TW202135478A

TW202135478A - 校準系統、射頻系統與其輸出功率線性化方法

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Publication number: TW202135478A
Application number: TW109107529A
Authority: TW
Inventors: 曾冠豪; 陳家源; 王柏之
Original assignee: 瑞昱半導體股份有限公司
Priority date: 2020-03-06
Filing date: 2020-03-06
Publication date: 2021-09-16
Also published as: TWI727693B; US20210281332A1; US11165516B2

Abstract

一種適用於校準系統的輸出功率線性化方法，其包含以下流程：提供指示訊號至校準系統的發射模組，指示訊號對應於多個理想輸出功率中的目前理想輸出功率，且發射模組依據指示訊號以實際輸出功率輸出射頻訊號；透過校準系統的回授電路自發射模組的輸出端獲取回授訊號，並由回授訊號計算出回授輸出功率；計算目前理想輸出功率與回授輸出功率的輸出誤差；若輸出誤差的絕對值大於回授電路的回授誤差的絕對值，則調整發射模組的目前增益以使實際輸出功率逼近於目前理想輸出功率。

Description

校準系統、射頻系統與其輸出功率線性化方法

本揭示文件有關一種校準系統，尤指一種能自動建立功率輸出控制表的校準系統。

射頻發射器在不同的使用情境中，通常會依據內建的功率輸出控制表來適應性地切換其功率放大器的輸出功率，以延長行動裝置的電池使用時間。為了使功率放大器的多級輸出功率能呈現線性增加，傳統的作法是由人工針對數位控制訊號的每個輸入碼手動調整功率放大器中電晶體的等效大小，並將調整的結果紀錄於功率輸出控制表。然而，每當射頻發射器應用於不同的天線時，上述的作業必須重新執行，於人力的使用上十分沒有效率。

本揭示文件提供一種輸出功率線性化方法，其適用於校準系統，且包含以下流程：提供指示訊號至校準系統的發射模組，指示訊號對應於多個理想輸出功率中的目前理想輸出功率，且發射模組依據指示訊號以實際輸出功率輸出射頻訊號；透過校準系統的回授電路自發射模組的輸出端獲取回授訊號，並由回授訊號計算回授輸出功率；計算目前理想輸出功率與回授輸出功率之間的輸出誤差；若輸出誤差的絕對值大於回授電路的回授誤差的絕對值，則調整發射模組的目前增益以使實際輸出功率逼近於目前理想輸出功率。

本揭示文件提供一種校準系統，其包含基頻控制電路、發射模組、回授電路與補償量計算電路。基頻控制電路用於提供指示訊號至發射模組，且指示訊號對應於多個理想輸出功率中的目前理想輸出功率。發射模組用於依據指示訊號以實際輸出功率輸出射頻訊號。回授電路用於自發射模組的輸出端獲取回授訊號。基頻控制電路用於依據回授訊號計算回授輸出功率，且基頻控制電路計算目前理想輸出功率與回授輸出功率之間的輸出誤差。補償量計算電路耦接於基頻控制電路。若補償量計算電路判斷輸出誤差的絕對值大於回授電路的回授誤差的絕對值，則基頻控制電路調整發射模組的目前增益以使實際輸出功率逼近於目前理想輸出功率。

本揭示文件提供一種射頻系統，其包含基頻控制電路、發射模組與回授電路。基頻控制電路用於提供指示訊號至發射模組，且指示訊號對應於多個理想輸出功率中的目前理想輸出功率。發射模組用於依據指示訊號以一實際輸出功率輸出射頻訊號。回授電路用於自發射模組的輸出端獲取回授訊號。基頻控制電路用於依據回授訊號計算回授輸出功率，且基頻控制電路計算目前理想輸出功率與回授輸出功率之間的輸出誤差。基頻控制電路還用於耦接補償量計算電路。當補償量計算電路判斷輸出誤差的絕對值大於回授電路的回授誤差的絕對值時，基頻控制電路調整發射模組的目前增益以使實際輸出功率逼近於目前理想輸出功率。

