CN1993886A - 低电流直接变频发射机结构 - Google Patents

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Abstract

公开了一种操作RF发射机的方法以及一种构造为根据本发明的方法进行操作的RF发射机。该方法包括：确定发射机输出功率；以及根据发射机输出功率来改变在发射机相位调制器处的信号水平，从而在发射机输出功率提升时提升信号水平，并且在发射机输出功率降低时降低信号水平。在优选的实施方式中，该方法进一步包括根据信号水平和级增益中至少之一来调节RF发射机链中多个部件的电流消耗。

Description

低电流直接变频发射机结构
技术领域
本发明总体涉及射频(RF)发射机，更具体来说，涉及例如在移动台中使用的直接变频RF发射机(DCT)，该移动台例如是蜂窝电话或其他类型的无线通信装置。
背景技术
DCT设计者通常关注于提高功率放大器(PA)在其最大输出功率水平时的效率，因为为了降低高发射功率时的电流/功率消耗，效率的提高是非常重要的。然而，移动台发射机通常不操作于其最大输出条件。例如，根据CDMA CDG4统计陈述(profile)(参见CDMA开发小组于2003年4月9日的草稿版本3.0“CDG System PerformanceTests(Optional)”)，对于CDMA移动台来说最常见的发射功率处于中等功率水平至低功率水平，例如就语音通信所使用的CDMA移动发射机来说该功率水平大约在+3和-10dBm之间。在该发射功率区域，发射机(Tx)链(chain)支配着整个发射机的功率消耗。很明显，降低Tx链电流消耗可以通过节约电池功率而有效地提高移动台的通话时间。
至少在一些传统的移动台发射机设计中，来自在Tx链的输入所应用的数字-模拟转换器(DAC)的基带(BB)信号的水平是固定的。除此之外，BB信号水平是非常高的，其可以展现出2.5V的峰-峰电压摆动。这基于下列考虑，即当使得BB信号水平更高时，信噪比(SNR)也更高。然而，为了处理这种高水平输入，要求Tx链中的正交调制器以及随后的可变增益放大器(VGA)和驱动放大器消耗相当数量的电流，以在不引起显著失真的情况下保持足够的线性，其中所述正交调制器形成适当调制的发射信号并将BB调制信号转换为期望的RF发射信号。因此，所述Tx链通常操作于低效率的电流消耗条件下。
为了减少移动台发射机的电流(功率)消耗，在现有技术中公知可以通过调节PA基准电流或电压来控制PA偏置电流。然而，期望更多的功率消耗节约和效率方面的提升。
发明内容
根据本发明当前优选的实施方式，克服了上述和其他问题，并实现了其他有益效果。
本发明的一个方面是一种DCT结构，相对于现有技术，其展现出较低的电流消耗和较高的功率效率。
在一个方面中，本发明提供一种操作RF发射机的方法，其中该方法包括：确定发射机输出功率，并且根据该发射机输出功率来改变在发射机正交调制器处的信号水平，从而在发射机输出功率提升时提升信号水平，并且在发射机输出功率降低时降低信号水平。在优选的实施方式中，本方法进一步包括：根据信号水平和/或级增益来调节发射机(Tx)链中多个和可能的所有有效级的电流消耗，该有效级诸如正交调制器、RF可变增益放大器(VGA)和驱动放大器。
在另一方面中，本发明提供一种RF发射机，其具有用于以下的电路：控制发射机输出功率和用于根据该发射机输出功率来改变发射机相位调制器处的信号水平，从而在发射机输出功率提升时提升信号水平，并且在发射机输出功率降低时降低信号水平。
在此作为优选但非限制性的实施方式而公开一种移动台，该移动台具有包括直接变频发射机(DCT)的直接变频RF收发机。该DCT构造为具有数字基带部分，其供给向功率放大器输出信号的模拟发射机链部分。该发射机链部分包含正交调制器，其输入来自同相相位(I)和正交相位(Q)发射机通道的信号，并且将该信号上变频至发射频率。该DCT进一步包括用于控制发射机输出功率和用于根据该发射机输出功率来改变正交调制器处的信号水平的电路，从而在发射机输出功率提升时提升信号水平，并且在发射机输出功率降低时降低信号水平。还公开了一种优选地根据信号水平和/或级增益来调节RF发射机链中每个有效级的电流消耗的电路。
