SE515888C2 - Sätt och apparat för detektering och korrigering av bottning hos en effektförstärkare - Google Patents

Description

'såsom visas i Fig 7 och 8, 515 888 2 telefonsamtal, som kan vara åtskilliga minuter. Den fasta sändtagaren kan också förbli tillslagen under hela tele- fonsamtalets varaktighet. Eftersom det sker ett begränsat antal tillslag i ett FDMA-system är tillslags- och fràn- slagskraven på effektförstärkaren inte speciellt stringen- ta. Om en sändare slås på snabbt uppstår en kortvarig stor bruspuls, men eftersom detta endast inträffar en gång under ett samtal påverkar det inte kommunikationssystemet i större utsträckning. Om effektförstärkaren slås på lång- samt uppstàr det vidare en omärkbar lucka i konversationen i början av ett telefonsamtal. Dessa problem är endast olägenheter för användaren och inte problem som i väsent- lig utsträckning försämrar systemet.

I de nyligen föreslagna, digitala, cellulära radio- telefonsystemen har kraven på effektförstärkartillslag ökat dramatiskt. De nya systemen använder ett system för multipelöverföring genom tiddelning (pà engelska: time division multiple access communications system) eller TDMA-kommunikationssystem. I ett TDMA-kommunikationssystem delar 8 eller 16 radiotelefoner en enda 200 kHz bred kanal för sändning. Varje radiotelefon i en kanal tilldelas repetitivt en 577 ps lång tidslucka. Under denna tidslucka rampar radiotelefonen upp (pà engelska: "ramps up") effektförstärkaren till lämplig frekvens och effekt, der önskade data och rampar ner ("ramps down") effektför- sän- stärkaren för att inte störa eller interferera med de andra användarna som delar samma frekvens. Kraven för styrning av effektförstärkaren har sålunda ökat kraftigt.

Group Special Mobile-rekommendationerna (GSM-rekom- mendationerna) ETSI/PT-12 05.05 (4.2.2 och 4.5.2), mars 1991, telefonkommunikationssystem. utvecklades för att definiera ett digitalt radio- I dessa rekommendationer är man medveten om de ökade effektförstärkarkraven och man har definierat en tidsmask och en spektral frekvensmask, som all radiotelefonutrustning som används i systemet måste uppfylla. Specifikationerna angående tids- och frekvensmaskerna fordrar utveckling av 10 15 20 25 30 35 515 888 3 en mycket jämn upprampning av effektförstärkaren och stringenta tidsrestriktioner.

En effektförstärkare bottnar när den inte kan produ- cera så mycket effekt som styrkretsarna begär. Bottningen kan orsakas av sänkt tillgång på batterispänning i en por- tabel radiotelefon eller extrema omgivningstemperaturer.

Bottning av effektförstärkaren kan ge upphov till två problem. Den bottnade förstärkaren kan för det första skada funktioner hos effektförstärkaren (PA), vilket leder till att effektförstärkarens verkningsgrad redu- ceras. En alltför stor effektförstärkarstyrspänning kommer för det andra att erfordra en orimligt lång framslagstid för effektförstärkaren.

Om den tid som erfordras för att rampa ned effektför- stärkaren är alltför lång, även några få mikrosekunder, kommer effektförstärkaren att iñterferera med andra effektförstärkare som använder samma frekvens. Denna interferens kommer att medföra att data som sänds mellan den fasta sändtagaren och radiotelefonen går förlorade.

Denna förlust kommer att försämra hela radiotelefonkom- munikationssystemet. Därför behövs en effektförstärkar- styrenhet som begränsar effektförstärkarens bottningstid, speciellt vid slutet av effektförstärkarens sändningstid.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Föreliggande uppfinning innefattar en sändare, som har en förstärkare, en förstärkarstyrenhet och en första signal. Förstärkaren har åtminstone två ingångar och åt- minstone en utgång samt en bottningspunkt. Den första sig- nalen har en effektnivå, en första frekvens och är kopplad till en ingång till förstärkaren. Förstärkaren svarar på spänningen hos en andra signal, som är kopplad till den andra ingången till förstärkaren. Förstärkarstyrenheten detekterar bottning av förstärkaren på utgången från för- stärkaren och genererar den andra signalen, varvid för- stärkaren inte längre bottnas. 10 15 20 25 30 35 515 888 4 KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Fig 1 är ett blockschema för ett radiokommunikations- system, som kan utnyttja föreliggande uppfinning.

