专利名称：具有饱和检测与校正的rf发射器及其方法
技术领域：
本发明一般涉及具有积分控制的射频发射器，更具体涉及发射器内的饱和检测与校正，例如移动无线通信设备中的TDMA发射器，以及其中的方法。
背景技术：
同本申请共同转让的题为“Adaptive Power Control Circuit”的美国专利4,458,209公开了一种双频带模拟控制环路，其具有积分器，积分器具有可变响应时间，是通过切换第一和第二RC时间常数电阻而提供的。较快的时间常数应用于瞬态操作，较慢的时间常数应用于稳态操作。也可参看题为“Dual Rate Power Control Loop For aTransmitter”的美国专利5,697,074。
在数字控制电路中，峰值检测电路输出在被输入到处理器之前进行滤波并转换成数字形式，处理器根据对数字化输入信号与参考信号的比较来提供输出控制信号。如同上面讨论的模拟控制电路，数字控制电路控制放大器，使其趋向于使数字化峰值检测电路信号与参考信号相匹配。例如，参看题为“Power Control Circuitry for A TDMA RadioFrequency Transmitter”的美国专利5,287,555。
在GSM和其他基于时分多址(TDMA)的蜂窝无线通信设备中，闭合环路数字积分控制系统设置了RF功率电平并在发射器的断开响应时控制开启，发射器操作在脉冲串方式(burst mode)。在这些无线通信应用中，很重要的是在发射中维持功率控制，从而遵守电信标准规范。例如，发射器必须斜上升和斜下降，其方式由电信标准规定，从而最小化频谱邻信道干扰(spectral splatter)。
在示例无线通信应用中，当发射器输出功率达到饱和时，积分控制环路失锁(lose lock)，控制信号过度地发展，导致无控制的开环，一种被称为积分饱卷(integral windup)的现象。在这些无控制的开环条件下，当发射器在根据前面的积分饱卷程度延迟后需要斜下降时，控制线迅速变低，控制环路试图重新锁定，导致严重的瞬态和频谱邻信道干扰。无控制的开环条件的另一不利结果是，发射器不能够在电信标准所规定的时间间隔内关闭。积分饱卷现象在其他闭环积分控制系统中也十分普遍。
通过仔细考虑本发明的下述详细描述和附图，本领域普通技术人员将更加充分地认识到本发明的各种方面、特点和优点。
图1是示例闭环积分控制无线通信发射器。
图2是用于本发明示例实施例的示例处理流程图。
图3是饱和检测与校正电路的一部分的示例数字电路实现。
图4是饱和检测与校正电路的另一部分的示例数字电路实现。
图5是示例逻辑模块真值表。
具体实施例方式
图1是具有闭环积分控制的无线通信发射器10，例如时分多址(TDMA)发射器。示例发射器通常包括笛卡尔或极矢量调制器12，其输出连接到放大器14的输入，放大器14通常包括多个、级联的放大器，如图所示。
闭环积分控制环路包括峰值检测器13，其在发射器的输出用于检测输出信号，将输出信号与参考信号相比较或相加以产生积分控制设备20用于控制发射器、尤其是控制其放大器的第一误差信号。第一误差信号的产生在图2的处理流程图的框210中示出。
在图1中，误差信号电路26通过加上差，或者从施加到误差信号电路26的校正误差输入(CRI)的校正参考信号中减去施加到误差信号电路26的峰值检测器13的输出，而在其第一误差输出(1stEO)产生第一误差信号。误差信号电路26的第一误差信号施加到积分控制设备20的误差输入(EI)。
在图1中，积分控制设备20具有积分控制输出(ICO)，其直接或间接连接到放大器14的控制输入(CI)。在操作中，积分控制设备20通过施加合适的闭环积分控制信号(基于误差信号电路26的第一误差信号)到放大器的控制输入，趋向于使发射器输出(峰值检测器13所测量)与施加到误差信号电路26的校正参考信号相匹配。
