专利名称：具有精确功率控制的无线电发射机的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及无线电发射机，并且更具体地，涉及无线电发射机广播功率的精确控制。
背景技术：
出于以下等多种原因，无线电发射功率的精确控制是很重要的●诸如FCC的监管机构限制了无线电发射的最大功率。
●在没有闭环控制的情况下，发射的输出功率电平在大约10dB等级上具有不确定性。
●无线电链路范围是发射功率的函数，由此功率越大，可以保持链路的距离就越长。
●将发射功率精确地控制到维持链路所需的最小值，则可以将其他无线电的干扰降至最低，并且可以使得功率损耗最小。
大部分的无线电发射机使用如图1所示的某种形式的闭环控制以控制输出功率。发射机被示出为调制器10，其输出调制过的射频信号。调制器10的输出通常被多级放大，所述多级放大的至少一个是可变增益的射频放大器(VGA)11，并且其中的另一个是功率放大器(PA)12。PA 12的输出随后向外发送到天线13。位于PA 12的输出端的定向耦合器14产生与通过天线13发射的功率成比例的功率传感信号。功率检测器15对该功率传感信号进行检测，并产生与功率检测器15输入端的功率传感信号成比例的直流电压。功率检测器15的输出是反馈放大器16的输入，反馈放大器16控制VGA 11的增益，以使得功率检测器15的输出和输入到反馈放大器16的基准电压(Ref)之间的差最小。图1示出的电路可以是半双工无线电收发机的一部分，其中发射机和接收机交替地循环工作，因此它们不能在同一时刻工作。
通常功率检测器15是二极管检波器或者对数放大器。二极管检波器价格便宜，但是它们的动态范围受到了限制(～20dB)并且受到温度的影响。对数放大器可以十分精确，但是它们的频率范围受到了限制。现有技术状态下的对数功率检测器具有的最大频率大约是2.5GHz。该频率可以升高，但是这仅仅是以增加功率损耗为代价的。
此外，如果调制器10的射频输出具有变化的调制包络线，由于控制回路会试图调节去除变化的包络线，因此图1所示的模拟的闭环系统会更加复杂。可以通过使用部分数字回路的方法来解决这些问题，其中所述部分数字回路是对功率检测器15的输出进行数字化处理。
发明内容
本发明典型的实施例包括无线电发射功率控制电路，其中射频(rf)降频变换器产生一个降频变换器的输出，该输出的频率与根据无线电发射机发射信号的第一降频变换器输入和根据本机振荡器信号的第二降频变换器输入之间的频率差相等；接收机基带电路对降频变换器的输出进行处理，以产生表示所发射信号的功率信号；反馈控制电路产生发射机增益控制信号，用以控制所发射的信号功率，以使得该功率信号和功率基准信号之间的差最小。
在进一步的实施例中，作为半双工无线电收发机的一部分的电路还具有接收机电路，因此当无线电发射机处于非活动状态时，该接收机可以使用所述接收机基带电路，并且其中无线电发射机使用本机振荡器信号，由此该发射信号具有由本机振荡器信号所确定的频率。
实施例还可以包括模-数转换器，用于将功率信号转换为典型的数字功率信号，由此反馈控制电路产生发射机增益控制信号，以使得所述数字化的功率信号和功率基准信号之间的差最小。
在另一些实施例中，第一降频变换器的输入可以由感测发射信号的定向耦合器进行扩展。该无线电发射机可以是无线局域网收发机的一部分。此外或者可选地，该无线电发射机可以是时分双工系统的一部分。
本发明的各实施例还包括一种控制无线电发射功率的方法。产生的射频(rf)降频变换器输出具有的频率与根据无线电发射机发射信号的第一降频变换器的输入和根据本机振荡器信号的第二降频变换器的输入之间的频率差相等。用接收机基带电路对降频变换器的输出进行处理，以产生表示发射信号的功率信号。产生发射机增益控制信号，用以控制发射信号功率，以使得功率信号和功率基准信号之间的差最小。
