DE10212569A1

DE10212569A1 - Verfahren für Sendeverstärker für den Mobilfunk

Info

Publication number: DE10212569A1
Application number: DE2002112569
Authority: DE
Inventors: Dietmar Rudolph
Original assignee: Deutsche Telekom AG
Current assignee: Deutsche Telekom AG
Priority date: 2002-03-12
Filing date: 2002-03-12
Publication date: 2003-09-25
Also published as: WO2003077494A1

Abstract

Für die künftige Mobilfunkgeneration sind Datentaten erforderlich, die, ohne die Kanalbandbreite zu erweitern, nur mit höherwertigen Modulationen realisiert werden können. Diese Modulationen erfordern im Gegensatz zum derzeitigen Mobilfunk lineare Sendeverstärker, mit denen aber nur geringe Wirkungsgrade erreicht werden können. Die Folge wäre eine höhere Akkukapazität, die aber hinsichtlich Gewicht und Sprechzeitbegrenzung für den Kunden nicht lukrativ ist. Die vorliegende Erfindung schlägt vor, die Sendeverstärker für den künftigen Mobilfunk in EER-Technik (Envelope Elimination and Restauration) aufzubauen. Die Anwendung der EER-Technik bedeutet, dass das Hüllkurvensignal und das phasenmodulierte Trägersignal in getrennten Zweigen verstärkt und vor der Abstrahlung wieder vereinigt werden. In seiner Gesamtheit arbeitet der Sendeverstärker in EER-Technik als linearer Verstärker, so dass hohe Wirkungsgrade erzielt werden können. Prinzipbedingt treten dabei Außerbandabstrahlungen aufgrund der Bandbegrenzung im Hüllkurvenzweig und der Laufzeitunterschiede zwischen den Zweigen auf. Durch einen optimalen Laufzeitausgleich sowie die Anwendung von digitalen Modulationen, die im Vektordiagramm um den Punkt 0/0 ein Loch aufweisen, können die Außerbandstrahlungen unterhalb der Toleranzgrenzen (ITU Spektrums Maske) gehalten werden. Zusätzlich verhindert eine Kosinus-Verrundung für den Amplitudengang des Hüllkurvensignals, das im Außerbandspektrum Überhöhungen durch Höckerbildung ...

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Sendeverstärker zur Übertragung digitaler Signale für den Mobilfunk.
Bei dem derzeit angewendeten Mobilfunksystem GMS (Global System for Mobile Communications) werden zur Übertragung der digitalen Modulation Sendeverstärker eingesetzt, die im Schaltbetrieb (z. B. C-Betrieb) arbeiten, so dass hohe Wirkungsgrade erreicht werden können. Dadurch ist es bei der GSM-Technik möglich, dass kleine und leichte Handys verwendet werden können und lange Sprechzeiten möglich sind.
Dem Vorteil des hohen Wirkungsgrades steht bei Verstärkern im Schaltbetrieb der Nachteil gegenüber, dass sie nur für Modulationsarten mit konstanter Hüllkurve verwendet werden können. Die GMS-Technik arbeitet mit einem derartigen Modulationsverfahren, das eine konstante Hüllkurve hat.
Die Weiterentwicklung des Mobilfunks erfordert höhere Datenraten pro Kanal für neue und komfortablere Dienste bei gleichzeitiger Minimierung bzw. Beibehaltung der pro Kanal zur Verfügung gestellten Bandbreite, damit möglichst viele Teilnehmer die teuer erworbenen Frequenzen nutzen können.
Eine höhere Datenrate unter der Bedingung der Minimierung der Übertragungsbandbreite lässt sich nur erreichen, wenn höherstufige digitale Modulationsverfahren zur Anwendung kommen, deren Hüllkurve nicht mehr konstant ist, so dass linear arbeitende Sendeverstärker erforderlich sind. Bezüglich ihres Vektor-Diagramms wird von höherstufigen digitalen Modulationsverfahren die gesamte komplexe Ebene ausgenutzt. Lineare Sendeverstärker erreichen aber nur einen geringen Wirkungsgrad. Um die erforderliche Leistung zu erreichen, ist ein höherer Energiebedarf (Akkukapazität) notwendig, der aufgrund des Gewichtes für Mobilfunkgeräte der Zukunft ebenso unattraktiv wäre wie beispielweise eine begrenzte Sprechzeit oder ein dichteres Netz von Basisstationen.

