CN1244969A - 在混合矩阵放大器中配置数字变换器的方法和*** - Google Patents

Abstract

在混合矩阵放大器阵列(100)中,用变换系数矩阵来初始化可配置的数字变换矩阵(116)。在可配置的数字变换矩阵(116)的输入处接收多个数字输入信号(M₁－M₄)。使用变换系数矩阵来变换此多个数字输入信号以产生多个变换的数字信号(A₁－A₄)。将多个变换的数字信号转换为多个变换的模拟信号(206)以产生多个变换的模拟信号。将变换的模拟信号放大(104,208)以产生放大的变换的信号。最后,将放大的变换的信号逆变换(102,210)以产生对应于各个数字输入信号(M₁－M₄)的输出信号。当在放大器阵列(104,126)中检测到失效时,控制器(128)从存储器(130)中恢复矩阵变换系数,写和重新配置数字变换矩阵(116)以减小放大器的失效在混合矩阵放大器输出(132)处的影响。

Description

在混合矩阵放大器中配置数字变换器的方法和***

本发明一般涉及信号放大，特别涉及在混合矩阵放大器阵列中具有可配置的数字变换器的改进的方法和***

混合矩阵放大器是一组并联的放大器，每个放大器具有与由混合耦合器构成的多口矩阵结合的输入和输出。图1画出混合矩阵放大器20的一般结构。以图示的方式连接的混合矩阵22和24产生信息路径-从I_n至O_n-其在输入口I_n和输出口O_n是分开的。在混合矩阵22和24之间采用放大器阵列26来放大信号。在矩阵之间的信号其幅度是均匀分布的，并且根据信号所进入的不同输入口I_n，具有特定的相位关系。当把放大器阵列26安排在矩阵22和24之间时，放大器阵列26中的所有放大器共同放大I₁-O₁路径上的信号以及所有其他n-1条路径上的信号。

许多变换矩阵的基本配置方框是90°的混合或3dB耦合器，如图2中画出的耦合器30所示。耦合器30有4个口子：2个输入口，A和B和2个输出口，Y₁和Y₂。标准的耦合器30为线性的及互易的。由于耦合器30的互易性，可以内部改变输入口A和B与输出口Y₁和Y₂。耦合器在其口上有给定特性的带宽和特性阻抗。

工作时，若在耦合器30的输入A处接收到信号A，将信号的功率或能量分为两个相等的分量，其一个分量进入输出口Y₁而另一个进入输出口Y₂。从输出口Y₂传送的功率的信号相位落后于从输出口Y₁传送的功率的信号相位90°，或工作波长的四分之一。类似地，若在输入口B接收信号B的功率，信号的功率分成两个相等的分量，功率的一半进入输出口Y₁而另一半进入输出口Y₂。从输出口Y₁传送的信号B功率的信号相位落后于从输出口Y₂传送的功率的信号相位90°，或工作波长的四分之一。

因此，若将信号A加到输入口A，而将信号B加到输入口B，用下面等式表示在输出口Y₁和Y₂的信号。

$\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cc}-j& -1\\ -1& -j\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}A\\ B\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{Y}_1\\ Y_2\end{array}\right]$ j is 1∠90°＝sqrt(-1)

如上等式所示，如果信号功率同时加到输入口A和B上，由于耦合器是线性的，信号产生叠加。

简言之，将输入口接收的任一功率分成在耦合器的输出口之间相等的部分，输出口传送的信号具有特定的相位关系。

在现有技术中，通常用屏蔽(双接地面(doule ground plane))微波带状线(stripline)或微波传输带来构成耦合器30。图3中用图表示微波带状线耦合技术，且在这里作为参考的Gerst等人(1973)的美国专利No.3,731,217中说明。

参考图4，图示说明一个4×4的富立叶变换矩阵。富立叶变换矩阵40有4个输入和4个输出，如图示用4个3dB耦合器30连接。

图5画出一个不同的4×4变换矩阵，如已知的巴特勒型变换矩阵。巴特勒变换矩阵50本质上是带附加移相器52和54的富立叶变换矩阵40。若移相器52及54是45°移相器，把巴特勒变换矩阵50叫作45°巴特勒变换矩阵。

