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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zum Bearbeiten von Eingangssignalen von Verstärkern, insbesondere Leistungsverstärkern.
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Telekommunikationssender sind Nachbar Kanal
Leistungsanforderungen (ACP: adjacent channel-power) ausgesetzt,
was zur Folge hat, dass die Verstärkung der Leistung der zu übertragenden
Signale in einer extrem linearen Weise bearbeitet werden muss, d.
h. die durch die Leistungsverstärkung erzeugte
Verzerrung muss auf einem Minimum gehalten werden. Üblicherweise
wird ein Vorverzerrer in Verbindung mit einem Endverstärker eingesetzt,
um sicherzustellen, dass das Ausgangssignal des Letzteren linear
bleibt, und um somit den ACP-Erfordernissen zu genügen.
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Es ist wünschenswert, das Verhältnis von
der Spitzenleistung zu mittlerer Leistung eines Leistungsverstärkers in
einem Transmitter zu beschränken,
um die Effizienz der Verstärkung
zu verbessern. Üblicherweise
wird das Verhältnis
der Spitzenleistung zur mittleren Leistung („das Spitzen- zu Mittelverhältnis") beschränkt durch
das Begrenzen (clipping) der zu verstärkenden Signale. Es bestehen zwei
bekannte Möglichkeiten
zur Durchführung
der Begrenzung. Die erste Methode umfasst das Vorsehen einer HF
Begrenzungsschaltung mit niedriger Leistung (z. B. durch Verwendung
eines Paars von Dioden), die das Eingangs signal begrenzt. Die zweite
Methode besteht darin, den Leistungsverstärker sich sättigen zu lassen und damit
die Amplitude des Ausgangssignals zu begrenzen. Beide dieser Vorgehensweisen
bringen erhebliche Nichtlinearitäten
in die Verstärkungskennlinie
ein und reduzieren deshalb die Durchschnittsleistung, bei welcher
das Verstärkersystem
betrieben werden kann, während
es die ACP-Anforderungen erfüllt.
Im Ergebnis führt
dieses zu einer Reduzierung der Leistungseffizienz des Verstärkersystems
und einer Zunahme der erforderlichen Größe des Leistungsverstärkers, um
eine gegebene mittlere Ausgangsleistung zu erhalten.
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Aufgabe der Erfindung ist das Bereitstellen einer
besseren Weise zur Verstärkung
der Signale.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
eine Vorrichtung zum Aufbereiten eines Eingangssignals an einem
Verstärker,
die Signalverarbeitungsmittel umfasst zum Bearbeiten des Eingangssignals
in einem digitalen Bereich, wobei das Signalverarbeitungsmittel
zum Verzerren des Eingangssignals und ferner zum Begrenzen des Eingangssignals
angeordnet ist.
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Die Erfindung ermöglicht es damit, die Begrenzung
digital zu vollziehen, was bedeutet, dass weniger Störung erzeugt
wird. Ferner sieht die Erfindung vor, dass in einer Anordnung, bei
der digitale Signalverarbeitungsmittel zum Verzerren des Eingangssignals
eingesetzt werden, diese zusätzlich
die Begrenzung vornehmen können,
ohne die Notwendigkeit weiterer Bauteile oder Schaltungen. Da die Erfindung
den Umfang der erzeugten Verzerrung reduziert, wird ein größerer Anteil
der Systemleistung für
die Verstärkung
Soll-Signale verwendet im Gegensatz zu den unerwünschten Verzerrungsergebnissen.
Das bedeutet, dass die Gesamtwirkungsgrad des Verstärkungsvorganges
(einschließlich
des Begrenzungsvorganges) erhöht
wird mit dem Ergebnis, dass die Größe eines für ein festgesetztes Leistungserfordernis
erforderlichen Verstärkers
reduziert wird.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Eingangssignal ein Hochfrequenzsignal (HF) und die Vorrichtung
umfasst ferner Mittel, um die Frequenz des Eingangssignals abwärts zu mischen
bevor das Signalverarbeitungsmittel das Eingangssignal bearbeitet.
Vorteilhaft reduziert dieses die Taktrate oder Bearbeitungsgeschwindigkeit
des Signalverarbeitungsmittels. Alternativ kann das Eingangssignal
eine geringe Frequenz aufweisen, beispielsweise könnte es
ein Basisband-Signal sein, so dass das Signalverarbeitungsmittel
direkt mit dem Eingangssignal gespeist werden kann, d. h. ein Abwärtsmischen des
Eingangssignals ist nicht erforderlich.
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Die Vorrichtung kann zudem Mittel
zum Aufwärtsmischen
der Frequenz des Eingangssignals nach der Bearbeitung des Eingangssignals
durch die Signalverarbeitungsmittel umfassen. Diese können beispielsweise
eingesetzt werden, um das Eingangssignal aufwärts zu mischen, womit die Signalverarbeitungsmittel
mit einer für
die Übertragung
geeigneten Frequenz belassen wird.
