FR2937207A1 - Emetteur rf de puissance comportant un systeme de regulation de puissance et methode de regulation a une puissance requise d'un signal de sortie rf d'un emetteur de puissance - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un émetteur RF de puissance émettant vers une antenne un signal de sortie RF (S ) à une puissance requise à une fréquence donnée correspondant à un canal d'utilisation et comportant un atténuateur variable (AT) muni d'une commande de gain (S ) pour émettre un signal RF atténué (S ), au moins deux amplificateurs variables (PA1 - PAN) à transistors de puissance, connectés en parallèle les uns aux autres, pour amplifier le signal RF atténué (S ) et émettre le signal RF de sortie (S ). Il comporte également des moyens de régulation de la puissance du signal de sortie comprenant des moyens pour émettre un signal de commande (S ) pour alimenter en puissance les au moins deux amplificateurs (PA - PN), en fonction d'un signal RF prélevé (Sp) sur le signal de sortie et des moyens pour émettre un signal de commande (S ) du gain de l'atténuateur (AT) généré en fonction de la tension (VS) prélevée sur le signal RF de sortie et de la tension (VA) détectée sur chaque amplificateur (PA1 - PAN), de façon à exploiter en fonction du nombre d'amplificateurs défectueux, la réserve de puissance disponible de chaque amplificateur, déterminée par l'écart entre la puissance disponible de chaque amplificateur à la fréquence d'émission et la puissance requise de chaque amplificateur.

Description

L'invention concerne un émetteur RF de puissance comportant un système de régulation de puissance. Et elle concerne également une méthode de régulation à une puissance requise d'un signal de sortie RF d'un émetteur de puissance.

Les émetteurs RF de puissance plus particulièrement utilisé comme émetteur de télévision sont des produits répondant aux spécifications de la télévision numérique et mobile. La chaine d'amplification de tels émetteurs comportent de nombreux amplificateurs de puissance formés eux-mêmes par plusieurs transistors de puissance.

Les amplificateurs de puissance pour la transmission de signaux de télévision sont connus d'une manière générale par l'homme de métier. Par construction, ces amplificateurs de puissance large bande sont conçus pour permettre d'obtenir un niveau de performance garantie sur l'ensemble de la bande passante utilisée.

Le document US2007/0026812 décrit une commande numérique du niveau de puissance d'un émetteur RF. Cet émetteur RF comprend un amplificateur RF de haute puissance qui reçoit un signal RF à partir d'un excitateur et y fournit une sortie RF amplifié. Un atténuateur réglable est l'intermédiaire entre l'excitateur et l'amplificateur de puissance pour ajuster le niveau du signal RF. Un contrôleur RF ajuste l'atténuateur. Un contrôleur d'amplificateur de haute puissance contrôle l'amplificateur de haute puissance. Un bus de communication interconnecte les contrôleurs.

Cependant les amplificateurs présentent aux fréquences basses, à puissance constante, une linéarité plus importante qu'aux fréquences hautes.

Actuellement, la performance et la consommation d'un émetteur sont garanties indépendamment de la fréquence d'utilisation. Et de plus, en cas de défaillance d'un ou plusieurs amplificateurs, Il est difficile de conserver le niveau de performance garantie.

L'invention propose de remédier à ce problème.

L'invention propose donc un émetteur de puissance pour émettre vers une antenne un signal de sortie RF à une puissance requise à une fréquence donnée correspondant à un canal d'utilisation et comportant un atténuateur variable muni d'une commande de gain pour émettre un signal RF atténué ,au moins deux amplificateurs variables à transistors de puissance, connectés en parallèle les uns aux autres, pour amplifier le signal RF atténué et émettre le signal RF de sortie .

Cet émetteur est caractérisé par des moyens de régulation de la puissance du signal de sortie comportant des moyens pour émettre un signal de commande pour alimenter en puissance les au moins deux amplificateurs en fonction d'un signal RF prélevé sur le signal de sortie, et des moyens pour émettre un signal de commande du gain de l'atténuateur généré en fonction de la tension prélevée sur le signal RF de sortie et de la tension détectée sur chaque amplificateur, de façon à exploiter en fonction du nombre d'amplificateurs défectueux, la réserve de puissance disponible de chaque amplificateur, déterminée par l'écart entre la puissance disponible de chaque amplificateur à la fréquence d'émission et la puissance requise de chaque amplificateur.

