具有分离的同相和正交相位功率放大的移动无线通信设备的制作方法

专利名称：具有分离的同相和正交相位功率放大的移动无线通信设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及通信设备领域，更具体地，涉及移动无线通信设备和相关方法。
背景技术：
移动无线通信设备具有高级射频(RF)处理电路，且典型地利用具有同相(I)和正 交(Q)调制和解调电路的调制方案接收或发送无线电通信信号，该调制和解调器电路有时 会产生与功率放大器的线性问题，且有时会遭遇不良天线匹配。举例来说，由于功率放大器 的较高非线性，会导致TRP (总辐射功率)的降低且引起谐波干扰问题。于2008年7月15日提交的共同转让并待审的专利申请序号No. 12/173，045解决 了这些问题中的一些，且使用具有外壳和安装在外壳内的天线的移动无线通信设备，其全 部内容通过引用合并于此。射频(RF)电路承载于外壳内，例如典型地在至少一个电路板 上。射频(RF)电路包括连接至天线的收发机，通过该天线RF发送和接收通信信号。处理 器与该RF电路进行操作。收发机包括同相和正交(I/Q)调制及功率放大电路，且包括同相 (I)电路，该同相(I)电路具有同相信号输入和调制混频器以及接收同相信号并放大同相 信号的功率放大器电路。正交(Q)电路包括正交信号输入、和调制混频器、以及接收正交信 号并放大正交信号的功率放大器电路。功率组合器接收分离地放大的同相和正交信号，且 对该信号进行求和并作为组合的I和Q信号进行输出。在通过引用并入的‘045申请中描述的这种类型的电路提供了一种在每个I和Q 电路中具有相应的功率放大器电路的IQ调制和功率放大电路。该电路允许对任意功率放 大器驱动和/或功率放大器偏压的更大控制，甚至当使用开环系统或更大或更小的闭环系 统也是如此。对于正交混合功率组合器能够容忍天线负载阻抗的失配，且对相位和频率调 制给出更大的反射率(reflectivity)，通过改变每个I和Q电路的功率放大器电路的偏压， 允许进行高效幅度调制的，并给出了更大的灵活性和电路功能。已经发现，该电路的更大改进是令人期待的，涉及I和/或Q功率放大器的线性 度，以及I和Q幅度和相位不平衡问题。当使用不同的射频(RF)输出功率级时，解决I和 Q功率放大器的效率问题也是有利的。文 献"An Adaptive Digital Method of Imbalances Cancellation inLINC Transmitters，，， IEEE Transactions on Vehicular Technology, IEEEService Center, Piscataway，NJ, US，第 54 卷，第 3 期，2005 年 5 月 1 日(2005-5-1)，第 879-888 页，ISSN 0018-9545，公开了一种全数字基带方法，该方法校正主要由于两个放大器路径的失配而引 起的LINC发射机中的任何增益和相位不平衡。使用无记忆模式由电平无关复增益表征放 大器的。所述方法使用自适应信号处理技术来获得最优的复系数以便调整增益和相位的不 平衡。它主要的优点是，能够跟踪输入信号的变化以及适于放大器非线性特性变化。其他 影响也包括在分析中，例如正交调制器和解调器不平衡和回路延迟。WO 96/19063公开了一种平衡LINC放大器的信道的方法，包括通过自适应滤波 (H2)对一个信道执行至少一次预失真的步骤。滤波限制了输入信号(X，y)与从放大器的输出信号(S)获得的相应测量值(χ’，r )之间的误差。所述方法尤其适合于QAM和OFDM 调制。

发明内容
本发明由独立权利要求限定。本发明的一些可选特征由从属权利要求限定。一种通信设备，包括同相(I)电路，具有同相调制器和混频器电路以及接收数字 基带I信号并调制和放大该I信号的I功率放大器电路。正交(Q)电路包括正交调制器和 混频器电路以及接收数字基带Q信号并调制和放大该Q信号的Q功率放大器电路。功率组 合器接收分离地放大的I和Q信号，并且对将该I和Q信号进行求和并作为组合的I和Q 信号进行输出。I解调器电路接收从I功率放大器反馈的信号，并解调该反馈信号以产生解 调的I信号。Q解调器电路接收从Q功率放大器反馈的信号，并解调该反馈信号以产生解调 的Q信号。处理器将该数字基带I和Q信号与解调的I和Q信号进行比较来补偿幅度、频 率和相位调制误差，其中，I和Q信号输入与组合的I和Q信号相隔离，以便增强天线匹配 和发送辐射功率(TRP)，并减少来自I和Q功率放大器电路的谐波发射。在一个方面，处理器对馈送至I和Q电路的数字I和Q信号进行预失真以辅助补 偿幅度、频率和相位调制误差。相应的同相调制器和混频器电路能接收1_1和I_Q输入信 号来产生至I功率放大器的I信号，并且正交调制器和混频器电路接收Q_I和Q_Q输入信 号来产生至Q功率放大器的Q信号。所述同相调制器和混频器电路可形成为可接收相应的 1_1和I_Q信号的相应的1_1混频器和I_Q混频器，以及用于施加90度相移、与1_1混频器 和1_9混频器相关联的分频器电路，以及用于接收来自混频器的信号并产生I信号的I求 和器。所述正交调制器和混频器电路可形成为接收相应的Q_I和Q_Q信号的相应的Q_I混 频器和Q_Q混频器，以及用于施加90度相移、与Q_I混频器和Q_Q混频器相关联的分频器 电路，以及用于接收来自混频器的信号并产生Q信号的Q求和器。处理器能够输出控制信号，以控制每个功率放大器电路，并控制每个功率放大器 电路中的相应偏置，以及调整相应I或Q信号的幅度。