專利名稱：與調(diào)制有關(guān)的信號放大方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及無線電信的功率放大系統(tǒng)，更具體地講，涉及允許無線系統(tǒng)以多種模式和/或調(diào)制操作的系統(tǒng)和方法。
最近十年中蜂窩電話之類的無線通信系統(tǒng)的使用獲得了快速增長，現(xiàn)在世界上大多數(shù)國家在它們的疆界內(nèi)建立了無線系統(tǒng)。由于不同的帶寬，功率和頻率需求，各個國家(甚至同一國家內(nèi)不同地區(qū))的無線系統(tǒng)的操作模式互不相同。作為數(shù)字蜂窩電話操作的一個實例，美國大多使用基于碼分多址(CDMA)或時分多址(TDMA)操作模式的數(shù)字蜂窩系統(tǒng)，而西歐一般使用基于移動通信全球系統(tǒng)(GSM)模式的數(shù)字蜂窩系統(tǒng)。
當前需要能夠以多種模式和/或調(diào)制操作的無線電信系統(tǒng)，例如可以在支持不同調(diào)制格式的多種系統(tǒng)中操作的蜂窩電話。作為一個實例，需要有一種能夠在TDMA和CDMA操作模式中工作的蜂窩電話。但是，熟悉本領(lǐng)域的人員知道，由于每一種模式的發(fā)射功率電平，后置功率放大器介入損耗，和有關(guān)調(diào)制的線性和效率要求中的差別，每一種模式對蜂窩電話的功率放大器有專門的限制。因為為了適當?shù)夭僮鳎β史糯笃鞅仨毦哂杏糜诿恳环N調(diào)制格式的不同的輸出負載線，這種蜂窩電話對設(shè)計和制造提出了挑戰(zhàn)。
過去提出的解決這一問題的建議包括為每種調(diào)制格式設(shè)立獨立的功率放大器，然后在這些放大器鏈之間切換。這涉及占據(jù)了更多空間和增加系統(tǒng)成本的重復(fù)電路。許多未來的蜂窩電話將需要設(shè)計容納更多的調(diào)制格式(隨新格式的開發(fā))，增大了這一問題的復(fù)雜性，使得工程技術(shù)人員遇到了更大的困難。
Schwent等的第5,060,294(‘294)號美國專利中公開了一種改變功率放大器負載特性以造成放大器飽和或防止放大器飽和的裝置。但是，將來，蜂窩電話將具有以多種線性模式操作的能力，例如以線性TDMA(例如，利用移相鍵控調(diào)制)和某種CDMA形式。’294專利沒有說明操作在不同線性調(diào)制格式之間的蜂窩電話。
此外，‘294專利披露根據(jù)于放大器是操作在飽和還是不飽和模式改變放大器的偏置電流。如上所述，‘294專利沒有討論操作在不同線性調(diào)制格式之間的蜂窩電話。另外，改變放大器偏置電流提供了一階放大器性能提高。存在進一步提高效率和/或線性的需要。
Dixon等的第5,291,516號美國專利公開了一種帶有根據(jù)操作模式的可調(diào)節(jié)輸出濾波器的雙模式發(fā)射機。專利說明了諸如信號的鄰近頻道干擾，輻射發(fā)射和輻射噪聲功率之類的事項，但沒有提供放大器效率和/或線性所需的性能改進。
Dent的第5,361,403號美國專利公開了一種在放大器以第一功率電平放大AM信號時的第一負載阻抗與放大器以第二功率電平放大FM信號時的第二負載阻抗之間轉(zhuǎn)換的放大器。但這種放大器需要蜂窩電話通過不同線性調(diào)制方案操作。例如，這些不同的線性調(diào)制方案可以是包括不同形式的四相移相鍵控(QPSK)，二進制移相鍵控(BPSK)，和/或正交幅調(diào)(QAM)的不同形式的數(shù)字調(diào)制。這些調(diào)制的不同數(shù)字調(diào)制形式具有以特定方式影響放大器效率的不同峰值對平均值比特性。
因此，需要有一種以多種操作模式操作的，顯著減小制造的復(fù)雜性，空間和成本的，并且提高了放大器性能的放大器。


圖1是利用一個調(diào)制格式轉(zhuǎn)換器(也稱為可變阻抗網(wǎng))的示例發(fā)射機的局部方框圖2示出了圖1中所示調(diào)制格式轉(zhuǎn)換器(MFS)方框的一種示例實現(xiàn)；和圖3示出了有關(guān)圖2的MFS所用的不同調(diào)制格式的史密斯圓圖(Smith chart)的阻抗曲線圖。
