利用双矩阵降低发射机峰值功率需求的方法与装置.pdf

公开了一种用于处理基带信号以降低多信道发射机(200)峰值功率需求的装置及其方法。该装置包括耦合到一个或多个输入信号(217－220)、用于提供多个输出信号(221－224)的第一傅立叶变换矩阵(FTM)(203)，每个输出信号都包括输入信号移相版本的组合；用于限制每个输出信号峰值以便提供多个峰值受限的输出信号(225－228)的处理单元(205)，及分解峰值受限输出信号以提供一个或多个适于产生一个或多个用于驱动多信道发射机的低电平信号的输出基带信号(229－232)的第二FTM(207)，每个输出基带信号对应于一个输入信号。

1、  用于处理基带信号以降低多信道发射机峰值功率需求的装置，该装置组合地包括：
傅立叶变换矩阵(FTM)，耦合到至少一个输入信号，用于提供多个输出信号，每个输出信号都包括所述至少一个输入信号移相版本的组合；
处理单元，耦合到所述输出信号、用于限制所述输出信号中每一个的峰值以便提供多个峰值受限的输出信号，及
第二FTM，耦合到所述峰值受限的输出信号、用于分解所述峰值受限的输出信号以便提供适于产生多个用于驱动多信道发射机的低电平信号的多个输出基带信号，每个所述输出基带信号都对应于一个所述输入信号。

2、  如权利要求1所述的用于处理基带信号的装置，其中所述第一FTM耦合到多个输入信号，且其中多个输入信号中的每个输入信号都包括用于多个扇区中一个的基带信号。

3、  如权利要求1所述的用于处理基带信号的装置，其中所述处理单元还包括：
限幅功能，根据减小对于所述输出信号中的所述每一个来说所述峰值超过预定值的概率的预定函数工作，以限制所述输出信号中的所述每一个的峰值；及
滤波器，耦合到所述限幅功能以便减少由于所述限幅功能造成的非理想信号。

4、  如权利要求3所述的用于处理基带信号的装置，其中所述处理单元还包括耦合到所述滤波器输出的、工作以进一步限制所述输出信号中每一个的峰值的第二限幅功能。

5、  一种具有降低的峰值功率需求的多信道发射机，组合地包括：
用于处理基带信号以便降低所述基带信号峰值/平均值参数的装置，该装置还包括：用于提供多个FTM输出信号的傅立叶变换矩阵(FTM)，每个FTM输出信号都包括至少一个输入信号移相版本的组合；用于限制所述FTM输出信号中每一个的峰值以便提供多个峰值受限的输出信号的处理单元，及用于分解所述峰值受限的输出信号以便提供至少一个输出基带信号的第二FTM，所述至少一个输出基带信号中的每一个都对应于所述至少一个输入信号中的一个；
将所述至少一个输出基带信号的每一个转换成射频信号以提供至少一个射频信号的混频器；
用于提供多个放大器输入信号的第一模拟FTM，每个放大器输入信号都包括所述至少一个射频信号移相版本的组合；
具有多个放大器以提供多个放大的输出信号的功率放大器，每个放大器都具有耦合到所述多个放大器输入信号中一个的输入并提供所述多个放大的输出信号的一个；及
耦合到所述多个放大的输出信号以提供与所述至少一个输出基带信号一一对应的至少一个发射信号的第二模拟FTM。

6、  如权利要求5所述的多信道发射机，其中所述第一FTM和所述第二FTM还包括第一数字FTM和第二数字FTM，所述第一数字FTM耦合到多个所述输入信号，每个输入信号都包括用于在无线信道上发射的基带信号，所述第二FTM提供且所述混频器转换多个输出基带信号以便提供多个射频信号，所述第一模拟FTM提供所述多个放大器输入信号，每个放大器输入信号都包括所述多个射频信号移相版本的组合，而所述第二模拟FTM提供与所述多个输出基带信号一一对应的多个发射信号。

7、  如权利要求5所述的多信道发射机，其中所述处理单元还包括：
限幅功能，根据减小对于所述FTM输出信号中的所述每一个来说所述峰值超过预定值的概率的预定函数工作以限制所述FTM输出信号中所述每一个的峰值；及
滤波器，耦合到所述限幅功能以便减少由于所述限幅功能造成的非理想信号。

