Brevet FR2768277A1 — publié le 19990312

Titre EMETTEUR AYANT UN RENDEMENT DE PUISSANCE ADDITIONNELLE AMELIORE ET RADIO L'EMPLOYANT Domaine techniaue L'invention concerne généralement les émetteurs, et plus précisément les émetteurs qui fonctionnent à un niveau de puissance de sortie parmi une pluralité de niveaux de puissance de sortie. Arrière-plan technoloaiaue Une tendance actuelle dans la conception d'appareils de communication est la réduction de la taille des dispositifs d'abonné à main plus petits. Cette tendance est évidente lorsque l'on compare les téléphones cellulaires commercialisés actuellement à ceux vendus seulement cinq ans plus tôt. Un des composants les plus grands de n'importe quel dispositif de communication portatif à main est la batterie. Avec l'importance accordée à la réduction de la taille, il a été nécessaire de réduire la taille de toute batterie ou bloc de batteries associées. Cependant, lorsque l'on réduit la taille de la batterie, il n'est pas acceptable de réduire le temps d'utilisation du dispositif et, du fait que, en général, une batterie plus petite assure une moindre accumulation d'énergie, soit une batterie plus performante doit être développée, soit le dispositif doit présenter un meilleur rendement dans son utilisation de l'énergie accumulée dans la batterie. Les deux stratégies sont actuellement suivies par les fabricants, cependant, la technologie des batteries étant très avancée, les fabricants se sont plus tournés vers l'augmentation du rendement des circuits électroniques du dispositif. Dans les dispositifs de communication portatifs à main, un des dispositifs à plus haute consommation d'énergie est l'émetteur. C'est la raison pour laquelle, par exemple, un téléphone cellulaire peut fonctionner pendant plusieurs jours avec une charge de batterie dans un mode veille, tandis que le "temps de dialogue" est mesuré en minutes ou en heures. Ceci est dû au fait que lorsque le dispositif est en émission, il emploie beaucoup plus d'énergie que lorsqu'il est dans un mode veille ou inactif. C'est notamment le cas avec un dispositif employant un système à modulation d'amplitude (AM), y compris les systèmes à modulation numérique tels que la modulation d'amplitude en quadrature de phase (QAM). Ceci est dû au fait que dans un système AM la puissance n'est pas constante avec le temps, et le rendement d'un amplificateur de puissance typique varie selon le niveau de puissance de sortie. Comme illustration d'un système AM typique, la figure 1 montre un diagramme 100 traçant la puissance de sortie 102 d'un amplificateur de puissance par rapport au temps 104 dans un système AM à accès multiple par répartition dans le temps (TDMA) typique. La courbe 106 est arbitraire, dépendante du signal émis. La courbe commence et finit à une puissance nulle du fait que le signal est uniquement émis pendant une tranche de temps particulière, conformément à un format TDMA. Dans la tranche de temps TDMA, il existe un niveau de puissance maximal, indiqué par la ligne 108, et un niveau de puissance moyen, indiqué par la ligne 110. Typiquement, l'amplificateur de puissance est conçu de sorte qu'il existe une certaine marge entre la puissance maximale et le point de saturation (Psat), indiqué par la ligne 112. Le point Psat est défini comme le point sur un tracé de la puissance de sortie par rapport à la puissance d'entrée o le gain de puissance de sortie diminue d'une quantité spécifiée, par exemple, 3 décibels (dB) par rapport au fonctionnement linéaire. Autrement dit, au fur et à mesure que la puissance d'entrée est augmentée, la puissance de sortie augmente linéairement selon un certain facteur de gain constant. Lorsque la puissance de sortie atteint le point Psat, le gain de puissance commence à être inférieur au niveau linéaire, et lorsque la différence entre la puissance de sortie réelle et la valeur escomptée linéairement est, par exemple, de 3 dB, le point Psat a été atteint. D'après la figure 1, on peut constater que dans un système AM la puissance de sortie moyenne de l'amplificateur de puissance doit être réglée de sorte que les pointes de puissance de sortie ne dépassent