无线电发射装置及其增益控制方法\n技术领域\n本发明涉及把信号发射到自适应阵列天线的无线电发射装置，以及无线电发射装置的增益控制方法。\n图5示出自适应阵列天线发射装置。如上所述，该装置用基带调制器501对发射信号S进行乘法，然后用矢量乘法器502和503以不同的复权重系数W1和W2进行矢量乘法。由D/A(数字-模拟)变换器504至507把乘法所得的信号转换成模拟信号。正交调制器508和509对模拟信号进行正交调制，然后由带通滤波器510至513对其进行滤波。由功率放大器514和515放大经滤波的信号并从天线A和B将它们发射出去。\n相对于输入信号电平，在上述处理中用到的正交调制器508和509具有如图6所示的调制特性。该特性是这样的，当输入信号电平落在(α-Δ1)和(α+Δ2)之间时，调制精度等于或小于β(它是实际范围)，而当输入信号电平是α时，调制精度最低，即最佳状态。\n自适应阵列天线发射装置一个天线接着一个天线地发射用复权重系数W1相乘的信号。因此，当复权重系数的幅值|Wm|较小时，到正交调制器的输入变得较小；而当复权重系数的幅值|Wm|较大时，到正交调制器的输入变得较大。因此，当复权重系数的幅度|Wm|太小或太大时，到正交调制器的输入不落在从(α-Δ1)到(α+Δ2)的范围内，从而减小了发射装置的精度。\n发明内容\n因此，本发明的一个目的是提供具有高调制精度的自适应阵列发射装置。\n为了达到上述目的，本发明提供了一种无线电发射装置，它包括：矢量乘法器，用于把发射基带调制信号与用于方向性控制的复权重系数相乘；正交调制器，用于对所述矢量乘法器的输出进行正交调制；增益控制量计算器，用于根据所述复权重系数以及预先测得的所述正交调制器的调制精度特性，计算增益控制量；第一增益控制器，用于根据所述增益控制量，对所述正交调制器的输入进行增益控制；发射器，用于放大和发射所述正交调制器的输出，所述发射器包括第二增益控制器，它用所述增益控制量的倒数对所述正交调制器的输出进行增益控制。\n在本发明的无线电发射装置中，所述第一增益控制器可以对所述矢量乘法器的输出进行增益控制，可以对要输入所述矢量乘法器的所述复权重系数进行增益控制。\n在本发明的无线电发射装置中，所述发射基带调制信号可以是码分多址系统中每个代码的发射信号。对于m个天线、n个用户和复权重系数Wm,n，其中m＝1，…，M，n＝1，…，N，所述第一增益控制器可以根据所述正交调制器之输入的平均值变化的估计值，对所述正交调制器的输入进行增益控制，其中用对于N个用户的复权重系数的均方值确定所述正交调制器之输入的平均值。并且，所述第二增益控制器可以根据所述估计值的倒数，对所述正交调制器的输出进行增益控制。\n在本发明的无线电发射装置中，所述发射基带调制信号可以是码分多址系统中每个代码的发射信号。对于m个天线、n个用户、复权重系数Wm,n和发射功率控制量Cn，其中m＝1，…，M，n＝1，…，N，所述第一增益控制器可以根据所述正交调制器之输入的平均值变化的估计值，对所述正交调制器的输入进行增益控制，其中用对于N个用户的所述复权重系数与所述发射功率控制量之乘积的均方值，来确定所述正交调制器之输入的平均值。并且，所述第二增益控制器可以根据所述估计值的倒数，对所述正交调制器的输出进行增益控制。\n在本发明的无线电发射装置中，当所述复权重系数在所述第一增益控制器进行增益控制之后下溢时，所述增益控制量计算器可以根据所述正交调制器的输入电平与调制精度特性的关系，进行增益补偿，以增加所述增益控制量，而当所述复权重系数在所述第一增益控制器进行增益控制之后上溢时，所述增益控制量计算器可以根据所述正交调制器的输入电平与调制精度特性的关系，进行增益补偿，以减小所述增益控制量。\n本发明还提供了一种用于无线电发射装置的增益控制方法，该方法包括下列步骤：根据由用于方向性控制的复权重系数以及预先测得的正交调制器的调制精度特性所获得的增益控制量，对所述正交调制器的输入信号进行增益控制，使得所述输入信号的电平落在所述正交调制器的适当操作范围内；对受增益控制的信号进行正交调制；和在用所述增益控制量的倒数对经正交调制的信号进行增益控制之后，进行发射。