在另一方面，I和Q解调器电路中的 每一个可被形成为，混频器；以及与所述混频器相关联的分频器，用于施加90度的相移。在另一个方面，I/Q解调器电路可以连接到处理器且接收来自于功率组合器输出 的信号以辅助确定幅度、频率和相位调制误差。功率检测器可以连接到处理器且接收来自 功率组合器的输出的信号并输出与原始功率进行比较的信号以补偿幅度误差。功率组合器 可以被形成为3dB功率组合器。该功率组合器也可以被形成为正交混合功率组合器。在另一方面，移动无线通信设备可以包括所述电路，且被形成为其上承载有天线 和至少一个电路板的外壳。射频(RF)电路可以由至少一个电路板承载，且被形成为连接到 天线的收发机，通过天线发送和接收RF通信信号。处理器由至少一个电路板承载，且与RF 电路进行操作。该处理器可以是与用于将数字基带I和Q信号与解调的I和Q信号进行比 较以补偿幅度、频率和相位调制误差的相同处理器。还阐述了方法方面。


当结合附图考虑时，根据以下详细描述其他方面、特征和优点变得显而易见，其中图1是配置为手持设备的移动无线通信设备的示例的示意框图，且示出了作为非 限制性示例其基本内部组件；图2是图1中移动无线通信设备的前视图；图3是示出了能够在图1-2中的移动无线通信设备中使用的基本功能电路组件的 示意框图；图4是传统的同相和正交(I/Q)调制和功率放大电路的框图，显示在组合I/Q信 号之后的功率放大电路；图5是同相和正交调制和功率放大电路的框图，该电路包括根据上述提到的通过 引用并入的共同转让的‘045的专利申请中所描述的电路类型的针对每个同相和正交电路 分离的功率放大电路； 图6是框图，如图所示，示出了与图5相比的改进的同相和正交调制和功率放大电 路的一部分、并示出了与功能组件相关联的获得的数学计算，以及示出了在正交组合器之 后组合信号时的改进，。图7A和7B是根据非限制性示例的同相和正交调制和功率放大电路的框图，且示 出了具有反馈和前馈以确保IQ平衡补偿的完整的功能电路。
具体实施例方式本发明的描述是参照附图进行的，在附图中示出了优选实施例。然而，可以使用许 多不同的实施例，因而所述描述不应视为对于这里所阐述的实施例的限制。更确切地，提供 这些实施例使得本公开是全面并完整的。类似数字始终指代类似的元件。现在将关于图1-3进行简要描述，其公开了移动无线通信设备的示例，例如，一个 手持便携式蜂窝无线电装置，其可合并各种电路的非限制示例，包括后面描述的改进的同 相和正交调制及功率放大电路。图1-3代表多种不同类型功能电路组件以及它们的互联的 非限制性示例，且操作于供合并所述改进、优点和特征的移动无线通信设备的电路使用。首先参照图1和2，阐述了具有如下所述的改进和优点的手持便携式蜂窝无线电 装置等移动无线通信设备20的示例。示例性地，该设备20包括具有上部46和下部47的 外壳21，以及例如由外壳承载的至少一个电介质基板67( S卩，电路板)，例如传统的印刷电 路板(PCB)基板。大量不同的电路板能够用于支撑不同的组件。例如，一个电路板可支撑 微处理器和RF组件，另一电路板可被形成为天线电路板，而又一电路板可被形成为用于支 撑不同组件(例如键盘)的电路板。相对于其他RF组件，可以将微处理器放置在另一电路 板上。外壳(未详细示出)典型地覆盖并封装各种组件，如一个或多个电路板和一个或 多个天线。外壳包括例如塑料壳体的外壳壳体。根据设计类型，外壳壳体能够支撑用于前 和后侧的分离的外壳盖。任何类型的外壳或外壳壳体将允许接近任何电路板并支撑一个或 多个电路板以及一个或多个天线。电池开口提供对电池的存取以向设备供电。在一个非限 制示例中，外壳壳体能够支撑如在其下边缘处的天线。下文中所使用的术语电路板67可以 指任何介电基板、PCB、陶瓷基板或用于承载移动无线通信设备20内的信号电路和电子组 件的其他电路承载结构。所示的外壳21例如是固定外壳，但应当理解的是，可以使用在许
6多蜂窝和类似电话中典型使用的翻盖或滑盖外壳。可以使用具有不同外壳壳体的这些和其 他外壳配置。电路48由电路板67承载，电路48例如是微处理器、存储器、一个或多个无线收发 机(例如蜂窝、WLAN等)，包括RF电路、包括音频和电源电路、并且在这一方面包括任何键 盘电路。该电路通常还可以被称作RF电路。应当理解的是，如上所述，本领域技术人员将 认识到，键盘电路可以在分离的键盘等上。如上所述，所述不同组件还可以分布在一个电路 板上或分布在多个不同电路板中。优选地，电池(未示出)也由外壳21承载，用于向电路 48供电。术语RF电路可以包括可互操作的RF收发机电路，该可互操作的RF收发机电路包 括接收和发送电路以及电源电路，包括充电电路和音频电路，包括同相和正交电路，该同相 和正交电路包括针对相应的同相和正交电路的相应功率放大器电路。在一方面，音频输出换能器49 (例如扬声器)由外壳21的上部46承载，并连接至 电路48。诸如键区(键盘)23(图2)等一个或多个用户输入接口设备也优选地由外壳21 承载，并连接至RF电路48。这里所使用的术语键区(keypad)也指术语键盘(keyboard)， 表示具有字母和/或数字按键的公知用户输入设备，并且在其他实施例中包括多次敲击或 预测输入模式。用户输入接口设备的其他示例包括滚轮37和背部按钮36。当然，应理解的 是，在其他实施例中可以使用其他用户输入接口设备(例如触笔或触摸屏接口)。天线和相关联的天线电路45 (图1)优选地被支撑在外壳内，并且一方面处于外壳 中的下部47，如在外壳壳体的下边缘上。