pas la ligne Psat, faute de quoi l'amplificateur de puissance fonctionnera en saturation, avec comme résultat une distorsion de sortie considérable. Cependant, le point de fonctionnement à rendement optimal pour un amplificateur de puissance linéaire typique, tel qu'un amplificateur de puissance de classe AB, est proche du point Psat. En référence à la figure 2, celle-ci montre un diagramme 200 traçant le rendement de puissance additionnelle (PAE) 202 par rapport à la puissance de sortie 204 en dB au-dessous du point Psat. Le PAE est le rendement de la conversion de la puissance c.c. fournie à l'amplificateur de puissance en puissance de signal. Du fait que, tel qu'illustré sur la figure 1, une puissance de signal AM varie avec le temps, le niveau de puissance de sortie nominal de l'amplificateur de puissance doit être réglé à un niveau suffisamment bas pour prévoir des niveaux- crête de puissance de sortie. A titre d'exemple, on peut considérer un amplificateur de puissance classe AB typique ayant un rapport puissance maximale - puissance moyenne de 5,6 dB. Afin de prévoir des niveaux-crête dans un système AM, et une marge, le niveau de puissance de fonctionnement nominal est réglé à -7,5 dB par rapport au point Psat, tel qu'indiqué par la ligne 206. Du fait que le rendement diminue lorsque le niveau de puissance est réglé à un niveau inférieur, pour un amplificateur de puissance classe AB typique, le rendement au point -7,5 dB est d'environ 24%, tel qu'indiqué par la ligne 208. Dans un système à modulation de fréquence (FM), la puissance de sortie sera constante, et par conséquent l'amplificateur de puissance dans un système FM peut fonctionner avec la puissance de sortie nominale réglée à un niveau beaucoup plus proche du point Psat. Le rendement est encore aggravé du fait que les unités de communication mobiles sont souvent conçues pour régler le niveau de puissance de sortie, selon l'emplacement de l'appareil récepteur. Ceci est effectué pour permettre une réutilisation de fréquences dans des régions d'exploitation proches, et pour éviter des interférences dues aux canaux voisins. Par conséquent, il existe un besoin pour un moyen à travers lequel le PAE est amélioré dans un amplificateur de puissance qui fonctionne à des niveaux de puissance de sortie discrets. Brève description des dessins La figure 1 est un diagramme traçant la puissance de sortie d'un amplificateur de puissance par rapport au temps pour une sortie de signal AM; La figure 2 un diagramme traçant le rendement de puissance additionnelle par rapport à la puissance de sortie, par comparaison avec le point Psat d'un amplificateur de puissance typique; La figure 3 un schéma fonctionnel d'une radio incorporant un émetteur selon l'invention; et La figure 4 un schéma fonctionnel d'un convertisseur de puissance à mode commuté selon l'invention. Description détaillée du mode de réalisation préféré Bien que la description se termine par des revendications définissant les caractéristiques de l'invention qui sont considérées comme étant novatrices, on estime que l'invention sera mieux comprise en examinant la description ci-après conjointement avec les figures, dans lesquelles les numéros de référence identiques sont repris. L'invention élimine le problème de la dégradation du rendement lors d'une émission à un niveau de puissance de sortie inférieur en tirant profit de la relation entre le point Psat et le niveau de tension appliqué à l'amplificateur de puissance. Cette relation est exprimée par l'équation suivante: Psat = (Vdd - Vsat)2/2R1 o: Vdd est la tension de service appliquée à l'amplificateur de puissance; Vsat est la tension de saturation du transistor de sortie de l'amplificateur de puissance; et Ri est la résistance externe présentée à la sortie de l'amplificateur de puissance. Pour réaliser une amélioration du rendement lorsque la puissance de sortie est réduite à un niveau Hréduit", il serait souhaitable régler le point Psat de l'amplificateur de puissance. Autrement dit, lorsque le niveau de puissance de sortie est réduit, le point Psat est réduit de même pour maintenir le rendement de fonctionnement maximal tout