DE10001151A1

DE10001151A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Linearisierung eines Hochfrequenz-Hochleistungsverstärkers

Info

Publication number: DE10001151A1
Application number: DE10001151A
Authority: DE
Inventors: Carsten Frederic Ball; Gerrit Buhe
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-01-13
Filing date: 2000-01-13
Publication date: 2001-07-26
Also published as: WO2001052405A2; US7274749B2; JP2003520478A; WO2001052405A3; US20030076896A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Linearisierung eines Hochfrequenz-Hochleistungsverstärkers mittels adaptiver digitaler Predistortion der Eingangssignale des Verstärkers 5 durch Ermittlung von Korrekturwerten, welche aus am Verstärkereingang erfaßten SOLL-Sendesignalen und am Verstärkerausgang erfaßten IST-Sendesignalen approximiert sind, werden am digitalen Basisband-Modulator 1 fortwährend von den SOLL-Sendesignalen abgeleitete I/Q-Daten sowie durch eine Meßeinrichtung 4 am Verstärkerausgang aus den IST-Sendesignalen abgeleitete I/Q-Daten einem neuronalen Netz zur Auswertung und Bildung von Korrekturwerten zugeleitet. Die gebildeten Korrekturwerte werden zum digitalen Basisband-Modulator 1 rückgeführt und der vom digitalen Basisband-Modulator 1 zum Verstärkereingang ausgehende Datenstrom wird mit den im neuronalen Netz gebildeten Korrekturwerten vorverzerrt. DOLLAR A Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Linearisierung eines Hochfrequenz-Hochleistungsverstärkers mittels adaptiver digitaler Predistortion umfaßt eine digitalen Basisband-Modulator 1, welchem ein D/A-Wandler 8, ein HF-Modulator 9 und der HF-Hochleistungsverstärker 5 nachgeschaltet sind, wobei eine Meßeinrichtung 4 zur Ermittlung der I/Q-Daten am Ausgang des HF-Verstärkers 5 über eine Datenleitung 6 und der digitale Basisband-Modulator 1 über eine I/Q-Datenleitung 3 mit einem neuronalen Netz verbunden sind, und eine Korrekturdatenleitung 7 vom neuronalen Netz 2 zum digitalen Basisband-Modulator 1 ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Linearisierung eines Hochfrequenz-Hochleistungsverstärkers nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 5 insbeson dere für Mobilfunk-Basisstationen.

Gattungsgemäße HF-Hochleistungsverstärker, welche z. B. in Mobilfunk-Basisstationen eingesetzt werden, haben im Bereich großer Ausgangsleistungen nahe dem 1 dB-Kompressionspunkt ei ne gekrümmte und damit stark nichtlineare Kennlinie, wodurch Signale mit großen Amplituden verzerrt bzw. abgeschnitten werden (AM/AM-Konversion). Darüber hinaus wird auch noch die Phase des abgestrahlten Signales gedreht (AM/PM-Konversion). Um eine drastische Verbreiterung des Sendespektrums und damit Nachbarkanalstörungen sowie eine Verschlechterung der Modula tionsgenauigkeit und die damit verbundene wesentliche Erhö hung der Bitfehlerrate zu vermeiden, ist es bekannt, nur den linearen Teil der Verstärkerkennlinie zu nutzen. Dies ist aber nur für geringe Leistungen sinnvoll. Bei HF-Verstärkern für Basisstationen der zweiten und dritten Mobilfunkgenera tion müßten bei Beschränkung auf den linearen Teil der Ver stärkerkennlinie Verstärker mit zwei- bis zehnfacher Leistung verwendet werden, wodurch sich die Fertigungskosten der Gerä te enorm erhöhen und die Wirkungsgrade der Verstärker er heblich vermindern würden. Weiterhin würden sich - je nach verwendeten Halbleitern - die Intermodulationseigenschaften verschlechtern.

Um dies zu umgehen ist es weiterhin bekannt, die nichtlineare Kennlinie durch eine geeignete Verzerrung des Eingangssignales zu kompensieren. Ein solches Verfahren ist als Vorverzer rung oder Predistortion bekannt und wird bislang vor allem auf analoger Ebene und im Kleinsignalbereich aber auch im di gitalen Basisband angewendet. Dies geschieht meist starr, z. B. durch Nutzung von Diodenkennlinien.

Weiterhin sind z. B. aus dem Artikel "Adaptive Digital Predi stortion Linearisation" in "Microwaves & RF" 1996, S. 270 bis 275 auch adaptive Vorverzerrungsverfahren bekannt, bei wel chen die zur Kompensation der aktuellen Nichtlinearität der Verstärkerkennlinie das IST-Sendesignal am Verstärkerausgang gemessen und mit dem SOLL-Sendesignal am Verstärkereingang verglichen wird. Aus der Differenz kann dann unter Zugrunde legung bekannter mathematischer Verfahren (z. B. durch Re gression, Fehlerpolynom usw.) die erforderliche Vorverzerrung des Eingangssignales bestimmt werden.

