CN1116018A - 控制功率放大器峰值包络功率的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种降低用以放大多信道的线性功率放大器的峰值包络功率的设备和方法，该方法包括如下步骤：测量线性功率放大器输出信号的峰值包络功率；测量多条信道中每信道的信道占空系数；以及当峰值包络功率超过第一阈值时，改变具有超过第二阈值的信道占空系数的多条信道中一条信道的至少一个参数，以便降低峰值包络功率。

Description

控制功率放大器峰值 包络功率的方法和设备

本发明涉及功率放大器(PA)，特别涉及控制PA的峰值包络功率的方法和设备。

蜂窝系统通过每一个基站同时处理多条业务信道是公知的，这种系统通常被指定多条信道(f1—fn)以支持通过这种本地基站与移动通信单元的通信，然后对每个基站分配这些信道(f1—fn)的一个子集，指定给一个基站的该信道子集的至少一个(往往是多个)信道被设计为控制信道用于接入控制和信道建立。

在该基站服务覆盖区域内，在业务信道上与通信单元的通信通常是通过位于该服务覆盖区域内中央的无方向性天线完成的。多项通信业务与由指派给该业务信道的发射机(位于基站处)支持的每个单独的通信可以通过该天线同时支持。每台发射机包括一个收发信机内的已调发射信号源和一个射频(RF)功率放大器，借此，每台发射机提供信号产生、调制和放大。

大量的业务信道信号从中央天线同时发射，要求每台工作的(active)收发信机的发射机输出信号送到中央天线并由中央天线发射之前被组合。为了避免相互干扰产生的交叉调制产物，该信号必须在放大过程内的任何非线性步骤之后组合。另外，组合技术必须提供足够的反向隔离以确保并列放大支路的信号不致被耦合到别的功率放大器的输出中再次产生交叉调制产物。

在每台收发信机装备自己的功率放大器(PA)时，组合必须在信号电平高而且组合损耗大的PA之后进行。转让给本发明受让者的美国专利U.S.4,667,172提供了一种合成这种高电平RF信号而又提供必要隔离的腔式合成器。

另一种通信系统中，收发信机不装备单独的PA；而在RF信号以相对较低的功率电平在该收发信机的输出端已经把组合之后使用了一个公用的多音线性PA(LPA)来放大。在使用一个公用天线的多个系统中用于业务信道的这种公用的LPA导致系统拓扑的明显简化，特别是在模拟和数字调制系统组合在一个基站的时候。

另一方面，使用LPA有相当大的缺点，特别是在RF信号置于均匀隔开的信道频率上并且相位锁定到公用频率源上的情况下，在这种情况下，导致信号限幅的幅度起伏发生在合成信号的峰值包络功率超过该LPA的峰值功率容量的地方。

图1—1至1—5示出在一个时间周期T期间在含有三个信号A、B和C的简单情况下的信号调相效应，图1—1、1—2和1—3，分别示出这三个信号，图1—4示出相加后的合成信号(A＋B＋C的绝对值)的包络。可以看到，当三个信号加在一起时，在周期的中央处(T/2)出现包络峰值。图1—5示出，把信号C反相(取A＋B－C的绝对值)能降低这个峰值的幅度。

当由LPA的增益放大了的合成输入信号的峰值包络功率(方形包络幅度)超过该LPA的峰值输出功率容量时，在LPA中可能出现限幅。业已观察，在某些系统中由相位对准所产生的峰值持续1秒到10秒或更长的周期。RF信号的限幅导致对其他RF信道产生交叉调制产物并使系统性能下降。

当这种信号的载波未被调制(在话音暂停期间)或弱调制(在话音波形的低能量部分期间)时，由于信号在相位上相加引起的限幅是最严重的。载波的全调制产生载波相位的随机变化，而把限幅的持续期限制到1ms量级的时段。然而，在载波未被调制或弱调制时，反复限幅过程可能发生，这是周期性的，以等于工作的载波的频差的速率为周期。这种反复限幅过程导致在载波相位靠近时产生强的交叉调制产物。

以往对由于相位相加引起的峰值包络功率的控制所做的尝试包括LPA降级(de—rating)或有意地使频率基准去相关。降级调节相峰值要求过分大的LPA。去相关频率基准可改善在峰值出现峰值很短、因而更易于接受的情况。