Fig 2 är ett blockschema för en effektförstärkare och motsvarande effektförstärkarstyrkrets, som kan utnyttja föreliggande uppfinning.

Fig 3 är ett diagram för spänning som funktion av tiden och visar spänningen hos AOC-styrsignalen och mot- svarande bottningsdetekteringssignal, som kan finnas i föreliggande uppfinning.

Fig 4 är ett diagram för effekten som funktion av tiden och visar den önskade utsignalen från en effekt- förstärkare, som kan använda föreliggande uppfinning.

Fig 5 är ett flödesschema för DSP-algoritmen, som kan utnyttja föreliggande uppfinning.

Fig 6 är ett kretsschema för en effektförstärkarstyr- krets, som kan utnyttja föreliggande uppfinning.

Fig 7 är den GSM-tidmask som definieras av GSM-rekom- mendationen 05.05 (4.2.2).

Fig 8 är den GSM-spektralfrekvensmask som definieras av GSM-rekommendationen 05.05 (4.5.2).

BESKRIVNING Av EN FÖREDRAGL-:N UTFöRINGsFoRM Den häri visade uppfinningen kan användas i ett TDMA- I ett radiotele- fonsystem finns en fast sändtagare 101, som sänder ut -radiotelefonsystem, som visas i Fig l. rf-signaler till portabla och mobila radiotelefoner, som finns inom ett geografiskt täckningsomràde. En sådan tele- fon är den portabla radiotelefonen 103. Ett radiotelefon- system tilldelas ett frekvensband, inom vilket det tillåts sända. Frekvensbandet bryts upp i flera 200 kHz breda kanaler. Varje kanal kan hantera kommunikation mellan sändtagaren 101 och upp till 8 radiotelefoner inom täck- ningsomràdet. Varje radiotelefon tilldelas tidsluckor, i vilka den skall sända och motta information fràn sänd- tagaren 101. Varje tidslucka är ca 577 ps lång. Den por- tabla radiotelefonen 103, modell nr F19UVD0960AA, som 10 15 20 25 30 35 515 888 5 finns tillgänglig från Motorola, Inc., innefattar en sän- dare 107, en mottagare 109 och en digital signalprocessor (DSP) 111, såsom DSP 56000, som finns tillgänglig frán Ett flertal signaler sänds mellan DSP:n lll och sändaren 107 pà flerfaldiga signalledningar 113.

Sändaren 107 och sändtagaren 101 innehåller bàda effektförstärkare med stringenta krav som definieras av Motorola, Inc. the Group Special Mobile-rekommendationerna (GSM-rekommen- dationerna) ETSI/PT-12 05.05 (4.2.2 och 4.5.2), mars 1991.

Enligt specifikationerna krävs att varje sändare uppfyller en tidsmask enligt Fig 7 och en spektral frekvensmask en- ligt Fig 8. Antennen 105 används för att sända radiofrek- venta signaler till sändtagaren 101 och motta radiofrek- venta signaler från sändtagaren 101.

Vid mottagningen av signaler omvandlar en antenn 105 signalerna till elektriska, radiofrekventa signaler och överför signalerna till mottagaren 109. Mottagaren 109 demodulerar och omvandlar de elektriska, radiofrekventa signalerna till datasignaler, som kan användas av resten av den portabla radiotelefon 103.

Vid sändning av de radiofrekventa signalerna matar DSP:n 111 sändaren 107 med information som skall sändas och styr också information till sändaren 107 via signal- ledningarna 113. Sändaren 107 tar datana och omvandlar dem till elektriska, radiofrekventa signaler och ger de elek- triska, radiofrekventa signalerna lämplig effekt med an- vändning av effektförstärkaren. Antennen 105 tar därefter de elektriska, radiofrekventa signalerna och omvandlar dem till radiofrekventa signaler och sänder dem i luften till sändtagaren 101.