Diese bekannten Verfahren und die zu ihrer Durchführung ver wendeten Vorrichtungen haben den Nachteil, daß die auf die Linearisierung der Verstärkerkennlinie gerichtete Zielfunk tion nicht flexibel sondern lediglich als zu minimierendes Fehlerpolynom definiert werden kann.

Weiterhin ist es nicht möglich, in die Zielfunktion neben der optimalen Approximation der Verstärkerkennlinie auch das Sen despektrum mit einfließen zu lassen.

Schließlich ist es nicht möglich, die nichtlineare Kennlinie des Verstärkers bzw. dessen inverse Kennlinie optimal zu ap proximieren, wenn das auszuwertende Meßsignal stark ver rauscht ist.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie ei ne Vorrichtung zur Linearisierung eines Hochfrequenz-Hoch leistungsverstärkers zu schaffen, mit welchen die vorstehenden Nachteile überwunden werden und mit welchen es möglich ist, die Zielfunktion flexibel und auch bei stark verrausch tem Meßsignal zu definieren und in diese nach mehreren ver schiedenen Kriterien gleichzeitig zu optimieren.

Die Aufgabe wird durch die erfindungsgemäßen Merkmale der Pa tentansprüche 1 und 5 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 4 sowie 6 bis 8.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines bevorzugten Aus führungsbeispieles in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert werden.

Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 zeigt schematisch die Struktur einer erfindungsge mäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungs gemäßen Verfahrens;

Fig. 2 zeigt die Struktur des in die Vorrichtung erfin dungsgemäß implementierten neuronalen Netzes;

Fig. 3 zeigt die mittels eines neuronalen Netzes nach Fig. 2 erfindungsgemäß approximierte inverse Ver stärkerkennlinie;

Fig. 4 zeigt die erfindungsgemäße Approximierung der Ver stärkerkennlinie selbst;

Fig. 5 zeigt beispielhaft die anhand der approximierten Verstärkerkennlinie vorzunehmende Verzerrung der Basisband-Vektoren X; und

Fig. 6 zeigt die linearisierte Verstärkerkennlinie nach der Predistortion.

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau einer erfindungsgemä ßen Predistortionsvorrichtung mit einem neuronalem Netz 2 dargestellt, wie sie z. B. in einer Basisstations-Endstufe einer Mobilfunkstation eingesetzt werden kann. Als Eingabe werte dienen die originalen I/Q-Daten vom digitalen Basis band-Modulator 1, welche dem neuronalen Netz 2 über eine I/Q- Datenleitung 3 zugeführt werden, sowie die durch eine Meßein richtung 4 am Ausgang des HF-Hochleistungsverstärkers 5 er mittelten I/Q-Daten, die dem neuronalen Netz 2 über eine Da tenleitung 6 zugeführt werden.

Das neuronale Netz 2 approximiert aus den von der Meßeinrich tung 4 am Verstärkerausgang zugeführten I/Q-Meßdaten die ak tuelle Verstärkerkennlinie bzw. deren inverse Kennlinie und bildet unter gleichzeitiger Auswertung der vom digitalen Ba sisband-Modulator 1 eingehenden I/Q-Daten Korrekturwerte. Diese werden über die Ausgangsleitung 7 zum digitalen Basis band-Modulator 1 zurückgeführt, um den Datenstrom des digita len Basisband-Modulators 1, bevor er über den D/A-Wandler 8 und den HF-Modulator 9 dem HF-Hochleistungsverstärker 5 zuge führt wird, mit diesen Korrekturwerten vorzuverzerren und auf diese Weise die Nichtlinearität der Kennlinie des HF-Hochlei stungsverstärkers 5 zu kompensieren.

Fig. 2 zeigt schematisch die Struktur des neuronalen Netzes. Es umfaßt eine Eingangsschicht 11, eine Zwischenschicht 12 und eine Ausgangsschicht 13, die untereinander mit gewichte ten Kanten vernetzt sind. Die Neuronen der Eingangsschicht 11 sind mit einer Biasfunktion x_m versehen, die Neuronen der Zwischenschicht realisieren unterschiedliche exponentielle, sigmoidale und polynomische Funktionen f und die Neuronen der Ausgangsschicht haben eine Summen-Funktion Σ.

Die beim Start zufällig belegten Gewichtsfaktoren c_ij und die Bias-Inputs x_m des neuronalen Netzwerkes werden iterativ mit dem Backpropagation-Algorithmus optimal eingestellt. Dabei werden nacheinander die Menge der Signalvektoren X = {x₁, x₂, . . . x_n), die jeweils aus Betrag und Phase beste hen, als Input eingespeist und der jeweils momentane Output des Netzwerkes Y = {y₁, y₂, . . . y_n} berechnet. Anhand Y wird die zu minimierende Zielfunktion E des Netzwerkes berechnet, z. B.:

E = k₁ . sum (y_i - y_i _soll)² + k₂ . (spektrum - spektrum _soll)².

