CN1419352A - 一种优化用于同时放大多个调制载波的放大器效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发送电信信号的方法，使用加入了线性化装置的用于同时放大调制不同载波的多个信号的功率放大器。由载波构成的合成信号在放大器的上行一侧被限幅。限幅门限取决于要被发射的各种信号的功率的和，并且放大器的工作参数取决于功率的和，目的是为了维持放大器的最优的效率和/或减小功率容限，即饱和功率和平均工作功率之间的差值。

Description

一种优化用于同时放大多个 调制载波的放大器效率的方法

技术领域

本发明涉及一种运用适合于同时放大调制不同载波的多个信号的功率放大器来发送电信信号的方法。它特别地涉及一种在上面的类型的方法中为了优化放大器的效率，包含调制多个载波的信号的合成信号在放大器的上行一侧被限幅。

本发明同时涉及把上面的那种方法应用到一个无线发射机，一个包括无线发射机的电信系统的基站和一个包括无线发射机的移动电话网络。

背景技术

放大器是通常呈现非线性特性的电子器件，意味着输出信号与输入信号相比经常是失真的。因为这个原因，电信系统包括用于把放大器线性化的装置。最广泛使用的方法在于对放大器的输入的上行信号应用预失真，预失真使得在放大器的输出获得一个忠实地代表应用预失真前的输入信号的信号。预失真可以是数字的也可以是模拟的。

把放大器线性化的另一个已有技术的方法在于将放大器的输入信号与它的输出信号进行比较，比较提供一个以输入信号的反相与输出信号合并得到的误差信号，从而合并的信号是输入信号的一个忠实表示。

而且，用在发送系统中的放大器必须具有可能的最高的效率以限制功率消耗和放大器的尺寸。效率是输出信号的功率与放大器所消耗的总功率的比值。

然而，高的效率与输入信号的一个高动态范围是不兼容的。这是因为输出信号有一个限制值或饱和值。不管输入信号的值是多少，输出信号都不能超过这个限制值。因此，很明显如果输入信号超过了放大器饱和的值，效率就下降了。而且，放大器对于最微弱的输入信号有一个具有恒定增益的线性的特性，当输入信号向着饱和的方向增加时，就呈现一个增益随输出功率的增加而下降的非线性特性。这样上面那类放大器通常被定额以便饱和功率对应最大峰值或输出信号峰值，平均输出功率在放大器的线性区域。放大器的饱和功率和它的平均工作功率的比值，以dB表示，构成了放大器的一个功率容限，熟知为它的“补偿”。通常选择以dB表示的功率容限等于输入信号的峰值功率与输入信号的平均功率的比值的放大器。这个比值通常称为峰值-平均比(PAR)。PAR越高，放大器的效率越低。

通过应用一种在于限制放大器的输入端信号的幅度到一个最大值的限幅方法来增加放大器的效率是本领域中已知的。限制(或门限)值，即限幅半径被确定为由放大器是其一部分的发送系统所发送的信号在最不宜(“最坏情况场合”)情况下的函数，即作为那个信号的峰值功率和平均功率之间的最大可能的比值的一个函数。

必须准确地选择限制值以减小放大器输入端引入的影响信号质量的干扰。这是因为象任何其它形式的非线性一样，除了衰减以外，限幅导致了信号的失真。而且，必须控制限幅的频谱使得不干扰要放大的信号的频谱特征。频谱特征必须维持得比由线性化的放大器的残留缺点获得的特征要好(最好按幅度的顺序)。

失真和衰减的缺点必须进一步与经常由相应的无线标准定义的发射系统的质量和保真度限制相一致。例如，在UMTS标准中，这些限制由3GPP建议TS 25-104和TS 25-141定义。

通常选择功率放大器的预失真参数、偏置、电压和额定值来获得一个对应于最大的发送功率的最大的效率。这样的效率对于低的功率不是最优的。这是因为在低功率时，放大器的效率很低，原因是它的静态消耗(由于偏置电流)在用来放大信号的动态功率中占主导。

发射放大器的效率问题是对于未来的使用正交码来区分同时发送的呼叫，即码分多址(CDMA)技术的UMTS传输标准要解决的一个重要问题。这是因为它计划基站能适应同时发送多个相邻的频带(最大4个)。在那种情况下，“正常的”PAR有一个高的值(最高12dB)，因为它对应于与每个载波的不同用户(码)的迭加相链接的累积PAR并且PAR与不同载波的迭加相关联。

