TW589780B - Method to produce the lost-power in the amplification of OFDM-signals and a related device - Google Patents

Description

589780 五、 發 明說明 (1) 本 發明 涉 及線性放 大 器中使功率損耗降低所用 之方法 ， 其 係用 在 OFDM 放 大 器中。此外，本發明涉及 重疊之 正 弦 信號 放 大時所 用 之 相關裝置，其具有至少一 個末端 級 〇 例 如， 在 PLC(P 〇 wer L i n e C a r r i e 1·)技術中放大 所謂 OFDM(Orthogonal Fr eq uency Division Multiplex! ng)信 號 時 ，會 發 生已重 疊 之 正弦信號之放大問題。這 些信號 具 有 高的 頂 端（cres Λ)因 素，其可標示尖峰値及有 效値所 形 成 之比 (ratio) 〇 先 前技 藝 中使用 線 性放大器或時脈驅動之放大 器。特 殊 之 時脈 驅 動之放 大 器 理論上可以無損耗之方式 來操作 1 其 在低 its 頻 時之損 耗 較 線性放大器中者小很.多。 在高頻 時 切 換損 耗 當然會 大 大 地提局，因此由某一頻率 開始就 總 損 耗而 言 即不再 具 有 優勢。反之，線性放大器 可對輸 出 電 壓進 行 調整， 使 電 源電壓及該閥上之輸出電 壓（即 ， 輸 出電 晶 體上之 電 壓 )之間之差下降。因此可 達成一 種 損 耗功 率 ，其在 輸 出 電流固定時隨著輸出電壓 之下降 而 上 操 控性較 小 時 效率大大地下降。若待放 大之信 號 具 有一 種 高的頂 端 (c rest)因素時，則對效率是 不利的 y 此 乃因 放大器之 電 源 電壓須設計在尖峰値處， 但平均 而 言 只需 - 種小很 多 之 輸出電壓，於是在輸出閥 上會產 生 一 種高 的 電壓降 0 本 發明 之 目的是 提 供 一種較佳之方法使放大器 中之功 率 損 耗下 降 ，其特 別 可 用來放大及/或計算OFDM信號 -3-

