СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СНИЖЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОГО ЗНАЧЕНИЯ МОЩНОСТИ ОГИБАЮЩЕЙ ЛИНЕЙНОГО УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ Российский патент 1998 года по МПК H03F1/32 H04B1/02 

Изобретение относится к усилителям мощности, в частности к способу и устройству для регулирования мощности огибающей усилителя мощности.

Предпосылки к созданию изобретения
Известны сотовые системы, одновременно обслуживающие несколько каналов рабочей нагрузки с каждой базовой станции. К таким системам, как правило, приписано несколько каналов (f₁-f_n) для поддержания связи с мобильными связными устройствами через такие локальные базовые станции. Каждая базовая станция, в свою очередь, содержит подмножество каналов (f₁-f_n). Из подмножества каналов, приписанных к базовой станции, по меньшей мере один канал (а часто и больше), являющийся каналом управления, предназначен для осуществления управления доступом и настройкой каналов.

Связь со связным устройством по каналу передачи информации в пределах зоны обслуживания базовой станции часто осуществляется через всенаправленную антенну, расположенную в центральной части данной зоны обслуживания. Эта антенна может одновременно обеспечивать передачи по нескольким каналам, причем каждая отдельная передача данных обеспечивается передатчиком (расположенным на базовой станции), приписанным к данному каналу связи. Каждый передатчик содержит источник модулированного передаваемого сигнала в приемопередающем устройстве и радиочастотный усилитель мощности. Таким образом, каждый передатчик обеспечивает формирование, модуляцию и усиление сигнала.

Одновременная передача ряда сигналов каналов связи, осуществляемая центральной антенной, требует, чтобы выходные сигналы передатчиков активных приемопередающих устройств объединялись перед подачей в центральную антенну для последующей передачи с нее. Для исключения интермодуляционных составляющих, вызванных помехами, сигналы должны суммироваться после любых нелинейных операций в процессе усиления. Кроме того, средства суммирования должны обеспечивать достаточную взаимную развязку, чтобы гарантировать, что сигналы параллельных ветвей усиления не объединятся с выходным сигналом других усилителей мощности и не образуют интермодуляционные составляющие.

Если каждое приемопередающее устройство оснащено собственным усилителем мощности, объединение должно происходить после усилителя мощности, где уровни сигналов, как и потери на суммирование, высоки. В патенте США 4667172 описан резенаторный сумматор, предназначенный для сложения таких радиосигналов высокого уровня, обеспечивающий в то же время необходимую развязку.

В других системах связи приемопередающие устройства не оснащены отдельными усилителями мощности вместо этого используется общий многотоновый линейный усилитель мощности (ЛУМ), обеспечивающий усиление после объединения радиосигналов при относительно низких уровнях мощности на выходах приемопередающих устройств. Использование такого общего ЛУМ для каналов передачи информации в системах с общей антенной существенно упростило топологию системы, в частности, если на одной станции объединены системы с аналоговой и цифровой модуляцией.

Известен усилитель мощности, предназначенный для обеспечения общего линейного усиления мощности, имеющий сниженные искажения (WO 91/16760). Данный усилитель мощности работает с множеством входных сигналов, для каждого из которых имеются отдельные входы регулировки фазы и амплитуды. Сигналы усиливаются в одном широкополосном усилителе. Отдельные входы регулировки для каждого из отдельных входных сигналов подстраиваются для компенсации частичного усиления и фазовых аномалий общего усилителя мощности, чтобы уменьшить искажения в усилителе мощности.

С другой стороны, использование ЛУМ имеет определенные недостатки, особенно, если радиосигналы настроены на равномерно распределенные частоты и имеют фазовую автоматическую подстройку частоты к общему источнику частоты. В таком случае колебания амплитуды, вызывающие нелинейные искажения сигнала, могут иметь место там, где максимальное значение мощности огибающей сложного сигнала превышает максимальную допустимую мощность ЛУМ.

На фиг. 1 иллюстрируются эффекты фазирования сигналов в упрощенном случае для трех сигналов, A, B, C, в течение интервала времени T. Эти три сигнала показаны на фиг. 1-1, 1-2 и 1-3, соответственно, Огибающая суммарного сложного сигнала (с абсолютной величиной A+B+C) изображена на фиг. 1-4. Можно заметить, что максимальное значение огибающей приходится на середину интервала времени (T/2), если все три сигнала складываются в фазе. Абсолютная величина этого максимального значения может быть уменьшена за счет изменения фазы сигнала C на обратную (что дает абсолютную величину A+B-C), как показано на фиг. 1-5.