 使用去相关的(独立的)频率基准是昂贵且低效的。使用过分大的LPA降低了在低功率电平下信号组合的固有益处。据此，现在需要有一种在LPA内对峰值包络功率进行控制的更有效的方法。

图1—1至1—5示出在一个功率放大器中引起峰值包络功率峰值的相位相加的情况。

图2示出本发明实施例的蜂窝基站发射机部分的简化方框图。

图3示出本发明实施例的相位控制器的方框图。

图4示出本发明实施例的峰值包络功率控制的流程图。

图5示出本发明实施例的发射机部分的方框图。

从概念上说解决控制LPA的峰值包络功率(PEP)问题在于随机地或者在预先建立的参数变化表的控制下把参数变化引入到选定的、未调制或弱调制信道的信号中。在线性功率放大器的输入端或输出端PEP测量之前的时间将该参数变化引入到一个载波中。在参数变化把PEP增加得超过先前的PEP功率测量值时，将先前的参数反向，在当前的PEP小于先前的测量值时，允许维持该参数变化并为参数变化选定下一个载波。

通过对未调制或弱调制信道的参数控制来控制PEP就能把变化限制到对PEP产生可控改善的信道上，这是有好处的，把参数变化限制到未调制或弱调制信道考虑到未调制或浅调制信道的信号电平衰减而没有信号信息的明显丢失，并且具有衰减与载波调相变化有关的连续的噼啪声和喀呖声的有益效果。

PEP的绝对值用以作为需要进行PEP控制的指示，在PEP超过一个阈值时，一个载波连续进行参数变化，直到PEP下降到阈值以下时为止。PEP再次超过该阈值时，这个过程重新开始。

参数变化可以是相位变化或功率控制变化，该参数变化仅用未调制或弱调制的信道来进行。由信道占空系数(activity level)的测量来确定调制程度，如果信道的占空系数超过阈值而表明一个未调制或弱调制的信道，则对这种信道进行参数变化来控制PEP。

图4示出按照本发明实施例的PEP控制过程的流程图，参照图4有利于理解本发明的该过程。

为了论述的简便起见，首先把注意力集中到基于控制载波调相参数的PEP降低，可以理解，基于诸如单独载波功率控制之类的附加参数的PEP控制过程是一个同等有效的PEP控制方法。描述基于相位变化的PEP控制之后，将把讨论扩宽到包括了在未调制或弱调制状态的信道上传送的信号的幅度控制。

图2示出按照本发明的蜂窝基站的蜂窝功率放大器的发射机部分10的方框图。准备用于无线电话(未示出)的控制信息在控制器11内构成，在控制发射机12内对载频进行调制，在发射组合器15内与其他信号相组合，在LPA17内放大，再经天线18发射出去。同样，由控制器11接收的业务信息在业务发射机13—14内被调制，在发射组合器15中组合，在LPA17内被放大，再经天线18发射出去。

控制器11把来源于公共电话交换网(PSTN)或其他基站(未示出)内的业务信道信息传送到合适的业务发射机13—14。来源于控制器11内的控制信息也由控制器11传送到控制发射机12。发射机12—14的低电平输出信号在合成器15内经电阻性的或其他组合技术来组合以便在LPA17中进行连续放大。在LPA17中把组合的信号放大到足以经天线的高电平。

控制器11通过PEP检测器16监测合成器15的PEP输出电平，PEP检测器1 6测量到的PEP电平与控制器11内存储的阈值相比较，以便确定是否需要进行PEP控制，根据是否需要进行PEP控制的确定，控制器按顺序把相位变化引入到未调制或弱调制的载波，每次一个载波直到该PEP降到该阈值以下为止。

控制器11通过位于发射机12—14的每个发射机中的相位控制装置或通过在组合器15内的相应信号通道把相位变化引入到发射机部分10内产生的各个射频信号中。图3示出这种相位控制装置30的一个例子。这个相位控制装置30包括控制装置23、继电器装置24—25和一个半波长导体22。控制装置23从控制器11一接收到适当的指令，就使继电器24—25在两个状态之间转换。在第一状态下，继电器处于静止状态(如图3所示)，这时半波长导体22不包括在RF电路内；在第二状态下，控制器11经控制装置23激励继电器24—25，这样就把该半波导体22插入到RF通道中，在信号通道中接入该半波导体22就把相位变化引入到等于π值的载波信号中。