589780 五、 發明說明 ( 2〕 J 本 發 明 亦 涉 及 相 關 之 裝 置 〇 本 發 明 中 上 述 冃 的 以 串 請 專 利 範 圍第 1 項 之措 施 及 第 5 、6 項所 述 之 相 關 丨裝 置 來 :達 :成 〇 本 :方法 ;及 .相 丨關之 ，裝 :置 :之 其 它 形 式 描 述 在各 附 屬 項 中 〇 利 用 本 發 明 > 可 以 下 述 方 式使 損 耗功 率 最 小化 : 不 是 在 整 個 控 制 中 利 用 相 同 之 末 端 級 來放 大 而是 在 至 少 二 個 部 份 區 ( 其 間 溫 和 地 改 變 ) 中 放大 0 這 亦可 以 各 別 之 可 分 離 之 末 丄山 觸 級 來 進 行 > 但 亦 能 以一 種 可 分離 地 連 接 至 不 同 之 電 源 電 壓 之 末 丄山 聰 級 來 進 行 。結 果 是 可使 末 端 級- 閥 上 之 電 壓 降 減 低 〇 這 樣 亦 可使 損 耗功 率 降 低。 本 發 明 中 以 有 利 之 方 式 來 劃 分 各 別所 需 之 動態 區 其 中 在各 別 之 部 份 區 之 間 之 邊 界 1¾ 中 平滑 地 ( 即， 溫 和 地 ) 改 變 0 特 殊 之 轉 移 (transition)失 真因 此 可保持很小 〇 整 體 而 言 效 率 可 明 顯 地 增 大 例 如 ，在 以 二 個末 丄山 m 級 來 進 行 時 效 率 大 約 成 爲 二 倍 〇 本 發 明 之 其 它 細 節 及 優 點 以 下 將 依據 圖 式 來詳 述 〇 圖 式 簡 單 說 明 ； 第 1 圖 理 想 之 線 性放 大 器 之 末 端 級。 第 2 圖 理 想 之 線 性放 大 器 之 功 率 及效 率 0 第 3 圖 具 有 多 個 電 源 電 壓 之 可分 離之 放 大 器之 末 端 級 〇 第 4 圖 — 種 可分 離 之 放 大 器 之 末 端級 ， 其 以轉 換 器 及 反 時 脈 來 操 作 〇 第 5 圖 種 可 分 離 之 放 大 器 4- 之 末 端級 其 電源 電 壓 可 589780 五、發明說明（3) 再調整。 第6圖OFDM丨目號之結構。 第7圖溫和地改變時電流之分佈圖。 第8圖正弦信號中一種溫和之變化。 第1圖中一種未詳細顯示之線性放大器1之末端級以 1 〇表示。末端級1 〇以二個相耦合之電晶體11、1 2構成 ，一種負載阻抗1 3連接至電壓U a之接點。此種末端級 提供+Us及-Us之間之電壓且與電流閥形成一種放大器 〇 利用此種放大器，特別是可使所謂具有大約是4之頂 端（crest)因素之OFDM信號被放大。OFDM是一種特別 適用於所謂PLC (Power Line Communication)技術之調變 方法。OFDM信號例如位於40至l5〇KHz之傳輸帶中， 因此，以時脈驅動之放大器較不適用於此目的中。 第2圖是線性放大器之功率P及效率7?作爲振幅A之 函數時之圖解。曲線26表示輸入功率Pin且曲線27表 示輸出功率P^t，它們分別是一種連續之函數。效率7? 以曲線2 8表示，其是一種線性上升形式。 依據曲線2 8例如在8 0%之控制區中效率是在6 0 %之 數量級中。若考慮各種損耗，例如，控制上之損耗，傳 輸時之歐姆損耗或類似情況等，則在正弦信號時效率最 大時大約50%。在具有頂端因數是4之OFDM信號（其 平均控制率因此是30%)中，該線性放大器之效率只有 2 0%至3 0%。這可以第3圖之配置來大大地改良。

