СПОСОБ И УСТРОЙСТВО УСИЛЕНИЯ МОЩНОСТИ ПЕРЕДАЧИ БЕСПРОВОДНОГО ТЕЛЕФОНА ПРИ ПОНИЖЕННОМ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИИ Российский патент 2005 года по МПК H04B1/04 

I. Область техники

Настоящее изобретение относится к ВЧ (высокочастотным) усилителям. В частности, данное изобретение относится к новому и улучшенному способу и устройству усиления ВЧ сигнала, передаваемого беспроводным телефоном.

II. Предшествовавший уровень техники

Мобильное устройство или беспроводной телефон объединяет в себе многочисленные сложные схемы. Для обеспечения беспроводной линии связи с базовыми станциями применяется ВЧ приемопередатчик. ВЧ приемопередатчик включает в себя приемник и передатчик. Антенна, соединенная с мобильным устройством, принимает ВЧ передачу от базовой станции и выдает сигнал в приемник. Приемник усиливает и фильтрует принятый сигнал, а также преобразует его с понижением частоты на частоту полосы модулирующих частот. Сигнал полосы модулирующих частот затем направляется в схему обработки сигналов полосы модулирующих частот. Данная схема демодулирует сигнал и преобразует его для вещания через динамик на пользователя.

Данные пользовательского ввода, осуществляемого посредством нажатия клавиш на клавишной панели или голосового ввода через микрофон, обрабатываются в схеме обработки сигналов полосы модулирующих частот. Сигнал модулируется и направляется в передатчик. Передатчик получает сигналы, сформированные в мобильном устройстве, и преобразует их с повышением частоты, а также фильтрует и усиливает. Усиленный и преобразованный с повышением частоты ВЧ сигнал передается в базовую станцию через ту же самую антенну, которая используется приемником.

Конструктивные требования поддержания высокого качества передачи данных и речи должны быть согласованы с конструктивными требованиями режима питания батареи, малых габаритов, низкой стоимости и высокой надежности. Требование режима работы мобильного устройства с использованием батареи питания ставит различные проблемы, которые должны быть разрешены. Батареи питания могут обеспечить лишь ограниченный запас энергии. Минимизация энергопотребления является единственным путем повышения долговечности батареи.

Возрастающие потребности потребителей в уменьшении размеров и веса портативных телефонов оказывают дополнительное давление на конструкторов оборудования, что побуждает их уменьшать размеры и вес батареи питания. Достижения в области технологии производства батарей питания позволяют добиться некоторой компенсации потерь доступной энергетической емкости, обусловленных уменьшением размеров. Тем не менее, наблюдается глобальная тенденция, направленная на снижение энергии, потребляемой телефоном, что способствует продлению общего времени телефонных переговоров и периодов пассивного режима при одновременном уменьшении форм-фактора телефона.

Цепочка ВЧ усилителей является одним из самых значительных источников потребления энергии в мобильном телефоне. Конструкция цепочки ВЧ усилителей мобильного телефона, функционирующего согласно стандарту множественного доступа с кодовым разделением каналов (МДКР), также ограничена техническими условиями, определяющими диапазон выходной мощности и интенсивность выходного излучения. Спецификации, накладывающие ограничения на конструкцию мобильного телефона, включают стандарт Ассоциации Промышленности Средств Связи (АПСС)/Ассоциации Электронной Промышленности (АЭП) IS-95-B "стандарт совместимости мобильных и базовых станций двухрежимных систем расширенного спектра", а также стандарт АПСС/АЭП IS-98-B "стандарты рекомендуемого минимального уровня качества функционирования двухрежимных мобильных станций систем сотовой связи расширенного спектра". Более того, схожие спецификации существуют и для мобильных телефонов, функционирующих в полосе частот, отличной от используемой для сотовой связи, а также для мобильных телефонов, в которых применяются альтернативные схемы модуляции, такие как множественный доступ с временным разделением каналов (МДВР) или аналоговая частотная модуляция (ЧМ). Спецификация, определяющая функционирование системы МДКР в полосе частот персональных систем связи (ПСС), представляет собой стандарт Национального Института Стандартизации США (НИСА) J-STD-008 "требования к совместимости персональных и базовых станций для персональных систем связи множественного доступа с кодовым разделением

каналов (МДКР), функционирующих в частотном диапазоне от 1,8 до 2,0 гГц.

Спецификации на телефон или персональную станцию содержатся в стандарте НИСА J-STD-018 "требования к рекомендуемому минимальному уровню качества функционирования персональных станций множественного доступа с кодовым разделением каналов (МДКР), функционирующих в частотном диапазоне от 1,8 до 2,0 гГц.