Effektförstärkaren 203 och dess tillhörande styrorgan är placerade i sändaren 107 och de visas i blockschemat i Fig 2. Funktionen hos effektförstärkaren 203 är att ta in den radiofrekventa insignalen, som innehàller tal och data skall sändas tillbaka till den fasta sändtagaren 101 att förstärka rf-insignalerna till lämplig effektnivå sändning. Exciteraren 205 är en inställbar effekt- som och för l0 15 20 25 30 35 515 888 6 förstärkare, som anpassar rf-insignalerna 209 till lämplig insignalnivå för effektförstärkaren 203.

Blockschemat i Fig 2 innehåller flera reglerslingor, däribland standardreglerslingan, upprampningsslingan och bottningsdetektorslingan för effektförstärkarna. Detal- jerna avseende standardreglerslingan och upprampnings- slingan återfinns i US-patentansökan nr 07/709,738 "Power Amplifier Ramp up Method and Apparatus", som lämnades in för Hietala et al, 3:e juni 1991 och som överlåtits till innehavaren av föreliggande ansökan. Alla reglerslingorna utnyttjar kopplaren 201. Kopplaren 201 är en elektromagne- tisk kopplare, som kopplar rf-utsignalerna in i regler- slingorna utan att orsaka alltför stor förlust hos rf-utsignalerna.

Detektorn 211 detekterar effektnivån hos rf-utsigna- lerna och skapar en effektnivåsignal 229, vars spänning svarar på storleken hos frameffekten i rf-utsignalerna.

Detektorn 211 matar också ut en referenssignal 213.

Spänningen hos referenssignalen 213 svarar mot DC-offset- utsignalen från detektorn i frånvaro av aktivitet hos effektförstärkaren 203.

Bottningsreglerslingan förhindrar exciteraren 205 och effektförstärkaren 203 från att gå förbi sin förstärk- ningsgräns till följd av styrinsignalen 207. Bottnings- slingan består av kopplaren 201, detektorn 211, kompa- ratorn 217 och den digitala signalprocessorn 223. Bott- ningsdetekteringskomparatorn 217 jämför detektorutsignalen 229 med AOC-spänningssignalen 231 för att fastställa om detektorutsignalen 229 svarar på ändringar i AOC-spänning- en 231. Denna jämförelse kommer att indikera bottning från styrspänningen när spänningen hos detektorutsignalen 229 faller under spänningen hos AOC-signalen 231, ty detektorspänningen kommer inte ändras med en motsvarande ändring i AOC-spänningen under bottning. Utsignalen 233 matas in i DSP:n 223. DSP:n 223 innehåller en algoritm som stegar ned spänningen hos AOC-signalen 231 tills spän- ningen hos AOC-signalen 231 faller till under bottnings- 10 15 20 25 30 35 515 888 7 detektorspänningen 229. Därefter kan spänningen hos AOC- -signalen 231 stegas upp eller ned. I den föredragna ut- föringsformen stegas spänningen hos AOC-signalen ned ytterligare för att säkerställa att effektförstärkaren 203 förblir icke-bottnad. Spänningen hos AOC-signalen 231 skulle emellertid kunna stegas upp för att komma närmre bottningströskelvärdet beroende på de speciella behoven i en given implementering.

Fig 3 är ett diagram för spänningen som funktion av tiden för AOC-styrsignalen 231 och bottningsdetekterings- signalen 233. Här stiger spänningen hos AOC-styrsignalen 303 stadigt. Vid ca 22 mikrosekunder (us) detekteras bottning i effektförstärkaren 203. Denna bottning detek- teras av komparatorn 217, vilket noteras genom att spän- ningen hos bottningsdetekteringssignalen 301 stiger snabbt. Vid detektering av bottning reducerar DSP:n 223 spänningen hos AOC-styrsignalen 231 inkrementellt tills, vid ca 27 us, spänningen hos AOC-styrsignalen 231 är tillräckligt låg för att bringa effektförstärkaren 203 att så småningom lämna det bottnade tillståndet, såsom visas genom minskningen i spänningen hos bottningsdetek- teringssignalen 301.

