控制放大器的方法和装置的制作方法

专利名称：控制放大器的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据信号的包络比控制放大器的方法和装置，及确定信号峰值与平均值包络比的装置和方法。本发明尤其适用于如用在UMTS系统中的射频(RF)信号。
这一代移动电话的RF发射通常具有恒定的包络形状，而且RF放大器以恒定的功率工作。但是，在下一代移动电话中，计划以可变的包络来操作RF发射。这将有可能以更高的功率连续操作RF放大器，足以产生最大的信号输出。例如，尽管电流输出只需要1mW的输出功率，但是有可能以提供1W输出能力的偏置来操作放大器，以便在需要的时候能够提供1W的输出功率。但是，由于需要始终将备用大电流(偏置)应用到RF放大器，因此这是对功率的浪费。移动电话通常利用充电电池来工作。对移动电话来说，要求电池充一次电能够尽可能长时间地工作，包括待机和工作模式。因此，应当尽可能多地降低移动电话的功耗。
已经对根据输出信号包络的瞬时值来修正偏置(待机功耗)做了一些尝试。尽管这会降低放大器的功耗并延长电池的使用寿命，但是还没有发现有足够快地跟踪到包络中的快速改变以允许有效RF发射的可能。
因此，需要提供一种有效地确定和控制放大器功耗的方法和装置。在一个RF系统中，由于实际网络中功率输出的统计分布，因此发射器有可能以相对较低的输出功率工作。因此，在相对较低的输出功率下功耗特别低的方法和装置是优选的。
根据本发明的一方面，一种控制放大器工作的方法包括以下步骤测量放大器输出信号的特性曲线；测量该特性曲线的峰值；测量该特性曲线的时均平均值；比较峰值与平均值；提供表示所需峰值与平均值比较结果值的需求信号；及调整应用到放大器的偏置电平以便产生具有期望峰值与平均值比较结果电平的输出信号。
根据本发明的一种实施方案，确定了信号峰值与平均值的包络比。平均值是在一段相对较长的时间上进行计算的，而峰值也是在一段相对较长的时间上检测并保持的。因此，同包络自身的变化速率相比，信号的峰值与平均值之比变化得相对较慢。
因此，本发明提供了一种峰值与平均值之比的检测器；包括这种峰值检测器的用于控制放大器的装置；一种控制放大器的方法；及一种获得峰值包络与平均值包络的比值的方法。
特别地，根据本发明的一方面，一种控制放大器的方法包括以下步骤检测来自放大器的信号的输出功率包络；导出表示该输出功率包络的第一个值；并导出第二个值和第三个值，分别表示该第一个值的平均值和峰值。用第三个值减去第二个值，得到一个差值。提供一个需求信号并同该差值进行比较以导出一个偏置信号。根据该偏置信号控制放大器，以便在放大器的输出信号中获得期望的峰值包络与平均值包络之比。
在本发明的一种实施方案中，第一个值是输出功率包络的对数表示；第二和第三个值分别是输出功率包络平均值和峰值的对数表示，而需求信号适于利用差值进行操作以产生对偏置信号所需的调整，来按要求控制放大器。
在本发明的一种实施方案中，第一个值是输出功率包络的线性表示；第二和第三个值分别是第一个值的平均值和峰值的线性表示，差值是输出功率包络峰值和平均值之间差值的线性表示；而需求信号适于利用差值进行操作以产生对偏置信号所需的调整，来按要求控制放大器。
在本发明的一种实施方案中，第一个值是输出功率包络的线性表示；第二和第三个值分别是第一个值的平均值和峰值的对数表示，差值是输出功率包络峰值和输出功率包络平均值之比的对数表示；而需求信号适于利用差值进行操作以产生对偏置信号所需的调整，来按要求控制放大器。
在本发明的一种实施方案中，第一个值是输出功率包络的任意多项式表示；第二和第三个值分别是第一个值的平均值和峰值，而需求信号适于利用差值进行操作以产生对偏置信号所需的调整，来按要求控制放大器。
第三个值可以通过使表示第一个值的信号顺序通过一个低通滤波器和一个峰值检测器来获得。