L'invention a l'avantage d'optimiser le rendement de l'émetteur. Elle a également l'avantage de maintenir cette fonction en cas de défaillance d'un ou plusieurs amplificateurs.

Préférentiellement, les moyens pour émettre un signal de commande comporte des éléments de couplage pour prélever la tension sur le signal RF de sortie et des éléments pour prélever la tension sur chaque amplificateur.

Selon une variante de l'invention, les moyens pour émettre un signal de commande comporte un circuit d'aiguillage et un circuit de commande de gain pour déterminer le signal de commande de l'atténuateur en fonction d'une comparaison entre les tensions prélevées sur le signal de sortie et la tension maximale parmi les tensions prélevées sur chaque amplificateur.

Préférentiellement, les moyens pour émettre un signal de commande comporte une unité de commande qui détermine à partir d'un signal de qualité, fonction du signal RF prélevé par un coupleur sur le signal de sortie, la tension de commande des amplificateurs.

Préférentiellement, les moyens pour émettre un signal de commande (Sci) comportent de plus un élément de couplage pour prélever la tension VT du signal atténué (SAT), pour déterminer le signal de commande (Sci) de l'atténuateur (AT) en fonction d'une comparaison entre les tensions prélevées sur le signal de sortie (VS) et la tension maximale (VA) parmi les tensions prélevées sur chaque amplificateur et la tension VT du signal atténué (SAT).

Préférentiellement, chaque amplificateur (PA1 ù PAN) est calibré par une commande d'offset de gain.

L'invention propose également une méthode de régulation à une puissance requise d'un signal de sortie RF émis à une fréquence d'émission par un émetteur de puissance sur une antenne, ledit émetteur comprenant dans la chaine de réception un atténuateur à commande de gain et une pluralité d'amplificateurs montés en parallèle à commande d'alimentation, Cette méthode comprend l'étape de définir la réserve de puissance disponible des amplificateurs de l'émetteur en fonction de la fréquence d'émission puis l'étape d'optimiser automatiquement la puissance du signal de sortie RF émis à une puissance requise par commande de l'alimentation des amplificateurs en fonction de la réserve de puissance disponible des amplificateurs de l'émetteur.

Préférentiellement la puissance requise du signal de sortie RF est de plus maintenue en temps réel dans la limite de puissance disponible des amplificateurs non défectueux par commande du gain de l'atténuateur.

Préférentiellement la réserve de puissance disponible des amplificateurs de l'émetteur est déterminée par l'écart entre la puissance disponible des amplificateurs à la fréquence d'émission et la puissance requise des amplificateurs et la maintenance de la puissance requise du signal de sortie RF, en temps réel, est déterminée par l'utilisation de la puissance maximale disponible de chaque amplificateur non défectueux.

Les caractéristiques et avantages de l'invention mentionnée ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, faite en relation avec les dessins joints, dans lesquels : - la figure 1 représente les différentes performances du signal à la sortie de l'émetteur en fonction de la fréquence d'émission. - la figure 2 est un synoptique d'un émetteur comportant un système de régulation en puissance selon l'invention. - la figure 3 est un ensemble de courbes de puissance et de tension prélevée en fonction du nombre de transistors défectueux. - La figure 4 représente un synoptique de la méthode de régulation d'un émetteur de puissance selon l'invention.

Les émetteurs de puissance large bande sont conçus pour permettre d'obtenir une puissance correspondant à un niveau de performance requise dite également puissance requise sur l'ensemble de la bande RF utilisée supérieure à une puissance correspondant à un niveau de performance garantie, dite également puissance garantie . Or la puissance correspondant à un niveau de performance disponible, dite également puissance disponible , en sortie de l'émetteur dépend de la fréquence d'utilisation. Une courbe de réponse des amplifications correspondant à ces différents niveaux de puissance des performances disponible, requise et garantie en fonction de la fréquence dans la bande RF utilisée est représentée en figure 1. A titre d'exemple et à la lecture de la figure 1, le niveau de performance garantie est une amplification de 36dB. Par sécurité le niveau de performance requise sera légèrement supérieur à celui de performance garantie, par exemple ce niveau sera de 37dB. Aux fréquences basses de la bande RF, par exemple de 470 MHz, le niveau de la performance disponible correspond à une amplification de 42dB tandis qu'aux fréquences hautes, par exemple de 860MHz, le niveau de cette performance disponible correspond à une amplification de 37dB. On appelle la réserve de puissance disponible , l'écart existant entre la puissance correspondant à un niveau de performance requise, légèrement supérieure dans toute la bande de fréquence au niveau de performance garantie, et celle correspondant à un niveau de performance disponible.