8、  如权利要求7所述的多信道发射机，其中所述处理单元还包括耦合到所述滤波器输出的、工作以进一步限制所述FTM输出信号中的所述每一个的峰值的第二限幅功能。

9、  一种降低多信道发射机中峰值功率需求的方法，该方法包括步骤：
提供多个输出信号，每个输出信号都包括至少一个输入信号移相版本的组合；
限制所述输出信号中每一个的峰值，以便提供多个峰值受限的输出信号；
分解所述峰值受限的输出信号，以便提供至少一个输出基带信号，所述至少一个输出基带信号中的每一个都对应于所述至少一个输入信号中的一个；
将所述至少一个输出基带信号中的每一个都转换成射频信号，以便提供至少一个射频信号；
产生多个放大器输入信号，每个放大器输入信号都包括所述至少一个射频信号移相版本的组合，所述放大器输入信号对应于所述峰值受限的输出信号；
利用具有多个放大器的功率放大器放大所述多个放大器信号，以便提供多个放大的输出信号，每个放大器都具有耦合到所述多个射频信号中一个的输入并提供所述多个放大的输出信号中的一个；及
分解所述多个放大的输出信号，以便提供与所述至少一个输出基带信号一一对应的至少一个发射信号。

10、  如权利要求9所述的方法，其中所述提供多个输出信号利用第一数字FTM，而所述分解所述峰值受限的输出信号利用第二数字FTM，所述第一数字FTM耦合到多个输入信号，每个输入信号都包括用于在无线信道上发射的码分、时分和频分多址基带信号中的一个，所述第二FTM提供且混频器转换多个输出基带信号，以便提供多个射频信号，产生所述多个放大器输入信号，每个放大器输入信号都包括所述多个射频信号移相版本的组合，而所述分解所述多个放大的输出信号提供与所述多个输出基带信号一一对应的多个发射信号。

11、  如权利要求9所述的方法，其中所述限制所述输出信号中的所述每一个的所述峰值还包括：
根据减小对于所述输出信号中的所述每一个来说所述峰值超过预定值的概率的预定函数对所述输出信号中的所述每一个进行限幅；及
在所述限幅后对所述输出信号中的所述每一个进行滤波，以便减少由于所述限幅造成的非理想信号。

12、  如权利要求11所述的方法，其中所述限制所述输出信号中的所述每一个的所述峰值还包括在所述滤波后对所述多个输出信号中的所述每一个的滤波版本进行限幅，以便进一步限制所述峰值受限输出信号的峰值。