Für künftige Generationen des Mobilfunks wird deshalb vorgeschlagen, Sendeverstärker in EER-Technik (Envelope Elimination and Restauration) zu verwenden. Diese Sendeverstärker verhalten sich in der Gesamtheit wie Linearverstärker und arbeiten intern jedoch im Schaltbetrieb, so dass hohe Wirkungsgrade erzielt werden können [L. R. Kahn "Sigle sideband transmission by envelope elimination and restoration", Poc. IRE, vol. 40, no. 7, pp. 803-806, July 1952].

Die Anwendung der EER-Technik für den Mobilfunk setzt voraus, dass aus dem digitalen modulierten I/Q-Signal (1) ein Amplitudensignal (A) und ein phasenmoduliertes Trägersignal (RF-P) durch Transformation (2) gewonnen werden, die in getrennten Zweigen (A-Zweig und RF-Zweig) verstärkt und in der Senderendstufe (5) wieder multiplikativ vereinigt werden (siehe Fig. 1). Der A-Zweig arbeitet als getasteter Schaltverstärker (3), bei dem das Amplitudensignal die anliegende Betriebsgleichspannung (DC) im Schaltbetrieb steuert, so dass eine optimale Verstärkung erreicht wird. Im RF-Zweig wird das phasenmodulierte Trägersignal konstanter Amplitude durch einen nichtlinearen Verstärker (z. B. C-Betrieb) verstärkt. Nach der Zusammenführung von Amplitudensignal und phasenmodulierten Trägersignal in der Senderendstufe steht dann ein Sendesignal (6) zur Verfügung, das bei idealen Bedingungen einer linearen Verstärkung des digitalen Eingangssignals (1) mit hohem Wirkungsgrad entspricht.

Das I/Q-Signal entspricht einer kartesischen Darstellung. Diese wird in eine polare Darstellung mit Amplitude und Phase (φ) überführt. Die erforderliche Transformation kartesisch → polar ist sehr stark nichtlinear. Das hat zur Folge, dass sowohl das A-Signal als auch das RF-P-Signal, das im Phasenmodulator (4) aus dem RF-Träger gebildet wird, sehr große Bandbreiten haben und damit erheblich breiter sind als das I/Q-Signal.

Für die Bandbreite in den Zweigen des Sendeverstärkers gelten folgende Mindestforderungen:

- Bandbreite des A-Zweiges mindestens Faktor 5/2 mal Kanalbandbreite
- Bandbreite des RF-Zweiges mindestens Faktor 5 mal Kanalbandbreite.

Die EER-Technik hat neben dem Vorteil des hohen Wirkungsgrades den Nachteil, dass prinzipbedingt erhöhte Randaussendungen entstehen können. Die Ursache dafür sind zum einen die begrenzte Bandbreite in den Übertragungszweigen des Senders und zum anderen die Laufzeitdifferenz zwischen Amplitudensignal und RF-P-Signal in der Senderendstufe.

Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren anzubieten, mit dem die Randaussendungen bei der Anwendung der EER-Technik für Sendeverstärker in der Mobilfunktechnik verringert werden können, damit vorgegebene Toleranzwerte für die Außerbandabstrahlung nicht überschritten werden.