作为半双工无线电收发机的一部分的无线电发射机还具有接收机电路，因此当无线电发射机处于非活动状态时，接收机电路可以使用接收机基带电路，并且无线电发射机可以使用本机振荡器信号，由此发射信号具有由本机振荡器信号所确定的频率。
方法可以进一步地包括将功率信号转换为典型的数字功率信号，由此产生发射机增益控制信号，以使得该数字化的功率信号和功率基准信号之间的差最小。
上述方法的任何一个，借助于感测发射信号的定向耦合器可以对第一降频变换器的输入进行扩展。所述无线电发射机可以是无线局域网的无线电收发机和/或时分双工系统的一部分。
通过随同附图一起参考以下的详细说明，将能够更加容易得理解本发明，其中图1示出了具有闭环反馈控制的常规的射频发射机。
图2示出了根据本发明一个实施例的无线电系统的功能框图。
图3示出了特定实施例的控制回路增益控制和控制模块的高级功能框图。
图4示出了图3的功率控制回路结构内的各功能性模块。
图5示出了与图5的发射功率控制相关的一些信号的相对时序。
图6示出了一个实施例的检测功率的信噪比和检测器路径增益与输出功率对比的曲线图。
图7示出了一个实施例中的输出功率和期望功率与发射猝发之间的关系曲线。
图8示出了实施例中具有0.25dBrssi分辨率和0.125dB增益步长的输出功率的直方图。
具体实施例方式
本发明的各实施例涉及精确控制无线电发射机功率的技术。一些无线电系统，例如诸如802.11(a)(b)(g)无线局域网(WLAN′s)的时分双工(TDD)系统，对于接收和发射都使用相同的频率。在这样的系统中，接收机和发射机不能同时使用。通过利用接收机基带部分和具有精确增益和数字控制模块的射频降频变换器，本发明的各实施例提供了非常精确控制的发射功率，其中当处于发射状态时所述接收机基带部分处于空闲状态。这样的方法可以以低成本来提供极为精确的功率电平控制。这样做的结果是，无线电链路的范围增加了，或者功率损耗降低了，或者二者兼得。
在802.11(a)(b)(g)WLAN的特定实例中，4.9到5.9GHz的a-频带频率范围对于实际应用的对数放大器来说太高了。并且45dB的功率控制范围对于二极管检波器来说也过大了。由于802.11标准是时分双工(TDD)系统，因此使用相同频道的接收机和发射机不能同时使用。因此，一种直接转换发射机可以在发射周期内使用接收机的基带通道，所述直接转换发射机中的发射本机振荡器(LO)处于载波频率。
图2示出了根据本发明的一个实施例的无线电系统的框图。如前所述，在这种情况下，调制器10向两级可变增益放大器(VGA)11输出调制过的射频信号。VGA 11的输出通过发射带通滤波器21提供给功率放大器(PA)12，并且从那里经由发射输出滤波器22向外提供给天线13。
定向耦合器14对所发射的射频输出功率进行检测，其对功率检测降频变换器级进行驱动，所述功率检测降频变换器级包括降频变换器输入端放大器23和功率检测降频变换器24。原则上，可以使用接收机的降频变换器，但是实际上不希望这么做，这是因为接收机的要求——低噪声、高线性度和高增益——与功率检测器的要求相矛盾，所述功率检测器的要求是与温度和频率无关的增益。应该注意到，现代的RF IC的面积趋向于由感应器控制。比起接收机电路和发射机电路的面积，功率检测器降频变换器级的面积可以忽略不计。
功率检测降频变换器24的输出馈送至接收机的基带通道中的一个，在那里由基带滤波器25进行滤波并且由基带VGA 26放大。通过控制回路ADC 27对基带VGA 26的输出进行数字化处理。ADC 27的数字化输出提供给控制模块28，与增益控制20一起生成对发射机VGA11的控制信号，以使得来自控制回路ADC 27的数字功率检测信号与输入到控制模块28的基准校准信号之间的差最小。
在最大输出功率大约-15dBm的特定运行方式中，从定向耦合器14到降频变换器输入端放大器23的功率检测信号相对较大，因此降频变换器级不需要增益。在一个特定的实施例中，降频变换器输入放大器24的增益是-6dB，而降频变换器23的转换增益是-10dB。由于降频变换器输入端放大器23可能有损耗，因此可以使用一个很小阻值的阻性负载，由此得到较宽的带宽。这个方法意味着即使在极高频率下，降频变换器级的频率依赖性也很小。此外，可以设计一种具有增益的阻性负载电路，所述增益是两个电阻器的比值的函数。这样做的结果是增益非常好预测而且恒定，所述增益使得校准的要求最小化甚至可以省去校准要求。