利用双矩阵降低发射机峰值 功率需求的方法与装置
技术领域
本发明总体上涉及通信系统，更具体而言涉及利用变换矩阵降低这种系统中发射机峰值功率需求的方法与装置。
背景技术
通信系统，尤其是无线通信系统，需要一种形式或另一种形式的发射机。从功率角度看，发射机，尤其是较高功率发射机，特别是功率放大器(PA)，是通信系统中更昂贵和更高压力的组件之一。例如，利用PA相对密切耦合到天线系统的优点，由于天线的不规则性，如失配及天气或闪电事件，它们常常被滥用。由于这些原因，发射机或功率放大器比有些系统组件要经受或常常遭受相对更高的故障率。这些高功率发射机一般可以在基站中找到。如那些在蜂窝或类似通信系统中找到的基站是为数百甚至有可能数千客户提供满意服务的关键环节。
因此，承运商或服务提供商或网络运营商经受不起发射机故障，从而将竭尽全力避免故障或者至少当有故障时避免服务中断。因此，大多数基站供应商对他们向市场提供的基站内的功率放大器利用某种形式的冗余。新近有些制造商已经利用射频傅立叶变换矩阵(FTM)来提供这种冗余。FTM结合了输入信号的移相版本来提供随后被放大并通过另一射频FTM的多个输出信号，以便将放大的信号分解成原始输入信号的放大版本。因此如果有一个PA失败，则剩余的PA将继续放大输入信号并提供放大的信号，从而避免服务中断。这可能比每个功率放大器都有完全冗余更加经济。但是，还有一个问题。
由于今天许多通信系统依赖于在所发射的无线信号中指定幅值与相位变量的复杂调制方案，因此它们需要线性PA。即使是本身不需要线性PA但利用FTM的系统也将在要放大的组合移相信号中找到幅值变量，因而需要线性PA。线性PA是很难构建的，而且非常昂贵。限制输出进而输入信号的范围可以控制或包含成本与困难，在该范围上放大器必须在这些信号上证明一定程度的线性度。在传统的放大器系统中，有处理输入信号从而帮助实现这些目的地已知技术，但是当使用FTM工作时就没有已知的技术了。所需要的是降低发射机中，尤其是利用FTM的多信道发射机中，峰值功率需求的方法与装置。
附图说明
附图用来进一步说明各种实施方式及解释各种都根据本发明的原理和优点，其中贯穿所有各单独视图相同标号表示完全相同或功能类似的元件，而且附图与下面的详细描述一起被加入并构成本说明书的一部分。
图1描述了适于使用根据本发明一种实施方式的通信系统一部分的简化图；
图2描述了根据本发明发射机的一种优选实施方式的简化方框图；
图3说明了适用于图2根据本发明发射机的降低峰值功率需求装置的方框图；
图4-图6描述了图3装置的一些工作波形和动态曲线；及
图7描述了适于为图3根据本发明的装置提供输入信号的基带信号源的方框图实施方案；及
图8说明了图7信号源的另一实施方案。
具体实施方式
本公开内容以综述的形式涉及利用发射机向通信单元或更具体而言向在其中进行操作的用户提供服务的通信系统。更特别地，讨论并公开了在用于降低发射机峰值功率需求的方法与装置中体现的各种发明构思和原理。有特定兴趣的通信系统是那些被部属和开发的系统，如利用如QPSK、DQPSK、OQPSK、BPSK、QAM等调制格式并扩展频谱的GSM、GPRS、EDGE、TETRA、iDEN、CDMA、W-CDMA、CDMA2000、2.5G或3G系统，或者是其需要成本有效的高可用性线性发射机的其变形和演化。
如下面进一步讨论的，其各种发明性原理与组合是有利地使用的，以便从根本上以基带构成并处理放大器将遇到的信号，从而假定使用了这些原理或其等效物，则在仍然有利于成本有效、高性能和高可用性发射机的同时，减轻了与已知系统相关的各种问题。
提供本公开内容是为了以使能实现的方式进一步解释制作和利用根据本发明的各种实施方式的最佳模式。该公开内容进一步增强了对其发明性原理与优点的理解和评价，而不是要以任何方式限制本发明。本发明只能由包括该申请未决期间进行的任何修订的所附权利要求及所给出那些权利要求的所有等效物来定义。
还应当理解，如果有的话，则相关术语的使用，如第一和第二、顶部和底部等，只是用来区分一个实体或动作与另一个实体或动作，而不一定要求或暗示这些实体或动作之间任何实际的这种关系或顺序。许多发明性功能和许多发明性原理最好利用或者在软件程序或指令及如应用专用IC的集成电路(IC)中实现。期望当由在此所公开的概念和原理指导的时候，尽管由于如可用时间、当前技术及经济考虑可能会引发大量工作与许多设计选择，但普通技术人员能够很容易地利用最少的经验生成这种软件指令与程序及IC。因此，如果有的话，为了简化和最小化任何使根据本发明的原理与概念变模糊的风险，则对这种软件与IC的进一步讨论将限于优选实施方案原理及概念的本质。