210,220,230,510,520,530:箭號

300:校準系統

310:補償量計算電路

320:射頻系統

322:基頻控制電路

324:發射模組

326:回授電路

328:儲存模組

3281:功率輸出控制表

330:天線

Sd:指示訊號

Sbs:基頻訊號

Srf:射頻訊號

Fb:回授訊號

PA:功率放大器

DA:驅動放大器

Cmp:增益補償量

Er_out:輸出誤差

Er_fb:回授誤差

400:輸出功率線性化方法

S402~S420:流程

510,510,520:箭號

600:放大電路

610:開關

620:電晶體

630:直流阻絕電容

640:射頻扼流圈

650:放大電路的輸入端

660:放大電路的輸出端

Vin:輸入訊號

Vout:輸出訊號

第1圖為功率放大器的輸出特性示意圖。

第2圖為功率放大器的輸出功率線性化過程示意圖。

第3圖為依據本揭示文件一實施例的校準系統簡化後的功能方塊圖。

第4A~4C圖為依據本揭示文件一實施例的輸出功率線性化方法的流程圖。

第5A圖為依據本揭示文件一實施例的發射模組的輸出功率線性化過程示意圖。

第5B圖為依據本揭示文件另一實施例的發射模組的輸出功率線性化過程示意圖。

第5C圖為依據本揭示文件又一實施例的發射模組的輸出功率線性化過程示意圖。

第6圖為依據本揭示文件一實施例的放大電路簡化後的電路示意圖。

以下將配合相關圖式來說明本揭示文件的實施例。在圖式中，相同的標號表示相同或類似的元件或方法流程。

第1圖為功率放大器的輸出特性示意圖。理想上，功率放大器針對不同的數位輸入碼所提供的多級輸出功率應呈現線性遞增。不過，由於製程誤差和環境溫度等等多種因素的影響，功率放大器的實際輸出功率與理想值之間會存在誤差。

第2圖為功率放大器的輸出功率線性化過程示意圖。第2圖中的箭號210、220和230分別代表功率放大器的實際輸出功率、由功率放大器的輸出端偵測到並回授的輸出功率以及補償後的功率放大器的實際輸出功率，其中補償指的是手動或透過電路調整功率放大器的增益，以使功率放大器的多級輸出功率呈現線性遞增。第2圖中央的刻度1代表功率放大器的理想輸出功率，其餘的刻度則是用於判斷功率補償量的臨界值。臨界值之間的分貝範圍在一般情況下會被設置為功率放大器的輸出解析度(例如，0.5分貝)或輸出解析度的一半。如第1圖所示，輸出解析度指的是功率放大器針對相鄰的數位輸入碼而提供的兩個理想輸出功率之間的差異。

請再參考第2圖，一般而言，回授的輸出功率(箭號220)每超過一個臨界值，功率放大器的增益便會被提升或降低一單位的補償量，其中每單位的補償量通常被設置為功率放大器的輸出解析度(例如，0.5分貝)。然而，回授的輸出功率(箭號220)會由於回授路徑引起的誤差而不同於實際輸出功率(箭號210)。此時，功率放大器會獲得錯誤的增益補償量，進而使補償後的實際輸出功率(箭號230)具有錯誤的數值。

例如，在功率放大器的解析度略小於回授路徑的誤差的情況下，如第2圖所示，即使實際輸出功率(箭號230)尚未超出最接近於理想輸出功率的臨界值而無需補償，功率放大器仍會獲得兩倍解析度的增益補償量，使得補償後的實際輸出功率(箭號230)與理想輸出功率之間的差異超過兩倍解析度。

第3圖為依據本揭示文件一實施例的校準系統300簡化後的功能方塊圖。校準系統300包含補償量計算電路310與射頻系統320，其中射頻系統320包含基頻控制電路322、發射模組324、回授電路326以及儲存模組328。基頻控制電路322用於提供基頻訊號Sbs與指示訊號Sd至發射模組324。基頻訊號Sbs可以攜帶有欲通過天線330發射的各種資訊，而指示訊號Sd用於控制發射模組324切換其增益(或發射功率)。發射模組324耦接於基頻控制電路322，且包含有驅動放大器DA與功率放大器PA。發射模組324用於將基頻訊號Sbs調製為射頻訊號Srf。