天线可以形成为构成天线电路的传导迹线的图案， 该天线电路在物理上形成天线。天线操作连接至主电路板67上的电路48或其他板上的其 他电路。在一个非限制性示例中，可以在分离的天线电路板或在外壳下部从主电路板延伸 的天线电路板部分上形成天线。如上所述，还可以使用分离的键盘电路板。其他电路板可 以用于其他组件。更具体地，用户通常将握住外壳21的上部，非常靠近他们的头部，使得音频输出 换能器49直接接近耳朵。但是，音频输入换能器(即麦克风)所处的外壳21的下部47不 需要被置于直接接近用户的嘴的位置，并可以远离用户的嘴握住该下部47。即将音频输入 换能器握在接近用户的嘴的位置不仅对用户来说是不舒服的，而且在一些情况下还可能使 用户的声音失真。在一些设计中，天线45位于邻近外壳21的下部47的位置，以使由于用户的手的 阻挡导致的对天线性能的影响较小。典型地，用户朝着电话外壳的中上部握住蜂窝电话，因 此，与安装在邻近外壳21的下部47的天线相比，用户更可能将他们的手放在这样的天线 上。相应地，通过将天线45放置在邻近外壳21的下部47的位置，可以实现更可靠的性能。这种类型的配置另一优势在于，可以为要在外壳的上部46承载的一个或多个辅 助输入/输出(I/O)设备50提供更多的空间。此外，通过将天线45与辅助I/O设备50分 离，可以使其间的干扰减小。如本领域的技术人员所认识到的，辅助I/O设备50的一些示例包括用于提供 WLAN通信能力的WLAN(例如蓝牙、IEEE 802. 11)天线、和/或用于提供定位能力的卫星定 位系统(例如GPS、伽利略等)天线。辅助I/O设备50的其他示例包括第二音频输出换 能器(例如，用于扬声器电话操作的扬声器)、用于提供数字摄像机能力的摄像机镜头、电 子设备连接器(例如，USB、耳机、安全数字(SD)或存储卡等)。
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应当注意的是，这里用于辅助I/O设备50的术语“输入/输出”表示这样的设备 可以具有输入和/或输出能力，并且这样的设备不需要在所有实施例中既提供输入能力又 提供输出能力。这就是说，例如，如摄像机镜头之类的设备可以仅接收光学输入，而耳机插 孔可以仅提供音频输出。设备20还示意性地包括例如液晶显示器(IXD)的显示器22，由外壳21承载并 连接至电路48。如本领域的技术人员将认识到的，背部按钮36和滚轮37也可以连接至电 路48，以允许用户导航菜单、文本等。滚轮37在一些情况下还可以被称作“姆指轮”或“轨 迹轮”。键区23示意性地包括多个多符号按键24，其中每个按键上均具有多个相应符号 的标记。键区23还示意性地包括交替功能键25、下一项键26、空格键27、换档键28、返回 (或输入)键29以及退格/删除键30。在首先按压或促动交替功能键25时，下一项键26还用于输入“*”符号。类似地， 在首先促动交替功能键25时，空格键27、换档键28和退格键30分别用于输入“0”和“#”。 如本领域技术人员将认识到的，键区23还示意性地包括发送键31、结束键32和快捷(即 菜单)键39，用于发出蜂窝电话呼叫。此外，每个按键24上的符号被布置在顶行和底行中。当用户按压按键24而没有 首先按压交替功能键25时，输入底行中的符号，而通过首先按压交替功能键来输入顶行符 号。如图2所示，多符号按键24被布置在发送和结束键31、32之下的键区23上的前三行 中。此外，每个按键24上的字母符号被布置为定义QWERTY布局。键区23上的字母以三行 格式呈现，每一行的字母具有与标准QWERTY键区相同的顺序和相对位置。在该非限制性示例中，每行按键(包括第四行功能键25-29)被布置成五列。第一、 第二和第三行的第二、第三和第四列中的多符号按键24上具有可通过首先促动交替功能 键25来访问的数字标记(即1到9)。如本领域的技术人员将认识到的，结合下一项键、空 格键和换档键26、27、28(如上所述，在首先促动交替功能键25时分别输入“*”、“0”、“#”)， 该组按键定义了在传统按键式电话上可以找到的标准电话键区布局。相应地，所述移动无线通信设备20可以有利地不仅用作传统蜂窝电话，还可以方 便地用于通过蜂窝或其他网络(如因特网)发送和/或接收数据(如电子邮件数据)。当 然，在其他实施例中也可以使用其他键区配置。如本领域的技术人员将认识到的，多次敲击 或预测输入模式可以用于键入电子邮件等。在一个非限制性方面，优选地，将天线45形成为多频带天线，该天线在多个操作 频率上提供增强的发送和接收特性。更具体地，天线45被设计为提供高增益的、期望的阻 抗匹配，并且在相对宽的带宽和多个蜂窝频带上满足可应用的SAR要求。作为示例，在一个 非限制性示例中，天线45优选地在五个频带上操作，即850MHz全球移动通信系统(GSM)频 带、900MHz GSM频带、DCS频带、PCS频带和WCDMA频带(即高达约2100MHz)，但是天线45 也可以用于其他频带/频率。为了节省空间，尽管也可以在二维或平面实施例中实现天线 45，但有利地，可以在三维中实现天线45。在一个非限制示例中，天线45是L配置的并位于 支撑壳体的下部或下边缘。图1和2所示的移动无线通信设备可以结合电子邮件和消息收发帐户，并提供如 编写电子邮件、PIN消息和SMS消息等不同功能。该设备可以通过适当菜单来管理消息，该 适当菜单可以通过选择消息图标来检索。地址簿功能可以添加联系人、允许管理地址簿、设置地址簿选项以及管理SIM卡电话簿。