用于简化的闭环天线调谐的方法与流程

根据35U.S.C.§119，本申请要求2014年7月15日递交的申请号为62/024,537、标题为“CLATAlgorithmsimplification”的美国临时申请案的优先权，其全部内容通过引用合并于本申请中。
技术领域：
所公开的实施方式总体上关于无线通信，更具体地，关于闭环天线调谐(Closed-LoopAntennaTuning，CLAT)。
背景技术：
：天线调谐器(antennatuner)是连接在无线电前端电子器件(发送器和/或接收器)与其天线之间的设备，以通过将该无线电前端电子器件的阻抗与天线进行匹配来改善它们之间的功率传送。在不同频率下天线的阻抗可以不同并且受附近物体的影响。天线调谐器使具有固定阻抗(对于现在的收发器通常是50欧姆)的无线电前端电子器件与天线的阻抗相匹配，天线的阻抗受人体接触或者附近物体的影响，因而与收发器的阻抗不同。通过利用宽带匹配、窄带设计或其他复杂设计，天线调谐器有多种不同的实现方式。对于移动无线设备，闭环天线调谐(Closed-LoopAntennaTuning，CLAT)通过监测天线阻抗变化并调整调谐器状态以实现改善的匹配，能够延长电池寿命并改善用户体验。例如，由于天线和收发器之间的不匹配，RF性能将导致大约-1dB的功率损失，人体(例如头和手)将导致-3dB的功率损失，现实情况(例如，多用户状态)导致高达-7dB的功率损失。为了使得从源(无线电收发器)到负载(天线)传送的功率最大化，反之亦然，需要天线的转换器增益(transducergain)最大。为了实现闭环天线调谐器，通常包含无线电前端电子器件和天线之间的耦合器，从而在前向(从无线电前端电子器件到天线)或反向(从天线到无线电前端电子器件)上采样RF路径信号。通过比较前向路径信号和反向路径信号，可以估计反射系数。CLAT搜索算法包括寻找最优的天线调谐器设置以使得天线的转换器增益最大。目前的CLAT搜索算法有多种问题。调谐器具有大量的设置(例如，五十万种状态)。首先，梯度(gradient-type)搜索方法可能收敛于局部最优，而不是全局最优。其次，广泛搜索(extensivesearch)是计算密集型的搜索。再则，简化的搜索(simplifiedsearch)仍然需要一千至四千次迭代。希望找到具有全局最优的简化CLAT搜索算法。技术实现要素：提出了基于最大相对转换器增益的闭环天线调谐搜索策略的方法。调谐器搜索空间中大量的状态可以被转换成史密斯圆图中S参数值，从而在此过程中去除了多余的状态和不良值状态。表示TX输入不匹配和前向电压增益的新搜索空间中搜索区域可以进一步被量化，以急剧减少状态的数量。独立于天线负载的搜索区域的转换和量化可以被预先计算出，以降低计算复杂度。通过估计搜索区域内对应于良好负载(天线)匹配的天线S参数，搜索最大相对转换器增益。在峰值前向电压增益与最佳负载匹配之间执行此搜索。可以通过小量迭代发现具有合理相对转换器增益的全局最优。通过限制接收器路径不匹配的量，进一步限制搜索区域。此外，通过将搜索区域限制为与不同载波频率对应的多个搜索区域的集合，该方法还可以被扩展为支持载波聚合。在一个实施方式，无线设备为具有天线调谐器的天线构建史密斯圆图，天线调谐器的S参数包括S11、S12、S21、S22。无线设备确定史密斯圆图上满足条件的S22的搜索区域。由于满足的该条件独立于天线调谐器的负载情况，因而可以预先计算出该搜索区域。在一个示例中，该条件是指天线调谐器的输入反射系数(Γin)小于阈值。无线设备估计天线调谐器的负载反射系数(ΓL)。最终，无线设备在搜索区域内搜寻史密斯圆图上对应于天线的最大相对转换器增益(RTG)的一组参数。沿着搜索路径进行搜索，该搜索路径位于史密斯圆图上峰值|S21|和ΓL*之间形成的最终搜索区域内部。