对由同一放大器发送的包含多个载波的信号限幅的方法

专利名称：对由同一放大器发送的包含多个载波的信号限幅的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用适于同时放大调制了不同载波的多个信号的功率放大器发送电信信号的方法。更具体地说，本发明涉及一种为优化放大器效率在该放大器的上游对包括调制了多个载波的各信号的复合信号进行限幅(clip)的上述方法。
本发明还涉及将上述这种方法应用于无线电发射机、包括无线电发射机的电信系统中的基站以及包括无线电发射机的移动电话网络。
背景技术：
放大器是通常显示非线性特性的电子部件，这意味着与输入信号相比，输出信号通常被失真。因为此原因，电信系统包括用于线性化放大器的装置。最广泛采用的这种方法包括，在放大器输入端的上游对信号施加预失真，该预失真是这样的，即在放大器输出端获得一个信号，该信号是施加预失真之前的输入信号的真实表示。预失真可以是数字的，或模拟的。
线性化放大器的另一种现有技术方法在于，将放大器的输入信号与其输出信号进行比较，该比较提供一个误差信号，该误差信号以反相与输出信号合成在一起，使得该合成信号是输入信号的真实表示。
此外，发送系统中使用的放大器必须具有最高可能效率以限制功耗和放大器的尺寸。效率是输出信号功率与放大器消耗的总功率之比。
然而，高效与输入信号的大动态范围不相容。这是因为，输出信号具有极限值或饱和值。无论输入信号的值多大，输出信号不超过此极限值。因此，在输入信号超过在该值之上放大器会饱和的值时，显然会降低效率。不仅如此，对于弱输入信号，该放大器具有恒增益线性特性，并且在输出信号趋向饱和增加时，该放大器具有非线性特性，随着输出功率的提高，增益会降低。因此，通常对上述这种放大器进行评定，使得饱和功率对应于最大峰值或输出信号峰值，并且平均输出功率在放大器的线性范围内。用dB表示的、放大器的饱和功率与其平均运行功率的比值构成放大器的功率容限，被称作“补偿”。通常选择其功率容限(margin)(dB)等于输入信号的峰值功率与输入信号的平均功率之比的放大器。通常，还将此比值称作峰值对平均值之比(PAR)。PAR越高，放大器的效率越低。
在本技术领域内众所周知，利用将放大器输入信号的幅值限制到最大值的限幅方法来提高放大器的效率。作为由放大器作为其一部分的发送系统发送的信号的最不良(最糟糕情况)情况的函数，即作为该信号的峰值功率与平均值功率的最大可能比值的函数，确定极限值(或阈值)或限幅范围。
为了将影响放大器输入端信号质量的感应干扰降低到最低，必须准确选择该极限值。这是因为，与任何形式的非线性类似，除了衰减之外，限幅还会导致信号失真。而且，为了不影响待放大信号的频谱特性，必须控制限幅频谱。频谱特性必须保持比线性化放大器的残留缺陷获得的特性好(最好好于一个数量级)。
失真和衰减缺陷还必须符合发送系统的质量和保真度制约，发送系统的质量和保真度制约通常由相应无线电标准定义。例如，在UMTS标准中，由3GPP推荐标准TS 25-104和TS 25-141定义这些制约。
通常，为了对最大发送功率获得最高效率，而选择功率放大器的预失真参数、偏置、电压和参数。因此在低功率时，效率不是最佳。这是因为，在功率低时，由于放大器的静态消耗(因为偏置电流)超过了用于放大信号的静态功率，所以放大器的效率低。
限幅会在发送频带外产生乱真信号，这通常是标准所不允许的。例如，利用通过连续限幅，将限幅产生的频谱误差引入要求的发送频带的第WO9965172号PCT申请描述的技术不能限制此影响。
然而，我们发现，在同步发送多个调制载波时产生的失真会根据每个载波的活动性(或幅值)发生变化，而与实现无关。具体地说，最弱的载波，失真最大。利用各载波之间的反差限制限幅阈值和PAR降低。
本发明消除了此缺陷。
为了将所发送的每个载波的失真降低到最小，根据本发明的方法确定每个调制载波的瞬时功率，并根据该瞬时功率，对每个调制载波指定限幅功率频谱密度。
