SE516075C2 - Förfarande och anordning för stabilisering av förstärkning hos en styrslinga i en kommunikationsanordning - Google Patents

Description

unna 10 15 20 25 30 35 (fl gul» Ch: CQ *J (fl 2 styrslingan. I avsikt att understödja referenssignalens stora bandbredd måste den slutna slingans bandbredd styras noga. När förstärkarens förstärkning eller RF-insignal- drivniván ändrar sig så ändrar sig den slutna slingans bandbredd, vilket i sin tur kan medföra att systemet dis- torderar RF-enveloppen eller blir instabilt.

Effektstyrslingan kan också ha problem med att han- tera de olika förstärkningarna som uppkommer när varje ny sändare sätts samman med olika delar. När förstärkningen i slingan ökar ökar likasà den slutna slingans bandbredd.

Detta problem uppkommer när bandbredderna för de enskilda elementen i slingan (RF-förstärkningsstyranordningen och detektorbandbredden) kommer att begränsa den maximala bandbredden i den slutna slingan som slingan kan hantera utan att bli instabil. Begränsningar i utformningen av detektorn (dynamiskt område mot detektorns öppna band- bredd) tenderar att bestämma den öppna bandbredden i systemet.

Således finns det ett behov av en styrslinga att an- vända i en kommunikationsanordning som ger adekvata sling- egenskaper trots bl a temperatur, del-till-del-toleranser och förstärkningsvariationer i olika steg av kommunika- tionsanordningen.

Kort beskrivning_ay ritningarna Fig 1 visar allmänt en typisk pulsad RF-envelopp i en TDMA-sändare.

Fig 2 visar allmänt, i blockschemaform, en känd styr- slinga som vanligtvis används för sändarstyrning.

Fig 3 visar allmänt, i blockschemaform, stabilisering av förstärkningen hos en styrslinga i enlighet med uppfin- ningen.

Fig 4 visar allmänt tidanpassningen av förstärknings- sampling och dämpningsinställning för att utföra stabili- sering av förstärkningen i en styrslinga i enlighet med uppfinningen. 10 15 20 25 30 35 (#1 Q» (fu C25 *ml (II 3 Fig 5 visar allmänt, i blockschemaform, en alternativ utföringsform av stabiliseringen av förstärkningen i en styrslinga i enlighet med uppfinningen. _ Fig 6 visar allmänt ett cellulärt radiotelefonsystem som med fördel kan utnyttja föreliggande uppfinning.

Fig 7 visar allmänt en kommunikationsanordning som med fördel kan utnyttja föreliggande uppfinning.

Detaljerad beskrivning_av en föredragen utföringsform En slinga för förstärkningsstabilisering utför di- skreta inställningar i RF-förstärkarens förstärkarväg i ett effektreglersystem för en sändare, baserat på en mät- ning av förstärkningen i styrslingan. Stabiliseringen av RF-förstärkarens förstärkning gör det möjligt att hålla sändarens styrslinga funktionell över varierande förstärk- ningsförhàllanden som råder i steg i RF-förstärkarens för- stärkningsväg. Förstärkningsändringar i stegen pà grund av del-till-del-variationer och temperatureffekter minimeras eller eliminieras genom denna förstärkningstrimning.

Fig l visar allmänt en typisk pulsad RF-envelopp 100 i en TDMA-sändare. Den pulsade RF-enveloppen har både dynamiska och statiska partier i sin form. RF-envelopps- amplituden (uteffekten) hålls konstant medan kommunika- tionsdata sänds under partier i skuren som har maximal amplitud. Under det parti av skuren som har den minsta amplituden kan sändaren ställas in för en ny maximal effekt eller bärvàgsfrekvens. Den i skurar indelade RF- enveloppen hos en TDMA-sändare, enligt fig 1, är en ideal implementering av den diskreta förstärkningsstabilise- ringsslingan i enlighet med uppfinningen.

