datasheet

手机射频功率控制环路设计

2008-06-13来源: 互联网 关键字:控制电压  环路  功率控制  积分器  电流检测  时间常数  增益控制  手机射频  Vpe

  

  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。

  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。

  

  

  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。

 

  

 

关键字:控制电压  环路  功率控制  积分器  电流检测  时间常数  增益控制  手机射频  Vpe

编辑:孙树宾 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2008/0613/article_315.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

上一篇:射频工艺和手机射频元件的集成策略
下一篇:无线通信网络中的射频干扰成因与对策

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利

推荐阅读

基于单片机控制的数字电压表

同时,由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表,也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。本设计重点介绍单片A/D转换器以及由它们构成的基于单片机的数字电压表的工作原理。    2总体设计方案    2.1设路计思路    按系统功能要求,决定控制系统采用AT89S51单片机,A/D转换采用ADC0809.系统除能确保实现要求的功能外,还可以方便地进行其功能的扩展。本文采用AT89S51作为核心元件,AT89S51是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件
发表于 2018-04-13
基于单片机控制的数字电压表

电压模式、迟滞或基于迟滞三种控制拓扑怎样选择?

每一位电源工程师都熟知并学习过电压模式和电流模式控制这些传统的控制拓扑,但却不太了解基于迟滞的拓扑及其优势。虽然纯迟滞控制对于诸如医疗或工业自动化等特定应用可能并不实用,然而许多比较新的电源拓扑都是基于迟滞的,并且拥有旨在克服纯迟滞控制的缺陷的额外特性。此类拓扑被运用于从处理器内核供电到汽车系统等广泛领域。几乎所有的电源均是专为提供一个稳定的输出电压或电流而设计的。提供这种输出调节功能需要一个闭环系统和即将被调节的输出电压或电流的反馈。尽管有很多种用于对可用反馈环路进行补偿的不同控制拓扑,但它们通常都可以被归为两类:脉宽调制 (PWM) 或迟滞。在这两种基本拓扑的基础上演变出了第三种拓扑,其为此二者的融合:基于迟滞的拓扑。针对
发表于 2018-01-30

LM3S1138入门5,LDO控制电压

LDO控制时,引脚应该是7,看了一下手册写到:当使用片内LDO给逻辑电路提供电源时,除了去耦电容(decoupling capacitor)外,LDO管脚还必须连接到板极的VDD25管脚,而测VDD25管脚应该是C15,7脚(LDO)和14脚(VDD25)输出应该是一样。 程序运行后,万用表DC档测量C15或者C13处的电压,LED1每闪烁一次,LDO电压值就增加50mV。 #include  <hw_types.h> #include  <hw_memmap.h> #include  <hw_sysctl.h> #include  <
发表于 2016-11-01

如何防止浪涌电压冲击功率因数控制电路或充电器

摘要 多数用到直流-直流转换器或电机变频器的产品设备必须对市电交流电压进行整流处理,例如,大多数工业设备(电机转速控制器、充电器、电信系统电源等)和常见的消费电子产品(白色家电、电视、计算机等)。 传统二极管整流桥是最常用的交流电压整流解决方案。整流桥后面经常会增加一个功率因数控制器,以确保市电电流的波形近似于正弦波。不过,二极管整流桥无法控制涌流。用两个可控硅整流管(SCR)替代两个二极管,新的控制型整流桥可以限制连接市电时的涌流。 本文提出几个前端拓扑以及一些与混合式整流桥和有效防止过压相关的设计技巧。实验结果证明,4 kV至6 kV浪涌电压耐受设计是很容易实现的,而且成本也不高。   涌流限制方案(ICL
发表于 2016-10-31
如何防止浪涌电压冲击功率因数控制电路或充电器

Diodes无刷直流全桥电机驱动器提供PWM或DC电压速度控制

Diodes 公司推出AM9468和AM9469无刷直流电机驱动器产品,具有桥接负载(bridge-tied-load, BTL)驱动架构以最小化可闻开关噪声和电磁干扰(electromagnetic interference, EMI),在笔记本电脑和台式电脑、仪器仪表和相似设备中提供智能驱动的散热风扇,并且支持广泛的其它中等电压、低功耗电机驱动应用。   AM9468/AM9469使用外部脉宽调制PWM信号或直流DC电压,或者来自热敏电阻网络的电压实现灵活的电机速度控制,从而根据输入信号来调节全桥输出驱动级的占空比。同时,单独的频率发生器提供允许从外部监控电机速度的输出转速。BTL架构放大了用于驱动电
发表于 2016-06-08
Diodes无刷直流全桥电机驱动器提供PWM或DC电压速度控制

多电压轨系统需要具备控制和监察功能的转换器

  由于系统复杂性提高、数字组件激增,所以其内部电压轨的数量也在持续增加,在这种情况下,必须有一种机制来监视和控制这些电压轨。常见的情况可能是,有多达50个负载点电压轨,而且系统设计师必须能够非常容易地监视和调节电源电压、实现电源加电/断电排序、设定工作电压限制以及读取电压、电流和温度等参数,并访问详细的故障记录。   一种控制高轨数系统的流行方法是通过数字通信总线。这种方法常常称为“数字电源”或“数字电源系统管理(DPSM)”,能够使设计师控制、监视和监察几十个电压轨。既然能够以数字方式改变电源参数,那么就不必像以前那样,需要更改物理硬件、电路和/或系统用料了,因此可缩短产品上市
发表于 2015-03-14
多电压轨系统需要具备控制和监察功能的转换器

小广播

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2018 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved