JP2007514370A - 適応送信電力制御システム - Google Patents

Abstract

電力遷移範囲にわたる電力制御ループ帯域幅とフィードバック検出パス利得設定値、動作周波数帯域、温度、および供給電圧の広範囲な工場較正を必要としない適応閉ループ送信電力制御システムが開示されている。本システムは、システム安定性を維持し、性能仕様を満たすために、アナログのフィードフォワードパスとフィードバックパスにおけるいかなる利得変動または勾配変動も自動的に補償する。本システムは、この閉鎖ループ電力制御システムのフィードバックパス内で適応ディジタル信号処理（ＤＳＰ）システムアーキテクチャを使用することによってこれを達成する。本システムは、電力遷移範囲にわたるループ帯域幅とフィードバック検出パス利得設定値、動作周波数帯域、温度、および供給電圧などのパラメータの広範囲な工場較正の必要性をなくす。

Description

本開示は電力制御システムに関し、より詳しくは、ループ制御パラメータの工場較正を必要としない適応電力制御システムに関する。

現在の電力制御システムにおいては、送信（Ｔｘ）電力のランプアップ（ramp up）曲線とランプダウン曲線は、電力増幅器または電圧制御増幅器（ＶＣＡ）変調器集積回路に加えられる制御またはバイアス電圧を変えることによって制御される。例えば、ＧＳＭ−ＦｒａｃＮ、ＷＣＤＭＡ，およびデカルトＩＱマルチプルアクセスモードに対する、電力対時間および過渡隣接チャンネル制御マスクなどの電力制御仕様要求を満たすための制御は、一般的に、閉ループ電力制御システムによって行われる。

現在の閉ループ電力制御システムは広範囲な工場較正を必要とする。なぜなら、電力増幅器またはＶＣＡ段の印加制御電圧対送信電力出力特性、および、電力検出フィードバックパスの印加制御電圧対送信電力出力特性が、動作周波数帯域、電力増幅器への入力電力レベル、および温度と電池電圧の変動によって変動するためである。

いくつかのシステムの３帯域要求（ＧＳＭ帯域，ＤＣＳ帯域，またはＰＣＳ帯域）のために、制御電圧対送信電力出力特性の傾斜は各動作周波数帯域と共に変化する。更に、電力検出器の電力増幅器送信電力対検出電力特性も種々の動作帯域と共に変動する。

制御電圧対送信電力出力曲線の傾斜は、電力増幅器での入力電力レベル（ｄＢｍ）に対して変動する。電力増幅器への電力入力の変動の予測と、対応するシステムパラメータのプログラミングは困難である。制御電圧対送信電力出力曲線の傾斜はまた、温度と電池電圧の変動と共に変動する。

ループ安定性と、電力対時間マスク仕様および切換過渡仕様を含む性能要求とを満たすために、種々のＡＯＣシステムパラメータ、例えば、ループ帯域幅とアナログフィードバック利得が、各動作周波数帯域、種々の電力入力、および種々の温度と電池電圧の変動に対してプログラムされなければならない。一般的に、送信のランプアップとランプダウンの間のループ帯域幅に対する予め較正された一定の設定値が使用される。電力制御ループ帯域幅の工場較正は、動作周波数帯域、電力増幅器への入力電力レベル、初期および最終目標電力レベル、温度、および供給電圧の関数として行われなければならない複雑な作業である。工場較正には多くの時間とコストがかかる。

電力遷移範囲にわたる電力制御ループ帯域幅、動作周波数帯域、温度、および供給電圧の広範囲な工場較正を必要としない送信電力制御システムが望まれている。

電力遷移範囲にわたる電力制御ループ帯域幅、動作周波数帯域、温度、および供給電圧の広範囲な工場較正を必要としない適応送信電力制御システムが開示されている。本システムは、システム安定性を維持し、所望性能仕様を満たすために、電力制御フィードフォワードパスのみならず電力検出フィードバックパスにおけるいかなる利得変動または勾配変動も自動的に補償する。本システムは、これを達成するために適応ディジタル信号処理システムアーキテクチャを含んでいる。