参考图1，将描述通信系统一部分100的简化图。图1示出了内部耦合到天线系统103以便对总覆盖区105内的用户提供覆盖的基站101。尽管如6个扇区等其它布置也可能是合适的，但所述天线系统103是一种具有3个所述扇区107、109、111的扇区增益系统，其中每个扇区额定覆盖120度。通常，基站将向天线的各个扇区提供完全不同的信号，而且有可能向一个或多个扇区提供多信号。即使在使用全向天线的时候，基站也经常需要向全向结构提供多信号。在任何情况下，基站都进一步在113耦合到基站控制器和开关，并最终通过如T1地面链路等专用链路耦合到公用电话交换系统。
实质上，基站处理在便携式或移动设备的订户设备或用户与系统或网络的陆地或地面基本部分之间往复的无线链路。通常，基站可以看作包括并内部耦合到通信与控制功能119、接收机功能117和发射机功能115。凭其本身的能力，这些功能中的每一个都相当复杂而且包括冗余系统。接收机和发射机功能或块将不可避免地包括数十个接收机和发射机。这些站和天线系统通常是通过多个供应商，如Motorola等，了解并获得的，而且当发射机根据在此公开的原理和概念修改并构成时，可以实现提高的性能和成本优势。
参考图2，现在讨论并描述发射机200的一种优选实施方式的简化方框图。图2的发射机是具有降低的峰值功率需求的多信道发射机。如可能特别适于放大由傅立叶变换矩阵(FTM)产生的信号或驱动FTM或者在其中可能遇到的，多信道发射机用于描述具有多并行通路和放大器级的发射机。通常，降低的峰值功率需求是通过限制提供给放大器然后被放大的信号，因而是放大信号，峰值/平均值比(PAR)来实现的。峰值/平均值比是限制在基带的，而不是象传统的那样限制通过基带FTM首先被处理的输入信号的PAR。
具有降低的峰值功率需求的多信道发射机包括处理基带信号以降低峰值/平均值参数的装置201。这个装置包括耦合到至少一个输入信号并从那里耦合到限制峰值及向第二FTM 207提供峰值有限输出信号的处理单元205的傅立叶变换矩阵(FTM)203，其中第二FTM207分解峰值有限的输出信号以便向混频器209提供输出基带信号。混频器209将这些基带信号转换成耦合到第一模拟FTM 211的射频信号，其中第一模拟FTM 211提供包括射频信号移相版本组合的放大器输入信号。这些放大器输入信号由放大器213放大，然后放大的输出信号在或者由射频或第二模拟FTM 215分解或更精确地重新组合，以便提供用于驱动天线结构的发射信号。为了在放大器213的输入复制峰值有限的信号225-228，有必要将混频器的输出连接到第一模拟FTM 211正确的输入端口。选择正确的输入配置对于本领域具有最少经验的普通技术人员是很显然的。
更具体地说，FTM 203和FTM 207优选地是通过数字信号处理器(DSP)或专用集成电路(ASIC)或其组合在软件中实现的数字FTM。FTM 203耦合到至少一个输入信号217，优选地是多个这样的信号217-220，并提供多个输出信号或FTM输出信号221-224，其中每个FTM输出信号都包括至少一个输入信号移相版本的组合，优选地是根据下面进一步讨论的FTM技术的多个输入信号移相版本的组合。应当指出，在一种实施方案中，如217的输入可以被终止或者被利用，而输入218-220分别耦合到如用于驱动三个扇区107、109、111中每一个的基带信号的基带输入信号。在这种实施方案中，示为驱动天线256的来自第二模拟FTM 215的输出将被终止，而扇区107、109、111将分别对应于天线255、254、253并由其提供服务。输入信号优选地是在一条或多条无线信道上发射的基带信号，在此信道解释为一个或多个在特定覆盖区提供覆盖的承运商。一种典型的例子是多个输入信号，其中每个输入信号都包括在多个扇区中的一个扇区内，如107、109或111，以一个或多个载频发射的码分、时分或频分多路访问基带信号。