专利名称：具有低功率放大器的电流消耗降低的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信网络中的电流消耗降低。
背景技术：
通过如HSPDA (高速分组数据接入)、EUL (增强上行链路)等标准 的3G无线通信网络的发展将在下行链路通道(从基站到移动站)和上 行链路通道(从移动站到基站)以及还在面对LTE/SAE (长期演进/系 统架构演进)上允许更高的数据速率。
HSPDA将例如允许峰值数据速率高达10Mbit/s、更短的连接和响 应时间以及在扇区吞吐量(sector throughput )中的巨大增加，而EUL 将在稍后的HSPDA发布中增加上行链路数据速率。而LTE/SAE又将提 供类似的优点。
尽管如此，虽然这些优点有益于最终用户并且有益于贫瘠的移动 应用资源的使用，然而这些改进与这些无线通信网络中的其他重要参 数(诸如在移动站和基站两者中的电流消耗、音量以及其他参数)是 相冲突的。
处理增加的功率消耗的一种尝试是引入适合于在高输出功率处具 有高效率的功率放大器和在较低的输出功率处具有高效率的功率放大 器，如图1所示。
这里，放大器电路包括一个用于高输出功率的放大器和一个用于 较低输出功率的放大器，即大约15dBm。尽管对于只有一个功率放大器 来说经过该设置的电流消耗降低了 ，但仍有进一步降低电流消耗的空 间，特别是对于在分集系统(在接收器或发射器分集系统或是这两者) 中节省电池功率。
发明内容
本发明的一个方面提供了一种用于无线通信网络的收发器。该收 发器包括至少一个收发器模块，用于确定要发射的信号功率；单元， 用于将一个或多个其确定的信号功率在特定的功率阈值之上的信号引
4导到一个或多个在该功率阈值之上具有高效率的第一放大器，并且将 一个或多个其确定的信号功率在该功率阈值之下的信号引导到一个或
多个在该功率阈值之下的信号功率处具有高效率的第二放大器；连接 到该一个或多个第一放大器的隔离设置，用于防止由该一个或多个第 一放大器所放大的信号的信号反射；以及至少一个笫一分集式天线和 至少一个第一主天线，用于发射放大的信号。
根据本发明的收发器的一个优点在于电流消耗的实质性降低以及 实际上在任何分集式收发器电路其应用的灵活性。
另外，本发明的另一个方面提供了一种用于在无线通信网络中放 大信号的方法，其包括如下步骤a)接收一个或多个信号；b)确定 一个或多个所接收信号要被发送的功率；c)将一个或多个所接收信号 要被发送的功率与预定的功率阈值进行比较；d)将一个或多个其功率 在特定的功率阈值之上的信号引导到一个或多个在该功率阈值功率之 上具有高效率的第一放大器，并且将一个或多个在该功率阈值之下的 信号引导到一个或多个在该功率阈值之下的信号功率处具有高效率的 第二放大器；e)在该一个或多个第一放大器中放大信号；f)将放大 的信号发送到至少一个第一分集式天线或至少一个主天线；以及g)经 由至少一个第一分集式天线或至少一个第一主天线在无线接口上发射 一个或多个信号。
本方法特别地适合于由根据本发明的收发器实现。而且，根据本 发明的方法的步骤可以由运行在根据本发明的收发器上的或运行在分 离的存储介质上的计算机程序执行。
图1示出了根据公知技术的放大器电路。 图2示出了根据本发明第一实施例的收发器电路。 图3示出了根据本发明第二实施例的收发器电路，其中该收发器 包括DPDT开关。
图4示出了根据本发明第三实施例的MIM0(多输入多输出)或MISO
(多输入单输出)系统中的收发器电路。
图5示出了根据本发明的一个实施例的方法的步骤。
图6示出了在CDMA2000网络中概率与输出功率分布的关系曲线。图7示出了曲线图，其中电流消耗被示出为根据本发明的收发器 的输出功率的函数。
具体实施例方式
在下面的详细描述中，出于便于阅读的目的，在不同附图中描述 相同元素的参考标记将不针对每个附图重复描述。
图1给出了放大器电路100的说明，其中该电路根据公知技术试 图降低移动站或基站中的电流消耗。
参考图1， RF输入信号110被馈送到分离器140并且被引导到第 一功率放大器150和第二放大器160的输入端。第一放大器150被调 整为在高输出功率处具有高效率，而第二放大器160适合于在较低的 输出功率(例如15dBm或更低)处具有高效率。