\n第一实施例图1是根据本发明的第一实施例的无线电发射装置的方框图。虽然为了简化说明天线的数量是2，但是基本操作与使用M个天线的情形一样。在该实施例中，假设已预先测量并得知如图6所示的正交调制器的输入电压对调制精度特性。由于对于M个天线存在M个正交调制器，因此需要预先测量各个正交调制器的特性。把信号G(它是每个正交调制器的测得特性信息)输入到相关的增益控制器。\n首先，把发射信号S1输入到基带调制器101。基带调制器101调制信号S1并输出基带调制信号S2和S3。分别把那些信号S2和S3输入到矢量乘法器102(用于天线A)和矢量乘法器103(用于天线B)。矢量乘法器102和103把信号S2和S3与复权重系数W1和W2矢量相乘。\n增益控制器105和106按照来自增益控制量计算器104的增益控制信号G1，用增益A1对矢量乘法器102的输出信号进行增益控制。同样，增益控制器107和108按照来自增益控制量计算器104的增益控制信号G2，用增益A2对矢量乘法器103的输出信号进行增益控制。\nD/A变换器109至112把那些增益控制信号转换成模拟信号。通过对于天线A的基带信号进行正交调制，在正交调制器113中把一些模拟信号转换成IF频率信号S4，而且通过对天线B的基带信号进行正交调制，在正交调制器114中把其它模拟信号转换成IF频率信号S5。\n然后，混频器115把天线A的IF频率信号S4转换成发射频率信号。作为功率放大器的增益控制器117按照来自增益控制量计算器104的增益控制信号G3，用增益B1对发射频率信号进行增益控制，并把得到的信号从天线A发射出去。同样，混频器116把天线B的IF频率信号转换成发射频率信号。作为功率放大器的增益控制器118按照来自增益控制量计算器104的增益控制信号G4，用增益B2对发射频率信号进行增益控制，并把得到的信号从天线B发射出去。\n注意，在混频器115和116之前的BPF(带通滤波器)119和121是正交调制之后除去不必要的信号用的频率滤波器，而在混频器115和116之后的BPF120和122是在信号混频之后除去不必要的信号用的频率滤波器。\n如下所述，增益控制量计算器104在对于天线A的增益控制中计算增益A1和B1，而在对于天线B的增益控制中计算增益A2和B2。\n对于天线A，增益控制量计算器104根据正交调制器113的特性信息和复权重系数W1，计算增益A1和B1。假设，如此调节正交调制器113，从而当最佳输入电压值是α1和|W1|＝1时，D/A变换器109和110变成α1，增益控制器104进行控制，从而增益A1变成1/|W1|。由于在天线输出端的发射信号应与|W1|相乘，所以增益B1变成|W1|，并由下面给出的式(1)确定。\n同样，相对于天线B，根据正交调制器104的特性信息和复权重系数W2，计算增益A2和B2，并且增益A2变成1/|W2|，B2变成|W2|(它由下面的式(2)确定)。\n若m表示天线编号，则式(1)和(2)如下。\nAm＝1/|Wm| (1)Bm＝|Wm| (2)现在讨论式(1)和(2)。作为例子，运用QPSK(四相移相键控)调制系统。在QPSK调制系统中，平均发射功率是由式(3)给出的值，其中第一项表示QPSK调制系统的信号点(a，a)的功率，第二项表示QPSK调制系统的信号点(a，-a)的功率，第三项表示QPSK调制系统的信号点(-a，-a)的功率而第四项表示QPSK调制系统的信号点(-a，a)的功率。信号点的数量分别是k1、k2、k3和k4，而信号点的总数是K，如式(4)中所示。\n在QPSK调制系统中，当在发射之前把发射信号与加权系数W相乘时，平均发射功率变成由式(5)给出的值。然而应注意，由于权重系数W是复数，因此QPSK调制系统的信号点也由复数表示。