Удачная конструкция усилителя должна соответствовать всем необходимым спецификациям и в то же время минимизировать энергопотребление. Один из способов минимизации энергопотребления ВЧ усилителя мощности состоит в применении эффективной топологии усилителя. Усилители мощности класса А обеспечивают наилучшую линейность, но при этом являются наименее эффективными. Усилители мощности класса АБ обеспечивают повышенную эффективность по сравнению с усилителями класса А за счет повышенного искажения выходного сигнала. Нелинейность характеристик усилителя мощности класса АБ делает возможным его применение только в качестве конечного усилителя высокой мощности в цепочке ВЧ усилителей. Прочие топологии усилителей не пригодны для мобильных телефонов МДКР, функционирующих в соответствии со спецификацией АПСС/АЭП IS-95-B, в силу того, что они не удовлетворяют требованиям линейности.

Тем не менее, один единственный усилитель не способен обеспечить усиление, выходную мощность и линейность, необходимые в передающем тракте. Следовательно, несколько усилителей должны быть соединены каскадно для удовлетворения требованиям передающего тракта. Иными словами, требуется такая конфигурация каскадно соединенных ВЧ усилителей, которая обеспечивает линейность для сообщений МДКР при минимизации энергопотребления, необходимой для максимизации долговечности батареи питания.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение представляет собой новый и улучшенный способ и устройство усиления ВЧ сигнала, передаваемого беспроводным телефоном. Схема усилителя использует три отдельных каскада усилителей: предусилитель мощности, усилитель мощности и усилитель высокой мощности. Цепочка усилителей конфигурирована таким образом, что сигнал может обойти (пропустить) каскад усилителя мощности. При обходе каскада усилителя мощности сигнал проходит только через предусилитель мощности и усилитель высокой мощности. Ток смещения усилителя высокой мощности устанавливается равным одному из трех значений в зависимости от требуемой выходной мощности.

Для управления переключателями, реализующими обход (шунтирование) усилителя мощности и задания значения тока смещения в усилителе высокой мощности используются два бита данных. Когда на выходе усилителей требуется первое значение выходной мощности, биты данных устанавливаются таким образом, что сигнал обходит усилитель мощности и на усилитель высокой мощности подается первое значение тока смещения. Второе значение выходной мощности, по определению, больше первого значения выходной мощности. Когда на выходе усилителей требуется второе значение выходной мощности, биты данных устанавливаются таким образом, что сигнал обходит усилитель мощности и на усилитель высокой мощности подается второе значение тока смещения. Второе значение тока смещения превышает первое значение тока смещения. Третье значение выходной мощности, по определению, больше и первого, и второго значений выходной мощности. Когда на выходе усилителей требуется третье значение выходной мощности, биты данных устанавливаются таким образом, что сигнал направляется через усилитель мощности и на усилитель высокой мощности подается третье значение тока смещения. Третье значение тока смещения превышает и первое, и второе значения тока смещения. Если усилитель находится в режиме, при котором сигнал обходит его, то ток смещения на усилитель мощности не подается.

Таким образом, определены три относительных уровня мощности, которые соответствуют относительно низкому, среднему и высокому уровню выходной мощности усилителя. На каждом из данных трех уровней используется соответствующее значение тока смещения для усилителя высокой мощности. Первое, второе и третье значения тока смещения соответствуют относительно низкому, среднему и высокому уровням выходной мощности усилителя.

Для управления выходной мощностью усилителя используется ВЧ калибровочная таблица, с помощью которой сигнальный процессор получает информацию о выходной мощности. Сигнальный процессор сравнивает значение выходной мощности с калиброванным пороговым значением с целью установки битов данных для управления настройками усилителя, как описано выше. Биты данных динамически обновляются по мере того, как мощность ВЧ передачи колеблется вверх и вниз в соответствии с внутренними командами телефона или информацией управления мощностью, получаемой по радиоканалу. В пороговые значения вводится запаздывание с целью предотвращения частых переключений настроек усилителя, когда уровень мощности находится вблизи порогового значения. Таким образом, пороговое значение представляет собой окно, а фактическое значение, при котором настройки усилителя меняются, зависит от того, повышается или понижается мощность ВЧ передачи.

Перечень фигур чертежей

Отличительные признаки, задачи и преимущества настоящего изобретения поясняются в подробном описании, приведенном ниже совместно с чертежами, на которых используется сквозная нумерация позиций:

На Фиг.1 приведена блок-схема передающего тракта беспроводного телефона;

На Фиг.2а-2б приведены блок-схемы реализации ВЧ усилителей.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления

