专利名称：用于控制发射机功率消耗的方法和设备的制作方法
技术领域：
本文的方法和设备大体涉及射频(RF)发射机，且明确来说，涉及用于降低发射机放大链中的功率消耗的方法和装置。
背景技术：
通常，需要移动无线通信装置高效地使用其电源，以延长所述电源及/或装置的使用寿命。在许多情况中，移动装置的发射机电路是装置的功率消耗的主要贡献者。一个典型的实例被称为低工作循环(LDC)网络。LDC网络包含若干LDC终端，所述LDC终端是用于众多位置追踪、标记、遥测以及类似应用中使用的小型通信装置。LDC终端以休眠循环操作，由此每一终端苏醒以接收和传输数据的时间仅占其操作时间的小百分比。此低工作循环操作将对空中接口的利用以及对来自终端的电源的能量消耗降到最低。
发明内容
由于诸如LDC终端等移动无线装置通常一方面包含小型电源，而另一方面又期望操作延长的时间周期，因此非常需要降低装置的功率消耗。所述方法和设备的各方面改进了射频(RF)发射机中放大级的设计和控制，以降低其功率消耗。在一些方面中，所述发射机可操作以便以目标功率电平输送输出RF信号， 所述目标功率电平可在宽动态范围上变化。对于所述动态范围中的每一目标功率电平，所述发射机中的控制模块配置所述发射机的放大级的操作设定，以产生具有适宜目标功率电平的输出RF信号，同时最低程度地消耗来自电源的功率。在所揭示的方面中，所述发射机是无线通信装置的一部分，所述无线通信装置还包括接收机，且所述目标功率电平是响应于从基站接收的信号而确定。另一选择为，所述目标功率电平可通过其它方式来确定。可以许多方式来配置放大级的操作，例如通过控制放大级的偏置电压来控制其增益及/或饱和功率、使用旁通开关来旁通放大级以及在两个或两个以上值之间切换放大级的电源电压。在一些方面中，将传输功率电平的动态范围划分成若干子范围或区间。在每一子范围内，确定最低程度消耗来自所述电源的功率的操作设定的组合。在操作期间，当需要所述发射机以某一目标功率电平来传输时，所述控制模块确定所述目标功率电平所属的子范围并应用适宜的操作设定。在一些方面中，通过使用查找表(LUT)来表示所述子范围和操作设定组合。另一选择为，依据状态机来表示所述子范围和操作设定组合。可相对于传输功率电平在无线装置的典型操作曲线图上的统计分布来优化将所述动态范围划分成离散子范围的划分。下文将解释和演示对此通常表示为概率密度函数 (PDF)的统计分布的使用。所描述的若干实例性发射机配置包括适于单频带和多频带操作以及半双工和全双工应用的配置。使用模拟PDF的实例性测试结果显示使用本发明所揭示的方法和装置电流平均降低了 20%。根据以下详细说明并结合以下图式将更为全面地了解所述方法和设备。
图1是框图，其根据本文的方法和设备示意性图解说明无线低工作循环(LDC)通信系统；图2-5是框图，其根据本文的方法和设备示意性图解说明LDC终端发射机配置；图6是状态图，其根据本文的方法和设备示意性图解说明LDC终端发射机的操作状态；图7是曲线图表，其根据本文的方法和设备示意性图解说明输出功率电平的概率密度函数(PDF)；及图8是曲线图表，其根据本文的方法和设备示意性图解说明LDC终端发射机的电流消耗。
具体实施例方式系统说明图1是框图，其根据本文的方法和设备示意性图解说明无线低工作循环(LDC)通信系统20。LDC系统20可作为诸如蜂窝式网络等常规无线网络的一部分操作，以用于与LDC 终端M进行通信。LDC终端M与基站观进行通信，基站观充当网络32的接入点。LDC 网络覆盖于其上的常规无线网络可包含举例来说，蜂窝式网络、个人通信系统(PCQ或任何其它合适的公共或专用无线网络。LDC系统20的不同方面可适合于使用常规无线网络所使用的任何无线标准、协议或空中接口，例如cdmaOne、CDMA2000、UMTS、GSM或任何其它合适的标准。这样，LDC系统20可适合于在常规无线网络将使用的任何频率带上操作。每一终端M包含天线34，其用于接收来自基站观的射频(RF)信号和用于RF信号传输到所述基站。接收机36接收、下变频、滤波、解调且另外处理基站传输的RF信号。接收机36的特定操作在本文的方法和设备的范围之外。发射机38对将要从终端M传输到基站的数据进行调制、上变频、滤波及放大，以产生输出RF信号。然后，经由天线34将所述输出RF信号传输到基站观。一些LDC应用(例如人员和资产追踪)使用LDC终端的位置坐标。