用於射頻放大器的功率復用系統的製作方法

2023-05-20 07:10:56 1

專利名稱：用於射頻放大器的功率復用系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於無線射頻(RF)放大器的功率復用系統。
陸基移動無線通信系統為了與遠程移動站通信必須在射頻頻段產生功率。另外，陸基移動無線通信系統必須具有經由接收天線從遠程移動站接收射頻(RF)信號的能力。
從遠程移動站接收射頻信號的接收天線典型地是位於塔頂或建築物的頂端，這樣，天線一般就可無阻擋地對射頻信號(RF)進行接收。遠程移動站發射的信號通常功率非常低，因而，接收天線接收到的信號強度是很低的。接收天線接收到的射頻信號在被陸基無線通信系統的接收機處理前必須被放大。因為接收天線接收到的射頻(RF)信號的功率電平非常低，非常需要在接收後及通過電纜(如同軸電纜)傳輸前儘可能立即放大這些信號，這樣，對接收機來講是減小了信號幹擾和失真。眾所周知，從技術上講，放大接收到的射頻(RF)信號的放大器通常被放置在塔上或建築物的頂上並儘可能靠近接收天線的位置。採用這樣的安排，接收到的射頻(RF)信號可以在任何幹擾或失真在電纜傳輸過程中被引入之前已被放大。另一種做法是，接收放大器被放置於更方便的位置，如天線塔的塔基上。這種情況下，由於傳輸中的損耗，信號質量下降了。
在常見的陸基移動無線通信系統中，每個接收天線上有一個接收放大器。典型地，線性放大器被用來放大接收到的射頻(RF)信號。採用線性放大器是因為接收信號有非常大的動態變化範圍。從靠近接收天線的遠程移動站接收到的射頻(RF)信號的強度比從較遠的移動站接收到的信號強度強得多，這一點是技術上的內行都很清楚的。例如，接收到的射頻信號的平均信號強度大約為-40dBm，而對於較遠的移動站，接收到的信號強度可能低至-122dBm。因此，系統中採用的線性放大器具有非常好的線性放大特性這一點是重要了。如果系統沒有高線性度，那麼，不希望出現的附加互相調製信號(intermodulation signals)將出現在放大器的輸出中，因而降低了通信質量。
眾所周知，描述一個放大器的線性度是用它的「三階輸出截點(IP30)」(output third order intercept point)。對於一組確定的放大條件，一個放大器的IP30要求是由下面的方程1給出IP30＝15logP0-IM/2+5log(N2-3N/2) (eq.1)這裡，P0＝以毫瓦(milliwatts)為單位的每一無線電信道的功率輸出；N＝被放大的無線信道的個數；IM＝最大可允許的相互調製電平(相互調製失真)。
在一典型的陸基移動無線通信系統中，可以有多達6至12個接收天線從多達60個信道接收無線信號。在這樣的陸基移動無線通信系統中就出現了一個問題如何確定接收放大器的規模與有多少個信道(用戶)將被任一接收天線同時接收的統計判定有關。平均來講，可能僅有5個用戶，但是非常可能有20個用戶在一個特定瞬間同時通過一個放大器請求服務。在這種情況下，放大器的線性要求隨5log(N2-3N/2)增加。例如，當用戶數由5個增加到10個時，IP30截點的增加超過3dBm，由下例給出5log(52-3*5/2)＝6.22dBm5log(102-3*10/2)＝9.65dBm
因此，關鍵的問題在於選擇一個適當的放大器規模來保證在最壞情況的統計峰值下的放大要求被滿足。如果放大器的規模不夠，所有接收到的射頻(RF)信號的信號質量在放大期間將受到影響。
與這類接收放大器相聯繫的另一個問題是可靠性。由於每一個接收天線與一個放大器相連，天線在與之相連的放大器出現故障時會變得沒有用了。這就會導致與該天線相聯繫的一個區域(幾何面積)內的服務出現中斷。
