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1. WO2012068836 - DEVICE AND METHOD FOR IMPLEMENTING OUTPUT POWER CONTROL OF POWER AMPLIFIER

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[ ZH ]
一种实现功率放大器输出功率控制的装置及方法

技术领域

本发明涉及功率放大器装置及其输出功率的控制方法, 尤其涉及基站发 射机中实现功率放大器输出功率控制的装置及方法。

背景技术

在无线通讯领域, 全球移动通讯系统(GSM, Global System of Mobile communication )基站发射机普遍都釆用闭环功率控制方法,其原理框图如图 1 所示,通过功率放大器(简称功放)输出端的峰值电压检测电路获得基站 输出功率,将获取的输出功率值与期望功率进行比较,比较的结果用来更新 功率控制的校准值,用校准值来控制功率放大器前端的数控衰减器,来达到 控制调节输出功率的目的,使其稳定在期望功率的水平。

通过闭环功率控制的原理, 其中需要基站预先得到不同功率等级下的期 望功率,需要通过峰值检测电路获取功放的输出功率,以便达到对数控衰减 器的控制,达到调节功放的输入信号的功率的目的。通常 GSM的基站功率等 级共为 22级,其中静态功率等级为 6级,动态功率等级 15级, 0功率等级为 最大功率等级,因此组合总共得到 22个功率等级。期望功率等功率控制参数 都是在基站设备整机出厂前通过测试获取, 并保存在电可擦除只读存储器 ( EEPROM )中,其它的参数则保存在与 CPU相连的闪存(Flash )中。功放

( AD )转换器将其转换成数字功率反馈值,经现场可编程门阵列器件( FPGA ) 透传给数字信号处理器模块(DSP芯片),由该 DSP模块通过软件完成闭环 功率控制,经 FPGA控制数控衰减器(DA )衰减量,从而实现基站功率的稳 定输出。

功放理论的增益值可能会与实际的增益值有所差异, 这是由于出厂批次 不同或各种其它因素而导致实际的增益值离散;其次,不同的频点上由于阻 抗的不同导致电流不同,由此使得增益值也都是不一样的。因此对于不同的 功放其期望功率是不同的。当功放输出功率反馈值低于期望功率时,会不停 的调整校准值,通过减小数控衰减器衰减量来增大功放的输入信号,使功放 输出功率不断的提高,最后使功放工作在饱和状态(即工作在非线性区)。 这样导致的后果是,基站的发射信号指标恶化,工作在过覆盖状态下,从而 对其它的小区造成干扰,进一步地恶化网络指标。其次,由于功放长期工作 在饱和区,导致温度过高,可能会烧坏功放电路,由此导致的后果会更加严 重。

经过对实际案例的分析, 发现导致输出功率反馈值低于期望功率的原因 多种多样。例如,工作环境的温度过高导致功放输出端口的器件损坏,或者 功放输出功率反馈通道损坏,或者功放某些器件虚焊等。以上的这些因素都 有可能会在基站工作一段时间后出现,并且难以避免。

现有的技术中也有不少用于检测功放饱和的装置,基本上是通过功放硬 件电路来完成,峰值检测器检测输出功率的大小,用于判断是否达到了饱和 状态。但是,对于功放输出功率反馈的电压异常(反馈值长时间地低于期望 功率)的这种情况,却无法有效地检测到,从而无法避免功放工作在饱和状 态。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种实现功率放大器输出功率控制的 装置及方法,能够有效地防止功率放大器处于饱和状态下工作。

为了解决上述技术问题, 本发明提供了一种实现功率放大器输出功率控 制的装置,包括功率放大器输出端的第一峰值检测器、模数转换器以及功率 控制模块,其特征在于,还包括功率放大器输入端的第二峰值检测器,其中: 第一峰值检测器, 设置为将检测功率放大器输出信号功率所对应的输出 功率检波电压输出给模数转换器;

第二峰值检测器, 设置为将检测功率放大器输入信号功率所对应的输入 功率检波电压输出给模数转换器;

模数转换器,设置为分别对输出功率检波电压和输入功率检波电压转换 成对应的输出功率值和输入功率值,并输出给功率控制模块;

