CN1197317C - 在多载波发射机中使载波信噪比最大的功率控制方案 - Google Patents

Abstract

用于使数模转换器输出信号的信噪比最高的一种方法和装置。在多载波发射机中多个已调制数字数据流的功率被一个一个地调整，从而使已调制数据流的信号和的峰值功率等于数模转换器的满量程电平。功率电平被调整过的信号被上变频到它们相应的载波频率上，并且用一个加法器合并成单独一个数字数据流。这个数字数据流用数模转换器转换成模拟数据流。调整模拟数据流的功率，从而使每个载波频率的功率能够保证让对应的移动台接收的信号有足够的质量。

Description

在多载波发射机中使载波信噪比最大的功率控制方案

发明领域

本发明涉及包括蜂窝通信的无线电通信领域，具体而言，涉及在多载波发射机中通过控制进入数模转换器的每个载波的功率电平，同时控制发射机模拟部分总的功率增益，以使信噪比最大。

发明背景

在传统的蜂窝系统中，为基站分配预先确定个数的频道用于跟移动台进行通信。在基站里为每个频道使用单独一台发射机。但是，每个频道使用单独一台发射机会使得部件出现重复，并且由于需要额外的硬件而增加成本。在那以后，人们认识到可以通过利用多载波发射机来替换多个单独的载波发射机发射多个频道信号来降低每个频道的硬件成本。由于多载波发射机在很宽的频率范围内发射信号，因此在本领域中常常将它们叫做宽带发射机。但是为了简化讨论，在这里把这些发射机叫作多载波发射机。

图1画出了一个传统的多载波发射机100，可以将它用于无线电通信系统中从基站发射多个频道的信号。传统的多载波发射机100按照以下方式工作。调制器Mod₁、...、Mod_N分别调制N个基带数据信号BB₁、...、BB_N，其中每个数据信号的比特都是编过码用于发射的码元，也就是说调制器产生对应的基带波形。调制过的每个数据信号都被转发给一个对应的数字功率控制模块DPC₁、...、DPC_N，其中的每个数据功率控制模块都要在无线电控制单元150给出的命令的基础之上控制相应调制过的数据信号的信号功率电平。具体而言，对调制过的每个数据信号的功率电平进行调整，从而使发射机那里每个载波的绝对功率电平P_k，out等于让载波到达某个移动台所需要的功率，其中k从1变化到N，表示相应的基带频域数据信号BB₁、...、BB_N。

调制过的数据信号随后从数字功率控制模块DPC₁、...、DPC_N被分别转发给乘法器Mult₁、...、Mult_N，其中调制过的每个数据信号都被上变频到相应的载波频率。上变频以后的信号由加法器110加起来。加法器110产生复合信号被随后发送给数模转换器(DAC)120。然后从数模转换器120让得到的复合模拟信号通过一个模拟发射机链路，包括模拟放大器160、上变频器(没有画出)和滤波器(没有画出)。接下来模拟放大器160以一个固定的增益G_i放大复合信号。为了简化讨论，G_i被描述成模拟放大器160的增益，但是本领域中的技术人员会认识到，G_i代表发射机模拟部分的总增益，包括由于滤波器和上变频器带来的损耗。对多载波发射机更详细的讨论可以在1998年2月Richard M.Lober在无线系统设计上发表的文章“基站技术采用软件可定义的方法”中找到，在这里将它引入作为参考。

多载波发射机被设计成同时处理最多N个载波。在设计多载波发射机的时候，必须保证N个载波的瞬间同相和P_sum不超过数模转换器的满量程范围，也就是能够被转换成模拟值的最大输出码对应的那个值。P_sum可以用下面的等式(1)计算出来，其中C_N代表某个用户N在某个载波频率上某个时隙中的功率。一般而言，C_N等于某个时隙中的峰值功率。

${(\sqrt{C_1}+\sqrt{C_2}+...+\sqrt{C_N})}^2=P_{\mathrm{SUM}}---\left(1\right)$

如果N个载波的瞬间和超过数模转换器的满量程范围，数模转换器就会使得模拟信号出现限幅现象，也就是防止模拟信号超过数模转换器满量程范围对应的幅度，它会影响发射信号的质量。但是本领域中的技术人员会认识到，在实际应用中系统可以容忍功率电平在很短的时间内超过数模转换器的满量程范围而不会降低系统性能。