本發明的目的之一是提供一種用來把多個輸入信號均勻地分配給系統放大器，而後還可以恢復被放大的輸入信號的放大器功率復用系統。
本發明的另一個目的是提供一個功率復用系統，用來消除由任一放大器放大的信號數的統計峰值。
本發明的目的之三是提供一種功率復用系統所有信號能夠被放大。甚至在功率復用系統中的一個或多個放大器出現故障時，所有的信號也能被放大。
本發明的目的之四是提供一種陸基移動通信系統使用的功率復用系統。
本發明的最後一個目的是提供一種陸基移動通信系統，由於放大器的特性，具有硬體開銷低，可靠性高，信號質量好的特點。
根據本發明，多個輸入信號被提供給一個變換矩陣，它將每一個輸入信號分解為N個變換了的信號，每個變換了的信號包含輸入信號功率中一個均等的部分1/N(an equal part)；每一變換了的信號被提供給一個放大器來放大；被放大的信號被送到一個逆變換矩陣，通過它來重新組合放大了的變換了的信號的每一個部分使之成為放大了的輸入信號。
與本發明進一步相一致的是，放大了的輸入信號是輸入信號的放大了的複製品。
按照本發明，在一個具有眾多接收天線的陸基移動無線通信系統中，輸入信號由接收天線的輸出來提供，隨後，放大了的輸入信號被提供給了接收機。
與本發明相一致的是，變換矩陣是一個傅立葉變換矩陣，同時逆變換矩陣是一個傅立葉逆變換矩陣。
進一步按照本發明，陸基移動無線通信系統包括N個天線，這裡N是m的冪，例如N＝mr，那麼這個變換矩陣是一個傅立葉變換矩陣，用m為基數的r級頻率抽選(DIF)算法。同時，逆變換矩陣是一個以m為基數的r級時間抽選(DTT)算法的傅立葉逆變換矩陣。
本發明提出了一個對以前技術的意義深遠的改進，因為可提供的一個陸基移動無線通信系統的接收信號的放大的可靠性被改善了。甚至在一個接收放大器有故障的時侯，所有接收信號都能夠被放大。使用本發明的系統，每一個放大器被所有接收天線平均使用。因此，與統計峰值相聯繫的問題被消除了。
通過帶有


的下面典型實施項的詳細描述，本發明上述的及其它目標、特點和優點將是更加明顯的。
圖1是與本發明相一致的具有功率復用的陸基移動無線通信系統的圖解方框圖；圖2表示了與圖1的系統的16個線性功率放大器有關的一種傅立葉變換矩陣和一個傅立葉逆變換矩陣的實施，傅立葉變換矩陣採用了以2為基數的頻率抽選(DIF)的四級算法，傅立葉逆變換矩陣採用了以2為基數的時間抽選(DIF)的四級算法；圖3是用於圖2所示的傅立葉變換矩陣和傅立葉逆變換矩陣的一個90度混合式分配器(a ninety degree hybrid splitter)。
圖4是一個圖2所示的傅立葉變換矩陣的90度混合式分配器的另一個實施例的示意圖；同時圖5是一個圖2所示的傅立葉逆變換矩陣的90度混合式分配器的另一個實施項的示意圖。
本發明的功率復用系統特別適合於用在陸基移動無線通信系統中，由於經過每一個系統放大器的接收到的射頻信號(即輸入信號)被平均分配，系統中被與系統的某個接收天線相連的任一放大器接收的信道(用戶)數量的統計峰值被消除了。因此，所必需的系統放大器的規模減小了，它們被全面統一地利用起來，由此降低了硬體費用並提高了可靠性，因為在任一放大器出現故障的情況下，接收到的全部射頻信號仍可以被其餘的放大器放大，本發明的系統提供了更好的可靠性。
本發明運用功率復用系統的原理而被設計為利用由無線信道單元提供並經高功率線性放大器放大的射頻(RF)信號，該系統在美國專利申請號08/314,898(籤署於1994年9月29日)中被普遍承認地描述，它的具體細節參考原文。
