射频放大器中幅度调制到相位调制的消除方法

本发明涉及到RF放大器，具体涉及到用来消除在对功率放大器进 行幅度调制时出现的无意识的相位调制作用。

诸如蜂窝移动电话等使用的射频(RF)发射机产生可以通过空间发 送的RF信号。在信号中通过诸如调频，调相，调幅及其组合等某种形式 的调制而携带信息。

有时候需要产生兼备幅度和相位调制的调制信号。随着对小而轻 的设备特别是蜂窝电话的需求，放大器电路特别需要使用小型的元 件。一种可能是使用载波频率的主振荡器的相位调制与功率放大器的 幅度调制的组合。然而，在对功率放大器执行幅度调制时会出现无意识 的相位调制。目前解决这一问题的办法是将幅度和调制功率放大器包 括在总的锁相环内。如果作为一个用于广播的锁相环，这样做就会导致 出现带外信号，除非是包括一个高度隔离的开关。来自电压控制振荡器 的反馈点就会转移到功率放大器的输出，仅仅是在锁定的环之后并且 刚好在这一频率上。这种转移会造成环路的瓦解并且导致环路失锁。

本发明的目的就是以一种新颖和简单的方法来解决上述的一或多 个问题。

按照本发明提供了一种根据幅度调制指令校正相位调制指令的电 路及方法。

概括地说，本发明提供的一种RF放大器包括用来产生代表RF信号 的理想相位调制的相位调制指令以及代表RF信号的理想幅度调制的 幅度调制指令的指令装置。一个振荡器根据相位调制指令产生一个相 位调制的RF输入信号。一个功率放大器接收RF输入信号并且根据幅 度调制指令放大这一RF输入信号，产生一个RF输出信号。将调制控制 的操作与振荡器相联系。调制控制包括用来存储相位校正信息的相位 存储装置，使幅度调制指令与相位调制误差相互关联，以及用来根据相 位调制误差改变相位调制指令的相位控制装置，以校正由功率放大器 的幅度调制产生的无意识的相位误差。

本发明的一个特征在于相位控制装置包括一个加法器用来将相位 调制指令与相位调制误差相加并且将和输入给振荡器。本发明的另一 个特征在于调制控制包括一个编程处理器。

本发明的再一个特征在于相位存储装置存储一个将幅度调制指令 与相位调制指令相互关联的数学函数。

本发明的又一个特征在于相位存储装置存储一个幅度调制指令值 对相位调制指令值的表。

本发明的下一个特征是提供一种用来确定RF输出信号的实际相 位调制的装置，而其中的调制控制利用受监视的RF输出信号相位调制 和理想的相位调制周期性地更新相位校正信息。

本发明的又一个特征是提供了用来确定RF输出信号的实际相位 调制的装置，其中的调制控制将实际相位调制与相位调制误差相比较， 从而改变相位调制指令。控制装置包括一个加法器，用来将相位调制指 令和实际相位调制与相位调制误差的比较输出求和。

本发明的另一个特征是提供一种幅度存储装置，用来存储关于RF 输出信号的实际幅度相对于理想幅度调制的幅度校正信息，以及幅度 控制装置，它根据按照幅度校正信息修改的幅度调制指令来改变功率 放大器电源电压。调制控制根据按照这一校正信息修改的幅度调制指 令来确定相位调制误差。还设有用来监视RF输出信号幅度的装置，。 幅度控制装置利用监视的RF输出信号和理想幅度调制周期性地更新 幅度校正信息。幅度控制装置根据监视的幅度和幅度调制指令之间的 差改变功率放大器电源电压。振荡器包括一个相位调制电压控制振荡 器。

按照本发明的另一方面还提供了用来产生兼备相位和幅度调制的 RF信号的一种方法。该方法包括以下步骤，产生代表RF信号的理想相 位调制的相位调制指令，产生代表RF信号的理想幅度调制的幅度调制 指令。移动RF信号的相位，根据相位调制指令提供一个相位调制的RF 输入信号，根据幅度调制放大RF输入信号，产生一个RF输出信号，存储 关于幅度调制指令对相位调制误差的相位校正信息，以及用来根据相 位调制误差改变相位调制指令，以校正由RF输入信号的幅度调制所产 生的无意识的相位误差。