en prévoyant suffisamment de marge pour éviter de saturer le transistor de sortie de l'amplificateur de puissance. Par exemple, si le niveau de puissance de sortie est réduit de 5 dB, une réduction du point Psat de 5 dB maintiendra sensiblement le même rendement qu'au niveau de puissance de sortie supérieur. D'après l'équation présentée ci-dessus, on constate qu'il y a essentiellement trois paramètres qui déterminent le niveau Psat. Par conséquent, tout réglage du niveau Psat doit être effectué en réglant au moins un de ces trois paramètres. Parmi ces paramètres, la tension de saturation Vsat du transistor de sortie est le moins modifiable. Cette valeur est déterminée par les caractéristiques du transistor de sortie, et elle est sensiblement constante surtout le domaine de puissance de sortie. La résistance externe R1 peut être modifiée en cours de fonctionnement, mais à un degré très limité. Cette valeur est déterminée par le réseau d'adaptation à la sortie et, par conséquent, la résistance dépend de la performance de ces circuits. Finalement, la tension d'alimentation Vdd doit être analysée. Typiquement, tel que mentionné ci-dessus, la source d'énergie pour un dispositif de communication portatif est une batterie ou bloc de batteries. La tension de la batterie est soit réglée à un niveau prescrit, soit appliquée directement à l'amplificateur de puissance. Dans ce dernier cas, un circuit de polarisation simple et bien connu est nécessaire pour assurer une polarisation correcte de l'amplificateur de puissance au fur et à mesure que la tension de la batterie change. Par conséquent, en employant un moyen pour régler sélectivement la tension appliquée à l'amplificateur de puissance, on obtiendra l'amélioration du rendement souhaitée. En référence à la figure 3, celle-ci est un schéma fonctionnel d'une radio 300 comportant un émetteur 302 selon l'invention. La radio est reliée à une source de tension 304, telle qu'une batterie ou bloc de batteries, et elle possède une antenne 306 pour émettre et recevoir des signaux radiofréquence (RF). Le composant principal de l'émetteur est l'amplificateur de puissance 308. Dans certains émetteurs, tels que les émetteurs QAM, un circuit de linéarisation 309 est employé pour prévoir une linéarisation supplémentaire. Dans le mode de réalisation préféré, le circuit de linéarisation prévoit une réinjection cartésienne, bien qu'il soit envisagé que n'importe quelle technique de circuit de linéarisation connue puisse être employée, telle que, par exemple, une réinjection à action directe, à préaccentuation adaptable, ou polaire, pour ne citer que quelques techniques. Dans le cas d'une réinjection cartésienne, un signal sur la ligne 311 est réinjecté vers la source de signaux 310, laquelle comprend un modulateur. L'amplificateur de puissance reçoit un signal d'entrée d'une source de signaux 310, laquelle comprend des circuits pour moduler une onde porteuse avec un signal de message. Le signal de message constitue les informations à transmettre à un poste récepteur, et il peut s'agir d'un message vocal ou de données, par exemple. Ainsi, le signal d'entrée est déjà un signal RF et l'amplificateur de puissance ne fait qu'augmenter la puissance du signal d'entrée pour produire un signal de sortie à la sortie 312 de l'amplificateur de puissance. Afin de permettre l'émission dans des modes réduits, l'amplificateur de puissance est exploitable à une pluralité de niveaux de sortie, le niveau particulier étant sélectionnable par un contrôleur 313. Le signal de sortie est filtré par un réseau de filtrage d'harmoniques/d'adaptation à la sortie 314 pour éliminer les fréquences perturbatrices contenues dans le signal de sortie, et pour prévoir une adaptation d'impédance pour l'antenne. Selon le type de radio considéré, un commutateur RF 316 peut être employé pour assurer la commutation de la liaison antenne entre un mode émission et un mode réception de la radio. Afin de régler le niveau de tension appliqué à l'amplificateur de puissance, un régulateur de tension 318 est prévu disposé entre la source de tension 304 et l'amplificateur de puissance. Le régulateur de tension règle