在有N个载波的多载波发射机中，上面提到的模拟信号的“限幅”可以通过将数模转换器的满量程范围设置在比任意一个载波1、...、N允许的最大峰值功率电平还要高出20*log(N)分贝来加以避免，因为比任意一个载波最大功率电平高出20*log(N)分贝的满量程范围表示这N个载波的和能够出现的最大功率电平。

在图2中，在时分多址系统中的给定时隙里，N个载波中每一个的最大功率电平是C_max。因此，数模转换器的满量程范围被设置成比C_max高20log(N)分贝。当数模转换器的输出噪声主要是量化噪声的时候，对于给定的数模转换器分辨率和采样频率，数模转换器相对于满量程的最小噪声电平是常数。如果所有载波都以最大功率工作，每个载波的信噪比就处于最大值。

跟图2不同，图3说明N个载波具有不同功率电平，并且不是所有N个载波都在工作的时候的一个时隙。假设图3中的数模转换器满量程范围跟图2中数模转换器的满量程范围相同，图2和图3的最低噪声电平就会相同。由于图3中N个载波的功率电平小于图2中N个载波的功率电平，而图2和图3中的最低噪声电平相同，因此图3中每个载波的信噪比将低于图2中相应载波的信噪比。

因此，有必要使每个载波和时隙中的信噪比最大。除此以外，使用的载波个数比最大载波个数小的时候和/或不是所有载波都工作在最大功率电平的时候，有必要使多载波发射机中每个载波的信噪比最大。另外，还需要使多载波发射机中每个载波的信噪比最大，而与此同时所有载波的瞬间和不超过数模转换器的满量程范围。

发明简述

利用来自无线电控制单元的命令在数字域中调整每个载波的功率电平，从而使P_sum等于数模转换器的满量程范围，或者是P_sum超过数模转换器的满量程范围，虽然不足以给信号造成难以接受的失真。无线电控制单元还命令模拟功率控制模块同时调整所有载波的功率电平，从而将实际发射的每个载波的绝对输出功率电平被设置成对应的移动台能够接收信号的正确电平上。

本发明的一个目的是提高通过数模转换器的多载波信号的信噪比。

本发明的另一个目的是充分利用多载波发射机系统中的数模转换器，从而降低无线电基站中发射链路的成本。

本发明的再一个目的是提高多载波发射机中每个载波的信噪比，从而提高给所有用户的服务质量。

附图简述

下面将参考附图描述本发明，其中：

图1说明一个传统的多载波发射机；

图2说明一个时隙中处于最大功率电平的N个载波；

图3说明N个载波处于不同功率电平，以及并不是所有N个载波都在工作的一个时隙；

图4说明使信噪比最大的示例性多载波发射机；

图5说明用于功率控制的一个示例性方法；

图6说明按照本发明一个示例性的实施方案如何对多载波发射机进行功率控制；和

图7说明两个载波正在工作，一个载波的功率电平超过C_max的一个时隙。

发明详述

在以下描述中，为了进行描述而不是为了进行限制，给出了具体细节，比方说特定的电路、电路元件和技术，以便全面地理解本发明。但是，对于本领域中的技术人员而言本发明显然能够用不同于这些具体细节的其它实施方案来实现。在其它情况下，省去了对众所周知的方法、装置和电路的详细描述，以免喧宾夺主。

这里讨论的示例性无线电通信系统采用时分多址(TDMA)协议，其中基站和移动终端之间的通信是在多个时隙中进行的。但是，本领域中的技术人员会明白这里公开的技术同样能够用于其它接入方法，包括但不限于频分多址(FDMA)、码分多址(CDMA)或者以上协议的某种组合。类似地，一些示例性的实施方案给出了跟全球移动通信系统有关的一些说明性实例，但是这里描述的技术同样能够用于任何系统的无线电基站。

图4说明本发明示例性的实施方案中的多载波发射机400。跟图1所示的多载波发射机100类似，N个基带频率数据信号BB₁、...、BB_N都被发送给对应的调制器Mod₁、...、Mod_N。调制基带信号BB₁、...、BB_N被随后发送给数字功率控制模块DPC₁、...、DPC_N。无线电控制单元450一个一个地设置每个数字功率控制模块DPC₁、...、DPC_N的增益，从而使P_sum等于数模转换器120的满量程范围P_FS，DAC。