Нелинейные искажения могут иметь место в ЛУМ, если максимальное значение мощности огибающей данного сложного входного сигнала (возведенный в квадрат модуль огибающей), умноженное на усиление ЛУМ, превышает допустимое максимальное значение мощности огибающей ЛУМ. Было отмечено, что максимальные значения, обусловленные фазовой синхронизацией, сохраняются в течение 1-10 с, а в некоторых системах и больше. Нелинейные искажения радиосигнала приводят к возникновению интермодуляционных составляющих в других радиоканалах и к ухудшению работы системы.

Нелинейные искажения за счет сложения синфазных сигналов наиболее ощутимы, если несущие таких сигналов не модулированы (во время речевых пауз) или слабо модулированы (во время низкоэнергетических частей речевого сигнала). Полная модуляция несущих вызывает произвольные изменения в фазах несущей, что ограничивает продолжительность любого нелинейного искажения интервалами времени порядка 1 мс. Однако, если несущие не модулированы или слабо модулированы, может происходить процесс повторного нелинейного искажения, повторяющийся периодически со скоростью, равной разности частот вносящих свой вклад несущих. Именно этот повторяющийся процесс нелинейных искажений вызывает образование сильных интермодуляционных составляющих, если несущие близки по фазе.

В последнее время попытки регулировать максимальное значение мощности огибающей, обусловленное синфазным сложением, были основаны на уменьшении номинальных параметров или преднамеренной декорреляции частотных эталонов. Уменьшение номинальных параметров решает проблему максимальных уровней за счет существенного увеличения ЛУМ. Декорреляция частотных эталонов улучшает ситуацию за счет того, что возникающие максимальные значения весьма коротки и, следовательно, более допустимы.

Использование декоррелированных (независимых) частотных эталонов является дорогостоящим и неэффективным. Использование очень больших ЛУМ снижает преимущества, пресущие сложению сигналов при низких уровнях мощности. Следовательно, существует потребность в более эффективном способе регулирования максимального значения мощности огибающей в ЛУМ.

Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - суммирование фаз, приводящее к максимальным значениям мощности огибающей в усилителе мощности.

Фиг. 2 - упрощенная блок-схема передающей стороны сотовой базовой станции, выполненной в соответствии с вариантом настоящего изобретения.

Фиг. 3 - блок-схема фазового регулятора, выполненного в соответствии с вариантом настоящего изобретения.

Фиг. 4 - последовательность операций регулировки максимального значения мощности огибающей в соответствии с вариантом настоящего изобретения.

Фиг. 5 - блок-схема передающей стороны, выполненной в соответствии с настоящим изобретением.

Подробное описание предпочтительного варианта
Решение проблемы регулирования максимума мощности огибающей (ММО) линейного усилителя мощности (ЛУМ) заключается в изменении параметров сигналов избранных, немодулированных или слабо модулированных каналов, либо произвольно, либо под управлением заданной программы изменения параметра. Эти изменения параметров осуществляются каждый раз на одной несущей, после чего измеряется ММО на входе или выходе ЛУМ. Если изменение параметра увеличивает ММО по сравнению с предыдущем изменением, предыдущий параметр восстанавливается. Если текущее значение ММО меньше предыдущего измерения, данное изменение параметра сохраняется и для измерения параметра выбирается следующая несущая.

Регулировка значения ММО посредством управления параметрами немодулированных или слабо модулированных каналов дает преимущество, заключающееся в том, что изменения ограничиваются теми каналами, которые могут вызвать регулируемое улучшение ММО. Ограничение изменений параметров немодулированными или слабо модулированными каналами позволяет ослабить уровни сигналов немодулированных или слабо модулированных каналов без существенной потери данных сигнала и обеспечивает преимущество, заключающееся в ослаблении последовательных одиночных импульсных радиопомех, связанных с изменениями фазирования несущих.

Абсолютное значение ММО принимается в качестве индикации необходимости регулирования ММО. Если ММО превышает пороговую величину, изменения параметров продолжаются каждый раз на одной несущей до тех пор, пока значения ММО не будет снижено ниже данной пороговой величины. Если значение ММО вновь превысит данную пороговую величину, процесс возобновиться.

