DE10132047B4

DE10132047B4 - Verfahren zur Regelung der Verstärkung eines hochfrequenten Signals

Info

Publication number: DE10132047B4
Application number: DE10132047.7A
Authority: DE
Inventors: Ralf Herzberg; Mathias Kleinsorge; Joerg Nagel
Original assignee: Qualcomm Inc
Current assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 2001-07-03
Filing date: 2001-07-03
Publication date: 2020-06-18
Anticipated expiration: 2021-07-04
Also published as: DE10132047A1

Abstract

Verfahren zur Regelung der Verstärkung eines hochfrequenten Signals, bei dem Phasenlage und Amplitude eines fehlerfreien Eingangssignals (Usoll) voneinander getrennt mit einem definierten Teil eines Ausgangssignals (Uout) verglichen und nachgeregelt werden, bei demeine Ausgangsspannung (Uc) eines Batteriespannungsmodulators (M) als Maß für die Änderung der Regelkreisbandbreite des Amplitudenregelkreises bei Fehlabschluss und/oder Änderung der Impedanz einer Antenne (ANT) an einem Ausgang des Senderverstärkers (PA) bewertet und zur Veranlassung einer Korrektur herangezogen wird,mit dem Eingangssignal (Usoll) und der aktuellen Ausgangsspannung (Uc) des Batteriespannungsmodulators (M) ein Korrekturwert (Ukorr) zur Kompensation der Regelkreisbandbreitenänderung des Amplitudenregelkreises ermittelt wird, undein Steuersignal (Uam) des Batteriespannungsmodulators (M) durch den Korrekturwert (Ukorr) durch Ansteuerung eines gesteuerten Zwischenverstärkers (VGA) im Amplituden-Regelkreis vor dem Batteriespannungsmodulator (M) verändert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Verstärkung eines hochfrequenten Signals, eine Sende- und/oder Empfangseinheit und ein Kommunikationssystem.
Zur Erhöhung der Übertragungsrate werden insbesondere bei Mobilfunkverbindungen Modulationsverfahren genutzt, die sowohl die Amplitude oder eine Hüllkurve als auch die Phasenlage des zu übertragenden Signals beeinflussen. Beispiele hierfür sind neuere Varianten des Global standard for mobile communication GSM, wie z.B. Enhanced data rate for GSM evolution bzw. EDGE, und Code Multiplex bzw. Code division multiple access CDMA.
An einen Sender einer solchen Mobilfunkverbindung werden hohe Anforderungen an die Linearität gestellt, um Fehler bei der Übertragung zu verhindern. Einen signifikanten Anteil an der Nichtlinearität eines solchen Senders hat die Senderendstufe. Zur Linearisierung dieser Senderendstufe wird nach dem Stand der Technik z.B. das sogenannte Polar Loop-Konzept genutzt. Bei diesem Verfahren wird die Amplitudenmodulation getrennt von der Phasenmodulation auf das Sendesignal aufgebracht, wobei hierzu zwei getrennte Regelkreise vorgesehen sind. In einem Polar-Loop Sender kann das Verfahren z.B. durch Modulation der Versorgungsspannung eines im C- , D- oder E- Betrieb stark nichtlinear arbeitenden Leistungsverstärkers umgesetzt werden. Nach dem Polar Loop-Konzept können hinsichtlich ihres Wirkungsgrades optimierte Senderendstufen eingesetzt werden, die neben der Einhaltung einer erforderlichen Linearität auch den Stromverbrauch senken. Da insbesondere in einer Mobilfunkverbindung mindestens ein Teilnehmer-Endgerät als Mobiltelefon ausgebildet ist werden hierdurch die Kosten für eine wiederaufladbare Batterie eines Mobiltelefons deutlich gesenkt und/oder eine maximale Betriebszeit eines geladenen Batteriesatzes erhöht.
Bei Fehlabschlug der Senderendstufe durch Impedanzänderungen einer Antenne, wie sie bei großen Antennen z.B. durch Windlast und bei Mobiltelefonen z.B. durch Änderung des Abstandes von Kopf zu Antenne hervorgerufen wird, ändert sich die Steuersteilheit der Senderendstufe. Damit wird auch die Regel- kreisbandbreite des Amplitudenregelkreises geändert. Dies führt zu einer unerwünschten Verzerrung der Ausgangsspannung, was besonders in einer Verschlechterung des Modulationsspektrums bis hin zur Verletzung der durch einen Standard fest vorgeschriebenen Spektrumsmaske deutlich wird.