混合矩阵放大器20的问题包括两个变换矩阵的高成本，可靠性低且制造成本高的多个无线频率连接，两个变换矩阵需要的空间以及两个变换矩阵附加的重量。

因此，需要在混合矩阵放大器中降低变换矩阵的成本，减少无线频率连接的数目，减少变换矩阵所要求的空间及重量的方法和***。

后附的权利要求书叙述了发明的特性的新颖的特征。但是，当结合下面的附图时，参考下面对图示实施方式的详细说明，能更好地理解发明本身，以及优选使用模式，进一步的目标及其优点，其中：

图1是现有技术的混合矩阵放大器的高级描述；

图2是在变换矩阵中使用的现有技术的耦合器的图形表示；

图3是图2的现有技术的耦合器的高级图形表示；

图4是现有技术的富立叶变换矩阵的高级图形表示；

图5是现有技术的巴特勒变换矩阵的高级方框图；

图6是根据本发明的方法和***的具有可配置的数字变换矩阵的混合矩阵放大器的方框图；

图7是根据本发明的方法和***的图6所示的无线频率数字调制器的高级图形表示；

图8是根据本发明的方法和***的图6所示的复数放大器的高级图形表示；

图9是说明本发明的方法和***工作的高级逻辑流程图。

参考附图，特别参考图6，说明根据本发明的方法和***的具有可配置的数字变换矩阵和RF调制器的混合矩阵放大器的方框图。如图示，混合矩阵放大器100包括具有连到放大器矩阵104的输出的输入的变换矩阵102。因为变换矩阵102连到输出放大的变换的信号的放大器阵列104上，变换矩阵102完成逆变换功能，将放大的变换的信号的分量分离成对应于混合矩阵放大器的一个输入的离散的输出。

图6所示的实施方式中，变换矩阵102是一个有4个输入和4个输出的4×4变换矩阵。但是，根据设计要求，变换矩阵102可为比2×2矩阵大的任何大小的矩阵。因此，变换矩阵102可为m×n变换矩阵。

可以用不同类型的矩阵来实现变换矩阵102。例如，可以用富立叶变换矩阵或巴特勒变换矩阵的任一种来实现变换矩阵102。此外，能采用可以以预定的相位关系从一输入向多个输出提供信号功率的其他变换矩阵。作为一个例子，可以用纽约13057东Syracuse的Anaren微波公司出售的部件号为“580014”的变换矩阵来实现变换矩阵102。

放大器阵列104中的放大器接收低电平无线频率信号，放大此信号以产生实际上与输入信号匹配的高电平输出信号。可以用伊利诺斯州60196萨姆堡摩托罗拉公司出售的部件号为“MHW 927B”的放大器来实现放大器阵列104。为了最好地实现，放大器阵列104中的放大器在增益和相位迟延两方面必须是匹配的。

放大器阵列104的输入连到无线频率(RF)调制器106的输出上。由RF调制器106产生的无线频率的调制的信号包括根据如在题为宽带扩频峰窝***标准EIA/TIA/IS-95规范中说明的码分多址(CDMA)调制方案调制的信号。这种调制的无线频率信号也可为相移键控(PSK)或幅度相位键控的形式，如正交幅度调制(QAM)。也可使用根据其他空间接口标准的调制。其他空间接口的例子包括根据EIA-555标准的先进的移动电话业务(AMPS)，根据IS-54的时分多址(TDMA)，根据IS-89的窄带AMPS(NAMPS)，和在全球移动通信***(GSM)中使用的空间接口。

参考图7，说明根据本发明的方法和***的图6所示无线频率的数字调制器的较详细的高级的图解表示。如图示，在I和Q输入处接收复数数字信号。然后由带通滤波器108对这些输入信号滤波。

滤波器108平滑数字信号的边缘以减小快速信号跳变，这种快速信号跳变会引起无线频率辐射到所分配的带宽外面。

滤波后，数字至模拟(D/A)变换器110将数字信号变换为模拟信号。由D/A变换器110来的模拟信号在调制器112中与正弦信号相混。接下来，信号的I和Q部分在相加器114中组合起来，以产生由数字的I和Q信号调制的无线频率输出信号。