在一些方面中， 终端M包含位置传感器，例如全球定位系统(GPQ接收机40。使用位置传感器，终端M能确定其位置坐标并将此信息传输到基站。终端M由通常包含合适电池的电源42供电。所述电源给终端M的发射机、接收机、GPS接收机及其它组件提供电力。在许多LDC应用中，需要终端M在不对电源42进行更换或充电的情况下能够操作延长的时间周期，常常是持续数月或数年。通常，发射机38 是来自电源42的能量的主要消耗者。因此，终端M的不同组件(且特定发射机38中及其控制)应将对来自电源的电流的消耗降到最低。终端M中的控制模块44执行LDC终端的所有控制和管理功能。除其它功能外， 控制模块44还可使用下文详细描述的方法和装置来控制发射机38的操作，以将从电源42 汲取的电流降到最低。模块44可使用诸如专用集成电路(ASIC)等集成电路(IC)中的数字硬件电路来实施。另一选择为，模块44可使用运行于合适微处理器上的软件代码、或使用硬件和软件元件的组合来实施。图2-5是框图，其根据本文的方法和设备的各方面示意性图解说明LDC终端M的发射机38的实例性配置。参考图2的实例性发射机配置，调制器46对将要从终端M传输到基站观的数据进行调制，调制器46还对信号进行滤波并将其上变频到合适的频率范围。 放大链对调制器46输出处的经调制RF信号进行放大，所述放大链包含级联连接的两个放大级，即驱动器放大器(DA) 48和功率放大器(PA) 50。功率放大器产生将经由天线34传输到基站观的输出RF信号。尽管图2为清楚起见显示了两个放大级，但本文所述方法和装置可在包含任何数目的放大级的放大链中使用。放大级可级联连接、以并联配置进行连接、或以并联与级联连接的混合配置进行连接。在一些方面中，LDC系统20使用的空中接口或协议是全双工协议，其中终端M在两个不同的信道上同时传输和接收RF信号。在其它方面中，协议是半双工协议，其中终端通常以同一频率在传输与接收之间交替。如此项技术中所熟知，双工器52对传输和接收频率范围进行滤波。双工器52的一个输出将天线34接收的RF信号提供到接收机36。双工器的使用适于全双工和半双工操作两者。下文将描述适于半双工操作的替代配置，其中双工器由开关取代。在一些方面中，发射机38可操作以便以某一传输功率电平来传输输出RF信号， 所述传输功率电平可在宽动态范围上变化。传输功率电平的典型动态范围约为80dB，例如从-55dBm到高达+27daii。传输功率电平可取决于(例如)终端M与基站28之间的通信信道的范围和路径损耗、所需的信噪比等等。在许多实际情况中，基站观给终端M提供目标功率电平以用于传输输出RF信号。在一些方面中，基站指出绝对目标功率电平。在其它方面中，基站指示所述终端以预定的递增步长来增加或减少输出RF信号功率。所述指令的特定格式取决于在终端M与基站观之间定义的协议。又在其它方面中，LDC终端M (例如)响应于从基站接收的RF信号的电平自行确定目标功率电平。对于预定义的动态范围中的每一目标功率电平，控制模块44 配置发射机38的放大级的操作设定，以产生具有所需目标功率电平的输出RF信号，同时最低程度地消耗来自电源42的功率。
可以多种方式响应于目标功率电平来配置放大级的操作。在一些方面中，模块44 通过控制施加到所述级的偏置电压来控制一个或一个以上放大级的增益及/或饱和功率。 通常，当放大级经偏置而具有较低饱和功率时，其电流消耗降低。模块44可在两个或两个以上预定值之间切换偏置电压，或者另一选择为提供一连续范围的偏置电压。另外或另一选择为，模块44可使用旁通开关讨来旁通一个或一个以上放大级。在图2所示发射机配置中，两个旁通开关被耦合到功率放大器50的输入和输出，以使控制模块44在适宜时候旁通PA。在一些方面中，当一级被旁通时，其电源电压也被关掉，以进一步降低功率消耗。进一步额外地或替代性地，模块44可使用DC开关55在两个或两个以上值之间切换一个或一个以上放大级的电源电压。在图2中所示的实施例中，驱动器放大器48和功率放大器50两者均经由由模块44控制的此类DC开关连接到电源42的输出。在此方面中， 电源42包含双电压电源。举例来说，可在3. 4V的高电压与1. 5V的低电压之间切换电源电压。尽管为了清楚起见，图中将开关55显示为与电源42分离，但另一选择为可将这些开关集成到电源本身内。