在一个特定实施例中，降频变换器24具有3.2毫西门子的跨导，这使得当由可变跨导的基带VGA 26加载时具有19.7dB的最大增益。应当设置接收机基带增益以使得在最大输入电平的状态下控制回路ADC 27也不会限幅(clip)，并且因此可以在整个发射输出功率范围内保持足够的信噪比(SNR)。在降频变换器输入放大器23的输入端的最大输入电平被设计为-15dBm。额外增加了16dB的净空余量(headroom)(10dB用于峰值到平均值，3dB用于检测器通道增益中的不确定因素，而另外的3dB用于耦合损耗中的不确定因素)。因此，对接收机基带增益进行设置以使得控制回路ADC 27低于限幅电平(clipping level)16dB，而具有-15dBm的输入功率。这个情况与接收机基带增益设置为-9dB相符。在接近于期望的增益处(低于最大增益大约30dB)运行。
当输出功率减少，所检测的功率的SNR也降低了。为确保精确的测量发射功率，应该标称地将SNR保持在大约20dB。图6示出了一个特定实施例的信噪比和检测器路径增益与输出功率关系的曲线图。每下降15dB的输出功率，接收机基带增益就增加15dB，以保持足够的SNR。为了实现如图6所示的增益控制，功率控制回路需要在发射猝发期间控制接收机基带增益。一个特定实施例的计算表明，接收机基带增益的最佳初始设置是低于最大值30dB。理想化的是，将初始的接收机基带发射猝发设置为变量，当系统通电时将这个变量写入到电路寄存器中。
如上所述，增益控制20决定了发射输出功率电平。在不超出的前提下，增益控制20可以将发射功率尽可能地设置为接近于期望的输出功率。在不超过FCC限制的最高输出功率下进行发射可以使链路范围最大化。增益控制20是功率检测控制回路的一部分，功率检测控制回路应该尽可能快地向最终的输出功率会聚。在一个特定实施例中，可以在两个发射猝发内实现会聚。第二个发射猝发之后，可以以极高的精度改变发射功率的电平。
图3示出了一个特定实施例的控制回路增益控制20和控制模块28的高级功能框图。控制模块28代表了一些常用于无线电控制的软件和硬件的组合。
控制模块28接收基准输入信号TxCal和PDCal。发射基准信号TxCal是用于校准发射机增益的7比特常数。在一个特定实施例中，TxCal的最低有效位(LSB)可以表示0.25dB，并且范围可以是32dB。功率检测基准信号PDCal是用于校准功率检测器的8比特常数。在一个特定实施例中，PDCal的最低有效位(LSB)可以表示0.25dB，其范围可以是64dB。每个不同的发射频带可能需要不同的TxCal和PDCal字。例如，对于ISM频带和UNII频带可能使用不同的TxCal和PDCal字。可以将这些常数存储在诸如闪存器的存储器中并且当系统启动时加载它们。
从控制模块28到增益控制20的TxAtten输出表示请求衰减的预期量。例如，如果请求了在某一频带中所允许的最大输出功率，则TxAtten将为0dB。在一个特定实施例中，输出功率的范围可编程为56.5dB以上，分辨率为0.5dB，所以TxAtten是7比特字。控制模块28还向增益控制20输出功率控制回路基准信号pdref，pdref通常是8比特字(LSB＝0.25dB)，是PDCal和TxAtten的函数。所接收到的信号强度指示符rssi通常是8比特(LSB＝0.25dB)的发射功率的测量结果。功率控制回路总体上、而增益控制20具体地使得pdref和rssi之间的差最小化。
增益控制20通过复位信号reset初始化。功率检测使能信号pdet在增益控制20内启动功率检测电路。发射使能信号Tx启动发射机并且对增益控制电路20计时。