第二个值可以通过使表示第一个值的信号通过一个积分器来获得。
检测来自放大器信号的输出功率包络的步骤包括在检测之前进行降频变换的步骤。根据本发明的另一方面，控制放大器以便在放大器输出信号中获得期望的峰值包络与平均值包络之比的装置包括导出表示放大器信号输出功率包络的第一个值的检测器；检测该第一个值峰值的峰值检测器；检测该第一个值平均值的求平均值装置。提供从峰值减去平均值得到差值的第一减法器。提供从需求信号减去该差值以产生偏置信号的第二减法器。提供用于接收该偏置信号的放大器输入，以便根据差值同需求信号之间的差值控制放大器，从而获得必需的输出信号峰值与平均值之比。
检测器可以是对数检测器，第一个值可以是输出功率包络的对数表示，而需求信号适于利用差值进行操作以产生对偏置信号所需的调整，来按要求控制放大器。
可选地，检测器可以是线性检测器，第一个值可以是输出功率包络的线性表示，而需求信号适于利用差值进行操作以产生对偏置信号所需的调整，来按要求控制放大器。在这种情况下，差值可以表示输出功率包络峰值与输出功率包络平均值之间的差值。
可选地，检测器可以是线性检测器，而第一个值是输出功率包络的线性表示。可以提供用于将峰值和平均值变换成对数表示的对数变换器。在这种情况下，需求信号适于利用差值进行操作以产生对偏置信号所需的调整，来按要求控制放大器。差值将表示输出功率包络峰值与输出功率包络平均值之比的对数。
可选地，检测器可以是任意多项式检测器，而第一个值可以是对应的输出功率包络的任意多项式表示。在这种情况下，需求信号适于利用差值进行操作以产生对偏置信号所需的调整，来按要求控制放大器。
在任意一种这样的装置中，峰值可以通过使表示第一个值的信号顺序通过一个低通滤波器和一个峰值检测器来获得。平均值可以通过使表示第一个值的信号通过一个积分器来获得。
此外可以提供一个用于在检测输出功率包络之前对信号进行降频变换的降频变换器。
在本发明的某些实施方案中，放大器是RF放大器。
根据本发明的另一方面，用于获得第一信号峰值包络与平均值包络之比测量值的方法包括以下步骤导出表示第一信号包络的第二信号；导出表示第二信号平均值的第三信号；导出表示第二信号峰值的第四信号；及用第四信号减去第三信号以导出表示信号峰值包络与平均值包络之比的第五信号。
在这种方法中，第二信号可以表示第一信号包络的对数，而第五信号可以表示第一信号峰值包络与平均值包络之比的对数。
信号可以作为电或光信号发射。信号可以作为模拟电平发射，或者可以被数字编码，或者还可以是脉冲调制波形。
参考以下通过实例给出的对其某些实施方案的描述并联系相应附图，本发明以上及更多的目的、特点和优点将变得更加明显，其中

图1A表示典型线性放大器输入功率与输出功率的关系；图1B表示一种典型的包络波形；及图2表示根据本发明控制放大器的装置，其中插入了一个根据本发明的求峰值与平均值之比的检测器，该检测器可以根据本发明的方法来操作。
在一些射频系统中，如UMTS系统，有必要提供带期望峰值与平均值包络比的信号。为了从RF频谱的给定波段获得更高的数据速率，有必要使用带非常量包络的信号，这导致高峰值与平均值比。
为了产生带可变包络的RF信号，需要线性功率放大器，而且可以设置这些来提供对输出信号一定程度的削波。允许一定程度的削波使得放大器能够以更低的功耗工作，这延长了电池的使用寿命。
线性功率放大器是已知的，具有设置偏置点的偏置输入，偏置点又会确定电流消耗和最大输出功率。低偏置导致低峰值输出功率。增益也会受偏置的影响但不严重，这影响了平均输出功率。