从上可见，通过把功率与权重系数相乘，平均发射功率从由式(3)给出的值改变到由式(5)给出的值。由于功率改变|W|2倍，因此幅度改变|W|倍。P‾1=k1K(a2+a2)+k2K{a2+(-a)2}]]>+k3K{(-a)2+(-a)2}+k4K{(-a)2+a2}]]>=(k1+k2+k3+k4)K2a2----(3)]]>=2a2]]>\nk1+k2+k3+k4＝K (4)P‾2=k1K|2aexp(jπ/4)×w|2+k2K|2aexp(-jπ/4)×w|2]]>+k3K|2aexp(-j3π/4)×w|2+k4K|2aexp(+j3π/4)×w|2]]>=k1K2a2|w|2+k2K2a2|w|2+k3K2a2|w|2+k4K2a2|w|2----(5)]]>=(k1+k2+k3+k4)K2a2|w|2]]>=2a2|w|2]]>从上可见，采用本发明的无线电发射装置对输入到每个正交调制器的信号进行增益控制Am和在发射之前使信号电平回到原来的信号电平而进行增益控制Bm，从而输入到正交调制器的信号电平落在从(α-Δ1)到(α+Δ2)的范围内，从而保证高输出发射，同时允许正交调制器以优化的精度操作。\n第二实施例图2示出根据本发明的第二实施例的无线电发射装置的方框图。虽然在第一实施例中，位于相关的D/A变换器之前的增益控制器105和106用增益A1和A2进行增益控制，但是在第二实施例中，增益控制器205和207用增益A1和A2对要输入至矢量乘法器202和203的复权重系数W1和W2进行增益控制。\n增益控制器205通过使复权重系数W1除以来自增益控制量计算器204的控制信息G1进行增益控制。同样，增益控制器207通过使复权重系数W2除以来自增益控制量计算器204的控制信息G2进行增益控制。\n此外，照第一实施例那样，作为功率放大器的增益控制器217按照来自增益控制量计算器204的增益控制信号G3，用增益B1对天线A的发射信号进行增益控制，而作为功率放大器的增益控制器218按照来自增益控制量计算器204的增益控制信号G4，用增益B2对天线B的发射信号进行增益控制。\n假设m是天线编号，由下列式子(6)和(7)确定在增益控制器205、207、217和218中的增益A1和A2以及增益B1和B2。\nAm＝1/|Wm| (6)Bm＝|Wm| (7)根据第二实施例，从上可见，预先对于复权重系数W1和W2进行增益控制，从而在矢量乘法器202和203中的处理无需改变幅度，而且只要旋转相角。于是，可以用简单的电路结构把输入到正交调制器的输入信号范围设置为恒定。\n第三实施例图3示出根据本发明的第三实施例的无线电发射装置的方框图。本实施例的描述将讨论多代码CDMA通信系统。为了简化说明，我们设定天线的数量为2，而且代码的数量为2。在描述中，一般用Wm,n表示用于天线m的代码n的复权重系数。\n根据第三和以下实施例的无线电发射装置通过照第二实施例那样补偿复权重系数的幅度，进行增益控制。然而，在第三实施例中的增益控制方案或者采用在进行矢量乘法之后直接在D/A变换器之前进行增益控制(如在第一实施例中所做的那样)的方案，或者采用补偿在矢量乘法中用到的复权重系数的幅度(如在第二实施例中所做的那样)的方案。\n首先，基带调制器301a和301b接收发射信号S1并把它安排在发射的信号点上。然后，基带调制器301A把代码1的基带调制信号S2送到矢量乘法器302a(用于天线A)和矢量乘法器303a(用于天线B)。同样，基带调制器301b把代码2的基带调制信号S3送到矢量乘法器302b(用于天线A)和矢量乘法器303b(用于天线B)。\n接着，增益控制器305和306按照来自增益控制量计算器304的控制信号G1，对要从天线A发射的代码1和代码2的复权重系数W1,1和W1,2进行增益控制，并把经增益控制的复权重系数W1,1和W1,2送到矢量乘法器302a和302b。