回授電路326耦接於發射模組324的輸出端(或功率放大器PA的輸出端)與儲存模組328之間。回授電路326用於將射頻訊號Srf轉換為一回授訊號Fb，且儲存模組328會儲存回授訊號Fb所代表的回授輸出功率。實作上，回授電路326可以用與發射模組324的輸出端至天線330之間的傳輸線互相平行的金屬導線來實現，亦即回授電路326可以是間接耦接於發射模組324的輸出端。回授電路326與儲存模組328之間可以串聯設置有衰減器、類比數位轉換器與濾波器等等，為簡潔起見，這些電路未繪示於第3圖中。

基頻控制電路322會自儲存模組328讀取回授輸出功率以及對應的理想輸出功率，並將回授輸出功率與理想輸出功率之間的輸出誤差Er_out提供給補償量計算電路310。補償量計算電路310會依據輸出誤差Er_out回傳對應的增益補償量Cmp至基頻控制電路322，而基頻控制電路322會依據接收到的增益補償量Cmp調整指示訊號Sd，以提升或降低發射模組324的增益。如此一來，發射模組324的實際輸出功率便會逼近於理想輸出功率。

實作上，補償量計算電路310可以用個人電腦、現場可程式化邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Arrays，簡稱FPGA)、特殊應用積體電路(Application Specific Integrated Circuits，簡稱ASIC)或是其他可程式化的邏輯裝置來實現。

第4A~4C圖為依據本揭示文件一實施例的輸出功率線性化方法400的流程圖。第5A~5C圖為依據本揭示文件一些實施例的發射模組324的輸出功率線性化過程示意圖。請先參考第4A圖，在流程S402中，基頻控制電路322提供對應於一第一輸入碼的指示訊號Sd以及基頻訊號Sbs至發射模組324，其中第一輸入碼是用於指定儲存模組328中的多個理想輸出功率的其中之一(以下稱為目前理想輸出功率)。發射模組324會依據指示訊號Sd，將基頻訊號Sbs以對應於目前理想輸出功率的一實際輸出功率調製為射頻訊號Srf。

在本實施例中，儲存模組328中的多個理想輸出功率呈現實質上線性遞增，且相鄰兩者之間具有一預設分貝範圍。例如，以相似於第1圖中的多個理想輸出功率般線性遞增。換言之，前述的預設分貝範圍可以是第3圖的功率放大器PA的解析度。

在流程S404中，回授電路326依據射頻訊號Srf產生回授訊號Fb。射頻系統320會對回授訊號Fb執行一系列的訊號處理(例如，類比數位轉換與衰減)，以計算出回授訊號Fb代表的回授輸出功率，並將回授輸出功率寫入儲存模組328。理想上，回授輸出功率應等於發射模組324的實際輸出功率，但由於回授電路326的傳輸損耗，回授輸出功率與實際輸出功率之間會存在差異(以下稱為回授誤差Er_fb)。

在流程S406中，基頻控制電路322會自儲存模組328讀取目前理想輸出功率與回授輸出功率，並計算目前理想輸出功率與回授輸出功率之間的輸出誤差Er_out。

在流程S408中，基頻控制電路322會將輸出誤差Er_out提供至補償量計算電路310。補償量計算電路310會判斷輸出誤差Er_out是否大於0分貝。若是，校準系統300會執行流程S410。若否，校準系統300會執行流程S412。

請參考第4B圖，在流程S410中，補償量計算電路310會依據輸出誤差Er_out判斷回授輸出功率是否大於一或多個大於0分貝的臨界值，其中臨界值用於決定增益補償量Cmp並可以事先儲存於補償量計算電路310本身的記憶單元中，且任意兩個相鄰臨界值之間的分貝範圍等於回授誤差Er_fb。若是，則校準系統300會執行流程S414，以降低發射模組324對應於目前之指示訊號Sd的增益(以下稱為目前增益)。若否，校準系統300不調整發射模組324的目前增益，並執行後述的流程S420。