增益控制20产生两个输出，Atten和Rx_gain。Atten是由功率控制回路(即发射VGA 11的增益控制)设置的发射通道的衰减。例如，在一个特定实施例中，Atten是10比特字，其中LSB为0.138dB。Rx_gain是接收通道增益信号，用于优化基带VGA 26的增益，以便用于在防止控制回路ADC 27限幅时，使得检测器通道的信噪比(SNR)最大化。
在某些实施例中，功率控制回路可能需要出厂校准。可以通过发射一个信号——或者是OFDM同步码(preamble)、或者是单音信号——以及测量功率这样的方法进行校准。发射基准信号TxCal由下式决定TxCal＝Pcal-Pdesired-FudgeFactor其中Pcal是测得的功率，而Pdesired是期望的功率。由于在校准模式期间使用的频率和温度可能不会导致最高可能的输出功率，因此FudgeFactor保证了第一猝发的输出功率不会超过FCC的限制。功率检测基准信号PDCal由下式决定PDCal＝rssical-Pdesired+Pcal其中rssical是在校准测试期间读取的rssi。最好是以除了0dB衰减之外的衰减进行校准，以确保发射通道是线性的。在这种情况下，TxAtten应该与PDCal相加。这可以在测试软件中完成。
图4示出了图3的功率控制回路结构内的各功能模块。最初，忽略了沿着顶端的通道，并且在n个猝发期间以下式决定来自增益控制20的衰减输出AttenAtten(n)＝Atten(n-1)+rssi(n-1)-pdref＝Atten(n-1)+rssi(n-1)-PDCal+TxAtten此处，pdref是功率控制回路基准信号，是为了达到期望的衰减设置而调节rssi的目标值。例如，如果在猝发n-1期间发射功率是过于低的2dB，rssi(n-1)-pdref＝-2dB，则猝发n的衰减信号Atten将要减少2dB。如果Atten的衰减步长精确，那么功率电平将在第二个发射猝发上到达期望的电平(在量化误差之内)。
期望的发射功率可以在一个猝发到下一个的猝发期间发生变化。一旦回路具有稳定性(即在第一个猝发之后)，即使期望的功率电平改变了，发射机也能以正确的功率发射，这是因为如果TxAtten改变则pdref也会改变。例如，如果TxAtten是0dB但是在一个发射猝发结束之后变为3dB，那么pdref将下降3dB，因此rssi-pdref是3dB并且衰减将增加3dB。
由于对于第一发射猝发来说没有先前的猝发可以用于测量误差，因此对第一发射猝发(TxAtten0)的衰减设置Atten的计算与随后的各猝发的衰减设置的计算不同。因此，如图4沿着最上面的一行所示，第一猝发衰减设置为TxAtten+TxCal。在增益控制20输出端处的多路转接器MUX在对第一猝发的衰减的开环计算和随后各猝发的闭环控制之间作出选择。在一个特定实施例中，加法器A1、A2以及A3的宽度是8比特，而A4是10比特加法器。
图5示出了图4中用于发射功率控制的一些控制信号的时序。当选择了新的频率通道时，使负载合成器信号reset有效(assert)。新的信道上的第一猝发将使用Tx衰减设置，所述Tx衰减设置是由前馈通道计算的并由走低的mux_sel所选择。在rest的上升沿之后，mux_sel在Tx的第一个下降沿变为高电平。当mux_sel是高电平时，选择了闭环功率控制。pdet启动功率检测电路并启动各接收机基带信道中的一个，pdet的有效周期最好足够长以获得稳定的rssi读取。在一个特定实施例中，rssi达到稳定平均花费1μ秒，并且另外花费1μ秒用于使得接收机滤波器达到稳定。
如上所述的基本方法可以通过简化的MATLAB程序(simplematlab program)得到验证。图7示出了发射猝发数与输出功率和期望功率之间的关系图。图8示出了一个实施例中的具有0.25dB rssi分辨率和0.125dB增益步长的输出功率直方图。开始的5个猝发的期望功率是16dBm，而接下来的5个猝发的期望功率是10dBm。由于校准不能解决温度和频率的依赖性，因此在第一猝发期间存在着明显的误差。在第一猝发之后，即使期望的输出功率改变了，错误也很小(由增益和rssi量化所限制)。