Fig 2 visar allmänt, i blockschemaform, en känd, ana- log styrslinga som vanligtvis används för sändarstyrning.

Bland dessa kretsar är signaler Vref 200, Vstyr 202 och vdet teras som RF-enveloppens toppspänningsamplitud. En refe- ref 200, med stor bandbredd (i storleksord- ningen några hundra kHz) styr enveloppamplituden hos sig- 204 basbandssignaler. RFin 206 och RFut 208 represen- renssignal V nalen RFU Basband-till-RF-omvandlingen av amplitud- t. 10 15 20 25 30 35 UW hä.

ON cm \¶ trl 4 styrspänningen sker i en spänningsvariabel dämpare (VVA) 212 i RF-förstärkarens förstärkningsväg som har en linjär överföringsfunktion för spänningsförstärkningen. RF-VVA- förstärkningen är en multipel av en förstärkningskonstant för nämnda VVA och styrspänningen (RFfÖrst = GVVA x Vstyr 202). RF-förstärkaren 214 och 216, mellan VVA 212 och RF-kopplaren 218, är linjära och detek- torns RF-till-basband-omvandling har också ett linjärt svar. Spänningsutsignalen fràn en detektorförstärkare 222 är en multipel av kopplarens 218 förstärkning, RF-detek- torns 220 förstärkning, detektorförstärkarens 222 för- stärkning och toppförstärkningen hos enveloppen i signalen RFut 208 (Vdet 204 = Gkopplare X Gdetektor X Gdet-först X Rput 208)' Valet av reciproka överföringsfunktioner i omvandlings- punkterna för basband-till-RF och RF-till-basband gör det möjligt för styrslingan att upprätthålla konstant sling- förstärkning över ett stort dynamiskt område.

Enveloppen hos signalen RFut 208 kan härledas som en funktion av amplituden hos signalen RFin 206 och spänningen hos Vstyr 202, och ges av: RF = V (G G G G ut styr Förstl VVA Först2 Först3)RFin (1) där G G och GFÖrst3 är förstärkningarna Förstl' vvA' Gl-"örstz hos RF-Förstl 210, VVA 212, RF-Först2 resp RF-Först3.

Om man antar att förstärkningen hos RF-kopplaren 218 endast påverkar detektorn (som är giltig eftersom signalen RFut passerar genom RF-kopplaren 218 i stort sett utan att dämpas), kan spänningen Vdet och Vstyr skrivas som: V = G G G R det kopplare detektor det-först (2) Fut vstyr : šsstyr-först(vref'ckopp1areGdetektorcdet-förstnïut) (3) där 1/s är Laplacetransformen av slingintegratorn 226, så- som fackmannen på området kommer att förstå. Slingintegra- torn 226 och styrförstärkaren 228 alstrar en förstasignal, 202, som utnyttjas för att styra själva styrslingan från Vstyr via VVA 212. Om man sätter in uttrycket för Vstyr 10 15 20 25 30 35 Gfl à-ál Oh fi: -: o: 5 ekvation (3) i ekvation (1) erhålls lösningen för hela reglersystemet: Rïut = GFörst1GVVAGFörst2GFörst3Gstyr-förstRFin (4) vref S + (Gförst1GVVAGFörst2GFörst3Gstyr-förstRFínGkopp1arecdetektorcdet-först) Nämnaren i exkvation (4) visar den slutna slingans band- bredd i styrslingan som en funktion av förstärkningen för varje förstärkare i systemet, och även RF-insignalsdriv- nivån, RF . in Kopplarens och detektorns förstärkningar kan förenklas till backvägsförstärkningar genom: G (5) Gbackväg = kopplareGdetektorGdet-först medan RF-förstärkningen och styrförstärkarens förstärkning samt förstärkningskonstanten hos VVA 212 ses som framvägs- förstärkningar, vilket ger =-G G G (6) G Förstl VVA Först2GFörst3Gstyr-först framväg vilket förenklar ekvationen (4) för den slutna överfö- ringsfunktionen till: RFut = Gframvägšpin (7) S + (G RF. G ) V framväg in backväg ref Detta är en enkel styrslinga av första ordningen. Den stationära utsignalen från styrslingan är endast en funk- tion av backvägens förstärkningar. Förstärkningen och off- set-spänningen hos kopplaren 218 och detektorn 220 utfor- mas noggrant så att de blir temperaturstabila. Detta gör det möjligt för Vref 200 att noggrant styra den absoluta amplituden hos RFut 208 när systemet befinner sig i sta- tionärt tillstànd. a av: 10 15 20 25 30 35 CN ;¿ au.