A chaque fréquence d'émission correspond donc pour chaque amplificateur une réserve de puissance disponible par rapport à un niveau de performance 10 requise. Par exemple à la fréquence basse de 470MHz, la performance disponible indique une amplification de puissance de 42dB pour une tension d'alimentation Y et une consommation de X kW. Or à la performance requise de 37dB correspond une tension d'alimentation Y' inférieure d'environ 10% et donc une 15 consommation X' inférieure d'environ 20%.

L'invention propose donc de ramener les performances à plus basse fréquence au niveau de performance requise qui correspondent au niveau des performances à plus haute fréquence. La variation de la tension d'alimentation de Y à y' des amplificateurs permet donc une variation de l'amplification de puissance en fonction du niveau de performances requises.

25 Une réduction de la tension d'alimentation des amplificateurs de puissance par exemple de 10% est envisageable. En conséquence la consommation est réduite de 20%.

La figure 2 est un synoptique d'un émetteur comportant un système de 30 régulation en puissance selon l'invention. 20 L'émetteur comprend un atténuateur AT à gain variable commandé par un signal de commande Sol pour ajuster le signal transmis SIN en un signal ajusté SAT.

Cet émetteur comprend également un système d'amplification formé par un ensemble d'amplificateurs de puissance PAl-PAN, montés en parallèle, associés à un diviseur RF et à un combineur RF, pour amplifier le signal ajusté SAT par l'atténuateur en un signal RF de sortie SOUT. Les amplificateurs de puissance PAl-PAN sont alimentés par une tension de commande Sc2 transmis par un bus de commande CAN (Control Area Network).

Le système de régulation de puissance selon l'invention réalise une première fonction de régulation consistant à réguler la puissance du signal de sortie SRF par les commandes d'alimentation Sc2 des différents amplificateurs PAl-PAN et qui permet principalement d'optimiser le rendement à performance constante. Elle comprend pour cette fonction une première boucle de contre-réaction consistant à prélever par un coupleur le signal RF de sortie SouT. Ce signal est ensuite transformé en une information numérique de qualité Iq par l'intermédiaire d'un circuit d'analyse numérique CAN. Cette information de qualité Iq est ensuite envoyée à une unité de calcul CPU qui émet par l'intermédiaire du bus un signal de commande Sc2 d'alimentation des différents amplificateurs en fonction de cette information de qualité Iq.

L'évaluation de la qualité s'effectue par une analyse des distorsions non linéaires du signal transmis prélevé. Le paramètre retenu pour l'analyse est par exemple une évaluation de l'intermodulation (shoulders en anglais) générée par les amplificateurs car le niveau de cette intermodulation shoulders en sortie RF d'un tel émetteur est le reflet de la compression des amplificateurs ou de leur capacité en puissance crête.

Si le niveau de cette intermodulation shoulders est d'un niveau supérieur au seuil considéré pour un niveau de qualité minimum et correspondant à la performance requise définie avec la figure 1, soit par exemple 37dB, alors l'équipement n'est pas utilisé à l'optimum de sa capacité de puissance crête et par conséquent son rendement n'est pas optimisé .

Si le niveau de cette intermodulation shoulders est d'un niveau inférieur au seuil considéré pour un niveau de qualité minimum et correspondant à la performance requise définie avec la figure 1, soit par exemple 37dB, alors l'équipement est utilisé au-delà de sa capacité de (ou en) puissance crête et par conséquent l'image reçue sera dégradée ou inexploitable.