Eine bekannte Lösung dieses Problems besteht in der Isolation der Senderendstufe von der Antenne durch Einsatz von Zirkulatoren bzw. Isolatoren. Zirkulatoren sind jedoch relativ schmalbandige Bauteile, so dass für die Abdeckung einer größeren Bandbreite mehrere Zirkulatoren zusammengeschaltet werden müssen. Ferner sind diese Bauteile sehr teuer und weisen zu- dem einen recht großen Platzbedarf auf, wodurch insbesondere in sogenannten Multibandgeräten aufgrund des Einsatzes mehrerer Zirkulatoren das eigentlich sehr vorteilhafte Polar Loop Konzept aus wirtschaftlicher Sicht nicht akzeptabel ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur verbesserten Nutzung eines Polar Loop Konzepts in einem Sender insbesondere für eine Mobilfunkverbindung vorzuschlagen.
Die WO 01/ 24 356 A1 offenbart ein Verfahren zur Regelung der Verstärkung eines hochfrequenten Signals, bei dem Phasenlage und Amplitude eines fehlerfreien Eingangssignals voneinander getrennt mit einem definierten Teil eines Ausgangssignals verglichen und nachgeregelt werden, wobei eine Ausgangsspannung eines Batteriespannungsmodulators als Maß für eine Änderung der Regelkreisbandbreite des Amplituden-Regelkreises bei Fehlabschluss und/oder eine Änderung der Impedanz einer Antenne an einem Ausgang des Senderverstärkers bewertet und zur Veranlassung einer Korrektur herangezogen wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs und eine Sende- und/oder Empfangseinheit mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs gelöst. Ferner jeweils bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zeichnet sich demnach dadurch aus, dass eine Ausgangsspannung des Batteriespannungsmodulators als Maß für die Änderung der Regelkreisbandbreite des Amplituden-Regelkreises in einem Polar Loop Sender bei Fehlabschluss an dem Ausgang der Senderendstufe bewertet wird. Dieses Signal ist vorteilhafterweise in bekannten Schaltungen bereits vorhanden, so dass keine zusätzlichen Messpunkte und/oder Messvorrichtungen vorzusehen sind. Damit ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Ausgangsspannung des Batteriespannungsmodulators als Indikator für eine Änderung der Regelkreisbandbreite des Amplituden-Regelkreises zu nutzen und sie für eine Korrektur heranzuziehen.
Gemäß der Erfindung wird mit einem Eingangssignal und einer aktuellen Ausgangsspannung des Batteriespannungsmodulators ein Korrekturwert ermittelt, durch den die Änderung der Steuersteilheit der Senderendstufe und damit die Regelkreisbandbreite kompensiert wird. Um diesen Korrekturwert wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Steuersignal des Batteriespannungsmodulators verändert, insbesondere durch Ansteuerung eines gesteuerten Zwischenverstärkers. Mithin wird die Regelkreisbandbreite insbesondere indirekt auf der Grundlage eines einmal für eine Senderendstufe oder eine ganze Baureihe von Senderendstufen aufgenommenen Kennlinienfeldes durch einen neuen Regelkreis nachgestellt.
Vorzugsweise wird ein derartiges Kennlinienfeld auch unter Berücksichtigung von Toleranzwerten in einem Speicher abgelegt. Über Zugänge mit AD- und DA-Wandlern können die erforderlichen Korrekturwerte in bekannter Weise schnell ausgelesen werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren kann unter sehr geringem zusätzlichen Schaltungsaufwand in einer Sende- und/oder Empfangseinheit integriert werden. Vorteilhafterweise sind ein zusätzlicher Platzbedarf und Eigen-Energiebedarf einer erweiterten Schaltung sehr gering. Auch das Erstellen oder Aufnehmen eines vorstehend genannten Kennlinienfeldes ist mit relativ wenig Aufwand verbunden, so daß sich ein erfindungsgemäßes Verfahren besonders vorteilhaft in einem Kommunikationssystem einsetzen läßt, das mindestens eine Übertragungsstrecke nach einem Mobilfunkstandard umfaßt. Insbesondere ist eine Sende- und/oder Empfangseinheit als Teil eines derartigen Kommunikationssystems als Mobiltelefon ausgebildet. Aufgrund der vorstehend genannten Vorteile ist ein erfindungsgemäßes Verfahren jedoch auch in jeder anderen Sende- und/oder Empfangseinheit vorteilhaft einsetzbar oder nachrüstbar.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiele erläutert.