示例发射器可通过模拟或数字电路实现。在数字实现中，峰值检测电路13的输出在输入到数字积分控制设备之前被滤波并被转换成数字形式，其中数字积分控制设备可通过用于提供基于输出控制信号的第一误差信号的钟控(clocked)累加器和寄存器来实现。
用于无线通信发射器的闭环积分控制电路的数字和模拟实现的细节超过了急迫的专利申请的范围，将仅仅讨论实践这里所公开的发明所需的部分。在题为“Power Control Circuitry for A TDMA RadioFrequency Transmitter”的美国专利5,287,555中公开了一种示例数字TDMA发射器，在此通过引用将其主题结合进来参考。
下面将要更加充分讨论的本发明的积分控制环路饱和检测与校正的实现更加一般地适用于闭环系统，而不只是这里所公开的示例无线发射器应用，包括，例如，巡航、导航和气候控制环境中的应用。而且，积分控制设备可以具有更普通的特性，包括，例如，具有成比例、积分和导数行为的特性，其也被称为PID控制器。具有积分控制设备的这些和其他闭环控制系统是普遍存在的，并将从这里所公开的饱和检测与校正的发明中获益。
在图2中，在一个实施例中，在框220，根据积分控制设备20施加到放大器或某些其他受控设备的控制输入的闭环积分控制信号，并根据积分控制参考信号，产生第二误差信号。
在图1中，积分控制设备控制器40比较由积分控制设备20施加到其积分控制输入(ICI)的闭环积分控制信号与施加到积分控制设备控制器40的限制参考输入(AOC_MAX)的积分控制参考信号，产生第二误差信号。
在一个操作模式中，第二误差信号仅在闭环积分控制信号大于施加到积分控制设备控制器40的限制参考输入(AOC_MAX)的积分控制参考信号时才由积分控制设备控制器40产生。
在一个实施例中，积分控制设备控制器40包括控制输出(CO)，其连接到放大器控制输入(CI)，或更一般地，连接到某些其他受控设备的控制输入。当积分控制设备20产生的闭环积分控制信号超过了施加到积分控制设备控制器40的限制参考输入(AOC_MAX)的积分控制参考信号时，积分控制设备控制器40限制施加到受控设备(在示例实施例中是放大器)的闭环积分控制信号。在另一可替换实施例中，没有积分控制信号的限制，积分控制设备20的积分控制输出直接连接到放大器或其他受控设备的控制输入。用于限制施加到受控设备的积分控制信号的配置优选用于示例无线发射器应用，因为发射器可以不限制控制地在通信标准规范之外操作。
在图1中，参考信号控制电路30包括连接到误差信号电路26的第一误差输出(1stEO)的第一输入(HI)和连接到积分控制设备控制器40的第二误差输出(2ndEO)的第二输入(SI)。参考信号控制电路30还包括参考控制输出(RCO)，连接到具有参考输入(PWR)的参考信号校正电路36的参考控制输入(RCI)。参考信号校正电路36还具有校正参考输出(CRO)，连接到误差信号电路26的校正参考输入(CRI)。
在图2中，在框230，通过根据第一和第二误差信号校正参考信号，来产生校正后的参考信号。在图1中，例如，参考信号校正电路36求和或计算来自参考信号控制电路30的参考控制信号与提供到参考信号校正电路36的参考输入(PWR)的参考信号之间的差。校正的参考信号施加到误差信号电路26。
参考信号控制电路30的参考控制信号通常与误差信号电路26所产生的第一误差信号成比例。在一个操作模式中，输入到参考信号校正电路36的参考信号通过从中减去约等于第一误差信号的一个量而得到校正。该校正方案尤其可很好地作用于受控设备(示例实施例中是发射器)具有相对恒定增益的系统中。