再参考图6，RF调制器106从I和Q比特信道接收数据，这些数据是由数字变换矩阵116输出的，以符号A₁-A₄表示。在数字变换矩阵116的输入处，以I和Q形式接收消息信号M₁-M₄。

在图6示的例子中，数字变换矩阵116为4×4变换矩阵，它有4个复数数字输入和4个复数数字输出。在数字变换矩阵116的输入处接收的信号被算术相乘，多路复用并重组合来数字地仿效变换矩阵功能，如图1中的变换矩阵22完成的变换矩阵功能。但是，根据本发明的重要方面，用组合逻辑在基带频率对数字信号完成变换矩阵功能，而不用微波带状线耦合器提供的电磁技术在无线频率对模拟信号来完成此功能。

如图6图示的，数字变换矩阵116包括用于存储变换参量或矩阵变换系数的寄存器118。在复数乘法器120中用这些矩阵变换系数来乘消息输入信号M₁-M₄。将每个复数乘法器120的输出送到加法器122的输入。将加法器122的输出以I和Q的形式送到RF调制器106去。这样，如图6所示的，将每个输入信号的加权的部分在每个输出口组合起来以提供复数输出信号，表示在幅度和相位两方面已经调整或修正了的每个输入信号部分。

算术上，由下面等式表示数字变换矩阵116的功能： $\left[\begin{array}{c}{A}_1\\ A_2\\ A_3\\ A_4\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{B}_{11}& B_{12}& B_{13}& B_{14}\\ B_{21}& B_{22}& B_{23}& B_{24}\\ B_{31}& B_{32}& B_{33}& B_{34}\\ B_{41}& B_{42}& B_{43}& B_{44}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{M}_1\\ M_2\\ M_3\\ M_4\end{array}\right]$ 其中矩阵中的每个单元是一复常数，M表示复数消息输入矢量，B表示复数变换矩阵系数，而A表示数字变换矩阵116的复数输出矢量。

在数字变换矩阵116中，画出4个复数乘法器电路。下面参考图8详细说明这些乘法器电路。

画在图6中的还有状态探测设备126，控制器128和存储器130。状态探测设备126连到混合矩阵放大器100的各种部件上，如混合矩阵放大器输出132，放大器阵列104，和RF调制器106。状态探测设备126探测混合矩阵放大器100的状况或状态并产生表示混合矩阵放大器状态的信号。混合矩阵放大器的状态可包括降级状态，其中例如放大器阵列104中一个或多个放大器失效。在混合矩阵放大器输出132或在RF调制器106处探测状况能检测其他失效状态。

状态探测设备126也能响应用户输入，用户输入的形式可以是用配置开关或由其他数据处理***来的输入。可以用这种用户输入来指示应重配置混合矩阵放大器100以工作于另一种模式。另一种模式可包括，例如，在基站站点操作不同数目的扇区的模式。

状态探测设备126提供一个要送到控制器128的信号。响应接收状态信号，控制器128从存储器130中调取矩阵变换系数，并将此矩阵变换系数传送或写至数字变换矩阵116中的寄存器118中，来重配置数字变换矩阵116。用另一组矩阵变换系数来重加载寄存器118的方法可改变数字变换矩阵116的算术功能，以提供附加的特征或补偿放大器阵列104中例如一个放大器的失效。

参考图8，描述在数字变换矩阵116中使用的复数乘法器。如图示，数字消息信号M₁至M₄的I及Q分量输入至乘法器电路，如乘法器120。乘法器120完成下面等式描写的操作：

M·B＝(M_IB_I-M_QB_Q)+j(M_IB_Q-M_QB_I)此为复数乘法运算。

每个用数字120标明的方块代表这种乘法电路。将4个这种乘法电路的输出在加法器122相加起来，以产生输出A_1I和A_1Q。用下面等式描述信号A_1I：

A_1I＝M_1IB_11I-M_1QB_11Q

     +M_2IB_12I-M_2QB_12Q

     +M_3IB_13I-M_3QB_13Q

     +M_4IB_14I-M_4QB_14Q用下面等式描述信号A_1Q：

A_1Q＝M_1IB_11Q-M_1QB_11I

     +M_2IB_12Q-M_2QB_12I

     +M_3IB_13Q-M_3QB_13I

     +M_4IB_14Q-M_4QB_14I

为完成数字变换矩阵116的功能，对于4×4的变换矩阵需要4个复数乘法电路124。其他复数乘法电路138，140和142分别产生复数信号A₂，A₃和A₄。然后将每个信号A_x接到放大器阵列104中的一个放大器上。可以用具有用来接收矩阵变换系数的寄存器的专用集成电路(ASIC)来实现数字变换矩阵116。