因此，可以优化每个调制载波的限幅噪声，并且可以以受控方式或自适应方式将失真和误差分布到所有载波。因此，可以降低总限幅阈值。
因此，对于所有载波，平均限幅失真功率不同。滤波器的总体特性与信号的瞬时频谱特性非常对应。然而，滤波器特性比待限幅的多载波复合信号的特性要简单。例如，除了低功率频谱密度的最小功率载波外，同样的限幅功率频谱密度适于所有载波。
最好充分反复确定每个载波的功率以适应每个载波的功率变化。例如，在CDMA或UMTS传输情况下，对每个码元或至少对每个时隙确定每个载波的功率。
尽管在所有载波为最大功率的情况下评定放大器，但是如果各载波具有高反差，则根据本发明的方法可以将失真降低到最小。
在一个实施例中，以这样的方式选择滤波器特性，使得在载波之间的保护频带内衰减较小。因此，利用这些频带来减小失真。

发明内容
本发明提供了一种利用与线性化装置相关联的同一个功率放大器发送多个载波的方法，在该方法中，在将包括所述多个载波的复合信号施加到所述放大器的输入端之前，对所述的复合信号限幅，以限制要被发送的信号的峰值功率与平均功率的比值，每个载波被分别进行限幅，每个载波的限幅功率密度是其功率的函数。
最好利用再现所述要被发送的信号的频谱的频谱特性通过自适应滤波过程，进行所述限幅。
在一个实施例中，在相邻频带之间存在小衰减。
在一个实施例中，确定具有最低功率的载波，对该载波分配第一限幅频谱密度阈值，而对其它载波分配比第一限幅频谱密度阈值高的第二限幅频谱密度阈值。
例如，从先前存储在存储器内的各组中，特别是从各滤波器组中选择限幅频谱密度电平。
在一个实施例中，要被发送的、调制各载波的信号是CDMA信号，并且在这种情况下，在每个时隙期间，至少对一个码元估计每个载波的功率。例如，对时隙的最长码元估计每个载波。
对用于进行估计的码元的每个编码采样估计功率。
在另一个实施例中，载波频带发送时分复用信号。
一个实施例方法包括增益补偿过程，使得尽管限幅过程引起增益变化，但是在放大器的输入端获得的信号的幅值实际上仍与复合信号的幅值相同。
例如，所述载波在相邻频带内。
本发明还包括将以上确定的方法应用于电信系统的基站的应用。
本发明进一步包括将以上确定的方法应用于电信系统的终端的应用。
通过参考本发明实施例的附图进行说明，本发明的其它特征和优势将变得更加明显。


图1是示出根据本发明方法的一个实施例的示意图；图1a是本发明不同实施例的、类似于图1所示示意图的示意图；图2是采用本发明方法的基站的示意图。
具体实施例方式
在以下描述的例子中，参考了其中基站将CDMA信号发送到终端的UMTS电信系统。
简单地说，CDMA传输原理是以码元形式发送信号，并且每个码元包括许多被称为“码片”表示代码的采样(4至128或256个采样)。基站同时对许多终端进行发送。所有终端接收该基站发送的所有信号，但是由于对每个基站分配了与其它基站的代码不同的特定代码，并且由于各代码是正交的，所以终端可以有效析出与对其分配的特定代码相符的信号。
UMTS电信系统采用其带宽分别为5MHz的多个载波。因为经济原因，利用一个放大器发送基站的所有调制载波。在图1所示的例子中，存在3个相邻载波频带f1、f2、f3。
对各载波分配的功率可以显著不同。因此，在此实施例中，载波f1的功率最高，载波f2的功率最低。其中每个载波对应5MHz宽的频带。
在现有技术中，在上述这种情况下，采用对3个频带f1、f2、f3恒定的限幅功率平均统计密度，换句话说，采用将频带f1、f2和f3内的各信号的幅值限幅到同一个值M的滤波器。
因为对于具有不同幅值的这3个频带，密度M相同，所以信噪比不同。因此，显然，载波f1的信噪比比载波f2的信噪比高得多。
根据本发明的第一方面，对每个载波施加的限幅是其功率的函数。因此，在图1所示的实施例中，载波f1的限幅功率平均统计密度m1最高，并且载波f2的相应密度最低。换句话说，为了进行限幅，选择与输入信号f1、f2、f3的特性对应的滤波器特性10。这样可以将弱载波的失真降低到最小，并且因为限幅功率平均统计密度随输入信号变化，所以可以始终优化该密度。从图1中可以看到，最高密度m1低于现有技术的密度M。如果对限幅功率平均统计密度进行了优化，对放大器参数的要求就不严了。