从以下的具体说明和附图中可以看出本发明进一步的特征和优 点。

图1的框图表示本发明第一实施例的放大器电路；

图2的框图表示本发明第二实施例的放大器电路；

图3的框图表示本发明第三实施例的放大器电路；

图4的框图表示本发明第四实施例的放大器电路；

图5的框图表示本发明第五实施例的放大器电路；

图6的框图表示本发明第六实施例的放大器电路；

图7的框图表示本发明第七实施例的放大器电路；

图8的框图是用来控制图1-7的任何一款功率放大器电路的电源电 压的一种电路；

图9是一个具体的框图，用来表示图5的放大器电路的一种实施方 案；以及

图10是按照本发明另一个实施例的放大器电路的具体框图。

首先参见图1，图中表示了本发明第一实施例的发射机RF放大器电 路20。在发射机中可以用放大器电路20通过空间发射RF信号，例如是移 动蜂窝电话等等。具体地说，这种发射机可以用于在任何设备中产生兼 备幅度和相位调制的调制信号。本发明特别涉及到按照根据幅度调制 控制信号对相位调制控制信号的校正来校正功率放大器的幅度调制所 产生的无意识的相位误差的一种电路和方法。

在本发明的实施例中，放大器电路20使用一个数字信号处理器 (DSP)和有关的电路来产生发射的输出信号。从图中可见，这种电路功 能可以用ASIC，编程的DSP，或者是编程的微处理器以及其它类似的装 置来实现。

RF放大器电路20包括的框22产生一个相位调制指令或是代表RF信 号的理想相位调制的控制信号。框24产生一个幅度调制指令或是代表 RF信号的理想幅度调制的控制信号。相位调制控制信号22通过一个加 法器26提供给相位调制振荡器28。振荡器28可以是任意形式的相位调 制源。一个例子就是锁相环(PLL)中的电压控制振荡器(VCO)，可以用一 个复合矢量(I/Q)调制器对参考信号进行相位调制，或者是在环路内部 执行相位调制。相位调制是线路30上的RF输入信号的一部分，并且被功 率放大器32放大。功率放大器32的输出构成一个RF输出信号。功率放 大器30是由来自框24的幅度调制控制信号来控制的。

按照本发明，幅度调制控制信号24被输入到一个相位校正表34。校 正表34的输出提供给加法器26。校正表34被存储在与DSP相联系的放大 器电路的一个合适的存储器中。校正表34将幅度调制控制信号和一个 相位调制误差相关联。具体地说，校正表34可以是相位值相对于幅度控 制信号的一个表，或者是用来链接这两种变量的一个数学函数。这种函 数或表对每一种功率放大器技术或总体设计都是不同的，但是在按照 一种技术和设计制造时对不同的元件都是相同的。加法器26将相位调 制控制信号与相位调制误差相加，用来校正功率放大器32的幅度调制 产生的无意识的相位误差。

图1表示本发明的一个基本实施例。本发明中更复杂的变化包括一 个关于幅度控制信号24对准备提供给功率放大器32的一个校正信号的 类似的校正表。图2-4表示了这些更加复杂的变化。

参见图2，在图中表示了按照本发明第二实施例的一种发射机放大 器电路120。放大器电路120的许多元件直接对应着图1的放大器电路20 中的有关元件。为了简化对这些元件采用了相同的标号。对于大体上 相似的元件用比之高100的标号来表示。

放大器电路120采用开环幅度校正。幅度调制控制信号24被提供给 一个幅度校正表36。幅度校正表36被存储在与DSP相联系的一个合适的 存储器中。存储器中存储功率放大器RF信号幅度输出对控制信号24的 传递函数曲线的反函数。具体地说，幅度校正表36将理想幅度值修改成 提供给系统的一个幅度值，用来校正RF输出信号的幅度。来自校正表36 的修改的控制信号被提供给功率放大器32，细节参见下文。

参见图3，图中表示了按照本发明第三实施例的一种发射机放大器 电路220。放大器电路220的许多元件直接对应着图1的放大器电路20 中的有关元件。为了简化对这些元件采用了相同的标号。对于大体上 相似的元件用高200的标号来表示。