参考图9，描述说明本发明的方法和***的高级逻辑流程图。如图示，程序从方框200开始，然后至方框202，用工作于正常模式的全套矩阵变换系数来加载数字变换矩阵的寄存器的方法来初始化数字变换矩阵。如图6所示，可由控制器128从存储器130调取这些矩阵变换系数并写入寄存器118中。下面矩阵1中表示了用于正常工作的变换系数矩阵。正常工作意味着从输入M₁至M₄到混合矩阵放大器输出132的所有的信号路径都在工作状态。例如，在某些实施方式中，还对放大器阵列104进行检测以确定是否所有的放大器工作正常。 $\left[\begin{array}{cccc}-.5& 0+j.5& .3535534+j.353554& .3535534+j.353554\\ 0+j.5& .5& .3535534+j.353554& .3535534+j.353554\\ .3535534+j.353554& .3535534+j.353554& .5& 0+j.5\\ .3535534+j.353554& .3535534+j.353554& 0+j.5& -.5\end{array}\right]$

矩阵1

因此，本发明同时沿两条分离的路径工作：一条路径说明变换，放大以及逆变换信号处理环路，而另一条路径说明监测混合矩阵放大器的正常状态，及响应错误状况，重新配置数字变换矩阵的变换工作以补偿失效的状态的环路。

如方框204图示的，用数字变换矩阵116变换如M₁至M₄的数字输入信号，以产生如信号A₁至A₄的变换的信号。然后，如方框206图示的，调制变换的信号A₁至A₄以产生无线频率的变换的信号。

调制变换的信号之后，如方框208描述的，放大无线频率的变换的信号。可使用象放大器阵列104那样的放大器阵列来放大无线频率的变换的信号。

最后如方框210图示的对放大的无线频率的变换的信号实行逆变换，以产生对应于数字输入信号M₁至M₄中一个的分离的输出信号。

如上指出的，方框204至210说明信号在混合矩阵放大器内放大。与此工作并行的，如方框212描述的，程序确定混合矩阵放大器的状态。混合矩阵放大器的状态，例如，可包括降级，其中在放大器阵列104中的一个或多个放大器失效3。混合矩阵放大器的状态也可另外包括用户要求放大器工作于不同的模式，如支持6扇区小区而不是3扇区小区的模式。

接下去在画出的例子中，如方框214图示的，程序确定在放大器阵列中是否有效大器失效。应该认识到也可用方框214来检测混合矩阵放大器的状态，除了用来检测放大器阵列中一放大器失效的降级状态外。如果程序确定放大器没有失效，程序反复回到方框212以继续监视混合矩阵放大器的状态。