以下將配合第5A圖進一步說明流程S410。第5A圖中刻度1代表發射模組324的目前理想輸出功率，而其餘的刻度(1+Er_fb)至(1+i*Er_fb)以及(1-Er_fb)至(1-i*Er_fb)則代表著補償量計算電路310中儲存的多個臨界值，其中i為正整數。箭號510、520和530分別代表發射模組324的實際輸出功率、回授輸出功率以及補償後的實際輸出功率。

如第5A圖所示，由於實際輸出功率(箭號510) 等於目前理想輸出功率，回授輸出功率(箭號520)會等於目前理想輸出功率加上回授誤差Er_fb而位於刻度(1+Er_fb)上。此時，因為回授輸出功率(箭號520)沒有大於任何的臨界值，補償量計算電路310會判斷無需調整發射模組324的目前增益而將增益補償量Cmp設置為0。校準系統300會接著執行後述的流程S420，使得補償後的實際輸出功率(箭號530)也會等於目前理想輸出功率。

另一方面，在流程S414中，補償量計算電路310會依據輸出誤差Er_out和回授誤差Er_fb彼此之間的倍數關係設置補償量。若將輸出誤差Er_out除以回授誤差Er_fb所得到的商值之小數點後無條件捨去得到M，則代表回授輸出功率已在大於0分貝的區段中不小於M個臨界值，補償量計算電路310會將增益補償量Cmp設置為功率放大器PA的解析度的M倍，其中M為正整數。接著，基頻控制電路322會自補償量計算電路310接收增益補償量Cmp，並將功率放大器PA的目前增益減去增益補償量Cmp。

以下將配合第5B圖進一步說明流程S414。在第5B圖的情境中，由於補償量計算電路310計算出的M值為1，補償量計算電路310會將增益補償量Cmp設置為功率放大器PA的1倍解析度。因此，補償後的實際輸出功率(箭號530)會等於實際輸出功率(箭號510)減去功率放大器PA的1倍解析度。相較於第2圖的情境，雖然第5B圖的情境中功率放大器PA的解析度也接近於回授誤差 Er_fb，但第5B圖中補償後的實際輸出功率(箭號530)與目前理想輸出功率的誤差只約有功率放大器PA的0.5倍解析度，而不會像第2圖的情境般相差2倍解析度以上。

請參考第4C圖，在流程S412中，補償量計算電路310會依據輸出誤差Er_out判斷回授輸出功率是否小於一或多個小於0分貝的臨界值。若是，則校準系統300會執行流程S416，以增加發射模組324的目前增益。若否，校準系統300不調整發射模組324的目前增益，並執行後述的流程S420。

在流程S416中，補償量計算電路310會依據輸出誤差Er_out和回授誤差Er_fb彼此之間的倍數關係設置補償量。若將輸出誤差Er_out除以回授誤差Er_fb所得到的商值之小數點後無條件捨去得到M，則代表回授輸出功率已在小於0分貝的區段中不大於M個臨界值，補償量計算電路310會將增益補償量Cmp設置為功率放大器PA的解析度的M倍，其中M為正整數。接著，基頻控制電路322會自補償量計算電路310接收增益補償量Cmp，並將功率放大器PA的目前增益加上增益補償量Cmp。

以下將配合第5C圖進一步說明流程S416。在第5C圖的情境中，由於補償量計算電路310計算出的M值為2，補償量計算電路310會將增益補償量Cmp設置為功率放大器PA的2倍解析度。因此，補償後的實際輸出功率(箭號530)會等於實際輸出功率(箭號510)加上功率放大器PA的2倍解析度。由第5C圖可知，在功率放大器PA的解析度接近於回授誤差Er_fb的情境中，即使目前理想輸出功率與回授輸出功率(箭號520)相差2倍解析度以上，補償後的實際輸出功率(箭號530)與目前理想輸出功率的誤差仍然能夠維持於0.5倍解析度左右。

由流程S408至流程S416可知，若輸出誤差Er_out的絕對值大於回授誤差Er_fb的絕對值，則基頻控制電路322就會調整發射模組324的目前增益，以使發射模組324的實際輸出功率逼近於目前理想輸出功率。