Для связи с базовой станцией в беспроводном телефоне используется ВЧ передатчик. В беспроводных телефонах, соответствующих стандарту АПСС/АЭП IS-95-B, фактическая выходная мощность ВЧ передачи строго контролируется с целью максимизации качества линии связи при одновременном уменьшении перекрестных помех. Регулирование выходной мощности ВЧ передачи в телефоне осуществляется посредством разомкнутого и замкнутого контуров управления мощностью. Режим разомкнутого контура реализуется, когда между телефоном и базовой станцией не установлена линия связи. Например, когда телефон пытается соединиться с базовой станцией с целью установления вызова графика, для установления мощности на минимальный уровень, требуемый для соединения с базовой станцией, в телефоне используются оценки выходной мощности, выработанные в разомкнутом контуре. Кроме того, в случае, когда между телефоном и базовой станцией установлена линия связи, как, например, в случае вызова трафика, разомкнутый контур управления мощностью используется в телефоне с целью компенсации замираний и провалов сигнала, обусловленных перемещением телефона. Процесс управления разомкнутого контура использует интенсивность принятого сигнала в качестве основы для оценки потерь при передаче от телефона к базовой станции. В силу того, что частоты принимаемого и передаваемого сигналов отличаются, между ними не существует хорошей корреляции потерь в сигнальном тракте. Таким образом, время отклика разомкнутого контура слишком велико для минимизации числа случаев перекомпенсации. В случае, когда мобильный телефон перемещается в транспортном средстве, возникают многочисленные замирания и провалы сигнала, которые происходят слишком быстро для удовлетворительной их обработки с помощью разомкнутого контура управления мощностью.

Быстрые изменения потерь в сигнальном тракте компенсируются при помощи замкнутого контура управления мощностью. При реализации замкнутого контура управления мощностью телефон периодически получает сообщение от базовой станции, в котором ему предписывается повысить или снизить мощность передачи. Регулирование выходной мощности телефона должно осуществляться с точностью до шага заданного размера.

Основная блок-схема передающего тракта беспроводного телефона приведена на Фиг.1. В обычном беспроводном телефоне пользователь осуществляет ввод с помощью пользовательского интерфейса (не показан), такого как клавишная панель или микрофон. Пользовательский интерфейс преобразует пользовательский ввод в электрический сигнал, который подается на процессор 110 сигналов полосы модулирующих частот. Если сигнал должен быть передан в базовую станцию, процессор 110 сигналов полосы модулирующих частот модулирует несущую данным сигналом и преобразует с повышением частоту сигнала до окончательного значения частоты передачи. Сигнал, преобразованный с повышением частоты, затем подается на ВЧ усилитель 120, где происходит повышение уровня сигнала. Выходной сигнал ВЧ усилителя 120 может быть отфильтрован или подан на схему защиты, такую как элемент развязки (не показан), перед соединением с антенной (не показана), откуда сигнал распространяется к базовой станции.

Для регулирования уровня мощности сигнала на входе ВЧ усилителя 120 в процессоре 110 сигналов полосы модулирующих частот используется ВЧ аттенюатор. Для облегчения функционирования разомкнутого и замкнутого контуров управления мощностью выходной ВЧ сигнал измеряется и калибруется по всему диапазону аттенюатора. Результаты измерений хранятся в ВЧ калибровочной таблице 112 процессора 110 сигналов полосы модулирующих частот. ВЧ калибровочная таблица 112 учитывает любые переключения усиления, выполняемые в ВЧ усилителе 120. Переключение усиления выполняется посредством задания в процессоре 110 сигналов полосы модулирующих частот значения аттенюатора, при котором коэффициент усиления в ВЧ усилителе 120 должен быть снижен. Когда аттенюатор достигает этого заданного значения, на сигнальный процессор 140, который управляет двумя битами 142 управляющих данных, посылается инструкция. Два бита 142 управляющих данных управляют переключением усиления в ВЧ усилителе. Две возможных реализации переключения усиления ВЧ усилителя 120 приведены на Фиг.2а-2б.

Как альтернатива аттенюатору в процессоре 110 сигналов полосы модулирующих частот может использоваться усилитель с автоматической регулировкой усиления (АРУ). Усилитель с АРУ используется с той же целью, что и ВЧ аттенюатор, а именно для регулирования уровня мощности сигнала, подаваемого на вход ВЧ усилителя 120. Усилитель с АРУ способен обеспечить изменение коэффициента усиления в широком диапазоне. Выходной ВЧ сигнал калибруется по всему диапазону усилителя с АРУ. Требуемый коэффициент усиления всей цепочки ВЧ передачи может быть получен посредством определения выходного ВЧ сигнала по всему диапазону усилителя с АРУ при подаче на вход усилителя с АРУ сигнала постоянной мощности. Данные измерений, характеризующих усиление, сохраняются в ВЧ калибровочной таблице 112. Когда в ВЧ усилителе 120 происходит переключение усиления, резкое изменение усиления компенсируется с помощью ВЧ калибровочной таблицы 112 и усилителя с АРУ. Это обеспечивает линейное изменение усиления в передающем тракте, так как каскады усиления коммутируются посредством управления ВЧ усилителем 120.