在另一操作模式中，参考信号通过从中减去大于第一误差信号的一个量而得到校正，例如减去“[误差1+步长]”，其中“步长”是经验确定的，用于考虑中的具体控制系统。该可替换方案用于在脉冲串过程中发射器输出趋向于降低的TDMA发射器应用。在这个以及其他应用中，选择“步长”以确保发射器在整个脉冲串期间保持不饱和。
在又一操作模式中，参考信号通过从中减去小于第一误差信号的一个量而得到校正，例如减去“[(误差1/DIV)+步长]”，其中“DIV”和“步长”都是经验确定的，用于考虑中的具体控制系统。
在一个实施例中，在图1中，只有在积分控制设备20的积分控制信号超过积分控制设备控制器40的积分控制参考信号时(例如，基于参考信号控制电路30的输入(SI)上存在第二误差信号)，参考控制信号通过参考信号控制电路30施加到参考信号校正电路36。
在本发明的另一实施例中，例如，如果第一误差信号超过饱和门限(SAT_TH)，基于第一误差信号校正参考信号(PWR)，而不管第二误差信号。在图1中，饱和门限信号(SAT_TH)输入到参考信号控制电路30并为此在饱和门限信号和第一误差信号之间作出比较。
在操作中，当误差信号电路26的第一误差信号超过饱和门限时，施加到误差信号电路26的校正的参考信号输入(CRI)的校正的参考信号通过从参考信号校正电路36中的参考信号(PWR)中减去第一误差信号或者其某些变化而产生。在一个操作模式中，输入到参考信号校正电路36的参考信号(PWR)通过从中减去约等于第一误差信号的一个量而得到校正，如上所述。在另一操作模式中，参考信号通过从中减去大于或小于第一误差信号的一个量而得到校正，如上所述。如上所述，对于发射器输出在脉冲串期间降低的TDMA发射器应用，希望将参考信号降低大于第一误差信号的一个量，其足以保持发射器在脉冲串期间不饱和。
积分控制设备的积分饱卷可独立地基于施加到积分控制设备控制器40的限制参考输入(AOC_MAX)的积分控制参考信号、或基于其与施加到参考信号控制电路30的饱和参考信号(SAT_TH)的组合而得到控制。
基于参考信号控制电路30的饱和门限信号(SAT_TH)的积分饱卷控制与基于积分控制设备控制器40的积分控制参考信号(AOC_MAX)的控制相比是不精确的。当控制系统操作在饱和门限之内，但是积分控制信号超过积分控制参考信号(AOC_MAX)时，基于施加到积分控制设备控制器40的限制参考输入(AOC_MAX)的积分控制参考信号的积分饱卷控制提供了相对精确的控制。
在一个实施例中，在积分控制设备控制器40的AOC_MAX输入处输入的积分控制参考信号限制在第一误差信号超过饱和门限(SAT_TH)时至少暂时地降低。在发射器操作在脉冲串发射模式的应用中，例如在GSM和其他基于TDMA的通信发射器应用中，积分控制参考信号(AOC_MAX)保持在降低的限制，直到限制被降低的发射脉冲串的结束处。此后，一旦完成限制被降低的发射脉冲串，积分控制参考信号的限制改变回到缺省值。
在积分控制设备包括钟控累加器和寄存器电路的实现中，在某些应用中，积分控制设备的时钟在第一误差信号超过饱和门限(SAT_TH)时是被禁止的。时钟的禁止防止累加器和/或寄存器在饱和期间持续饱卷，这样消除了重置累加器和寄存器的需要以及任何与之相关的伴随的延迟。
图3是TDMA发射器应用中的部分示例数字软饱和检测实现，其确定积分控制设备20的闭环积分控制信号是否超过了积分控制参考(AOC_MAX)。闭环积分控制信号与积分控制参考信号(AOC_MAX)在比较器310进行比较，其输出是第二误差信号(2ndERROR_sig)，其钟控进入复用器320，复用器320提供到放大器的控制输入的输出。积分控制参考信号(AOC_MAX)通过钟控寄存器330提供到比较器310。