增益控制器307和308按照来自增益控制量计算器304的控制信号G2，对要从天线B发射的对于代码1和代码2的复权重系数W2,1和W2,2进行增益控制，并把经增益控制的复权重系数W2,1和W2,2送到矢量乘法器303a和303b。\n矢量乘法器302a、302b、303a和303b对基带调制信号S2和S3和经增益控制的复权重系数WG1、WG2、WG3和WG4进行矢量乘法。\n接着，加法器323把两个分开的系统的矢量乘法器302a和302b的输出相加，结果成为从天线A发射的信号。加法器324把两个分开的系统的矢量乘法器303a和303b的输出相加，结果成为从天线B发射的信号。增益控制器317和318(它们是功率放大器)在从天线A和B发射之前，把那些相加信号的经D/A转换的信号上变频至发射频带，如在第一实施例中的那样。此刻，由增益控制量计算器304根据下式(8)确定增益控制器317和318的控制增益Bm。\n当代码的数量为2时，输入至天线A的正交调制器的输入的平均值变化的估计值增加下面给出的倍数。|W1,1|2+|W1,2|2----(8)]]>把QPSK调制系统作为一个例子，讨论式(8)。发射信号是通过把与复权重系数W1,1相乘的代码1的信号加上与复权重系数W1,2相乘的代码2的信号得到的。假设幅度是 相位变成π/4、3π/4、5π/4和7π/4，从而对于代码1或11有四个QPSK信号点＝0、1、2、3，而对于代码2或12也有四个QPSK信号点＝0、1、2和3。于是，每个代码的四个QPSK信号点等于总共16个点。\n假设，多个信号和那些16个点以相等的概率出现，则根据式(9)计算平均功率。通过运用代码1和代码2的相位的组合(11，12)可将以1/16的概率均等地出现的这一性质，可以得到这个等式。显而易见的是，当不使用如式(3)所示的加权系数时，计算结果与平均功率的值不同。于是，幅度变化取由式(9)给出的值。\n从上可见，可以用简单的方法来估计平均值，而不必实际计算每个发射信号的发射功率的平均值。\n虽然对于PSK(相移键控)调制系统已给出上述描述，但是还可将本发明用于APSK(振幅相移键控)调制系统和QAM(正交调幅)系统。P‾3=116Σl1=03Σl2=03|2aexpj(l1π/2+π/4)×w1,1+2aexpj(l2π/2+π/4)×w1,2|2]]>=2a216Σl1=03Σl2=03|expj(l1π/2)×w1,1+expj(l2π/2)×w1,2|2----(9)]]>=2a2(|w1,1|2+|w1,2|2)]]>因此，在第三实施例中，增益控制器305和306运用增益A1进行增益控制，其中，通过分别用用于天线A的到矢量乘法器302a的代码1的复权重系数W1,1和到矢量乘法器302b的代码2的复权重系数W1,2除以式(10)而获得增益A1。|W1,1|2+|W1,2|2----(10)]]>因此，在增益控制器317中，在把增益B1放大由式(11)给出的量之后进行发射。|W1,1|2+|W1,2|2----(11)]]>同样，运用增益A2进行增益控制，其中，通过分别用用于天线B的到矢量乘法器303a的代码1的复权重系数W2,1和到矢量乘法器303b的代码2的复权重系数W2,2除以式(12)而获得增益A2。|W2,1|2+|W2,2|2----(12)]]>因此，在增益控制器318中，在把增益B2放大由式(13)给出的量之后进行发射。|W2,1|2+|W2,2|2----(13)]]>假设，相对于在M个天线中的第m个天线，Am表示代码1的增益控制Am,1和代码2的增益控制Am,2的增益，而Bm表示增益控制器317和318的增益，一般可由下列式子(14)和(15)表示那些增益。Am=1/|Wm,1|2+|Wm,2|2----(14)]]>Bm＝1/Am(15)通过在天线的数量为M和代码的数量为N的情况下形成，把平均功率与权重系数的功率相加。于是，到正交调制器的输入成为加法结果的平方根。\n下列式子(16)和(17)分别表示控制增益Am和Bm。