Die Konstanten k₁ und k₂ sind beliebige Gewichtsfaktoren, und "spektrum" ist eine aus einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) der Signalvektoren gewonnene Maßzahl. y_i _soll sind die gewünschten Ausgabewerte des Verstärkers, d. h. im allgemei nen Konstante mal x_i. Mit einer Gradientenabstiegs-Methode werden anschließend die Gewichtsfaktoren und Bias-Inputs des Netzwerks nachjustiert:

Δc_ij = -γ . dE/dc_ij

Δx_m = -γ . dE/dx_m.

Fig. 3 zeigt, wie das neuronale Netz 2 die inverse Verstär kerkennlinie aus stark verrauschten Meßdaten am HF-Verstär kerausgang gelernt hat. Als Alternative kann - wie in Fig. 4 dargestellt - auch die Verstärkerkennlinie selbst approxi miert werden.

Anhand der gekrümmten Kennlinie aus Fig. 3 oder Fig. 4 kann nun im Vergleich mit einer idealen linearen Funktion gemäß Fig. 5 die Abbildungsfunktion X_alt = < X_neu bestimmt werden (hier nur für die Amplituden dargestellt), um den Datenstrom aus dem digitalen Basisband-Modulator 1 in geeigneter Weise zu verzerren und am Ausgang des HF-Verstärkers 5 die ge wünschten linearisierten Amplituden und Phasenwerte zu erhal ten.

Fig. 6 zeigt die durch die Predistortion erzielten Effekte. In das trainierte neuronale Netz 2 wurden sowohl die alten Signalvektoren X_alt als auch die neuen, verzerrten Signalvek toren X_neu eingespeist. Wie erwartet ergibt sich die nichtli neare Verstärkerkennlinie für die Werte X_alt und die lineare Kennlinie für X_neu.

Ein solches neuronales Netz kann auch während des Betriebes immer wieder mit neu gemessenen Vektoren gespeist und trai niert werden. Damit lassen sich dann auch Drifts des Verstär kers über Zeit und Temperatur adaptieren und kompensieren.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß die zu optimierende Ziel funktion flexibel definiert werden kann. Die Zielfunktion kann aus beliebig vielen, beliebig gewichteten Einzelfunktio nen bestehen. Außerdem kann die Zielfunktion für verschiedene Teilstücke der Kennlinie des Verstärkers unterschiedlich de finiert werden.

Durch das neuronale Netz kann die nichtlineare Kennlinie des Verstärkers bzw. dessen inverse Kennlinie bestimmt werden, selbst wenn das Meßsignal stark verrauscht ist.

Die Berechnungsgenauigkeit ist beliebig gut und hängt nur von der Netzgröße sowie der Rechenzeit ab.

Claims

1. Verfahren zur Linearisierung eines Hochfrequenz-Hochlei stungsverstärkers (5) mittels adaptiver digitaler Predistor tion der Eingangssignale des Verstärkers durch Ermittlung von Korrekturwerten, die aus am Verstärkereingang erfaßten SOLL- Sendesignalen und am Verstärkerausgang erfaßten IST-Sendesi gnalen approximiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß am digitalen Basisband- Modulator (1) fortwährend von den SOLL-Sendesignalen abgelei tete I/Q-Daten sowie durch eine Meßeinrichtung (4) am Ver stärkerausgang aus den IST-Sendesignalen abgeleitete I/Q- Daten einem neuronalen Netz (2) zur Auswertung und Bildung von Korrekturwerten zugeleitet, die gebildeten Korrekturwerte zum digitalen Basisband-Modulator (1) rückgeführt werden und der vom digitalen Basisband-Modulator (1) zum Verstärkerein gang ausgehende Datenstrom mit den im neuronalen Netz (2) ge bildeten Korrekturwerten vorverzerrt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kantengewichte des neuronalen Netzes (2) zur Kopplung zwischen den Neuronen bei der Auswertung der aus den IST-Sendesignalen am Ausgang des HF-Verstärkers (5) abgeleiteten I/Q-Daten schrittweise solan ge verändert werden, bis die Kennlinie des HF-Verstärkers (5) optimal approximiert ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zielfunktion aus beliebig vielen, beliebig gewichteten Einzelfunktionen defi niert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sendespektrum in die Definition der Zielfunktion einfließt.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Lineari sierung eines Hochfrequenz-Hochleistungsverstärkers (5) mit tels adaptiver digitaler Predistortion nach Anspruch 1, um fassend einen digitalen Basisband-Modulator (1), welchem ein D/A-Wandler (8), ein HF-Modulator (9) und der HF-Hochlei stungsverstärker (5) nachgeschaltet sind, dadurch ge kennzeichnet, daß eine Meßeinrichtung (4) zur Ermittlung der I/Q-Daten am Ausgang des HF-Verstärkers (5) über eine Da tenleitung (6) und eine I/Q-Datenleitung (3) vom digitalen Basisband-Modulator (1) mit einem neuronalen Netz (2) verbun den sind, und eine Korrekturdatenleitung (7) vom neuronalen Netz (2) zum digitalen Basisband-Modulator (1) zurückgeführt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das neuronale Netz (2) variable Bias-Inputs besitzt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Neuronen (11, 12, 13) beliebige digitale und analoge Kennlinien aufweisen.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das neuronale Netz (2) mittels Software aus einem Signalprozessor gebildet ist.