功率控制模块,设置为根据功率放大器各功率等级下的期望功率和输入 的输出功率值、输入功率值获取对应功率等级下输入信号功率门限值,根据 获知的功率放大器的状态控制功率放大器输出功率。

优选地,该装置还包括数控衰减器,其中:

所述功率控制模块是设置为: 根据输入的输出功率值、输入功率值获取 功率放大器实际的增益,根据功率放大器各功率等级下的期望功率和实际的 增益获取对应功率等级下输入信号功率门限值,根据通过输入功率值与对应 功率等级下的输入信号功率门限值的比较结果获知的功率放大器的状态,输 出控制信号给数控衰减器;

数控衰减器,设置为通过输入的控制信号控制数控衰减量,以通过控制 功率放大器的输入信号功率来控制功率放大器的输出信号功率。

优选地, 功率控制模块包括依次连接的现场可编程门阵列器件、数字处 理器模块以及 CPU, 其中:

现场可编程门阵列器件, 设置为将输入的输出功率值、输入功率值转换 成相应的输出功率的对数值和输入功率的对数值,输出给数字处理器模块; 将输入的功率控制值转换成控制信号输出给数控衰减器;

数字处理器模块, 设置为根据输出功率的对数值与输入功率的对数值的 差值计算功率放大器实际的增益;根据该实际的增益和读取的功率放大器在 各功率等级下的期望功率记录,计算获取对应功率等级下的输入功率门限值; 根据输入功率的对数值与对应功率等级下的输入功率门限值的比较结果判断 出功率放大器所处的状态,并将相应的功率控制值输出给现场可编程门阵列 器件;

CPU, 设置为保存数字处理器模块计算获取的对应功率等级下的输入功 率门限值;在上电时将读取的对应功率等级下的输入功率门限值输出给数字 处理器模块。

优选地 ,

数字处理器模块若比较输入功率的对数值小于对应功率等级下的输入功 率门限值,则判断功率放大器处正常状态,则输出进行正常的闭环功率控制 的功率控制值;否则,判断功率放大器处临界饱和状态或临界过功率状态, 输出限制继续减小该功率等级下的数控衰减量的功率控制值。

优选地 ,

数字处理器模块若比较输入功率的对数值不小于对应功率等级下的输入 功率门限值,且继续判断当前时隙为零功率等级,则报告功率放大器处临界 饱和状态,若继续判断当前时隙不是零功率等级,则报告功率放大器在该功 率等级下达到临界过功率状态。

为了解决上述技术问题,本发明提供了一种实现功率放大器输出功率控 制的方法,包括:

当功率放大器上电后工作于预设功率时,分别检测该功率放大器输入信 号功率和输出信号功率,由此计算该功率放大器实际的增益值;

根据该功率放大器实际的增益值和在各功率等级下的期望功率,计算该 功率放大器对应功率等级下的输入功率门限值;

将检测的输入信号功率与相应功率等级下输入信号功率门限值比较,根 据通过比较结果判断出的该功率放大器的状态控制该功率放大器的输出功 率。

优选地 ,

计算该功率放大器实际的增益值的步骤包括: 输出信号功率的对数值减 去输入信号功率的对数值。

优选地 ,

计算该功率放大器对应功率等级下的输入功率门限值的步骤包括:该功 率等级期望功率值减去该功率放大器实际的增益值后,加上功率工程余量值。

优选地, 将检测的输入信号功率的对数值与相应功率等级下输入信号功 率门限值比较,根据通过比较结果判断出的该功率放大器的状态控制该功率 放大器的输出功率的步骤包括:

若比较输入功率的对数值小于相应功率等级下输入信号功率门限值, 则 判断该功率放大器工作于正常状态,根据检测的输出信号功率进行正常的功 率校准;

若比较输入功率的对数值不小于相应功率等级下输入信号功率门限值, 则判断该功率放大器处于临界饱和状态或临界过功率状态,停止对该功率等 级进行功率上调的校准操作。

优选地 ,

在比较输入功率的对数值不小于相应功率等级下输入信号功率门限值的 情况下,继续判断当前时隙为零功率等级,则报告该功率放大器处临界饱和 状态,若继续判断当前时隙不是零功率等级,则报告功率放大器在该功率等 级下处临界过功率状态;通过停止继续减小该功率等级下的数控衰减量,来 停止对该功率等级进行功率上调的校准操作。

