手机射频功率控制环路设计

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为了保证系统的容量及互操作性,GSM系统规范对手机发射功率的精度、平坦度、发射频谱纯度以及带外杂散信号进行了严格的规定,对手机射频功率放大器功率控制环路的设计提出了很高的要求。本文介绍了功率反馈控制法和电流检测反馈控制法,并对第一种方法给出了详细的设计步骤。

GSM系统为时分多址(TDMA)系统,不同的用户在时间轴上被分隔开,每个用户在特定的一个时间间隔(时隙)内接收或发送信息。TDMA系统的该特性极大地提高了频谱利用率,同时也对移动台射频前端的设计提出了极大的挑战。GSM系统要求移动台的发射机以突发方式工作,即只在规定的时隙内开机发送信息,而在其它时隙则处于关闭状态。这种开关工作状态会使发射频谱内含有大量的杂散分量,严重影响其他用户。为保证系统容量和互操作性,必须对移动台发射机的指标提出要求,这在ETSI GSM 11.10系列规范中都有规定。


                                                                                                                          图1 PVT 功率--时间模板
为了达到规范要求,移动台发射机信号的上升沿和下降沿不能过于陡峭,而必须是一个缓升和缓降的过程,如图1所示。图中最上及最下两条曲线称为功率--时间模板,在测试时发射信号在每个时隙的功率--时间关系曲线不能超越这个模板,否则发射频谱纯度将不能满足要求,或者会丢失发射信息。中间曲线为射频功放的增益控制电压,由系统控制单元给出,用以控制射频输出功率。这要求能对发射机中的射频功率放大器实现精确的功率控制,同时,GSM移动台发射机根据系统要求也要能工作于几个功率等级上,这也要求精确的功率控制,为此必须采用反馈控制环路。实现功率控制的方法较多,比较常用的为输出功率检测反馈控制法,该方法直接检测射频输出功率,通过反馈环路实现闭环功率控制。另外一种方法为电流检测反馈控制法,它检测末级功放管的电流,再通过反馈环路实现对输出功率的控制。

输出功率检测反馈控制法


                                                                                                                       图2 功率控制环路的数学模型

为便于分析,首先给出功率控制环路的数学模型,如图2所示。

该反馈控制系统由五大部分组成:
1. 比较器:该部件负责比较由系统指令单元送出的控制信号SC与反馈信号SF之间的差别,并乘以增益Ks,给出误差信号SE送到积分器,
2. 积分器:由以下的分析将会看出,加入积分器的目的是为了使输出电压Vo仅取决于SC和反馈增益KcKd,而与放大器增益Ka无关,从而改善环路控制特性。
3. 放大器:为射频功率放大器,增益可随外加控制电压的变化而变化,增益为Ka。当外加控制电压低于某一特定值Vthreshold时,放大器不导通,无输出信号。
4. 耦合器:耦合器为一功率取样部件,可将少量的射频功率取出。增益为Kc=10[-CF/20],其中CF称为耦合系数。
5. 检波器:检波器负责将耦合器送来的射频信号进行平均值检波,得到对应的直流电压SF作为反馈信号。检波器的增益为Kd。

当控制环路闭合后,SC作为功率控制环路的一个输入来设定输出功率,Vo为功率放大器的输出,耦合器将一部分射频能量取出,经检波器变为反馈信号SF,然后与SC经比较器处理得到误差电压SE,再经积分器得到功率放大器的控制电压。这个过程可以表示为: Eq1 Eq2
Vo对时间的变化率可表示为:公式3

在稳态时dVo/dt=0,所以此时 Vo=SC/KdKc。这表明射频输出功率仅与控制电压和反馈支路的增益有关,而与Ka无关,这就是带有积分器的反馈控制环路的基本特性。
输出功率检测反馈控制电路设计

下面以图3所示的实例来说明功率控制环路的详细设计步骤。


在图3中,D1、D2和R4组成双肖特基二极管检波电路,D1和D2配对使用可以补偿温度系数的影响,本例中检波器的增益为0.45(-7dB),可承受的输入信号范围为-20dBm--+20dBm。

R5、C3及U1A组成比较器和积分器,负责比较检波器的输出和控制信号SC,得出误差电压SE并积分。
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