附图说明
当结合附图进行阅读时，在优选实施方式的随后细节描述中可以使这些教导的下列和其他方面变得更加明了，其中：
图1是根据本发明的直接变频发射机的框图，其详细示出了具有降低的电流消耗的直接变频发射机；
图2示出了针对具有最大水平的固定I和Q BB信号输入而言的发射机链电流消耗与其输出水平的关系，以及CDG4概率分布函数(PDF)；
图3是I和Q BB信号水平阶变(step-variation)技术的例子；以及
图4示出了根据本发明的针对具有4个不同水平的可变I和Q BB信号输入而言的发射机链电流消耗与输出水平的关系，以及CDG4PDF。
具体实施方式
参考图1，CDMA移动台包括直接变频收发机100。该直接变频收发机100包括收发机数字BB和数字信号处理器(DSP)块400、接收机500以及对本发明至关重要的DCT 600，该DCT 600包括数字前端块300、RF/模拟Tx链200以及相关部件，该相关部件包括带通滤波器(BPF)102、PA 101以及功率检测器104，其中该功率检测器104经由放大器211将信号反馈到收发机数字BB和DSP块400。PA101的输出以及通往接收机500的输入经由双工器103而耦合到天线50。
需要注意的是，收发机100被划分为同相(I)通道和正交(Q)通道，因此其包括上述的正交调制器207。在DCT 600中可以找到的其他部件是一对数字可变增益放大器(DVGA)302a、302b，其分别供给DAC 301a和301b。DAC 301a和301b分别输出模拟BBI信号和BBQ信号。经由自动增益控制(AGC)和水平控制算法块303来控制所述DVGA 302a和302b。串行输入/输出(SIO)总线304和脉冲密度调制器(PDM)305可以分别提供阶跃功率控制信号和连续功率控制信号。RF/模拟Tx链200包括缓冲放大器205a和205b，为方便起见，所示出的缓冲放大器205a和205b分别可切换地或直接或通过可变衰减器203a和203b与BBI信号和BBQ信号相耦合(201a、202a、201b、202b)。如下所述，在利用DVGA 302a、302b和DAC301a、301b来改变BBI信号和BBQ信号的实施方式中，缓冲放大器205a、205b的输入(即通往TX链200的输入)可以直接耦合至DAC301a、301b的输出，而在BBI信号和BBQ信号的值固定的实施方式中，缓冲放大器205a、205b的输入优选地通过可变衰减器203a、203b耦合至DAC 301a、301b的输出。在任一种情况中，缓冲器205a、205b的输出通过低通滤波器(LPF)206a、206b应用于正交调制器207，其中利用合成型本地振荡器210的输出将该信号上变频为发射频率。结合的I和Q上变频信号作为发射信号应用于RF VGA 208，其增益由PDM 305的输出来控制。VGA 208的输出应用到驱动器209，然后应用到BPF 102和PA 101。
根据本发明的优选实施方式，图1所示的DCT结构包括DVGA302a和302B、AGC以及水平控制算法块305，并且还可以包括可变衰减器203a、203b。需要注意的是，尽管在存在DVGA 302a、302b的实施方式中可以不存在可变衰减器203a、203b(反之亦然)，但本发明并不排除在DCT 600中同时存在所有的这些部件。
在CDMA移动台中，发射功率直接与移动台接收机500接收到的信号强度(RSS)相关联，并且在接收机中存在预定和传统的算法来基于所测量的RSS而确定发射功率水平。这点可以参考2003年1月17日的TIA/EIA-98-E，“Recommended Minimum PerformanceStandards for cdma2000 Spread Mobile Stations”。通常，当测量的RSS较低时，发射功率较高，反之亦然，即发射功率反比于RSS。