下表提供一个特定实施例的发射功率控制功能模块的技术规范
尽管已经公开了本发明的多个示例性的实施例，然而本领域技术人员应该明白，在不背离本发明真实范围的情况下，可以作出各种能够获得本发明中的某些优点的变化和修改。
权利要求
1.一种无线电发射功率控制电路，包括射频(rf)降频变换器，用于产生降频变换器的输出，所述降频变换器的输出具有的频率与根据无线电发射机所发射的信号的第一降频变换器的输入和根据本机振荡器信号的第二降频变换器的输入之间的频率差相等；接收机基带电路，用于处理所述降频变换器的输出，以产生表示所发射信号的功率信号；以及反馈控制电路，用于产生发射机增益控制信号，以控制所发射的信号功率，以使得所述功率信号和功率基准信号之间的差最小。
2.根据权利要求1的电路，其中作为半双工无线电收发机的一部分的无线电发射机还具有接收机电路，由此当所述无线电发射机处于非活动状态时，所述接收机电路可以使用所述接收机基带电路，以及其中所述无线电发射机使用本机振荡器信号，由此，所发射的信号具有由本机振荡器信号所确定的频率。
3.根据权利要求1的电路，进一步包括模拟-数字转换器，用于将所述功率信号转换为典型的数字功率信号；以及其中所述反馈控制电路产生所述发射机增益控制信号，以使得所述数字功率信号和所述功率基准信号之间的差最小。
4.根据权利要求1的电路，其中借助于感测所述发射信号的定向耦合器来扩展所述第一降频变换器的输入。
5.根据权利要求1的电路，其中所述无线电发射机是无线局域网收发机的一部分。
6.根据权利要求1的电路，其中所述无线电发射机是时分双工系统的一部分。
7.一种控制无线电发射功率的方法，该方法包括使用射频(rf)降频变换器产生降频变换器的输出，所述降频变换器的输出具有的频率与根据无线电发射机所发射的信号的第一降频变换器的输入和根据本机振荡器信号的第二降频变换器的输入之间的频率差相等；使用接收机基带电路对所述降频变换器的输出进行处理，以产生代表了所发射的信号的功率信号；以及产生发射机增益控制信号，以控制所发射的信号功率，以使得所述功率信号和功率基准信号之间的差最小。
8.根据权利要求7的方法，其中作为半双工无线电收发机的一部分的无线电发射机还具有接收机电路，由此当所述无线电发射机处于非活动状态时，由所述接收机电路使用所述接收机基带电路，以及其中由所述无线电发射机使用本机振荡器信号，由此所发射的信号具有由所述本机振荡器信号所确定的频率。
9.根据权利要求7的方法，进一步包括将所述功率信号转换为典型的数字功率信号；以及其中产生所述发射机增益控制信号，以使得所述数字功率信号和所述功率基准信号之间的差最小。
10.根据权利要求7的方法，其中借助于感测所述发射信号的定向耦合器来扩展所述第一降频变换器的输入。
11.根据权利要求7的方法，其中所述无线电发射机是无线局域网收发机的一部分。
12.根据权利要求7的方法，其中所述无线电发射机是时分双工系统的一部分。
全文摘要
一种无线电发射功率控制电路，包括射频(rf)降频变换器，用于产生降频变换器的输出，所述降频变换器的输出代表了根据无线电发射机发射信号的第一降频变换器的输入和根据本机振荡器信号的第二降频变换器的输入之间的差；接收机基带电路，用于处理所述降频变换器的输出，以产生表示所发射信号的模拟功率信号；模拟－数字转换器，用于将模拟功率信号转换为典型的数字功率信号；反馈控制电路，用于产生发射机增益控制信号以控制所发射的信号功率，以使得数字功率信号和功率基准信号之间的差最小。
文档编号H03G3/30GK1823470SQ200480020190
公开日2006年8月23日 申请日期2004年8月4日 优先权日2003年8月4日
发明者安东尼奥·J·蒙塔尔沃 申请人:模拟设备公司