手機(jī)射頻功率控制環(huán)路設(shè)計

為了保證系統(tǒng)的容量及互操作性，GSM系統(tǒng)規(guī)范對手機(jī)發(fā)射功率的精度、平坦度、發(fā)射頻譜純度以及帶外雜散信號進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定，對手機(jī)射頻功率放大器功率控制環(huán)路的設(shè)計提出了很高的要求。本文介紹了功率反饋控制法和電流檢測反饋控制法，并對第一種方法給出了詳細(xì)的設(shè)計步驟。

GSM系統(tǒng)為時分多址(TDMA)系統(tǒng)，不同的用戶在時間軸上被分隔開，每個用戶在特定的一個時間間隔(時隙)內(nèi)接收或發(fā)送信息。TDMA系統(tǒng)的該特性極大地提高了頻譜利用率，同時也對移動臺射頻前端的設(shè)計提出了極大的挑戰(zhàn)。GSM系統(tǒng)要求移動臺的發(fā)射機(jī)以突發(fā)方式工作，即只在規(guī)定的時隙內(nèi)開機(jī)發(fā)送信息，而在其它時隙則處于關(guān)閉狀態(tài)。這種開關(guān)工作狀態(tài)會使發(fā)射頻譜內(nèi)含有大量的雜散分量，嚴(yán)重影響其他用戶。為保證系統(tǒng)容量和互操作性，必須對移動臺發(fā)射機(jī)的指標(biāo)提出要求，這在ETSI GSM 11.10系列規(guī)范中都有規(guī)定。

為了達(dá)到規(guī)范要求，移動臺發(fā)射機(jī)信號的上升沿和下降沿不能過于陡峭，而必須是一個緩升和緩降的過程，如圖1所示。圖中最上及最下兩條曲線稱為功率--時間模板，在測試時發(fā)射信號在每個時隙的功率--時間關(guān)系曲線不能超越這個模板，否則發(fā)射頻譜純度將不能滿足要求，或者會丟失發(fā)射信息。中間曲線為射頻功放的增益控制電壓，由系統(tǒng)控制單元給出，用以控制射頻輸出功率。這要求能對發(fā)射機(jī)中的射頻功率放大器實(shí)現(xiàn)精確的功率控制，同時，GSM移動臺發(fā)射機(jī)根據(jù)系統(tǒng)要求也要能工作于幾個功率等級上，這也要求精確的功率控制，為此必須采用反饋控制環(huán)路。實(shí)現(xiàn)功率控制的方法較多，比較常用的為輸出功率檢測反饋控制法，該方法直接檢測射頻輸出功率，通過反饋環(huán)路實(shí)現(xiàn)閉環(huán)功率控制。另外一種方法為電流檢測反饋控制法，它檢測末級功放管的電流，再通過反饋環(huán)路實(shí)現(xiàn)對輸出功率的控制。

輸出功率檢測反饋控制法

為便于分析，首先給出功率控制環(huán)路的數(shù)學(xué)模型，如圖2所示。

該反饋控制系統(tǒng)由五大部分組成：

1. 比較器：該部件負(fù)責(zé)比較由系統(tǒng)指令單元送出的控制信號SC與反饋信號SF之間的差別，并乘以增益Ks，給出誤差信號SE送到積分器，

2. 積分器：由以下的分析將會看出，加入積分器的目的是為了使輸出電壓Vo僅取決于SC和反饋增益KcKd，而與放大器增益Ka無關(guān)，從而改善環(huán)路控制特性。

3. 放大器：為射頻功率放大器，增益可隨外加控制電壓的變化而變化，增益為Ka。當(dāng)外加控制電壓低于某一特定值V_threshold時，放大器不導(dǎo)通，無輸出信號。

4. 耦合器：耦合器為一功率取樣部件，可將少量的射頻功率取出。增益為Kc=10^[-CF/20]，其中CF稱為耦合系數(shù)。

5. 檢波器：檢波器負(fù)責(zé)將耦合器送來的射頻信號進(jìn)行平均值檢波，得到對應(yīng)的直流電壓SF作為反饋信號。檢波器的增益為Kd。

當(dāng)控制環(huán)路閉合后，SC作為功率控制環(huán)路的一個輸入來設(shè)定輸出功率，Vo為功率放大器的輸出，耦合器將一部分射頻能量取出，經(jīng)檢波器變?yōu)榉答佇盘朣F，然后與SC經(jīng)比較器處理得到誤差電壓SE，再經(jīng)積分器得到功率放大器的控制電壓。這個過程可以表示為：

Eq1

Eq2

Vo對時間的變化率可表示為：

公式3

在穩(wěn)態(tài)時dVo/dt=0，所以此時 Vo=SC/KdKc。這表明射頻輸出功率僅與控制電壓和反饋支路的增益有關(guān)，而與Ka無關(guān)，這就是帶有積分器的反饋控制環(huán)路的基本特性。

輸出功率檢測反饋控制電路設(shè)計

下面以圖3所示的實(shí)例來說明功率控制環(huán)路的詳細(xì)設(shè)計步驟。

在圖3中，D1、D2和R4組成雙肖特基二極管檢波電路，D1和D2配對使用可以補(bǔ)償溫度系數(shù)的影響，本例中檢波器的增益為0.45(-7dB)，可承受的輸入信號范圍為-20dBm--+20dBm。