电话菜单可以允许使用不同电话特征来发出和应答 电话呼叫、管理电话呼叫日志、设置电话选项以及查看电话信息。浏览器应用可以允许浏览 网页、配置浏览器、添加书签以及改变浏览器选项。其他应用包括任务、备忘录、计算器、闹 钟和游戏、以及具有各种参考的手机选项。可以选择日历图标以进入日历程序，该日历程序可以用于建立和管理如会议或约 会等事件。日历程序可以是任何类型的消息收发程序，或允许组织者建立例如约会或会议 等事件的约会/会议程序。在以下参照图3的示例中进一步描述了在图1和2的示例性移动无线通信设备20 中可以使用的各种功能组件的非限制性示例。设备20示意性地包括以虚线轮廓示出的外 壳120、键区140和输出设备160。优选地，所示的输出设备160是显示器，该显示器优选地 是全图形LCD。备选地，可以使用其他类型的输出设备。如微处理器之类的处理设备180包 含在外壳120内，并耦合在键区140与显示器160之间。响应于用户对键区140上按键的 促动，处理设备180控制显示器160的操作以及移动设备20的总体操作。外壳120可以垂直伸长，或可以采用其他尺寸和形状(包括翻盖式外壳结构)。键 区可以包括模式选择键、或用于在文本输入与电话输入之间进行切换的其他硬件或软件。除处理设备180以外，在图3中示意性示出了移动设备20的其他部分。这些部分 包括通信子系统101 ；短距离通信子系统102 ；键区140和显示器160，以及其他输入/输 出设备106、108、110和112 ；以及存储设备116、118和各种其他设备子系统121。优选地， 移动设备20是具有语音和数据通信能力的双向RF通信设备。此外，移动设备20优选地具 有经由因特网与其他计算机系统进行通信的能力。由处理设备180执行的操作系统软件优选地存储在如闪存存储器116之类的永 久性存储器中，但也可以存储在如只读存储器(ROM)或类似存储元件之类的其他类型的存 储设备中。此外，可以将系统软件、专用设备应用或其部分临时加载入如随机存取存储器 (RAM) 118之类的易失性存储器中。移动设备接收到的通信信号也可以存储在RAM 118中。除了操作系统功能以外，处理设备180还能够执行设备20上的软件应用 130A-130N。可以在制造期间在设备20上安装控制基本设备操作(如数据和语音通信130A 和130B)的预定应用集合。此外，还可以在制造期间安装个人信息管理器(PIM)应用。优 选地，PIM能够组织和管理数据项目，如电子邮件、日历事件、语音邮件、约会、和任务项目。 优选地，PIM应用还能够经由无线网络141发送和接收数据项目。优选地，PIM数据项目经 由无线网络141与主机系统中存储的或与主机系统相关联的、设备用户的相应数据项目无 缝地集成、同步和更新。可以通过通信子系统101，并可能通过短距离通信子系统来执行包括数据和语音 通信在内的通信功能。通信子系统101包括接收机150、发射机152以及一个或多个天线 154和156。此外，通信子系统101还包括处理模块，如数字信号处理器(DSP) 158，以及本 地振荡器(LO) 161。通信子系统101的具体设计和实现方式取决于移动设备20要在其中操 作的通信网络。例如，移动设备20可以包括通信子系统101，通信子系统101被设计为与 MobitexTM、DataTACTM或通用分组无线业务(GPRS)移动数据通信网络一起进行操作，还被设 计为与如AMPS、TDMA、CDMA、PCS、GSM等多种语音通信网络中任一种一起进行操作。移动设 备20还可以与分离的和集成的其他类型的数据和语音网络一起利用。
网络接入需求根据通信系统的类型而改变。例如，在Mobitex和DataTAC网络中， 使用与每个设备相关联的唯一个人识别号(PIN)在网络上注册移动设备。然而，在GPRS网 络中，网络接入与设备的订户或用户相关联。GPRS设备因此需要订户识别模块(通常被称 作SIM卡)，以便在GPRS网络上进行操作。当已经完成所需网络注册或激活过程时，移动设备20可以在通信网络141上发送 和接收通信信号。将通过天线154从通信网络141接收到的信号路由至接收机150，接收机 150提供信号放大、下变频、滤波、信道选择等，还可以提供模数转换。接收信号的模数转换 允许DSP 158执行更复杂的通信功能，如解调和解码。采用类似的方式，DSP 158对要发送 至网络141的信号进行处理(例如，调制和编码)，然后将其提供至发射机152，以进行数模 转换、上变频、滤波、放大并经由天线156发送至通信网络141 (或网络)。除了对通信信号进行处理以外，DSP 158提供对接收机150和发射机152的控制。 例如，可以通过在DSP 158中实现的自动增益控制算法来对应用至接收机150和发射机152 中的通信信号的增益进行自适应控制。在数据通信模式中，通信子系统101对如文本消息或下载的网页等接收信号进行 处理，并将其输入至处理设备180。然后由处理设备180对接收信号进行进一步处理，以向 显示器160输出，或备选地向某个其他辅助I/O设备106输出。设备用户还可以使用键区 140和/或某个其他辅助I/O设备106 (例如，触摸板、摇臂开关、姆指轮或某种其他类型的 输入设备)来编写如电子邮件消息之类的数据项。然后可以经由通信子系统101在通信网 络141上发送所编写的数据项。在语音通信模式中，设备的总体操作实质上上类似于数据通信模式，只是将接收 信号输出至扬声器110，并且通过麦克风112产生用于发送的信号。如语音消息记录子系 统之类的备选语音或音频I/O子系统也可以在设备20上实现。