CN1167289C - 宽带数字移动通信系统基站多载波功率控制装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明基于宽带多载波GSM基站的开环功率控制装置及其方法，其特点是，在数字中频多路合成前分别实现各个载波功率控制，除各个载波的静态功率等级可以一起放在公共部分控制外，功率等级和上下坡控制均在数字上变频器里面实现，每一个功率等级对应一条上下坡控制曲线，通过选择合适的控制曲线可以保证各个载波的各个功率等级同时满足GSM协议对时域和频域模板的要求，并能灵活方便地改变任意载波任一时隙的发射功率。
Description
本发明涉及宽带GSM基站系统的多载波功率控制方法及其装置，适用于各种需要功率控制的时分多址(TDMA)系统。
GSM是目前世界上最成熟且市场占有量最多的一种数字蜂窝移动通信系统，它采用FDMA与TDMA结合的数字无线通信技术。提高频谱的利用率是提高其通信容量的一种方法，频谱利用率的提高是通过减少信道间干扰来实现的。目前减少干扰的方法主要有3种：自动功率控制、跳频与不连续发射(DTX)。不连续发射(DTX)实质上也可以归属于功率控制的范畴。由此可见采用功率控制技术可以较大幅度降低多址干扰，提高信道质量以及增加系统容量。
功率控制在基站系统中占据着重要的地位，其发信机性能质量的好坏很大程度上取决于功率控制的效果，在GSM的无线指标测试中，有多项指标就是专门针对功率控制来提的。自动功率控制的基本工作原理是：当不需要最大发射功率就能达到良好传输质量的情况时自适应降低发射机发射功率，即在保证传输质量高于给定门限的前提下降低移动台和基站的平均发射功率，从而减少了对其它信道的干扰。
窄带GSM基站一般采用闭环功率控制方法，如图1所示，该功率控制方案是针对每个载波单独进行的，包括：衰减器101、放大器102、积分器103、加法器104、检测器105。检测器105检测功放输出功率得到正向功率检测电压，随后将该电压与按照一定的算法预先得到的模板曲线106在加法器104处实现减法运算，其差值再通过积分器103去控制发射通道中的数控衰减器101的衰减量来改变发射功率。整个控制系统是一个负反馈系统，当正向功率检测电压低于106给出的模板电压时，积分器103输出电压上升，衰减器101衰减量降低，输出功率随之增加，促使正向功率检测电压提升；当正向功率检测电压高于模板电压106时，积分器103输出电压下降，衰减器101衰减量增加，功放的最终输出功率下降，导致检测器输出电压下降。
宽带多载波GSM系统的功率控制是GSM基站由窄带到宽带演变过程中出现的一个新课题，它也是宽带多载波GSM基站必须解决的一个问题。由于宽带基站与传统的基站结构有很大的区别，传统的单载波功率控制方法很难实用于宽带基站中，目前在国内外尚未见到有关GSM多载波功率控制的相关资料。
多载波信号是各单载波信号的合成，由于各载波的频点和功率的可变性以及多载波合成信号包络的难以预测性，很难通过简单的方法检测出各个载频的功率包络，而实时检测出每个载波的功率包络是实现功率闭环控制的前提条件，因此实现多载波信号的闭环功率控制难度较大。
本发明的目的是为了克服现有闭环功率控制难度较大的缺点，而提供的一种基于宽带GSM基站的开环功率控制解决方法，该方法利用了多载波发信机发射通道具有超线性特性这一固有特性，在多路合成前对各个载波进行功率控制，各载波的功率控制相互独立，此方法同样可以灵活方便地改变任意载波任一时隙的发射功率。