Den streckade signalen 305 visar kurvan för spän- ningen hos AOC-styrsignalen utan användning av förelig- gande uppfinning. Spänningen hos AOC-styrsignalen fort- sätter in i effektförstärkaren 203 bottnade effektinter- vall, vilket skulle kunna orsaka skada och även resultera i en avvikelse från den spektrala frekvensmasken vid från- slag av effektförstärkaren 203.

I Fig 4 visas effekten som funktion av tiden hos en normal effektförstärkare, såsom den som visas i Fig 2 vid 203. När föreliggande uppfinning används stiger effekten stadigt i effektförstärkaren 203 vid 401. Vid ca 22 ps bottnar effektförstärkaren 203 (vid 403). Bottningsdetek- teringsreglerslingan detekterar omedelbart att effektför- stärkaren 203 är bottnad och varnar DSP:n 223. Därefter reducerar DSP:n 223 spänningen hos AOC-styrsignalen 231. 10 15 20 25 30 35 8 Vid 405 lämnar effektförstärkaren 203 det bottnade till- ståndet och effekten hålls strax under bottningströskel- värdet under resten av tidsluckan, där den rampas ned jämnt.

Fig 5 är ett metodflödesschema som används av DSP:n 223 vid aktivering av bottningsdetekteringsstyrsignalen 233. Variablerna X, Y och Z kan sättas till olika värden beroende på behoven i systemet.

Variabeln X beror på den noggrannhet som önskas från algoritmen i en given tillämpning. Ju mindre variabeln X är desto noggrannare kommer den slutliga effektnivån att vara, men desto längre kommer det att ta för effektför- stärkaren 203 att lämna det bottnade tillståndet. I den föredragna utföringsformen sätts variabeln X till 2 D/A-steg, vilket är ca 18 mV.

Variabeln Z är den inställningstid som fordras för att en effektförstärkare skall anpassa sig till en ändring i spänningen hos AOC-signalen. I den föredragna utförings- formen sätts variabeln Z till 500 ns.

Variabeln Y är del av ett valfritt steg som erfordras i algoritmen. Y är den ytterligare ändringen i spänningen hos AOC-signalen efter det att effektförstärkaren har läm- nat det bottnade tillståndet. Spänningen hos AOC-signalen kan ökas eller minskas i överensstämmelse med behoven i den specifika tillämpningen. I den föredragna utförings- formen sätts variabeln Y till 4 D/A-steg, vilket är approximativt 36 mV. Spänningen hos AOC-styrsignalen redu- ceras med denna spänning Y för att flytta effektförstär- karen längre bort från bottningströskelvärdet.

I den föredragna utföringsformen börjar metoden vid 501 när upprampningen av effektförstärkaren 203 är klar.

Vid 503 kontrollerar DSP:n statusen hos bottningsdetek- teringssignalen 233. Om bottningsdetekteringssignalen 233 är hög, vilket betyder att effektförstärkaren 203 är bott- nad, går algoritmen vidare till steg 505. Om bottnings- detekteringssignalen 233 är låg fortsätter algoritmen till steg 513. Vid 505 reduceras spänningen hos AOC-styrsigna- 10 15 20 25 30 35 515 888 9 len 231 med ett förutbestämt inkrement X. Vid 507 väntar algoritmen ett förutbestämt antal nanosekunder, Z, tills effektförstärkaren 203 har anpassat sin effekt till den nya AOC-spänningen. Vid 509 kontrollerar DSP:n 223 statu- sen hos bottningsdetekteringssignalen 233. Om bottnings- detekteringssignalen 233 fortfarande är hög återgår algo- ritmen till steg 505. Om bottningsdetekteringssignalen 233 är låg, vilket betyder att effektförstärkaren 203 inte längre är bottnad, fortsätter algoritmen till steg 511.