取决于期望是仅从第一放大器150输出高功率的放大RF信号还是 仅从第二放大器160输出较低功率的放大RF信号，模式分离器IIO使 用控制信号使得第一放大器150或第二放大器160输出被放大的信号。 用于控制功率放大器输出的两个控制信号是第一模式信号120和第二 模式信号130，其对应于高功率RF信号和较低功率RF信号。自然地， 还有可能将放大的输入RF信号的高功率部分和放大的较低功率部分 RF输入信号两者在组合器170中组合为放大的RF输出信号180。
应当注意到，通常在图2-5中示出的根据本发明的收发器可以在 任何操作于无线通信网络中的移动设备(诸如移动站、无线网卡、PDA 和类似设备以及基站、接入点、Node B或类似的无线通信网络中的接 入点)中实现。
现在转到图2，示出了根据本发明第一实施例的收发器电路200。 收发器电路200包括分集式收发器模块212，该分集式收发器模块 212尤其用于确定到达功率放大器的信号将要被发射的功率电平。该功 率电平根据从基站(未示出)连续发送的告知终端减少或增加其输出 功率的信号所确定。此外，该分集式收发器模块212连接到被调整为 在高输出功率(例如24dBm或更高)处具有高效率的第一组功率放大 器(在这个例子中是三个)220、 222、 224。而且，用于高输出功率的 第一组功率放大器220、 222、 224的每一个可以被连接到第一组循环 器230、 232、 234 (在图2中以虚线示出)，该第一组循环器尤其具有隔离器的功能，用于防止来自第一天线电路246的RF信号的信号反射。 使用循环器作为隔离电路将降低输出功率大约0. 4dB。然而，优选地是 有可具有功能性的第一组功率放大器"0、 "2、 224而无需使用循环 器230、 232、 234。
每个循环器230、 232、 234又连接到第一组双工器240、 242、 244, 该第一组双工器可以包括用于在空中接口上发射的信号的带通滤波器 和用于通过相同空中接口接收的信号的带通滤波器。这些双工器额外 地提供了感兴趣的频带之间的高隔离并因此被用于对信号的感兴趣部 分进行滤波。
在此应当提及的是，假设要被放大的信号是要在空中接口上发送 的宽带载波分割多路复用多路访问(Wideband Carrier Division Multiplex Multiple Access ) (WCDMA)或3G信号。然而，如果带通 频率滤波器236、 237和238被设计为具有足够宽的通带，还有可能向 第一组功率放大器220、 222和224馈送结合的GSM/EDGE和WCDMA信 号以及长期演进(LTE)信号(诸如正交频分多路复用(OFDM)或单载 波频分多路访问(SC-FDMA))。
可替换地，没有被第一组功率放大器220、 222 、 224放大的 GSM/EDGE信号249在其经由分集式天线248在空中接口上发送之前， 将被直接馈送到分集式前端模块或例如SPnT开关246中。这里，SPnT 开关是单刀N投开关，N是该开关的开关位置的数量。
同样，被放大且被滤波的无线电信号被馈送到分集式前端模块246 中，并且经由分集式天线248在空中接口上发送。
而且，从分集式天线248接收的无线电信号如上所述由相同的第 一组频率滤波器236、 237、 238滤波，以用于在它们经由连接240、 2" 和244被发送到分集式收发器模块212之前移除频谱中不希望的部分。
主收发器模块252以非常类似的方式连接到第二前端模块286。由 于在第二组放大器260、 262、 264中放大的无线电信号的输出功率低 于由第一组放大器220、 222、 224放大的无线电信号的输出功率，也 可以不需要循环器形式的隔离器(由虚线示出)。要提及的是，取决于 功率放大器220、 222、 224的输出能力(即其最大输出能力与最高功 率之间的净空(headroom)),它们将操作在ACLR (邻信道泄漏比)和 EVM (误差矢量幅度)，其描述了来自邻近信道对被放大的无线电信道的干涉，并且由来自其他信道的干涉引起的调制失真可以被降低。
还应当提及的是，第二组放大器260、 262、 264被调整为在较低 功率电平(诸如15dBm或更低)处具有高效率。