在下面的详细描述中描述了其他实施方式和优点。此部分内容并非意在限制本发明。本发明由权利要求限制。附图说明图1根据一个新颖的方面例示了具有天线的无线设备，该天线具有支持简化的闭环天线调谐算法的天线调谐器。图2例示了位于无线电前端电子设备内的调谐器和天线。图3例示了对于S22史密斯圆图上的搜索区域。图4例示了对于S22史密斯圆图上的搜索区域和最大RTG。图5例示了对于S22如何在史密斯圆图上寻找最大RTG的一个实施方式。图6例示了当负载反射系数位于搜索区域之外时，针对S22如何在史密斯圆图上寻找最大的RTG。图7例示了在载波聚合下不同的搜索区域。图8例示了建立用于码字的查找表的实施方式。图9基于搜索区域内S21量化例示了用于码字的查找表的一个示例。图10例示了最大RTG的搜索策略的一个示例。图11例示了受接收器不匹配限制的搜索区域。图12是根据新颖的方面的简化的闭环天线调谐算法的方法的流程图。具体实施方式将详细参照本发明的一些实施方式，附图中例示了实施方式的示例。图1根据新颖的方面例示了具有天线的无线设备101，该天线具有支持简化闭环天线调谐(Closed-LoopAntennaTuning，CLAT)算法的天线调谐器。无线设备101包括存储器102、处理器103、控制和配置模块104、应用模块105和耦接到天线107的射频(radiofrequency,RF)收发器106，存储器102包含有数据和程序108。存储器102存储程序指令和数据108以通过处理器103控制无线设备的操作。在发送方向上，RF收发器将来自处理器的基带信号转换成RF信号并发送至天线。在接收方向上，处理器处理从RF收发器接收到的基带信号，并调用不同的功能模块来执行无线设备支持的各种功能和实施方式。在一个实施方式中，无线设备101由天线装置(assembly)111和基带/射频(BB/RF)模块112实现。天线装置111包括天线调谐器121和控制接口122。BB/RF模块112包括数字基带通用IO(digitalbasebandgeneralpurposeIO,DBBGPIO)131、发射器TX132、功率放大器PA133、天线共用器(diplexer)DPX134、单刀N掷开关SPnT135、耦合器136和选择器/检测器DET137。在源侧，天线调谐器121耦接至RF输入(例如，无线电发射器TX132和功率放大器133)。在负载侧，天线调谐器121耦接至天线107。请注意，耦合器136耦合前向路径(从单刀N掷开关SPnT135到调谐器121)和反向路径(从调谐器121到单刀N掷开关SPnT135)中的信号。选择器/检测器DET137可以采样前向路径和反向路径信号。在一个实施方式，天线调谐器121进一步包括多个可调电容器C1、C2、C3和由相应开关控制的多个电感器L1、L2、L3、L4。天线调谐器将具有固定阻抗(对于现在的收发器通常是50欧姆)的无线电器件与天线匹配。对于闭环天线调谐，目标是找到电容器和电感器的最优设置来实现最大的转换器增益。在图1的示例中，每个电容器可以由5比特的数字调谐其电容值，同时每个电感器由ON/OFF开关控制。因此，天线调谐器的可能设置的总数可以达到大约五十万种状态。因此需要在可能的调谐器状态内广泛搜索，以实现用于最大转换器增益的全局最优设置。一阶简化是将搜索空间从调谐器状态转换成S参数空间中相应S参数值。注意，多个调谐器状态可以转化为相同的S参数值。过多的调谐器状态中只有一个调谐器状态需要被保留。可以基于RF设计领域中共同的实践进行这种选择，例如避免不良状况的状态，该不良状况的状态由于组件值的变化会导致大量错误。因此，通过从调谐器状态转换到S参数状态，可以去除大量的调谐器状态。此外，可以量化S参数状态，以进一步将S参数空间中的状态数减少到例如几千个状态。