Vid 511 ändras spänningen hos AOC-styrsignalen 231 med ett förutbestämt inkrement Y. Ändringen kan antingen vara en ökning eller en minskning i spänning, beroende på syste- mets behov. I den föredragna utföringsformen minskas spän- ningen med det förutbestämda inkrementet Y. Vid 513 avslu- tas metoden.

Fig 6 är ett kretsschema för effektförstärkarens 203 styrkrets, som innefattar bottningsdetekteringsstyr- slingan. Kretsen innehåller kopplaren 607, detektorn 605, integratorn 601, effektintervallstyrenheten 603 och bott- ningsdetekteringskretsen 609. Bottningsdetekteringskretsen jämför AOC-spänningstyrsignalen 631 med detektorutspän- ningssignalen 629 i komparatorn 641. När det detekteras att AOC-spänningen är större än detektorspänningen går bottningsdetekteringssignalen 233 hög, vilket rapporteras till DSP:n 223 så att bottningsdetekteringsalgoritmen som visas i Fig 5, kan användas för att reducera spänningen hos AOC-styrsignalen.

Bottningsdetekteringen på utgången från detektorn 605 fördras framför detekteringen på utgången från integratorn 219. Om bottningsdetekteringen görs på utgången från inte- gratorn 219 så bringas den fördröjning som hör samman med integratorn 219 uteffekten till att rampas ned mycket längre än vad som önskas innan bottningsdetektorn indi- kerar att bottningen har korrigerats. Detekteringen av bottningen på utgången från integratorn 219 skulle sålunda vara en ineffektiv användning av effektförstärkaren 203 och skulle inte uppfylla den i Fig 7 visade GSM-tidmasken. 10 15 20 25 30 35 515 888 10 Genom användning av bottningsdetekteringskomparatorn 217, som jämför spänningen hos AOC-styrsignalen 231 och spänningen hos detektorutsignalen 229, kan man därför be- stämma att effektförstärkaren 203 är bottnad. Med använd- ning av DSP:n 223 och den i Fig 5 visade algoritmen i DSP:n 223 kan effektförstärkaren 203 bringas till gränsen för bottning för att förhindra skada på effektförstärkaren 203 och också förhindra avvikelse fràn de i Fig 7 och 8 visade spektrala tids- och frekvensmaskerna.

Claims (10)

10 15 20 25 30 35 515 888 11 PATENTKRAV

1. l. Sändare (107) som bland annat innehåller organ för förstärkning av en första signal och organ för styrning av förstärkningsorganen, varvid förstärkningsorganen har àt- minstone två ingångar, åtminstone en utgång och en bott- ningspunkt, varvid den första signalen har en effektnivå, en första frekvens och är kopplad till en första av de åtminstone två ingångarna till förstärkningsorganen, var- vid förstärkningsorganen svarar på en spänning hos en andra signal (231), som är kopplad till en andra av de åtminstone två ingångarna till förstärkningsorganen, var- vid organen för styrning innefattar: organ för detektering av bottning hos förstärknings- organen, vilka organ för detektering är kopplade till en utgång från förstärkningsorganen; och organ för alstring av den andra signalen (231) under påverkan från organen för detektering av bottning, varvid organen för alstring är kopplade till en utgång från organen för detektering och kopplade till den andra av de åtminstone två ingångarna till förstärkningsorganen, var- vid förstärkningsorganen inte längre bottnas.

2. Sändare (107) enligt krav 1, varvid organen för detektering vidare innefattar: organ (211) för detektering av effektnivàn hos den första signalen på utgången från förstärkningsorganen; och organ (217) för bestämning av en skillnad mellan en utsignal från organen för detektering av effektnivàn och en tredje signal, vilken alstras för styrning av effekt- nivån hos förstärkningsorganen.

3. Sändare (107) enligt krav 1, varvid organen för alstring av den andra signalen vidare innefattar: organ för alstring, i frånvaro av bottningsdetek- tering, av en signal som är lika med den tredje signalen; och 10 15 20 25 30 35 515 888 ¿¿¿:_-__L“_. 12 organ för alstring, vid detektering av bottning, av en signal med en spänning som är lika med den tredje signalen minus ett förutbestämt inkrement, tills frånvaro av detektering av bottnad.