ВЧ усилитель 120 по Фиг.2а сконструирован с использованием трех отдельных усилителей. Предусилитель 210 мощности представляет собой усилитель низкого уровня, который принимает выходной сигнал процессора 110 сигналов полосы модулирующих частот. Выходной сигнал предусилителя 210 мощности подается на усилитель 220 мощности. Перед подачей на конечный усилитель 240 высокой мощности выходной сигнал усилителя 220 мощности проходит через полосовой фильтр 230. Предусилитель 210 мощности и усилитель 220 мощности функционируют как усилители класса А с целью максимизации линейности. Усилитель 240 высокой мощности функционирует как усилитель класса АБ с целью максимизации эффективности каскада усилителя высокой мощности.

Переключение усиления и управление мощностью в цепочке усилителей реализуется посредством комбинации выключения и смещения усилителя. Два бита 142 управляющих данных подаются на логический блок 250 управления мощностью, являющийся частью цепочки усилителей. С помощью выходного сигнала логического блока 250 управления мощностью производится подача или выключение подачи тока смещения усилителя 220 мощности в зависимости от состояния двух битов 142 управляющих данных. Кроме того, логический блок 250 управления мощностью посылает информацию в схему 260 управления смещением усилителя мощности (УМ), которая регулирует ток смещения, подаваемый на усилитель 240 высокой мощности.

Регулировка тока смещения для усилителя 240 высокой мощности изменяет некоторые из критических рабочих параметров усилителя. Коэффициент усиления усилителя 240 высокой мощности варьируется в зависимости от тока смещения. Коэффициент усиления усилителя уменьшается с уменьшением тока смещения, хотя и не пропорционально. Параметры усилителя 240 высокой мощности, характеризующие искажение сигнала, также меняются с изменением тока смещения. Число точек перехвата, характеризующее продукты искажений сигнала высокого порядка, уменьшается по мере уменьшения тока смещения, подаваемого на усилитель. Уменьшение числа точек перехвата высокого порядка сужает используемый диапазон входной мощности. Вследствие уменьшения числа точек перехвата высокого порядка больше продуктов искажений сигнала формируется при более низких уровнях входной мощности. Таким образом, перед выбором уровней смещения для использования в конструкции усилителя параметры усилителя должны быть тщательно измерены для различных уровней тока смещения.

Усилитель 220 мощности выключается лишь тогда, когда на выходе цепочки усилителей требуется низкий уровень сигнала. Выключение усилителя 220 мощности позволяет сберегать энергию, которая в противном случае была бы рассеяна усилителем. Если требуется низкая выходная мощность, ток смещения, подаваемый на усилитель 240 высокой мощности, уменьшается до среднего уровня. Если бы усилитель 220 мощности не был выключен, то значение ослабления аттенюатора в процессоре 110 сигналов полосы модулирующих частот следовало бы увеличить с целью уменьшения суммарной выходной мощности. Когда усилитель 220 мощности выключен, он функционирует как нерегулируемый аттенюатор. Аналогично, когда ток смещения, подаваемый на усилитель 240 высокой мощности, уменьшается, усиление устройства также уменьшается. В силу того, что выключенный усилитель 220 мощности функционирует как нерегулируемый аттенюатор, ток смещения, подаваемый на усилитель 240 высокой мощности, не может быть уменьшен до минимального значения в силу того, что последний должен обеспечивать достаточный коэффициент усиления для обеспечения достаточной выходной мощности.

Таким образом, при конфигурации усилителя по Фиг.2а для усилителя 240 высокой мощности реализуются лишь два варианта тока смещения: большой и средний. Когда от цепочки усилителей требуется высокая выходная мощность, усилитель 220 мощности включается, и усилитель 240 высокой мощности функционирует при большом токе смещения.

Когда от цепочки усилителей требуется среднее значение выходной мощности, усилитель 220 мощности остается включенным, но ток смещения, подаваемый на усилитель 240 высокой мощности, уменьшается до среднего уровня. Несмотря на то, что коэффициент усиления и число точек перехвата высокого порядка усилителя 240 высокой мощности уменьшаются с уменьшением тока смещения, искажение выходного сигнала не увеличивается в силу того, что и входная мощность усилителя 240 высокой мощности и требуемая выходная мощность уменьшаются.

Когда же от цепочки усилителей требуется низкая выходная мощность, усилитель 220 мощности выключается. В этой ситуации усилитель 220 мощности функционирует как нерегулируемый аттенюатор. Усилитель 240 высокой мощности функционирует при среднем токе смещения. Ток смещения, подаваемый на усилитель 240 высокой мощности, не может быть уменьшен до низкого уровня в силу того, что малый ток смещения снижает коэффициент усиления усилителя ниже уровня, требующегося для обеспечения работоспособности цепочки усилителей в случае, когда усилитель 220 мощности выключен.

Таким образом, в случае, когда не требуется высокая выходная мощность, сокращение энергопотребления достигается посредством уменьшения тока смещения в усилителе 240 высокой мощности. Дополнительное сокращение энергопотребления в моменты, когда от цепочки усилителей требуется низкая выходная мощность, достигается посредством выключения усилителя 220 мощности.

