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Arbeitspunktoptimierung von Sendeleistungsverstärkern in Mobilstationen - Dokument DE10131654A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10131654A1 16.01.2003
Titel Arbeitspunktoptimierung von Sendeleistungsverstärkern in Mobilstationen
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Wenzel, Dietmar, 81549 München, DE;
Weber, Stephan, 81739 München, DE
Vertreter Patentanwälte Dr. Graf Lambsdorff & Dr. Lange, 81673 München
DE-Anmeldedatum 29.06.2001
DE-Aktenzeichen 10131654
Offenlegungstag 16.01.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.01.2003
IPC-Hauptklasse H03F 3/24
IPC-Nebenklasse H04B 1/02   H04B 7/005   H03F 1/02   
Zusammenfassung Bei der Erfindung wird eine zusätzliche Steuerspannung eingesetzt, deren Höhe ein Maß für die während des aktuellen Zeitschlitzes maximal benötigte Verstärkung ist und die bereits vor Beginn des aktiven Zeitschlitzes dem Sendeleistungsverstärker (60) zur Verfügung gestellt wird, um somit eine individuelle Arbeitspunkteinstellung mit dem Ziel einer Reduzierung des Leistungsverbrauches zu ermöglichen.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Arbeitspunktoptimierung von Sendeleistungsverstärkern in Mobilstationen nach dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.

Innerhalb von Sendeeinrichtungen in Mobilstationen (MS) werden Sendeleistungsverstärker (PA, Power Amplifier) eingesetzt, welche das durch die Übertragungsdaten modulierte Sendesignal verstärken, bevor es der Antenne zugeführt wird. Die dafür notwendige Energie wird der in der MS enthaltenen Batterie entnommen. Die erforderliche effektive Sendeleistung richtet sich nach mehreren Parametern, z. B. Entfernung der MS zur Basisstation, der Funkkanaldämpfung, dem Rauschen des Funkkanals, den spektralen Eigenschaften des Funkkanals, dem Übertragungsverfahren, usw. Um Energie zu sparen und damit eine möglichst lange Batterienutzungsdauer zu erreichen, wird die Sendeleistung entsprechend einem oder mehreren dieser Parameter angepasst.

In Mobilfunksystemen, die auf dem Zeitmultiplexverfahren (TDM, Time Division Multiplex) beruhen, wird die Sendeleistung im allgemeinen für jeden Zeitschlitz gesondert festgelegt und ist für die Dauer des Zeitschlitzes konstant. Die Sendeleistung ist in der Regel in Stufen wählbar, wobei eine maximale Sendeleistung nicht überschritten werden darf. Zwischen den aktiven Zeitschlitzen wird der Sendeleistungsverstärker abgeschaltet.

Vor Beginn eines aktiven Zeitschlitzes wird der Sendeleistungsverstärker eingeschaltet und durch ein in der MS erzeugtes Steuersignal v(t) wird die Verstärkung vom Minimum auf den gewünschten Wert sanft hochgefahren, in der Weise, dass keine, die Nachbarkanäle störenden, Störspektren auftreten. Der Verlauf dieser Verstärkungs- bzw. Leistungsrampe wird durch ein Leistungsrampen-Steuergerät bestimmt. Während der aktiven Phase des Zeitschlitzes wird die Verstärkung näherungsweise konstant gehalten und am Ende wieder heruntergefahren.

Damit der Sendeleistungsverstärker die jeweils geforderte Verstärkung erbringen kann, muss sein Arbeitspunkt (AP) entsprechend gewählt werden. Da zu Beginn eines aktiven Zeitschlitzes aus dem genannten Steuersignal v(t) nicht ersichtlich ist, welche maximale Verstärkung vmax im aktiven Teil des Zeitschlitzes benötigt wird, muss davon ausgegangen werden, dass es auch die größte einstellbare Verstärkung v0 sein kann. Daher muss der AP von vornherein so gewählt werden, dass der Sendeleistungsverstärker die größtmögliche Verstärkung v0 erbringen kann. In den meisten Fällen wird innerhalb eines aktiven Zeitschlitzes die maximal mögliche Verstärkung v0 jedoch nicht benötigt.