4. Sändaren (107) enligt krav 1, varvid organen för generering av den andra signalen vidare innefattar en digital signalprocessor (223) och en digital-analogomvand- lare (221).

5. Sändare (107) enligt krav 1, varvid organen för detektering av bottning vidare innefattar en differential- förstärkare (217).

6. Förstärkarstyrenhet som ingår i en radiotelefon (103), varvid radiotelefonen (103) bland annat innehåller organ för förstärkning av en första signal och organ för styrning av förstärkningsorganen, varvid förstärknings- organen har åtminstone två ingångar, åtminstone en utgång, en bottningspunkt och svarar på en spänning hos en andra signal, varvid den andra signalen är kopplad till en andra av de åtminstone två ingångarna till förstärkningsorganen, varvid den första signalen har en effektnivå, en första frekvens och är kopplad till en första av de åtminstone två ingångarna till förstärkningsorganen, varvid för- stärkarstyrenheten innefattar: organ (211) för detektering av effektnivån hos den första signalen, vilka organ för detektering är kopplade till en utgång från förstärkningsorganen; organ (217) för bestämning av en skillnad mellan en utsignal från organen för detektering av effektnivån och en tredje signal, varvid den tredje signalen alstras för styrning av effektnivån hos förstärkningsorganen; organ (217) för alstring av en fjärde signal (233) som motsvarar nämnda skillnad och bottning av förstärk- ningsorganen; organ för alstring, i frånvaro av bottning, av den andra signalen i överensstämmelse med den tredje signalen; OCh 10 15 20 25 30 35 13 organ för alstring, när förstärkningsorganen är bott- nade, av den andra signalen med en spänning lika med den tredje signalen minus ett förutbestämt inkrement.

7. Förstärkarstyrenhet enligt krav 6, varvid organen för alstring av den andra signalen vidare innefattar en digital signalprocessor (223) och en digital-analogomvand- lare (221).

8. Förstärkarstyrenhet enligt krav 6, varvid organen för bestämning av en skillnad och organen för alstring av den fjärde signalen vidare innefattar en differential effektförstärkare (217).

9. Sätt att styra en förstärkare, som har åtminstone en första och en andra ingång, en utgång, en bottnings- punkt och som vidare förstärker en första signal som gen- svar på spänningen hos en andra signal, varvid den första signalen har en effektnivà, en första frekvens och vidare är kopplad till den första ingången till förstärkaren, varvid den andra signalen är kopplad till en andra ingång till förstärkaren, varvid sättet att styra förstärkaren innefattar stegen att: detektera (211) effektnivàn hos den första signalen på en utgång från förstärkningsorganen; bestämma (217) en skillnad mellan en utsignal från nämnda detektering av effektnivån och en tredje signal, varvid den tredje signalen alstras för styrning av effekt- nivàn hos förstärkningsorganen; alstra (217) en fjärde signal (233), som motsvarar skillnaden och indikerar bottning av förstärkaren eller frånvaro av bottning; i frånvaro av bottning alstra den andra signalen i överensstämmelse med den tredje signalen; och när bottning indikeras alstra den andra signalen med en spänning lika med den tredje signalen minus ett förutbestämt inkrement.

10. Sätt att styra en förstärkare i överensstämmelse med krav 9, varvid steget att alstra den andra signalen med en spänning lika med den tredje signalen minus ett 10 15 20 25 30 35 515 888 14 förutbestämt inkrement vidare innefattar stegen att: bestämma (503) att den fjärde signalen svarar mot bottning av förstärkaren; som svar pà bestämningen av bottning minska (505) den andra signalen med ett första förutbestämt inkrement; vänta (507) ett andra förutbestämt inkrement; bestämma (509) att den fjärde signalen inte svarar mot bottning av förstärkaren; och ändra (511) den andra signalen med ett tredje förut- bestämt inkrement.