添付図面を参照することによって、本開示はより良く理解されることができ、その多くの特徴と利点は当業者にとって明らかとなる。
種々の図面における同じ参照記号の使用は、同様または同等の品目を示している。

図１は本開示の実施態様に従う電力制御システムのブロック図である。電力制御システム１００は、無線周波数（ＲＦ）送信機１０２、カップラ１０４、ＲＦ電力検出器１０６、プログラム可能利得回路１０８、検出フィルタ１１０、アナログ・ディジタル変換器（ＡＤＣ）１１２、ディジタル活動検出ユニット１１４、基準ランプルックアップテーブル１１６（この出力に目標最終電力レベルが掛けられる）、ループフィルタ１１８、電力制御ディジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）１２０、復元フィルタ１２２、アナログ利得制御段１２４、および電力増幅器１２６などの良く知られた構成部品を含んでいる。これらの装置およびその動作は、この技術において良く知られている。従来の動作と異なるものだけが本書で述べられている。例えば、本開示の一実施態様によれば、ループフィルタ１１８は一定のループ帯域幅を受け取る。

電力制御システム１００はまた、誤差自乗ブロック２０４、適応フィルタ係数計算ユニット１２８、およびＮタップ適応フィルタ１３０を含んでいる。適応フィルタ１３０のタップ数はプログラム可能とすることができる。動作において、適応フィルタ１３０の係数は、基準ランプＤ_ｋとフィードバック信号Ａ_ｋの差に基づいて調節される。Ｎタップ適応ＤＳＰシステムは、上記電力制御システムのアナログのフィードフォワードパスとフィードバックパスにおけるいかなる利得／傾斜変動も追跡するように構成される。誤差自乗ブロック２０４をフィルタ係数計算ユニット１２８の一部とみなすことができることは明らかである。

図２は、本開示の一実施態様に従う電力制御システムの一部分の更に詳細なブロック図である。Ｄ_ｋは所望入力信号であり、Ａ_ｋは、理想的には、アナログのフィードフォワードパスとフィードバックパスにおけるいかなる利得／傾斜変動にも関係なく、Ｄ_ｋを追跡しなければならない信号である。これらの差、Ｅ_ｋ＝Ｄ_ｋ−Ａ_ｋを用いて、平均最小自乗（ＬＭＳ）適応アルゴリズムなどの適応技術を採用することによって、適応フィルタ１３０のタップを調節する。適応フィルタの出力Ｓ_ｋは、閉ループ適応後にゼロに収束するので、強制的にループを所望定常状態目標電力レベルに整定させる。

本アルゴリズムはＮ＝２タップの例が述べられているが、他のタップ数を使用できることは明らかである。初期重みベクトルＷ_０＝［ｗ_１０ ｗ_２０］^Ｔが仮定される。差Ｅ_ｋ＝Ｄ_ｋ−Ａ_ｋは、サンプル単位で加算ユニット２０２によって計算される。それから、誤差信号Ｅ_ｋが自乗ユニット２０４によって自乗され、図２に示すように、また、以下の式によって説明されるように、適応フィルタ１３０のフィルタータップを適応させるように使用される。繰り返し変数ｋに対して、適応フィルタ１３０の出力Ｓ_ｋ＝Ｅ_ｋｗ_１ｋ＋Ｅ_ｋ−１ｗ_２ｋが計算される。それから、これらの重みは、加算ユニット２０６によってＬＭＳアルゴリズムＷ_ｋ＋１＝Ｗ_ｋ＋２μＥ_ｋ ^２に従って更新される。初期重みベクトルと初期入力ベクトルＥ_ｋはゼロと仮定される。収束係数μは収束の安定性と速度を決定する。適応フィルタ１３０の出力はループフィルタ１１８に供給される。本開示の一実施態様によれば、ループ帯域幅は最適設定値に近く設定され、適応アルゴリズムは、制御ループに伴ういかなる利得／傾斜変動も電力制御仕様を満たすように調節する。式１から式５は適応プロセスの特定の実施態様を要約している。