尽管这可能是典型的，但不管所使用的调制和信道访问的特定形式是什么，在此所讨论的原理和概念也可以应用，而且同样有利，当然要假定这种调制能经得住或者在某种程度上这种调制能经得住由于峰值限制行为而导致的不可避免的失真。例如，除CDMA之外，以不同方式用于GSM、GPRS、EDGE、TETRA、iDEN、CDMA、W-CDMA、CDMA2000、2.5G或3G的如TDMA或FDMA调制与访问方法，从而基带信号，将同样能很好地工作。如下面进一步讨论的，装置205可以包括一个用于选择多个耦合到第一FTM 203的输入信号的信号选择器，这个信号选择器工作以选择多个与用于如107、109、111的多个扇区天线的基带信号对应的输入信号，其中扇区天线是由多信道发射机驱动的。
处理单元205还包括多个基带处理功能(描述的是4个)，每个功能都耦合到多个FTM输出信号221-224中的一个。该处理单元工作以便以一种使其与线性功率放大器更兼容或对线性功率放大器有较少需求的方式处理FTM信号。这种处理的一个例子是限制多个FTM输出信号中每一个的峰值或所有峰值，以便提供多个峰值有限的输出信号225-228。如参考图3-6更加详细讨论的，实现这种限制的一种更优选的方法是通过使用工作以限制每个FTM输出信号峰值的限幅功能。优选地，这种限幅功能是根据一种预定函数工作以限制峰值的所谓窗口式限幅功能，其中该预定函数减小每个峰值有限输出信号225-228峰值超过预定值的概率。
已经显示如果限幅功能后面跟一个耦合到该限幅功能输出以便减少由于该限幅功能导致的非期望信号的滤波器，则放大器或发射机性能的进一步提高可以实现。在有些情况下，当滤波器后面跟着耦合到该滤波器输出、工作以进一步限制每个FTM输出信号滤波版本峰值的第二限幅功能时，还可以实现额外的提高。由于比较而言较小百分比的峰值被截去或限制，因此这第二限幅功能通常被看作是轻限幅器。
在任何情况下，峰值有限的输出信号都耦合到第二FTM 207，第二FTM 207工作以分解峰值有限的输出信号，从而提供至少一个，优选地是多个，输出基带信号229-232，其中每个输出基带信号都分别与输入信号220-217一一对应，按顺序反转是FTM处理的结果。与217处输入对应的是232处的输出，依次类推。因此，对于FTM 203的每个输入基带信号，在FTM 207都有一个输出基带信号。
这些输出基带信号耦合到混频器209，在这里它们转换成多个射频信号233-236。如所描述的，混频器209包括4个混频器，其中每个混频器都耦合到来自第二FTM的一个输出基带信号，而且每个混频器都提供一个对应的射频信号233-236。参考顶部的混频器并承认这4个混频器中的每一个都是相似的，输出基带信号通过后面跟着适当滤波(未专门示出)的数模转换器237转换成模拟信号，这个模拟信号和LO信号238施加到通常已知的混频器239，混频器239用于将模拟信号的频率向上变换成大家通常都知道的适于发射的射频，从而产生并提供射频信号233。每个输出基带信号都从基带频率或每秒高至几兆位的位速率转换从如800至1000MHz或1.8GHz至2.2GHz或更大的发射射频的模拟信号。
此外在多信道发射机中还包括耦合到至少一个，优选地多个，射频信号233-236并可工作提供多个放大器输入信号241-244的第一模拟FTM 211，其中每个放大器输入信号都包括一个或多个射频信号移相版本的组合。这些信号施加到包括耦合到多个放大器输入信号241-244的多个放大器245-248的功率放大器213，其中每个放大器都具有耦合到一个放大器输入信号的输入，其中这些信号中的每一个都优选地对应于一个峰值有限的输出信号225-228。每个放大器都可操作以放大输入信号并提供放大的输出信号，其中多个放大器245-248分别提供多个放大的输出信号249-252。
发射机的最后一个元件是耦合到多个放大的输出信号249-252的射频或模拟FTM 215，以便提供与至少一个输入信号217一一对应的至少一个发射信号256，优选地是分别与输入信号217-220一一对应的用于驱动天线256-253的多个发射信号。基本上模拟FTM 215将已经放大的射频信号的移相版本组合分解回它们各自的原始内容。如前面指出的按顺序反转是通过两组双FTM的结果。作为另一个例子，217处的信号对应于232、236及256处的信号。应当指出，尽管本公开内容已经关于4×4矩阵的使用开发了出来，但在此所公开和描述的原理与概念基本上可用于任何大小的矩阵，而且矩阵不一定象这里一样是方形的。模拟FTM是已知的，而且可用于任何尺寸，如在这里是来自如Anaren Microwave的供应商的4×4矩阵。FTM是一系列组合特定相角输入信号的复合组合器。矩阵的典型带宽是200MHz，有0.5dB的插入损耗。