从已知的发射功率中，AGC和水平控制算法303如在传统的CDMA发射机中那样设定VGA 208的增益，然而，同样驻留在块303中的水平控制算法也可以改变DVGA 302a和302b的增益。因此，使得通往缓冲器205a和205b以及正交调制器207的输入信号水平随发射功率发生改变。正交调制器207、RF VGA 208以及驱动器209的电流消耗通常以下列方式进行设计，即该电流消耗作为这些部件的增益和输入信号水平的函数而变化。VGA 208增益通常由AGC算法303经由PDM 305来连续控制，VGA 208和驱动器209的偏置电流(或电流消耗)基于VGA 208增益来自动调节，并且驱动器209偏置电流也利用其输入激励水平来自动调节，因为驱动器209优选地在操作的自偏置模式中操作。正交调制器207a、207b的偏置电流(或电流消耗)相应地基于由水平控制算法303通过SIO总线304所提供的I和Q BB信号水平或DVGA 302a、302b增益来调节。I和Q BB信号水平以及正交调制器207a、207b的相应电流可以根据操作要求来连续地或阶跃地(但是通常优选连续地)调节。通常，调节有效Tx链级的偏置电流等同于调节该级的电流消耗。
当调节正交调制器207、VGA 208和驱动器209的偏置电流时，基于它们的增益和输入激励水平，适当地保持它们的线性。
现在更详细地来讨论本发明的操作，当所接收到的信号强度较低时，例如在-101dBm之下时，移动台以最大功率进行发射。在此情况下，发射机链200要求高水平BB I和BB Q信号输入，因为其总体增益是有限的。此情况中的AGC和水平控制算法303使得DVGA 302a、302b以其最大增益进行操作，并且I和Q DAC 301a、301b输出提供它们最大的电压摆动。正交调制器207、VGA 208以及驱动放大器209被设计为具有足够高的偏置电流，以在没有显著失真的情况下处理大信号偏移，即利用例如小于-57dBc的可接受低邻近通道功率比(ACPR)来保持来自TX链200的输出信号并保持较高的调制精度，例如误差向量幅度(EVM)或波形品质因子(ρ)。例如ρ的值可以大于0.99。
当发射功率降低时，水平控制算法303相应地调节DVGA 302a、302b的增益，并且来自I和Q DAC 301a、301b的输出BB信号水平降低。正交调制器207a、207b的偏置电流基于DVGA 302a、302b的降低的增益而减小。基于VGA 208增益和驱动放大器209输入信号水平而自动调节VGA 208和驱动放大器209的偏置电流。因此，发射机链200的总电流消耗的降低与输出发射功率成比例，然而，发射机链200的线性仍然足以得到期望的ACPR和调制精度(ρ)性能。
需要注意的是，尽管传统CDMA发射机链的电流消耗也随输出发射功率而降低，但本发明的使用可以大约至少节约25％的平均电流消耗(与基于CDG4统计曲线的传统CDMA发射机链平均电流消耗相比)。之所以如此，是因为与传统CDMA Tx链不同，本发明中Tx链200的输入处的I和Q BB信号水平也随输出发射功率而变化，而在传统Tx链中，I和Q BB信号水平保持恒定。
如果控制函数是线性的，或者如果使用了近似的闭型(closed-form)公式，那么就可以以连续的方式来实现水平和偏置控制。可选地，如图3所示，只有当发射功率跨越特定的限定水平时，水平和偏置电流改变才可以进行具有迟滞的阶跃。在阶跃控制情况中，可以在水平控制算法303中使用查找表。注意，本发明不限于使用图3所示的四阶水平，在特定应用中可以实现多于或少于四阶水平。然而，如上所述，在最实际的应用中，通常优选连续的调节。随后的例子示出改进的Tx链200的平均电流消耗节约可以大于25％。
为简化起见，假设在此例子中输出至正交调制器207的I和Q BB信号的水平调节是阶跃的。图2示出与发射机链200输出处的I和QBB信号水平是固定的情况相对应的例子，并且假设最大电压摆动。发射机链在最小输出功率和最大输出功率之间的范围中的电流变化大约为14mA。在图2中还示出了用于在城区和郊区中的语音通信的CDG4曲线的功率出现率概率分布函数(PDF)。在此情况中，基于城区和郊区PDF而计算的平均电流分别为66.6mA和67.7mA。