（式１）Ｅ_ｋ＝Ｄ_ｋ−Ａ_ｋ
（式２）Ｗ_ｋ＝［ｗ_１ｋ ｗ_２ｋ］
（式３）Ｓ_ｋ＝Ｅ_ｋｗ_１ｋ＋Ｅ_ｋ−１ｗ_２ｋ

（式５）Ｗ_ｋ＋１＝Ｗ_ｋ＋２μＥ_ｋ ^２
図３の両グラフは、アンテナにおける１５ｄＢｍから２４ｄＢｍまでの電源投入変化を示している。この両グラフは、オンチャンネル信号に対する電力対時間応答のみならず、隣接チャンネル（５ＭＨｚオフセット）ならびに別チャンネル（１０ＭＨｚオフセット）における電力対時間応答を示している。左のグラフは提案された適応信号処理スキームを使用しない応答を示しているが、右のグラフは提案された適応信号処理スキームを使用した応答を示している。左のグラフにおいて、電力制御システムは、提案された適応信号処理技術を使わずにループフィルタにおいてプログラムされた一定のループ帯域幅を採用することによって、オンチャンネル電力に対して５０ｕｓの必要整定時間を満たしていない。その代わりに、右のグラフにおいて、提案された適応信号処理スキームを採用することによって、一定のループ帯域幅を有するオンチャンネル信号に対して５０ｕｓの整定時間を満たすことができる。図４は、本開示の一実施態様による、ＧＳＭ−ＦｒａｃＮバーストの、送信電力のランプアップとランプダウンの間の、電力対時間マスクを示す。本電力制御システムはループ帯域幅の不適切な設定値を補償する（−１１ｄＢの代わりに−２２ｄＢ）。同じ動作電力レベル（２６ｄＢｍ）に対して、電力対時間マスク仕様と切換過渡仕様を満たすために、ループ帯域幅を異なる値に変更する必要はない。

シミュレーションは、本開示の一実施態様による適応アルゴリズムが、所望の電力対時間仕様と過渡電力仕様を満たすために、一定の収束係数を用いて、最大±１１ｄＢの閉ループシステム利得変動を補償することができることを示している。このアルゴリズムは、通常、どんな追加切換過渡事象も生じることなく収束する。

開示システムを採用することによって、各バンドに対する閉ループパラメータとＰＡの各入力電力レベルに対する閉ループパラメータの工場較正の必要性をなくすことができ、従って、時間とお金を節約することができる。更に、電力増幅垂下補償回路をなくすことができる。なぜなら、フィルタータップが、サンプル単位で調節され、基準ランプを追跡し、従って、アナログＲＦ送信パスにおけるいかなる電力増幅器垂下も補償するためである。また、本閉ループシステムはフィードフォワードパスとフィードバックパスにおける利得変動に強いので、安定かつ強固な制御システムを提供する。

図面に開示された実施態様は電力増幅器の使用を述べているが、開示された閉ループＤＳＰアルゴリズムは任意のアナログ利得制御段を制御できることは当業者にとって明らかである。任意のアナログ利得制御段は、ベースバンド増幅器とすることができる。あるいは、任意のアナログ利得制御段は、電圧制御増幅器または電力増幅器であるＲＦ増幅器とすることができる。

上記開示の事項は説明的であって制限的でないとみなされるべきであって、特許請求の範囲は、本発明の意図と範囲内にあるような、すべての変更、増強、および他の実施態様をカバーするように意図されている。従って、法律によって許される最大限度まで、本発明の範囲は、特許請求の範囲とその同等物の最も広い許容される解釈によって決定されるべきであり、前記の詳細な記述によって制限または限定されないものとする。例えば、帰納的最小自乗（ＲＬＳ）技術のような別の適応アルゴリズムを採用することができる。

（追加テキスト）
１． 電力制御システムであって、
入力信号を増幅して増幅信号を生成するように構成された利得制御段と、
前記利得制御段の出力に接続された電力検出器であって、前記増幅信号のランプを検出すると共に、該ランプの指示を提供するための電力検出器と、
前記電力検出器と前記利得制御段に接続された制御器であって、前記ランプの指示に応じた前記利得制御段への供給または制御電圧を調節して、前記ランプが、必要電力レベルによって変更される所望波形曲線からなる所定ランプから変動した場合に、前記供給または制御電圧を変更する制御器と
を備えたことを特徴とする電力制御システム。