实现本发明目的的技术方案是：一种宽带数字移动通信系统基站多载波功率控制装置，包括N个数字上变频处理器、一数据处理器、一加法器、一数模转换器、一滤波器、以及一带数控衰减器的发射机；所述的数据处理器包括一控制时序处理器和一爬坡数据处理器；N路基带信号分别输入到N个数字上变频处理器，同时载频信息送到数据处理器的控制时序处理器，再由控制时序处理器输出到爬坡数据处理器；经控制时序处理器输出到爬坡数据处理器处理后分别输出到N个数字上变频处理器，N个数字上变频处理器输出到加法器，经合成后的数据再顺序送到数模转换器、一滤波器、以及一带数控衰减器的发射机，发射出去；其特点是，所述的每一上变频处理器包括一调制器、一数字乘法器、一滤波模块、一插值滤波器、以及一数控振荡器，顺序连接。
一种实现宽带数字移动通信系统基站多载波功率控制的方法，包括以下步骤：
(1)数据处理器接收功率控制数据与各载频信息，产生各载频的动态控制数据与静态控制数据以及相应的上下坡控制数据；
(2)数字变频器输出信号通过求和得到多路合成后的多载波信号，该信号经过滤波及数模转换后发送给数控衰减器；
(3)数控衰减器根据数模转换的控制数据对滤波后的多载波信号进行功率控制；
其特点是：在步骤(1)与(2)之间还包括在多路合成前实现每个载波的功率控制的步骤，该步骤是：数据处理器将产生的各载频动态控制数据、静态控制数据与上下坡控制数据发送给相应的数字变频器，由各数字变频器实现动态功率等级控制和上下坡功率爬坡控制以及静态功率控制。
上述一种功率控制方法，其中，所述的各载波的功率控制不同等级的爬坡曲线可以根据实际需求来设置，其条件是：先确定一种功率控制爬坡曲线，然后根据不同的功率等级计算出每种功率等级的功率控制爬坡曲线数据，并将所有等级的功率爬坡数据存储在数据处理器中。
上述一种功率控制方法，其中，所述的静态功率等级既可以和动态功率等级、上下坡控制一起放在数字域进行，也可以通过数控衰减器在射频部分实现控制。
上述一种功率控制方法，其中，所述的静态功率等级和动态功率等级、上下坡控制一起放在数字域进行的方法是：数据处理器将静态功率等级数据、动态功率等级控制数据和上下坡控制数据放在一起直接发送给各数字上变频器实现功率控制。
上述一种功率控制方法，其中，所述的静态功率等级通过数控衰减器在射频部分实现控制的方法是：数据处理器将静态功率等级数据发送给数控衰减器在射频部分实现静态功率控制。
上述一种功率控制方法，其中，当数模转换器的动态范围足够大时将静态和动态功率控制放在一起进行，当数模转换器的动态范围有限时将静态功率控制放在射频部分控制。
上述一种功率控制方法，其中，还包括各载波的上下坡数据复用，其方法为：数据处理器根据接收到的各载波功率数据以及各载频信息，用分时复用的方法将对应的上下坡数据在时序的配合下锁存到相应的数字乘法器中，通过输出使能将各载波相乘后的数据同时送到加法器累加。
由于本发明采用了以上的技术措施，其产生的效果是明显的，主要体现在：
1、在多路合成前实现各载波的功率控制(包括静态功率控制、动态功率控制以及上下坡控制)，不同等级的爬坡曲线可以根据实际需求来设置。静态功率等级既可以和动态功率等级、上下坡控制一起放在数字域进行，也可以通过数控衰减器在射频部分实现控制。
2、通过选取合适的功率控制爬坡曲线，能够使经功率控制的各路载波信号能够都满足GSM时域和频域模板的要求。
3、各个载波的功率控制部分相互独立，爬坡曲线在功率等级切换时过渡平滑，能够实现灵活方便地改变任意载波任一时隙的发射功率。
4、能够保证每一个功率等级的上下坡有足够的控制范围，降低了低功率等级时域模板的控制难度。
5、功率控制通过专用数字上变频器中的数字乘法器实现，控制准确度高。
6、可以通过预先对上下坡曲线进行预失真处理来降低宽带发射通道的线性要求。
本发明的具体性能、特征由以下的实施例及其附图进一步给出。
图1是传统的单载波GSM基站闭环功率控制实现原理框图。
图2是本发明GSM基站多载波开环功率控制装置的结构示意图。
图3是图2装置中数字上变频处理器DUC的结构示意图。