此外，显示器160也可以用 在语音通信模式下，例如用于显示呼叫方身份、语音呼叫持续时间、或其他语音呼叫相关信 肩、ο任何短距离通信子系统可以实现移动设备20与其他邻近系统或设备(不必是类 似设备)之间的通信。例如，短距离通信子系统可以包括红外设备及关联电路和组件、或蓝 牙(Bluetooth )通信模块，以提供与具有类似功能的系统和设备的通信。现在参照图4，示出了传统的同相和正交(I/Q)调制和功率放大电路的框图，该电 路统一以300示出，典型地用在多种不同类型的通信设备中，尤其是低功率移动无线通信 设备。电路300在同相和正交调制、混频和功率组合之后具有一个功率放大器电路。图4示出了该传统I/O调制和功率放大电路300。该电路300具有用于相应的同 相电路302和正交电路304的同相和正交输入(I)和(Q)，如图所示，这两个电路分别包括 数模转换器(DAC) 310、312，低通过滤器314、316，以及混频器318、320。本地振荡器330产 生进入分频器332中的本地振荡(LO)信号，如图所示，分频器332将获得的分频信号传递 到相应的混频器318、320中。分频器332为I和Q调制提供+45和-45的相位/频率调整。混频器318、320的输出在功率组合器340处组合(或求和)为一个信号，然后在 相应的带通滤波器342处对该信号进行带通滤波。一个或多个RF功率放大器形成功率放 大器电路350，用于放大带通滤波后的信号。然后在低通滤波器352中对放大后的信号进行 滤波。然后将滤波后的信号传递到其他RF电路以便进行其他处理，包括作为用于空中信号
10发送的任意发射机电路一部分的天线。图4示出的调制和功率放大电路300具有与功率放 大器(PA)电路350的线性问题，且需要更灵活的IQ调制方案。当功率放大器电路设计用 于8PSK (相移键控)、正交幅度调制(QAM)和类似调制方案时(典型地在一些低功率通信设 备中)，这将会是特别有关系的。传统电路300也可以具有会降低总辐射功率(TRP)的不良天线匹配，并且由于当 前功率放大器的缺陷而引起低效率，使得很难提高射频发射机性能和电池寿命。同样，这种 类型的传统电路300具有由于功率放大器的较高的非线性引起的谐波问题。例如在大型和 功能强的基站中的一些非常高功率的I/Q调制电路可以使用功率被合并到天线的多个功 率放大器，但这些功率放大器典型地结合复电路特征，例如前馈、反馈、无失真、复混频和复 功率放大器电路。这些类型的方案对于低功率移动无线通信设备来说不总是足够的。针对 I/Q调制的一些通信电路结合并行输出级。这些通常旨在实现任意功率放大器电路的更好 的线性度。并行输出级有时用于热控制、增加的功率输出、信号质量、峰功率提高以及类似 方面。这些电路也存在缺陷并且对于上述的较低功率应用来说是不可靠的或不适合的。图5是IQ调制和功率放大电路400的框图，例如包括I/Q信号输入以及同相电路 402和正交电路404的以上确定的共同转让和待审的‘045的申请中所描述的，IQ调制和 功率放大电路400包括相应DAC410、412，LPF 414,416和混频器418、420的每个I/Q电路 402,404中的基本组件。这些组件类似于图4中所示的组件，但是根据每个I/Q电路402、 404的改变能够进行修改使得包括如下所述的功率放大器电路。图6、7A和7B描述对关于 图5所描述的电路的改进，描述图5中的电路之后进行图6、7A和7B中所示的电路的描述。如图5所示，每个I/Q电路402、404包括功率放大器电路450a、450b，功率放大器 电路450a、450b仅用于放大相应I/Q电路402、404中的相应I或Q信号。将相应功率放大 器电路450a、450b放置在相应同相和正交电路402、404的每一个中。本地振荡器430和分 频器电路432类似于图4的电路但根据需要进行了修改。在相应混频器418、420内混频之 后，在相应带通滤波器442a、442b中对相应I和Q信号进行带通滤波，然后通过相应功率 放大器电路450a、450b对其进行功率放大，使得分别对分离的同相和正交信号进行功率放 大，而不是如在图4电路中，组合之后被放大。然后，在功率组合器460中对相应的I和Q 信号进行功率组合，在低通滤波器462中对获得的信号进行滤波。该非限制性示例中的该I/Q调制和功率放大电路400使用两个分离的功率放大器 电路450a、450b，与例如图4中示出的组合之后放置的更传统的单个功率放大器电路相比， 具有小于3dB的输出功率，从而获得功率放大器电路更好的线性度，而作为非限制性示例， 通过3dB功率组合器460仍然保持相同的输出功率。该功率组合器460隔离了输出与输入， 使得电路400能防止不良天线匹配直接影响功率放大器和射频(RF)性能。根据如述针对 每个I/Q电路402、404的更高效和更有效的功率放大器电路450a、450b，就可能获得更长的 电池寿命。由于能够使用更线性的功率放大器，因此来自功率放大器输出的谐波发射就更 少。IQ调制可以利用图5所示的电路来实现，而且数字幅度、频率和相位调制也可以 采用高效的方式来实现。由于使用与移动无线通信设备相关联的较小功率放大器电路来实 现期望的输出功率(例如，大于33dBm)，会出现更好的线性度和增加的功率效率。这种类 型的I/Q调制和功率放大电路400允许更灵活的数字调制以用于具有类似硬件体系结构的