２． 発明１に記載の電力制御システムであって、前記必要電力レベルは電力対時間マスクからなり、前記所望波形曲線はかさ上げ余弦波形からなることを特徴とする電力制御システム。

３． 発明１に記載の電力制御システムであって、前記必要電力レベルは事前定義電力対時間仕様と過渡電力仕様に従うマスクからなることを特徴とする電力制御システム。
４． 発明１に記載の電力制御システムであって、前記電圧は供給電圧と制御電圧のうちの一つであることを特徴とする電力制御システム。

５． 発明１に記載の電力制御システムであって、前記所定ランプは電力制御システムの動作条件と無関係であることを特徴とする電力制御システム。
６． 発明５に記載の電力制御システムであって、前記動作条件は、増幅段への電力入力レベル、温度、動作周波数帯域、および電池電圧レベルからなることを特徴とする電力制御システム。

７． 発明１に記載の電力制御システムであって、
前記制御器は、誤差自乗ユニットと、適応フィルタ係数計算ユニットと、前記適応フィルタ係数計算ユニットに接続された複数タップを有する適応フィルタとを備え、
前記増幅信号のランプは前記所定ランプと比較されて誤差期間を生じ、
前記適応フィルタ係数計算ユニットは前記誤差期間を使用して、前記適応フィルタの複数タップの一つまたはそれ以上を計算・調節し、
前記適応フィルタの出力は、出力信号を蓄積するループフィルタへ供給される
ことを特徴とする電力制御システム。

８． 発明７に記載の電力制御システムであって、前記適応フィルタ係数計算ユニットは平均最小自乗（ＬＭＳ．適応アルゴリズムを使用することを特徴とする電力制御システム。

９． 発明７に記載の電力制御システムであって、前記適応フィルタ係数計算ユニットは帰納的最小自乗アルゴリズムを使用することを特徴とする電力制御システム。
１０． 発明７に記載の電力制御システムであって、前記適応フィルタの出力はゼロに収束することを特徴とする電力制御システム。

１１． 発明７に記載の電力制御システムであって、前記フィルタの出力は、式Ｅ_ＫＷ_１Ｋ＋Ｅ_Ｋ−１Ｗ_２Ｋ＋．．．＋Ｅ_０Ｗ_ＮＫによって与えられ、ここで、
Ｎは前記フィルタの長さを表す整数であり、
Ｗ_Ｋ＋１はＷ_Ｋ＋２μＷ_Ｋ ^２であり、
μは収束期間であり、
Ｗ_Ｋは最初は０であり、
Ｅ_Ｋは誤差期間である
ことを特徴とする電力制御システム。

１２． 発明７に記載の電力制御システムであって、
活動の検出を示す活動出力を生成する活動検出回路を更に備え、
前記活動出力は、活動が検出されなかった場合のゼロ信号か、活動が検出されて前記増幅信号のランプと比較する場合の所定ランプかを選ぶ
ことを特徴とする電力制御システム。

１３． 発明７に記載の電力制御システムであって、
前記制御器と前記利得制御段の間に接続された電圧制御回路を更に備え、
前記制御器は前記誤差期間に無関係な制御信号を生成し、
前記電圧制御回路は前記制御信号を処理して前記供給電圧を生成する
ことを特徴とする電力制御システム。

１４． 発明１に記載の電力制御システムであって、
一定のループ帯域幅を用いて前記制御器の出力にフィルタをかけるための前記制御器の出力に接続されたループフィルタを更に備え、
前記一定のループ帯域幅は動作条件と無関係であり、
前記動作条件は、温度、供給電圧、および動作周波数帯域にわたるアナログ回路要素の変動を含んでいる
ことを特徴とする電力制御システム。