在图3中，第二误差信号(2ndERROR_sig)输入到逻辑块410，逻辑块410还具有来自比较器420的SAT_DET输出的输入。饱和检测输出(SAT_DET)在第一误差信号超过饱和门限(SAT_TH)时使能。第一误差信号(1stERROR_sig)与饱和参考(SAT_TH)在比较器420进行比较。在某些实施例中，上面注意到的，第一误差信号在加法器430以递增的“步长”增加，其输出通过加法器450输入到寄存器440，加法器450具有连接到寄存器输出的输入。
逻辑块410具有到寄存器440的时钟输入(Ck)的第一输出(SAT_REG_CLK)。逻辑块410具有第二输出(ACCM_CLK)，其也可被认为是时钟信号，输出到积分控制设备的累加器。图5是逻辑查找表，用于逻辑块410的操作。当时钟(SAT_REG_CLK和ACCM_CLK)有效时，它们各自的寄存器可以基于寄存器输入值更新。当时钟被禁止时，寄存器保持在其当前值。
在TDMA发射器应用中，在斜上升的末尾会监视饱和。在误差信号电路26输出的第一误差信号超过由饱和门限(SAT_TH)所设置的不可接受的正值时，检测硬饱和。在积分控制设备累加器值超过由积分控制参考(AOC_MAX)所设置的不可接受的最大值(如上所述，该值可以动态地改变)时，检测软饱和。在图4中，当检测硬或软饱和时，参考信号降低的值为误差信号加上SAT_STEP在加法器460所确定的附加偏移。参考的补偿(back-off)出现在获得下一测量的RF功率样本之前。在一个实施例中，当硬饱和发生时，积分控制参考(AOC_MAX)更新到当前累加器的值，一旦完成脉冲串，积分控制参考(AOC_MAX)就会被重置到缺省值。
尽管通过建立发明人对其的所有权并使本领域普通技术人员能够做出和使用本发明的方式描述了本发明及其现在被认为的最佳实施方式，应该理解并认识到，这里公开的示例实施例有着许多的等价物，在不背离本发明的范围和精神的前提下也可以对其做出许多的修改和变化，本发明的范围和精神不是由示例实施例、而是由所附权利要求限定的。
权利要求
1.一种无线通信设备，包括发射器，具有调制器，调制器的输出连接到放大器的输入；积分控制设备，具有连接到放大器的控制输入的积分控制输出；误差信号电路，具有连接到放大器输出的反馈输入，所述误差信号电路具有校正的参考输入和连接到积分控制设备的误差输入的误差输出；积分控制设备控制器，具有连接到积分控制设备的积分控制输出的输入，所述积分控制设备控制器具有连接到放大器控制输入的受控输出，所述积分控制设备控制器具有限制参考输入；参考信号控制电路，具有连接到误差信号电路的第一误差输出的第一输入，所述积分控制设备控制器的误差输出连接到所述参考信号控制电路的第二参考控制输入；参考信号校正电路，具有参考输入，所述参考信号控制电路的参考控制输出连接到所述参考信号校正电路的参考控制输入。
2.如权利要求1所述的无线通信设备，所述参考信号控制电路具有门限输入。
3.如权利要求2所述的无线通信设备，如果误差信号电路的误差信号超过参考信号控制电路的饱和门限的话，参考信号控制电路用于将校正的参考信号提供给参考信号校正电路。
4.如权利要求1所述的无线通信设备，所述参考信号控制电路和所述参考信号校正电路用于通过约等于误差信号电路的误差信号的一个量来调整到误差信号电路的校正的参考信号。
5.如权利要求1所述的无线通信设备，所述参考信号控制电路和所述参考信号校正电路用于通过大于误差信号电路的误差信号的一个量或通过小于误差信号电路的误差信号的一个量来调整到误差信号电路的校正的参考信号。
6.如权利要求1所述的无线通信设备，所述积分控制设备控制器用于基于积分控制设备控制器的限制参考输入来限制输入到放大器的控制信号。
7.如权利要求1所述的无线通信设备，所述发射器具有数字控制环路，所述信号控制电路和所述参考信号校正电路用于基于积分控制设备控制器的误差信号和误差信号电路的误差信号来调整到误差信号电路的校正的参考信号。