可以理解，本发明所采用的图3中的相位控制装置30不是相移器唯一的类型。一种可能的改型是具有多于两种状态的相位控制器，诸如可以产生π/2、π和3π/2相移的一种相位控制器。图3的相位控制装置30串联一个含有一个四分之一波长导体取代半波导体22的类似的相位控制装置就可以制成上述这种相位控制器。相位控制还可以通过发射机12—14中的频率合成电路来实现，例如：把相移插入到驱动特定合成器的基准频率信号中。实际上，由于相位变化可以缓慢地进行而且有高的分辨率，因此这是一种最好的方法。

作为例子，发射机部分10带着由发射机12—14的每一个发射机发射出去的RF信号在满容量的状态下运行，由PEP检测器16测量组合信道的PEP电平(步骤104)，并传送到控制器11。在控制器11内，该PEP值与阈值比较(步骤105)，当该PEP值低于该阈值时，不执行PEP控制。

当控制器11检测到该PEP高于该阈值时(步骤105)，控制器11改变在控制器11的存储器(未示出)中的寄存器(载波寄存器)内识别的发射机12—14的相位控制装置30的状态(步骤106)。改变发射机12—14之一的相位控制装置30的状态导致通过由寄存器识别的发射机12—14的选定的载波的相位变化。

相位控制装置30的状态改变之后，该控制器由PEP检测器16进行第二次PEP测量(步骤107)，第二次PEP测量结果与第一次测量结果相比较。若第二PEP值小于第一PEP值，控制器11就(步骤100)选择另一个载波(例如：递增载波寄存器的内容)；如果第二测量值大于第一测量值，控制器11就(步骤109)将相位变化反向。把原始选定的载波相位恢复到初始状态之后，控制器11选择另一个载波并且重复该步骤，直到PEP值高于阈值。

图5示出按照本发明实施例的图2所示的发射机部分10更详细的方框图，图中示出PEP控制系统详图，并考虑使用功率控制的PEP控制。图中示出发射机部分10的PEP控制器系统和控制三条信道12—14的PEP的设施。假设由图2的控制器11提供的信道转换也在图5中所示的设备中来处理，则与图5中PSTN的互连直接连接到发射机12—14。

按照本发明的实施例，设置回波消除器41、51、61分别用于发射机12—14，回波消除器41、51、61使话音占空率检测器43、53、63得到精确的信道占空系数测量值(步骤101)，信道占空系数的测量值与每个话音占空率检测器43、53和63内的阈值相比较，以便识别为降低PEP而进行参数变化的待选信道。

微计算机60利用来自每个话音占空率检测器43、53、63的话音占空系数输入值识别未调制或弱调制的信道，并向每台发射机47、57、67发送一个信号以便(步骤103)有选择性地把每台发射机12—14的前向信道功率电平(基站到移动单元)降低一个预定的功平电平(例如：3db)。(如果从用户收到的测量信号强度指示器(RSSI)电平不足以保证良好的载波/噪声性能，则前向功率电平的这种降低可以被省略)。如果所选定的信道不超过该阈值，则选择另一条信道(步骤100)。

确定信道占空系数超过阈值之后，PEP检测器16进行PEP测量。PEP检测器16测到的PEP值在模/数(A/D)变换器59内变换成适当的格式，并且在微计算机60中与一个阈值相比较，如果该PEP不超过该阈值，重复该测量过程直到需要进行PEP控制为止。

该PEP超过该阈值时，微计算机60经一个适当的数/模(D/A)变换器把相位变化指令发送到适当的相移器46、56、66。相移器46、56、66一收到相移指令就把相移引入到所选定的载波中(步骤106)。

相位变化之后，再次测量PEP(步骤107)，如果相位变化未降低PEP，则使相位变化反向；如果相位变化降低了PEP，则选择另一个载波。

为参数变化而作的载波选择可以是递增的(例如：按顺序处理每个载波)，或是随机的。如果所用的载波数量少，则递增系统可以提供简单而又容易实施的处理过程；如果所用的载波数量大，则随机处理可能更显得必要。