本发明一种宽带多载波功率控制方法，是在多路合成前完成每个载波的功率控制，动态功率控制和上下坡控制分别在每个载波的数字上变频器中同时实现，当DAC的动态范围足够大时将静态和动态功率控制放在一起进行，当DAC的动态范围有限时将静态功率控制放在发射机控制。这种方法能够使得爬坡曲线在功率等级切换时平滑过渡，从而避免在功率等级切换点可能存在的突变。
图2给出了本发明GSM基站多载波开环功率控制装置的结构示意图。本发明GSM基站多载波开环功率控制装置包括N个数字上变频处理器216、一数据处理器215、一加法器210、一数模转换器211、一滤波器212、以及一带数控衰减器的发射机213；所述的数据处理器215包括一控制时序处理器215a和一爬坡数据处理器215b；N路基带信号200分别输入到N个数字上变频处理器216，同时载频信息214送到数据处理器的控制时序处理器215a，再由控制时序处理器215a输出到爬坡数据处理器215b；经控制时序处理器215a输出到爬坡数据处理器215b处理后分别输出到N个数字上变频处理器216，N个数字上变频处理器216输出到加法器210，经合成后的数据再顺序送到数模转换器211、一滤波器212、以及一带数控衰减器的发射机213，发射出去。
图3为本发明控制装置中的一上变频处理器DUC的结构。每一上变频处理器包括一调制器、一数字乘法器、一滤波模块、一插值滤波器、以及一数控振荡器，顺序连接。
数据处理器215产生各个载频所需的功率控制数据，功率控制通过乘法器模块304、305、306实现，数字上变频器DUC204、205、206实现基带信号的调制、功率控制、滤波及数字上变频。数据处理器215用于接收各个载频的动态和静态功率等级等信息，然后根据上下坡控制曲线、动态功率等级和静态功率等级数据生成各载波所需的上下坡功率控制数据，分别送至相应的数字乘法器模块304、305、306。数字乘法器模块304、305、306实现各路调制信号301、302、303与功率控制数据的乘法运算，其输出数据通过滤波模块(RCF)307~309、插值滤波器(CIC)310~312和数控振荡器(NCO)313~315处理后，经加法器模块210运算合成多路载波功率控制后数据207~209。
本发明采用开环控制的方法实现宽带数字移动通信系统基站多载波功率控制，主要是在多路合成前对每个载波的功率进行控制，包括以下步骤：
(1)数据处理器接收功率控制数据与各载频信息，产生各载频的动态控制数据与静态控制数据以及相应的上下坡控制数据；
(2)数据处理器将产生的各载频动态控制数据与上下坡控制数据发送给相应的数字变频器，实现动态功率等级控制和上下坡功率爬坡控制以及静态功率控制；
(3)数字变频器输出信号通过求和得到多路合成后的多载波信号，该信号经过滤波及数模转换后发送给数控衰减器；
(4)数控衰减器根据数模转换的控制数据对滤波后的多载波信号进行功率控制。
所述的各载波的功率控制不同等级的爬坡曲线可以根据实际需求来设置，其条件是：预先确定一种功率控制爬坡曲线，然后根据不同的功率等级计算出每种功率等级的功率控制爬坡曲线数据，并将所有等级的功率爬坡数据存储在数据处理器中。其中，所述的静态功率等级既可以和动态功率等级、上下坡控制一起放在数字域进行，也可以通过数控衰减器在射频部分实现控制。若将静态功率等级控制与动态功率等级控制、上下坡控制放在一起则总共需要N+M条(N为基站支持的静态功率等级数，M为基站支持的动态功率控制等级数)上下坡控制曲线；若静态功率控制通过数控衰减器在模拟域实现控制，则需要的上下坡曲线减少到M条。
将静态功率等级和动态功率等级、上下坡控制一起放在数字域进行的方法是：数据处理器将静态功率等级数据、动态功率等级控制数据和上下坡控制数据放在一起直接发送给各数字上变频器实现功率控制。
将静态功率等级通过数控衰减器在射频部分实现控制的方法是：数据处理器将静态功率等级数据发送给数控衰减器在射频部分实现静态功率控制。