另外，第二组放大器260、 262、 264又连接到第二组带通频率滤 波器270、 272、 274。如前所述，在被放大的无线电信号被发送到主前 端模块286并且进一步经由主天线288在无线接口上发送之前，这些 带通滤波器对被放大的无线电信号的频谱的感兴趣的部分进行滤波。
在主天线288上接收的无线电信号在作为滤波后的信号280、 282、 284被转发到主收发器模块252之前也由第二组带通频率滤波器进行 带通滤波。
不打算由第二组放大器260、 262、 264放大的GSM/EDGE信号290 经由分离的输入端被馈送到主前端模块中，并且经由主天线288在无 线电接口上发送。
在只有WCDMA信号由第一组放大器220、 222、 224和第二组放大 器262、 264、 266进行放大的情况中，GSM/EDGE信号经由分离的输出 端292从主前端模块286馈送出去。
图3示出了根据本发明第二实施例的收发器电路300。本质上，该 电路是具有增加的开关320的来自图2的相同收发器电路200,该开关 320例如可以是双刀双投(DPDT)开关。图2中出现的各元件的功能将 不在此重复。
如本领域技术人员所知，DPDT开关通常包括在两个定义明确的状 态之间进行切换的两个开关。优选地，DPDT开关320可以被提供为固 态开关或为电气开关。
取决于控制信号311， DPDT开关320可以激活主天线288并且将 分集式天线248接到地310、 312，或反之亦然。在这种方式中，其中 一个收发器一个可以被连接到两个天线248、 288中的任何一个。通常 地，主天线288在比分集式天线248更高的增益处操作，所以在较低 的功率电平处(其中对发射分集的使用可能不是必需的)，DPDT开关 320可以被用于将在较低发射功率处具有高效率的第二组放大器260、 262、 264连接到主天线288。
使用中的天线可以被耦合到其中一个收发器电路，或是分集式收 发器电路212或是主收发器电路252。然而，也有可能通过使用其他类
8型的开关将其中一个天线耦合到两个收发器电路的输出端。
另外，可以使用其他类型的开关，诸如单刀单投(SPST)开关、 双刀双投(DPDT)开关、单刀双投(SPDT)开关、单刀转换(SPC0) 开关以及其他适合于在一个第一分集式天线248和一个第一主天线 288之间进行切换的开关类型。
现在转到图4，示出了根据本发明第三实施例的收发器电路400。 在这个实施例中，具有与图2中相同的应用于多输入多输出(MIMO) 或多输入多输出(MISO)系统的收发器。
与图2和图3中的实施例形成对比，每个前端模块246、 286具有 其自己的接收器天线248、 288和发射器天线448、 488。因此，由于信 号经由不同的天线被发射和接收，所以不再需要用于将上行链路信号 和下行链路信号分离开的频率滤波器236、 237、 238和270、 272、 274， 因此，其在图4中以虚线示出。
示例性的MIMO或MISO收发器系统400取决于应用当然可以包括 多于两组接收器和发射器天线248、 288和448、 488。
图5示出了根据本发明的一个实施例的方法的步骤。在步骤500， 在收发器电路处接收到要被发射的一个或多个信号，该收发器电路是 如上所述的收发器电路200、 300或400中的一个，或是与如上所述的 收发器电路的各方面相一致并且与本发明相一致的这些电路的一些修 改。
接下来在步骤510，在收发器模块212、 252中的一个中确定一个 或多个信号将要被发射的功率电平。随后在步骤520，确定的用于要被 发射的一个或多个信号的信号功率电平与预定的阈值功率值进行比 较。选择该阈值功率值，使得第一组放大器220、 222、 224适合在该 值之上具有最大效率，而第二组放大器260、 262、 254适合于在该阈 值功率值之下具有最大效率。需要比较步骤520以确定应当将一个或 多个信号发送到哪组放大器以便进行放大。
因此，如果一个或多个接收的信号的信号功率值在预定的阈值之 上，则该信号在步骤530被发送到第一组放大器220、 222、 224。
随后在步骤540，该一个或多个接收的信号由第一组放大器220、 222、 224放大，并且进一步在步骤540被发送到分集式天线248,在 步骤550该信号在空中接口上通过该分集式天线2W被发射。相反地，如果要被发射的一个或多个信号的信号功率被确定在预