Le principe de l'invention consiste donc à optimiser le rendement de l'équipement avec une puissance RF du signal de sortie, définie au niveau de cette intermodulation shoulders , soit par exemple correspondant à une amplification de 37dB, tout en obtenant une qualité d'image correcte. L'optimisation du rendement est obtenue par la commande SC2 de la tension d'alimentation des amplificateurs PAl-PAN générée par l'unité de calcul CPU en fonction du niveau de cette intermodulation shoulders qui correspond à l'information de qualité nécessaire et qui est représentée par le signal de qualité Iq. En conséquence la tension d'alimentation sera réduite tant que le niveau de cette intermodulation shoulders aura un niveau supérieur à la valeur de la performance requise. Ainsi cette réduction entraine une réduction de la consommation proportionnelle à la diminution de la tension d'alimentation.

Cette fonction permet aux amplificateurs large-bandes d'être utilisés à meilleur rendement suivant la fréquence de l'équipement, la puissance d'exploitation choisie ou des évènements inhérents à l'utilisation de l'équipement.

Elle réalise également une seconde fonction de régulation consistant à réguler la puissance du signal de sortie SOUT par une seconde boucle de contre réaction dépendant de la tension VS prélevée par l'intermédiaire d'une diode sur le signal de sortie SRF et de la tension VA détectée sur le point de connexion des cathodes des différentes diodes connectées respectivement aux différentes sorties des amplificateurs PAl-PAN.

Ainsi la plus haute tension VA détectée à la sortie des amplificateurs PA1-PAN masque les autres tensions et seulement la plus haute des tensions de sortie des amplificateurs est prise en considération. En fonctionnement nominale sans défaillance d'amplificateurs, la valeur de la tension VS prélevée sur le signal de sortie SRF est supérieure à celle de la tension VA détectée à la sortie des amplificateurs PA1-PAN. Chaque amplificateur non défaillant délivrant une tension détectée identique, la régulation se fera sans surpuissance car les modules sains sont pris comme référence.

De la même manière, ce système utilise également la tension VT prélevée sur le signal RF atténué SAT par l'intermédiaire d'une diode pour déterminer la valeur minimale de commande du système de commande automatique de gain dans le cas ou les N amplificateurs seraient défectueux. Un circuit d'aiguillage CA permet de sélectionner la tension V correspondant à 15 la plus haute des tensions VA, VS et VT. Un système de commande automatique de gain (AGC) émet en fonction de la tension V correspondant à la plus haute des tensions VA, VS et VT et d'un signal de consigne prédéterminé un signal de commande Sci de l'atténuateur. Selon une variante de l'invention, la tension VT correspond au signal de 20 consigne du système de commande automatique de gain (AGC). En effet si les tensions de sortie des amplificateurs VA et la tension de sortie VS sont inférieures à la tension prélevée sur le signal RF atténué S AT, l'atténuation sera minimale et le signal de sortie sera prélevée au niveau du signal atténué.

25 La figure 3 permet de plus, par un exemple, de faciliter la compréhension du principe de l'invention. Les courbes 1 à 4 représentent: Le pourcentage de puissance utilisée de chaque amplificateur (courbe 1), la puissance finale de l'émetteur en pourcentage de la puissance requise (courbe 2), la tension VA détectée à la sortie des amplificateurs PA1-PAN (courbe 3) et la tension VS 30 prélevée sur le signal de sortie SRF (courbe 4) en fonction du nombre de transistors défaillants. Le principe de l'invention est, en cas de défaillance d'amplificateurs ou de transistors formant les amplificateurs, de maintenir la puissance nominale en sortie de l'équipement tant que la puissance de fonctionnement des amplificateurs est comprise entre la puissance nominale et la puissance maximale admissible pour une performance requise ou éventuellement garantie. Le principe est également de ne plus maintenir cette puissance à partir du moment où la puissance des amplificateurs franchit la limite de puissance maximale admissible pour une performance requise.

L'espace 1 est donc défini par une puissance nominale inferieure à la puissance maximum admissible pour une performance requise à la sortie de l'émetteur.

En cas de défaillance d'amplificateurs, la puissance de sortie V est compensée jusqu'à l'égalité des tensions VS et VA. Lorsque les valeurs des tensions VA et VS sont égales à v (14 transistors défaillants), le nombre d'amplificateurs défaillants correspond à la réserve de puissance totalement exploitée.

