CN100337491C - 自动功率控制优化方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及全球移动通信系统中的自动功率控制技术，公开了一种自动功率控制优化方法及其系统，使得BTS的功率输出曲线和理想曲线吻合得更好。这种自动功率控制优化方法及其系统在生成APC模板以前对功率放大器开环时的输出功率-控制电压曲线进行线性检测，确保该曲线上每两个相邻数据点之间连线的斜率在规定范围以内。在系统中对每一个频点的每一个功率等级都采用一个独立的模板，并提出了生成这些模板的简便方法。

Description

自动功率控制优化方法及其系统

技术领域

本发明涉及全球移动通信系统中的自动功率控制技术，特别涉及对全球移动通信系统中的自动功率控制模板生成进行优化的技术。

背景技术

全球移动通信系统(Global System for mobile Communication，简称“GSM”)，为欧洲80年代末研制出来的、以数字为主的第二带代移动电话系统，是全球最成熟的数字移动电话网络标准之一，用的主要是窄带时分多址(Time DivisionM ultiple Access，简称“TDMA”)技术，能提供非话业务及全面的语音、文字和数据业务，并提供一些诸如短消息服务、语音信箱、呼叫转移等的增值业务。

GSM通过基站收发信机(Base Transceiver Station，简称“BTS”)和移动台(Mobile Station，简称“MS”)进行通信。为了能够使得通信的数据可以准确地传递，很关键的一点是BTS的自动功率控制(Automatic PowerControl，简称“APC”)。如图1所示，在GSM协议中，要求基站常规突发Burst(脉冲)的功率-时间(Po-t)曲线应该在两块阴影之间的区域。图1中的曲线是一条符合该要求的典型曲线，这条曲线按照时间可以分成3段(11、12和13)，曲线段11是功率上升曲线，理想的功率上升曲线可以用升余弦曲线模拟。因为功率不稳定，所以BTS在这一段中发送的数据一般是不能使用的。曲线段12是功率稳态部分，理想的功率稳态部分是一条水平的直线，代表输出功率保持恒定。这一段大约可以传送147个比特(bit)的有用数据。曲线段13是功率下降曲线，理想的功率下降曲线可以用降余弦曲线模拟。因为功率也不稳定，因此这一段中发送的数据一般也是不能使用的。

为了能够使得BTS能够按照GSM协议中的规定进行功率输出，一般对BTS中的APC部分会采用类似于图2的设计，由地址发生器21、APC数据存储器22、D/A模块23、积分器24、功率放大器25和检测电路26构成。

地址发生器21用于产生一个地址序列，每一个地址都指向APC数据存储器22中的一个数据存储单元。

APC数据存储器22用于保存数据，并且根据来自地址发生器21的地址取出相应数据存储单元中的数据送到D/A模块23。

D/A模块23用于把来自APC数据存储器22的数据(数字信号)转换为模拟的电压信号Vapc，并把Vapc送到积分器24的第一端口。

积分器24是一个理想积分器，有第一和第二两个端口，用于根据两个端口的电压信号的相对高低确定输出电压的高低，在图2所示的例子中，如果第一端口(带“+”记号)的电压比第二端口(带“-”记号)的电压高的话，积分器24的输出电压Vc会持续升高，反之，如果第一端口的电压比第二端口的电压低的话，Vc会持续下降。如果两个端口的电压一样高，则Vc保持不变。

功率放大器25用于对输入信号Pin的功率进行放大，输出放大后的信号Po，放大的比例是根据控制信号Vc确定的。在BTS中，对于功率放大器25有比较严格的线性要求，如图3所示，在工作范围内(图3中两根虚线之间)，要求Po-Vc呈线性关系，如果用数学公式表达的话应该是Po＝P0+a*Vc，其中P0、a为常数。

检测电路26用于从功率放大器25的输出Po采集检波反馈电压信号Vf，并且反馈到积分器24的第二端口。熟悉本发明领域的技术人员会理解，检测电路26、功率放大器25和积分器24构成了一个负反馈放大系统。

