手机射频功率控制环路设计

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

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。