本发明通过在功率放大器输入端增加对输入信号功率的实时检测, 利用 检测的功放的输入信号功率和输出信号功率计算出功放的实际增益,以此获 取功放在不同功率等级下输入信号功率的门限值;将输入信号功率和相应的 门限值的比较,根据比较结果进行相应的操作,由此有效防止功放工作在饱 和状态而损害发射机,避免基站越区覆盖而影响通信网络质量。

附图概述

图 1是现有的 GSM基站发射机中功放输出功率控制装置的框图; 图 2本发明的功率放大器输出功率控制装置实施例的框图;

图 3是本发明的功率放大器输出功率的控制方法实施例的流程图; 图 4是图 2所示的流程中根据功放状态控制输出功率的流程图实施例。

本发明的较佳实施方式

下面结合附图和优选实施例对本发明的技术方案进行更详细地阐述。以 下虽然是以 GSM基站系统为实施例,但应该明确,这只是为了说明和解释本 发明,而并不构成对本发明技术方案的限制。

如图 2所示,是本发明的功率放大器输出功率控制装置一实施例的结构, 包括功放输入端的峰值检测器 1和输出端的峰值检测器 2、 AD转换器、功率 控制模块以及数控衰减器,其中:

峰值检测器 1 , 设置为检测功放的输出信号功率,将输出功率检波电压 输出给 AD转换器;

峰值检测器 2 , 设置为检测功放的输入信号功率,将输入功率检波电压 输出给 AD转换器;

AD转换器,设置为分别对输出功率检波电压和输入功率检波电压各自的 模拟信号转换成相应的输出功率值和输入功率值,并输出给功率控制模块; 功率控制模块,设置为根据功放的期望功率和输入的输出功率值、输入 功率值获取功放各功率等级下输入信号功率门限值,根据输入功率值与相应 功率等级下输入信号功率门限值的比较结果获知功放的状态,据此输出控制 信号给数控衰减器;

数控衰减器, 设置为通过输入的控制信号控制数控衰减量,从而控制功 放的输入信号功率。

图 2所示的功率控制模块进一步包括依次连接的现场可编程门阵列器件 ( FPGA ) 、 DSP模块以及 CPU, 还包括连接 DSP模块的 EEPROM和连接 CPU的 Flash存储器,其中:

FPGA,设置为将输入的输出功率值、输入功率值转换成相应的输出功率 的对数值和输入功率的对数值,作为功率反馈值输出给 DSP模块;

DSP模块, 设置为计算功放实际的增益值,等于输出功率的对数值 -输入 功率的对数值;根据功放实际的增益值和从 EEPROM读取的功放在各功率等 级下的期望功率记录,计算获取功放对应功率等级下的输入功率门限值,并 输出给 CPU; 其中:

功放实际的增益值 =输出功率的对数值 -输入功率的对数值; 对应功率等级下的输入功率门限值 =

该功率等级期望功率值 -功放实际的增益值 + 功率工程余量值;

CPU, 设置为将 DSP模块计算出的对应功率等级下的输入功率门限值保 存在 Flash存储器中;在上电时将从 Flash存储器读取的对应功率等级下的输 入功率门限值输出给 DSP模块。

DSP模块根据将实时检测的输入功率对数值与 CPU输出的对应功率等级 下的输入功率门限值的比较结果,判断功放的状态,据此输出功率控制值给 FPGA;

FPGA将输入的功率控制值转换成控制信号输出给数控衰减器。

DSP模块若比较实时检测的输入功率对数值小于对应功率等级下的输入 功率门限值,则判断功放处正常状态,利用输出功率的对数值进行正常的闭 环功率控制过程;若比较实时检测的输入功率对数值等于或大于对应功率等 级下的输入功率门限值,则停止对该功率等级进行功率上调的校准操作,即 限制继续减小该功率等级下的数控衰减量,以控制功放的输入功率值不再继 续增大。