现在转至图3，这里示出根据本发明的输入I和Q BB信号随输出功率水平进行阶跃式变化的情况，并且在图4中示出了发射机链200相应的电流消耗与其输出功率的关系。当I和Q BB信号水平随输出功率而进行阶跃式变化时，发射机链200的电流变化比固定BB信号水平情况中的电流变化约大32mA，并且基于针对城区和郊区语音通信的CDG4 PDF所计算的相应的平均电流消耗分别为48.4mA和50.1mA。可以很容易地看出，与使用固定I和Q BB信号水平的传统发射机链相比，根据本发明的改进发射机链200能够使电流消耗的降低超过25％。
本发明的可选实施方式是，在Tx链200处使用可变衰减器203a、203b而不是直接连接202a、202b。本实施方式在来自DAC 301a、301b输出的BB信号水平是固定的情况下有用。在此情况中，可变衰减器202a和202b以类似于DVGA 302a、302b的方式工作，以控制BB I和Q信号的水平，并且衰减水平由水平算法单元303通过SIO总线304来控制。例如，可以将可变衰减器203a、203b构造并控制为如图3所示在I和Q BB信号水平中提供多阶改变。来自可变衰减器202a、202b的输出信号水平随发射功率水平进行变化，并且相应地调节级207-209的偏置电流。
本发明后一实施方式在升级现存Tx结构以使用现有的数字BB集成电路方面尤其有用，因为需要的仅是在发射机链RF/模拟BB输入中添加可调节衰减器或等同的电路，并修改Tx DSP以包括查找表或等同的功能，从而通过SIO或等同的控制总线基于衰减值或BB I/Q输入水平控制Tx链中各个级的偏置。
如上详述，对于无线移动台发射机来说功率消耗是至关重要的。发射机的总功率消耗是PA 101和Tx链200贡献的函数。就CDMA移动台的情况而言，当发射功率较低时，例如为5dBm或更低的时候，通常在集成电路(IC)中实现的Tx链200支配着发射机功率消耗。上面已说明，与使用来自DAC的固定输出来驱动Tx IC相反的是，通过在输出功率水平的基础上调节Tx DAC 301a、301b的输出水平，并通过改变Tx IC中各个级的偏置，可以降低该Tx IC的电流消耗，从而减少电池放电并提高通话时间。
本发明提供一种直接变频发射机结构，其中结合对Tx链中各个级的偏置电流的适当调节，基于发射功率，DCA输出BB信号水平或Tx链输入水平是可编程的。Tx链200的电流和BB信号水平随发射功率而降低。这样，统计平均电流消耗相对于传统移动台发射机结构的电流消耗而言得到了有效降低，并且通话时间得到了显著提高。
可以注意到，尽管来自DAC 301a、301b的输出的BB信号或Tx链200的输入处的SNR可能降低，但由于对最终发射信号的ACPR和调制精度(即EVM或波形品质因子(ρ))没有显著影响，因此这种降低是可接收的。
以上描述以示例性而非限制性的例子提供了发明人当前所构思的最佳方法和设备的完整及信息性描述用于执行本发明。然而，当结合附图以及所附权利要求书进行阅读时，各种修改以及适应可以对于着眼于前面描述的相关领域技术人员更加明了。仅作为一些例子，本领域技术人员可以尝试使用其他类似或等同的电路以及多个信号水平。此外，可以结合通过调节PA 101基准电流或电压来调节PA 101的偏置电流的传统技术来使用本发明的教导。然而，对本发明的教导的所有这些类似修改将仍然落入本发明的范围中。
而且，本发明的一些特征可以在没有其他特征的相关使用时使用以提供有益效果。为此，应当仅将以上描述看作是本发明的原理的说明而不是其限制。

Claims (20)

1.一种操作射频(RF)发射机的方法，包括：
确定发射机输出功率；以及
根据所述发射机输出功率来改变在发射机相位调制器处的信号水平，从而在所述发射机输出功率提升时提升所述信号水平，并且在所述发射机输出功率降低时降低所述信号水平。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：根据所述信号水平和级增益中至少之一来调节RF发射机链中多个有效级的偏置电流。