Die grundsätzliche Stromaufnahme des Sendeleistungsverstärkers hängt jedoch von dem gewählten AP ab. Je höher dieser gewählt wird, desto größer ist die Stromaufnahme. Wird also bei kleinen Sendeleistungen der AP unnötig hoch gewählt, ist der Wirkungsgrad entsprechend gering und die Batterie wird unnötig belastet, was die Batterienutzungsdauer verkürzt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Arbeitspunktoptimierung von Sendeleistungsverstärkern in Mobilfunkstationen anzugeben, durch die der Wirkungsgrad der Mobilfunkstationen verbessert werden kann und gleichzeitig stets die erforderliche Sendeleistung zur Verfügung steht.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung liegt darin, daß eine zusätzliche Steuerspannung eingesetzt wird, deren Höhe ein Maß für die während des aktuellen Zeitschlitzes maximal benötigte Verstärkung vmax ist und die bereits vor Beginn des aktiven Zeitschlitzes dem Sendeleistungsverstärker zur Verfügung gestellt wird, um somit eine individuelle Arbeitspunkteinstellung mit dem Ziel einer Reduzierung des Leistungsverbrauches zu ermöglichen.

Eine allgemeine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß der Fig. 1 weist einen D/A-Umsetzer 40 auf, der eingangsseitig von einem Systemsteuergerät 10 pro Zeitschlitz mindestens einen Digitalwert 13 erhält, den er ausgangsseitig als Analogwert 41 an den Leistungsverstärker 60 ausgibt, und zwar durch das Signal zeitlich synchronisiert mit der Ablaufsteuerung.

Dieser Ausführungsform können folgende Vorteile entnommen werden.

  • a) Die Systemsteuerung 10, welche auch die Form und Höhe der Leistungsrampen festlegt und durch die Verbindung 11 an das Leistungsrampen-Steuergerät 20 übermittelt, kennt somit auch die in einem Zeitschlitz benötigte maximale Verstärkung vmax und kann daher auch den Digitalwert 13 ermitteln, den sie an den D/A-Umsetzer 40 liefert.
  • b) Der Arbeitspunkt kann vor Beginn des Zeitschlitzes eingestellt werden.
  • c) Der genaue Zeitpunkt, wann ein neuer Analogwert 41 ausgegeben werden soll, lässt sich durch die Verknüpfung 33 mit der Ablaufsteuerung 30 exakt mit der Leistungsrampe und dem Zeitschlitz synchronisieren.
  • d) Die Anordnung lässt sich vollständig in den Baustein, mit dem gesteuert wird, integrieren.

Ferner sind folgende weitere Besonderheiten ersichtlich:

  • a) Da die Verstärkung weiterhin allein durch das Signal v(t) bestimmt wird, ist das System auch kompatibel mit Leistungsverstärkern, die über keine Möglichkeit verfügen, den Arbeitspunkt individuell einstellen zu können.
  • b) Der D/A-Umsetzer kann in den Zeitspannen zwischen aktiven Zeitschlitzen zur Stromersparnis abgeschaltet werden, wie dies im allgemeinen auch beim Leistungsrampen-Steuergerät und dem Leistungsverstärker der Fall ist.

Bei der Erfindung kann somit eine zeitschlitzspezifische Arbeitspunktoptimierung vorgenommen werden. Der Arbeitspunkt des Sendeleistungsverstärkers der Mobilfunkstation kann für jeden Zeitschlitz entsprechend der in diesem Zeitschlitz erforderlichen Sendeleistung bzw. der erforderlichen Verstärkung des Sendeleistungsverstärkers eingestellt werden. Somit braucht der Arbeitspunkt des Sendeleistungsverstärkers für jeden Zeitschlitz nicht höher als für die in diesem Zeitschlitz maximal erforderliche Verstärkung vmax eingestellt zu werden.