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In einer Ausführungsform umfasst das Signalverarbeitungsmittel
einen digitalen Signalprozessor. In einer weiteren Ausführungsform
umfasst das Signalbearbeitungsmittel eine programmierbare Logikvorrichtung,
wie ein feldprogrammierbare Gatteranordnung (FPGA – Field
programmable gate array). Alternativ können die Signalverarbeitungsmittel
eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) umfassen.
Die Vorrichtung zur Aufbearbeitung eines Verstärkersignals kann in einem Sender
wie eine Telekommunikationsbasisstation eingesetzt werden.
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Anhand eines Beispiels wird nun ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben, in
denen:
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1 ein
Blockdiagramm eines linearisierten HF-Leistungsverstärkers darstellt;
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2 ein
Blockdiagramm eines digitalen linearisierten Transmitters darstellt;
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3 ein
Blockdiagramm eines linearisierten HF-Leistungsverstärkers mit einem Begrenzungsprozess
darstellt; und
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4 ein
Blockdiagramm des in 3 eingesetzten
Begrenzungsprozesses darstellt.
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Die 1 und 2 stellen zwei verschiedene Einsatzgebiete
dar, in denen die Linearisierung eines Hochfrequenzleistungsverstärkers (RF
PA Radio Frequency Power Amplifier) notwendig ist.
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1 zeigt
einen RF PA, der mit einem HF Eingangssignal gespeist wird. Wie
in 1 dargestellt ist,
wird das HF-Eingangssignal
auf eine Frequenz heruntergemischt, die von dem DSP handhabbar ist.
Das heruntergemischte Signal wird in den digitalen Bereich umgesetzt
und innerhalb des DSP vorverzerrt. Das vorverzerrte Eingangssignal
für den Verstärker wird
in einen analogen Bereich zurück
umgesetzt und hochgemischt auf eine gewünschte Übertragungsfrequenz (welche
dieselbe wie das ursprüngliche
HF-Eingangssignal sein kann) und wird an den RF PA weitergeleitet.
Der Vorverzerrungsvorgang innerhalb des DSP wirkt den Nicht-Linearitäten innerhalb
des RF PA entgegen, um die Verzerrung am HF-Ausgang des RF zu reduzieren.
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Das System gemäß 2 unterscheidet sich dadurch, dass das
Eingangssignal am Basis-Band liegt oder an einer digitalen Zwischenfrequenz
anstelle von HF. Das Eingangssignal könnte beispielsweise durch ein
Mobiltelefon versandte digitalisierte Sprache sein. Da das Eingangssignal
am Basis-Band liegt, ist ein Abwärtsmischen
nicht erforderlich und der DSP vorverzerrt das digitale Basisbandeingangssignal
unmittelbar. Der Ausgang der DSP wird in einen analogen Bereich
umgesetzt und aufwärts gemischt
bevor es an den RF PA angelegt wird. Der DSP-arbeitet zur Gegenwirkung
von Nichtlinearitäten
innerhalb des RF PA in ähnlicher
Weise, wie in Bezug auf 1 beschrieben
wurde.
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3 stellt
dar, wie ein Begrenzungsvorgang zu den durch den digitalen Signalprozessor vollzogenen
Aufgaben hinzugefügt
werden kann, der bereits vorgesehen ist, um eine digitale Vorverzerrung
vorzunehmen. 3 zeigt,
wie der Begrenzungsvorgang in den Ablauf von 1 eingebunden wird. Es ist für den zuständigen Fachmann
offensichtlich, wie der Begrenzungsvorgang in ähnlicher Weise in das System
gemäß 2 eingebunden werden könnte.
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Wie zuvor empfängt der digitale Signalprozessor
eine niederfrequente digitale Version des zu verstärkenden
Signals. Das Signal wird dem Begrenzungsprozess unterzogen (der
im Folgenden detaillierter beschrieben wird) und dann einem Vorverzerrungsprozess.
Das begrenzte und vorverzerrte Eingangssignal verlässt dann
den digitalen Signalprozessor und wird in ein analoges Signal bei
einer gewünschten Übertragungsfrequenz
umgewandelt und an den RF PA weitergeleitet. Der Ausgang des RF
PA wird abgetastet zum Erzeugen eines Rückkoppelungssignals zur Kontrolle
des Vorverzerrungsprozesses, der innerhalb des digitalen Signalprozessors vollzogen
wird. Die Frequenz des Rückkoppelungssignals
wird herunterkonvertiert bis zu einer Datenrate, die für den digitalen
Signalprozessor geeignet ist.