la tension brute fournie par la source de tension 304 à un niveau de tension de sortie discret parmi une pluralité de niveaux de tension de sortie discrets sur la ligne 320, lequel est employé pour appliquer une tension à l'amplificateur de puissance 308. Le régulateur de tension est sensible à un signal de commande fourni par le contrôleur 313. Le signal de commande fait que le régulateur de tension exploite l'amplificateur de puissance sélectivement à un de la pluralité de niveaux de tension de sortie discrets du régulateur de tension, qui représente la tension d'alimentation pour l'amplificateur de puissance. Ainsi, le contrôleur 313 détermine le niveau de tension d'alimentation auquel l'amplificateur de puissance doit fonctionner et fournit ensuite au régulateur de tension un signal de commande approprié de façon à ce que le point Psat soit réglé pour maintenir le rendement maximal tel qu'indiqué par le tracé de la figure 2. Afin d'illustrer le fonctionnement de l'invention, considérons l'exemple suivant. Supposons qu'une unité radio mobile incorporant l'invention se déplace et pénètre dans une région desservie par un poste de base particulier. Lorsqu'elle pénètre dans la région, l'unité radio mobile émet au niveau maximal de puissance permis. Cependant, avec le temps, l'unité radio mobile s'approche de l'antenne du poste de base. A un certain moment, lorsque l'unité radio mobile approche de l'antenne, l'unité mobile radio réduit sa puissance de sortie. Selon le graphique de la figure 2, en l'absence d'un réglage de la tension appliquée à l'amplificateur de puissance de l'unité mobile radio, le PAE de l'unité mobile radio se dégrade. Cependant, le contrôleur 313 commande le régulateur de tension pour fonctionner à un niveau de tension inférieur de sorte que le rendement de l'amplificateur de puissance est optimisé. Dans le mode de réalisation préféré, le régulateur de tension est un convertisseur de puissance à mode commuté. Un grand nombre de différents circuits convertisseurs de puissance à mode commuté sont disponibles, et sont tous bien connus dans la technique. En général, il existe trois catégories de convertisseurs de puissance à mode commuté: dévolteur, survolteur, et survolteur- dévolteur. Un convertisseur dévolteur convertit un niveau de tension source en un niveau de tension inférieur. Les convertisseurs de type survolteur convertissent la tension source en une tension plus élevée que le niveau de tension source, et ceux de type survolteur- dévolteur assurent une conversion soit élévatrice, soit abaissante du niveau de tension source. Ces trois types peuvent tous être employés selon l'invention, suivant un choix technique nécessaire à la mise en oeuvre d'une application particulière. Cependant, il est à signaler que la tendance actuelle dans les dispositifs électroniques portatifs, et dans les dispositifs radio portatifs en particulier, est aux tensions de régime plus basses. Dans certains cas, un objectif consiste à prévoir une unité radio, telle qu'une radio à deux voies ou un téléphone cellulaire, qui fonctionne avec une seule batterie, dont la tension nominale peut être aussi basse que 1,2 volts. Bien qu'une tension de régime si basse permette d'obtenir une plus faible consommation d'énergie, elle pose des problèmes considérables par rapport à la conception d'un amplificateur de puissance pour un tel dispositif. Par conséquent, dans un tel cas, un convertisseur à mode survolteur serait approprié. En référence à la figure 4, celle-ci montre un schéma fonctionnel d'un convertisseur de puissance à mode commuté 400 selon l'invention. Le schéma de convertisseur en question représente un convertisseur de type survolteur généralisé qui convertit un niveau de tension source, prévu par une source de tension 304, en un potentiel plus élevé. En général, le convertisseur comprend un inducteur 402, un commutateur 404, un élément de blocage 406, un condensateur filtre de sortie 408 et un circuit de commande 410. Le convertisseur alimente une charge 412, qui peut être un amplificateur de puissance. Le circuit de commande échantillonne la tension de sortie aux bornes du condensateur