另外或另一选择为，模块44可在发射机的任一放大级中配置任何其它合适的操作设定或设定的组合。在一些情况中，在确定操作设定时，需要在最小化功率消耗之间及维持输出RF信号的质量之间进行折衷。举例来说，降低放大级的电源电压或偏置电压可使所述级在目标功率电平下的线性降级。降级的线性可导致互调失真和其它不需要的杂散辐射。因此，确定操作设定还可允许进行信号质量考虑。在一些情况中，切换放大级的电源电压或偏置电压可在电压变化期间将瞬变失真 (明确地说相位失真)引入到经放大的信号中。旁通放大级还可引入切换瞬变。可对这些影响予以考虑，尤其是在全双工应用中，其中有时需要在传输期间修改操作设定。在半双工应用中，常常可能在发射机处于闲置时(例如协议保护时间期间或接收期间)修改操作设定，从而避免瞬变失真。图3根据本文的方法和设备显示另一发射机配置。图3的发射机配置是包含两个放大链的多频带配置。每一放大链的结构与上文图2的配置的结构相似。第一放大链(包含分别标记为DA A和标记为PA A且由标记为MOD A的调制器驱动的驱动器放大器和功率放大器)在一个频率带上传输，例如约800MHz或900MHz的蜂窝式频率带。第二放大链(包含分别标记为DA B和标记为PA B且由标记为MOD B的调制器驱动的驱动放大器和功率放大器)在另一频率带上传输，例如约1800MHz或1900MHz的PCS频率带。同向双工器56将所述两个放大链连接到天线34。正如上文图2中一样，控制模块44配置驱动器放大器48 和功率放大器50的偏置电压和电源电压，并在适宜时候旁通功率放大器50。在一替代方面(图中未示出)中，图3中的两个旁通开关可由执行旁通和频带选择的单极四投(SP4T)开关来取代。SP4T开关的输出通过单双工器52馈入到天线。双工器 52的接收机侧输出提供到RxA和RxB两者。所属技术领域的技术人员应了解，其它多频带发射机配置也是在本文所述方法和设备的范围之内，例如但不限于，在蜂窝式频率带、PCS频带以及GSM 900MHz频带上传输的
直ο图4显示另一实例性发射机配置，其特别适于半双工操作。在图4的配置中，模块44控制的单极三投(SP3T)开关58组合以下两种功能在传输模式中旁通PA 50，以及在发射机38与接收机36之间切换天线34，从而取代双工器52。与上文图2的配置相比，此配置提供更好的发射机效率，因为其降低了 PA 50的输出与天线34之间的插入损耗。然而， SP3T开关配置仅可用在半双工操作中，因为所述开关将所述天线连接到发射机38或连接到接收机36，但不会同时连接到所述两者。 图5显示适于半双工操作的另一多频带配置。所述图显示由模块44控制的两个放大链，类似于图3的配置。类似于图4的半双工配置，双工器52由开关取代。在图5中所示的配置中，单极六投(SP6T)开关60取代图3中所示的两个双工器52和同向双工器56。 SP6T开关60因此执行PA A和PA B两者的PA旁通，以及频带选择。此配置有时在半双工情景中是优选的，因为PA 50的输出与天线34之间的低插入损耗。
在上文图2-5中所示的所有配置中，一些发射机电路可集成到RF集成电路(RFIC) 中，以降低成本、大小、芯片数量和功率消耗。举例来说，调制器48和驱动器放大器48(或两个此类链，如在图3和图5的多频带配置中)可集成到RFIC中。在一些方面中，耦合到 PA 50的输入的旁通开关也可集成到RFIC中。在一些方面中，功率放大器50包含市面有售的集成放大器单元。这种放大器单元常常包含两个或两个以上级联放大级，所述放大级集成有外部可控制的旁通开关及/或用于外部偏置控制的装置。控制模块的操作如上文所述，对于为LDC终端M定义的动态范围中的每一目标功率电平，控制模块44确定放大级的一个或一个以上操作设定，以使输出RF信号具有所需的传输功率电平， 同时将从电源42汲取的电流降到最低。在一些方面中，模块44将传输功率电平的动态范围划分成若干子范围。在每一子范围内，模块44确定将从电源42的功率消耗降到最低的操作设定的组合。在操作期间，当需要LDC终端以某一目标功率电平进行传输时，模块44确定所述目标功率电平所属的子范围，并应用适宜的操作设定。在一些方面中，使用查找表(LUT)来表示子范围和操作设定组合，所述查找表可根据所需的传输功率电平来进行存取。对于每一目标功率电平，LUT保存有应设定的操作设定的定义，例如，是否应旁通某一放大级，以及放大级的电源电压和偏置电压的值。