放大器电路220采用具有采样误差测量的闭环幅度校正。这一实施 例假定元件与元件随着温度或时间会出现一些需要校正的变化。这些 变化是校正的对象。

在功率放大器32的输出端用一个幅度或功率检测器38测量幅度或 功率值。检测器38测量输出信号的速率比调制符号速率要低得多。在 加法器40中将测得的幅度与幅度调制控制信号相比较。加法器40的输 出被提供给一个幅度校正表236去校正这一非实时的表。幅度校正表 236类似于幅度校正表36。

参见图4，图中表示了按照本发明第四实施例的一种发射机放大器 电路320。放大器电路320的许多元件直接对应着图1的放大器电路20 中的有关元件。为了简化对这些元件采用了相同的标号。对于大体上 相似的元件用高300的标号来表示。

放大器电路320采用具有实时误差测量的闭环幅度校正。具体地说， 幅度校正是实时进行的。作为幅度校正表的替代，幅度调制控制信号24 和幅度检测器38都连接到加法器40上，加法器的输出提供给一个幅度 环滤波器42。幅度环滤波器42再连接到功率放大器32。这样就能将理 想幅度控制信号与测量幅度的关系提供给放大器控制端口以获得理想 的输出幅度。这一实施例受到的更严格的限制在于为了保持环路稳定 必须要限制环路滤波器42和环路增益。

图1-4的幅度调制方法还可以和相位调制路径上类似的变量加以 组合。在图5和6中表示了这些变化。

参见图5，图中表示了按照本发明第五实施例的一种发射机放大器 电路420。放大器电路420的许多元件直接对应着图1-4的放大器电路中 的有关元件。为了简化对这些元件采用了相同的标号。对于大体上相 似的元件用高400的标号来表示。

放大器电路420采用具有采样误差测量的闭环相位校正结合着具 有采样误差测量的闭环幅度校正。具体地说，闭环幅度校正类似于参照 图3所述的情况。一个限幅器44连接在功率放大器32的输出。限幅器44 很少有或没有幅度到相位的转换。限幅器44的输出消除由功率放大器 32带来的幅度调制。限幅器44的输出在一个混频器46中与线路30上的 RF输入信号相比较，在线路48上产生测量的相位或是误差。这一测量的 相位误差是在幅度放大过程中由功率放大器32产生的。然后在加法器 50中将这一测量的相位误差与代表着预期的无意识相位误差的相位校 正表434的输出相比较。这两个信号之间的差被用来更新相位校正表 434或是数学函数。由于相位校正表或函数只能随着诸如温度等缓慢改 变的条件而变化，误差采样的速率比调制速率要慢得多。

在比功率放大器32的密集幅度低10-15db以下的一些数值上，相位 校正表34的特性很少有对幅度的校正。因此，限幅器44和相位比较器50 不能在很宽的动态范围内工作。

参见图6，图中表示了按照本发明第六实施例的一种发射机放大器 电路520。放大器电路520的许多元件直接对应着图1-4的放大器电路中 的有关元件。为了简化对这些元件采用了相同的标号。对于大体上相 似的元件用500以上的标号来表示。

放大器电路520采用具有实时误差测量的闭环相位校正结合着具 有采样误差测量的闭环幅度校正。同样，幅度校正类似于上文参照图3 所述的情况。

在本实施例中，在加法器50中计算的来自混频器48的测量的相位 误差和来自表34的预期相位校正之间的差在一个相位误差滤波器52中 滤波。相位误差滤波器52的输出被输入到一个加法器526，它同时还接 收相位调制控制信号22和相位校正表34的输出。此处利用了相位校正 信号加上相位误差的反馈组合。为了保持环路的稳定而需要限制相位 误差滤波器52的参数。因为校正是实时进行的，它比符号速率要快。

参见图7，图中表示了按照本发明第七实施例的一种发射机放大器 电路620。放大器电路620的许多元件直接对应着图1的放大器电路20 中的有关元件。为了简化对这些元件采用了相同的标号。