Es ist erfindungsgemäß möglich, den Arbeitspunkt des Sendeleistungsverstärkers bereits vor dem Beginn der Leistungsrampe einzustellen. Ferner kann der zeitliche Verlauf und die Höhe der Verstärkung ausschließlich durch das Steuersignal v(t) festgelegt sein. Zur Realisierung der Erfindung wird maximal nur ein zusätzlicher Signalausgang benötigt.

Die erfindungsgemäße Arbeitspunktoptimierung ist insbesondere für Mobilstationen, welche die Standards GSM, EDGE oder TIA/EIA-136 (IS-136) unterstützen, geeignet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand des bereits skizzierten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Arbeitspunktoptimierung;

Fig. 2 ein Zeitdiagramm für die Signale v(t) und a(t) für eine Sequenz unterschiedlicher Zeitschlitze;

Fig. 3 ein beispielhaftes Diagramm für die Einstellung der Arbeitspunkte.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung, die alle erforderlichen Elemente für die allgemeinste Form der Erfindung und zusätzliche weitere spezielle Ausgestaltungen enthält sowie zusätzliche Blöcke zeigt, die für das Systemverständnis vorteilhaft sind.

Die Vorrichtung in Fig. 1 enthält zunächst ein Systemsteuergerät 10, das Daten für die Leistungsrampen 11 an das Leistungsrampen-Steuergerät 20 und Synchronisationsinformation 12 an die Ablaufsteuerung 30 übermittelt. Das Leistungsrampen-Steuergerät 20 gibt seinerseits die Leistungsrampe mit Hilfe des D/A-Umsetzers als analoges Signal v(t) 21 zu den von der Ablaufsteuerung 30 durch die Synchronisationsinformation 31 festgelegten Zeitpunkten aus. Das Signal v(t) 21 wird dem Leitungsverstärker 60 zugeführt und bestimmt dessen Verstärkung und somit den Leistungspegel des Sendesignals x(t) 61.

Der Modulator 50 formt aus den Daten 52 durch die Synchronisationsinformation 32 zeitlich synchronisiert mit der Leistungsrampe das modulierte Signal s(t) 51, welches vom Leistungsverstärker 60 verstärkt und als Sendesignal x(t) 61 ausgegeben wird.

Als erfindungsgemäße Erweiterung enthält die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung einen D/A-Umsetzer 40, der eingangsseitig digitale Werte 13 von der Systemsteuerung 10 erhält, die er ausgangsseitig als analoges Signal bzw. Spannung a(t) 41 ausgibt, nachdem er über die Synchronisationsleitung 33, z. B. durch einen Impuls, von der Ablaufsteuerung 30 dazu aufgefordert wurde. Das Signal a(t) korrespondiert dabei mit der im zugehörigen Zeitschlitz maximal benötigten Verstärkung vmax und bleibt solange unverändert, bis eingangsseitig ein neuer Digitalwert anliegt und ein Impuls von der Ablaufsteuerung gesendet wurde. Ist der D/A-Umsetzer abgeschaltet, wird der Wert a(t) = 0 V ausgegeben.

Das Signal a(t) 41 wird dem Leistungsverstärker 60 zugeführt und wird dort als Parameter für die Arbeitspunkteinstellung und/oder anderer Verstärkerparameter verwendet.

Fig. 2 zeigt beispielhaft den vereinfachten zeitlichen Verlauf der Signale v(t) und a(t) für eine Sequenz unterschiedlicher Zeitschlitze. Das Signal a(t) wird vor Beginn der Leistungsrampe ausgegeben, um den Leistungsverstärker in den entsprechenden Arbeitspunkt zu bringen. Bei aufeinanderfolgenden aktiven Zeitschlitzen, wird der Arbeitspunkt während der Übergangsphase umgeschaltet.

Die Zeitpunkte t1-t4 kennzeichnen folgende Phasen:

t1 Beginn der Leistungsrampe, die Verstärkung auf vmax,1 hoch- und herunterfährt

t2 Beginn der Leistungsrampe, die Verstärkung auf vmax,2 hochfährt

t3 Beginn der Leistungsrampe, die Verstärkung von vmax,2 auf Vmax,3 herunterfährt

t4 Ende der Sendesequenz.