C3 'a OK 6 Såsom har nämnts ovan svarar förstärkningsändringar i sändarens element pà grund av temperatur och deltolerans för merparten av problemen vid sändarkonstruktion. Käns- ligheten hos den slutna slingans bandbredd för förstärk- ningsändringar i framvägen följer funktionen AB . 20 wslinga = iouxGframw/aguaafl ) (s) Vid konstruktion av en sändare med många RF-steg kan AG i ekvation (8) vara 20 till 30 dB på grund av kombina- tionen av del-till-delvariationer och temperatureffekter.

Detta innebär att den slutna slingans bandbredd kommer att ändra sig 10 ggr eller mer i styrsystemet av första ord- ningen. Detta är den största orsaken till distorsion av RF-enveloppen och/eller instabiliteter i själva styr- slingan.

Fig 3 visar allmänt, i blockschemaform, stabilisering av förstärkningen i en styrslinga i enlighet med uppfin- ningen. I den föredragna utföringsformen övervakar slingan en karakteristik som är relaterad till förstärkningsstyr- ningen av den analoga styrslingan och justerar förstärk- ningen i framvägen i enlighet därmed, baserat pà den över- vakade karakteristiken. Förstärkningsstabiliseringsslingan som visas i fig 3 implementeras i en sändare 300 och inne- fattar flera element utöver RF-effektstyrslingan av första ordningen som visas i fig 2. En första analog-digital- omvandlare 306 (A/D-omvandlare) används för att övervaka styr 202 som inmatas till VVA 212, medan en andra A/D-omvandlare 304 används för att övervaka en andra signal Vdet 204 i utsignalen fràn RF-detektorn 220.

I den föredragna utföringsformen är VVA 212 en förstärkare med t förstärkning. En mikroprocessor (uP) 308, som i den en första signal V föredragna utföringsformen är en Motorola 68HC11 pP, tolkar spänningsinformationen fràn A/D-omvandlarna 304, 306 och matar en lämplig korrektionssignal till en (variabel) digital, stegad dämpare (DSA) 302, som är belägen i RF-vägen. DSA 302 används för att motverka 10 15 20 25 30 35 §fl| :vill Om CI» "Ä Cflf 7 förstärkningsändringar i framvägsförstärkarna på grund av temperatur- och del-till-del-variation i förstärkarna i enlighet med uppfinningen.