但是，若程序检测到一个失效的放大器，则如方框216描述的，程序就标识此特定的失效的放大器。如方框218图示的，响应已识别出一个特定的放大器失效，程序选择变换系数的替代矩阵。下面的矩阵2表示若放大器阵列中第一个放大器失效时使用的替代矩阵。矩阵3表示若放大器阵列104中第二个放大器失效时加载到数字变换矩阵116中的变换系数的替代矩阵。矩阵4表示若放大器阵列104中第三个放大器失效时使用的变换系数数矩阵。最后，矩阵5表示若放大器阵列104中的第4个放大器失效用它来重配置数字矩阵变换矩阵116的变换系数替代矩阵。选择每个替代矩阵以加大混合矩阵放大器132由于特定的放大器失效的信号隔离。 $\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ 2.966125E-02+j.6833946& .6603469-j.1784609& -.1278111+j.1295191& 0\\ .1495217+j.4776695& 1.984147E-03+j.5005064& .684023-j4.460727E-03& 0\\ .1075738-j.4887961& .2504059+j.4333635& 4.462317E-03+j.68402170& 0\end{array}\right]$ 矩阵2 $\left[\begin{array}{cccc}-.6834287-j2.883536E-02& 1.380069E-02+j.6838975& .1341593+j.1229523& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ .4778536+j.1490349& -.4807528+j.1383495& .6833617-j3.011619E-02& 0\\ .4886708-j.1080837& .4864195+j.1189444& .0301195+j.6833808& 0\end{array}\right]$ 矩阵3 $\left[\begin{array}{cccc}-.476566+j.1528133& -.2426451+j.4376298& .5083497+j.4578379& 0\\ -.3376994+j.3694676& .4282318-j.2593597& -.4577393+j.5082725& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ .575801-j.3692665& .4929148+j.4743422& 9.50376E-03+j.1817075& 0\end{array}\right]$ 矩阵4 $\left[\begin{array}{cccc}-.4818861-j.1348983& .2738014+j.4191281& .5089527+j.4570488& 0\\ .3512893+j.3566404& .4456675+j.2276047& -.4570306+j.5089419& 0\\ .5891334+j.3476041& -.4572723+j.5087439& .1817044-j9.747811E-03& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]$ 短阵5

用迭代程序计算了示于矩阵2-5的矩阵变换系数，其中将M₁置为1的数据流而将M₂至M₄置为0。调节寄存器118中矩阵变换系数直至在混合矩阵放大器132中对应于消息M₁的功率接近1，假设放大器阵列的增益为归一化为1的增益，而对应于M₂至M₄的输出132减小至0。这样设置后，就确定了初始的一组矩阵变换系数。

将消息M₂设置为1而其他所有的输入设置为0，然后用同样一组矩阵变换系数来量测输出132。类似地，将消息M₃设置1而将其他所有的输入设置为0以及将消息M₄设置为1而将其他所有的输入设置为0并在每次量测输出。这样，在循环消息输入M₂至M₄一圈后就得到四组输出量测。然后将这四组输出量测组合起来以产生一个生成有效的变换系数的得分。

此后，变化每个单独的变换系数并确定新得分并与先前的得分相比较。若得分改善了就继续迭代以调节第一个变换系数直至找到最小的得分。接下去调节第二个矩阵变换系数，以进一步降低得分。调节完所有的变换系数之后，为进一步降低混合矩阵放大器输出132的得分，然后程序返回至第一个矩阵变换系数作进一步调节，力图再一次降低混合矩阵放大器输出的得分。程序一直继续到得分最小为止。

选择了替代的矩阵后，如方框220所描述的，从存储器中重新得到替代矩阵的矩阵变换系数。然后如方框222描述的，程序用从存储器中调取的变换系数矩阵来重加载数字变换矩阵中的寄存器。这就结束了响应在方框214检测到状态改变而重新配置数字变换矩阵116的程序。重新配置数字变换矩阵116以后，程序迭代返回方框212，其中程序继续监视放大器的状态。

为了图示及说明的目的提出了前文关于本发明的优选实施方式的说明。不打算穷尽或限制本发明于精确的公开的形式。按照上面的教导可能修改或变化。选择并说明实施方式以提供本发明及其实际应用的原理的最好的描述，使普通熟练的技术人员在各种实施方式以适合于所期望的特殊应用的各种修改来使用本发明。根据所附权利要求的公开，合法且等效的范围解释，所有这些修改和变化都在由后附的权利要求书确定的本发明的范围内。

Claims (16)

1.混合矩阵放大器，包括：

一个可配置的数字变换器，具有连到第一和第二数字信号的输入，其中所述可配置数字变换器可工作于多种变换模式，处理所述第一和第二数字信号以产生第一和第二变换的信号；

一个放大器阵列，具有连到所述第一及第二变换的信号的输入以及用来提供第一及第二放大的变换的信号的输出；以及

一个逆变换矩阵，具有连到所述第一及第二放大的变换的信号的输入及用于产生至少一个输出信号的输出。

2.根据权利要求1的混合矩阵放大器，其中所述可配置的数字变换器还包括用于存储变换参数的寄存器，所述多种变换模式中的每一种都使用这些参数来控制所述第一和第二变换的信号的特性。