线性放大器只在到达压缩点之前是线性的，其中压缩点受偏置的影响。对于带不同偏置点的线性放大器，图1A示出了输出功率Pout和输入功率Pin之间的关系。曲线101说明了工作在相对高的偏置的线性放大器输出功率与输入功率的关系，而曲线102说明了同一放大器工作在较低偏置时的对应关系。与峰值输入功率Pip及对应的分别用于低和高偏置情况的峰值输出功率Pop、Pop’一起，还示出了平均输入功率Pim和平均输出功率Pom值。在低偏置情况102中，通过放大器中的压缩减小了峰值与平均值之比(Pop/Pom)。那么应当选择提供更高峰值与平均值比(Pop’/Pom)及保持输入信号完整性的高偏置点101。但是，如果输入信号(Pim，特别是Pip)的值减小了，那么低偏置102就足够了。如果选择高偏置101来处理比所需值大的输入信号，那么电流将被浪费。
应当选择需要的峰值与平均值比，从而使结果信号可以被削波，足以获得最大效率，而不会被削波到超出频谱溢出范围。通过选择峰值与平均值比，可以设置放大器偏置来提供刚刚足够的能力以一定程度的削波放大输入信号到输出信号，即，不管输入信号的电平是多少，都能以最优的功耗工作。
根据本发明的一方面，利用在一段相对较长的时间上获得的平均值测量输出信号包络的峰值与平均值比，而峰值也是在一段相对较长的时间上检测并保持的。因此，根据本发明的方法和装置确定的峰值与平均值的比值变化得相对较慢。本发明的方法和装置不去试图根据RF信号的实时变化改变放大器的偏置电平。
因此，有可能在包络大小突然减小之后，放大器偏置在一段时间内过多，或者在包络大小突然增大之后，放大器偏置在一段时间内过低。但是，已经发现这种操作是满足要求的，能够实现功耗的显著降低。如果对放大器的输入信号电平进行了突然改变，本发明的方法和装置可以提供变量的复位。
本发明尤其涉及一种确定信号包络峰值与平均值比的有效方式及利用峰值与平均值比检测器的放大器控制器。
本发明的峰值与平均值比检测器是一个系统概念，它允许设置线性功率放大器的偏置以便在放大器的输出产生要求的信号峰值与平均值比。这使整个系统的功耗最小化。找到的峰值与平均值比控制是一个长期控制伺服系统，它根据输出信号的历史改变偏置。其目的不在于控制调制速率，因而同样适用于窄带和宽带调制方案。
本发明装置的最重要部分是峰值与平均值比检测器。这是一个电路，它能够估计输出信号的峰值包络和平均值包络，并产生能够充当控制放大器的输出信号峰值与平均值比测量值的比例输出。
如普遍认可的，数学除运算在电子或其它控制电路中是难以实现的，而加减运算则相对容易。因此，根据本发明的一方面，提供了一种不需要执行除运算就能获得峰值与平均值比的方法。
根据本发明的某些实施方案，使用了两个量之比的对数可以表示为两个量的对数相减的数学运算logx(A/B)＝logx(A)-logx(B)因此，峰值与平均值包络比的对数就等于包络峰值的对数与包络平均值的对数之差。
现在参考图2，线性功率放大器10由偏置信号16来设置并应用到输出信号14，其中偏置信号16是根据表示要求峰值与平均值比的输入信号12确定的。该要求比值是通过考虑可接受的削波程度来确定的。在装置的设计中这是很容易模拟或测量的，而且应当仅仅是由发射器产生的信道个数的一个函数。在最小化的UMTS中总有一条导频信道和一条数据/语音信道。如果添加了更多数据信道，则峰值/平均值要增大并且需要不同的要求峰值与平均值比。输出峰值与平均值比的判拒是输出信号满足相关的频谱要求及“向量误差值”或调制精度要求。采样装置15，如耦合器、定向耦合器或电阻分接头，将一部分输出信号能量从放大器转移到本发明的峰值与平均值比检测器20中。依赖于输出信号14的频率，可以提供降频变换器22将信号14变换成具有更合适频率的信号24。
所提供的降频变换器22可以包括向混频器22b提供信号的隔离放大器22a。混频器22b还可以接收来自本地振荡器22d的本地振荡信号22c以提供混频信号22e，随后该信号通过所需频率带宽的带通滤波器22f。
降频变换器的输出或放大器的输出如果具有合适的频率，就可以应用到对数放大检测器26。这提供了一个表示信号14包络对数的信号28。合适的对数放大检测器是已知的，例如，用在频谱分析器和雷达接收器中的对数放大检测器。
