的时间对准对于被 调制信号的完整性是关键的。

除了被调制信号质量以外，许多射频无线通信标准，如GSM/EDGE标 准，需要精确的功率控制。需要发射机能够以任何预先期望的功率等级 精确地进行发送。尽管能够使用开环方案实现这个目标，但闭环功率控 制是理想的。

在发射机系统中，极性闭环系统已经使用了很多年。例如， V.Petrovic & W.Gosling的Polar-Loop Transmitter，Electronices Letters，vol.15，No.10，(1979)中公开了一种极性环路发射机。第 6801784号美国专利公开了一种用于包括调制注入(modulation injection)的无线收发器功率放大器的连续闭环控制系统。另外，参见 Su和McFarland的An IC for Linearizing RF Power Amplifiers Using Envelope Elimination and Restoration，IEEE，JSSC，Dec.1988，其 公开了用于闭环包络控制的系统。

在移动终端应用中，通常，通过使用锁相环实现载波的相位调制。 大多数常见的PLL实现包括实现为具有类型2环路传递函数(例如，零 频处两个极点)的偏置PLL的锁相环。通常，通过使用类型1环路获得 输出幅度(并因此而获得功率)控制。

然而，极性调制器通常对相位和幅度分量之间的时间对准有严格要 求。时间对准的控制需要控制环路的开环增益和带宽(3dB)以及相位响 应。由于使用的部件不理想，在特定应用中很难在一定范围的功率等级 内维持时间对准。

因此，需要一种更加有效和经济的收发器系统，这种收发器系统用 于提供在大范围的操作功率和频率上呈线性的收发器系统中的发射机系 统。

发明内容

本发明提供了一种用在根据本发明一个实施方式的多频无线通信系 统中的发射机电路。该发射机电路包括输入调制单元、相位调制系统、 以及幅度调制系统。该输入调制单元接收至少一个表示待调制信息的信 号。该相位调制系统耦合到该输入调制单元并且提供对输出信号的相位 调制。该相位调制系统包括锁相环和可调功率放大器(例如功率控制可 调的功率放大器)。该幅度调制系统耦合到该输入调制单元并且提供对输 出信号的幅度调制。该幅度调制系统包括用于将输出信号提供到该可调 功率放大器的包络恢复和功率控制系统。

在某些实施方式中，该幅度调制系统包括耦合到该可调功率放大器 的可变增益放大器。在另外的实施方式中，该幅度调制系统包括耦合到 输出信号的对数放大器。

附图说明

参照附图可以进一步理解以下描述，其中：

图1示出了根据本发明一个实施方式的发射机系统的示意功能示图；

图2示出了根据本发明一个实施方式的发射机系统的实现的示意说 明性电路图；

图3示出了对具有和不具有可变增益放大器补偿的幅度调制带宽的 比较的示意性图形表示；

图4示出了对具有和不具有可变增益放大器补偿的标称RMS功率等 级相位余量的比较的示意性图形表示；

图5示出了根据本发明一个实施方式的系统的可变增益放大器特性 的示意性图形表示；

图6示出了根据本发明另一实施方式的另一系统的可变增益放大器 特性的示意性图形表示；以及

图7示出了功率放大器、可变增益放大器以及对数放大器的相对增 益、以及总的开环增益作为输出功率的函数。

这些附图仅仅是出于示意性目的而示出的。

具体实施方式

如图1所示，根据本发明实施方式的发射机系统包括正交调制器系 统10，该正交调制器系统10接收来自基带的I和Q输入信号，并且在中 频处产生调制信号这个信号提供对偏置PLL的输入，该偏置PLL 由信号相位检测和校正单元12、可调功率放大器系统14、电压限制器20、 以及混频器22形成。放大器系统14的输出被提供到发射机/接收机开关 16，该发射机/接收机开关16将输出功率发送到天线。该放大器系统14 的输出还被提供到信号幅度检测和校正单元18，该信号幅度检测和校正 单元18将控制信号提供到可调功率放大器系统14。包络恢复和功率控制 单元18还接收来自正交调制器系统10的输入。来自正交调制器系统的 信号和来自可调功率放大器14的输出的信号由使用对数功率检测器的信 号幅度检测和校正单元18接收。如所示，该信号幅度检测和校正单元18 还接收输入斜坡信号V_RAMP，该输入斜坡信号V_RAMP控制无线网络期望的输出 功率强度。