Lorsqu'un nombre supérieur d'amplificateurs défectueux est constaté, la puissance finale de l'émetteur (courbe 2) décroit linéairement en fonction du nombre de transistors défaillants (espace 2). La tension VA (courbe 3) est maximale et la tension VS (courbe 4) décroit linéairement.

Dans l'espace 3 (plus de 49 transistors sont défaillants), les transistors des amplificateurs vont être bloqués à une certaine puissance de sortie de façon à garantir une puissance de sortie faible mais permettant le fonctionnement de l'émetteur.

La seconde fonction permet de conserver la puissance de sortie requise dans la limite de la puissance disponible de l'équipement en cas de défaillance d'un ou plusieurs amplificateurs de puissance en utilisant la réserve de puissance disponible.

Le problème de la défaillance d'un amplificateur étant pris en considération, l'invention propose donc un régulateur de puissance d'un émetteur de télévision permettant de réguler automatiquement et sans discontinuité la puissance de sortie en fonction des variations de gain de sa chaine et de conserver la puissance de sortie nominale supérieure à la puissance de sortie requise et donc supérieure à la puissance garantie dans la limite de la réserve de puissance disponible de l'équipement.

Pour sécuriser la zone de couverture et accroitre la capacité de rattrapage du système, il pourra être choisit un équipement surdimensionné par rapport à son besoin et la réserve de puissance de l'émetteur pourra être exploitée automatiquement grâce au système décrit ci-dessus sans avoir recours à d'autres systèmes spécifiques.

Par exemple, pour un niveau de puissance nominale d'exploitation requit de 3,2 KW rms et un rattrapage automatique de puissance requis de 1,5 dB pour un produit sélectionné de 5 KW rms, la puissance nominale de 3,2 KW sera maintenue avec une défaillance de 32 transistors.

La puissance de sortie des équipements reste donc à leur valeur nominal quelque soit la fréquence du signal émis.

Il est à remarquer que prises séparément les fonctions décrites précédemment permettent soit la compensation de la puissance de sortie, soit l'amélioration du rendement, mais ces deux fonctions sont liées et automatisées de manière à bénéficier de l'intégralité de leurs avantages suivant la méthode de régulation d'un émetteur de puissance selon l'invention décrit ci-dessous en rapport avec le synoptique de la figure 4.

L'émetteur est en fonctionnement nominal (étape 1). Le rendement est optimisé tout en conservant la puissance nominale de sortie en utilisant la première fonction décrite (étape 2). L'émetteur est en fonctionnement nominal (étape 1) mais une baisse de puissance du signal de sortie est enregistrée (étape 3).

Il est alors possible de maintenir la puissance de sortie à l'aide de la seconde fonction par réglage de la commande de l'atténuateur (étape 4). Il est également possible de maintenir la puissance de sortie à l'aide de la première fonction en augmentant la tension d'alimentation des amplificateurs (étape 5).

L'émetteur est particulièrement adapté à l'émission numérique en palliant à l'effet de falaise pour lequel une diminution de la qualité d'émission entrainerait une réception inexistante.

Il est à remarquer que dans le cadre de l'optimisation de la fiabilité et des performances d'un émetteur, les écarts de gain entre les différents amplificateurs entrainent un fonctionnement des transistors RF à des puissances différentes et peuvent en conséquence provoquer un fonctionnement des transistors au delà de leur maximum de puissance admissible ou une température de jonction hors spécification ou une puissance perdue dans les charges d'équilibrage.