參考圖1，圖1示出了一個示例發(fā)射機10。發(fā)射機10最好是一個蜂窩電話發(fā)射機，或任何能夠在無線環(huán)境中發(fā)送信息的其它無線型發(fā)射機。熟悉本領(lǐng)域的人員知道，發(fā)射機10包括濾波混頻器之類的其它組件，但是為了不沒有必要地使附圖復(fù)雜化，沒有示出這些元件。
發(fā)射機10包括一個線性功率放大器15，一個調(diào)制格式轉(zhuǎn)換器(MFS)20(也稱為可變阻抗網(wǎng))，一個負載25，一個控制單元30，一個微處理器42，和一個電源和偏置控制單元52。線性功率放大器15和控制單元30分別經(jīng)過信號連線35和40連接到MFS 20。MFS 20經(jīng)過信號連線45連接到負載25。
線性功率放大器15是一個為現(xiàn)有已知的線性操作而偏置的一般固態(tài)放大電路。負載25是一個對其輸送功率的元件，并且除了其它組件之外，負載25包括一個天線。MFS 20變換線性功率放大器15輸出級所見的阻抗值。熟悉本領(lǐng)域的人員都知道，通過調(diào)節(jié)不同阻抗值，以優(yōu)化碼分多址(CDMA)和線性時分多址(TCMA)之類不同調(diào)制類型的線性功率放大器15的輸出級的性能。例如，眾所周知的，存在于放大器輸出端的負載沿一條負載線影響其操作點。因而，可以調(diào)節(jié)負載阻抗以提高線性功率放大器15的效率和/或線性。一個特定調(diào)制格式所需的負載阻抗是通過實驗預(yù)定的。
微處理器42提供對發(fā)射機的各種控制功能，例如，以下將進一步說明的，提供對電源和偏置控制單元52和控制單元30的控制。微處理器也確定提供到線性功率放大器15的輸入信號的調(diào)制類型，從而可以把MFS 20變換到適當?shù)淖杩乖O(shè)置。當在蜂窩電話(未示出)中使用發(fā)射機10時，微處理器42執(zhí)行已知的其它蜂窩電話控制功能。此外，熟悉本領(lǐng)域的人員知道，可以使用其它處理裝置替代微處理器42確定所用調(diào)制類型。
控制單元30控制MFS 20阻抗值的變換，并且將在下面進一步詳細說明。此外，電源和偏置控制單元控制應(yīng)用于線性功率放大器15的偏置設(shè)置，并將在下面進一步詳細說明。
圖2是MFS 20的一個示例實現(xiàn)。線性放大器15包括一個一級放大器55(也稱為激勵放大器)和一個二級放大器60(也稱為輸出級放大器)。作為選擇，線性功率放大器15可以是一個單級功率放大器。MFS 20包括一個與線性功率放大器15和負載25(圖1)進行信號通信的匹配網(wǎng)62。匹配網(wǎng)62可以具有對應(yīng)于多個被線性功率放大器15放大的線性調(diào)制格式信號的多種阻抗值。
匹配網(wǎng)62包括一個第一可控元件70，一個第二可控元件72，一個第三可控元件74，和一個第四可控元件76。第一可控元件70是一個電壓可變電容器。在Kenneth D.Cornett,E.S.Ramakrishnan,Gary H.Shapiro,Raymond M.Caldwell,和Wei-Yean Howrig1991年10月申請的第5,137,835號美國專利中公開了一個電壓可變電容器的實例，該專利完整地結(jié)合于此作為參考。電壓可變電容器的另一個實例是現(xiàn)有技術(shù)已知的變?nèi)荻O管。
可以把第一可控元件70設(shè)定為作為電源電位函數(shù)的各種不同電容值。施加到可控元件70的電源電位是雙極性的，以把第一可控元件70變換到第一電容和第二電容。作為選擇，電源電位可以有兩種以上的狀態(tài)，并且第一可控元件70可以具有兩種以上的電容狀態(tài)。電容器80是一個用作阻斷電容器和/或匹配電容器的固定電容器。
第二可控元件72是一個根據(jù)調(diào)制格式將電容器81在線性功率放大器15的輸出端接入或斷開的PIN二極管。例如，當調(diào)制格式信號是來自CDMA模式操作時，那么把電容器81接入，用作一個分路電容器。而當調(diào)制格式信號是來自線性TDMA模式操作時，那么把電容器81斷開。此外，第二可控元件72可以是另一種類型的變換裝置，例如已知的微機電開關(guān)或場效應(yīng)晶體管(FET)。同樣，第三控制元件74和第四控制元件76分別用于電容器82和83，以進一步改變提供到線性功率放大器15的阻抗。