而且，在UMTS标准的情况下，要求发射功率对于业务信息(即数据)有一个至少约0.25dB的准确度，这与运用一个高的和不可控的限幅电平的方法不兼容，原因是后者能改变发射功率的准确度最高达1dB。

本发明去除了这些缺陷。

在根据本发明的方法中，用于对应于由相同的功率放大器发射的多个调制的载波的合成信号的限幅门限，取决于发送的所有的调制的载波的功率的和，并且为了优化放大器的效率，放大器的工作参数适应于这些功率的和。

在这些条件下，放大器的特征可以实时地与输入信号的特征相适应，以在所有时间内都能获得最佳的效率。

作为一个变更，不是直接变化限幅半径或门限，而是首先合并了一个包含设置一固定限幅半径的组件的可变增益放大器，该放大器的可变增益取决于所有调制的载波的功率的和，其次是一个恢复线性化放大器的输入端的要求的发射功率的衰减器。

不管实现方法，变化限幅增益改进了发射功率的准确度。

发明内容

本发明通常提供一种使用加入了线性化装置的用于同时放大调制不同载波的多个信号的功率放大器来发送电信信号的方法，在该方法中由载波构成的合成信号在放大器的上行一侧被限幅，限幅的门限取决于被发射的各种信号的功率的和并且放大器的工作参数取决于功率的和，目的是为了维持放大器的最优的效率和/或减小功率容限，即饱和功率和平均工作功率之间的差值。

例如，放大器的工作参数从包含供电电压和偏置电流的组中选择。

在一个优选实施例中，限幅门限由合并了一个提供一个恒定的限幅半径的组件的可变增益组件确定。

在一个优选实施例中，由变化限幅半径所引起的增益的变化由一个反向增益变化来补偿，以便2个增益的乘积实质上等于1。

放大器的工作参数最好是以一个足够低的速率改变，使得放大器的线性化参数的更新变成可能。

在一个优选实施例中，放大器的工作点被固定以便它的最大的容许功率比必须的功率稍微大一些，使得要求的附加功率能够快速传输。

例如，放大器的附加的功率容限是10％的量级。

例如，信号以CDMA的模式发射；在这种情况下，在每个时隙的一个符号间隔内，每个载波的功率被估计。

被用作估计的符号最好是时隙中的最长的符号。在一个优选实施例中，估计以编码比特的定时速率发挥作用。

载波最好在相邻的带内。

本发明同时包括把在上面定义的方法应用到一个电信系统的基站中去。

本发明进一步包括把在上面定义的方法应用到一个电信系统的终端中去。

本发明的其它特性和优点在参考本发明的优选实施例的附图的描述过程中变得更明显。

附图说明

图1是表示根据本发明的方法的一个优选实施例的图形；

图1a是类似于图1的本发明的一个不同的优选实施例的图形；

图2是运用根据本发明的方法的基站的图形。

具体实施方式

在上下文描述的例子中，参考了其中基站发射CDMA信号到终端的UMTS电信系统。

CDMA传输原理简单地说，如下：信号以符号的形式发送，并且每个符号包含多个被称为“切普(chip)”并代表一个码的采样(4到128或256个采样)。基站同时发送给多个终端。所有的终端接收由基站发送的所有的信号，但是由于每个终端被分配一个不同于其它终端的特定的码，并且由于这些码是正交的，终端能够有效地分离出与分配给它的特定的码相符合的信号。

UMTS电信系统使用每个具有5MHz带宽的多个载波。由于经济的原因，基站的所有的调制的载波通过一单个放大器发射。在图1所示的例子中，有三个相邻的载波带f₁，f₂，f₃。

分配给载波的功率可以是显著不同的。这样，在这个优选例中，载波f₁有一个最高的功率，载波f₂有一个最低的功率。这些载波的每一个对应于一个5MHz宽的频带。

在已有技术中，在上面那类情况下，使用一个对于三个带f₁，f₂，f₃都是恒定的限幅的功率的平均统计密度；换言之，使用一个滤波器把在带f₁，f₂，f₃内的信号的幅度限制为相同的值M。