11不同调制方案。也能够在例如470处的线所示的单个收发机芯片上实现电路400，这归功 于使用了相应的功率放大器电路450a、450b，与图4中所示的通常单个功率放大器电路350 相比，发送小于3dB的RF功率。作为非限制性示例，图5所示的I/Q调制和功率放大电路 400包括3dB功率组合器460 (例如正交混合功率组合器)，且提供一种容易的功率放大器 匹配以便得到更好的输出功率以及对移动天线阻抗改变不敏感。功率组合器460也使得消 除了偶次发送谐波，然后，将使得任意谐波滤波器的设计更容易，并具有更少的插入损耗和 相关因素。作为一个非限制性的示例，正交混合功率组合器460可使用不同技术来形成，且 典型地将两个通常是等幅度的、正交相位输入信号组合成单个输出信号。该组合器可使用 集总元件电路、带状线电路或其他电路。带状线电路在那些需要低损耗或高功率或这两者 的应用中使用。典型地，基础电路元件是一个3dB 1/4-波耦合器，且形成为四端口网络。可 以在第二和第三端口之间平均拆分应用于第一端口的信号，第二和第三端口的输出之一具 有相对90度相移。当第二和第三端口被终止进入匹配阻抗时，典型地，将应用于第一端口 的信号发送给连接到第二和第三端口的负载，使得第四端口接收可以忽略的功率并被“隔 离”。在第二端口的阻抗失配将会从第二端口返回应按比例在第一和第四端口之间拆分的 一些信号功率。即使输出端口之间的关系保持在90度，也可能改变相对的输入/输出相位 调整。可能会形成具有一个或多个环形磁心的集总元件结构。典型地，在集总元件设计中， 插入损耗与网络中使用的不同组件的Q值相关。然而，在带状线组件中，插入损耗是由导体 的阻抗和输入/输出端口处的失配损耗以及方向性损坏产生的。图5中所示的I/Q调制和功率放大电路400克服了与图4中所示的那种类型的电 路300相关联的技术缺陷和问题，特别地，利用针对GSM/GPRS/EDGE系统功率的放大器设计 来实现GMSK和8PSK，在电路300中，在功率组合之后仅使用一个功率放大器电路350，。不 同的RF收发机系统具有不同的收发机结构以用于具有IQ调制的数字频率和相位调制。图5中，在I和Q电路402、404的每一个中具有相应的功率放大器电路450a、 450b的I/Q调制和功率放大电路400允许对任意功率放大器驱动和/或功率放大器偏置的 更多控制，即使在使用开环系统或是更大的或更小的闭环系统时也是如此。控制器480a、 480b (或控制器)与相应的功率放大器电路450a、450b —起进行操作，并控制增益和其他因 素。控制器480a、480b可以是开环或闭环控制(如每个电路中虚线反馈线所示)。图5所 示的I/Q调制和功率放大电路400统一了 IQ调制方案与线性/更高效/更高功率需求的 功率放大器设计，使得实现不同类型的数字调制，例如，AM、FM和PM。同样，可以对图5所示 的两个相应的功率放大器电路450a、450b进行校准，以便实现具有低谐波和对天线负载较 小敏感的高线性/效率/的功率放大器设计。在一个非限制性方面，功率组合器460操作为如上所述的3dB正交混合组合器。根 据所述的这种电路设计，可以使用具有30dBm(l瓦特)的输出功率的两个功率放大器电路 450a、450b来获得33dBm。由于功率组合器460而引起的损耗大约为0. 2到0. 3dB，这可使 用一个尖(sharp)低通滤波器462来处理以迫使降低功率放大器的三次谐波。因此，可以 建立具有30dBm输出的功率放大器电路450a、450b以实现33dBm输出。典型地，使用3dB 正交混合功率组合器460，可以隔离天线匹配与功率放大器匹配，以便获得更好的发送辐射 功率(TRP)。因此，天线设计不需要多于一个的馈送端口来合并如前所述的功率组合器。
应当理解，正交混合功率组合器460能容忍天线负载阻抗的失配。同样，正交混合 给出了对于相位和频率调制的更大的反射率。因此，通过改变每个同相和正交电路402、404 的功率放大器电路450a、450b的偏置能够产生高效的幅度调制，并能够给出更灵活的电路 功能。图6、7A和7B示出了对于图5所示的I/Q调制和功率放大电路的改进，其中，相对 于图5所示的I和Q功率放大器中的每一个改进了线性度。同样，改善了 I和Q幅度和相 位不平衡问题，且增强了具有不同RF输出功率级的I和Q功率放大器的效率问题。如前所 述，例如为了预失真的目的，图5所示的电路包括控制反馈环的控制器480a、480b。图6、7A 和7B所示的电路对于如何配置示为微处理器和基带处理器530的控制器以及如何使用电 路以实现更好的控制，提供了更高的效率，而同时也提供了更好的电流感测和受控电源。当 描述这些组件时，参考标记开始于500。图6示例了一个双I/Q调制方案。来自功率放大器的信号以更好且更高效的方式 合并，如所示使用复I和Q系数来形成如信号输入所示的1_1，I_Q，Q_I，和Q_Q信号分量， 使用双I_Q调制器系统。示意了数学函数。Q_Q信号分量由电路501反转180度。每个信 号通过相应的低通滤波器502a-d进入混频器504a-d。电路形成相应的同相调制器和混频 器电路以及正交调制器和混频器电路，且形成相应的Q_I混频器、Q_Q混频器以及1_1和1_ Q混频器。将由作为本地振荡器(L0)503的频率发生器生成的正弦信号传递进入90度分频 器电路505a、505b，以给如所示的相应1_1，I_Q, Q_I，和Q_Q信号中的每一个添加余弦和正 弦函数90度相移。混频后，相应信号传递到相应的I和Q求和器506a、506b中，且通过相 应的I和Q带通滤波器510a、510b进入相应的I和Q功率放大器512a、512b。