1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild zur Realisierung einer bekannten Polar-Loop Regelung mit Batteriespannungsmodulator, und
2 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.

In einer Polar Loop Regelung werden Phasenlage und Amplitude eines fehlerfreien Eingangssignals U_soll eines Polar Loop-Senders PLS in einem Phasenkomparator φ und einem Amplitudenkomparator A in getrennten Regelkreisen mit einem definierten Teil eines Ausgangssignals U_out verglichen und gegebenenfalls nachgeregelt. Der definierte Teil des Ausgangssignals U_out wird als Probe über einen Feedback-Zweig F mit einem Anpassungs- oder Dämpfungsfaktor a versehen auf den Eingang des Polar Loop-Senders PLS rückgekoppelt. Dabei stellt das Ausgangssignal U_out das an eine Antenne ANT gelieferte Signal des Polar Loop-Senders PLS dar. Ein Richtkoppler RK trennt zwischen dem Ausgang der Senderendstufe PA und der Antenne ANT eine vorlaufende Welle des Ausgangssignals U_out und eine rücklaufende Welle, die durch Reflexion der in der Regel nicht an den Wellenwiderstand der Zuführungsleitung angepaßten Antenne ANT erzeugt wird. Somit stellt das Signal U_out nur die vorlaufende Welle dar.
Das Ausgangssignal des Phasenkomparators φ regelt die Phasenlage von Uout mittels eines spannungsgesteuerten Oszillators VCO auf den durch U_soll vorgegeben Sollwert. Der Amplitudenkomparator A beeinflußt durch das Steuersignal U_am über einen Batteriespannungsmodulator M die Versorgungsspannung U_c einer Senderendstufe PA und damit die Hüllkurve der Ausgangsspannung derart, das die Amplitude von Uout ebenfalls ein fehlerfreies Abbild der Amplitude von U_soll ist.
Die Steilheit der Senderendstufe PA ist jedoch von einer jeweiligen Last eines Abschlusses abhängig. Damit verändert ein Fehlabschluß durch eine Änderung der Impedanz der Antenne ANT auch die Steilheit der Senderendstufe PA. Derartige Änderungen der Impedanz werden schnell durch Veränderungen der Umgebung und/oder der Geometrie der Antenne ANT hervorgerufen. Sie treten dementsprechend häufig auf. Wenn auch das Ausgangssignal Uout durch den Amplitudenregelkreis im wesentlichen konstant gehalten wird, so wirkt sich eine Änderung der Steilheit der Senderendstufe PA jedoch direkt auf die Regelkreisbandbreite des Amplitudenregelkreises und damit auf das Modulationsspektrum mit der Folge von unzulässigen Verzerrungen aus.
Ziel einer erfindungsgemäßen Ausführungsform nach 2 ist es, die Regelkreisbandbreite des Amplitudenregelkreises in dem Polar-Loop Sender PLS auch bei Änderung der Impedanz der Antennen ANT und dadurch hervorgerufenem Fehlabschluß konstant zu halten, um so die erforderliche Linearität des Ausgangssignals U_out unter Einhaltung eines vorgegebenen Modulationsspektrums, einer bestimmten Bit- Fehlerrate etc. sicherzustellen. Dabei wird aber auf den Einsatz teurer und großer Zirkulatoren verzichtet.
Ein Fehlabschluß der Senderendstufe PA durch Impedanzänderungen einer Antenne ANT will eine Änderung des Ausgangssignals U_out erzeugen. Über den Rückkopplungszweig F wird am Ausgang des Batteriespannungsmodulators M das Signal U_c erzeugt, das über die Amplitudenregelschleife so lange nachgeführt wird, bis eine Abweichung von Uout von einem vorgegebenen Wert ausgeregelt ist. U_c kann damit als Indikator für Last-Änderungen dienen.