数字功率控制模块DPC₁、...、DPC_N产生的信号被转发给乘法器Multi₁、...、Multi_N，其中的信号被上变频到对应的载波频率。上变频信号随后被加法器110加起来。得到的复合信号被数模转换器120从数字形式转换成模拟形式。模拟信号被转发给模拟功率控制模块460，它由储存在无线电控制单元450中的模拟功率控制表控制。虽然图4中将模拟功率控制模块460画成单独一个单元，但是模拟功率控制模块460的功能可以分布在模拟发射机链路上，也就是发射机、滤波器和上变频器中，以便使噪声系数最小。

为了正确地调整发射机那里载波信号的绝对功率电平P_k，out，模拟功率控制模块460对所有载波信号的功率电平进行同样的调整。为了调整每个数字功率控制模块的增益和模拟功率控制模块460的增益，无线电控制单元450知道在发射机的输出端每个载波的所需功率电平P_k，out，为移动台提供能够接受的信号所需要的发射机功率。由于数模转换器的满量程范围是在多载波发射机的数模转换器的安装的时候确定的，因此数模转换器120的满量程范围P_FS，DAC和对应的代码可以通过编程写入无线电控制单元450。

图5是一个流程图，它说明利用图4中的多载波发射机使每个载波的信噪比最大的一个示例性方法。因此，在步骤505中，用每个载波在给定时隙的输出功率电平形成一个矢量，例如P＝[P_1，out，P_2，out，P_3，out，...，P_N，out]。在步骤510中，利用矢量P产生一个矩阵M，其中的元素是这个时隙内所有实际绝对功率电平的比值。

如果一个载波不工作，那么它的功率电平就是0。为了避免被0除所带来的问题，在对应于不工作的载波的行和列中所有元素都被设置成0。例如，如果载波2不工作，(P_2，out＝0)，那么矩阵的第二行和第二列都被设置成0。

在步骤515中，计算正在工作的载波的功率电平C₁、...、C_N。功率电平C₁、...、C_N对应于数模转换器输出的相应载波的功率电平。给定载波个数和载波的功率需求，并且假设不能超过数模转换器的满量程范围，那么当载波功率电平的和P_sum等于数模转换器的满量程范围的时候每个载波就能获得最大信噪比，如同下面的等式3所示。

$P_{\mathrm{FS},\mathrm{DAC}}={(\sqrt{C_1}+\sqrt{C_2}+...+\sqrt{C_N})}^2=P_{\mathrm{sum}}---\left(3\right)$

重写上面的等式(3)，每个载波功率电平C₁、...、C_N都可以用以下公式来计算，其中只计算正在工作的载波，以避免被0除：

$C_1=\frac{P_{\mathrm{FS},\mathrm{DAC}}}{{(\sqrt{m_{11}}+\sqrt{m_{21}}+...+\sqrt{m_{N1}})}^2}---(4-1)$

$C_2=\frac{P_{\mathrm{FS},\mathrm{DAC}}}{{(\sqrt{m_{12}}+\sqrt{m_{22}}+...+\sqrt{m_{N2}})}^2}---(4-2)$

$C_N=\frac{P_{\mathrm{FS},\mathrm{DAC}}}{{(\sqrt{m_{1N}}+\sqrt{m_{2N}}+...+\sqrt{m_{\mathrm{NN}}})}^2}---(4-3)$

在步骤520中，无线电控制单元450确定模拟功率控制模块460调整每个载波的功率电平，从而使载波的绝对输出功率是P_k，out所需要的增益，其中k表示载波1、...、N。因此，在步骤520中按照下面说明的等式(5)计算模拟增益，其中模拟功率控制模块460的模拟增益是G_ana，P_k，out是某个载波所需要的绝对输出功率，C_k是数字域中对应载波的功率电平，其中G_ana、P_k，out和C_k的单位是分贝。为了简单起见，将G_ana描述成功率控制模块460的增益。但是，本领域中的技术人员会明白G_ana可以表示功率控制发射机的总增益，包括发射机模拟部分中放大器的增益以及滤波器和上变频器导致的所有功率损耗。

                G_ana＝P_k，out-C_k             (5)