如第4B~4C圖所示，在執行完流程S414和S416之後，校準系統300會接著執行流程S418，以將流程S414或S416中得到的調整後的目前增益與前述第一輸入碼的對應關係記載於儲存模組328中的功率輸出控制表3281。接著，校準系統300會接著執行流程S420以判斷發射模組324的校準次數(亦即輸出功率線性化方法400的執行次數)是否已達到一預設次數。若是，校準系統300會結束執行輸出功率線性化方法400。若否，校準系統300會再度執行流程S402。流程S420中的判斷可由基頻控制電路322或補償量計算電路310來執行。

在一些實施例中，流程S420中的預設次數可以設置為發射模組324所能提供的不同大小的輸出功率的級數。例如，若發射模組324可以提供10級不同大小的輸出功率，則預設次數可以設置為10。

另外，當校準系統300再度執行流程S402，基頻控制電路322會提供對應於一第二輸入碼的指示訊號 Sd至發射模組324。第二輸入碼不同於前述的第一輸入碼，且用於指定儲存模組328中的多個理想輸出功率中的另一者做為新的目前理想輸出功率。換言之，校準系統300能自動校準發射模組324的輸出特性並使其線性化。

以下將配合第6圖進一步說明前述的流程S418。第6圖為依據本揭示文件一實施例的放大電路600簡化後的電路示意圖。放大電路600可用於實現第3圖的驅動放大器DA或功率放大器PA，且放大電路600包含多個開關610、多個電晶體620、直流阻絕電容630以及射頻扼流圈640。多個開關610的第一端耦接於直流阻絕電容630與射頻扼流圈640，且多個開關610的控制端用於接收指示訊號Sd。每個開關610的第二端耦接於一個對應的電晶體620。多個電晶體620的控制端耦接於放大電路600的輸入端650，且用於接收輸入訊號Vin，其中輸入訊號Vin可以是基頻訊號Sbs或經由調製基頻訊號Sbs所產生的交流訊號。直流阻絕電容630耦接於多個開關610與放大電路600的輸出端660之間，且放大電路600的輸出端660用於提供輸出訊號Vout。在一些實施例中，輸出訊號Vout可以做為第3圖的射頻訊號Srf。

實作上，直流阻絕電容630與輸出端660之間還可以串聯或並聯一或多個諧振電路，為簡潔起見，這些諧振電路未繪示於第6圖中。另外，本揭示文件的功率放大器PA的實際實施方式並不限於第6圖的示範性實施例。

電晶體620的導通數量會決定放大電路600的增益。因此，基頻控制電路322於流程S418中可以依據調整後的目前增益決定電晶體620的導通數量(例如N個，且N為正整數)，並將電晶體620的導通數量與第一輸入碼的對應關係寫入功率輸出控制表3281。

換言之，基頻控制電路322可以將調整後的目前增益及/或電晶體620的導通數量與第一輸入碼的對應關係寫入功率輸出控制表3281。

綜上所述，校準系統300以及其輸出功率線性化方法400不但能自動化作業以提升人員使用效率，且不會錯誤地過度補償輸出增益。

在說明書及申請專利範圍中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。然而，所屬技術領域中具有通常知識者應可理解，同樣的元件可能會用不同的名詞來稱呼。說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異做為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來做為區分的基準。在說明書及申請專利範圍所提及的「包含」為開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。另外，「耦接」在此包含任何直接及間接的連接手段。因此，若文中描述第一元件耦接於第二元件，則代表第一元件可通過電性連接或無線傳輸、光學傳輸等信號連接方式而直接地連接於第二元件，或者通過其他元件或連接手段間接地電性或信號連接至該第二元件。

在此所使用的「及/或」的描述方式，包含所列舉的其中之一或多個項目的任意組合。另外，除非說明書中特別指明，否則任何單數格的用語都同時包含複數格的涵義。

以上僅為本揭示文件的較佳實施例，凡依本揭示文件請求項所做的均等變化與修飾，皆應屬本揭示文件的涵蓋範圍。