为了实现APC的功能，需要进行以下步骤：

首先，确定一条理想的功率输出曲线Po-t(如图1所示)。该曲线能够满足GSM时域协议的理想载波功率/时间包络，并且以时域的形式来表示。

其次，测量功率放大器25的输出功率-控制电压(Po-Vc)曲线。该曲线类似于图3所示的曲线。测量时功率放大器25按照开环方式设置，也就是不设置从检测电路26到积分器24第二端口的反馈回路。

最后，根据功率输出曲线(Po-t)和测得的Po-Vc曲线计算得到对应的控制电压Vapc曲线。该Vapc曲线由一个序列的电压值构成，该序列中每一个电压值Vapc[i](i为整数，代表该数值在整个序列中的序号)对应一个预期的功率值Po[i]，希望通过向积分器24依次输出Vapc[i]使得功率放大器25的功率输出与理想的功率输出曲线Po-t一致。Vapc[i]保存在APC数据存储器22中，被保存的数据Vapc[i]被称为“模板”，这个生成并保存模板的工序称为“烧模”。

使用时，地址发生器21每隔一个时间间隔向APC数据存储器22发送一个地址，这些地址所对应的APC数据存储器22中的存储单元中依次保存有Vapc曲线的每一个电压值Vapc[i]。当APC数据存储器22根据来自地址发生器21的地址，通过D/A模块23向积分器24输出一个预定的电压Vapc[i]后，如果功率放大器25当前的输出功率Po小于预期的功率Po[i]，则由于功率放大器25的输出功率-控制电压曲线满足单调递增的线性关系，此时检波电压Vf也小于Vapc[i]，积分器24的输出电压Vc上升，导致功率放大器25的输出电压Po也上升，当Po上升到Po＝Po[i]时，Vf＝Vapc[i]，Vc保持稳定，Po也稳定在Po[i]。当APC数据存储器22根据来自地址发生器21的地址，通过D/A模块23向积分器24输出一个预定的电压Vapc[i]后，如果功率放大器25当前的输出功率Po大于预期的功率Po[i]，则由于功率放大器25的输出功率-控制电压曲线满足单调递增的线性关系，此时检波电压Vf也大于Vapc[i]，积分器24的输出电压Vc下降，导致功率放大器25的输出电压Po也下降，当Po下降到Po＝Po[i]时，Vf＝Vapc[i]，Vc保持稳定，Po也稳定在Po[i]。

通过上面的分析可以知道，只要APC数据存储器22中的模板正确，理论上可以得到预先设计的理想功率输出曲线Po-t。

此外，在实际的BTS在工作时每一个频点可能会有不同的功率等级。

功率等级的表示形式是(M，N)，其中M、N是非零正整数，例如(0，0)、(5，10)等，M代表静态功率等级，一般不变化，N是动态功率等级，会随着通信过程中无线信号的质量和电平动态调整。目前每一个频点会有一个模板相对应，但是不同的功率等级共享同一个模板。

在实际应用中，上述方案存在以下问题：在BTS的测试中发现有两个问题：

问题一，实际输出功率有时会比设计值低或高0.2dB左右；

问题二，在一些功率等级下功率输出曲线Po-t和理想曲线不完全符合。

导致问题一的原因是功率放大器25的功率-控制电压(Po-Vc)曲线线性程度不好。图4示出了一根功率放大器Po-Vc的实际曲线，为了说明问题，这根线的比例适当放大了。图中的四个圆点(91、92、93、94)代表实际采集的四个数据点，曲线99代表实际的Po-Vc曲线。把数据点93和94之间的线段再次放大可以得到如图5的结果。由于我们的数据点采集不可能无限制地加密，因此只能够得到若干个离散点，而为了能够按照功率输出曲线Po-t输出功率，所需要的Vapc很可能不在离散点的集合中，因此通常采用线性插值的方法，即假设每两个点之间的Po-Vc曲线是直线，例如图5中的直线98，根据需要输出的Po值在直线98上寻找应有的Vapc值，假定是图5中的虚线和直线98的交点，这个交点的Vc座标就是通过线性插值找到的Vapc值。但是该Vapc值真正对应的输出功率Po是曲线99和虚线的交点的纵坐标。在纵坐标上，前一个交点大于后一个交点，也就意味着实际的功率输出会低于理想值。熟悉本领域的技术人员可以知道，类似的原因也可能使实际的功率输出高于理想值。