Nachfolgend wird eine Bewertung der Ausgangsspannung U_c des Batteriespannungsmodulators M als Maß für die Änderung der Regelkreisbandbreite des Amplituden-Regelkreises in dem Polar Loop Sender PLS bei Fehlabschluß an dem Ausgang der Senderendstufe PA vorgenommen. Von dieser Bewertung ausgehend wird die Erzeugung eines Korrekturwertes U_korr betrieben, mit dem die ursprüngliche Regelkreisbandbreite wieder hergestellt werden kann. Vorteilhafterweise wird dazu von einer Schaltung gemäß 1 ausgegangen, die in einer in der Abbildung von 2 dargestellten Weise durch geringe Schaltungszusätze nur geringfügig erweitert wird.
Zur Bewertung und nachfolgenden Korrektur wird die aktuelle Ausgangsspannung U_c des Batteriespannungsmodulators M von einer in der Schaltung von 2 neu zugefügten Systemsteuerung SC ausgelesen. Da U_soll und eine Dämpfung a des Feedbackzweiges F der Systemsteuerung bekannt sind, kann so die aktuelle Steuersteilheit S der Senderendstufe PA $S = \frac{U_{o u t}}{U_{c}} = \frac{(U_{s o l l} \cdot a)}{U_{c}}$
ermittelt werden.
Die Ausgangsspannung U_c des Batteriespannungsmodulators M wird aus der Batteriespannung U_batt mittels eines Analog-Digital Wandlers ADC zur Verarbeitung umgesetzt. Durch Vergleich eines digitalisierten Wertes mit einer einmal ermittelten Steilheit S der Senderendstufe PA an einem Normabschluß läßt sich in der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung durch ein Lookup-table LUT ein Korrekturwert Ukorr finden. Der Korrekturwert Ukorr wird entweder direkt oder, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel dargestellt, mittels eines Digital Analog Wandlers DAC in einem einstellbaren Verstärker VGA vorgegeben. Dabei bewirkt der Korrekturwert U_korr , daß die Regelkreisbandbreite des Amplitudenregelkreises korrigiert bzw. die ursprüngliche Regelkreisbandbreite wiederhergestellt wird. Damit wird bei einem Polar Loop Sender PLS gemäß Abbildung von 2 eine über die vorgegebene Bandbreite im wesentlichen gleichbleibende Charakteristik unter Einhaltung der Standards garantiert.
Die Vorteile der beschriebenen Ausführungsform liegen z.B. bei Dual Band Mobilfunk insbesondere darin, daß statische oder nicht flüchtige Speicher eingesetzt werden können, die mit Werten für jedes wählbare Band frei zu belegen sind. Ein Betrieb in zwei und mehr Bändern bedingt also nur einen in geringem Maße größeren Speicher LUT, aber keine sonstige Veränderung der Schaltung an sich. So bleibt also in jedem Einsatzfall einer erfindungsgemäßen Vorrichtung der Vorteil einer Kompakten Bauweise erhalten. Folglich kann die Erweiterung mit der Systemsteuerung SC selber als hochintegrierte Schaltung dargestellt werden. Eine Systemsteuerung SC ist dann in besonders einfacher Weise in jedem Polar Loop-Sender PLS nachrüstbar. Es kann aber auch die gesamte Schaltung des Polar Loop-Senders PLS als hochintegrierter Schaltkreis ausgeführt werden, wobei auch bei noch höheren Multi-Band- Systemen für Mobiltelefone auf weitere hybride Komponenten wie Isolatoren vorteilhafterweise verzichtet werden kann. In sehr kompakter Bauform wird also eine erfindungsgemäße Vorrichtung für einen Einsatz in mehreren Frequenzbändern geeignet ausgebildet eingesetzt.
Bezugszeichenliste