在步骤525中，调整每个载波的功率电平。在步骤525中，如图4所示，一旦利用上面的等式(4-1)～(4-3)计算出C₁、...、C_N，无线电控制单元450就设置DPC₁、...、DPC_N的增益，从而使乘法器Multi₁、...、Multi_N的输出功率电平等于C₁、...、C_N。按照等式(3)，载波功率电平C₁、...、C_N的同相和将等于数模转换器的满量程电平P_FS，DAC。在步骤530中，用计算出来的模拟增益G_ana调整某个载波的模拟功率电平P_k，out。虽然图5所示的步骤525和530是按顺序执行的，但是本领域中的技术人员会认识到步骤525和530能够同时执行。

图6画出了一个示例性的多载波发射机，其中8个载波中有两个载波正在工作；数模转换器的满量程功率电平是1mW；载波f₂的输出功率是1W；载波f₈的输出功率是0.1W。按照步骤505，输出功率矢量是P＝[01000000.1]。利用这个输出功率矢量，步骤510中产生的矩阵M成为：

由于f₂和f₈只是载波，所以按照步骤515计算功率电平C₂和C₈：

$C_2=\frac{P_{\mathrm{FS},\mathrm{DAC}}}{{(\sqrt{m_{12}}+\sqrt{m_{22}}+...+\sqrt{m_{82}})}^2}=\frac{P_{\mathrm{FS},\mathrm{DAC}}}{{(0+1+0+...+\sqrt{{10}^{-1}})}^2}=\frac{P_{\mathrm{FS},\mathrm{DAC}}}{1.732}=.577$

$C_8=\frac{P_{\mathrm{FS},\mathrm{DAC}}}{{(\sqrt{m_{18}}+\sqrt{m_{28}}+...+\sqrt{m_{88}})}^2}=\frac{P_{\mathrm{FS},\mathrm{DAC}}}{{(0+\sqrt{10}+0+...+1)}^2}\frac{P_{\mathrm{FS},\mathrm{DAC}}}{17.32}=.057$

现在参考图6，数字功率控制模块DPC₂和DPC₈的增益被设置成使得它们的输出信号和C₂和C₈的功率电平分别是0.577mW和0.057mW。

模拟增益是利用发射机功率电平和第二个载波频率f₂的数字增益按照步骤525计算出来的。因此，P_2，out和C₂都从瓦特转换成分贝(也就是P_2，out＝1W＝10*log1000＝30dBm，C₂＝1/1.732mW＝-2.4dBm)。按照等式(5)，模拟增益G_ana等于32.4dB，也就是G_ana＝30-(-2.4)＝32.4dB。或者，可以用第八个载波频率f₈计算模拟增益。因此，P_8，out和C₈从瓦特转换成分贝，(也就是P_8，out＝0.1W＝10*log100＝20dBm，C₈＝1/17.32mW＝-12.4dBm)。按照等式(5)，模拟增益G_ana＝32.4dB，也就是说G_ana＝20-(-12.4)＝32.4dB。因此，无线电控制单元450按照利用等式(5)计算出的模拟增益设置模拟功率控制模块460的增益。

图7是上面的示例性的实施方案中两个载波f₂和f₈的幅度随频率的变化曲线。如上所述，数模转换器的满量程功率输出等于1毫瓦，也就是0dBm。由于有两个活动载波，C_max将被设置成6dB，也就是20*log₁₀(2)，低于数模转换器的满量程电平。此外，如上所述，第二个载波的功率电平是-2.4dBm，第8个载波的功率是-12.4dBm。所以，利用上述多载波发射机，第二个载波的功率电平近似地比C_max功率电平高3.6dB。相反，现有技术中的多载波发射机会将载波的功率电平限制在C_max上，这样会使得这些载波的信噪比较低。

虽然上面描述的示例性实施方案涉及到时分多址实施方案，但是本领域中的技术人员会发现本发明同样能够用于码分多址情形。例如，参考图4，利用乘法器multi₁、...、multi_N将基带数据流跟一个对应的扩频码相乘。这些信号可以用加法器合并起来发送给数模转换器120。跟上面描述的时分多址情形相似，为了使每个载波的信噪比最大，数字功率控制模块DPC₁、...、DPC_N调整基带数据流的功率，从而使基带数据流的总和等于数模转换器的满量程范围。一旦和信号被转换成模拟形式，就可以将一个置乱码(可以选择的)应用于这个和信号，然后发送给模拟功率控制模块460，将信号功率调整到移动台需要的正确功率电平上。