根据一个新颖的方面，提出了基于最大的相对转换器增益(relativetransducergain，RTG)和双共轭匹配(simultaneousconjugatematch)的简化CLAT搜索算法。根据史密斯圆图(Smithchart)上负载反射系数的值，可以获得全局最优解(如果双共轭匹配存在的话)。可选地，可以获得近似最优解或可能的最优解(如果双共轭匹配是不可能的)。通过一些简化，可以预先计算搜索区域(独立于天线负载)以减少计算负荷。通过使用提取的集总元件(extractedlumpedelement)，可以找到具有宽带匹配的可预测的搜索路径，通常需要不到100次迭代。图2例示了具有或不具有天线调谐器的情况下天线的转换器增益和相对转换器增益(RTG)。天线的目标是使从源到负载的传输功率最大化，例如，使转换器增益最大化。对于耦接至源202的天线201，转换器增益(没有调谐器时)的定义是：其中，假定接近完美的源匹配为：GT=|S21|2(1-|ΓL|2)|1-S22ΓL|2Γs=Zs-Z0Zs+Z0≈0]]>对于经由天线调谐器213耦接至源212的天线211，相对转换器增益(具有调谐器时)的定义为：其中，ΓS是源反射系数；ΓL是负载反射系数；Γin是输入反射系数；Γout是输出反射系数；S11是输入端电压反射系数；S12是反向电压增益；S21是前向电压增益；S22是输出端电压反射系数。当ΓS＝Γin*以及ΓL＝Γout*数时，存在双共轭匹配。对于单侧的情形(S12＝0)，ΓS＝S11*以及ΓL＝S22*。但是大多数的调谐器实现方式是双侧的(S12≠0)。对于双侧的情形(S12≠0)，输入反射系数和输出反射系数彼此依赖：Γin=S21ΓLS121-S22ΓL+S11]]>Γout=S21ΓSS121-S11ΓS+S22]]>可以合理的假定，在最大的转换器增益下输入和输出不匹配较小。也就是说，满足下面的条件：ΓS≅0⇒S22≅TL*⇒|Γin|=|S21ΓLS121-S22ΓL+S11|≅|S21S22*S121-|S22|2+S11|<Δ]]>因此，在这种情况下，从源端看输入反射系数与负载无关。在一个例子中，Δ可以为0.2。因而，我们可以搜索史密斯圆图中满足与负载条件无关的上述条件的S22的区域。换句话说，我们需要找到对应于ΓL＝S22*或S22＝ΓL*的码字(S参数是码字的函数，每个码字代表一个特定的天线调谐器设置/状态)，以实现最大的RTG。如果ΓL*在搜索区域内，那么搜索很简单。如果ΓL*位于搜索区域之外，那么解应当位于ΓL*与搜索区域边界上的最近点(closestpoint)之间。图3例示了对于S22史密斯圆图上的搜索区域。预先计算的搜索区域表示在源和负载的双匹配。在图3的例子，搜索区域是圆301，其代表满足如下公式(1)条件的S22：|S21S22*S121-|S22|2+S11|<Δ---(1)]]>图4例示了针对S22史密斯圆图上的搜索区域和最大RTG。在图4的例子中，搜索区域是满足与公式(1)相同条件的圆401。在一个例子中，Δ＝0.2。此外，还绘制了对应于常数|S21|＝C的S22轮廓，峰值|S21|点位于S22轮廓的中心。应该注意，峰值|S21|点对应于天线输入阻抗接近50欧姆的情况。如果共轭负载ΓL*位于搜索区域401内，则可以在最终搜索区域402中ΓL*(最佳负载匹配)和峰值|S21|(电压增益)之间的某处找到最大RTG。因此，预先计算的搜索区域和近似得出的常数S21轮廓使得搜索能快速缩小至最大RTG区域附近。通过简单的梯度(或爬山算法)搜索可以仍然执行额外的精细搜索，以进一步改善RTG。请注意，简化搜索产生非常接近全局最优的点，并且进一步的梯度精细搜索可以避免寻找局部最优。图5例示了对于S22如何在史密斯圆图上寻找最大RTG的一个实施方式。