１５． 発明１に記載の電力制御システムであって、前記制御器は前記増幅信号のランプアップを制御することを特徴とする電力制御システム。
１６． 発明１に記載の電力制御システムであって、前記制御器は前記増幅信号のランプダウンを制御することを特徴とする電力制御システム。

１７． 無線周波数（ＲＦ）信号を増幅する方法であって、
前記ＲＦ信号を利得制御段によって増幅して増幅信号を生成するステップと、
前記増幅信号のランプを検出するステップと、
前記増幅信号のランプを、必要電力レベルによって変更された所望波形曲線からなる所定ランプと比較して、誤差差を生成するステップと、
誤差差信号に基づいて適応フィルタの複数タップを動的に調節して制御信号を生成するステップと、
一定のループ帯域幅を有するループフィルタによって前記制御信号にフィルタをかけてフィルタをかけられた制御信号を生成するステップと、
前記フィルタをかけられた制御信号に基づいて前記利得制御段の制御電圧を制御するステップと
を備えたことを特徴とする方法。

１８． 発明１７に記載の方法であって、前記必要電力レベルは電力対時間マスクからなり、前記所望波形曲線はかさ上げ余弦波形からなることを特徴とする方法。
１９． 発明１７に記載の方法であって、前記必要電力レベルは事前定義電力対時間仕様と過渡電力仕様に従うマスクからなることを特徴とする方法。

２０． 発明１７に記載の方法であって、前記所定ランプは電力制御システムの動作条件と無関係であることを特徴とする方法。
２１． 発明２０に記載の方法であって、前記動作条件は、電力入力レベル、温度、および電池電圧レベルからなることを特徴とする方法。

２２． 発明１７に記載の方法であって、前記適応フィルタの複数タップを調節するステップは平均最小自乗（ＬＭＳ）適応アルゴリズムに従うことを特徴とする方法。
２３． 発明１７に記載の方法であって、前記適応フィルタの複数タップを調節するステップは帰納的最小自乗アルゴリズムに従うことを特徴とする方法。

２４． 発明１７に記載の方法であって、前記制御信号はゼロに収束することを特徴とする方法。
２５． 発明１７に記載の方法であって、前記適応フィルタの出力は、式Ｅ_ＫＷ_１Ｋ＋Ｅ_Ｋ−１Ｗ_２Ｋ＋．．．＋Ｅ_０Ｗ_ＮＫによって与えられ、ここで、
Ｎは前記フィルタの長さを表す整数であり、
Ｗ_Ｋ＋１はＷ_Ｋ＋２μＷ_Ｋ ^２であり、
μは収束期間であり、
Ｗ_Ｋは最初は０であり、
Ｅ_Ｋは誤差差である
ことを特徴とする方法
２６． 発明１７に記載の方法であって、
前記増幅信号の活動を検出するステップと活動出力を生成するステップを更に備え、
前記出力は、活動が検出されなかった場合のゼロ信号か、活動が検出されて前記増幅信号のランプと比較する場合の所定ランプかを選ぶように構成された
ことを特徴とする方法。

２７． 発明１７に記載の方法であって、電力制御システムの動作条件と無関係である一定のループ帯域幅を有するループフィルタを使用して前記制御信号にフィルタをかけるステップを更に備えたことを特徴とする方法。

２８． 発明２７に記載の方法であって、前記動作条件は、電力入力レベル、温度、動作周波数帯域、および電池電圧レベルからなることを特徴とする方法。
２９． 発明１７に記載の方法であって、前記制御電圧を制御するステップは前記増幅信号のランプアップを制御することを特徴とする方法。

３０． 発明１７に記載の方法であって、前記制御電圧を制御するステップは前記増幅信号のランプダウンを制御することを特徴とする方法。

本開示の一実施態様による電力制御システムのブロック図。 本開示の一実施態様による電力制御システムの一部分の詳細ブロック図。 本開示の一実施態様による閉ループＷＣＤＭＡシステムに対する送信電力対時間グラフ。 本開示の一実施態様によるＧＳＭバーストの、送信電力のランプアップとランプダウンの間の電力対時間マスク曲線と切換過渡事象。

Claims (10)