若继续判断当前时隙 (即 GSM系统内的一个 TDMA帧内的 8个时隙中 的一个,时间为 577微秒,每个时隙工作的功率等级是可能不同的)为 0功 率等级,则报告功放处临界饱和状态,通过进一步限制减小数控衰减器的衰 减量而限制功放的输入功率值,防止功放工作到饱和状态,从而避免基站的 发射指标恶化;若继续判断当前时隙不是 0功率等级,则报告功放在该功率 等级下达到临界过功率状态,同样进一步限制功放的输入功率值,防止功放 工作在过功率状态,从而有效防止了基站出现过覆盖或者越区覆盖等异常现 象。

为了便于监控通讯网络基站设备运行情况,工程实施可依据实际情况增 加告警来上报基站发射机的功放是否处于临界饱和状态和临界过功率状态。

将图 2所示的实施例的结构与图 1所示的结构比较,可看出其差异在于, 在功率放大器的输入端增加了一个峰值检测器,设置为实时检测功率放大器 的输入信号功率的大小,以此来限制功率放大器的输入信号功率,从而防止 功率放大器工作在饱和状态,同时也防止基站的发射功率超过预定功率等级 下的期望功率。

本发明针对上述装置实施例, 相应地还提供了实现功率放大器输出功率 控制的方法实施例,其流程是在基站发射机上电后工作在预设的发射功率下 执行的,如图 3所示,包括如下步骤:

310: 分别检测功放输入信号功率和输出信号功率,据此计算并保存功放 实际的增益值;

功放实际的增益值 =输出功率的对数值 -输入功率的对数值;

320: 根据功放实际的增益值和功放各功率等级下的期望功率,计算并保 存功放对应功率等级下的输入功率门限值;

对应功率等级下的输入功率门限值 =

该功率等级期望功率值 -功放实际的增益值 + 功率工程余量值;

330:将检测的功放输入信号功率与相应功率等级下输入信号功率门限值 比较,根据比较结果判断功放的状态,并据此控制功放的输出功率。

实际上是根据功放的状态,通过调节功放的输入功率来控制功放的输出 功率。图 4表示了图 2所示的流程中根据功放状态控制输出功率的流程,包 括如下步骤:

3301 : 读取保存的功放对应功率等级下的输入功率门限值;

3302: 根据功放的功率等级,比较时隙反馈的输入信号功率值与输入功 率门限值;

3303 : 判断输入信号功率值是否小于输入功率门限值,是则执行步骤 3304 , 否则执行步骤 3305;

3304: 根据反馈的功放输出功率值进行正常的功率校准,结束流程;

3305: 停止对该功率等级进行功率上调的校准操作;

即限制继续减小该功率等级下的数控衰减量,以限制功放的输入功率值 继续增大。

3306: 判断当前时隙是否为 0功率等级,是则执行步骤 3307 , 否则执行 步骤 3308;

3307 : 报告功放工作在临界饱和状态,限制功放的输入信号功率增大, 结束流程;

通过停止继续减小该功率等级下的数控衰减量, 来限制功放的输入信号 功率增大。

3308: 报告功放工作在临界过功率状态,限制功放的输入信号功率增大, 结束流程。

以上流程表示,根据输入信号功率值小于输入功率门限值获知功放工作 在正常状态,则根据反馈的功放输出功率值进行正常的功率校准操作;根据 输入信号功率值等于或大于输入功率门限值及当前时隙的功率等级获知功放 工作在临界饱和状态或临界过功率状态,则停止对相应的功率等级进行功率 上调的校准操作,通过限制继续减小该功率等级下的数控衰减量,来限制功 放的输入功率值继续增大,有效地遏制了功放因输入信号过大而工作在饱和 或过功率状态,从而避免基站的发射指标恶化以及出现过覆盖或者越区覆盖 等异常现象。

工业实用性

本发明提供一种实现功率放大器输出功率控制的装置及方法, 包括功率 放大器输出端的第一峰值检测器、模数转换器以及功率控制模块,还包括功 率放大器输入端的第二峰值检测器,能够有效地防止功率放大器处于饱和状 态下工作。通过在功率放大器输入端增加对输入信号功率的实时检测,利用 检测的功放的输入信号功率和输出信号功率计算出功放的实际增益,以此获 取功放在不同功率等级下输入信号功率的门限值;将输入信号功率和相应的 门限值的比较,根据比较结果进行相应的操作,由此有效防止功放工作在饱 和状态而损害发射机,避免基站越区覆盖而影响通信网络质量。