Am=1/Σn=1N|Wm,n|2----(16)]]>Bm＝1/Am(17)从上可见，第三实施例适应于自适应阵列天线发射装置，它以多路复用型式发射CDMA通信系统的多个代码。第三实施例的无线电发射装置考虑到与加权系数相乘所得的平均值的增加，而进行增益控制，从而相对于每个输入信号，所有的正交调制器都可以进行最佳操作。\n第四实施例第四实施例的无线电发射装置进行增益控制以通过把用于天线m的代码n的复权重系数Wm,n与如式(16)所示的系数相乘，以使到每个正交调制器的输入都保持不变。即，每个复数乘法器的复权重系数变成由式(18)所给出的值。Wm,n′=Wm,n/Σn=1N|Wm,n|2----(18)]]>然而，在实际硬件中，乘法器的位数是有限的。因此，当在式(18)中复权重系数的幅度太大时，复数乘法器上溢，从而不能获得准确的运算结果。另一方面，当复权重系数的幅度太小时，复数乘法器下溢，从而不能获得准确的计算结果。\n于是，需要通过补偿由式(18)给出的值来避免复数乘法器的上溢和下溢。对于等式(18)的补偿就是根据每个正交调制器的先前测得的特性来获得所需的调制精度。通过这种补偿，具有如图6所示的特性的正交调制器在从(α-Δ1)到(α+Δ2)的输入范围内进行适当操作。\n由于除了增益控制量计算器304的操作之外，第四实施例的无线电发射装置的电路结构与第三实施例的相同，所以参照图3描述它。增益控制量计算器304根据正交调制器的特性信息G和复权重系数W1,1、W1,2、W2,1和W2,2运用等式(14)确定增益控制信息G1和G2。\n然后，增益控制器305、306、307和308根据式(18)计算上述各个复权重系数的值。根据计算结果落在条件(1)至(3)中的哪个条件，增益控制器305、306、307和308重新计算增益控制信息G1和G2。\n条件(1)：在对于第m个天线的全部经补偿的复权重系数中存在一个上溢系数的情况。\n由式(19)确定复权重系数。于是，把控制增益设为由式(20)和(21)所给出的值。那些等式意味着补偿以使到正交调制器的输入的平均值为(α-Δ1)。当把到正交调制器的输入的平均值设定为α时，这种补偿使复权重系数增加(α-Δ1)/α倍。因此，复权重系数不上溢，因而调制精确度不降低。当复权重系数太大而不能通过上述过程补偿上溢时，把复权重系数设定为最大但不上溢的值。Wm,n′′=α-Δ1αWm,n′----(19)]]>Am=1Σn=1N|Wm,n|2×α-Δ1α----(20)]]>Bm＝1/Am(21)条件(2)：在对于第m个天线的全部经补偿的复权重系数中存在一个下溢系数的情况。\n由式(22)确定复权重系数。于是，由式(23)和(24)确定控制增益。\n那些式子意味着进行补偿以使到正交调制器的输入的平均值为(α+Δ2)。当把到正交调制器的输入的平均值设定为α时，这种补偿使复权重系数增加(α+Δ2)/α倍。因此，复权重系数不会下溢，而且调制精度不会降低。当复权重系数太小，而不能通过上述处理补偿下溢时，把复权重系数设定为不下溢的最小值“0”。Wm,n′′=α+Δ2αWm,n′----(22)]]>Am=1Σn=1N|Wm,n|2×α+Δ2α----(23)]]>Bm＝1/Am(24)条件(3)：对于第m个天线，经补偿的复权重系数没有上溢或下溢的情况。不补偿复权重系数，而由式(25)和(26)确定控制增益。Am=1/Σn=1N|Wm,n|2----(25)]]>Bm＝1/Am(26)由于把正交调制器的输出与(α-Δ1)/α或(α+Δ2)/α相乘，因此在发射时，通过在作为功率放大器的任何增益控制器中使增益增加α/(α-Δ1)倍，可以获得适当的信号电平。\n当任何复权重系数的幅度上溢或下溢时，第四实施例的无线电发射装置通过重新计算控制增益，总可以把到相关的正交调制器的输入信号的电平保持在适当的范围内。\n第五实施例在无线电发射中，在某些情况下，减小发射功率放大器的增益以抑制不需要的干扰或降低所用的功率量，或者增加发射功率放大器的增益以保持线路质量。