Изменение параметров может представлять собой изменение фазы или регулирование мощности. Изменение параметров осуществляется только на немодулированных или слабо модулированных каналах. Определение уровня модуляции осуществляется посредством измерения уровня активности канала. Если уровень активности канала превышает некую пороговую величину, свидетельствуя о том, что это немодулированный или слабо модулированный канал, тогда на этом канале производятся изменения параметра с целью регулирования ММО.

На фиг. 4 изображена последовательность операций процесса регулировки ММО в соответствии с вариантом данного изобретения. Ссылка на фиг. 4 делается для лучшего понимания способа согласно настоящему изобретению.

Для более основного представления настоящего изобретения рассмотрим снижение ММО с помощью регулировки параметра фазирования несущей. При этом подразумевается, что процесс регулирования ММО, основанный на дополнительных параметрах, в частности на регулировке мощности отдельных несущих, в равной степени подходит для регулирования ММО. После описания способа регулирования значения ММО посредством изменений фазы будет описана регулировка амплитуды передаваемых сигналов на немодулированных или слабо модулированных каналах.

На фиг. 2 изображена блок-схема передающая часть 10 сотового усилителя мощности сотовой станции согласно настоящему изобретению. Управляющие данные, предназначенные для радиотелефона (не показан) формируются в контроллере 11, модулируются на частоте несущей в управляемом передающем устройстве 12, объединяются с другими сигналами в сумматоре передачи 15, усиливаются в ЛУМ 17 и передаются через антенну 18. Данные рабочей нагрузки, принятые также контроллером 11, модулируются в передатчиках нагрузки 13-14, объединяются в сумматоре передачи 15, усиливаются в ЛУМ 17 и передаются через антенну 18.

Данные каналов рабочей нагрузки, исходящие из телефонной сети общего пользования или другой базовой станции (не показана), передаются на соответствующие передатчики нагрузки 13-14 контроллером 11. Управляющие данные, сформированные в контроллере 11, также передаются на управляющий передатчик 12 контроллером 11. Выходные сигналы низкого уровня из передатчиков 12-14 объединяются в сумматоре 15 с использованием резистивной или другой технологии сложения для последующего усиления в ЛУМ 17. В ЛУМ 17 объединенные сигналы усиливаются до уровня, достаточного для передачи через антенну 18.

Уровни ММО на выходе сумматора 15 контролируются контроллером 11 посредством детектора ММО 16. Уровни ММО, измеренные (блок 104 на фиг. 4) детектором ММО 16, сравниваются с пороговой величиной (105, фиг. 4) хранящейся в контроллере 11, для определения необходимости регулирования ММО. После определения необходимости регулирования ММО контроллер производит фазовые изменения в немодулированных или слабо модулированных несущих, каждый раз на одной, до тех пор, пока ММО не упадет ниже пороговой величины.

Контроллер 11 вводит фазовые изменения в отдельные радиосигналы, формируемые на передающей стороне 10, с помощью устройства регулирования фазы, расположенного в каждом из передатчиков 12-14 или в соответствующих трактах сигналов, связанных с сумматором 15. На фиг. 3 изображен один вариант такого устройства регулировки фазы 30. Данное устройство регулировки фазы 30 состоит из регулятора 23, реле 24-25 и проводника полуволновой длины 22. Регулятор 23 после приема соответствующей команды от контроллера 11 обуславливает переключение реле 24-25 между двумя состояниями, В первом состоянии реле остаются в состоянии покоя (фиг. 3), при котором проводник полуволновой длины 22 не включен в радиоканал. Во втором состоянии контроллер приводит в действие реле 24-25 через регулятор 23, включая проводник полуволновой длины 22 в радиоканал. Подсоединение проводника полуволновой длины 22 к тракту сигнала вносит изменение фазы, равное величине π , в сигнал несущей.

При этом следует понимать, что устройство регулировки фазы 30, изображенное на фиг. 1, не является единственным видом фазовращателя, который может использоваться в данном изобретении. Возможен вариант фазовращателя, представляющий собой фазовый регулятор, имеющий более двух состояний, например, такой, который может осуществлять сдвиги фазы на π/ 2, π, 3π/ 2. Этого можно достичь путем создания каскада из устройства регулировки фазы 30, изображенного на фиг. 3, с аналогичным устройством регулировки фазы, содержащим проводник четвертьволновой длины вместо проводника длины полу-волны 22. Регулировка фазы может также производится схемами синтеза частоты в передатчиках 12-14, например, за счет ввода фазового сдвига в сигнал опорной частоты, приводящий в действие конкретный синтезатор. Фактически, это один из оптимальных путей, поскольку изменение фазы может производиться медленно и с высоким разрешением.