3.根据权利要求1所述的方法，其在码分多址移动台中执行。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，改变所述信号水平包括：改变针对输入基带信号的可变增益放大器的增益。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，改变所述信号水平包括：数字地改变至数字-模拟转换器的输入，其中该数字-模拟转换器输出一个信号，所述信号耦合至RF发射机链的输入并接着耦合到所述正交调制器。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，改变所述信号水平包括：对从数字-模拟转换器输出的信号进行可变地衰减。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述相位调制器包括将所述信号上变频至发射频率的正交调制器。
8.一种射频(RF)发射机，包括用于以下的电路：控制发射机输出功率和用于根据所述发射机输出功率来改变发射机相位调制器处的信号水平的电路，从而在所述发射机输出功率提升时提升所述信号水平，并且在所述发射机输出功率降低时降低所述信号水平。
9.根据权利要求8所述的RF发射机，进一步包括根据所述信号水平来调节所述RF发射机中至少一个部件的偏置电流的电路。
10.根据权利要求8所述的RF发射机，进一步包括根据所述信号水平和级增益中至少之一来调节RF发射机链中每个有效级的偏置电流的电路。
11.根据权利要求8所述的RF发射机，其中，所述改变所述信号水平的电路包括根据输入基带信号的水平来改变数字可变增益放大器的增益的电路。
12.根据权利要求8所述的RF发射机，其中，所述改变所述信号水平的电路包括数字地改变至数字-模拟转换器的输入的电路，其中该数字-模拟转换器输出一个信号，所述信号耦合至RF发射机链的输入并接着耦合到所述正交调制器。
13.根据权利要求8所述的RF发射机，其中，所述改变所述信号水平的电路包括可变衰减器，该可变衰减器耦合至从数字-模拟转换器输出的信号。
14.根据权利要求8所述的RF发射机，其中，所述正交调制器进一步将所述信号上变频至发射频率。
15.根据权利要求8所述的RF发射机，其中，所述正交调制器输入来自同相和正交发射机通道的信号。
16.根据权利要求8所述的RF发射机，其中，所述正交调制器输入来自CDMA移动台的同相和正交发射机通道的信号。
17.一种包括直接变频射频(RF)收发机的移动台，其包括直接变频发射机(DCT)，所述DCT包括数字基带部分，其供给向功率放大器输出信号的模拟发射机链部分，所述发射机链部分包含正交调制器，其输入来自同相相位(I)和正交相位(Q)发射机通道的信号，并且将该信号上变频至发射频率；该DCT进一步包括用于控制发射机输出功率和用于根据所述发射机输出功率来改变所述正交调制器处的信号水平的电路，从而在所述发射机输出功率提升时提升所述信号水平，并且在所述发射机输出功率降低时降低所述信号水平；该DCT进一步包括根据所述信号水平和级增益中至少之一来调节所述RF发射机链中多个有效级的电流消耗的电路。
18.根据权利要求17所述的移动台，其中，所述改变所述信号水平的电路包括根据所述发射功率来改变可变增益放大器的增益的电路。
19.根据权利要求17所述的移动台，其中，所述改变所述信号水平的电路包括数字地改变至I和Q通道数字-模拟转换器的输入的电路，其中该转换器将I和Q通道信号输出至所述RF发射机链的输入并接着输出至所述正交调制器。
20.根据权利要求17所述的移动台，其中，所述改变所述信号水平的电路包括I通道和Q通道可变衰减器，其耦合到从I通道和Q通道数字-模拟转换器输出的I通道和Q通道信号。
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