对于具有不同幅度的三个带，密度M是相同的，信噪比因此不同。由此可以看出载波f₁的信噪比明显大于载波f₂的信噪比。

根据本发明的第一个方面，应用到每个载波的限幅是它的功率的函数。相应地，在图1所示的优选实施例中，用于载波f₁的限幅的功率的平均统计密度m₁是最高的，用于载波f₂的相应密度m₂是最低的。换言之，为了限幅的目的，选择对应于输入信号f₁，f₂，f₃的特性的滤波器的特性10。这减小了用于最弱的载波的失真并且由于限幅的功率的平均统计密度随输入信号变化，密度在所有时间能被优化。可以看出在图1中，最高的密度m₁比已有技术的密度M要低。如果限幅的功率的平均统计密度被优化，那么放大器的额定值可能没那么严格。

根据本发明的可以独立于第一方面使用的另一个方面，平均限幅半径随输入信号的总功率变化，放大器的功率容限(即饱和功率和平均工作功率之间的差，以dB表示)随信号的总功率变化。

在放大器发射三或四个载波带的简化的优选实施例中，最低的功率载波被检测并被分配一个产生最低的限幅功率密度的滤波器，并且相同的功率密度被分配给另外两个(或三个)载波带。在这种情况下，自适应滤波使在只有有限个滤波器中作一个选择成为必要。而且，由这个优选实施例获得的结果与当限幅滤波器准确地反映输入信号时获得的结果基本上相同。

这个滤波的例子在图1a中表示，其中可以看出滤波器的特性有两个限幅的功率密度m′₁和m′₂，密度m′₁被分配给载波f₁和f₂，密度m′₂被分配给最低幅度的载波f₃。

根据本发明的另一方面，在载波频带f₁，f₂和f₃之间的保护带被用来在这些带内抑制在希望的带内的任何残留的失真，这因此将对载波的失真有一个微弱的贡献。这样可以看出在图1中，在限幅功率密度m₁和m₂之间，滤波器有一个较低的衰减12，同样地，在带f₂和f₃之间有一个较低的衰减14。

图2表示运用根据本发明的方法的基站的方框图的构成。

如在图1的优选实施例中，该基站被用来发射三个相邻的频带f₁，f₂和f₃。调制的载波f₁，f₂和f₃，即码被分配到的符号被应用到各个功率估计和发射设备22，24和26的各个输入端20₁，20₂和20₃。

设备22发送输入信号f₁给用于综合或合成不同载波上的信号的设备28的第一输入28₁。同样地，设备24的输出被连到设备28的第二输入28₂，设备26的输出被连到设备28的第三输入28₃。

由设备22，24和26提供的功率估计被应用到微处理器30的输入30₁。

设备28在它的输出28₄提供一个应用到使用图1所示的滤波器特性10的限幅单元32的输入的合成信号。用于应用该滤波器特性的数据由微处理器的两个输出30₂和30₃提供。输出30₂从各个载波f₁，f₂和f₃的功率P1，P2和P3的和，即从应用到微处理器30的输入30₁的信号来确定合成信号的限幅门限。

输出30₃提供滤波器特性10。这遵守载波之间的比例关系并保持每个载波上的类似的失真；这样可以说，获得了一个调准的滤波器。

单元32的输出经由一个可变增益组件38连到数字预失真单元36的输入。可变增益组件38有一个连到微处理器30的输出30₄的限幅增益控制输入38₁。由输出30₄传送的信号控制增益为限幅半径和总功率，即功率P1，P2和P3的和的一个函数。这个增益使得组件38的输出信号的幅度实际上等于单元32的输入的信号的幅度。这个增益是一个可以列出表格的相对简单的函数。

数字预失真单元36的输出连到被线性化的功率放大器40的输入40₁。单元36有一个为了由一个测量接收机学习模式自适应数字预失真，经由测量组件42按惯例接收来自放大器40的输出的用于更新预失真表的数据的第二输入36₂。

放大器40有两个电源输入40₂和40₃；第一输入40₂连到提供一个由微处理器30的输出30₅确定的电压的电源单元44的输出。第二输入40₃接收来自微处理器30的输出30₆的一个控制信号，该信号确定用于晶体管的栅极的偏置电流。应用到输入40₃和40₂的控制信号都取决于总功率P1+P2+P3。