Например, передающая сторона 10 работает на полной мощности с радиосигналом, передаваемым через каждый из передатчиков 12-14. Уровни ММО объединенных каналов измеряются (104) детектором ММО 16 и передаются на контроллер 11. В контроллере 11 величины ММО сравниваются (105 на фиг. 4) с пороговой величиной. Если значение ММО находится ниже данной пороговой величины, никаких действий для регулировки ММО не предпринимается..

Если контроллер 11 обнаруживает (105 на фиг. 4), что ММО превышает данную пороговую величину, контроллер 11 изменяет (106, на фиг. 4) состояние устройства регулировки фазы 30 передатчика 12-14, идентифицированное в регистре (регистр несущей) памяти (не показаны) контроллера 11. Изменение состояния устройства регулировки фазы 30 одного из передатчиков 12-14 вызывает изменение фазы выбранной несущей, проходящей через передатчик 12-14, идентифицированный в регистре.

После изменения состояния устройства регулировки фазы 30 контроллер осуществляет второе измерение ММО (107, на фиг. 4) детектором ММО 16. Второе измеренное значение ММО сравнивается с первым измеренным значением. Если второе значение ММО меньше первого, контроллер 11 выбирает (100, фиг. 4) другую несущую (например, путем приращения содержимого регистра несущей). Если второе измеренное значение больше первого, контроллер 11 возвращает (109, фиг. 4) изменение фазы в исходное состояние. После возвращения фазы первоначально выбранной несущей в исходное состояние контроллер 11 выбирает другую несущую и процедура повторяется до тех пор, пока значение ММО выше пороговой величины.

На фиг. 5 представлена более подробная блок-схема передающей стороны, изображенной на фиг. 2, с более детальным изображением системы контроллера ММО и позволяющей регулировать ММО, используя регулировку мощности, в соответствии с настоящим изобретением. Система контроллера ММО передающей стороны 10 изображена с возможность регулировки ММО трех каналов 12-14. Взаимосвязь с телефонной системой общего пользования на фиг. 5 показана как связь непосредственно с передатчиками 12-14, хотя подразумевается, что переключение каналов, обеспечиваемое контроллером 11, изображенным на фиг. 2, производится в любом другом месте на фиг. 5.

Согласно варианту данного изобретения каждый из передатчиков 12-14 снабжен эхокомпенсатором 41, 51, 61. Эхокомпенсатор 41, 51, 61 позволяет детектору звуковой активности 43, 53, 63 произвести точное измерение активности канала (101, на фиг. 4). Измеренное значение звуковой активности канала сравнивается с пороговой величиной в каждом из детекторов звуковой активности 43, 53 и 63 для идентификации каналов, в которых должны осуществляться изменение параметров с целью уменьшения ММО.

Используя вводимые данные речевой активности от каждого детектора звуковой активности 43, 53, 63, микрокомпьютер 60 определяет немодулированные или слабо модулированные каналы и передает сигнал на каждый усилитель 47, 57, 67 для выборочного уменьшения (103, фиг. 4), уровня мощности передачи вперед канала (в направлении от базовой станции к подвижной) каждого передатчика 12-14 на заданную величину (например, 3 дБ). (Факультативно, это уменьшение уровня мощности передачи вперед можно опустить, если уровень индикатора силы принятого сигнала, измеренный от абонента, недостаточен для обеспечения хорошего отношения сигнала на несущей к шуму). Если выбранный канал не превышает установленной пороговой величины, выбирается другой канал (100, фиг. 4).

После обнаружения, что активность канала превышает пороговую величину, осуществляется измерение ММО детектором ММО 16. Величина ММО, измеренная детектором ММО 16, преобразуется в соответствующий формат в аналого-цифровом преобразователе 59 и сравнивается с пороговой величиной в микрокомпьютере 60. Если ММО не превышает данной пороговой величины, процесс измерения повторяется до тех пор, пока не возникает необходимость в регулировке ММО.

Если ММО превышает пороговую величину, микрокомпьютер 60 передает команду изменить фазу через соответствующий цифро-аналоговый преобразователь на соответствующий фазовращатель 46, 56, 66. После приема команды изменить фазу фазовращатель 46, 56, 66 вводит (106, фиг. 4) фазовый сдвиг в выбранную несущую.