Die Laufzeitdifferenz (Delay) zwischen A- und RF-Zweig eines Sendeverstärkers ist sehr kritisch und muss äußerst genau ausgeglichen werden. Erreicht oder überschreitet der Laufzeitausgleich den Wert 1/Kanalbandbreite, beträgt der Schulterabstand zwischen dem Spektrum im Kanal und dem Außerbandspektrum nur noch ca. 10 dB. Damit ist der Spektralverlauf praktisch identisch mit dem Spektrum des phasenmodulierten Trägersignals allein und kann daher als Untergrenze für den Laufzeitausgleich (schlechtester Fall) angesehen werden. Jede weitere Verringerung der Laufzeitdifferenz um einen Faktor 2 ergibt für den Schulterabstand eine Verbesserung (Erhöhung) um 6 dB. Werden also z. B. 40 dB Schulterabstand gefordert, darf das Delay höchstens 1/(5.Kanalbandbreite) betragen, wie sich aus folgender Berechnung ergibt:

40 dB = 10 dB + (5.6 dB).

Die Größe des Schulterabstandes der Außerbandabstrahlung wird ausschließlich durch die Laufzeitdifferenz zwischen A- und RF-Zweig bestimmt. Für einen exakten Abgleich der Laufzeit ist Voraussetzung, dass der A-Zweig über eine konstante Gruppenlaufzeit verfügt. Der A-Zweig erhält deshalb eine Laufzeitentzerrung.

Bei einem optimalen Ausgleich der Laufzeit zwischen A- und RF-Zweig wird das minimal erreichbare Außerbandspektrum bestimmt durch die Bandbreitenbegrenzung im A-Zweig. Die Bandbreite des RF-Zweiges hat, soweit sie verhältnismäßig groß ausgelegt werden kann, keinen Einfluss auf das Außerbandspektrum, da der im Schaltbetrieb arbeitende Verstärker eine Begrenzerwirkung verursacht, die jeglichen Einfluss eines Amplitudenganges eliminiert.

Vorteilhaft ist es, wenn das verbleibende Außerbandspektrum eine hohe Steilheit aufweist, weil dann die Außerbandanteile zu beiden Seiten des Nutzkanals so rasch abfallen, dass sie unterhalb der zulässigen Toleranzgrenze (z. B. ITU Spektrums Maske) verbleiben.

Die Steilheit der Außerbandstrahlung kann dadurch beeinflusst werden, dass bereits die angewendete digitale Modulation im Vektordiagramm ein "Loch" um den Punkt 0/0 erhält. Die Größe dieses Vektor-Loches bestimmt weitestgehend die Steigung der Außerbandstrahlung, wobei die Modulationsart bzw. deren Dateninhalt praktisch keinen Einfluss hat. Die mittlere Steigung der Außerbandstrahlung vergrößert sich linear mit dem Durchmesser des Vektor-Loches. Beispielsweise vergrößert sich eine mittlere Steigung von 3,8 dB/Kanalbandbreite ohne Vektor-Loch auf 11 dB/Kanalbandbreite mit einem Vektor-Loch von 35%.

Soweit für den künftigen Mobilfunk Einträgermodulationen verwendet werden, stehen Modulationsverfahren zur Verfügung, die bereits im Vektordiagramm ein "Loch" aufweisen. Solche Verfahren sind Offset-Modulationen wie z. B. OQPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying) oder codierte Modulationen wie z. B. EDGE (Enhanced Datarates for GSM Evolution).

Bei Mehrträgermodulationen ist es erforderlich, dass ein Vektor-Loch eingebracht wird. Das "Loch" um den Punkt 0/0 im Vektordiagramm wird dadurch erreicht, dass die beiden Basisbandsignale der digitalen Modulation I(t) und Q(t) so beeinflusst werden, dass sie nicht gleichzeitig einen Nulldurchgang bzw. den niedrigsten Amplitudenwert haben. Damit der Nulldurchgang eines der Basisbandsignale zeitlich genügend weit entfernt vom Nulldurchgang des anderen Basisbandsignals erfolgt, wird einem Basisbandsignal bei Erreichen eines definierten Schwellwertes ein Impuls zugesetzt, der den zeitlichen Abstand gewährleistet (siehe DE 101 12 025.7).