PLS: Polar Loop-Sender
PA: Senderendstufe, Power Amplifier
U_soll: fehlerfreies Eingangssignal
φ: Phasenkomparator
A: Amplitudenkomparator
U_am: Steuersignal
U_out: Ausgangssignal
VCO: spannungsgesteuerter Oszillator, Voltage Controlled Oscillator
ANT: Antenne
a: Dämpfungsfaktor
F: Rückkoppel- bzw. Feedback-Zweig
M: Batteriespannungsmodulator
U_batt: Batteriespannung
U_c: Ausgangsspannung des Batteriespannungsmodulators M
VGA: einstellbarer Verstärker, Variable Gain Amplifier
S: Steilheit des PA
SC: Systemsteuerung, System Control
U_korr: Korrekturwert
ADC: Analog Digital Wandler
DAC: Digital Analog Wandler
LUT: Speicher, Lookup-table
RK: Richtkoppler

Claims

Verfahren zur Regelung der Verstärkung eines hochfrequenten Signals, bei dem Phasenlage und Amplitude eines fehlerfreien Eingangssignals (Usoll) voneinander getrennt mit einem definierten Teil eines Ausgangssignals (Uout) verglichen und nachgeregelt werden, bei dem eine Ausgangsspannung (Uc) eines Batteriespannungsmodulators (M) als Maß für die Änderung der Regelkreisbandbreite des Amplitudenregelkreises bei Fehlabschluss und/oder Änderung der Impedanz einer Antenne (ANT) an einem Ausgang des Senderverstärkers (PA) bewertet und zur Veranlassung einer Korrektur herangezogen wird, mit dem Eingangssignal (Usoll) und der aktuellen Ausgangsspannung (Uc) des Batteriespannungsmodulators (M) ein Korrekturwert (Ukorr) zur Kompensation der Regelkreisbandbreitenänderung des Amplitudenregelkreises ermittelt wird, und ein Steuersignal (Uam) des Batteriespannungsmodulators (M) durch den Korrekturwert (Ukorr) durch Ansteuerung eines gesteuerten Zwischenverstärkers (VGA) im Amplituden-Regelkreis vor dem Batteriespannungsmodulator (M) verändert wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Korrekturwerte (Ukorr) und/oder ein Kennlinienfeld in einem Speicher (LUT) abgelegt werden, insbesondere unter Berücksichtigung von Toleranzwerten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Korrekturwerte (Ukorr) über Zugänge mit AD- und DA-Wandlern (DAC, ADC) ausgelesen und/oder generiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Korrekturwerte (Ukorr) und/oder ein Kennlinienfeld in einem Speicher (LUT) eines jeweils vorgegebenen Mobilfunkstandards in einer Systemsteuerung (SC) abgelegt und/oder erzeugt werden.
Sende- und/oder Empfangseinheit, insbesondere zur Umsetzung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Phasenkomparator (φ) und ein Amplitudenkomparator (A) zum getrennten Vergleichen einer Phasenlage und einer Amplitude eines fehlerfreien Eingangssignals (Usoll) mit einem definierten Teil eines Ausgangssignals (Uout) und zum gegebenenfalls notwendigen Nachregeln vorgesehen sind, wobei eine Systemsteuerung (SC) zum Auswerten einer aktuellen Ausgangsspannung (Uc) eines Batteriespannungsmodulators (M) eines Amplitudenregelkreises vorgesehen ist und die Systemsteuerung (SC) zur Ausgabe von Korrekturwerten (Ukorr) zur Kompensation einer Regelkreisbandbreitenänderung des Amplitudenregelkreises ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Amplitudenregelkreises ein gesteuerter Zwischenverstärker (VGA) dem Batteriespannungsmodulator (M) vorgeschaltet ist, der zur Einstellung von Korrekturwerten (Ukorr) zur Kompensation einer Änderung der Regelkreisbandbreite über ein Steuersignal (Uam) mit der Systemsteuerung (SC) verbunden ist.
Sende- und/oder Empfangseinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Systemsteuerung (SC) eine Vorrichtung umfasst, in der Korrekturwerte (Ukorr) und/oder ein Kennlinienfeld abgelegt sind, insbesondere in einem Mittel, das in Form eines nicht flüchtigen Speichers (LUT) ausgebildet ist.
Sende- und/oder Empfangseinheit nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Systemsteuerung (SC) eine Vorrichtung zum Auslesen und/oder Umsetzen von Korrekturwerten (Ukorr) umfasst, wobei diese Vorrichtung insbesondere als AD- und/oder DA-Wandler (DAC, ADC) ausgebildet ist.
Sende- und/ oder Empfangseinheit nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Systemsteuerung (SC) in Form einer hochintegrierten Baugruppe und/oder als integrierter Schaltkreis ausgeführt ist.
Sende- und/oder Empfangseinheit nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende- und/oder Empfangseinheit mit der Systemsteuerung (SC) für einen Einsatz in mehreren Frequenzbändern geeignet ausgebildet ist.
Sende- und/oder Empfangseinheit nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende- und/oder Empfangseinheit als Mobilfunkgerät oder Mobiltelefon ausgebildet ist.
Kommunikationssystem zur Übertragung von Daten und/oder Information über mindestens eine Funkschnittstelle, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommunikationssystem mindestens eine Sende- und/oder Empfangseinheit umfasst, die nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 10 und/oder zur Umsetzung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausgebildet ist.