已经以示例性实施方案的方式描述了本发明，但是本发明并不限于此。本领域中的技术人员会想出改进方案和变化，而不会偏离以下权利要求给出的本发明的实质和范围。

Claims (14)

1.一种在多载波发射机中使多个独立载波中每一个载波的信噪比最大化的方法，该方法包括以下步骤：

调制多个基带数据流；

调整所述多个已调制基带数据流中每一个的功率电平；

将所述多个功率调制基带数据流中的每一个上变频到相应的载波频率，从而形成多个独立载波；

将所述多个独立载波合并起来形成单个数据流，它的功率电平是相应的多个独立载波的功率电平的函数；和

在数模转换器中将所述单个数据流转换成模拟波形。

2.根据权利要求1的方法，其中，调整多个已调制基带数据流的功率电平的步骤包括以下步骤：

逐个设置所述多个已调制基带数据流的增益，从而使所述多个独立载波的功率电平之和不超过一个预定值。

3.根据权利要求1的方法，其中，所述多个独立载波合并起来形成的单个数据流的功率电平等于每个独立载波的平方根和的平方。

4.根据权利要求1的方法，其中，对所述多个已调制数据流的峰值功率电平进行调整，使得多个所述单个数据流的功率电平之和不超过一个预定值。

5.根据权利要求1的方法，还包括以下步骤：

可变地调整所述模拟波形的功率电平。

6.根据权利要求5的方法，其中调整所述模拟波形功率电平的步骤包括以下步骤：

为所述模拟波形设置一个增益，从而使每一个载波的绝对输出功率电平等于给移动台提供的可接受信号质量所需的功率。

7.一种多载波发射机，包括：

多个数字功率控制模块；

一个数模转换器；和

用于逐一调整所述多个数字功率控制模块中每一个的增益的无线电控制单元；

其中所述多个数字功率控制模块中每一个的增益被设置成使得与相应的每一个所述数字功率控制模块的输出的功率电平的平方根和的平方不超出作为所述数模转换器的函数的预定值。

8.根据权利要求7的多载波发射机，还包括：

一个模拟功率控制模块；和

其中所述模拟功率控制模块的增益被设置成使得在所述模拟功率控制模块输出端的各独立载波信号的功率电平等于预先确定的功率电平。

9.根据权利要求8的多载波发射机，其中，所述预先确定的功率电平是，与所述独立载波信号之一对应的移动台所接收的、具有预定质量的信号的一个功率电平。

10.根据权利要求7的多载波发射机，还包括：

多个调制器，用于调制多个基带数据流，并且将所述多个调制过的基带数据流提供给所述多个数字控制模块；

多个乘法器，用于将来自所述数字功率控制模块的信号上变频到多个对应的载波频率上；和

一个加法器，用于将所述多个上变频以后的信号累加起来，并且将所述累加起来的信号提供给所述数模转换器。

11.一种多载波发射机，包括：

一个一个地调整多个已调制数据流的功率电平的装置；

将所述调制过的数据流上变频到相应的载波频率以便形成多个载波信号的装置；

将所述多个载波信号合并起来形成单个数据流的装置；

将所述单个数据流从数字波形转换成模拟波形的装置；和

调整所述模拟波形功率电平的装置；

其中，所述调整所述模拟波形功率电平的装置是由一个无线电控制单元控制的。

12.一种在多载波发射机中使多个独立载波中的每一个以及多个载波之和的信噪比最大化的方法，该方法包括以下步骤：

调制多个基带数据流；

调整所述多个已调制基带数据流中每一个的功率电平；

给多个功率已调制的基带数据流中的每一个加上各自的扩频码以便形成多个载波；

将所述多个独立载波合并起来形成单个数据流；

在数模转换器中将所述单个数据流转换成模拟波形；和

可变地调整所述模拟波形的功率电平。

13.根据权利要求12的方法，其中，调整多个已调制基带数据流功率电平的步骤包括以下步骤：

逐个设置所述多个已调制基带数据流的增益，从而使多个所述单个数据流的功率电平之和不超出一个预定值。

14.根据权利要求12的方法，其中，所述可变地调整所述模拟波形功率电平的步骤包括以下步骤：

为所述模拟波形设置一个增益，从而使每个载波的绝对输出功率电平等于给移动台提供可接受信号质量所需的功率电平。

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