В одной из конкретных реализаций режим высокой мощности используется для уровней выходной мощности, превышающих +16 дБм Вт. На усилитель 240 высокой мощности подается большой ток смещения величиной 150 мА. В режиме высокой мощности цепочка усилителей потребляет ток максимальной величины 440 мА. Максимальное потребление тока усилителями равно суммарному потреблению тока всеми активными устройствами в цепочке усилителей. Максимальное значение тока также учитывает повышенное потребление тока усилителем 240 высокой мощности в режиме высокой мощности. Режим, в котором выходной уровень мощности находится в пределах от –4 до +16дБм Вт, считается режимом средней мощности. Ток смещения, подаваемый на усилитель 240 высокой мощности, уменьшается до 80 мА. В режиме средней мощности усилитель 220 мощности остается включенным. В режиме средней мощности цепочка усилителей потребляет ток максимальной величины 180 мА. Режим, в котором выходной уровень мощности меньше –4 дБм Вт, считается режимом низкой мощности. Ток смещения, подаваемый на усилитель 240 высокой мощности в режиме низкой мощности, остается на уровне 80 мА, но усилитель мощности выключается. В режиме низкой мощности цепочка усилителей потребляет ток максимальной величиной 82 мА.

Конфигурация усилителя по Фиг.2б обеспечивает улучшенные характеристики энергопотребления. Так же как и в реализации по Фиг.2 а, цепочка усилителей включает предусилитель 210 мощности, усилитель 220 мощности и усилитель 240 высокой мощности.

Улучшенная реализация усилителя по Фиг.2б дополнительно включает два ВЧ переключателя 272 и 274, которые используются для направления сигнала в обход усилителя 220 мощности и полосового фильтра 230. Переключатели 272 и 274 можно установить в такие положения, что до попадания на усилитель 240 высокой мощности сигнал от предусилителя 210 мощности проходил через усилитель 220 мощности и полосовой фильтр 230. Это достигается соединением входа первого переключателя 272 с выходом предусилителя 210 мощности. Затем переключатель устанавливается в положение, при котором сигнал проходит на первый выход переключателя, соединенный со входом усилителя 220 мощности. Для завершения сигнального тракта вход второго переключателя 274 соединяется с выходом полосового фильтра, а выход второго переключателя 274 соединяется со входом усилителя 240 высокой мощности.

При другой установке переключателей сигнал подается напрямую с выхода предусилителя 210 мощности на вход усилителя 240 высокой мощности. В такой конфигурации сигнал идет в обход усилителя 220 мощности и полосового фильтра 230. При реализации данной конфигурации вход первого переключателя 272 и выход второго переключателя 274 соединяются таким же способом, как указывалось выше. Однако переключатели устанавливаются в такие положения, при которых сигнал подается через второй выход первого переключателя 272, который напрямую соединяется со вторым входом второго переключателя 274.

В конфигурации усилителя по Фиг.2б биты 142 управляющих данных используются таким же образом, как и в конфигурации усилителя по Фиг.2а. Логический блок 252 управления мощностью получает биты 142 управляющих данных и, согласно этим данным, управляет положением переключателей 272 и 274. Логический блок 252 управления мощностью также управляет включением и выключением усилителя 220 мощности в соответствии со значениями битов 142 управляющих данных. Информация, получаемая от логического блока 252 управления мощностью, используется схемой 262 управления смещения УМ для регулирования тока смещения, подаваемого на усилитель 240 высокой мощности.

Для конфигурации усилителя по Фиг.26 определяются три уровня мощности. Как будет рассмотрено ниже, эти три уровня могут отличаться от уровней выходной мощности, определенных для конфигурации усилителя по Фиг.2а. Для конфигурации усилителя по Фиг.26 определены первый, второй и третий диапазоны выходной мощности. Первый диапазон выходной мощности соответствует самым низким значениям мощности, выдаваемой усилителем. Второй диапазон выходной мощности, значения которого превышают значения из первого диапазона, определяет средние выходные мощности усилителя. Наконец, третий диапазон выходной мощности, значения которого превышают значения из второго диапазона, определяет высокие выходные мощности усилителя.

Каждому из трех указанных диапазонов выходных мощностей поставлен в соответствие ток смещения усилителя высокой мощности. Имеются первый, второй и третий уровни тока смещения. Первый ток смещения соответствует низкому уровню тока смещения усилителя высокой мощности. Второй ток смещения соответствует среднему или промежуточному уровню тока смещения, величина которого превышает первый ток смещения. Третий ток смещения соответствует высокому уровню тока смещения, величина которого больше второго тока смещения.

Если цепочка усилителей должна обеспечить третий уровень выходной мощности, то переключатели 272 и 274 устанавливаются в положение, при котором сигнал проходит через усилитель 220 мощности и полосовой фильтр 230. Усилитель 220 мощности должен быть включен, и на усилитель 240 высокой мощности подается третий ток смещения. Этот режим, по сути, идентичен режиму высокой мощности для конфигурации усилителя по Фиг.2а.