在任何情况下，如所描述和讨论的那样，多信道发射机优选地布置并构造成在多个扇区上发射码分、时分或频分多路访问信号。输入FTM和输出FTM优选地是在输入FTM具有一个或多个基带输入信号的数字FTM，而处理单元优选地包括窗口式限幅功能及是模拟FTM的射频FTM 211、215。以这种方式，基带信号以表示输入到多个射频放大器的信号的形式在基带进行处理，以便限制对功率放大器个数的需求，从而降低多信道放大器的峰值功率需求。与这种方法的表面成本及复杂度有关的几个因素显示这远不是直观的。例如，数字FTM 207和模拟FTM 211呈现出额外的成本。但是，通过利用额外的基带FTM和RF FTM，发射机只需要与输入到FTM 203的输入信号一样多的线性排列的混频器。而且，这种基带处理电路与使用RFFTM和并行放大器的传统设备完全兼容，从而很大程度上提供了放大器的冗余。
参考图3，现在讨论和描述适用于上述发射机中处理基带信号以降低峰值/平均值比或峰值功率需求的装置201的一种优选实施方式的方框图。有些讨论具有回顾的性质，而有些则对前面简单描述的各种功能与处理进行了详细阐述。装置201用于降低多信道发射机的峰值功率需求，而且它是通过降低代表信号幅值特征的信号峰值/平均值比(PAR)来实现的，其中这些信号将施加到多信道发射机中的各个功率放大器。该装置包括上面提到的耦合到至少一个输入信号217的傅立叶变换矩阵(FTM)203，优选地是耦合到多个输入信号217-220。优选为数字FTM的FTM 203用于提供多个输出信号221-224，其中每个输出信号都包括一个或多个输入信号移相版本的组合。此外，装置201中还包括耦合到多个输出信号221-224的处理单元205，该处理单元工作以限制多个输出信号中每一个的峰值，以便提供多个峰值有限的输出信号225-228。峰值有限的输出信号耦合到第二FTM 207的输入，优选地是工作以分解该峰值有限的输出信号从而提供多个输出基带信号229-232的第二FTM 207的输入，其中多个输出基带信号适于产生多个用于驱动模拟FTM 211从而驱动多信道发射机的低电平信号，特别是射频信号，其中每个输出基带信号都对应于一个输入信号。
峰值到平均值比降低装置，尤其是数字FTM 203，优选地耦合到多个输入信号，其中每个输入信号都包括一个基带信号，如码分、时分或频分多路访问基带信号，这些信号要在射频信道上发射，如在多个扇区的一个扇区或单扇区天线或多扇区天线结构上发射。如我们随后将讨论的，这些输入信号可以利用用于选择多个耦合到第一FTM的输入信号的信号选择器来提供。在一种实施方案中，信号选择器工作以选择与用于多个扇区的多个基带信号对应的多个输入信号，其中扇区是由多信道发射机驱动的。应当指出，基带信号，如已知的IS-95CDMA，可以包括导频、分页、同步信号及用于多个承运商中每一个的至多61个声音或数据有效载荷信号。IS-95基带信号的典型位速率是大约每秒1.3M位，而其它版本的CDMA可以更高。
如上所述，装置或处理单元205优选地包括限幅功能301，限幅功能301包括但不限于4个块或每个输出信号221-224一个块，限幅功能301工作以限制每个输出信号的峰值。限幅功能301优选地是工作以根据一种减小每个输出信号峰值超过预定值的概率的预定函数执行相对大量限幅的窗口式限幅功能从而限制峰值。跟在该限幅功能后面的优选地是耦合到各限幅功能301并且工作以减少由于限幅功能而导致的非期望和高频信号的滤波器303。跟在滤波器后面的优选地是耦合到各滤波器303输出、工作以进一步限制每个输出信号225-228峰值的第二限幅功能305，第二限幅功能305优选地与限幅器301类似工作但以更轻微的限幅水平。有利地，给出在此公开的原理和概念，如普通技术人员能够认识到的，峰值到平均值比降低装置201适于在如DSP或ASIC或其组合的集成电路形式中实现。
4×4数字FTM可以由以下矩阵描述：