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。

手机射频功率控制环路设计


                                                                                                                          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

手机射频功率控制环路设计


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。

图中增益Kc=10[-CF/20],其中CF为耦合系数。在整个环路的设计中,耦合器的选择及积分器时间常数的确定比较关键,前者选择不当会使耦合信号的幅度超出检波器工作的动态范围,而后者决定了环路是否能在规定的时间内完成开机锁定。GSM规范要求移动台的最小功率等级为5dBm,最大为33dBm(以上值均为天线处测量值)。而本实例电路中检波器能检测的最小功率为-20dBm,最大功率为20dBm。在功率控制环路开始工作的初始阶段,系统控制单元必须先给出一个较小的功率控制信号,使环路完成锁定,进入跟踪状态。这个初始功率控制信号称为Vpedestal。Vpedestal不能太大,GSM规范指出该值应比最小功率等级低1-6dB,这里选4dB进行计算:

Vpedestal=(Pmin+Loss)-Pmargin=(5dBm+1dB)-4dB=2dBm

其中Loss为功率放大器后接器件插入损耗。为了不使反馈的射频信号低于检波器的最低可检测功率,耦合器的耦合系数应留有余量,这里取余量安全因素(Safety Factor)为3dB,综合考虑以上因素,并在最坏情况下计算,可知:

CF≤Ppedestal-Pmindet-Safety Factor

= 2dBm-(-20dBm)-3dBm

= 19dBm

同时为了不使检波器过载:

CF≥(Pmax+Loss)-Pmaxdet+Safety Factor

=(33+1)dBm-20dBm+3dB

=17dB

其中Pmax为移动台最大发射功率等级(33dBm),Pmaxdet与Pmindet分别为检波器最大及最小可承受功率。

GSM规范同时对功率控制环路的锁定时间提出了要求,见图2。

在环路刚上电时,射频功放由于其增益控制端的电压没有达到Vthreshold,因此功放无功率输出,环路不闭合。这样积分器的输入就仅为SC,它需要一定时间进行初始化以便达到Vthreshold,使控制环路闭合。在开始的几个微秒时间里,系统指令单元输出一很小的电压Vpedestal,积分器不断对这个恒定电压进行积分,直到达到Vthreshold,功放有输出信号,使环路闭合,这时SC就可以走图中所示的台阶状曲线,直到达到稳定功率输出为止。

从图中可知,这一时间实际上就是Vpeddstal状态持续的时间,规范中规定为8微秒。在这段时间中,环路必须利用给出的初始控制信号Vpedestal完成锁定,这实际上对积分器时间常数的选取提出了要求。根据一阶环路的特性,锁定时间可由下式近似得到:

Tlock=Vthreshold×C×R/Vpedestal

为加快环路的锁定,可在积分器的输出端加入“粗调”电压Voffset,与积分器的输出一起组成功率放大器的控制电压,这是通过图3中的U2A来实现的。此时环路锁定时间变为: Tlock=(Vthreshold-Voffseet)×C×R/Vpedestal

电流检测反馈控制

功率控制方法为电流反馈控制型,它是通过检测末级功放管的电流来实现功率控制的,如图4所示。

手机射频功率控制环路设计


对应不同的输出功率,射频功放向电源索取不同的电流,从图中可以看出,电流取样电阻检测电流的这种变化,作为反馈信息与SC比较并积分得到功放控制电压,从而实现输出功率的闭环控制。

该方法的好处是可以节省元器件(耦合器,检波器及相关外围器件),并简化系统设计。但由于该方法不是直接检测输出功率,射频功放的电流与输出功率的关系比较复杂,与很多时变因素有关,因此控制精度不及功率检测法高。

本文小结

GSM规范11.10对移动台发射机功率控制环路的精度,跟踪速度和稳定性提出了很高的要求。目前,采用耦合器-检波器的功率检测法,是最常用也是性能最好、适用范围最广的一种功率控制方法。为了保证回路的性能,必须仔细考虑检波器的动态范围和热稳定性、耦合器的选择、积分器时间常数的选择,以及加入“粗调”电压等。
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