随后信号28应用到并联的峰值检测装置30及求平均值装置32。求平均值装置包括积分器34，它接收信号28并输出表示信号14包络对数平均值的值40。峰值检测装置一般包括串联的低通滤波器36和峰值检测器38。
图1B示出了时间为t的包络e值的实例。曲线103说明了包络随时间的典型变化，可以看到峰值，而平均值可以估计。在包络波形103中有可能出现所谓的“超峰值”104，即比正常峰值包络值高得多的峰值包络值。这是相当少见的，有非常快的上升时间而且非常窄。因为它们非常少见，所以对它们进行削波是很有可能的，而且通常是可以接受的，而不会降低性能。低通滤波器36用来滤掉这些很窄的波峰(对超波峰进行削波)，从而防止峰值检测器38过载。
作为一个附加功能，该低通滤波器也优选地适于消除高频，例如RF成分，而仅将包络发送到峰值检测器38。
随后峰值检测器38检测输入信号28包络的最大值并保持该值作为其输出信号42。峰值检测器将该值保持一段相对较长的时间。峰值检测器的衰减速度应当尽可能慢，同时仍然要提供对信号14包络中大部分峰值的检测。在用于移动电话应用的典型RF信号中，峰值可能只维持大约10ns，而衰减速度应当设置得足够低以维持峰值几个毫秒，这个时间同平均值检测器34中求平均值的时间差不多。
随后信号40(表示信号14包络对数的平均值)和信号42(表示信号14包络对数的最大值)应用到减法器44，用信号42的值减去信号40的值，并提供表示信号14包络峰值与平均值比的对数的差值信号46。
第二个减法器48接收差值信号46并用需求信号12减去它，其中需求信号12也是由该减法器48来接收的。两个信号之间的差值就是作为误差信号50的输出。尽管没有必要，但优选地，在用作偏置控制信号16之前，误差信号50将应用到平波电路(积分器52)。积分器52是用来确定控制特性的，从而确保回路稳定在带非行溢出响应的零误差。
在以上描述的实施方案中使用了对数检测器26，即，检测包络值，同时导出其对数，以便直接产生表示包络对数的输出信号28。因此，减法器44的输出46表示包络对数的峰值和包络对数的平均值之间的差值。包络对数的平均值与包络平均值的对数稍微有点差别，因此信号46的值不能准确地表示包络平均值的对数。但是，这个差别可以通过改变应用到请求某个峰值与平均值比的需求信号12的值来进行补偿。
在可选的实施方案中，包络检测功能可以独立于对数导出。例如，可以用一个二极管检测器来提供包络的线性表示，还有随后要应用的对数变换器。对数变换器可以放置在二极管检测器及峰值和平均值检测器之间。可以为每个检测器都提供一个对数变换器，或者由单个对数变换器提供指向峰值和平均值检测器的单个输出。在更多的可选实施方案中，可以在每个峰值和平均值检测器之后都放置一个对数变换器，以便将线性的峰值与平均值变换成对数值。在这些实施方案中，由减法器44产生的信号46将表示实际的峰值与平均值比的对数。
然而在本发明另外一些实施方案中，可能完全不需要对数变换器。例如，二极管检测器可以直接同峰值检测器和平均值检测器一起使用，并且将峰值和平均值包络值应用到减法器。由该减法器提供的信号46将不再表示峰值与平均值比，而是表示峰值与平均值之间的差值。
不管由减法器产生的差值信号46表示峰值与平均值比的对数、或者峰值与平均值的对数差、或者一些其它函数的差值，本发明的原理都适用。必须修改应用到第二个减法器48的需求信号12以符合所使用的不同信号的类型。
例如，需求信号12可以表示所需峰值与平均值包络比的对数，以便允许同差值信号46的直接比较。可选地，可以在应用到减法器48之前将线性需求信号12提供给对数变换器(未示出)。另一种选择是在将差值信号46应用到减法器48并使用线性需求信号12之前将差值信号46变换为线性信号。