Fig. 3 zeigt beispielhaft die Einstellung der Arbeitspunkte des Leistungsverstärkers 60 sowie die Aussteuerbereiche des Sendesignals für die in Fig. 2 dargestellten Betriebszustände. <s> ist dabei die maximale Amplitude des modulierten Signals s(t) 51.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Arbeitspunktoptimierung von Sendeleistungsverstärkern (60) in Mobilstationen,

    dadurch gekennzeichnet, dass

    der Arbeitspunkt des Sendeleistungsverstärkers (60) durch ein Steuersignal an die innerhalb einer bestimmten Zeitspanne benötigte maximale Leistungsverstärkung angepasst wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal ein analoges Signal, insbesondere eine Steuerspannung ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal ein digitales Signal ist, das eine stufenweise Umschaltung des Arbeitspunktes erlaubt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal zur Arbeitspunkteinstellung in dem Baustein erzeugt wird, der das Leistungsrampen-Steuergerät (20) und/oder den zugehörigen D/A-Umsetzer enthält.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein für die Arbeitspunkteinstellung erforderlicher D/A-Umsetzer im Leistungsverstärker (60) integriert ist.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal gleichzeitig zum Ein- und Ausschalten des Sendeleistungsverstärkers (60) verwendet wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsverstärkung unabhängig vom Steuersignal zur Arbeitspunkteinstellung gewählt und/oder eingestellt werden kann.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal zur Arbeitspunkteinstellung einen definierten, insbesondere einstellbaren zeitlichen Bezug zum Leistungsrampen-Steuersignal hat.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Steuerung der Arbeitspunkteinstellung und die zeitliche Steuerung der Leistungsrampe durch eine gemeinsame Ablaufsteuerung erfolgt.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der D/A-Umsetzer (40) für das Steuersignal während inaktiven Zeitschlitzen abgeschaltet wird.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es in Mobilstationen eingesetzt wird, die insbesondere die Standards GSM, EDGE, TIA-/EIA-136 sowie UMTS oder Teilkombinationen hiervon unterstützen.
  12. 12. Vorrichtung zur Arbeitspunktoptimierung von Sendeleistungsverstärkern (60) in Mobilstationen, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitspunkt des Sendeleistungsverstärkers (60) durch ein Steuersignal an die innerhalb einer bestimmten Zeitspanne benötigte maximale Leistungsverstärkung anpassbar ist.
  13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal ein analoges Signal, insbesondere eine Steuerspannung ist.
  14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal ein digitales Signal ist, das eine stufenweise Umschaltung des Arbeitspunktes erlaubt.
  15. 15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal zur Arbeitspunkteinstellung in dem Baustein erzeugbar ist, der das Leistungsrampen-Steuergerät (20) und/oder den zugehörigen D/A-Umsetzer enthält.
  16. 16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein für die Arbeitspunkteinstellung erforderlicher D/A-Umsetzer im Leistungsverstärker (60) integriert ist.
  17. 17. Vorrichtung Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal gleichzeitig zum Ein- und Ausschalten des Sendeleistungsverstärkers (60) verwendbar ist.
  18. 18. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsverstärkung unabhängig vom Steuersignal zur Arbeitspunkteinstellung gewählt und/oder einstellbar ist.
  19. 19. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal zur Arbeitspunkteinstellung einen definierten, insbesondere einstellbaren zeitlichen Bezug zum Leistungsrampen-Steuersignal hat.
  20. 20. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Steuerung der Arbeitspunkteinstellung und die zeitliche Steuerung der Leistungsrampe durch eine gemeinsame Ablaufsteuerung erfolgt.
  21. 21. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der D/A-Umsetzer (40) für das Steuersignal während inaktiven Zeitschlitzen abschaltbar ist.
  22. 22. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie in Mobilstationen einsetzbar ist, die insbesondere die Standards GSM, EDGE, TIA-/EIA-136 sowie UMTS oder Teilkombinationen hiervon unterstützen.






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