8.一种在具有发射器的无线通信设备中的方法，所述发射器具有积分控制环路，所述方法包括基于放大器输出信号和校正的参考信号来产生第一误差信号；基于施加到放大器的控制输入的闭环积分控制信号并基于积分控制参考信号来产生第二误差信号；通过基于第一和第二误差信号校正参考信号来产生校正的参考信号。
9.如权利要求8所述的方法，将闭环积分控制信号施加到放大器控制输入及积分控制设备，将第一误差信号提供给积分控制设备，通过从校正的参考信号中减去放大器输出信号来产生第一误差信号，只有当闭环积分控制信号大于积分控制参考信号时，产生第二误差信号，通过从中减去基于第一和第二误差信号的一个量来校正参考信号。
10.如权利要求8所述的方法，通过从中减去约等于第一误差信号的一个量、或大于第一误差信号的一个量、或小于第一误差信号的一个量来校正参考信号。
11.如权利要求8所述的方法，如果闭环积分控制信号超过积分控制参考信号所设置的限制的话，就限制施加到放大器控制输入的闭环积分控制信号。
12.如权利要求8所述的方法，如果第一误差信号超过饱和门限的话，就基于第一误差信号、不管第二误差信号，校正参考信号。
13.如权利要求12所述的方法，如果闭环积分控制信号超过积分控制参考信号所设置的限制的话，就限制施加到放大器控制输入的闭环积分控制信号。
14.如权利要求12所述的方法，如果第一误差信号超过饱和门限，就至少暂时地降低积分控制参考信号限制。
15.如权利要求14所述的方法，所述发射器操作在脉冲串发射模式，保持积分控制参考信号在降低的限制，直到限制被降低的发射脉冲串结束，一旦完成限制被降低的发射脉冲串，就增加限制到缺省值。
16.如权利要求12所述的方法，所述积分控制设备包括钟控累加器和寄存器电路，如果第一误差信号超过了饱和门限，就禁止积分控制设备的时钟。
17.一种在闭环积分控制系统中的方法，包括基于受控设备的输出信号和校正的参考信号来产生第一误差信号；将第一误差信号提供给积分控制设备，所述积分控制设备将闭环积分控制信号施加到受控设备的控制输入；基于闭环积分控制信号并基于积分控制参考信号来产生第二误差信号；通过基于第一和第二误差信号校正参考信号来产生校正的参考信号。
18.如权利要求17所述的方法，通过从校正的参考信号中减去放大器输出信号而产生第一误差信号，只有当闭环积分控制信号大于积分控制参考信号时，才产生第二误差信号，通过从中减去基于第一和第二误差信号的一个量来校正参考信号。
19.如权利要求17所述的方法，如果闭环积分控制信号超过积分控制参考信号所设置的限制的话，就限制闭环积分控制信号。
20.如权利要求17所述的方法，如果第一误差信号超过饱和门限的话，就基于第一误差信号、不管第二误差信号来校正参考信号。
21.如权利要求20所述的方法，如果闭环积分控制信号超过积分控制参考信号所设置的限制的话，就限制闭环积分控制信号。
22.如权利要求20所述的方法，如果第一误差信号超过饱和门限的话，就至少暂时地降低积分控制参考信号限制。
23.如权利要求20所述的方法，所述积分控制设备包括钟控累加器和寄存器电路，如果第一误差信号超过了饱和门限，就禁止积分控制设备的时钟。
全文摘要
本发明公开具有发射器的无线通信设备以及其他积分控制系统中的方法，发射器具有积分控制环路，该方法包括基于放大器输出信号和校正的参考信号来产生第一误差信号(210)，基于施加到放大器的控制输入的闭环积分控制信号并基于积分控制参考信号来产生第二误差信号(220)，通过基于第一和第二误差信号校正参考信号来产生校正的参考信号(230)。
文档编号H04B1/04GK1643829SQ03805818
公开日2005年7月20日 申请日期2003年2月24日 优先权日2002年3月13日
发明者托马斯·纳戈德, 帕特里克·普雷特, 戴尔·施文特 申请人:摩托罗拉公司