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Der Zweck des Begrenzungsvorgangs
liegt darin, die maximale Amplitude zu begrenzen, die von dem Eingangssignal
erreichbar ist. Wenn die Amplitude des Eingangssignals mittels des
Begrenzungsvorgangs unterhalb einer maximal erreichbaren durch den
Begrenzungsvorgang gesetzten Amplitude liegt, dann wird die Eingangssignalamplitude durch
den Begrenzungsprozess nicht verändert. Wenn
andererseits die Eingangssignalamplitude größer ist als die maximal erreichbare
durch den Begrenzungsvorgang gesetzten Amplitude, dann fungiert
der Begrenzungsvorgang, um die Amplitude des Eingangssignals gleichzusetzen
mit der maximal erreichbaren Amplitude. Die Operation des Begrenzungsvorgangs
wird zusammengefasst durch das folgende Pseudocodelisting: Wenn √I
2 + Q
2 > die Begrenzungsschwelle,
dann skaliere I- und Q-Signale so dass
sonst I' = I und Q' = Q
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Selbstverständlich setzt das vorgenannte Pseudocodelisting
voraus, dass das Eingangssignal im kartesischen Format mit einer
In-Phase-Komponente (I) und einer Quadraturkomponente (Q) ist.
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Das Blockdiagramm gemäß 4 beschreibt den Begrenzungsvorgang
von einer anderen Sichtweise, jedoch entsprechend mit der vorgenannten
Pseudocode-Beschreibung.
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Das Eingangssignal an den RF PA wird
an das Begrenzungsverfahren in kartesische Koordinaten übermittelt
(eine Umwandlung in dieses Format kann im Bedarfsfall vorgenommen
werden), von denen jedes mit einem Skalenfaktor multipliziert wird (an
entsprechenden Multiplikatoren 10 und 12) zum Erzeugen
eines begrenzten Eingangssignals mit den kartesischen Komponenten
I' und Q'. Es besteht eine Zeitverzögerung während die
entsprechenden Koeffizienten berechnet werden, so dass die I- und Q-Komponenten beide
einer Zeitverzögerung
ausgesetzt sind (14 bzw. 16) zum Sicherstellen,
dass die I- und Q-Komponenten zeitlich abgestimmt sind mit ihren
entsprechenden Begrenzungskoeffizienten bei den Multiplikatoren 10 und 12.
Um die Begrenzungskoeffizienten zu berechnen, werden die I- und
Q- Eingangskomponenten
abgegriffen und jeweils an einen entsprechenden Multiplikator (18 und 20)
weitergeleitet. Jeder der Multiplikatoren 18 und 20 quadriert
das erhaltene Signal. Die quadrierten I- und Q-Komponenten werden
bei 22 addiert und die Wurzel dieser Summe wird bei 24 berechnet.
Die Wurzel wird dann an einen Komparator 26 und einen Dividierer 28 weitergeleitet.
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Ein Register 30 enthält eine
Begrenzungsschwelle für
den Begrenzungsprozess. Der Begrenzungspegel ist im Bedarfsfall
wiederbeschreibbar und entspricht der maximalen erhaltbaren Amplitude, die
für den
Begrenzungsprozess einsetzbar ist. Bei dem Dividierer 28 wird
der Begrenzungspegel durch die durch das Element 24 bereitgestellte
Quadratwurzel dividiert. Das Ergebnis wird an den Schalter 32 weitergeleitet.
Der Schalter 32 arbeitet so, dass er entweder des Ausgang
des Dividierers 28 oder den Wert einer in einem Register 34 gehaltenen
Konstante als eine Begrenzungskoeffizient zur Verwendung durch die
beiden Multiplikatoren 10 und 12 liefert. Die Arbeitsweise
des Schalters 32 wird durch den Ausgang des Komparators 26 gesteuert.
Der Komparator 26 vergleicht die Quadratwurzel von Element 24 mit dem
Begrenzungspegel von dem Register 30. Wenn die Quadratwurzel
größer als
der Begrenzungspegel ist, dann operiert der Schalter zum Liefern
der Konstante als die Begrenzungskoeffizienten. Andernfalls wird
der Ausgang des Dividierers 28 als die Begrenzungskoeffizienten
geliefert.
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Obgleich die Ausführungsform einen digitalen
Signalprozessor zum Vollziehen der Begrenzung auf digitalem Gebiet
und des Vorverzerrungsprozesses einsetzt, wäre es für den Durchschnittsfachmann offensichtlich,
dass andere Vorrichtungen, wie ein FPGA, an dessen Stelle eingesetzt
werden könnten.
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Zusammenfassung
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Wenn ein DSP zum Vorverzerren des
Eingangs eines Hochfrequenzleistungsverstärkers in einer digitalen Domäne eingesetzt
wird, kann der DSP auch verwendet werden einen mathematischen Begrenzungsvorgang
an dem Eingangssignal vorzunehmen. Damit wird keine ungewünschte Verzerrung durch
den Begrenzungsvorgang eingebracht.