通过调整参数来控制PEP有益于提供一种降低PEP的方法而在深调制的时段内对平均发射功率没有影响，按图1—5中相位变化表明的简单情况来说明这种影响，对信号C来说，相位变化为π能使PEP降低，由于载波数量很大故在蜂窝系统的发射机中改变载波的相位或功率电平会有小得多的可观影响。另一方面，对于相位变化对PEP的影响来说，相位改变之后测试每个载波的过程保证只有分配到PEP的载波会受影响；PEP与阈值的比较确保仅在有必要的时候才会出现参数的变化；信道占空系数与阈值的比较确保只有那些对PEP有最大影响的信道(未被调制或浅调制的信道)才受参数变化的影响。

从详细的说明可以显见本发明的这许多特点和优点，而所附的权利要求书是要覆盖落入本发明的宗旨和范围的系统的所有这些特点和优点。进而，因本领域的那些普通技术人员容易想到许多改型和变化(例如：工作的信道的参数变化)，故不要把本发明限定于所说明和描述的精确结构和运作，相应地，所有相适应的改型和等同物都可能落入本发明的范围之内。

当然应该理解，本发明决不限定于附图中的特定表示，而是还包括所附的权利要求书的范围内的任何改型。

Claims (11)

1.一种降低用以放大多条信道的线性功率放大器的峰值包络功率的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：测量线性功率放大器的峰值包络功率；测量多条信道中每条信道的信道占空系数；以及当峰值包络功率超过第一阈值时，改变具有超过第二阈值的信道占空系数的多条信道的一条信道的至少一个参数，以便降低峰值包络功率。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，改变至少一个参数的步骤进一步包括降低该信道载波的功率电平。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于，改变至少一个参数的步骤进一步包括改变该信道载波的相位。

4.一种降低用以放大多条信道的线性功率放大器的峰值包络功率的设备，其特征在于，该设备包括：测量线性功率放大器的峰值包络功率的装置；测量多条信道中每条信道的信道占空系数的装置；以及当峰值包络功率超过第一阈值时改变具有超过第二阈值的信道占空系数的多条信道中的一条信道的至少一个参数、以降低峰值包络功率的装置。

5.根据权利要求4的装置，其特征在于，改变至少一个参数的装置进一步包括降低该信道的载波功率电平的装置。

6.根据权利要求4的装置，其特征在于，改变至少一个参数的装置进一步包括改变该信道的载波相位的装置。

7.一种降低用以放大多条信道的线性功率放大器的峰值包络功率的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：测量线性功率放大器的峰值包络功率；测量多条信道中每条信道的信道占空系数；以及当峰值包络功率超过第一阈值时，改变具有超过第二阈值的信道占空系数的多条信道中的一条信道的功率电平，以便降低峰值包络功率。

8.一种降低用以放大多条信道的线性功率放大器的峰值包络功率的设备，其特征在于，该设备包括：测量线性功率放大器的峰值包络功率的装置；测量多条信道中每条信道的信道占空系数的装置；以及当峰值包络功率超过第一阈值时改变具有超过第二阈值的信道占空系数的多条信道中的一条信道中的功率电平以降低峰值包络功率的装置。

9.一种降低用以放大多条信道的线性功率放大器的峰值包络功率的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：测量线性功率放大器的峰值包络功率；测量多条信道中每条信道的信道占空系数；以及当峰值包络功率超过第一阈值时，改变具有超过第二阈值的信道占空系数的多条信道中的一条信道的载波的相位，以便降低峰值包络功率。

10.一种降低用以放大多条信道的线性功率放大器的峰值包络功率的设备，其特征在于，该设备包括：测量线性功率放大器的峰值包络功率的装置；测量多条信道中每条信道的信道占空系数的装置；以及当峰值包络功率超过第一阈值时改变具有超过第二阈值的信道占空系数的多条信道的一条信道中的载波的相位以降低峰值包络功率的装置。

11.一种降低放大多条信道的线性功率放大器的峰值包络功率的设备，其特征在于，该设备包括：与线性功率放大器可操作地互连的峰值包络功率检测器；测量多条信道中每条信道的信道占空系数的信道占空系数检测器；以及当峰值包络功率超过第一阈值时改变具有超过第二阈值的信道占空系数的多条信道中的一条信道的载波的至少一个相位以降低峰值包络功率的峰值包络功率控制器。

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