根据可以独立于本发明第一方面使用的本发明的另一个方面，平均限幅范围随输入信号的总功率变化，并且放大器的功率容限(即饱和功率与平均运行功率之间的差值，单位为dB)也随该信号的总功率变化。
在放大器发送3个或4个载波频带的简化实施例中，检测最低功率载波，并对该最低功率载波分配产生最低限幅功率密度的滤波器，并对其它两个(或3个)载波频带分配相同的功率密度。在这种情况下，自适应滤波要求仅在有限数量的滤波器之间做选择。此外，此实施例实现的结果与限幅滤波器准确反映输入信号时实现的结果大致相同。
图1a图解示出此滤波过程的例子，从图1a中可以看出，滤波器特性具有两个限幅功率密度m’1和m’2，对载波f1和f2分配密度m’1，而对最低幅值载波f3分配密度m’2。
根据本发明的又一个方面，利用载波频带f1、f2和f3之间的保护频带以在这些频带内排除要求频带内的任何残余失真，这样可以减弱对载波形成失真。从图1中可以看出，在限幅功率密度m1与m2之间，滤波器具有低衰减12，同样，在频带f2与f3之间，滤波器还具有低衰减14。
图2示出采用根据本发明方法的基站的方框图。
与图1所示的实施例相同，该基站适于发送3个相邻频带f1、f2和f3。将调制载波f1、f2和f3，即将对其分配了代码的码元送到相应功率估计与发送装置22、24、26的相应输入端201、202和203。
装置22将输入信号f1发送到装置28的第一输入端281，以使不同载波的各信号同步，或对不同载波的各信号进行控制。同样，将装置24的输出连接到装置28的第二输入端282，并将装置26的输出连接到装置28的第三输入端283。
将装置22、24、26提供的功率估计值送到微处理器30的输入端301。
装置28在其输出端284提供复合信号，将该复合信号送到应用了图1所示滤波器特性10的限幅单元32的输入端。微处理器的两个输出端302和303提供应用此滤波器特性的数据。根据各载波f1、f2和f3的功率P1、P2和P3之和，即根据施加到微处理器30的输入端301的信号，输出端302确定复合信号的限幅阈值。
输出端303提供滤波器特性10。这符合载波之间的比例关系，所以对每个载波保持同样失真，因此可以说获得了调谐滤波器。
通过可变增益部件38，将限幅单元32的输出端连接到数字预失真单元36的输入端。可变增益部件38的限幅增益控制输入端381与微处理器30的输出端304相连。作为限幅范围和总功率即功率P1、P2和P3之和的函数，输出端304输出的信号控制该增益。此增益是这样的，即可变增益部件38的输出信号的幅值实际上等于限幅单元32的输入端的信号幅值。此增益是可以利用表格表示的较简单函数。
将数字预失真单元36的输出端连接到要被线性化的功率放大器40的输入端401。对于测量接收机实现的学习模式自适应数字预失真，单元36的第二输入端362传统上通过测量部件42接收用于更新放大器40输出端输出的预失真表的数据。
放大器40具有两个电源输入端402和403，第一输入端402与电源单元44的输出端相连，电源单元44提供微处理器30的输出端305确定的电压。第二输入端403从微处理器30的输出端306接收控制信号，此控制信号确定各晶体管栅极的偏置电流。根据总功率P1+P2+P3，将该控制信号送到输入端403和402。
在此实施例中，通过将单元38的输出信号与接收机42输出到输入端362的信号进行比较，单元36计算并更新预失真因数。单元36的输出端与微处理器的输入端307相连。因此，微处理器监测预失真表的收敛状态。利用输出端305和306输出的控制信号，此收敛状态调节放大器40的工作点变化率(如下所述)。
最后，微处理器30的输出端308将放大器40仍接受该功率的指示送到电信系统。此可瞬时接受功率涉及放大器的当前饱和点与当前限幅范围之间的差值(如下所述)。它与相对于当前功率的放大器的饱和点容限全部或部分一致。