熟悉本領(lǐng)域的人員知道，可以使用利用各種不同可變控制元件的其它配置和組合。此外，對于某些應(yīng)用，容納不同調(diào)制格式所需的阻抗值的范圍可能不需要這樣多的可變控制元件，或可能需要更多的可變控制元件。
控制單元30向MFS 20提供控制信號，以控制可變控制元件。在所示的實施例中，控制信號是由一個移位寄存器95產(chǎn)生的雙極性信號。在一個替代實施例中，控制信號不是由移位寄存器產(chǎn)生的，并且對任何一個可變控制元件的控制信號可以呈現(xiàn)多種離散或連續(xù)值。在所示實施例中，給移位寄存器95提供一個由微處理器42(圖1)產(chǎn)生的格式變換串行控制字。作為替代，可以由耦合到發(fā)射機10的其它電路(未示出)產(chǎn)生控制字。將格式變換串行控制字施加到控制單元30的輸入端92。
MFS 20也如現(xiàn)有技術(shù)已知的那樣包括一個射頻(RF)扼流和旁路電路93，以隔離控制單元30和線性功率放大器15的輸出阻抗。扼流和旁路電路還包括串聯(lián)電阻94，以便為可變控制元件設(shè)定適當?shù)腄C偏置電平。
圖2示出了實際上由移位寄存器95同時變換的所有可變控制元件。移位寄存器95的變換時間與發(fā)射機10中使用的一個特定調(diào)制格式的時間量相比是可以忽略的。
在一個必須有效和線性地放大，例如，CDMA和線性TDMA調(diào)制信號的多調(diào)制格式無線電話中，線性功率放大器15要求在線性功率放大器15的輸出端提供一個優(yōu)化的阻抗。與MFS 20組合的控制單元30通過為每個調(diào)制格式改變MFS 20的阻抗值完成這種要求?？梢岳斫?，通過啟動可變元件70,72,74和76與控制單元30的適當組合來改變這些阻抗值。
圖3在史密斯圓圖300上示出了MFS 20提供到線性功率放大器15第二級60上的三個示例阻抗。這三個示例阻抗對應(yīng)于定義三種不同調(diào)制格式的三種多址技術(shù)。例如，第一阻抗302對應(yīng)于一種例如由臨時標準IS-54或IS-136定義的TDMA蜂窩電話系統(tǒng)的線性調(diào)制格式。第二阻抗304對應(yīng)于一個產(chǎn)生相同輸出功率的線性功率放大器15，但是是用于以，例如，臨時標準IS-95定義的CDMA蜂窩電話系統(tǒng)為特征的第二線性調(diào)制格式。第三阻抗306對應(yīng)于一個，例如，可能由一個第三代寬帶CDMA(WCDMA)蜂窩電話空中接口標準(已經(jīng)在各種蜂窩電話標準組織中公開發(fā)布和建議)產(chǎn)生的第三線性調(diào)制格式。如上所述，對應(yīng)于各種調(diào)制格式的各種不同阻抗值是實驗預(yù)定的。
當線性功率放大器15是一個多級功率放大器時，MFS 20可以有選擇地包括一個耦合在第一級55和第二級60之間的級間匹配網(wǎng)100。級間匹配網(wǎng)100包括一個用于改變第一和第二級之間阻抗級的級間可變控制元件102。級間可變控制元件102的構(gòu)成和操作與所述的可變控制元件70,72,74和76的相同。級間匹配網(wǎng)100還包括現(xiàn)有技術(shù)已知的用于RF匹配目的的無源電感器和電容器。
圖2示出了可以通過提供耦合到線性功率放大器15的電源和偏置控制單元52獲得的額外性能改進。電源和偏置控制單元52包括一個柵偏壓控制115和一個電源偏壓控制110。
柵偏壓控制115包括一個第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)112和一個DC電路塊113。DC電路塊包括用于換算和電平移動第一DAC 112產(chǎn)生的模擬信號的各種模擬電路。
電源電壓控制110包括一個耦合到電源產(chǎn)生塊110的第二DAC114。電源產(chǎn)生塊110可以是一個常規(guī)線性調(diào)節(jié)器或一個開關(guān)電源。