定的阈值功率值之下，则在步骤525将该一个或多个信号转发到第二 组放大器260、 262、 264。随后在步骤535，该一个或多个信号由第二 组放大器260、 262、 264放大，并且在步骤545被发送到主天线288。
在此需要认识到，在根据本发明的收发器的至少一个实施例(例 如第二实施例)中，放大的一个或多个信号优选地可以被发送到分集 式天线248或主天线288。
最后在步骤550，这样放大的一个或多个信号经由主天线288在空 中接口上被发射。
图6示出了取自于CDMA 2000系统的郊区轮廓测量的概率与输出 功率分布的关系曲线610。该图示出了以dBm为单位所表示的特定输出 功率的百分比概率。由于功率级别限制，24dBm以上的值没有示出，意 味着收发器发送WCDMA信号不允许发送具有高于24dBm+l/-3dB (功率 级别3限制)的信号。如图中所见，输出功率大部分集中在-20dBm与 15dBm之间，有少量的尾部在15dBm和25dBm之间。
这些图形对于本领域技术人员是公知的，并且已经由专门模型中 的很多无线网络中的实验所得出，并且被用于小区规划。
然而使用这些图形，已经针对根据本发明的收发器电路执行了仿 真，对于变化的最大功率值，第二组功率放大器260、 262、 264的效 率已经被优化了。
这些仿真的结果如图7中的图形所示。参考图7，该图形示出了以 mA为单位的电流消耗作为三个方案的以dBm为单位的输出功率的函 数。第一个方案包括使用在最大功率处具有最大效率的单一功率放大 器，以曲线710示出。
;f艮明显，对于在区间-18 dBm到16 dBm中的输出功率，电流消耗 处于大约O. 8mA，而对于超过16 dBm的输出功率，电流消耗在其间迅 速上升。
第二个方案包括两组功率放大器组，其中第一组包括调整为在高 于15 dBm的输出功率处高效率的功率放大器，以及调整为在直到15 dBm的输出功率处具有高效率的功率放大器，以曲线720示出。
很清楚地可以看见，在以与第一个方案的类似方式超过15 dBm输 出效果迅速上升之前，在-18 dBm和15 dBm之间的区间中的平均电流消耗处于大约O. 2 mA。在15 dBm和17 dBm之间的区域中的电流消耗 突然的上涨可以由这样的事实解释在该区域中，放大从较低功率的 功率放大器(PA)切换到高功率的PA。
最后，第三个情况包括高功率的PA和具有直到9 dBm的调整效率 的较低功率的PA，由曲线730表示。
电流消耗中的突然增加与第二个方案类似，但是(逻辑上地)在9 dBm和11 dBm之间发生突跳(kick in)。稍后，在大约16dBm输出功 率处，电流消耗中的增加变得与第一和第二个方案一样。
使用公知的公式计算所有这三个方案的电流消耗概率，发现与在 最大输出功率处只有一个功率放大器的情况相比较，对于使用了优化 为在较低功率处具有高效率的较低功率的PA的第二和第三个方案，平 均电流消耗降低了 16mA。然而，在第二与第三个情况之间的电流消耗 中的差别仅仅是边缘的。
可以补充的是，根据本发明的收发器可以应用于任何无线通信系 统，i者如GSM、 WCDMA、 CDMA 2000、诸如IEEE 802. lla、 IEEE 802. llb、 IEEE 802. llg、 HiperLAN的无线局域网(WLANSPST)、 WIN腿、WiMAX 以及其他类似的无线通信系统。
而且功率放大器可以根据需要包括一个放大器部件(该放大器部 件通常是固态部件)或者包括多余一个放大器部件。虽然已经在前面 的描述中提及一些功率电平，功率放大器已经被设计为在该功率电平 处具有高效率，但它们仅作为范例数值给出。应当理解，PA被设计为 具有高效率的特定功率电平取决于应用领域并因此可以有变化。
需要强调的是，在此说明书中使用术语"包括"时是用于说明所 记载的特征、整数、步骤或部件的存在，而不排除一个或多个其他的 特征、整数、步骤、部件或其成组的出现或添加。
除非特别说明，没有在本申请的描述中使用的元件、动作、或指 令可以被解释为对于本发明是关键的或必需的。而且，在此使用冠词 "一"表示为包括一个或多个项目。表示只有一个项目时，使用术语 "一个，，或类似的语言。另外，在此使用的短语"基于"表示意味着 "至少部分地基于"，除非特别另外规定。
本发明的范围由权利要求书及其等效物所限定。