五、發明說明（4) 第3圖是一種可分離之放大器，其由第1圖之末端級 1 〇及另一末端級2 0所構成，此二者組合成一種負載。 OFDM信號中線性放大器效率惡化之原因是一種平均 而言很小之控制率。因此會產生很多損耗功率，此乃因 電源電壓須依該信號之尖峰値來設計且對電晶體上之輸 出信號之以電壓降來表示之差須消除。反之’若依據第 3圖設有二個末端級1 〇及20，則可設有不同之電源電 壓且可使各末端級能以最佳之效率在不同之振幅範圍中 操作。 這在第3圖中表示：級1至Ub 1是在接合狀態且在此 區域中該級2截止。損耗功率因此由（Ub 1 -UA)所決定。 反之，若輸出電壓大於Ubl (例如，直至Ub2 )，則級 1進入飽和區且級2被驅動。 利用第3圖之電路，則OFDM信號中該效率可由25% 提高至5 0%。情況需要時可另外藉由其它之末端級對控 制區作相對應之劃分使效率進一步提高，在此種情況下 當然須以較高之耗費來操作。 模擬計算及實驗上之探討已顯示：利用線性放大器（ 其具有第3圖所示之二個末端級，特別是用於OFDM信 號中）可達成一種依問題來調整之放大作用。 第4圖是第3圖之末端級以輸出轉換器來操作時之另 一種形式，其以推挽方式（push-pull)來操作，其具有二 個末端級10、20，各具有電晶體1 1、12及21、22以作 爲電流閥，其中各電晶體Π、1 2及2 1、22分別配置在 589780 五、發明說明（5) 推挽式電路中。各電晶體1 1、1 2或2 1、22經由繞組4 1 、42、43、44而連接至電源電壓+Ub，其中二次繞組未 顯示在第4圖中。 以不同之插栓（tap)來進行推挽式操作，則只以一種電 源電壓即可進行一種可分離之操作。轉換器之其它優點 是：不同之轉換比（ratio)及不同之分離極限只可藉由轉 換器之修改來選取而不必改變該放大器。在0FDM信號 模擬時ni = 1:1對效率而言是一種很好之値。此種方 式被歸列爲是有效的且在詳細模擬時將繼續探討。 藉由電源電壓之再調整，則第4圖之形式對放大器而 言可具有更好之效率。電源電壓可適當地改變或固定地 保持在不同之値。 第5圖是第4圖中一種具有轉換器之推挽式末端級。 轉換器上之電源電壓可選擇式地由Ub 1導出或經由電晶 體53而由較高之電壓Ub2導出。Ubl因此經由二極體 5 1及第4圖之繞組而接通，電晶體5 3則由一調整電路 52 (其由電晶體1 1及2 1獲得各實際信號）所控制。 在製備一適當之電源電壓之此種過程中，須使用該電 壓Ub 1 —段期間，直至末端級電晶體1 1及2 1進入飽和 狀態且集極-射極-電壓低於一預設之値爲止。然後藉由 該調整電路52經由電晶體53來對電源電壓進行再調整 ，使集極-射極-電極不低於該極限値。 因此，利用第5圖同樣可使較小振幅之區域可由Ub 1 所覆蓋。較小之損耗藉由較高之控制率而達成。較大振 五、發明說明（6) 幅之區域中可使用較高之電壓Ub2。此種再調整又可溫 和地（即，以一種由U b 1至U b 2之流動式變化）進行。 爲了進一步說明問題之解法，第6圖中顯示〇fdM信 號在50ms時段中之變化情形。此信號結構以丨⑽表示 且各別之電壓尖端以105表示。 由第6圖可知：在信號結構1 00中分別存在1 2ms期 間之信號封包（packet)，其亦可以時框（frame)來表示。 在該時框區域中存在著不同振幅之信號，其中各別之信 號尖峰由各正弦信號之疊加所形成。各信號之頻率典型 上是在40KHz至數個ΙΟΟΚΗζ之範圍中偏移，例如，在 5 0KHz及150KHZ之範圍中偏移。各信號具有不利之頂 端（crest)因素，其定義成尖峰電壓對有效電壓之比，己 如上所述。整體而·言，第6圖顯示各信號之包封線 (envelope) 〇 由於各別尖峰之不同之振幅（其在縱座標中以0 %至 100%來表示），則須使用一種可對特定成份放大之放大 器，特別是第3至5圖中具有可分離性之放大器是適當 的。依據第7、8圖來說明此種新OFDM放大器之操作 方式。 第7圖中橫軸是總電流（作爲信號振幅用之準則）且 縱軸是二級式放大器中各閥上之電流分佈。在信號振幅 之方向中存在著各個互相接續之動態區1 1 〇及1 20。在 正常情況時，各放大器互相對應地設有其各自之閥。 在新的OFDM放大器中，在動態區1 10中各別之電流 589780 五、發明說明（7) 1 1 1在第一閥中由〇%上升至40%，然後下降且在60%向 0接近。電流成份120在40%時由0上升且在大約60% 時倂入信號曲線1 2 1中。各閥之電流在重疊區中相加， 因此可確保一種平滑（已如上所述）之〃溫和〃之改變 〇 動態區之邊界例如只以凸出形式來表示。其它値亦是 可能的且可依特定問題來調整。 由於各別之信號尖峰1 05分別由正弦波之重疊所形成 ，則可依據第8圖來描述正弦半波函數之〃溫和〃之變 化。第8圖是正弦半波函數對時間（任意單位）之曲線 圖（週期=100)，其中縱座標已依據第7圖來校準。可 辨認的是：正弦半波之起始及末端分別存在一種信號 101，其首先對應於正弦半波而上升，然後在40%時又 下降，在此區域中電流由第二閥所承擔，其中形成該信 號102。藉由疊加而產生該尖峰105以成爲正弦半波。 以相同方式形成該負的半波。 總之，由第6至8圖之詳述中可知：第3至5圖之放 大器分別具有可分離之二個部份區之特性且特別適用於 OFDM信號，若提供一種平滑（即，溫和）之改變時。 因此，重要的是：OFDM信號結構由較高頻率之正弦波 之疊加所形成。上述之放大器特別適用於PLC技術領域 中。 符號說明 1…放大器 ___^ 589780 五、發明說明（8) 1 〇…末端級 1 1 ' 12…電晶體 1 3…負載阻抗 2 0…第二末端級 21、22…電晶體 26、27··· Pin、Pout 之特性曲線 28…特性曲線 5 1…截止二極體 52···調整電路 53…電晶體 100··· OFDM 信號 101…閥1之電流 102…閥2之電流 105…信號尖峰 1 10…動態區1 1 1 1…閥1電流之相對成份 1 12…閥2電流之相對成份 120…動態區2 150…溫和變化之區域 土Ubl…第一級之電源電壓 土Ub2…第二級之電源電壓 -10