filtre, et la compare à une tension de référence ou de commande sur la ligne 414. Le circuit de commande fournit un signal à modulation d'impulsions en largeur (PWM) au commutateur, et il règle le taux d'impulsions du signal PWM de façon à ce que la tension de sortie corresponde à la tension de référence. Typiquement, le niveau de la tension de référence est largement inférieur à celui de la tension de sortie souhaitée et, par conséquent, la pratique courante consiste à diviser la tension de sortie à travers un simple réseau de résistances. Un niveau de tension plus élevé est obtenu à la sortie 416 en fermant le commutateur, reliant donc l'inducteur à la ligne de référence 418 momentanément, chargeant ainsi le tore magnétique de l'inducteur et appliquant le niveau de tension source aux bornes de l'inducteur. Lorsque le commutateur est ouvert par la suite, la polarité de la tension aux bornes de l'inducteur est inversée, cette tension s'additionnant ainsi au niveau de tension source, et le niveau de tension conjugué est appliqué au condensateur filtre et à la charge. L'élément de blocage empêche le retour de la charge délivrée à la sortie, tandis que le condensateur filtre assure le filtrage de la tension commutée. Lorsque l'invention est mise en oeuvre en employant le convertisseur de puissance généralisé de la figure 4 en tant que régulateur de tension de la figure 3, la ligne 414 constitue la ligne à travers laquelle le contrôleur 313 envoie un signal de commande au régulateur de tension. Par conséquent, en réglant la tension de référence appliquée au circuit de commande du convertisseur, le niveau de sortie peut être réglé sélectivement. Bien que les détails de la mise en oeuvre du circuit convertisseur relèvent de choix techniques, des efforts ont été réalisés pour produire des convertisseurs à très haut rendement. Un tel circuit convertisseur est décrit dans l'article intitulé "Chip Set With Power MOSFET Increases Cell- Phone Talk Time", (Puce pourvue d'alimentation MOS à effet de champ augmente temps de dialogue de téléphone cellulaire), de F. Goodenough, publié dans la revue Electronic Design, 19 août, 1996, pages 69, 70, et 77. L'article décrit un circuit convertisseur survolteur ou élévateur destiné à alimenter un amplificateur de puissance de téléphone cellulaire et enseigne sa conception. Le convertisseur décrit dans l'article présente un haut rendement, ce qui en fait un choix pratique en vue d'une utilisation dans un dispositif de communication alimenté par batterie. De même, des circuits convertisseurs à haut rendement de type abaisseur ou dévolteur, et de type survolteur- dévolteur sont connus dans la technique. L'utilisation d'un convertisseur de puissance présente un avantage supplémentaire dans certains dispositifs de communication. Une autre tendance dans les dispositifs de communication portatifs consiste à employer des protocoles de communication numériques et des formats à accès multiple par répartition dans le temps (AMRT). Dans de tels systèmes, l'unité portative émet les informations par rafales périodiques. Dans un système traditionnel, ces rafales créent des pointes dans le courant prélevé de la source de tension. Dans le cas des dispositifs alimentés par batterie, les niveaux de courant élevés provoquent une chute considérable de la tension de la batterie, et il se peut qu'ils provoquent une chute prématurée de la tension de la batterie au-dessous d'un seuil de fonctionnement du dispositif. Ceci est dû à la résistance interne de la batterie ou bloc de batteries. Afin d'atténuer ce problème, les fabricants ont commencé à incorporer des condensateurs à valeur élevée dans le bloc de batteries. Du fait que le condensateur possède une très faible résistance, il peut délivrer des rafales de charge de courte durée, maintenant ainsi la tension appliquée à la radio. Du fait que les rafales de courant sont prélevées principalement par l'amplificateur de puissance, dans un émetteur selon l'invention le condensateur filtre 408 peut fournir la réserve de charge nécessaire. Ainsi, selon l'invention, le rendement de puissance additionnelle d'un amplificateur de puissance