參照圖1，一個陸基移動無線通信系統110包括多個接收由移動站(圖中沒有畫出)發射的射頻信號的接收天線120。接收到的射頻信號經過帶通濾波器(BPF)122濾波，然後經過本發明中的功率復用系統130傳送到射頻信號處理單元125。射頻信號處理單元125包括分路器、路由器、開關、信號處理和其它一些合適的設備，將每一個接收到的信號提供給一個適當的無線電信道單元127。每個無線電信道單元127是一個信道″channel″。系統110可以使用大量信道，如60個信道″channel″。
功率復用系統130包括一個N×N的傅立葉變換矩陣(快速傅立葉變換矩陣)133，它接收帶通濾波器122的輸出，將變換後的輸出信號提供給多個線性功率放大器135中的每一個。線性功率放大器135的輸出被提供給一個N×N的傅立葉逆變換矩陣(快速傅立葉逆變換矩陣)138。在本發明的例子中，有16個線性功率放大器135。傅立葉變換矩陣133和傅立葉逆變換矩陣138都是16×16矩陣。然而，技術上的內行將會明白，任何數目的線性功率放大器135都可以被用到，正如在下文所描述的那樣。採用本發明的16×16矩陣，來自多達16個接收天線120的射頻信號可以用這個功率復用系統130放大。
參照圖2，功率復用系統130更詳細地被顯示。傅立葉變換矩陣133均勻地把帶通濾波器122的輸出分送給16個線性功率放大器135。這個過程通過採用以2為基的頻率抽選算法來完成，該算法在Kraniauskas，Peter，″APlain Man’s Guide to the FFT″一書中的28至30頁被詳盡闡述，見IEEE信號處理雜誌1994年4月的24-35頁。此處將其公開作為參考。正如技術上的內行將懂得的那樣，以2為基的頻率抽選算法的每一級包括了多個90°混合式分配器145，這些已在圖3中詳細地表示出來。
參照圖3，每一個90°混合式分配器145是技術上已知的一種對稱的四埠分支線耦合器。在傅立葉變換矩陣的第一級，16個有損耗的混合器中的兩個的輸出被由具有相同的特徵阻抗Y1(如50歐姆)的一對輸入埠(線)501，502耦合到分路器。分配器的輸出被供給一對輸出端(線)503、504。輸出端503、504有著與輸入端501、502相同的特徵阻抗Y1。輸入埠501，502通過一對初級線510，511與輸出埠503，504相連。再有，輸入埠501，502和輸出埠503，504被一對次級線(分支線)514，515並聯連接。通過選擇初級線510，511和次級線514，515的長度和阻抗來提供所需要的輸入信號和輸出信號的分配率(division ratio)。
為了實現本發明所需要的90°混合式分配器，初級線510，511的特性阻抗Y2被選擇為等於輸入和輸出埠的特性阻抗乘以2-1/2，即Y2＝(Y1)(2-1/2)＝.707Y1。次級線的特性阻抗與輸入與輸出埠的特性阻抗即Y1相等。初級線和次級線的長度被選擇為輸入信號的1/4波長。在初級線和次級線中的信號的相速將是不同的，這是因為線路具有不同的特性阻抗。因此，必須採用不同的線長度以提供1/4波長。
混合式分配器145也可以用一個頻率抽選的蝶形來實現，如圖4所示。參照圖4，頻率抽選的蝶形包括比例函數150、代數函數152和所公知的『旋轉因子』乘法器153。比例因子150不是每個抽選階段所必需的，可以被收集而被應用僅一次，或者是用在傅立葉變換矩陣133的輸入序列或輸出序列。正如技術上所知道的那樣，每一個分配器145在它的周期的1/2時刻變換它的輸入，在這種情況下，變換為90°。抽選階段的輸出可以被解釋為本級輸入的兩個半長序列。因此，通過遞歸地在四個階段實施這種抽選過程，16個有損耗的組合器的輸出信號的每一個被均勻地分送給16個矩陣輸出，例如24＝16，以便每一個功率放大器放大每一通道的1/16。