Die Steigung der Außerbandstrahlung wird um so größer, je größer der Durchmesser des "Loches" im Vektordiagramm gewählt wird. Das "Loch" wird in seinen Maßen durch die Amplitude des auf den Schwellwert des Basisbandsignals aufgesetzten Impulses bestimmt. Der Impuls kann aber nicht beliebig groß gemacht werden, da er das Basisbandsignal verfälscht. Es muss also ein günstiger Kompromiss zwischen Bitfehlerrate und Steigung der Außerbandstrahlung gefunden werden.

Das Spektrum der verbleibenden Randaussendungen hat einen vorteilhaften Verlauf, wenn der Amplitudengang des A-Zweiges möglichst sanft in den Sperrbereich übergeht. Würde ein frequenzmäßig möglichst konstanter Amplitudengang verhältnismäßig steil abfallen, würde das im Außerbandspektrum deutliche Höcker (ca. 10 dB Überhöhung) verursachen, die im Abstand der Grenzfrequenz des A-Zweiges zu beiden Seiten des Trägers auftreten würden, ohne dass weiter außerhalb das Spektrum abnimmt. Bei einem sanften Übergang vom Durchlass- in den Sperrbereich verschwinden die Höcker vollständig, wenn bei einer gegebenen Gesamtband-breite für den Amplitudenzweig der Übergang die Form eines hochgehobenen Kosinus (raised cosine) hat. Die Kosinus-Verrundung des Amplitudengangs beginnt dabei bereits bei der Frequenz Null (Roll-Off-Faktor = 1). Liste der verwendeten Bezugszeichen A Amplitudensignal (Hüllkurve)
φ Phasensignal
RF Radio Frequency (Hochfrequenzträger)
RF-P phasenmoduliertes RF-Signal
DC Direct Current (Betriebsgleichspannung)
1 I + jQ Signal im Basisband
2 I/Q ⇐ A/φ Transformation
3 Schaltverstärker für das A-Signal
4 Phasenmodulator
5 A/φ ⇐ I/Q Rücktransformation in der Senderendstufe
6 I + jQ Signal in der RF-Ebene, digitales Modulationssignal mit hoher Leistung

Claims

1. Verfahren für Sendeverstärker für den Mobilfunk, bei denen höherstufige digitale Modulationen angewendet werden sollen, für die eine lineare Verstärkung erforderlich ist, dadurch gekennzeichnet,
dass die Sendeverstärker in EER-Technik-Envelope Elimination and Restaurationaufgebaut werden, um eine lineare Verstärkung mit hohem Wirkungsgrad zu erreichen,
dass die Sendeverstärker in EER-Technik für Hüllkurvensignal (A) und phasenmoduliertes Trägersignal (RF-P) getrennte Zweige aufweisen und die Laufzeitdifferenz zwischen beiden Zweigen soweit wie möglich ausgeglichen wird, um einen möglichst großen Schulterabstand für die Außerbandabstrahlung zu erreichen,
dass für die Übertragung digitale Modulationen angewendet werden, die im Vektordiagramm um den Punkt 0/0 ein Loch aufweisen und die Größe des Vektor-Loches so ausgelegt wird, dass für die Außerbandabstrahlung eine möglichst große Steilheit erreicht wird, und
dass der Amplitudengang für das Hüllkurvensignal durch einen gehobenen Kosinusverlauf so beeinflusst wird, dass ein sanfter Übergang vom Nutzkanal zum Außerbandbereich erreicht wird, damit im Außerbandspektrum Überhöhungen durch Höckerbildung vermieden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die digitale Modulation Einträgerverfahren vom Typ Offset-Modulationen oder codierte Modulationen angewendet werden können, die ein Loch im Vektordiagramm um den Punkt 0/0 aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die digitale Modulation Mehrträgerverfahren angewendet werden können und das Loch im Vektordiagramm dadurch eingebracht wird, dass ein gleichzeitiger Nulldurchgang für beide Basisbandsignale durch Aufsetzen eines Zusatzimpulses auf einen definierten Schwellwert verhindert wird.