Il est donc proposer dans le but de l'optimisation des performances de l'émetteur une calibration du gain des amplificateurs RF. S'il n'y a pas de transistors RF défectueux et si le niveau des courants est en adéquation avec le déséquilibre de gain, la calibration se fait par l'envoi d'une commande d'offset de gain pour compenser ainsi les différences de gain par rapport à la moyenne des gains des différents amplificateurs. Un écart de, par exemple 3db entraine la commande d'un offset de gain.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Emetteur RF de puissance pour émettre vers une antenne un signal de sortie RF (SouT) à une puissance requise à une fréquence donnée correspondant à un canal d'utilisation et comportant un atténuateur variable (AT) muni d'une commande de gain (Sci) pour émettre un signal RF atténué (SAT), au moins deux amplificateurs variables (PA1 û PAN) à transistors de puissance, connectés en parallèle les uns aux autres, pour amplifier le signal RF atténué (SAT) et émettre le signal RF de sortie (SOUT), Caractérisé en ce qu'il comporte également des moyens de régulation de la puissance du signal de sortie comportant : - des moyens pour émettre un signal de commande (Sc2) pour alimenter en puissance les au moins deux amplificateurs (PA - PN), en fonction d'un signal RF prélevé (Sp) sur le signal de sortie ; et - des moyens pour émettre un signal de commande (Scl) du gain de l'atténuateur (AT) généré en fonction de la tension (VS) prélevée sur le signal RF de sortie et de la tension (VA) détectée sur chaque amplificateur (PA1 û PAN), de façon à exploiter en fonction du nombre d'amplificateurs défectueux, la réserve de puissance disponible de chaque amplificateur, déterminée par l'écart entre la puissance disponible de chaque amplificateur à la fréquence d'émission et la puissance requise de chaque amplificateur.
2. 2. Emetteur RF de puissance selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens pour émettre un signal de commande (Scl) comporte des éléments de couplage pour prélever la tension (VS) sur le signal RF de sortie (SOUT), et des éléments pour prélever la tension (VA) sur chaque amplificateur (PA1-PAN).
3. 3. Emetteur RF de puissance selon la revendication 2 caractérisé en ce que les moyens pour émettre un signal de commande (Scl) comporte un circuit d'aiguillage (CA) et un circuit de commande de gain (AGC) pour déterminer le signal de commande (Scl) de l'atténuateur (AT) en fonction d'une comparaisonentre les tensions prélevées sur le signal de sortie (VS) et la tension maximale (VA) parmi les tensions prélevées sur chaque amplificateur.
4. 4. Emetteur RF de puissance selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens pour émettre un signal de commande (Sc2) comporte une unité de commande (CPU) qui détermine à partir d'un signal de qualité, fonction du signal RF prélevé (Sp) par un coupleur sur le signal de sortie, la tension de commande des amplificateurs (PA1- PAN) .
5. 5. Emetteur RF de puissance selon la revendication 2 caractérisé en ce que les moyens pour émettre un signal de commande (Sci) comportent de plus un élément de couplage pour prélever la tension VT du signal atténué (SAT), pour déterminer le signal de commande (Sci) de l'atténuateur (AT) en fonction d'une comparaison entre les tensions prélevées sur le signal de sortie (VS) et la tension maximale (VA) parmi les tensions prélevées sur chaque amplificateur et la tension VT du signal atténué (SAT).
6. 6. Emetteur RF de puissance selon la revendication 1 caractérisée en ce que chaque amplificateur (PA1 û PAN) est calibré par une commande d'offset de 20 gain.
7. 7. Méthode de régulation à une puissance requise d'un signal de sortie RF émis à une fréquence d'émission par un émetteur de puissance sur une antenne, ledit émetteur comprenant dans la chaine de réception un atténuateur à 25 commande de gain et une pluralité d'amplificateurs montés en parallèle à commande d'alimentation, caractérisée en ce que elle comprend l'étape de définir la réserve de puissance disponible des amplificateurs de l'émetteur en fonction de la fréquence d'émission puis l'étape d'optimiser automatiquement la puissance du signal de 30 sortie RF émis à une puissance requise par commande de l'alimentation des amplificateurs en fonction de la réserve de puissance disponible des amplificateurs de l'émetteur.
8. 8. Méthode de régulation à une puissance requise d'un signal de sortie RF émis selon la revendication 7 caractérisé en ce que la puissance requise du signal de sortie RF est de plus maintenue en temps réel dans la limite de puissance disponible des amplificateurs non défectueux par commande du gain de l'atténuateur.
9. 9. Méthode de régulation selon la revendication 7 caractérisée en ce que la réserve de puissance disponible des amplificateurs de l'émetteur est déterminée par l'écart entre la puissance disponible des amplificateurs à la fréquence d'émission et la puissance requise des amplificateurs.
10. 10. Méthode de régulation selon la revendication 7 caractérisée en ce que la maintenance de la puissance requise du signal de sortie RF, en temps réel, est déterminée par l'utilisation de la puissance maximale disponible de chaque amplificateur non défectueux.