pouvant fonctionner à plusieurs niveaux moyens de puissance de sortie peut être augmenté lorsque l'amplificateur de puissance fonctionne à des niveaux de puissance de sortie inférieurs à son niveau maximal. L'augmentation du rendement est obtenue en prévoyant un régulateur de tension ayant une pluralité de niveaux de tension de sortie pour alimenter l'amplificateur de puissance, et en commandant le régulateur de tension sélectivement de façon à ce que l'amplificateur de puissance soit exploité à un niveau de tension d'alimentation optimal. Bien que l'invention ait été décrite par rapport à un système AM, il est envisagé qu'une amélioration puisse également être obtenue dans les émetteurs FM. Dans le cas o un émetteur FM fonctionne à plusieurs différents niveaux de puissance de sortie, il subira une dégradation similaire du PAE lorsque le niveau de puissance de sortie est réglé à un niveau réduit. Par conséquent, en appliquant les principes de la présente invention, une augmentation du PAE peut être réalisée. Etant donné que les émetteurs FM emploient typiquement des amplificateurs de puissance non-linéaires, il est possible que les amplificateurs linéaires ainsi que non-linéaires bénéficient de l'invention. Les modes de réalisation préférés de l'invention aient été illustrés et décrits, mais on comprendra que l'invention n'est pas limitée à ceux-ci. Un grand nombre de modifications, remplacements, variations, substitutions et équivalences viendront à l'esprit des spécialistes de la technique sans quitter l'esprit et le cadre de la présente invention telle que définie dans les revendications jointes. REVENDICATIONS 1. Emetteur comprenant: un amplificateur de puissance exploitable à une pluralité de niveaux de puissance de sortie; un régulateur de tension pour appliquer un niveau de tension à l'amplificateur de puissance, le niveau de tension étant réglable à l'un d'une pluralité de niveaux de sortie, le régulateur de tension étant sensible à un signal de commande; et un contrôleur pour fournir le signal de commande au régulateur de tension afin d'exploiter l'amplificateur de puissance sélectivement à l'un de la pluralité de niveaux de sortie du régulateur de tension. 2. Emetteur selon la revendication 1, le régulateur de tension étant alimenté par une source d'alimentation, la source d'alimentation étant un bloc de batteries ayant un niveau de tension de sortie nominal. 3. Emetteur selon la revendication 2, le niveau de tension de sortie nominal du bloc de batteries étant inférieur à un niveau de sortie maximal du régulateur de tension. 4. Emetteur selon la revendication 1, l'amplificateur de puissance étant un amplificateur linéaire. 5. Emetteur selon la revendication 1, comprenant en outre un bloc de linéarisation relié entre une sortie et une entrée de l'amplificateur de puissance pour prévoir une réinjection vers l'amplificateur de puissance. 6. Dispositif radio comprenant: une source de tension; un amplificateur de puissance ayant une pluralité de niveaux de puissance de sortie, une sortie et une entrée; un régulateur de tension pour appliquer un niveau de tension à l'amplificateur de puissance, le niveau de tension étant réglable à un niveau de sortie parmi une pluralité de niveaux de sortie, le régulateur de tension étant sensible à un signal de commande pour sélectionner un de la pluralité de niveaux de sortie, et relié à la source de tension; et un contrôleur pour fournir le signal de commande au régulateur de tension afin d'exploiter l'amplificateur de puissance sélectivement à l'un de la pluralité de niveaux de sortie du régulateur de tension. 7. Dispositif radio selon la revendication 6, le régulateur de tension étant un convertisseur de puissance à mode commuté. 8. Dispositif radio selon la revendication 6, la source de tension étant un bloc de batteries ayant un niveau de tension de sortie nominal. 9. Dispositif radio selon la revendication 8, le niveau de tension de sortie nominal du bloc de batteries étant inférieur à un niveau de sortie maximal du régulateur de tension. 10. Dispositif radio selon la revendication 6, l'amplificateur de puissance étant un amplificateur linéaire.