放大器电路620表示一种可能与图1-6的任何一款电路重叠的变 化。按照这种变化，相位校正表34不接收幅度调制控制信号。反之却是 将幅度调制校正表36的输出输入给相位校正表34。这种变化具有其优 越性，因为传输相位在功率放大器呈现非线性时会发生变化。这一特性 比通常是由一个波形发生器提供的指令信号24更加密切地关系到提供 给功率放大器32的实际幅度控制信号。

在本发明所示的实施例中，用来产生相位调制控制信号22和幅度 调制控制信号24的方法可以采取许多标准的方法。可以用硬件或软件 来实现，例如是采用DSP，以及硬件和软件的组合。

在本发明的一个实施例中，假设已经产生了通常被标准的矢量调 制器用做输入的I和Q调制信号。这两个信号被输入到一个能够对I和Q 信号取四相限弧度正切的装置。然后变成标度适合用来控制相位调制 振荡器28的相位调制控制信号。同样的I和Q信号被输入给一个基本单 位函数，从而产生标度同样适合幅度调制器的幅度控制信号。如果相位 调制振荡器28实际上是一个频率调制的锁相环，为了控制这一振荡器 就必须对相位调制控制信号22取数学上的微分。

图8表示了一种用于功率放大器32的幅度调制的有效的方法。幅度 调制控制信号被提供给一个调制器60，例如是一个Δ-∑变换器，它产 生一系列一比特数字信号，其平均值模拟输入波形。用一个Class D放 大器级62提高调制信号的电流容量，根据输入到变换器60的二进制状 态使输出达到全电池电压或是零。通过一个低通滤波器64提供放大的 信号，将平滑的电压连接到功率放大器32的漏极或集电极。这样，当采 用功率放大器32来放大来自相位调制源的RF信号时，最终的输出信号 是由波形发生器产生的原始波形，但是现在是以适当频率加载在RF载 波信号上。

参见图9，图中表示了一种功率放大器电路700。具体地说，放大器 电路700包括图5的放大器电路420的更加具体的实施细节。

放大器电路700包括一个波形发生器702。波形发生器702产生适合 发射的数字数据以及调制特性的包括幅度和相位在内的总的调制。这 一波形被提供给一个相位调制路径704和一个幅度调制路径706。相位 调制路径704包括用来产生相位调制控制信号θ(t)的一个幅角函数 708。它对应着上文所述的相位调制控制信号22。幅度调制路径包括用 来产生代表RF输出信号理想幅度的一个幅度调制控制信号A(t)的幅值 函数710。它对应着上文所述的幅度调制控制信号24。两个信号必须在 时间上同步，使得通过放大器电路700的净效应能够在框712代表的输 出端产生理想的复合信号。

在相位调制路径704中，相位调制控制信号被提供给一个相位校正 表714。相位校正表714对应着上文中参照图5所述的相位校正表434。 相位校正表714的输出被提供给一个变换框716。变换框716将校正的相 位调制信号变换成相位调制振荡器718所需的适当格式和电平。振荡器 718可以是任意形式的相位调制源。VCO/PLL就是一个例子，其中的参考 信号是用复合矢量(I/Q)调制器调制的相位，或者是在环路内部施加相 位调制。这种相位调制是频率为f0的RF信号的一部分，并且由一个RF驱 动级720放大。RF驱动级720为功率放大器722提供足够的信号电平使其 过激励，并且在输出712代表的功率放大器722的输出仅仅响应其电源 电压的电平。

在幅度调制路径706中，来自幅值函数710的控制信号被提供给一 个校正表724。校正表724对应着参照图5所述的幅度校正表236。具体 用一个DSP存储器存储功率放大器RF信号幅度输出相对于控制信号的 传递函数曲线的反函数。校正表724将提供给系统的理想幅度值修改成 RF信号输出的准确幅度。修改的控制信号被提供给一个调制器726用来 产生平均值模仿输入波形的一序列一比特数字信号。可以使用任何形 式的脉冲密度调制器。然而，Δ-∑调制器的优点在于其噪声相对于频 率的关系是在低频段很低，而在高频段很高。用一个Class D放大器级 728提高调制信号的电流容量，根据输入到调制器726的二进制状态使 其输出达到全电池电压或是零。通过一个低通滤波器730提供放大的信 号，将平滑的电压连接到功率放大器722的漏极或集电极。这样，当采用 功率放大器32来放大来自相位调制路径704的RF信号时，最终的输出信 号是由波形发生器702产生的原始波形，但是此处的RF载波信号频率是 f0。