Если цепочка усилителей должна обеспечить второй уровень выходной мощности, то переключатели 272 и 274 устанавливаются в положение, при котором сигнал идет в обход усилителя 220 мощности и полосового фильтра 230. В этом режиме средней мощности усилитель 220 мощности выключен, а на усилитель 240 высокой мощности подается второй ток смещения.

Полосовой фильтр 230 используется для подавления сигналов, присутствующих в полосе приема телефона. Наличие сигналов из полосы приема телефона в передающем тракте является результатом проникновения сигнала из приемного тракта. Полосовой фильтр 230 обеспечивает улучшенную развязку между приемным и передающим трактами. Паразитные сигналы из приемного тракта превышают минимальный уровень шумов передающего тракта только в случае высокого коэффициента усиления на передающем тракте. Поэтому в предпочтительном варианте осуществления сигнал одновременно идет в обход и усилителя 220 мощности, и полосового фильтра 230. При обходе полосового фильтра 230 можно избежать входных потерь, связанных с фильтрацией. В качестве одного из вариантов второй переключатель 274 можно расположить перед полосовым фильтром 230. Тогда сигнал всегда будет проходить через фильтр.

Если цепочка усилителей должна обеспечить первый уровень выходной мощности, то переключатели 272 и 274 устанавливаются в положение, при котором сигнал идет в обход усилителя 220 мощности и полосового фильтра 230. На усилитель 240 большой мощности подается первый ток смещения.

В одной из конкретных реализаций конфигурации усилителя по Фиг.26 третий режим выходной мощности определяется как режим, в котором выходная мощность превышает +16 дБм Вт. В этом режиме усилитель 220 мощности активен и включен в сигнальный тракт. На усилитель 240 высокой мощности подается ток смещения 150 мА. Цепочка усилителей в режиме большой мощности потребляет максимум 440 мА. Второй режим мощности определяется как режим средней мощности, в котором значение выходной мощности лежит в пределах от +8 до +16 дБм Вт. Во втором режиме мощности сигнал идет в обход усилителя 220 мощности, а ток смещения усилителя 240 высокой мощности уменьшается до 80 мА. Цепочка усилителей в этом режиме потребляет максимум 140 мА. Первый режим мощности определяется как режим, в котором выходная мощность меньше +8 дБм Вт, в первом режиме мощности сигнал идет в обход усилителя 220 мощности, а ток смещения усилителя 240 высокой мощности уменьшается до 40 мА. В режиме низкой мощности цепочка усилителей потребляет максимум 64 мА.

Два ВЧ переключателя 272 и 274 реализуются как активные переключатели, построенные, например, с использованием регулируемых резистивных диодов или полевых транзисторов. Можно использовать и механические переключатели, однако трудности, связанные с надежностью и временем переключения механических переключателей, делают их применение в данной области нежелательным.

Парадоксальным результатом применения указанных активных переключателей 272 и 274 является тот факт, что это приводит к энергосбережению в ВЧ усилителе 120. Причина экономии потребления энергии в основном является следствием расширения круга ситуаций, при которых улучшенный ВЧ усилитель по Фиг.2б работает в энергосберегающем режиме. Рассмотрим указанную причину экономии потребления энергии на примере сравнения двух указанных конструкций ВЧ усилителя.

Режимы высокой мощности для конфигураций усилителя по Фиг.2а и 2б функционально идентичны. Для обоих усилителей режим высокой мощности определен как режим, в котором уровень выходной мощности превышает +16 дБм Вт. Сигнал ВЧ передачи проходит через все компоненты цепочки усилителей, а уровни смещения усилителей идентичны.

Режимы средней мощности двух ВЧ усилителей отличаются по диапазону выходной мощности ВЧ передачи и энергии, потребляемой усилителями. Для конструкции по Фиг.2а режим средней мощности определяется как режим, в котором ВЧ выход лежит в диапазоне от –4 до +16 дБм Вт. Для конструкции по Фиг.2б режим средней мощности (второй режим мощности) определяется как режим, в котором значения выходной мощности ВЧ передачи лежат в диапазоне от +8 до +16 дБм Вт. И хотя в обеих конструкциях усилителя ток смещения, подаваемый на усилитель 240 высокой мощности, уменьшается, в конструкции по Фиг.2б сигнал идет в обход усилителя 220 мощности, а сам усилитель выключается. Это приводит к тому, что в режиме средней мощности разница между токами в двух усилителях составляет 40 мА.