导致问题二的原因是采用了同一个模板去应付所有的功率等级。实际上，功率放大器25在不同的功率等级下Po对Vapc的响应会有一些不同，如图6所示，图中的实线81、实线82和虚线分别代表三种功率等级下采用同一个模板时的实际Po-t曲线，其中虚线与理想的曲线形态符合较好，而其他功率等级时Po-t曲线会有一些不希望出现的变化。这个变化最大的问题是使得Po-t曲线的功率稳态部分产生了波动。目前的技术方案忽视了这个变化，因此导致了问题二。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种自动功率控制优化方法及其系统，使得BTS的功率输出曲线和理想曲线吻合得更好。

为实现上述目的，本发明提供了一种自动功率控制优化方法，用于基站收发信机的自动功率控制，包含以下步骤：A测量功率放大器的功率-控制电压曲线；B计算功率-控制电压曲线中每两个相邻数据点之间连线的斜率，判断所有的斜率是否都在预先设定的上、下阈值之间，如果是则进入步骤C，否则弃用该功率放大器；C生成自动功率控制电压模板，该模板是保存在存储器中的一个序列的控制电压值，该序列中的每一个控制电压值对应一个预期的输出功率值。

其中，所述功率-控制电压曲线是在所述功率放大器开环的条件下，保持输入功率不变，通过测量不同控制电压下所述功率放大器输出的功率得到的。

所述步骤B还进一步包含以下子步骤：

B1读取所述功率-控制电压曲线的第一个数据点；

B2读取所述功率-控制电压曲线的下一个数据点；

B3计算当前数据点和前一个数据点之间的斜率，并判断该斜率是否在预先设定的上、下阈值之间，如果是则进入步骤B4，否则进入步骤B5；

B4判断是否还有剩余的数据点，如果是则进入步骤B2，否则判定所述功率放大器为合格，进入步骤C；

B5判定所述功率放大器为不合格。

所述自动功率控制电压模板保存在自动功率控制数据存储器中。

所述上、下阈值可以预先保存在配置文件中。

本发明还提供了一种自动功率控制优化系统，用于基站收发信机的自动功率控制，所述系统中对每一个频点的每一个功率等级都有独立的自动功率控制电压模板，该模板用于控制功率放大器产生突发脉冲；自动功率控制电压模板，是保存在存储器中的一个序列的控制电压值，该序列中的每一个控制电压值对应一个预期的输出功率值，其中作为基准的自动功率控制电压模板，通过如下方式获得：A测量功率放大器的功率-控制电压曲线；B计算所述功率-控制电压曲线中每两个相邻数据点之间连线的斜率，判断所有的斜率是否都在预先设定的上、下阈值之间，如果是则进入步骤C，否则弃用该功率放大器；C生成自动功率控制电压模板。

其中，所述每一个功率等级的自动功率控制电压模板是在作为基准的自动功率控制电压模板的基础上，将作为基准的自动功率控制电压模板的功率上升曲线段的数据乘以一个系数得到。

通过比较可以发现，本发明的技术方案与现有技术的区别在于，在生成APC模板以前对功率放大器开环时的Po-Vc曲线进行线性检测，确保该曲线上每两个相邻数据点之间连线的斜率在规定范围以内。

在系统中对每一个频点的每一个功率等级都采用一个独立的模板，并提出了生成这些模板的简便方法。

这种技术方案上的区别，带来了较为明显的有益效果，即通过预先对功率放大器进行线性检测，在“烧模”以前检测出了不合格的功率放大器，因此可以使每一个BTS都能够达到设计的功率，提高了品质，大大减少BTS系统的缺陷率，节省了因为维修和返工而导致的后续工序工作量。