Ekvation (7) kan modifieras genom tillägg av DSA 302 för att erhålla följande slutna överföringsfunktion för systemet i fig 3: Rput = GframvägGDSARFin (9) V s + (G ref ) framvägGDSARFinGbackväg Förstärkningsstabiliseringsslingan håller Vdet 204 ekvi- valent med Vref 200 genom realtidsinställning av VVA 212 via spänningen V 202. I den föredragna utföringsformen är V styr den primära styrslingan, och används inte på något sätt för att styra förstärkningen i framförstärkningsvägen. På styr 202 en första signal som används för att styra samma sätt används i den föredragna utföringsformen Vref 200 för referenssyften i styrningen av den primära styr- slingan. Vidare påverkas inte det statiska värdet på över- föringsfunktionerna i ekvationerna (7) och (9), när de ut- värderas genom att man sätter s = 0, av tillägget av DSA 302, såsom inses av fackmannen på området. När för- stärkningen ökar i framvägen kan V 202 ses minska i förhållande till V framvägen ökar V styr det 204. Med förstärkningsreduktioner i styr 202 relativt Vdet 204. I den före- dragna utföringsformen är Vdet 204 en andra signal som baseras på nivån på en signal RFut 208, vilken detekteras i utgången från framförstärkningsvägen. Vidare övervakas Vstyr 202 och Vdet 204 av pP 308 under en tidsperiod där sändarens utsignaleffekt befinner sig på sin stationära styr 202 och 204 för konstant slingförstärkning är känt för pP 308 amplitud. Förhållandet som erfordras mellan V V det och bestäms i förväg. Under nominella villkor förenklas konstruktionen av sändaren som visas i fig 3 om Vstyr 202 hålls ekvivalent med Vdet 204, men förhållandet är öppet för val vid konstruktionen. Vidare utförs en jämförelse av 10 15 20 25 30 35 s1s avs æ_~¿¿ IOI Vi OIII Motta 0 O u, "OOÜOO 8 Vstyr 202 med Vdet 204 och en korrektionssignal 309 alst- ras pà grundval av förhållandet mellan Vstyr 202 och Vdet 204.

I den föredragna utföringsformen kan pP 308 bestämma att en justering pà 10 dB eller mer erfordras i en efter- följande skur, men detta sker inte omedelbart efter det att korrektionssignalen 309 har alstrats. Pig 4 visar all- mänt tidanpassningen för förstärkningssampling och dämp- ningsjustering för att utföra stabilisering av förstärk- ningen i en styrslinga i enlighet med uppfinningen. DSA 302 ändras inte under tider när sändarens utsignalseffekt är maximal (dvs under skuren); DSA 302 justeras endast efter det att sändarens utsignalseffekt rampas ned under nästa period med minimal RF-utsignal (dvs under tidsperio- den mellan skurar). I den föredragna utföringsformen kan skuren som visas i fig 4 antingen vara en skur med talin- formation eller datainformation. Vidare styr den analoga styrslingan som visas i fig 2 RF-enveloppen för hela sku- ren, förutom under en kort diskontinuitet där DSA 302 vippar vid en mycket låg utsignalseffekt mellan skurar.

Det är viktigt att notera att svarstiden för förstärk- ningsstabiliseringsslingan är begränsad till längden av skurperioden.

Området för DSA 302 kan vara så stort som behövs för att omfatta de värsta fallen av förstärkningsändringar i framvägen hos sändaren. Detta gör det möjligt för den ana- loga styrslingan att arbeta pà optimal slingförstärkning (och optimal bandbredd) utan någon kalibrering alls. Vid tillslag av en ny sändare i den föredragna utföringsfor- men, såsom ett exempel, kommer den första skuren att pas- sera genom den analoga styrslingan och pP 308 kommer att bestämma om den analoga slingans förstärkning är optimal.

Om en förstärkningsjustering erfordras kommer den nya för- stärkningsinställningen att tillämpas på nästa skur. Vid den andra skuren kan slingförstärkningen ligga inom nâgra dB runt den optimala förstärkningen. Den stegade dämparen 302 justeras till den närmsta slingförstärkningen inom 1:10; 10 15 20 25 30 35 5.16 tws 9 plus eller minus den minst signifikanta stegstorleken hos dämparen 302 (denna kan vara ett steg om 0,5, 1 eller 2 dB beroende på valet av dämpare). För varje skur lagrar pP 308 detta optimala "förstärkningsstabiliserings"-värde i en tabell som indexeras över effekt och frekvens och som medger oberoende hantering av förstärkningsändringar på grund av olika utsignalseffekter/bärvàgseffekter. Denna tabell behövs för sändare som understödjer frekvenshopp- ning och uppdateras när förstärkningen ändras i styrsyste- met. Under nominella förhållanden är det önskvärt att välja vägförstärkningen så att DSA 302 typiskt sett ligger mitt i detta område.