После изменения фазы ММО измеряется вновь (107, фиг. 4). Если изменение фазы не снижает ММО, то измененное значение реверсируется, возвращаясь в исходное состояние. Если же изменение фазы вызвало уменьшение ММО, выбирается другая несущая.

Выбор несущей для изменений параметра может производиться с приращениями (например, каждая несущая обрабатывается по порядку) или случайным образом. Если используется небольшое число несущих, процедура выбора с приращениями обеспечивает простой, легко осуществимый способ. При большом числе несущих более предпочтительной может оказаться процедура выбора случайным образом.

Регулировка ММО путем изменения параметров обеспечивает возможность уменьшения ММО, без воздействия на среднюю передаваемую мощность в периоды значительной модуляции. Такой эффект может быть продемонстрирован изменением фазы на фиг. 1-5, где изменение фазы сигнала C на π вызывает уменьшение ММО. Изменение фазы несущей или уровня мощности в передатчике сотовой системы будет иметь значительно менее существенный эффект из-за большого числа несущих. В свою очередь, процесс проверки влияния каждой несущей на ММО после изменений фазы гарантирует, что воздействию подвергнутся только те несущие, которые влияют на ММО. Сравнение ММО с пороговой величиной гарантирует, что изменения параметра будут происходить только в случае необходимости. Сравнение уровня активности канала с пороговой величиной гарантирует, что изменения параметров будут влиять только на каналы, имеющие наибольшее влияние на ММО (немодулированные или слабо модулированные каналы),
Признаки и преимущества настоящего изобретения очевидны из подробного описания. Все такие признаки и преимущества охватываются формулой изобретения, определяющей действительный объем и сущность изобретения. Кроме того, поскольку специалисты в данной области могут легко осуществить многочисленные модификации и изменения (например изменения параметров активных каналов), изобретение не ограничивается описанными и проиллюстрированными конкретной конструкцией и работой, и, следовательно, все соответствующие модификации и эквиваленты можно осуществить, не выходя за рамки объема изобретения.

При этом следует иметь в виду, что настоящее изобретение не ограничивается конкретным вариантом, изображенным на чертеже, а включает в себя любые модификации в рамках пунктов прилагаемой формулы изобретения.

Предложены устройство и способ уменьшения максимального значения мощности огибающей линейного усилителя мощности, усиливающего множества каналов. Способ включает в себя операции измерения максимального значения мощности огибающей на выходе линейного усилителя мощности, измерения уровня активности каждого из множества каналов и, в случае превышения максимальным значением мощности огибающей пороговой величины, изменения по меньшей мере одного параметра какого-либо из множества каналов, имеющего уровень активности, превышающий вторую пороговую величину. Технический результат: уменьшение максимального значения мощности огибающей. 2 с. и 4 з.п.ф-лы, 9 ил.

1. Способ снижения максимальной мощности огибающей линейного усилителя мощности, предназначенного для усиления сигналов множества каналов, включающий изменение по меньшей мере одного параметра канала из множества каналов, чтобы уменьшить максимальную мощность огибающей, отличающийся тем, что измеряют максимальную мощность огибающей линейного усилителя мощности, измеряют уровень активности каждого из множества каналов и, в случае превышения максимальной мощности огибающей первой пороговой величины, изменяют по меньшей мере один параметр канала из множества каналов, уровень активности которого превышает вторую пороговую величину. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что операция изменения по меньшей мере одного параметра включает в себя уменьшение уровня мощности передачи канала. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что операция изменения по меньшей мере одного параметра включает в себя преобразование фазы передачи канала. 4. Устройство для снижения максимальной мощности огибающей линейного усилителя мощности, предназначенного для усиления сигналов множества каналов, содержащее линейный усилитель мощности, средство для изменения по меньшей мере одного параметра канала из множества каналов для снижения максимальной мощности огибающей, отличающееся тем, что содержит средство для измерения максимальной мощности огибающей линейного усилителя мощности, средство для измерения уровня активности канала каждого канала из множества каналов, при этом средство для изменения по меньшей мере одного параметра канала из множества каналов выполнено с возможностью измерения уровня активности канала, превышающего второй порог, когда максимальная мощность огибающей превышает первый порог. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что средство для изменения по меньшей мере одного параметра канала содержит блок для уменьшения уровня мощности передачи канала. 6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что средство для изменения по меньшей мере одного параметра канала содержит блок для преобразования фазы передачи канала.