一般，将这种控制称为发射功率控制。第五实施例针对进行发射功率控制的自适应阵列天线发射装置。\n图4是根据第五实施例的无线电发射装置的方框图。除了增益控制量计算器404之外，这种无线电发射装置与第三实施例的相同。\n增益控制量计算器404接收正交调制器的特性信息G、复权重系数W1,1、W1,2W2,1和W2,2、代码1的发射功率控制量C1和代码2的发射功率控制量C2。然后，增益控制量计算器404使用下面给出的式(28)确定到增益控制器405和406的增益控制信息G1和G2，并使用下面给出的式(29)确定到增益控制器407和408的增益控制信息G3和G4。\n由于一个代码接一个代码地进行发射功率的控制，以Cn表示发射功率控制量，所以相对于天线m和代码n，控制信息包括复权重系数Wm,n和发射功率Cn。在这种情况下，使到每个正交调制器的输入增加如式(27)所示的倍数。Σn=1N|CnWm,n|2----(27)]]>因此，增益控制器405、406、407和408用由式(28)给出的增益控制量Am，一个天线接着一个天线地对于复权重系数进行增益控制，而且作为发射功率放大器的增益控制器用由式(29)给出的增益控制量Bm进行增益控制。An=1/Σn=1N|CnWm,n|2----(28)]]>Bm=Σn=1N|CnWm,n|2----(29)]]>当已如式(28)中所示的受幅度补偿的复权重系数是如此之大以至相关的复数乘法器上溢时，或者当它是如此之小以至于相关的复数乘法器下溢时，进行如在第四实施例中所示的补偿。\n从上可见，第五实施例的无线电发射装置补偿正交调制器输入的变化，其中当一个代码接着一个代码地进行发射功率控制时会发生上述变化。因此，即使在自适应阵列天线发射过程中进行发射功率控制时，也可以用自适应阵列天线发射的权重系数的相乘过程中所保持的适当精度进行发射，同时对正交调制器以适当的精度进行操作。\n第六实施例上述实施例的无线电发射装置用控制增益Bm控制作为功率放大器的增益控制器。然而，功率放大器取决于它们的操作特性不能迅速地跟踪控制增益Bm变化。设计第六实施例以克服这个缺点。\n由于除了增益控制量计算器104操作之外，根据第六实施例的无线电发射装置的电路结构与第一实施例的相同，所以参照图1对其进行描述。\n增益控制量计算器104接收正交调制器的特性信息G和复权重系数W1,1和W1,2，并根据式(3)和(4)计算临时控制增益量G1、G2、G3和G4。\n然后，确定各个天线的算得的临时增益控制量和每个功率放大器的跟踪性。\n确定过程的第一步是把相关的功率放大器可以跟踪的增益控制量设为门限值。然后，当算得的增益控制量低于门限值时，就确定功率放大器可以跟踪增益控制量。另一方面，当算得的增益控制量等于或高于门限值时，就确定功率放大器不能跟踪增益控制量。\n具体而言，把增益控制量Bm的值与增益控制量的门限值P相比较，其中根据所述增益控制量确定相关的功率放大器的跟踪性。当增益控制量Bm小于门限值P时，这意味着功率放大器可以跟踪增益控制量，从而增益控制量计算器104把功率放大器的增益设定为增益控制量Bm并用该增益操作功率放大器。当增益控制量Bm大于门限值P(其中，根据它确定相关的功率放大器的跟踪性)时，这意味着功率放大器不能跟踪增益控制量，从而增益控制量计算器104把功率放大器的增益设定为可跟踪的门限值P，并用该增益操作功率放大器。\n即，当Bm≤P上，直接应用Bm和Am＝1/Bm，而当Bm＞P时，Bm＝P和Am＝1/P。\n从上可见，第六实施例的无线电发射装置设定每个矢量乘法器的控制增益，同时给出与相关的功率放大器的控制增益的一些相关性。增益控制量计算器104通过一步一步地设定功率放大器的控制增益Bm，并且与功率放大器的控制增益Bm相联系重新设定矢量乘法器的控制增益Am的值，来补偿增益控制特性。
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