Fig 5 visar allmänt, i blockschemaform, en alternativ utföringsform av en sändare 500 för att utföra stabilise- ring av förstärkningen i en styrslinga i enlighet med upp- finningen. Sàsom visas i fig 5 är A/D-omvandlarna 304, 306 och pP 308 ersatta med en analog styrenhet 509. I en al- ternativ utföringsform kan den analoga styrenheten 509 ut- göras av en summeringsmod och en integrator. Den analoga styrenheten 509 och en spänningsstyrd enhet 503 (med 1 förstärkning) åstadkommer tillsammans uppgiften att över- vaka och korrigera förstärkningen. Den implementering som visas i fig 5 skulle utföra förstärkningsstabiliseringen pà ett kontinuerligt sätt i motsats till den diskreta implementeringen som visas i fig 3. Sändarens 500 arbete är emellertid likadant som sändarens 300 arbete i det att den analoga styreheten 509 skulle alstra en korrektions- signal 506 som därefter skulle användas för att justera den spänningsstyrda enheten 503.

Fackmannen på området inser att manga andra imple- menteringar av sändarna 300 och 500 är tillgängliga vilka inte skulle ändra förstärkningsstabiliseringsprocessen i enlighet med uppfinningen. Exempelvis är det, eftersom förstärkningsstabiliseringsmekanismen styr slingans för- stärkning, väl införstàtt att förstärkningskorrigerings- elementet skulle kunna finnas i fram- och/eller backvä- garna. Det är också väl införstàtt att signalen Vref 200 10 15 20 25 30 35 01 nå» 0% Cfi *Å (Il 10 under stationära förhållanden skulle kunna användas i stället för den andra signalen Vdet 204 vid bestämningen av slingförstärkningen.

Fig 6 visar allmänt ett cellulärt radiotelefonsystem som på ett fördelaktigt sätt kan utnyttja föreliggande uppfinning. Såsom visas i fig 6 är en mobiltelefonväxel (MSC) 606 ansluten till ett allmänt telefonnät (PSTN) 603.

MSC 606 är också ansluten till en basstationsstyrenhet (BSC) 609, som utför samma växlingsfunktioner som MSC 606 men på en plats som är belägen på avstånd från MSC 606.

Kopplad till BSC 609 är basstationen (BS) 612, 615, som i den föredragna utföringsformen har förmåga att kommunicera med mobilstationer (MS), såsom MS 618, via signalen RFut 208. Sändningen av signalen RFut 208 från en BS, och av tydlighetsskäl BS 612, uppträder på en nedlänk på en radiokanal, medan kommunikation från MS 618 till BS 612 uppträder på en upplänk på en radiokanal.

Fig 7 visar allmänt en kommunikationsanordning som med fördel kan utnyttja föreliggande uppfinning. Såsom visas i fig 7 åskådliggör kommunikationsanordningen BS 612, men kommunikationsanordningen i fig 7 skulle kunna väsentligen illustrera MS 618 om gränssnittet 700 avlägs- nas. Vidare avser det blockschema som visas i fig 7 även BS 615 som visas i fig 6. Ett gränssnitt 700, som i den föredragna utföringsformen är ett tidsmultiplexerat (TDM) bussgränssnitt som är likadant som det i det amerikanska patentet nr 5 081 641 beskrivna, vilket som uppfinnare har Kotzin et al, och vilket införlivas häri genom hänvisning, är anslutet till en digital signalprocessor (DSP) 706, i form av en mikroprocessor, som i den föredragna utförings- formen är en Motorola 56000 DSP. Till denna DSP 706 är ett minnesblock 703 anslutet och även en DSP 712, som används för signalutjämning i mottagen signal. DSP 706 är likale- des ansluten till sändaren 300 (eller sändaren 500), som implementerat förstärkningsstabiliseringen i enlighet med uppfinningen. I den föredragna utföringsformen har signa- len RFut 208 formatet TDM/TDMA. - u :nu :von von . o uno 10 15 20 25 30 35 (ni mä O* QI *ü (fl ll Under det att den föredragna utföringsformen i enlig- het med uppfinningen har visats som en sändare med en ana- log styrslinga kan förstärkningsstabiliseringsslingkretsen 300 som visas i fig 3 med fördel användas i vilken som helst anordning som implementerar ett styrsystem med stränga krav på förstärkning, bandbredd och stort dyna- miskt omrâde. Exempelvis kan förstärkningsstabiliserings- slingkretsen likaledes med fördel utnyttjas i en motta- gare, såsom mottagaren 718 i fig 7, vilken t ex implemen- terar en slinga med automatisk förstärkningsstyrning (AGC).