Claims (1)

1. 589780 -一~L β&^ή- 六、申請專利範圍 第9 1 1 1 625 7號「OFDM信號放大時使功率損耗降低所用之 方法及相關之裝置」專利案 (92年8月修正） 六、申請專利範圍： 1. 一種線性放大器中使功率損耗降低所用之方法，其 在PLC技術中用在所謂0FDM信號中，在放大器中存 在一預定之動態區，其包含一種0FDM信號所需之區 域，本方法之特徵爲以下各步驟： — OFDM信號所需之動態區劃分成至少二個部份區， 一在各部份區之間之邊界區中以平滑之改變來切換。 2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中使用相疊加之 各部份區。 3·如申請專利範圍第2項之方法，其中藉由重疊而使 各轉移失真保持很小。 4.如申g靑專利範圍第2項之方法，其中在放大器中使 用二個部份區時效率可達50%。 5· —種進行如申請專利範圍第1、2、3或4項之方法 所用之裝置，其用來使具有高頂端因數之疊加之各 正弦信號被放大且具有至少一末端級，其特徵爲： 存在二個可相分離之末端級（1 〇、2 0 )，其各具有電 晶體1 1 , 1 2和2 1，2 2以作爲電流閥，其中各電晶體 1 1，1 2和2 1，2 2分別配置在推挽式電路中，各電晶 體Π，12或21，22經由繞組41,42, 43, 44而連接至 589780 六、申請專利範圍 電源電壓+Ub。 6. 一種進彳了如申請專利範圍第1、2、3或4項之方法 所用之裝置，其用來使具有高頂端因數之疊加之各 正弦信號被放大且具有至少一末端級，其特徵爲： 末端級（1 0 )以可分離之方式連接至二個不同之電源 電壓（Ubl、Ub2);轉換器上之電源電壓可選擇式地 由Ubl導出或經由電晶體53而由較高之電壓Ub2導 出；Ubl因此經由二極體51及繞組nl，n2而接通， 電晶體53則由一調整電路52(其由電晶體1 1及21 獲得各實際信號）所控制。 7. 如申請專利範圍第6項之裝置，其中存在一種調整 電路（52 )以控制各種不同之電源電壓（Ubl、Ub2)。 8. 如申請專利範圍第5或6項之裝置，其中存在著末 端級-閥，藉此使電壓降減低。 9. 如申請專利範圍第8項之裝置，其中各末端級-閥是 電晶體（11，12;21，22)。 10. 如申請專利範圍第9項之裝置，其中在每一末端級 (1 0,20 )中存在二個以推挽方式驅動之電晶體 (1 1，1 2 ; 2 1，2 2 )。 589780 2001P11073WO 1/4

   10 —+Us p ^13, Us 第1匱

   10 20 +Ub1 +Ub2 13 Ua 卜}1 12 Ub1 22 Ub2 第3圖