本发明在具体实施时可将各载波的上下坡数据复用，这时数据处理器215根据接收到的各载波功率数据以及各载频信息214，用分时复用的方法将对应的上下坡数据在时序的配合下锁存到相应的数字乘法器304、305、306中，最后通过输出使能将各载波相乘后的数据同时送到加法器210累加。
本发明采用多载波开环功率控制方法，各载波在多路合成前独立进行动态功率控制，静态功率控制既可以与动态功率控制在数字域分载波控制，也可以独立出来放在射频部分多载波一起控制。条件是：当数模转换器的动态范围足够大时将静态和动态功率控制放在一起进行；当数模转换器的动态范围有限时将静态功率控制放在射频部分控制。
本发明的方法用于GSM无线通信系统中实现宽带多载波GSM基站系统各个载波的功率控制。
Claims (8)
1、一种宽带数字移动通信系统基站多载波功率控制装置，包括N个数字上变频处理器、一数据处理器、一加法器、一数模转换器、一滤波器、以及一带数控衰减器的发射机；所述的数据处理器包括一控制时序处理器和一爬坡数据处理器；N路基带信号分别输入到N个数字上变频处理器，同时载频信息送到数据处理器的控制时序处理器，再由控制时序处理器输出到爬坡数据处理器；经控制时序处理器输出到爬坡数据处理器处理后分别输出到N个数字上变频处理器，N个数字上变频处理器输出到加法器，经合成后的数据再顺序送到数模转换器、一滤波器、以及一带数控衰减器的发射机，发射出去；其特征在于，所述的每一上变频处理器包括一调制器、一数字乘法器、一滤波模块、一插值滤波器、以及一数控振荡器，顺序连接。
2、一种实现宽带数字移动通信系统基站多载波功率控制的方法，包括以下步骤：
(1)数据处理器接收功率控制数据与各载频信息，产生各载频的动态控制数据与静态控制数据以及相应的上下坡控制数据；
(2)数字变频器输出信号通过求和得到多路合成后的多载波信号，该信号经过滤波及数模转换后发送给数控衰减器；
(3)数控衰减器根据数模转换的控制数据对滤波后的多载波信号进行功率控制；
其特征在于：在步骤(1)与(2)之间还包括在多路合成前实现每个载波的功率控制的步骤，该步骤是：数据处理器将产生的各载频动态控制数据、静态控制数据与上下坡控制数据发送给相应的数字变频器，由各数字变频器实现动态功率等级控制和上下坡功率爬坡控制以及静态功率控制。
3、根据权利要求2所述的一种功率控制方法，其特征在于，所述的各载波的功率控制不同等级的爬坡曲线可以根据实际需求来设置，其条件是：先确定一种功率控制爬坡曲线，然后根据不同的功率等级计算出每种功率等级的功率控制爬坡曲线数据，并将所有等级的功率爬坡数据存储在数据处理器中。
4、根据权利要求2所述的一种功率控制方法，其特征在于，所述的静态功率等级既可以和动态功率等级、上下坡控制一起放在数字域进行，也可以通过数控衰减器在射频部分实现控制。
5、根据权利要求4所述的一种功率控制方法，其特征在于，所述的静态功率等级和动态功率等级、上下坡控制一起放在数字域进行的方法是：数据处理器将静态功率等级数据、动态功率等级控制数据和上下坡控制数据放在一起直接发送给各数字上变频器实现功率控制。
6、根据权利要求4所述的一种功率控制方法，其特征在于，所述的静态功率等级通过数控衰减器在射频部分实现控制的方法是：数据处理器将静态功率等级数据发送给数控衰减器在射频部分实现静态功率控制。
7、根据权利要求2所述的一种功率控制方法，其特征在于，当数模转换器的动态范围足够大时将静态和动态功率控制放在一起进行，当数模转换器的动态范围有限时将静态功率控制放在射频部分控制。
8、根据权利要求2所述的一种功率控制方法，其特征在于，还包括各载波的上下坡数据复用，其方法为：数据处理器根据接收到的各载波功率数据以及各载频信息，用分时复用的方法将对应的上下坡数据在时序的配合下锁存到相应的数字乘法器中，通过输出使能将各载波相乘后的数据同时送到加法器累加。
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