Under det att uppfinningen särskilt har visats och beskrivits under hänvisning till en särskild utföringsform inses det av fackmannen på området att olika ändringar i form och detaljer kan göras utan att man avviker från upp- finningens ram och tanke.

Claims (10)

v-v. - u va. oo.- an: . u »nun soon ~ø 10 15 20 25 30 35 (fl .år CP» CD *šl (fl 12 PATENTKRAV

1. Förfarande för stabilisering av förstärkningen i en styrslinga i en kommunikationsanordning, vilket för- farande innefattar stegen att: övervaka en karakteristik som är relaterad till styr- slingans förstärkning; och justera styrslingans förstärkning baserat pà den övervakade karakteristiken.

2. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e - t e c k n a t av att steget att övervaka en karakteristik vidare innefattar att övervaka första och andra signaler i styrslingan.

3. Förfarande enligt patentkrav 2, k ä n n e - t e c k n a t av steget att jämföra de övervakade första och andra signalerna i styrslingan för att alstra en korrektionssignal.

4. W 4. Förfarande enligt patentkrav 3, k ä n n e - t e c k n a t av att steget att justera förstärkningen i styrslingan baserat pà den övervakade karakteristiken vi- dare innefattar steget att justera styrslingans förstärk- ning med utnyttjande av korrektionssignalen.

5. Kommunikationsanordning som har en förstärknings- väg vilken styrs av en styrslinga, k ä n n e t e c k - n a d av: en första signal vilken används för styrning av styr- slingan; en andra signal; och en styrenhet, vilken är ansluten till den första och den andra signalen, för alstring av en korrektionssignal vilken används för justering av förstärkningsvägens för- stärkning.

6. Kommunikationsanordning enligt patentkrav 5, k ä n n e t e c k n a d av att kommunikationsanordningen är en sändare vilken är implementerad i antingen en bas- station eller en mobilstation. u oou ovan un: u nu 10 15 20 25 30 35 ON aan ON CZ! *ät (II 13

7. Kommunikationsanordning enligt patentkrav 5, k ä n n e t e c k n a d av att kommunikationsanordningen är en mottagare vilken är implementerad i antingen en bas- station eller en mobilstation. '

8. Kommunikationsanordning enligt patentkrav 5, k ä n n e t e c k n a d av att den andra signalen vidare innefattar en signal som baseras pà en nivå hos en signal vilken har detekterats i en utsignal i framförstärknings- vägen.

9. Kommunikationsanordning enligt patentkrav 5, k ä n n e t e c k n a d av att den andra signalen vidare innefattar en signal som är baserad pà en nivå hos en för referenssyften använd signal.

10. Kommunikationsanordning vilken har en förstärk- ningsväg som styrs av en styrslinga, vilken kommunika- tionsanordning används i ett kommunikationssystem med tid- delad fleranvändaràtkomst (TDMA), BV! k ä n n e t e c k n a d ett organ, under en första tidsperiod av en skur, för övervakning av en första signal vilken används för styr- ning av styrslingan och en andra signal; ett organ, under den första tidsperioden av skuren, för övervakning av en andra signal: och ett organ, under en andra tidsperiod av skuren, för alstring av en korrektionssignal vilken används för juste- ring av förstärkningen i förstärkningsvägen under en tids- period mellan skurar. Imuoil