Основное различие между двумя конструкциями усилителей наблюдается в режиме низкой мощности. Этот режим соответствует значениям выходной мощности, лежащим в первом диапазоне выходных мощностей. Для конфигурации усилителя по Фиг.2а режим низкой мощности определяется как режим, в котором значение выходной мощности ВЧ передачи оказывается меньше –4 дБм Вт, в то время как для конструкции по Фиг.2б режим низкой мощности определяется как режим, в котором значение выходной мощности ВЧ передачи оказывается меньше +8 дБм Вт. В конфигурации усилителя по Фиг.2а происходит выключение усилителя 220 мощности, но ток смещения, подаваемый на усилитель 240 высокой мощности, при этом не уменьшается. Так как при выключении усилителя 220 мощности сигнал ослабевает, в конструкции усилителя по Фиг.2а можно использовать только два уровня тока смещения для усилителя 240 высокой мощности. Таким образом, усилитель 220 мощности не только перестает усиливать сигнал, а начинает действовать как аттенюатор. Ток смещения, подаваемый на усилитель 240 высокой мощности, нельзя устанавливать ниже среднего тока смещения, так как тогда коэффициент усиления усилителя 240 высокой мощности упадет до уровня, при котором он уже не сможет компенсировать изменение в усилении сигнала, являющееся результатом выключения усилителя 220 мощности. Напротив, в конструкции усилителя по Фиг.2б в режиме низкой мощности происходит дальнейшее снижение тока смещения, подаваемого на усилитель 240 высокой мощности. Это приводит к тому, что разница между потребляемыми токами в двух конструкциях усилителя составляет 18 мА. Так как при выключенном усилителе 220 мощности сигнал идет в обход этого усилителя, дополнительное ослабление сигнала отсутствует. Следовательно, цепочка усилителей легко может компенсировать уменьшение коэффициента усиления в усилителе 240 высокой мощности. Так как выключение усилителя 220 мощности не вызывает потерь в сигнале, в режиме низкого энергопотребления можно обеспечить более высокий уровень выходной мощности. Расширенный рабочий диапазон режима низкой мощности обеспечивает дополнительное энергосбережение посредством сокращения времени, в течение которого ВЧ усилитель 120 должен работать в одном из режимов высокой мощности.

Для проверки способа уменьшения энергопотребления с применением новой конструкции ВЧ усилителя были сконструированы два телефона. Эти два телефона были идентичны во всем, кроме ВЧ усилителей. Сравнение рабочих характеристик двух указанных конструкций усилителя проводились с использованием модели вызова, определенной группой разработки МДКР. Результатом применения новой конструкции явилось уменьшение суммарного тока, потребляемого телефоном, примерно на 7% как для городской, так и для пригородной моделей вызова. Это соответствует примерно восьмипроцентному приросту в продолжительности разговора. Так как единственное различие между двумя телефонами состояло в конструкции ВЧ усилителей, то более важным является сравнение в терминах процентного сокращения потребляемых ВЧ усилителями токов. Однако пользователь наблюдает только процентное улучшение в общем энергопотреблении. Поэтому здесь приведены результаты улучшения по общему энергопотреблению и соответствующему приросту длительности разговора.

Преимущества устройства усилителя по Фиг.2б не ограничиваются более длительной продолжительностью разговора. Для усилителя 240 высокой мощности определены три уровня тока смещения. Каждый из токов смещения специально подобран так, чтобы обеспечить необходимую линейность характеристик усилителя для всего рабочего диапазона уровня тока смещения. Применение трех уровней тока смещения совместно с направлением сигнала в обход каскада усилителя 220 мощности смягчает требования по линейности, предъявляемые к усилителю 240 высокой мощности. Это позволяет применять в качестве усилителя 240 высокой мощности более распространенные и дешевые усилители.

Таким образом, добавление в цепочку ВЧ усилителей ВЧ переключателей 272 и 274 для направления сигнала в обход усилителя 220 мощности увеличивает продолжительность разговора с одновременным удешевлением телефона.