可编程增益放大器14的输出还(经由可选的限制器20)被提供到混 频器22。该混频器22还接收来自本地振荡器VCO 26的输入。混频器22 的输出被提供到相位检测器系统12。该本地振荡器产生器还将输出信号 提供到正交调制器10。

该相位检测单元12、可调功率放大器14以及反馈环经由混频器22 将相位信息给提供输出信号，并且幅度检测单元18和可调功率放大器14 将该幅度信息提供给输出信号。

该系统提供了一种极性调制器架构，在该架构中，使用基带信号的 极性表示构造最终无线电频率波形。该系统采用闭环线性化，其中，通 过幅度调制环(14和18)校正幅度失真。该幅度调制环采用了精确的温 度稳定的对数检测器。通过宽的带宽偏置PLL(包括部件14、20、22和 12)校正相位失真。该环还包括采用同样精确和温度稳定的对数检测器 以及跟踪和保持电路(它们将增益测量系统用于真实功率控制)的功率 控制系统。即使没有将功率放大器14使能，在感测功率放大器系统之外 的残余信号泄露功率时使用高灵敏度限制器电路也允许PLL进行锁定。 这对诸如遵循GSM/EDGE标准的系统的时分多址(TDMA)系统来讲是有利 的。另外，这种系统还包括幅度调制(14和18)和PLL(14、20、22和 12)路径中专门设计的滤波以适应对组成极性信号(constituent polar signal)路径之间的严格时间对准的要求。

由于该极性调制器包括闭环功率控制，所以不同的子系统耦合在一 起。在由外部提供能量的特定子系统应用中，准确指定子系统并对其提 供能量的能力对于子系统用于满足目标需求的能力是关键的。另外，对 于系统稳健性，可能期望能够指定具有较差精确度的子系统或者使用第 二提供能量并且在应用中最初没有指定的部件。在系统中提供一些可编 程能力以适应部分变化是有利的。

该功率放大器系统14可以进行独立封装，并且使用与该系统的剩余 部分的加工过程不同的加工过程。试图将发射机的参数与功率放大器系 统的参数进行匹配并通过过程参数对它们进行跟踪是不容易的。因此， 鉴于满足系统要求的幅度调制(AM)环动态范围的重要性，部件规格需 要完整的规范并且应该满足严格的容限要求。作为类型1控制系统的AM 环通常把截止频率列为条件。在DC具有极点的类型1控制系统中，该截 止频率与DC环路增益成正比。对环路增益进行控制需要控制AM环路部 件(例如，功率放大器系统、反馈对数检测器、可变增益放大器以及积 分器)的步进增益(incremental gains)。因此，控制环路动态范围的 能力在部件选择方面提供了高度灵活性。

对于高级(superior)瞬时功率检测精确度来讲，对数功率检测器 是最优的。然而，这会在操作于宽功率范围的控制环应用中引入潜在的 问题，这是因为：随着输入功率的增加，步进增益dB-for-dB地下降。 因此，当功率放大器具有恒定增益(即恒定)的控制特性时， 对数功率检测器的使用可能需要一些环路增益均衡。这种功率放大器经 常被称作比例功率放大器，该放大器的无线电频率输出电压与其DC控制 端口的电压成比例。

对数检测器的步进增益随着输入功率而下降的事实会引出作为对数 检测器输入功率(并因此而引出功率放大器输出功率)的反函数的环路 增益函数。如果未进行控制，则这会影响AM环路动态范围以及极性调制 器的信号质量，从而很难在一定范围的输出功率内对相位和幅度校正后 的信号进行时间对准。在增益随着功率放大器输出功率的增加而增加的 控制环中包括一个元件会减小环路增益变化。

由于闭环功率控制中的对数检测器的使用，平均功率放大器系统输 出功率(以dB为单位)与斜坡电压V_RAMP成比例。这允许使用由斜坡电压 设置其增益的补偿元件。一个这种元件是线性dB(linear-in-dB)可变 增益放大器(VGA)。一旦具有适当特性的VGA被包括在AM环中，则能够 消除由于对数检测器导致的环路增益变化。仅仅以发送的信号的平均等 级执行环路增益补偿。当发送非恒定包络信号时，该VGA仅仅设置平均 环路增益。在一些应用中，瞬时变化不会显著地降低发送的信号质量。 然而，还可以提供其中将包络电压加到VGA的控制信号上的系统，在这 种情况下，甚至在非恒定包络系统的整个功率范围上瞬时环路增益也受 到很好的控制。