以下说明运行过程单元22、24和26估计每个载波f1、f2和f3的功率。为此，在至少一个时隙的时间周期内，单元22、24和26至少对一个码元，优选对最长码元，即对256个采样计算连续采样(各位)的功率之和。对于UMTS标准，各位的表现频率(即在此实施例中选择的采样频率)为3.84MHz。因此，在从33μs到666μs的范围内，此估计值对每个时隙有效，并且以666μs的间隔重复。
通过在每个时隙内选择码元，可以迅速检测每个载波的功率变化。
根据在每个时隙内估计的功率P1、P2和P3，微处理器30首先确定限幅范围，然后确定相关3个载波的滤波器特性10(如图1所示)。同样可以采用图1a所示的简化方法。
在一个实施例中，微处理器30将一组滤波器保存在存储器内，并根据预定表选择各滤波器。或者通过进行计算，或者根据经验确定这些预定表。
经验证明，如果具有3个载波，或者至多具有4个载波，对于各载波功率之间的18dB的最大差别，仅须将有限数量的滤波器存储到存储器内。对于3个载波，约10个滤波器足够了，对于有限冲激响应滤波器，每个滤波器最多具有32值256个复因数。
例如，在每个时隙，根据载波功率P1、P2和P3之和计算的限幅范围或阈值接近+4dB，它大于存在3个UMTS载波时的总功率。
施加到放大器40的输入端402和403的控制信号调节放大器特性使其保持高效。在此实施例中，微处理器30将用于调节对送到输入端403的电流i的值I和对输入端402施加的电压U的表存储到存储器内，因此1dB的压缩点仍与限幅周期接近，从而在具有正确效率时，保持正确预失真作用和收敛。与任何回路或自适应系统类似，收敛指稳定状态，在稳定状态下，在进行多次迭代(收敛时间)后，就不再对预失真表中的值进行调整(忽略回路噪声)，而是产生放大器的逆传递函数的最佳表示，这样可以将线性化放大器的输入信号与输出信号之间的频谱差降低到最小。
我们还记得，1dB的压缩点是强信号(靠近限幅范围)的工作点，其增益为1dB，它比线性区域内的增益小。
图2所示基站内的各单元的时间常数不同。因此，装置22至26产生的功率估计值具有1微秒至100微秒数量级的时间常数，数字预失真单元36的时间常数是十分之一毫秒至几毫秒数量级，参数I和U的调整时间常数在1毫秒至1秒甚或更多秒，即1分钟之间。这是因为，这些参数I和U不能非常快速发生变化，因为它们必须适应预失真系数。换句话说，参数I和U的变化速率必须足够低，使得可以进行计算从而更新预失真表。
在优选实施例中，利用滞后现象控制放大器电压，因此电压的降低速度比该电压的升高速度慢，所以如果其中一个载波的功率快速提高，则利用有限预失真表，该放大器可以保持足够功率容限。
换句话说，此滞后行为必须是这样的，即在必须升高工作点之前，无需中断即可包含(absorb)其它用户。因此，放大器必须具有这样的饱和点，即相应限幅范围适应用于几个用户的附加功率要求。
例如，对于可以发送30瓦的功率放大器(即3个10瓦的载波)，容限可以是2瓦数量级。因此，在提高放大器电压U之前，放大器受益于2瓦的容限，2瓦的容限用于包含其它要求。因此，不考虑瞬时限幅范围，放大器的偏置仍有效，即在此例中高于2瓦，在达到28瓦的最大值时，即使没有有效呼叫(用于发送每个载波或小区的各公共信道的2瓦容限和接近2瓦)，也永远不会降低到低于4瓦。一天的平均效率仍较高，因为轻负荷期间的平均功率比重负荷期间的平均功率低10倍。
为了将数字预失真信号的收敛与修改放大器特性结合在一起，需要采用其收敛时间从100微秒到几毫秒的快速数字预失真算法。因此，采用最小均方(LMS)算法。
还可以采用时间域内的循环(与在频域内建议的相对)。关于此，我们记着，最新自适应数字预失真方法可以采用两个不同方法来学习和更新表·或者通过利用宽带接收机，将放大器发送的每个信号采样与要求发送的每个信号采样(单元38的输出端)进行实时比较这是时间域内的循环，并且在此例中，采用这种方法，是因为其速度。
·或者通过将单元38的输出信号频谱与发送频谱进行比较，对于每个子带，利用扫描该发送频带的窄带接收机对该发送频谱进行周期性分析。这是频域内的循环，其收敛更慢，但是成本低。