1. 電力制御システムであって、該システムは、
   入力信号を増幅して増幅信号を生成するように構成された利得制御段と、
   前記利得制御段の出力に接続された電力検出器であって、前記増幅信号のランプを検出すると共に、該ランプの指示を提供するための電力検出器と、
   前記電力検出器と前記利得制御段に接続された制御器であって、前記ランプの指示に応じた前記利得制御段への供給または制御電圧を調節して、前記ランプが、必要電力レベルによって変更される所望波形曲線からなる所定ランプから変動した場合に、前記供給または制御電圧を変更する制御器と
   を備えたことを特徴とする電力制御システム。
2. 請求項１に記載の電力制御システムであって、前記必要電力レベルは事前定義電力対時間仕様と過渡電力仕様に従うマスクからなることを特徴とする電力制御システム。
3. 請求項１に記載の電力制御システムであって、
   前記制御器は、誤差自乗ユニットと、適応フィルタ係数計算ユニットと、前記適応フィルタ係数計算ユニットに接続された複数タップを有する適応フィルタとを備え、
   前記増幅信号のランプは前記所定ランプと比較されて誤差期間を生じ、
   前記適応フィルタ係数計算ユニットは前記誤差期間を使用して、前記適応フィルタの複数タップの一つまたはそれ以上を計算・調節し、
   前記適応フィルタの出力は、出力信号を蓄積するループフィルタへ供給される
   ことを特徴とする電力制御システム。
4. 請求項３に記載の電力制御システムであって、
   前記フィルタの出力は、式Ｅ_ＫＷ_１Ｋ＋Ｅ_Ｋ−１Ｗ_２Ｋ＋．．．＋Ｅ_０Ｗ_ＮＫによって与えられ、ここで、
   Ｎは前記フィルタの長さを表す整数であり、
   Ｗ_Ｋ＋１はＷ_Ｋ＋２μＷ_Ｋ ^２であり、
   μは収束期間であり、
   Ｗ_Ｋは最初は０であり、
   Ｅ_Ｋは誤差期間である
   ことを特徴とする電力制御システム。
5. 請求項１に記載の電力制御システムであって、
   一定のループ帯域幅を用いて前記制御器の出力にフィルタをかけるための前記制御器の出力に接続されたループフィルタを更に備え、
   前記一定のループ帯域幅は動作条件と無関係であり、
   前記動作条件は、温度、供給電圧、および動作周波数帯域にわたるアナログ回路要素の変動を含んでいる
   ことを特徴とする電力制御システム。
6. 無線周波数（ＲＦ）信号を増幅する方法であって、
   前記ＲＦ信号を利得制御段によって増幅して増幅信号を生成するステップと、
   前記増幅信号のランプを検出するステップと、
   前記増幅信号のランプを、必要電力レベルによって変更された所望波形曲線からなる所定ランプと比較して、誤差差を生成するステップと、
   誤差差信号に基づいて適応フィルタの複数タップを動的に調節して制御信号を生成するステップと、
   一定のループ帯域幅を有するループフィルタによって前記制御信号にフィルタをかけてフィルタをかけられた制御信号を生成するステップと、
   前記フィルタをかけられた制御信号に基づいて前記利得制御段の制御電圧を制御するステップと
   を備えたことを特徴とする方法。
7. 請求項６に記載の方法であって、前記必要電力レベルは電力対時間マスクからなり、前記所望波形曲線はかさ上げ余弦波形からなることを特徴とする方法。
8. 請求項６に記載の方法であって、前記所定ランプは電力制御システムの動作条件と無関係であることを特徴とする方法。
9. 請求項６に記載の方法であって、
   前記増幅信号の活動を検出するステップと活動出力を生成するステップを更に備え、
   前記出力は、活動が検出されなかった場合のゼロ信号か、活動が検出されて前記増幅信号のランプと比較する場合の所定ランプかを選ぶように構成された
   ことを特徴とする方法。
10. 請求項６に記載の方法であって、電力制御システムの動作条件と無関係である一定のループ帯域幅を有するループフィルタを使用して前記制御信号にフィルタをかけるステップを更に備えたことを特徴とする方法。

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