图2示出了根据本发明一个实施方式的电路，该电路包括信号相位 检测和校正单元以及信号幅度检测和校正单元的具体实现。该电路包括： 正交调制器输入30、相位-频率检测器32、低通滤波器34、发射VCO 36、 以及可调功率放大器系统40。可调功率放大器系统40的输出经由发送/ 接收开关42耦合到天线，以及经由功率耦合器62耦合到对数放大器44 的输入。第二对数放大器46耦合到正交调制器单元30的输出。来自对 数放大器44的信号被提供到加法器52，并且来自对数放大器46的信号 被提供到加法器50。该加法器52还接收来自斜坡信号(V_RAMP)的输入。

如第20040235437号美国专利申请“Closed-loop power control for non-constant envelope waveforms using sample/hold”中所述，跟踪 和保持放大器54用于提供真实的功率控制，通过引用将该公开合并于此。 该跟踪和保持放大器54接收来自对数放大器46的信号以及跟踪/保持控 制信号(T/H数字信号)。对数放大器46的输出与跟踪和保持放大器54 的输出在加法器50处结合，并且该加法器50的输出被提供到加法器52 并且产生错误信号V_err。

加法器52的输出(V_err)提供到可变增益放大器58，并且放大器58 的输出被提供到集成放大器60。该可变增益放大器58还接收来自斜坡输 入的控制信号，并且接收增益和斜率截距输入设置(VGA数字编程信号)。

对数放大器44和46、跟踪和保持放大器54、加法器50和52、以及 可变增益放大器58还可以运行在具有信号V_err、log(V_IN)、log(V_OUT)、 V_RAMP、log(V_env)的电流表示的电流模式下。

可调功率放大器系统40的输出经由功率耦合器62被提供到限制器 单元64和混频器66。该混频器66还接收来自本地振荡器VCO 70的输入。 该混频器60的输出被提供到相位-频率检测器32。

在使用期间，该对数放大器44和46、跟踪/保持放大器54、可变增 益放大器58以及积分器60用于向输出信号提供幅度信息，同时在整个 操作功率范围内维持AM和相位调制的同步。

图3示出了对根据本发明一个实施方式的具有和不具有VGA增益补 偿的AM环带宽的比较。具体地讲，在102处示出了没有使用VGA时功率 放大器输出功率与环路传输截止频率关系，在100处示出了使用VGA时 功率放大器输出功率与环路传输截止频率关系。该图清楚地显示了VGA 的益处，即在所关注的功率范围内将AM带宽的变化从大约20MHz减少 到小于1MHz。类似地，图4示出了对具有(在104处)和不具有(在 106处)VGA补偿的标称RMS功率水平下的控制环相位余量的比较。图4 表明，不但在输出功率内使得3dB带宽恒定，而且该增益均衡化技术还 产生了恒定的环路相位并因此而产生了考虑环峰化(loop-peaking)效 果的恒定闭环带宽。

即使对于理论上具有恒定控制功能的PA，800-900MHz频带和 1700-1900MHz频带的以伏特/伏特为单位的典型功率放大器步进增益也 显著地变化。另外，相同的幅度控制环必须在具有非常不同的控制函数 的PA上进行操作。利用这种功率放大器来控制AM环的动态范围是很困 难的。

如图5所示，当可变增益放大器对于斜率和截距可编程时，可以在 斜坡电压范围内精确地控制增益控制特性。由于斜坡电压与PA输出功率 成比例，所以VGA能够用于减轻由PA引入的附加增益变化。具体地讲， 在116处示出了斜率为15且截距为2的增益。在118处示出了斜率为8 且截距为2的增益。在120处示出了斜率为0且截距为2的增益。图6 示出了一组相似的增益关系。在122处示出了斜率为8且截距为0的增 益。对于根据本发明一个实施方式的系统，在124处示出了斜率为8且 截距为2的增益，并且在126处示出了斜率为8且截距为4的增益。这 些组曲线示表明，VGA的可编程性允许在宽范围的PA控制特性内对控制 环路进行调谐。

图7示出了可变增益放大器128、对数检测器增益130、功率放大器 增益132、以及环路增益134。如所示，尽管对数检测器增益和功率放大 器增益发生了变化，但可编程VGA的使用允许总的环路增益134在输出 功率上保持相对恒定。该恒定环路增益转换成恒定环路带宽(以及对应 延迟)并且因此有助于容易地实现与类似地在输出功率上具有恒定延迟 的相位环进行时间对准。

本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下， 可以对以上公开的实施方式做出许多变型和修改。