在这个优选实施例中，在单元36中通过比较单元38的输出信号和输入36₂的来自接收机42的信号，计算和更新预失真系数。单元36有一个连到微处理器的输入30₇的输出。后者因此监控预失真表的收敛状态。这个收敛状态由来自输出30₅和30₆(见下面)的控制信号调控放大器40的工作点的变化速率。

最终地，微处理器有一个提供给电信系统一个表明放大器仍能接受的功率的指示的输出30₈。这种瞬时可接受的功率与放大器的当前饱和点和当前限幅半径(见下面)有关。它总体上或部分地对应于相对于当前功率的放大器的饱和点处的容限。

操作如下：

单元22，24和26估计载波f₁，f₂和f₃的每一个上的功率。最后，单元22，24和26把至少一个符号，最好是最长的符号(即经256个采样)和小于一个时隙的一个时间周期的连续采样(单个比特)的功率相加。在UMTS标准的情况下，单个比特的出现的频率(即在该优选实施例中的选择的采样频率)是3.84MHz。这种估计因此对于从33∏到666∏的水平线上的每个时隙起作用，并以666∏的间隔重复。

通过在每个时隙中选择一个符号，在每个载波上的功率变化可以快速被检测。

根据在每个时隙中估计的功率P1，P2和P3，微处理器30首先确定限幅半径，其次确定用于相关的三个载波的滤波器特性10(图1)。在图1a中所示的简化的方法同样得到很好的应用。

在一个优选实施例中，微处理器30在内存中保存一套滤波器，并且滤波器被作为预先确定的表格的函数来选择。这些预定义的表格可以根据计算也可以根据经验来确定。

经验表明对于三个载波，或最多四个载波，例如对于载波功率间的一个最大18dB的差异，只有有限个数的滤波器必须存贮在内存中。这样对于三个载波，大约10个滤波器就足够了，在有限脉冲响应滤波器的情况下，每个滤波器具有最大32到256个复数系数。

当例如有三个UMTS载波时，在每个时隙中根据载波功率P1，P2和P3的和计算的限幅半径或门限有一个比总功率大大约+4dB的值。

应用到放大器40的输入40₂和40₃的控制信号调整放大器的特性以便保持它的高效率。在这个优选实施例中，微处理器30在内存中保持一个用于调整应用到输入40₃的电流i的值I和应用到输入40₂的电压U的表格，以便让1dB压缩点保持靠近限幅圆周，从而维持正确的预失真功效和收敛，同时维持正确的效率。象任何闭环的或自适应的系统一样，收敛是指，在许多次的迭代后(收敛时间)的一个稳定的状态，此时来自预失真表的值不再变化(忽略环路噪声)并产生放大器的逆传输函数的最佳表示，该表示能减少线性化的放大器的输入信号和输出信号之间的频谱差别。

同时应记住1dB压缩点对于强信号是工作点(在限幅半径附近)，此处的增益比在线性区域的增益小1dB。

在图2中所示的站的各个单元的时间常数不总是相同的。相应地，在设备22至26中产生的功率估计有1微秒到10微秒的量级的时间常数，数字预失真单元36的时间常数是在1/10毫秒到几个毫秒的量级，并且参数I和U的时间常数的调整是从1毫秒到1秒，甚至到1分钟。这是因为这些参数I和U不能变化太快，因为它们必须允许对预失真系数的调整。换言之，参数I和U的变化的速率必须足够低以便能够实现用于更新预失真表格的计算。

在一个优选实施例中，放大器的电压被滞后控制以便电压的减少比电压的增加要慢，从而在一个载波的功率发生快速增加的情况下，放大器对于有效的预失真表格，能够维持一个足够的功率容限。

换言之，这种滞后特性必须使得在不得不升高工作点之前，能够无需中断就能吸收附加的用户。相应地，放大器的饱和点必须使得相应的限幅半径能够适应几个用户的附加功率的要求。

例如，在功率放大器能够发射30W(即三个10W的载波)的情况下，容限可能是2W的量级。相应地，在增加放大器的电压U之前，后者有2W的容限的好处从而能够被用来吸收附加的要求。相应地，不管瞬时的限幅半径，放大器的偏置将仍然在高出2W有效，即在这个例子中，当达到了最大28W时，即使没有呼叫是有效的，也从来不会降到4W以下(2W容限和大约2W用于发送每个载波或小区的公共信道)。由于在空闲周期的平均功率比忙周期的平均功率小十倍，所以一天的平均效率仍然是高的。