電源和偏置控制單元可以具有對應(yīng)于多種調(diào)制格式信號的多種偏置設(shè)置。例如，在所示實施例中，第一級放大器55和第二級放大器60是場效應(yīng)晶體管(FET)。柵偏壓控制115把偏置電壓提供到第一級放大器55和第二級放大器60的柵極，以便為不同的調(diào)制格式信號改變各自的漏極電流。為了完成這種操作，微處理器42(圖1)注意何時放大的信號類型從一種調(diào)制格式信號類型改變?yōu)榱硪环N調(diào)制格式信號類型。微處理器42產(chǎn)生一個控制字，控制字經(jīng)過線路200提供到第一DAC 112。然后，第一DAC 112產(chǎn)生一個適合于新調(diào)制格式信號的模擬信號。DC電路113處理該模擬信號，以產(chǎn)生施加到第一級放大器55和第二級放大器60柵極的新的柵電壓。
此外，電源電壓控制110改變對應(yīng)于不同調(diào)制格式信號的第二級功率放大器60的漏極電壓。微處理器42(圖1)注意到被放大的信號的類型從第一種調(diào)制信號類型改變?yōu)榈诙N調(diào)制信號類型(例如，從線性TDMA模式過渡到CDMA模式)。微處理器42經(jīng)過線路201指令第二DAC 114產(chǎn)生一個施加到電源產(chǎn)生器110的不同模擬信號。然后，電源產(chǎn)生器110產(chǎn)生一個適用于正在放大的新調(diào)制格式信號類型的第二級功率放大器60的漏極的新電源電壓。
通過把不同輸出阻抗應(yīng)用到線性功率放大器15中與改變線性功率放大器的偏置和/或電源電壓設(shè)置的組合，導致了對以前可能到達的效率的顯著提高。
本發(fā)明是結(jié)合特定實現(xiàn)或?qū)嵤├f明的，為了說明的目的提供了許多細節(jié)。因此，上述說明僅是為了說明本發(fā)明的原理。本發(fā)明可以有其它特殊形式，而不脫離它的精神和基本特征。例如，第一級放大器55(圖2)和第二級放大器60(圖2)可以是雙極晶體管，而不是FET。那么如上所述，電源和偏置控制單元52可以根據(jù)調(diào)制格式信號的類型或平均輸出功率改變第二級放大器60的集電極電壓和/或第一級放大器55和第二級放大器60的基極電流。
權(quán)利要求
1．一種與一放大器和一負載進行信號通信的調(diào)制格式轉(zhuǎn)換器，放大器用于放大由不同線性調(diào)制方案區(qū)分的多種線性調(diào)制格式信號，調(diào)制格式轉(zhuǎn)換器包括與放大器和負載進行信號通信的至少一個匹配網(wǎng)，該至少一個匹配網(wǎng)可以具有對應(yīng)于多種線性調(diào)制格式信號的多個阻抗值；和該至少一個匹配網(wǎng)中的可控元件，可控元件可以具有一個以上的阻抗值。
2．根據(jù)權(quán)利要求I所述的調(diào)制格式轉(zhuǎn)換器，其中可控元件由一個控制單元控制。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的調(diào)制格式轉(zhuǎn)換器，其中控制單元包括一個移位寄存器。
4．根據(jù)權(quán)利要求2所述的調(diào)制格式轉(zhuǎn)換器，其中可控元件包括PIN二極管，微機電開關(guān)，和電壓可變電容器中的任何一個。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)制格式轉(zhuǎn)換器，其中多個線性調(diào)制格式信號對應(yīng)于從實際上由碼分多址(CDMA)和線性調(diào)制時分多址(TDMA)組成的組中選擇的多種多址技術(shù)中的任何一種。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)制格式轉(zhuǎn)換器，進一步包括與放大器進行信號通信的級間匹配網(wǎng)，放大器是一個具有至少一個第一級放大器和一個第二級放大器的多級放大器，和該級間匹配網(wǎng)中的可控元件，級間匹配網(wǎng)中的可控元件可以具有一個以上的阻抗值。
7．根據(jù)權(quán)利要求6所述的調(diào)制格式轉(zhuǎn)換器，進一步包括與放大器進行信號通信的電源和偏置控制單元。
8．根據(jù)權(quán)利要求7所述的調(diào)制格式轉(zhuǎn)換器，其中電源和偏置控制單元具有對應(yīng)于多種線性調(diào)制格式信號的多個偏置設(shè)置。
9．根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)制格式轉(zhuǎn)換器，其中該至少一個匹配網(wǎng)為多種線性調(diào)制格式信號中的每一種向放大器提供不同的阻抗，以便以實際上預(yù)定方式改變放大器的操作負載線。