在图5的例子中，搜索区域是满足与公式(1)相同条件的圆501。搜索区域可以基于该条件预先计算，因为其与负载状况无关。搜索区域内常数|S21|＝C的轮廓也可以预先计算并绘制在史密斯圆图上。实际的搜索区域受常数轮廓和虚线502描绘的输入不匹配边界共同限制。最终搜索区域如虚线503所示，并且可以在最终搜索区域503中ΓL*与峰值|S21|之间的某处找到最大的RTG。图6例示了当负载反射系数ΓL*位于搜索区域之外时，针对S22如何在史密斯圆图上寻找最大的RTG。当负载反射系数ΓL*位于搜索区域601之外时，如图6所示修改最终的搜索区域602。最大RTG的搜索结果可以位于搜索区域中最近点与ΓL*之间。这会导致源和负载处轻微的不匹配，但天线调谐器仍应当具有相当好的RTG。图7例示了在载波聚合下针对S22史密斯圆图上不同的搜索区域和复合(composite)搜索区域。对于载波聚合的场景，可以定义多个搜索区域701，每个载波对应于一个搜索区域。在图7的例子中，对于载波1常数|S21|＝C的轮廓以及对于载波2常数|S21|＝C的轮廓是独立绘制的。此外，复合搜索区域702基于对于载波1的峰值|S21|点和对于载波1的ΓL*以及对于载波2的峰值|S21|点和对于载波2的ΓL*来确定。可以基于输入反射系数Γin测量ΓIn-Estimated来估计负载反射系数ΓL。例如ΓL_Estimated=ΓIn_Estimated-S11S21S12-S11S22+ΓIn_EstimatedS22]]>继续参照图1，天线调谐器121对于不同的电容器和电感器设置具有大约五十万个状态，每个状态都由一个码字表示。因此，在S参数和码字之间具有一个大的查找表(LookupTable,LUT)：S参数＝f(码字)，其中每个码字代表一个特定的天线调谐器设置/状态(例如，图1中调谐器121的每个电容器C1/C2/C3的电容值和每个电感器L的开关状态)。如果可获得对于S22与码字的整个LUT，那么就可以找到S22＝ΓL*。搜索所有调谐器状态以找到最佳S22的计算量非常大。进行简化的简单方法是使用集总元件模型，来协助搜索并调整电容器和开关以达到S22＝ΓL*。利用集总元件模型限制了搜索中状态的数量，因为集总元件模型遵循史密斯圆图中的一定的轨迹。集总元件模型还使得能够在多个解中发现宽带匹配。如果使用集总元件模型，那么可以从电容器、电感器、开关值中计算出S22。这种搜索遍历史密斯圆图中分流电容器或串联电感器“环”的路径(改变C1、C2、C3或改变用于串联电感器的开关)。可能有多种轨迹。一般来讲，当S22路径的每个端点接近史密斯圆图的中心(50欧姆点)时，实现最佳(宽带)匹配。因此，搜索策略应当选择最接近史密斯圆图的中心的路径，以到达ΓL*。图8例示了建立查找表的实施方式。如图8所示，基于常数S21值或等效的S22恒定圆(例如，|S21|的每0.25dB)和等角∠S22(例如，每10度)来安排用于码字的LUT。在图8的例子中，绘制了常数|S21|的轮廓，包括|S21|＝c1、|S21|＝c2、|S21|＝c3等。此外，绘制了等角∠S22，包括∠S22＝φ1、∠S22＝φ2、∠S22＝φ3等。减少LUT大小的简单方式是选择常数|S21|轮廓和等角∠S22上的点。如果多个码字对应于相同的|S21|，那么基于如下标准排除不良状况的点：1)选择具有良好输入匹配的点；2)选择具有良好S22(接近史密斯圆图的中心)的点；3)选择具有良好的电容值(整体电容值不小)的点。图9基于搜索区域内S21量化例示了用于码字的查找表的示例。搜索区域是满足与公式(1)相同条件的圆901。搜索区域可以根据该条件预先计算出，因为其与天线的负载条件无关。