为了维持可靠地重现从波形发生器702到输出712的信号，在幅度 调制过程中需要不断地校正非线性。用一个功率检测器732测量功率放 大器722输出端的功率电平。用一个模-数转换器734对功率信号采样。 变换框736通过取平方根并且按照常数将其定标在适当的电平而将功 率电平变换成幅度，这样就能在框738中与理想幅度相比较。框738将来 自框710的理想幅度和来自框736的测量幅度相比较，为理想幅度的特 定电平计算成一个新的校正值。如果它与为了控制信号A(t)的特定值 预先存储的值截然不同，就将这一新值插入框724中的校正表。

在温度变化条件，功率放大器负载，电池电压等等的范围内维持框 724的校正表。维持框724的校正表的最简单的方法是降低采样速率。

为了提供闭环相位校正，在功率放大器722的输出端同样连接一个 限幅器740。限幅器740很少有幅度到相位的转换，消除由功率放大器 722带来的幅度调制。相位比较器742将实际相位调制与来自振荡器718 的理想相位调制相比较，计算出一个Δ相位，如果它与为了相位调制控 制信号的特定值而预先存储的值截然不同，就提供给框744用来计算准 备插入框714的校正表中的校正值。

参见图10，在图中表示了按照本发明另一实施例的一种发射机放 大器电路800。放大器电路800使用的许多元件与上文中参照图9所述的 放大器电路700中的元件实质上是相同的。为了简化对这些元件采用了 相同的标号来表示。对于大体上相似的元件用800系列的对应的标号来 表示。

在图10的实施例中，幅度调制路径706是相同的。图中表示了修改 的相位调制路径804。来自幅角函数框708的理想相位调制信号被输入 到一个变换框816，将相位调制信号变换成一组二进制控制信号Zi(t) 用来控制分频器846的约数。分频器846的输入是来自限幅器740的测量 的相位。分频器846的输出被提供给一个相位检测器848。相位检测器 848也连接到一个系统参考振荡器850。相位检测器848的输出提供给 PLL环路滤波器852，再由它提供给一个VCO 854。VCO 854的输出提供 给RF驱动级720。相位检测器848的输出还提供给一个检测锁856用来控 制连接到功率放大器722输出端的一个开关858。

图10的放大器电路800利用后功率放大器相位而不是VCO 854的输 出作为除法器846的输入。这是为了用一个更大的环路来根除功率放大 器722引入的相位调制。然而，当这种电路失锁时，就会形成带外。开关 858在自锁期间阻止信号广播。这种放大器电路800特别适合低功率应 用的场合。

从图中可见，图1的放大器电路20表示一种基本的发射机设计，它 根据幅度调制控制信号来校正相位调制控制信号，可以校正功率放大 器的幅度调制产生的无意识的相位误差。图2-7，9和10表示其他的发 射机放大器电路设计，在其中采用了同样的基本方法及进一步的变 更。

正如本领域的技术人员所知，本发明可以体现为方法或是装置。因 此，本发明可以采取完全硬件的实施例，完全软件的实施例，或者是硬 件和软件组合的实施例。

本发明是参照着框图的形式来说明的。显而易见，有许多框都可以 用计算机程序指令来实现。可以将这些代表步骤的程序指令提供给一 个处理器构成一种机器设备。

图中的各个框可以支持执行具体功能的装置的组合以及执行具体 功能的步骤的组合。显而易见的是，图中的每一个框及其在图中的组合 都可以由执行具体功能或步骤的专用的硬件式系统来实现，或者是专 用硬件和计算机指令的组合。

因此，本发明提供了一种RF放大器电路，它根据幅度调制控制信号来 校正相位调制控制信号，从而校正功率放大器的幅度调制产生的无意 识的相位误差。