从功率放大 器512a、512b输出的信号分别通过相应的I和Q功率放大器匹配电路514a、514b，且在3dB 正交组合器520中进行组合。示意了示出进行信号的恰当组合的数学函数。图6中的双I/Q调制器电路统一以图7A和7B的500示出，其是形成统一以525 示出的I和Q调制和功率放大电路的较大电路的一部分，从统一以530示出的微处理器和 基带处理器接收1_1，I_Q，Q_I，和Q_Q信号作为数字基带信号(I和Q信号)，其微处理器和 基带处理器用作控制器且在这里被称作处理器或控制器。图7A和7B所示的电路包括针对 I和Q功率放大器512a、512b (也被标识为PA_I和PA_Q)中的每一个的相应的I和Q开关 电源532a、532b。将正交3dB组合器520的输出输出到定向耦合器536中，且信号通过低通 滤波器538和连接器540 (在一个当前的非限制性示例中是50-欧姆连接器)输出。信号 从连接器540进入天线匹配电路542，且作为信号输出通过天线544发送。接收诸如各种控制信号之类的信号进入开关电源532a、532b，其他信号例如作为 1_1和Q_I传感器信号反馈给处理器530。开关电源电路532a、532b接收来自所示处理器 530的各种幅度、传感器和其他相关信号。应当理解，产生来自处理器530的每个I_I，I_Q，Q_I，和Q_Q信号作为数字信号而 生成，且在传递到相应的低通滤波器502a-d之前通过相应的数模转换器550。从处理器530 产生I和Q信号的偏置信号，且分别通过数模转换器(DAC) 552a、552b并进入相应的I和Q 功率放大器512a、512b以便向放大器提供偏置控制。经由电阻器R和R_det从定向耦合器 536接收功率检测信号，该信号进入功率检测器电路556且通过模数转换器(ADC) 558以便 由处理器530接收。接收来自功率放大器匹配电路514a、514b的信号进入针对相应I和Q解调器电路570a、570b的低通滤波器560a、560b，相应I和Q解调器电路570a、570b分别 包括适合的混频器572、相移器和分频器574和低通滤波器576和模数转换器(ADC) 578以 用于I和Q解调器电路570a、570b中的每一个。信号输出包括I_IF信号、I_QF信号、Q_IF 信号和Q_QF信号。来自定向耦合器536的信号也通过R_IQ电阻器且通过低通滤波器580 进入另一如所示的IQ解调器582，该解调器包括混频器584、分频器586、低通滤波器588和 ADC 590。在运行中，从I_PA(512a)输出中取出非常小的部分(大约_30dB，或0. 1% )(在 Q_PA(512b)执行相同的操作且I信号作为示例描述)。信号通过低通滤波器560a，且经由 IQ解调器进行解调，在这个示例中，是I解调器570a。解调后的I和Q基带信号将在相应 的电路576、578进行低通滤波和模数转换。将这些解调后的数字I和Q信号与到I/Q解调 器500的原始I基带数字输出信号的数字I和Q部分进行比较。将检测到幅度、频率和相 位调制误差。在分析误差消息后，在该示例中对I数字输出信号进行适当的数字调整。并 且，改善I_PA功率放大器512a的线性度的适当调整可经由至I_PA偏置控制(Bias_I)的 I_am(幅度)信号来进行。幅度调制的进一步调整也可以经由从处理器至I_PA电源电压 532a的I_AMP信号来进行。关于Q侧，可以完成相同操作。为了实现最优且平衡的IQ调制的PA输出信号，在来自正交组合器520的3dB正 交输出处添加具有大约20dB耦合因子的定向耦合器518。经由电阻器R将耦合信号划分为 两部分。信号的一部分经验R_det电阻器与功率检测器电路556的输入匹配。ADC 558将 检测器556的模拟输出A/D转换成数字信号，且与原始Vramp[ = (I_am+Q_am)/2]进行比 较。通过对I_an^nQ_am(幅度)信号进行预失真来补偿幅度误差，以校正误差。信号的另 一部分经由电阻器R_IQ与低通滤波器(LPF) 580的输入进行匹配。低通滤波器580将移除 发送频率的谐波。第三IQ解调器582对滤波后的信号进行解调。作为输出的IQ_IF和IQ_ QF信号代表解调后的数字I和Q信号。处理器530将这些信号与原始数字信号I和Q进行 比较。检测到幅度、相位和频率误差。在将数字I和Q信号馈送到D/A转换器550和IQ调 制器之前，将通过分别对数字I和Q信号进行预失真来校正这些误差。当然，这与前馈过程 相对应。如前所述，通过使用I和Q PA的512a、512b来替代一个传统的PA解决方案，开关 电源532a、532b分别用于I和Q PA的512a、512b。I和Q PA的512a、512b消耗大约一半 电流以允许系统使用商业上可用的开关电源532a、532b。I和Q PA的512a、512b将由来自 处理器530的TX_EN信号来控制从而启动放大器。两个放大器的电源电压将由与发送功率 相关的、来自处理器530的TX_PCL信号来设置。输出功率越高(即，PCL电平越高)，电源 电压越高，这也与用于放大器偏置设置的I_am*Q_am相对应。通过调整两个放大器的偏 置和电源电压，系统将放大器置于DC功率最高效的操作状态中。从I和Q电源接收进入处 理器的Licensor (传感器)和Q_I_sens0r信号也用于分别监控流入放大器的电流，以便 对放大器进行更好的偏置控制。回到电源的I_AMP*Q_AMP信号能够用于(1)模拟和/或 数字幅度调制；(2)功率放大器线性化的预失真；和(3)每个突发期间动态调整电源电压以 便使得放大器的动态范围更好。TX_STBY信号用于将开关电源保持在备用模式，以准备下一 次即时传输。从前述描述和相关附图所呈现的教导中受益的本领域技术人员能想到多种修改和其他实施例。因此，应当理解各种修改和实施例意在包括在所附权利要求的范围内。