为了把数字预失真信号的收敛与放大器的特性的适应合并起来，必须使用收敛时间从100微秒到几个毫秒的快速数字预失真算法。最小均方(LMS)算法因此被用到。

在时域中循环(与频域相对)也可能被用到。在这个主题上，应该记住最近的自适应数字预失真方法可以使用两种不同的方法来学习和更新表格：

-可以通过使用宽带接收机，把由放大器发送的每个信号采样与它需要发送的每个采样(在单元38的输出)进行实时比较：这是在时域上的循环并且被用于这个例子是由于它的速度。

-还可以把单元38的输出信号的频谱与发送的频谱进行比较，后者是依靠对发送的带进行扫频的窄带接收机对每个子带进行周期性地分析。这是在频域上的循环，收敛很慢但费用较低。

当运用预先计算的或以表格的形式预先确定的自适应参数时，微处理器30所需的处理功率是相对低的。

在应用UMTS移动电话标准的情况下，对于所有的载波都保持功率控制的准确度(根据注册分配机制，最大载波数为4)，而合成的信号对于三个载波有一个4dB的峰值功率与平均功率的比值并且效率可能超过最大输出功率15％，尽管对于传统的基站，这个效率是从5％到8％。

进一步地，得益于自适应限幅滤波器，可能在不危及基站的最优工作情况下，容忍载波间的一个高的差异。这样一个载波可以被充分地“加载”而另一个载波不加载，即只发送信令。同样可能的是对于两个同中心的小区使用相同的放大器，即具有相对宽的覆盖的一个小区和另一个明显较小的半径但支持繁忙的业务的另一个小区。

而且，为了使这些参数适应特定的应用而改变放大器的供给电压U和改变功率容限能够降低功率消耗约一个为2的因子。这同时改进了功率放大器和相应的使用该放大器的基站的可靠性。

计算的功率容限可被用于发送的功率的监控算法。这是因为，如果使用了CDMA技术(在UMTS中也这样)，为了获得足够的容量，必须减少在小区中和其它小区中引入的干扰。为了实现这个目的，在每个时隙(666∏)中，发送到每个用户(码)或由用户(码)发送的功率为了只发送确实必要的功率，必须以一个可控的和准确的方式来加以限定为在优于1dB的范围内，或者甚至0.5dB，作为一个与移动用户谈判的服务质量的函数。

尽管前面的描述涉及到本发明的使用是在CDMA传输的情况下，但是本发明不仅仅限于那个应用。它同样可以很好应用于在多个载波上的TDMA传输。

本发明主要应用于电信系统的基站。毫无疑问，它也能应用于在多个载波上同时发送的终端。

Claims (13)

1.一种使用加入了线性化装置的用于同时放大调制不同载波的多个信号的功率放大器来发送电信信号的方法，在该方法中由所述载波构成的合成信号在所述放大器的上行一侧被限幅，限幅的门限取决于要被发射的各种信号的功率的和，并且所述放大器的工作参数取决于所述功率的所述和，目的是为了维持所述放大器的最优的效率和/或减小功率容限，即饱和功率和平均工作功率之间的差值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的放大器的工作参数从包含供电电压和偏置电流的组中选择。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的限幅门限由一个合并了提供一个恒定的限幅半径的组件的可变增益组件来确定。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，由修改所述的限幅半径引起的增益的变化由一个相反增益变化来补偿，以便两个增益的乘积实质上等于1。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述放大器的所述工作参数以一个足够慢的速率变化，使得所述放大器的线性化参数能够得到更新。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述放大器的工作点被固定以便它的最大的容许功率比必须的功率稍微大一些，使得要求的附加功率能够快速传输。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述放大器的附加功率容限在10％的量级。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的信号以CDMA的方式被发送，并且对于每个载波的功率在每个时隙的一个符号的持续时间内被估计。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，用于估计的符号是时隙中的最长的符号。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的估计以编码比特的定时速率发挥作用。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的载波在相邻的带内。

12.将权利要求1中的方法应用到电信系统的基站中。

13.将权利要求1中的方法应用到电信系统的终端中。