此外，通过对每一个功率等级设定独立的模板，使得功率放大器的功率输出曲线在每一个频点的每一个功率等级都能够达到或接近理想功率输出曲线，保证了功率输出曲线的功率稳态部分能够符合设计的要求，提高了BTS的通信质量。

附图说明

图1是GSM协议规定的理想载波的功率-时间包络示意图；

图2是GSM系统中APC设备的结构示意图；

图3是Po-Vc关系示意图；

图4是一根功率放大器Po-Vc的实际曲线示意图；

图5是功率输出不足的原因分析图；

图6是不同功率等级下的Po-t曲线示意图；

图7是根据本发明的一个实施例的功率放大器线性检测流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

在本发明的一个较佳实施例中，在测得功率放大器25开环时的输出功率-控制电压(Po-Vc)曲线后，在计算控制电压Vapc曲线并将计算结果保存到APC数据存储器22(“烧模”)之前，增加了一个对功率放大器25的检测工序。该工序用于检测功率放大器25的Po-Vc曲线的线性程度能否满足设计要求，具体的流程如图7所示。

在步骤110中，读取Po-Vc曲线的第一个数据点。Po-Vc曲线的每一个数据点包含成对的两个数据，一个是Vc值，另一个是该Vc值对应的Po值。

此后进入步骤120，读取Po-Vc曲线的下一个数据点。

此后进入步骤130，计算当前数据点和前一个数据点之间连线的斜率。如果把当前数据点标记为(Vc[i]，Po[i])，则前一个数据点可以标记为(Vc[i-1]，Po[i-1])，其中i是1到N之间的正整数，N是Po-Vc曲线上数据点的总数目。当前数据点和前一个数据点之间连线的斜率K[i]可以通过以下公式计算：K[i]＝(Po[i]-Po[i-1])/(Vc[i]-Vc[i-1])。

此后进入步骤140，判断斜率K[i]是否在规定的两个上下阈值之间，如果是则进入步骤150，否则进入步骤160。这里提到的两个上下阈值是在系统中预先定义好的，分别代表了可以容忍的斜率上限和斜率下限。在本发明的一个较佳实施例中，两个上下阈值可以通过配置文件预先设置在系统中。

在步骤150中，判断是否还有剩余的数据点，如果有则进入步骤120，读取下一个数据点进行处理，否则进入步骤170，提示该放大器线性合格。

在步骤160中，提示该功率放大器线性不合标准，退出流程。如果在步骤140里发现Po-Vc曲线中至少有一对相邻数据点之间的斜率不满足要求，则该功率放大器25不能够被用于BTS中。此时可以通过人机交互界面对操作人员进行提示，例如可以通过显示器或者打印机输出文字警告信息，同时还可以把出现问题的数据点参数一起输出。

采用以上的检测工序以后，如果再遇到类似于图4所示的Po-Vc曲线，则数据点92和93之间的斜率会被判定为不合格，因此该功率放大器就不会被用到BTS中去。因为在“烧模”工序以前就预先检测出了不合格的功率放大器，因此可以大大减少BTS系统的次品率，节省了大量不必要的后续工作量。

在本发明的另一个方案中，对如图2所示的现有技术中APC设备作了改进，在APC数据存储器22中对每一个功率等级都保存了一个模板，这样做的不利地方是增加了对存储器容量的要求，从而会导致一些成本上的增加。不过随着近年来科技的迅速发展，存储器的价格直线下降，而容量却成倍增加，因此由此导致的成本增加并不多，但是由此使得每一个功率等级的功率输出曲线都符合理想功率输出曲线成为可能。

增加了模板数目以后，常规的想法是在每一个功率等级下都测定功率放大器25的Po-Vc曲线，然后计算出对应的模板并写到APC数据存储器22中。因为功率等级比较多，对每一个功率放大器的每一个功率等级进行测定会导致工作量增加一个数量级以上，不可取。

本发明利用同一个功率放大器不同功率等级的Po-Vc曲线比较类似的特点，在先获得一个基准功率等级下的模板(后文称为“基准模板”)后，其他功率等级的模板通过对基准模板进行修改得到。修改的方法如下：