Приведенное выше описание предпочтительных вариантов осуществления предоставлено для того, чтобы любой специалист в данной области техники мог воспроизвести или использовать настоящее изобретение. Для специалистов в данной области техники различные модификации данных вариантов осуществления будут очевидны, а общие принципы, определенные в данном документе, могут быть применены к другим вариантам осуществления без использования дополнительного изобретательства. Таким образом, предполагается, что настоящее изобретение не ограничивается одними лишь приведенными здесь вариантами осуществления, а имеет самый широкий объем, соответствующий раскрытым в настоящем описании принципам и новым отличительным признакам.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в высокочастотных усилителях в беспроводных телефонах. Цепочка усилителей состоит из трех частей: предусилителя мощности, усилителя мощности, который может быть обойден сигналом, и усилителя высокой мощности. Технический результат, заключающийся в оптимизации энергопотребления при заданном уровне выходной мощности, что позволяет увеличить продолжительность разговора для беспроводных телефонов, работающих от батарей питания, достигается конфигурацией цепочки усилителей, регулируемой в реальном времени. При низких уровнях выходной мощности сигнал обходит усилитель мощности, а на усилитель высокой мощности подают малый ток смещения. При средних уровнях выходной мощности сигнал обходит усилитель мощности, а на усилитель высокой мощности подают средний ток смещения. Когда требуется высокая выходная мощность, усилитель мощности включается, а на усилитель высокой мощности подают большой ток смещения. Усилитель мощности выключен в режиме, при котором сигнал обходит его. 2 с. и 11 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Высокочастотный (ВЧ) усилитель для беспроводного телефона, содержащий предусилитель мощности, усилитель мощности, полосовой фильтр, вход которого соединен с выходом усилителя мощности, усилитель высокой мощности, первый ВЧ-переключатель, у которого вход соединен с выходом предусилителя мощности, а первый выход соединен со входом усилителя мощности, второй ВЧ-переключатель, у которого выход соединен со входом усилителя высокой мощности, первый вход соединен с выходом полосового фильтра, а второй вход соединен со вторым выходом первого ВЧ-переключателя таким образом, что сигнал имеет возможность обхода усилителя мощности и полосового фильтра посредством переключения, и логический блок управления мощностью, на вход которого подаются биты управляющих данных, формирующий соответствующие выходные сигналы, управляющие положениями первого и второго ВЧ-переключателей, и сигнал, управляющий током смещения усилителя высокой мощности для установки на один из множества действующих уровней смещения.2. ВЧ-усилитель по п.1, отличающийся тем, что логический блок управления мощностью также выдает сигнал, включающий и выключающий усилитель мощности.3. ВЧ-усилитель по п.2, отличающийся тем, что логический блок управления мощностью включает усилитель мощности, когда положения ВЧ-переключателей установлены таким образом, что предусилитель мощности соединяется с усилителем мощности, а полосовой фильтр - с усилителем высокой мощности.4. ВЧ-усилитель по п.3, отличающийся тем, что логический блок управления мощностью выдает информацию, устанавливающую ток смещения, подаваемый на усилитель высокой мощности, на заданный высокий уровень, когда положения ВЧ-переключателей установлены таким образом, что предусилитель мощности соединяется с усилителем мощности, а полосовой фильтр - с усилителем высокой мощности.5. ВЧ-усилитель по п.2, отличающийся тем, что логический блок управления мощностью выключает усилитель мощности, когда положения ВЧ-переключателей установлены таким образом, что сигнал обходит усилитель мощности и полосовой фильтр.6. Способ ВЧ-усиления в беспроводном телефоне, включающий обеспечение трехкаскадного усилителя, содержащего предусилитель мощности, усилитель мощности и усилитель высокой мощности, ввод в логический блок управления мощностью одного из множества возможных состояний управления мощностью, конфигурирование сигнального тракта, проходящего через упомянутый трехкаскадный усилитель, в соответствии с введенным состоянием управления мощностью, настройку тока смещения, подаваемого на усилитель высокой мощности, на одно из множества действующих уровней смещения в соответствии с введенным состоянием управления мощностью.7. Способ по п.6, отличающийся тем, что дополнительно включает включение или выключение усилителя мощности в соответствии с введенным состоянием управления мощностью.8. Способ по п.7, отличающийся тем, что ток смещения, подаваемый на усилитель высокой мощности, представляет собой первый ток смещения, когда состояние управления мощностью представляет собой первое состояние мощности.9. Способ по п.7, отличающийся тем, что ток смещения, подаваемый на усилитель высокой мощности, представляет собой второй ток смещения, превышающий первый ток смещения, когда состояние управления мощностью представляет собой второе состояние мощности, при этом второе состояние управления мощностью определяется как диапазон выходной мощности усилителя, значения которого превышают значения выходной мощности усилителя в первом состоянии управления мощностью.10. Способ по п.7, отличающийся тем, что ток смещения, подаваемый на усилитель высокой мощности, представляет собой третий ток смещения, превышающий первый и второй токи смещения, когда состояние управления мощностью представляет собой третье состояние мощности, при этом третье состояние управления мощностью определяется как диапазон выходной мощности усилителя, значения которого превышают значения выходной мощности усилителя в первом или втором состоянии управления мощностью.11. Способ по п.6, отличающийся тем, что сигнальный тракт конфигурирован таким образом, что сигнал, поступающий из предусилителя мощности на усилитель высокой мощности, обходит усилитель мощности, когда состояние управления мощностью представляет собой первое состояние мощности или второе состояние мощности, при этом второе состояние мощности определяется как диапазон выходной мощности усилителя, значения которого превышают значения выходной мощности усилителя в первом состоянии мощности.12. Способ по п.11, отличающийся тем, что усилитель мощности выключен, когда введенное состояние управления мощности представляет собой первое или второе состояние мощности.13. Способ по п.6, отличающийся тем, что сигнальный тракт конфигурирован таким образом, что сигнал подается с предусилителя мощности на усилитель мощности, а затем на усилитель высокой мощности, когда введенное состояние управления мощности представляет собой третье состояние мощности, при этом третье состояние мощности определяется как диапазон выходной мощности усилителя, значения которого превышают значения выходной мощности усилителя в первом или втором состоянии мощности.