ii
权利要求
1. 一种用于无线通信网络的收发器，该收发器包括收发器模块，用于确定要发射的信号功率；单元，用于将一个或多个其功率在特定功率阈值之上的信号引导到一个或多个在该功率阈值之上具有高效率的第一放大器，并且将一个或多个在该功率阈值之下的信号引导到一个或多个在该功率阈值之下的信号功率处具有高效率的第二放大器；以及至少一个第一分集式天线和至少一个第一主天线，用于发射放大的信号。
2. 如权利要求1所述的收发器，其中该一个或多个第一分集式天 线和第一主天线被设置为用于从通信网络中的其他设备接收信号。
3. 如权利要求2所述的收发器，其中该收发器还包括滤波器，该 滤波器用于将经由该一个第一分集式天线和一个第一主天线发射的信 号与经由该一个第一分集式天线和一个第一主天线接收的信号分离开。
4. 如权利要求1所述的收发器，其中该收发器还包括连接到一个 或多个第一放大器的隔离设置，用于防止由该一个或多个第一放大器 所放大的信号的信号反射。
5. 如权利要求1所述的收发器，其中该收发器还包括滤波器，该 滤波器用于将经由该一个第一分集式天线和一个第一主天线发射的信 号与经由该一个第一分集式天线和一个第一主天线接收的信号分离开。
6. 如权利要求1所述的收发器，其中该收发器还包括至少一个第 二分集式天线和至少一个第二主天线，用于从通信网络中的其他设备 接收信号。
7. 如权利要求1所述的收发器，其中该收发器还包括开关，该开 关用于选择或者一个第一分集式天线或者一个第一主天线以用于发射 或者由一个或多个第一放大器放大的或者由一个或多个笫二放大器放 大的一个或多个信号。
8. 如权利要求7所述的收发器，其中该开关被设置为选择第一分 集式天线中的一个或第一主天线中的一个并且将其他天线连接到地。
9. 如权利要求8所述的收发器，其中该开关是单刀单投开关、双刀双投开关、单刀双投开关、单刀转换开关或其他适合于在一个第一 分集式天线与一个第一主天线之间进行转换的开关类型。
10. 如权利要求9所述的收发器，其中由至少一个或多个第一放 大器和至少一个或多个第二放大器放大的信号是宽带栽波分割多路访 问(wideband carrier division multiple access) (WCDMA)信号 或结合的全球移动通信系统/全球演进的增强型数据速率(GSM/EDGE) 与WCDMA信号。
11. 如权利要求7所述的收发器，其中该开关是单刀单投开关、 双刀双投开关、单刀双投开关、单刀转换开关或其他适合于在一个第 一分集式天线与一个第一主天线之间进行转换的开关类型。
12. 如权利要求1所述的收发器，其中由一个或多个笫一放大器 和至少一个或多个第二放大器放大的信号是WCDMA信号或结合的 GSM/EDGE与WCDMA信号。
13. —种用于在无线通信网络中放大信号的方法，包括 接收一个或多个信号；确定一个或多个所接收信号要被发送的功率； 比较一个或多个所接收信号被发送的功率；将一个或多个所接收信号要被发送的功率与预定的功率阈值进行 比较；将一个或多个其功率在特定的功率阈值之上的信号引导到一个或 多个在该功率阈值之上具有高效率的第一放大器，并且将一个或多个 在该功率阈值之下的信号引导到一个或多个在该功率阈值之下的信号功率处具有高效率的第二放大器；在一个或多个第一放大器处放大该信号；将放大的信号发送到至少一个第一分集式天线或发送到至少一个 主天线；以及经由至少一个第一分集式天线或至少一个第一主天线在无线电接 口上发射一个或多个信号。
全文摘要
本发明公开了无线通信网络中的收发器电路和方法，其中测量在收发器电路处接收的信号的信号功率电平并且将其与预定的阈值功率电平进行比较。使用至少两组功率放大器以用于根据信号功率电平与预定的功率阈值电平的关系放大所接收的信号，其中一组功率放大器优化为在该预定的阈值功率电平之上具有高效率，另一组功率放大器优化为在该预定的阈值功率电平之下具有高效率。然后，信号可以由双重滤波器滤波并被转发到分集式(248)或主天线，随后在空中接口上发射该信号。
文档编号H04B1/04GK101548469SQ200780044527
公开日2009年9月30日 申请日期2007年5月15日 优先权日2006年12月1日
发明者B·图多索尤, M·约翰逊, W·坎普 申请人:索尼爱立信移动通讯股份有限公司