搜索区域901内常数|S21|＝Cn(例如，|S21|的每-0.25dB)和等角∠S22＝φn(例如，每10度)的轮廓也可以预先计算出并绘制在史密斯圆图上，这产生如图所示的LUT星座图902。基于LUT星座图，针对码字以及对应的输入匹配Γ来设置LUT903。例如，每一行对应于|S21|＝Cn，而每列对应于∠S22＝φn。在一个实施方式中，如果有多个码字对应于某个|S21|值，那么给出宽带|S21|的码字被选中。在另一个实施方式，如果ΓL*位于搜索区域以外，则搜索路径被限制到搜索区域，以限制LUT的大小。图10例示了最大RTG的搜索策略的一个示例。首先，|S21|区域可以被预先计算，并挑选多个码字对应的相同轮廓。|S21|的峰值和负载的共轭定义了一个椭圆的最终搜索区域。预先计算的码字可以进一步被过滤掉(无论是否在该椭圆的最终搜索区域)。最后，在该经过滤的码字的集合上执行RTG搜索。在一个示例中，通过寻找搜索角φi的方向执行搜索，搜索角φi的方向是从峰值|S21|到ΓL*的方向：φi=∠(S21,peak-ΓL*)]]>搜索与列φi对应的LUT。对于选中的码字，检查|Γin|是否在容许的极限内。利用爬山算法继续精细搜索以增加RTG。更精细的搜索是在初始搜索完成后将输出不匹配结合到搜索中：给定ΓL_estimated时，对于初始搜索结果周围的不同码字，可以计算输出不匹配以寻找更高的RTG值。如果源失配ΓS≠0，可以基于如下公式搜索初始搜索结果周围的不同码字以寻找更大的RTG值：(1-|Γs|2)|1-ΓsΓIn_Estimated||S21|2(1-|ΓL_Estimated|2)|1-S22ΓL_Estimated|2]]>图11例示了受接收器不匹配限制的搜索区域。由于传输路径RTG优化，可能会发生接收器不匹配。在接收器，负载是事先知道的，但当前的源状态(天线侧)事先不知道。保持合理的接收器匹配的策略是将TXS22中的搜索区域限制在接收器源和负载匹配不显著偏离50欧姆点的区域。也就是说，为了防止过大的接收器不匹配，可以将搜索区域限制在TX搜索区域、小的RX源不匹配区域和小的RX负载不匹配区域的重叠区域内。在图11的例子，TX搜索区域由史密斯圆图上的圆1101描绘，小的RX源不匹配区域由表示RXS11<Δ'的圆1102描绘，小的RX负载不匹配区域由表示RXS22<Δ"的圆1103描绘。可以预先计算出TX搜索区域1101内RXS11<Δ'和RXS22<Δ"的限制区域，从而可产生如1104所示的总体的搜索区域。通过重叠史密斯圆图上的接收器限制区域和TXS22搜索区域，总体的搜索区域能提供良好的TXRTG，同时保持合理的RX路径匹配。请注意，并不是所有的限制条件需要同时有效。例如，在低波段情况下，输入限制可能并不重要，因为最大的RTG对应于不接近零的Gamma_in。图12是根据新颖的方面的简化闭环天线调谐算法的方法的流程图。在步骤1201中，无线设备为具有天线调谐器的天线构建史密斯圆图，其中，天线调谐器的S参数包括S11、S12、S21、S22。在步骤1202中，无线设备确定史密斯圆图上满足条件的S22的搜索区域。由于满足的该条件独立于天线调谐器的负载情况并且被适当的量化，因而预先计算出该搜索区域。在一个实施方式中，该条件是指天线调谐器的输入反射系数(Γin)小于阈值。在步骤1203，无线设备估计天线调谐器的负载反射系数(ΓL)。在步骤1204，无线设备在搜索区域内搜寻史密斯圆图上对应于天线的最大相对转换器增益(RTG)的一组参数。沿着搜索路径进行搜索，该搜索路径位于史密斯圆图上峰值|S21|和ΓL*之间形成的最终搜索区域内部。在一个实施方式中，可使用简单的梯度搜索进一步细化搜索。尽管结合特定的实施方式描述了本发明，但本发明并不限于此。因而，在不背离本发明的权利要求中所述范围的情况下，可以进行所述实施方式中各种特征的修改、调整和组合。当前第1页1 2 3