仅修改基准模板的功率上升曲线(如图1中的曲线段11)，将基准模板中功率上升曲线的数据都统一乘一个系数A，A是一个1左右的正数。对于每一个功率等级，A是通过实际的测试和调整确定的。下面以图6为例来说明对某一个功率等级是如何确定A的数值的。假定图6中的虚线代表基准模板，则图6中的实线81和82分别代表在不同的功率等级下模板的两种可能形态。如果经过测试发现是类似于实线81的形态，则应该减小A，如果经过测试发现是类似于实线82的形态，则应该增大A。通过反复调整，当调整到功率稳态部分是一根直线的时候，就可以得到该功率等级下最合适的系数A。对于一个功率放大器的某一个功率等级下得到的系数A可以作为同种类型功率放大器相同功率等级下的系数A的参考值。

需要说明的是，本发明没有去调整模板中的功率下降曲线，这是因为这个部分的信号不是有用信号，产生一些变化没有关系。而且功率下降曲线位于整个模板的最后，不可能对后面的曲线产生影响。而功率上升曲线则可能会对后续的功率稳态部分产生影响，因此成为本发明调整的对象。

虽然通过参照本发明的某些优选实施例，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (7)

1.一种自动功率控制优化方法，用于基站收发信机的自动功率控制，包含以下步骤：A测量功率放大器的功率-控制电压曲线；C生成自动功率控制电压模板，其特征在于，在所述步骤A和C之间，所述方法还包含以下步骤：

B计算所述功率-控制电压曲线中每两个相邻数据点之间连线的斜率，判断所有的斜率是否都在预先设定的上、下阈值之间，如果是则进入步骤C，否则弃用该功率放大器；

所述自动功率控制电压模板，是保存在存储器中的一个序列的控制电压值，所述序列中的每一个控制电压值对应一个预期的输出功率值。

2.根据权利要求1所述的自动功率控制优化方法，其特征在于，所述功率-控制电压曲线是在所述功率放大器开环的条件下，保持输入功率不变，通过测量不同控制电压下所述功率放大器输出的功率得到的。

3.根据权利要求1所述的自动功率控制优化方法，其特征在于，所述步骤B还进一步包含以下子步骤：

B1读取所述功率-控制电压曲线的第一个数据点；

B2读取所述功率-控制电压曲线的下一个数据点；

B3计算当前数据点和前一个数据点之间的斜率，并判断该斜率是否在预先设定的上、下阈值之间，如果是则进入步骤B4，否则进入步骤B5；

B4判断是否还有剩余的数据点，如果是则进入步骤B2，否则判定所述功率放大器为合格，进入步骤C；

B5判定所述功率放大器为不合格。

4.根据权利要求1所述的自动功率控制优化方法，其特征在于，所述自动功率控制电压模板保存在自动功率控制数据存储器中。

5.根据权利要求1所述的自动功率控制优化方法，其特征在于，所述上、下阈值可以预先保存在配置文件中。

6.一种自动功率控制优化系统，用于基站收发信机的自动功率控制，其特征在于，所述系统中对每一个频点的每一个功率等级都有独立的自动功率控制电压模板，该模板用于控制功率放大器产生突发脉冲；

所述自动功率控制电压模板，是保存在存储器中的一个序列的控制电压值，所述序列中的每一个控制电压值对应一个预期的输出功率值，其中作为基准的自动功率控制电压模板，通过如下方式获得：

A测量功率放大器的功率-控制电压曲线；

B计算所述功率-控制电压曲线中每两个相邻数据点之间连线的斜率，判断所有的斜率是否都在预先设定的上、下阈值之间，如果是则进入步骤C，否则弃用该功率放大器；

C生成自动功率控制电压模板。

7.根据权利要求6所述的自动功率控制优化系统，其特征在于，所述每一个功率等级的自动功率控制电压模板是在作为基准的自动功率控制电压模板的基础上，将作为基准的自动功率控制电压模板的功率上升曲线段的数据乘以一个系数得到。

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