另一选择为，可依据状态机来表示所述子范围和操作设定组合。所述状态机的每一状态对应于所述动态范围的子范围。图6是实例性状态图，其根据本文的方法和设备示意性图解说明发射机38的操作状态。图6中所示的状态机对应于包含一个驱动器放大器(DA)和一个功率放大器(PA)的发射机配置。在本实例中，PA电源电压可在表示“高”和“低”的两个值之间进行切换。PA 和DA的偏置电压可(相互独立地)在表示“高”和“低”的两个值之间进行切换。还可旁通PA。当旁通PA时，关闭其电源电压以进一步降低功率消耗。将传输功率电平的动态范围划分成由五个操作状态表示的五个子范围或区间。每一状态对应于操作设定的特定组合。举例来说，极高的功率状态70对应于所述动态范围中的最高传输功率电平的区间。当在状态70中时(即当目标功率电平处在所述对应区间内时)，模块44为PA 50设定高偏置电压和高电源电压，且为DA 48设定高偏置电压。下表给
权利要求
1.一种半双工发射机，其经配置以在接收模式与传输模式之间交替，所述发射机包含传输电路，其操作以产生输出信号以用于在所述传输模式中传输，所述传输电路包含放大级；接收电路，其操作以在所述接收模式中接收输入信号；开关，其耦合到所述传输电路和接收电路，以便既在所述接收模式与所述传输模式之间进行切换，又可在所述传输模式中有选择地旁通所述放大级；及控制模块，其经布置以确定所述输出信号的目标功率电平并控制所述开关的致动以便选择所述传输模式或所述接收模式，且响应于所述目标功率电平，在所述传输模式中旁通所述放大级。
2.如权利要求1所述的发射机，其中所述开关是单极开关，其至少具有第一投掷位置，用于所述接收模式；第二投掷位置，用于在所述传输模式中接受来自所述放大级的所述输出信号；及第三投掷位置，用于在所述传输模式中接受所述输出信号同时旁通所述放大级。
3.如权利要求1所述的发射机，其中所述控制模块经布置以确定是否视所述目标功率电平所归属的子范围而定来旁通所述放大级，所述子范围是从多个子范围中选出的，其中所述子范围通过以下操作来定义确定操作所述发射机所需的传输功率电平的范围；确定所述范围中期望在所述发射机使用期间发生的所述传输功率电平的统计分布；及响应于所述统计分布将所述范围划分成所述多个子范围。
4.一种发射机，其包含第一放大级，其经耦合以在第一频率带中产生第一输出信号；第二放大级，其经耦合以在第二频率带中产生第二输出信号；RF开关，其经耦合以既可用于有选择地旁通所述第一放大级和所述第二放大级，又用于在所述第一频率带和第二频率带之间进行选择；及控制模块，其经布置以确定所述第一输出信号和第二输出信号中的至少一者的目标功率电平及控制所述开关的致动，以便在所述第一频率带与第二频率带之间进行选择并响应于所述目标功率电平，旁通所述第一放大级和第二放大级中的至少一者。
5.如权利要求4所述的发射机，其中所述开关是单极开关，其至少具有第一投掷位置，用于接受所述第一输出信号同时不旁通所述第一放大级；第二投掷位置，用于接受所述第二输出信号同时不旁通所述第二放大级；及第三投掷位置，用于接受所述第一输出信号和第二输出信号中的一者同时旁通所述第一放大级和第二放大级中的至少一者。
6.如权利要求4所述的发射机，其中所述控制模块经布置以确定是否视所述目标功率电平所归属的子范围而定来旁通所述第一放大级和第二放大级中的至少一者，所述子范围是从多个子范围中选出的，其中所述子范围通过以下操作来定义确定操作所述发射机所需的传输功率电平的范围；确定所述范围中期望在所述发射机使用期间发生的所述传输功率电平的统计分布；及响应于所述统计分布将所述范围划分成所述多个子范围。
全文摘要
本发明涉及一种用于改进射频(RF)发射机中的放大级的设计和控制以降低其功率消耗的方法和设备。在一些方面中，所述发射机可操作以便以目标功率电平传输输出RF信号，所述目标功率电平可在广泛动态范围上变化。对于所述动态范围中的每一目标功率电平，所述发射机中的控制模块配置所述发射机的放大级的操作设定，以产生具有适宜目标功率电平的输出RF信号，同时最低程度地消耗来自电源的功率。
文档编号H03F1/02GK102364981SQ201110350918
公开日2012年2月29日 申请日期2006年8月25日 优先权日2005年8月25日
发明者哈伊姆·韦尔斯曼, 尤瓦尔·卡梅尔 申请人:高通股份有限公司