10．根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)制格式轉(zhuǎn)換器，進一步包括一個與放大器進行信號通信的電源和偏置控制單元。
11．根據(jù)權(quán)利要求10所述的調(diào)制格式轉(zhuǎn)換器，其中電源和偏置控制單元產(chǎn)生對應(yīng)于多種線性調(diào)制格式信號的多個偏置設(shè)置。
12．根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)制格式轉(zhuǎn)換器，其中該至少一個匹配網(wǎng)具有在放大器操作載頻的多個實際上預(yù)定的阻抗，該實際上預(yù)定的多個阻抗對應(yīng)于多種線性調(diào)制格式信號。
13．一種與一放大器和一負載進行信號通信的調(diào)制格式轉(zhuǎn)換器，放大器用于放大由多種不同線性調(diào)制方案區(qū)分的多種線性調(diào)制格式信號，調(diào)制格式轉(zhuǎn)換器包括與放大器和負載進行信號通信的可變阻抗網(wǎng)，可變阻抗網(wǎng)提供對應(yīng)于多種線性調(diào)制格式信號的多個阻抗值；該可變阻抗網(wǎng)中的可變阻抗元件，可變阻抗元件可以具有一個以上的阻抗值；和與放大器進行信號通信的電源和偏置控制單元，電源和偏置控制單元具有對應(yīng)于多種調(diào)制格式信號的多個偏置設(shè)置，其中可變阻抗網(wǎng)為多種線性調(diào)制格式信號的每一種向放大器提供一個不同的阻抗，以便以實際上預(yù)定的方式改變放大器的操作負載線。
14．根據(jù)權(quán)利要求13所述的調(diào)制格式轉(zhuǎn)換器，其中多個偏置設(shè)置包括放大器的電壓偏置設(shè)置，電源電壓設(shè)置，和電流偏置設(shè)置中的至少一種。
15．根據(jù)權(quán)利要求13所述的調(diào)制格式轉(zhuǎn)換器，其中多種線性調(diào)制格式信號產(chǎn)自移相鍵控調(diào)制。
16．一種用于放大由多種不同線性調(diào)制格式區(qū)分的多個信號的裝置，該裝置包括放大器；耦合到放大器的可變阻抗網(wǎng)，可變阻抗網(wǎng)為多種不同線性調(diào)制格式信號的每一種向放大器提供一個不同的阻抗；和耦合到放大器的偏置控制電路，偏置控制電路向放大器提供多個偏置設(shè)置，該多個偏置設(shè)置對應(yīng)于多種不同線性調(diào)制格式。
17．一種放大由多種不同線性調(diào)制格式區(qū)分的多個信號的方法，該方法包括向一個放大器施加以第一線性調(diào)制格式為特征的第一信號；響應(yīng)第一信號向放大器的輸出端提供第一阻抗；響應(yīng)第一信號設(shè)置放大器的第一偏置條件；向放大器施加以第二線性調(diào)制格式為特征的第二信號；響應(yīng)第二信號向放大器的輸出端提供第二阻抗；和響應(yīng)第二信號設(shè)置放大器的第二偏置條件。
全文摘要
公開了一種在與一產(chǎn)生多種調(diào)制格式信號的放大器(15)和一負載進行信號通信的調(diào)制格式轉(zhuǎn)換器(20)。調(diào)制格式轉(zhuǎn)換器(20)包括至少一個與放大器(15)和負載(25)進行信號通信的匹配網(wǎng)(62,100),其中至少一個匹配網(wǎng)(62,100)可以具有對應(yīng)于多種調(diào)制格式信號的多個阻抗值。調(diào)制格式轉(zhuǎn)換器(20)還包括匹配網(wǎng)(62,100)中的可控元件(70,72,74,76,102),可控元件(70,72,74,76,102)可以具有一個以上的阻抗值。
文檔編號H04B1/04GK1306344SQ01100788
公開日2001年8月1日 申請日期2001年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月14日
發(fā)明者阿明·克洛姆斯朵爾夫, 盧克E·溫克爾曼, 馬修·格林, 戴爾·施溫特 申請人:摩托羅拉公司