权利要求
一种通信设备，包括同相I电路，包括同相调制器和混频器电路、以及I功率放大器电路，所述I功率放大器电路接收数字基带I信号，并调制和放大所述I信号；正交Q电路，包括正交调制器和混频器电路、以及Q功率放大器电路，所述Q功率放大器电路接收数字基带Q信号，并调制和放大所述Q信号；功率组合器，接收分离地放大的I和Q信号，以及对I和Q信号进行求和，并作为组合的I和Q信号输出；I解调器电路，接收从I功率放大器反馈的信号，以及解调反馈信号以产生解调后的I信号；Q解调器电路，接收从Q功率放大器反馈的信号，以及解调反馈信号以产生解调的Q信号；以及处理器，将所述数字基带I和Q信号与解调后的I和Q信号进行比较，以检测幅度、频率和相位调制误差，其中，I和Q信号输入是与组合的I和Q信号相隔离的，以及所述处理器对反馈给I和Q电路的数字I和Q信号进行预失真，以辅助对幅度、频率和相位调制误差的补偿。
2.如权利要求1所述的通信设备，其中，所述同相调制器和混频器电路接收1_1和I_Q 输入信号，以产生至所述I功率放大器的I信号，所述正交调制器和混频器电路接收Q_I和 Q_Q输入信号，以产生至Q功率放大器的Q信号。
3.如权利要求2所述的通信设备，其中，所述同相调制器和混频器电路包括1_1混频 器和I_Q混频器，接收相应的1_1和I_Q信号；分频器电路，与1_1混频器和I_Q混频器相 关联，用于施加90度相移；以及I求和器，用于接收来自混频器的信号并产生I信号。
4.如权利要求2所述的通信设备，其中，所述正交调制器和混频器电路包括Q_I混频 器和Q_Q混频器，接收相应的Q_I和Q_Q信号；分频器电路，与Q_I混频器和Q_Q混频器相 关联，用于施加90度相移，以及Q求和器，用于接收来自混频器的信号并产生Q信号。
5.如权利要求1的所述的通信设备，其中，所述处理器输出控制信号，以控制每个所述 功率放大器电路，并控制每个功率放大器电路中的相应偏置，以及调整相应I和Q信号的幅 度。
6.如权利要求1的所述的通信设备，其中，I和Q解调器电路中的每一个均包括混频 器；以及与所述混频器相关联的分频器，用于施加90度相移。
7.如权利要求1的所述的通信设备，还包括连接至处理器的I/Q解调器电路，接收来 自于功率组合器输出的信号，以辅助确定幅度、频率和相位调制误差。
8.如权利要求1的所述的通信设备，还包括连接至处理器的功率检测器，接收来自于 功率组合器输出的信号，并输出与原始功率进行比较的信号，以补偿幅度误差。
9.如权利要求1的所述的通信设备，其中，所述功率组合器包括大约3dB功率组合器。
10.如权利要求1的所述的通信设备，其中，所述功率组合器包括正交混合功率组合o
11.如权利要求1的所述的通信设备，还包括外壳；由外壳承载的天线；至少一个电路板，由外壳承载并包括可由至少一个电路板承载的射频RF电路，所述 射频RF电路包括连接至所述天线的收发机，通过所述天线发送和接收RF通信信号；以及处 理器，由至少一个电路板承载，并与RF电路一起进行操作，其中，所述收发机还包括同相和 正交I/Q调制和功率放大电路，所述同相和正交I/Q调制和功率放大电路包括所述同相I 电路、所述正交Q电路、所述功率组合器、或者所述I解调器电路和所述Q解调器电路。
12. —种操作移动无线通信设备的方法，包括提供外壳；安装在外壳内的天线；至少一个电路板，由外壳承载并包括由至少一个电 路板承载的射频RF电路，所述射频RF电路包括连接至所述天线的收发机，通过所述天线发 送和接收RF通信信号；在同相I电路和在正交Q电路中处理RF通信信号，所述同相I电路包括同相调制器 和混频器电路；以及I功率放大器电路，接收数字基带I信号并调制和放大该I信号，所述 正交(Q)电路包括正交调制器和混频器电路；以及Q功率放大器电路，接收数字基带Q信 号并调制和放大该Q信号；对分离地放大的I和Q信号进行功率组合；接收从I功率放大器反馈的信号，并解调反馈信号以产生解调后的I信号； 接收从Q功率放大器反馈的信号，并解调反馈信号以产生解调后的Q信号； 在处理器内将数字基带I和Q信号与解调后的I和Q信号进行比较，以检测幅度、频率 和相位调制误差，其中，I和Q信号输入与组合的I和Q信号相隔离，以及对反馈给I和Q电 路的数字I和Q信号进行预失真，以辅助对幅度、频率和相位调制误差的补偿。
全文摘要
本发明提供了一种通信设备，在一个方面作为一种便携无线通信设备，包括同相调制器和功率放大器，接收基带I信号并调制和放大该I信号。正交调制器和功率放大器，接收基带Q信号并调制和放大该Q信号。功率组合器，对I和Q信号进行求和并输出。I解调器电路，接收从I功率放大器反馈的信号并解调该反馈信号以产生解调后的I信号。Q解调器电路，接收从Q功率放大器反馈的信号并解调该反馈信号以产生解调后的Q信号。处理器，比较该数字基带I和Q信号与解调后的I和Q信号，以便补偿幅度、频率和相位调制误差。
文档编号H04L27/36GK101895490SQ20101018091
公开日2010年11月24日 申请日期2010年2月20日 优先权日2009年2月19日
发明者乔治·索利曼·曼科鲁斯, 佩里·亚尔穆西泽斯基, 奥莱克西·克拉韦茨, 朱里中, 纳古拉·萨尔马·桑格里, 肯特·A·尼科尔森, 麦克尔·斯蒂芬·科里根 申请人:捷讯研究有限公司