如圖1和圖2所示，傅立葉變換矩陣133的輸出被提供作為功率放大器135的輸入。在這種情況下，採用上文描述的傅立葉變換矩陣，每一個放大器以每個通道都以低功率工作而被所有射頻信號使用，因此，即使所有信道同時有效，其中任一放大器所必需的最大功率只是整個信道全部功率的1/N(1/16)。在一個具有60個信道的系統110中，這就給出了對於每個放大器的有效峰值功率要求是少於4(60÷16＝3.75)個信道。因此，本發明的放大系統沒有統計峰值容限的要求。補充一點，在以前的技術系統中，如果某個放大器出故障了，從相應的接收天線120接收到的射頻(RF)信號就不能被放大。相反，採用本發明的功率復用系統，如果某個放大器出毛病了，所有射頻(RF)信號仍可以由其餘工作著的放大器來放大。因此，與放大器相聯繫的維護問題大大減輕了。因為所有射頻(RF)信號被其餘的放大器放大，所以沒有必要緊急替代或修理一個出故障的放大器。
被分布的射頻(RF)信號被放大後，原來接收到的射頻(RF)信號由傅立葉逆變換矩陣138來重組。傅立葉逆變換矩陣利用以2為基的時間抽選(DIT)四級算法將16個放大器的輸出轉換為接收到的射頻(RF)信號的放大了的複製品。這種以2為基的時間抽選算法的實施被上文提及的Kraniauskas的文章中的31頁到32頁和15至19頁的插圖所描述，具體細節參考原文。圖3所示及如上所述的90度混合式分配器146被用於以2為基的時間抽選算法中，另外，如圖5所示的時間抽選算法蝶形被用來實施傅立葉逆變換矩陣。時間抽選(DIT)蝶形146基本上是頻率抽選(DIF)蝶形145(見圖4)的逆。每一級組合相應的半長序列，開始於最終的抽選級，朝著輸入級倒推自變量。如上所述，最後的輸出是接收到的射頻(RF)信號的放大了的複製品。此後，傅立葉逆變換矩陣的輸出被傳送到射頻(RF)信號處理部分125(見圖1)。
如上面討論的那樣，傅立葉變換矩陣中的每一個分配器145相對於分配器的輸入引入了一個90°的相位偏移來產生分配器輸入的兩個半長序列。類似地，在傅立葉逆變換矩陣中，每一個分配器將兩個半長序列組合為一個原始的原有序列。或者在傅立葉變換矩陣的輸出的放大過程中，或者在信號線136，137上的放大器135的輸入和輸出的傳輸過程中，如果不同的相位偏移被引入到信號中，那麼在傅立葉逆變換矩陣中信號可能被不適當地被重建。因此，信號線136，137和放大器135互相之間的相位平衡關係是重要的，這樣才能在傅立葉變換矩陣和傅立葉逆變換矩陣的放大和傳輸過程中保證每個信號具有相同的相位偏移。相位平衡可以通過控制信號線136，137的長度及調整由放大器135引入的相位偏差來保證。
儘管本發明的上述實施項由以2為基的四級快速傅立葉變換(FFT)來說明，技術上的內行應懂得對於本發明的實施，在傅立葉變換矩陣133(圖1)和傅立葉逆變換矩陣138(圖2)中可以採用各種基數。對於天線及與之相聯合的放大器的一個給定的數目N，這裡N是m的冪，即N＝mr，那麼傅立葉變換矩陣採用以m為基的頻率抽選(DIF)r級算法，同時傅立葉逆變換矩陣採用以m為基的時間抽選(DIT)r級算法。在上面的例子中，N等於16，m等於2，因此有4級，即r＝4。然而，如果一個以4為基的頻率抽選算法被採用，就僅需要2級。正如技術上的內行所知道的那樣，根據系統中放大器的數目，其它的基數和與之相關的級數可以被採用以滿足實施的需要。以3為基和以4為基的例子在上述Kraniauskas的文章中被提供，具體細節參見原文。
這裡，功率復用系統被描述為應用在陸基移動無線通信系統中。然而，本發明的原理可以被應用到多個信號被多個放大器放大而產生一給定輸出(如天線或接收機)的系統中。