3.根据权利要求2的混合矩阵放大器，其中所述第一和第二变换的信号的所述特性包括信号相位及信号幅度。

4.根据权利要求2的混合矩阵放大器，还包括：

状态探测设备，连到所述放大器阵列上以提供代表所述混合矩阵放大器状态的放大器状态信号；以及

一控制器，连到所述状态探测设备和所述可配置数字变换器上以响应所述放大器状态信号向所述可配置数字变换器提供重配置信号。

5.根据权利要求4的混合矩阵放大器，其中所述放大器阵列包括多个放大器，其中所述混合矩阵放大器的所述状态包括响应在所述放大器阵列中至少一个放大器失效而发生的降级状态。

6.根据权利要求4的混合矩阵放大器，还包括一个存储矩阵变换系数存储器，其中所述重配置信号包括被选择的矩阵变换系数，用来响应所述放大器状态信号，重新配置所述可配置数字变换器。

7.根据权利要求6的混合矩阵放大器，其中所述矩阵变换系数包括当所述放大器状态信号指示降级时选择来加大所述至少一个输出信号的信号隔离的矩阵变换系数。

8.在混合矩阵放大器中放大多个数字输入信号的方法，所述方法包括以下步：

用变换系数矩阵来初始化可配置的数字变换矩阵；

在所述可配置的数字变换矩阵的输入处接收多个数字输入信号；

在所述可配置的数字变换矩阵中用所述变换系数矩阵来变换所述多个数字输入信号，以产生多个变换的数字信号；

将所述多个变换的数字信号变换为多个变换的模拟信号；

用放大器阵列来放大所述多个变换的模拟信号以产生放大的变换的信号；以及

将所述放大的变换的信号逆变换以产生对应于所述多个数字输入信号的输出信号。

9.根据权利要求8的用于在混合矩阵放大器中放大多个数字输入信号的方法，其中所述可配置数字变换矩阵包括用于存储控制所述多个变换的数字信号的特性的变换参数的寄存器，其中所述用变换系数矩阵初始化可配置数字变换矩阵的步包括将变换系数矩阵加载到所述寄存器。

10.根据权利要求8的用于在混合矩阵放大器中放大多个数字输入信号的方法，其中将所述多个变换的数字信号变换为多个变换的模拟信号的步包括将所述多个变换的数字信号变换为多个变换的调制的无线频率的模拟信号。

11.根据权利要求9的用于在混合矩阵放大器中放大多个数字输入信号的方法，还包括下面的步：

检测所述放大器阵列的降级状态；及

响应检测到所述降级状态，用选择用来减小输出信号降级的变换系数矩阵来重新加载所述可配置数字变换矩阵中的所述寄存器。

12.根据权利要求11在混合矩阵放大器中放大多个数字输入信号的方法，其中所述放大器阵列的降级状态是放大器失效。

13.根据权利要求11在混合矩阵放大器中放大多个数字输入信号的方法，其中所述选择来减小输出信号降级的变换系数矩阵是选择来加大输出信号分离的变换系数矩阵。

14.根据权利要求9在混合矩阵放大器中放大多个数字输入信号的方法，其中在所述可配置数字变换矩阵中用所变换系数矩阵变换所述多个数字输入信号的所述步还包括用执行富立叶变换的变换系数矩阵变换所述多个数字输入信号。

15.根据权利要求14在混合矩阵放大器中放大多个数字输入信号的方法，其中所述的逆变换所述放大的变换的信号以产生对应于所述多个数字输入信号的步还包括完成逆富立叶变换以产生输出信号。

16.在混合矩阵放大器中放大多个数字输入信号的***，包括：

用变换系数矩阵初始化可配置数字变换矩阵的装置；

在所述可配置数字变换矩阵的输入处接收多个数字输入信号的装置；

在所述可配置数字变换矩阵中用所述变换系数矩阵来变换所述多个数字输入信号以产生多个变换的数字信号的装置；

将所述多个变换的数字信号变换为多个变换的模拟信号的装置；

用放大器阵列放大所述多个变换的模拟信号以产生放大的变换的信号的装置；以及

逆变换所述放大的变换的信号以产生对应于所述多个数字输入信号的输出信号的装置。

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