R5、C3及U1A組成比較器和積分器，負(fù)責(zé)比較檢波器的輸出和控制信號SC，得出誤差電壓SE并積分。

圖中增益Kc=10^[-CF/20]，其中CF為耦合系數(shù)。在整個環(huán)路的設(shè)計中，耦合器的選擇及積分器時間常數(shù)的確定比較關(guān)鍵，前者選擇不當(dāng)會使耦合信號的幅度超出檢波器工作的動態(tài)范圍，而后者決定了環(huán)路是否能在規(guī)定的時間內(nèi)完成開機(jī)鎖定。GSM規(guī)范要求移動臺的最小功率等級為5dBm，最大為33dBm(以上值均為天線處測量值)。而本實(shí)例電路中檢波器能檢測的最小功率為-20dBm，最大功率為20dBm。在功率控制環(huán)路開始工作的初始階段，系統(tǒng)控制單元必須先給出一個較小的功率控制信號，使環(huán)路完成鎖定，進(jìn)入跟蹤狀態(tài)。這個初始功率控制信號稱為V_pedestal。V_pedestal不能太大，GSM規(guī)范指出該值應(yīng)比最小功率等級低1-6dB，這里選4dB進(jìn)行計算：

V_pedestal=(P_min+Loss)-P_margin=(5dBm+1dB)-4dB=2dBm

其中Loss為功率放大器后接器件插入損耗。為了不使反饋的射頻信號低于檢波器的最低可檢測功率，耦合器的耦合系數(shù)應(yīng)留有余量，這里取余量安全因素(Safety Factor)為3dB，綜合考慮以上因素，并在最壞情況下計算，可知：

CF≤P_pedestal-P_mindet-Safety Factor

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

= 19dBm

同時為了不使檢波器過載：

CF≥(P_max+Loss)-P_maxdet+Safety Factor

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

=17dB

其中P_max為移動臺最大發(fā)射功率等級(33dBm)，P_maxdet與P_mindet分別為檢波器最大及最小可承受功率。

GSM規(guī)范同時對功率控制環(huán)路的鎖定時間提出了要求，見圖2。

在環(huán)路剛上電時，射頻功放由于其增益控制端的電壓沒有達(dá)到V_threshold，因此功放無功率輸出，環(huán)路不閉合。這樣積分器的輸入就僅為SC，它需要一定時間進(jìn)行初始化以便達(dá)到V_threshold，使控制環(huán)路閉合。在開始的幾個微秒時間里，系統(tǒng)指令單元輸出一很小的電壓V_pedestal，積分器不斷對這個恒定電壓進(jìn)行積分，直到達(dá)到V_threshold，功放有輸出信號，使環(huán)路閉合，這時SC就可以走圖中所示的臺階狀曲線，直到達(dá)到穩(wěn)定功率輸出為止。

從圖中可知，這一時間實(shí)際上就是V_peddstal狀態(tài)持續(xù)的時間，規(guī)范中規(guī)定為8微秒。在這段時間中，環(huán)路必須利用給出的初始控制信號V_pedestal完成鎖定，這實(shí)際上對積分器時間常數(shù)的選取提出了要求。根據(jù)一階環(huán)路的特性，鎖定時間可由下式近似得到：

T_lock=V_threshold×C×R/V_pedestal

為加快環(huán)路的鎖定，可在積分器的輸出端加入“粗調(diào)”電壓V_offset，與積分器的輸出一起組成功率放大器的控制電壓，這是通過圖3中的U2A來實(shí)現(xiàn)的。此時環(huán)路鎖定時間變?yōu)椋?

T_lock=(V_threshold-V_offseet)×C×R/V_pedestal

電流檢測反饋控制

功率控制方法為電流反饋控制型，它是通過檢測末級功放管的電流來實(shí)現(xiàn)功率控制的，如圖4所示。

對應(yīng)不同的輸出功率，射頻功放向電源索取不同的電流，從圖中可以看出，電流取樣電阻檢測電流的這種變化，作為反饋信息與SC比較并積分得到功放控制電壓，從而實(shí)現(xiàn)輸出功率的閉環(huán)控制。

該方法的好處是可以節(jié)省元器件(耦合器，檢波器及相關(guān)外圍器件)，并簡化系統(tǒng)設(shè)計。但由于該方法不是直接檢測輸出功率，射頻功放的電流與輸出功率的關(guān)系比較復(fù)雜，與很多時變因素有關(guān)，因此控制精度不及功率檢測法高。

本文小結(jié)

GSM規(guī)范11.10對移動臺發(fā)射機(jī)功率控制環(huán)路的精度，跟蹤速度和穩(wěn)定性提出了很高的要求。目前，采用耦合器-檢波器的功率檢測法，是最常用也是性能最好、適用范圍最廣的一種功率控制方法。為了保證回路的性能，必須仔細(xì)考慮檢波器的動態(tài)范圍和熱穩(wěn)定性、耦合器的選擇、積分器時間常數(shù)的選擇，以及加入“粗調(diào)”電壓等。