技術上的內行應懂得術語「傅立葉」(″Fourier″)和「快速傅立葉」(″Fast-Fourier″)在整個上面的描述中是可互相替換的。本發明的工作原理等效地適用於採用上述任一類型變換矩陣的功率復用系統。技術上的內行還應懂得如果所需要的功率復用和相位偏移可以實現，可以採用其它類型的矩陣實現。例如，期望本發明能夠用Butler變換矩陣來實施。
儘管本發明已被用相應的樣板實施例來描述和圖解說明，技術上的內行應該懂得，在不脫離本發明的主旨和範圍的情況下，可以處處進行上述及各種其它的省略和補充。
權利要求
1.用於放大多個輸入信號的功率復用系統，包括多個放大裝置；對於所說的多個輸入信號來用於提供變換後的信號的變換矩陣裝置，每一個所說的變換後的信號包含了多個輸入信號中的每一個的一部分，每一個所說的變換後的信號被提供給一個用於提供放大了的變換後的信號的相應的放大裝置；並且相應於所說的放大了的變換後的信號，用於提供放大了的輸入信號的逆變換矩陣裝置，所說的放大了的輸入信號中的每一個與所說的多個所說的輸入信號中的一個相對應。
2.根據權利要求1的功率復用系統，特徵在於變換矩陣裝置是一個傅立葉變換矩陣，並且所說的逆變換矩陣裝置是一個傅立葉逆變換矩陣。
3.根據權利要求2的功率復用系統，特徵在於功率復用系統由N個所說的放大裝置組成，這裡N是m的r次冪，由下面關係式給出N＝mr所說的傅立葉變換矩陣用以m為基數的r級頻率抽選算法來實現，同時，所說的傅立葉逆變換矩陣用以m為基數的r級時間抽選算法來實現。
4.根據權利要求1的功率復用系統，特徵在於該功率復用系統由N個所說的放大裝置組成，這裡N是m的r次冪，由下面關係式給出N＝mr所說的變換矩陣裝置是一個以m為基數的r級頻率抽選算法，同時，所說的逆變換矩陣裝置是一個以m為基數的r級時間抽選算法。
5.根據權利要求4的功率復用系統，進一步地是由多個用於接收無線通信信號的接收天線所組成，用於提供所說的無線通信信號來作為輸入信號。
6.根據權利要求5的功率復用系統，特徵在於所說的變換了的信號中的每一個包含了每個無線通信信號的一部分，即每個無線通信信號的1/N。
7.根據權利要求1的功率復用系統，特徵在於每一個所說的放大裝置是互相之間相位平衡的，使得所說的放大了的變換信號在被所說的放大裝置放大時具有一致的相位偏移。
8.根據權利要求1的功率復用系統，特徵在於所說的變換矩陣裝置是一種快速傅立葉變換裝置，並且所說的逆變換矩陣裝置是一種快速傅立葉逆變換裝置矩陣(an inverse-Fast-Fouriertransform matrix)。
9.根據權利要求2的功率復用系統，特徵在於功率復用系統由N個所說的放大裝置組成，這裡N是m的r次冪，由下面關係式給出N＝mr所說的快速傅立葉變換矩陣用以m為基數的r級頻率抽選算法來實現，同時，所說的快速傅立葉逆變換矩陣用以m為基數的r級時間抽選算法來實現。
全文摘要
一個陸基移動無線通信系統，包括用於接收從移動單元發射的射頻(RF)信號的多個接收天線。每個接收天線與一個變換矩陣相連，變換矩陣將每個接收到的射頻信號分解為N個變換後的信號，每個變換後的信號包含每一接收到的射頻信號的一份均等的功率電平1/N。每一變換後的信號被傳送到放大器放大，放大了的變換後信號被傳送到逆變換矩陣，逆變換矩陣將每一放大了的變換信號重新組合為放大了的接收到的射頻信號，再傳送到射頻信號處理部分。
文檔編號H04B7/06GK1140965SQ9610084
公開日1997年1月22日 申請日期1996年1月9日 優先權日1995年7月19日
發明者希爾頓·肯特·邁雷迪斯 申請人:射頻系統公司