一些对数变换器，如以前提到的对数放大器，很难在温度方面保持稳定。当用于导出包络时，由于使用了差分对，因此温度稳定性并不重要，而且相对来说不受温度变化的影响。但是，当用作独立的对数变换器时，温度稳定性就变得重要了。
在第二种可选实施方案中，峰值检测装置30和求平均值装置32每个都包括一个同26所示类似的对数放大检测器，放置在图中所示元件的上面。于是不再需要对数放大变换器26。
在第三种实施方案中，关于第二种实施方案所提到的对数放大检测器位于图中所示各元件的下面。在这种实施方案中，向减法器提供包络平均值的对数及包络峰值的对数，而在其它实施方案中，向减法器提供包络对数的平均值及包络对数的峰值。在这种实施方案中，必须正确地选择需求信号12的值。它应当与差值的对数，而不是对数的简单差值相关。这仍然仅是一个简单电压。由于误差电压变小了，因此在这种情况下需求输入的灵敏度稍微有一些提高。
尽管参考有限个数的具体实施方案对本发明进行了描述，但是在本发明范围之内可以进行各种修改和调整。例如，尽管本发明尤其适用于RF信号，但是它还可以不经任何实质性修改就应用到其它波长的信号。
前面的描述只提到了“对数”，利用底数为10、底数为e、底数为2、底数为16或任何其它底数的对数，本发明都能同样令人满意地执行。为此，上面列出的公式表示为底数为x的对数。如前面所讨论的，本发明还可以应用到不具有对数功能的布置。
在设计来响应这种信号的电路中，上面提到的信号可以是电、光、机械或其它合适的信号。信号可以表示为模拟值(例如，稳定电压、稳定光强、稳定压力)，或通过某种类型的数字编码(例如，十六进制编号)或脉冲编码系统(例如，其中所表示的值是同数字脉冲的瞬时频率相关的系统)。有必要在要处理的信号类型之间进行变换(例如，在处理之前，光或机械信号14可能需要变换成电信号)。
权利要求
1.一种控制放大器工作的方法，包括以下步骤测量放大器输出信号的特性曲线；测量该特性曲线的峰值；测量该特性曲线的时均平均值；比较峰值与平均值；提供表示所需峰值与平均值比较结果值的需求信号；及调整应用到放大器的偏置电平，从而产生具有期望峰值与平均值比较结果电平的输出信号。
2.根据权利要求1控制放大器(10)的方法，包括以下步骤检测(15、26)放大器信号的输出功率包络；导出表示该输出功率包络的第一个值(28)；导出分别表示第一个值的平均值和峰值的第二个(40)和第三个(42)值；用第三个值减去(44)第二个值，得到差值(46)；提供需求信号(12)并将其与差值进行比较(48)，导出偏置信号(16)；及根据该偏置信号控制放大器，以便在放大器的输出信号中获得期望的峰值包络与平均值包络比。
3.根据权利要求2的方法，其中第一个值是输出功率包络的对数表示；第二和第三个值分别是输出功率包络平均值和峰值的对数表示，而需求信号适于利用差值进行操作以产生对控制放大器所需的偏置信号的必要调整。
4.根据权利要求2的方法，其中第一个值是输出功率包络的线性表示；第二和第三个值分别是第一个值平均值和峰值的线性表示，差值是输出功率包络峰值与平均值之间差值的线性表示；而需求信号适于利用差值进行操作以产生对偏置信号所需的调整，来按要求控制放大器。
5.根据权利要求2的方法，其中第一个值是输出功率包络的线性表示；第二和第三个值分别是第一个值平均值和峰值的对数表示，差值是输出功率包络峰值与输出功率包络平均值之比的对数表示；而需求信号适于利用差值进行操作以产生对偏置信号所需的调整，来按要求控制放大器。
6.根据权利要求2的方法，其中第一个值是输出功率包络的任意多项式表示；第二和第三个值分别是第一个值的平均值和峰值，而需求信号适于利用差值进行操作以产生对偏置信号所需的调整，来按要求控制放大器。
7.根据权利要求2-6任意一项的方法，其中第三个值(42)是通过使表示第一个值的信号(28)顺序通过低通滤波器(36)和峰值检测器(38)来获得的。
8.根据权利要求2-7任意一项的方法，其中第二个值(40)是通过使表示第一个值的信号(28)通过积分器(34)来获得的。
9.根据权利要求2-8任意一项的方法，其中检测来自放大器信号的输出功率包络的步骤包括在检测之前的降频变换(22)。
10.控制放大器(10)以便在放大器输出信号中获得期望峰值包络与平均值包络之比的装置，包括导出表示放大器信号(14)输出功率包络的第一个值(28)的检测器(26)；检测第一个值峰值(42)的峰值检测器(30)；检测第一个值平均值(42)的求平均值装置(32)；用峰值减去平均值获得差值(46)的减法器(44)；用需求信号(12)减去差值产生偏置信号(16)的减法器(48)；及用于接收该偏置信号以便根据差值和需求信号的差值控制放大器的放大器输入，从而在输出信号中获得所需峰值与平均值比。
11.根据权利要求10的装置，其中检测器是对数检测器，第一个值是输出功率包络的对数表示，而需求信号适于利用差值进行操作以产生对偏置信号所需的调整，来按要求控制放大器。
12.根据权利要求10的装置，其中检测器是线性检测器，第一个值是输出功率包络的线性表示，而需求信号适于利用差值进行操作以产生对偏置信号所需的调整，来按要求控制放大器，其中差值表示输出功率包络峰值与输出功率包络平均值之间的差值。
13.根据权利要求10的装置，其中检测器是线性检测器，而第一个值是输出功率包络的线性表示，其中提供了用于将峰值和平均值变换成对数表示的对数变换器，其中需求信号适于利用差值进行操作以产生对偏置信号所需的调整，来按要求控制放大器，其中差值表示输出功率包络峰值与输出功率包络平均值之比的对数。
14.根据权利要求10的装置，其中检测器是任意多项式检测器，第一个值是输出功率包络的对应任意多项式表示，而需求信号适于利用差值进行操作以产生对偏置信号所需的调整，来按要求控制放大器。
15.根据权利要求10-14任意一项的装置，其中峰值是通过使表示第一个值的信号顺序通过低通滤波器(36)和峰值检测器(38)来获得的。
16.根据权利要求14或权利要求15的装置，其中平均值是通过使表示第一个值的信号通过积分器(34)来获得的。
17.根据权利要求10-16任意一项的装置，其中提供了用于在检测输出功率包络之前对信号进行降频变换的降频变换器(22)。
18.根据前面任意一项权利要求的方法或装置，其中放大器是RF放大器。
19.一种获得第一信号(14)峰值包络与平均值包络之比测量值的方法，包括以下步骤导出表示第一信号包络的第二信号(28)；导出表示第二信号平均值的第三信号(40)；导出表示第二信号峰值的第四信号(42)；及用第四信号减去第三信号导出表示信号峰值包络与平均值包络之比的第五信号(46)。
20.根据权利要求19的方法，其中第二信号表示第一信号包络的对数，而第五信号表示第一信号峰值包络与平均值包络之比的对数。
21.根据前面任意一项权利要求的方法或装置，其中信号作为电或光信号来发射。
22.根据前面任意一项权利要求的方法或装置，其中信号作为模拟电平来发射，或者被数字编码，或者是脉冲调制波形。
23.基本上如所描述和/或如附图中示出的用于控制放大器的方法。
24.基本上如所描述和/或如附图中示出的用于控制放大器的装置。
25.基本上如所描述和/或如附图中示出的用于获得峰值包络与平均值包络之比测量值的方法。
全文摘要
描述了一种控制放大器工作的方法和装置，其中对应用到放大器的偏置电平进行调整以便产生具有期望峰值与平均值比的输出信号。
文档编号H03F3/24GK1620750SQ01818318
公开日2005年5月25日 申请日期2001年10月25日 优先权日2000年10月31日
发明者K·科布利 申请人:罗克马诺尔研究有限公司