如果采用以表形式预计算或预定的适应参数，则微处理器30所需的处理功率较低。
如果应用UMTS移动电话标准，则对所有载波保持真实功率控制(根据许可分配方案，载波数最多为4)，对于3个载波，复合信号的峰值功率与平均功率之比为4dB，并且效率超过最大输出功率15％，而传统基站的此效率在5％至8％之间。
此外，利用自适应限幅滤波器，不牺牲基站最佳运行，就容许在载波之间具有大反差。这样，就可以将一个载波全部“载入”，而不载入另一个载波，即仅发送信令。同样，还可以对两个同心小区，即一个具有较大覆盖区的小区和另一个覆盖半径非常小、用于支持繁忙业务的小区采用同一个放大器。
此外，为了使这些参数适于特定应用，通过改变放大器电源电压U并通过改变功率容限，可以将功耗降低约2倍。这还提高了功率放大器的可靠性，因此提高了采用该放大器的基站的可靠性。
所计算的功率容限可以用于发送功率监测算法。这是因为，如果采用CDMA技术(因此在UMTS中)来获得足够容量，则重要的是要将该小区以及其它小区内感应的干扰降低到最小。为此，在每个时隙(666μs)内，必须以受控方式或真实方式，将发送到每个用户或者由每个用户发送的功率(代码)重新确定在优于1dB甚或0.5dB的范围内，从而作为与移动台协商的业务质量的函数，仅发送确切需要的功率。
尽管以上参考CDMA传输过程对本发明的用途进行了说明。但是本发明并不局限于该应用。本发明同样可以应用于具有多个载波的TDMA传输过程。
本发明主要应用于电信系统中的基站。然而，本发明也可以应用于必须通过多个载波进行同步发送的终端。
权利要求
1.一种利用与线性化装置相关联的同一个功率放大器发送多个载波的方法，在该方法中，在将包括所述多个载波的复合信号施加到所述放大器的输入端之前，对所述的复合信号限幅，以限制要被发送的信号的峰值功率与平均功率的比值，每个载波被分别进行限幅，每个载波的限幅功率密度是其功率的函数。
2.根据权利要求1所述的方法，其中利用再现所述要被发送的信号的频谱的频谱特性通过自适应滤波过程，进行所述限幅。
3.根据权利要求1所述的方法，其中在相邻频带之间存在小衰减。
4.根据权利要求1所述的方法，其中确定具有最低功率的载波，对该载波分配第一限幅频谱密度阈值，而对其它载波分配比第一限幅频谱密度阈值高的第二限幅频谱密度阈值。
5.根据权利要求1所述的方法，其中从先前存储在存储器内的各组中，特别是从滤波器组中选择限幅频谱密度电平。
6.根据权利要求1所述的方法，其中要被发送的、调制所述载波的信号是CDMA信号，并且在每个时隙期间，至少对一个码元估计每个载波的功率。
7.根据权利要求6所述的方法，其中对时隙的最长码元估计每个载波。
8.根据权利要求6所述的方法，其中对进行估计的码元的每个编码采样估计功率。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述载波频带发送时分复用信号。
10.根据权利要求1所述的方法，该方法包括增益补偿过程，使得尽管所述限幅引起增益变化，但是在所述放大器的输入端获得的信号的幅值实际上仍与所述复合信号的幅值相同。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述载波在相邻频带内。
12.一种将根据权利要求1所述的方法应用于电信系统的基站的应用。
13.一种将根据权利要求1所述的方法应用于电信系统的终端的应用。
全文摘要
在一种利用与线性化装置相关联的同一个功率放大器发送多个载波的方法中，在将包括所述多个载波的复合信号施加到所述放大器的输入端之前，对所述的复合信号限幅，以限制要被发送的信号的峰值功率与平均功率的比值，每个载波被分别进行限幅，每个载波的限幅功率密度是其功率的函数。
文档编号H04L27/36GK1419342SQ0215052
公开日2003年5月21日 申请日期2002年11月12日 优先权日2001年11月12日
发明者卢卡·达特洛斯 申请人:伊沃柳姆两合公司