DE19860097B4

DE19860097B4 - Schaltungseinrichtung, Verfahren zum Bereitstellen eines linearen Leistungsverstärkers und Verwendung einer Schaltungseinrichtung

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Publication number: DE19860097B4
Application number: DE19860097A
Authority: DE
Inventors: Pallab Schaumburg Midya; Lawrence E. Naperville Connell; Steven F. Roselle Gillig; John Libertyville Grosspietsch; Andrew Merritt Schaumburg Khan; George Francis Park Ridge Opas; Robert Louis Sunrise Palandech
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Google Technology Holdings LLC
Priority date: 1997-12-31
Filing date: 1998-12-23
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2018-12-24
Also published as: FR2773282A1; GB9824019D0; US6141541A; GB2338130B; FR2773282B1; GB2338130A; DE19860097A1

Abstract

Schaltungseinrichtung (122) für einen linearen RF-Leistungsverstärker (106) zum Erzeugen eines RF-Signals mit variabler Hüllkurve, mit
A) einer Hüllkurvenfolgeregelungseinheit (102), der ein Basisbandsignal zuführbar ist und die an den RF-Leistungsverstärker (106) eine Versorgungsspannung mit einem variablen Hüllkurvenverlauf des Basisbandsignals ausgibt, wobei die Hüllkurvenfolgeregelungseinheit enthält:
1) eine bandbreitenbegrenzende Abbildungseinheit (108), die aus dem ihr zugeführten Basisbandsignal ein Bezugssignal erzeugt, und
2) einen mit einer Stromquelle (120) verbundenen Hüllkurvennachlaufregelungsleistungswandler (110), der aus dem ihm zugeführten Bezugssignal eine variable Versorgungsspannung für den linearen RF-Leistungsverstärker (106) erzeugt;
B) einem RF-Signalgenerator (104), der aus dem ihm zugeführten Basisbandsignal und einem ihm zugeführten RF-Trägersignal durch Modulation des RF-Trägersignals mit dem Basisbandsignal ein RF-Eingangssignal mit Amplituden- und Phasenmodulation für den linearen RF-Leistungsverstärker (106) erzeugt, der daraus das verstärkte RF-Signal mit variabler Hüllkurve mit gleicher Amplituden- und Phasenmodulation wie das RF-Signal erzeugt und als RF-Ausgangssignal ausgibt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungseinrichtung, ein Verfahren zum Bereitstellen eines linearen Leistungsverstärkers und die Verwendung einer Schaltungseinrichtung, wie in der nachveröffentlichten DE 198 57 542 A1 offenbart.

Insbesondere betrifft die Erfindung Leistungsverstärker für Hochfrequenzsignale mit variabler Hüllkurve.

Getaktete Leistungswandler werden vielfach verwendet, um zwischen einer DC-(Gleichstrom) Quelle und einer Last zu wandeln sowie um zwischen langsam schwingenden AC-(Wechselstrom) Eingängen und Ausgängen zu verbinden. Diese Anwendungen stellen einen Betriebsmodus der getakteten Leistungswandler dar. Für den Zweck der Verbesserung der Effektivität von RF-(Hochfrequenz) Leistungsverstärkern wird eine variable Stromversorgung verwendet, um den Verstärker zu speisen. Der getaktete Leistungswandler, der die variable Stromversorgung darstellt, muß eine hohe Effektivität, ein sehr geringes Schaltrauschen, eine hohe Bandbreite und Anstiegrate besitzen. Dies stellt einen anderen Betriebsmodus für einen getakteten Leistungswandler dar. Durch die Verwendung von konventionellen Steuerungsschemen, die im wesentlichen für Gleichstromquellen und Lasten entwickelt wurden, können diese Ziele nur durch das Schalten mit einer Rate eingehalten werden, die viel höher als die Hüllkurvenbandbreite ist, was in einer geringeren Effektivität und EMI-(Elektromagnetische Störung) Problemen resultiert. Ein neues Verfahren und eine neue Einrichtung werden speziell für die Bereitstellung eines effektiven linearen Leistungsverstärkers benötigt, der ein Hochfrequenz-RF Signal mit variabler Hüllkurve erzeugt, das solche Probleme vermindert.

DE 42 06 352 A1 beschreibt einen Verstärker bei dem zur Erhöhung des Wirkungsgrades die Versorgungsspannung in ihrem zeitlichen Verlauf in Abhängigkeit vom Modulationssignal oder von der Einhüllenden des Nutzsignals nachgeführt wird. Bei kleineren Signalamplituden des Modulationssignals oder der Einhüllenden des Nutzsignals wird der Verstärker im linearen Arbeitsbereich betrieben; bei größeren Signalamplitudenwerten wird der Verstärker in die Kompression gesteuert.

DE 44 29 535 A1 beschreibt eine Sendeendstufe zum Verstärken von modulierten Sendesignalen, deren Phase und Amplitude in einer besonderen Beziehung zueinander stehen. Ein Leistungsverstärker verstärkt ein Zwischensignal mit konstanter Amplitude, das nur noch phasenmoduliert ist. Ein digitaler Signalprozessor erzeugt die Phasen- und Amplitudenbestandteile des zu verstärkenden Signals als getrennte Digitalsignale. Ebenfalls digital erfolgt der Vergleich des verstärkten Zwischensignals mit der momentanen Amplitude des modulierten Sendesignals und daraus die Ableitung eines Regelsignals zum Regeln der Versorgungsspannung des Leistungsverstärkers.

DE 36 36 865 A1 beschreibt eine Anordnung zur Linearisierung einer Senderendstufe, zum Beispiel eines Kurzwellensenders. Zwischen Hochfrequenz-Signalquelle und Endstufe wird ein steuerbares Dämpfungsglied geschaltet. Aus dem Signal der Signalquelle und aus dem Endstufen-Ausgangssignal wird jeweils ein Einhüllenden-Signal abgeleitet. Aus der Differenz der beiden Einhüllenden-Signale wird das Steuersignal für das steuerbare Dämpfungsglied erzeugt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungseinrichtung, ein Verfahren zum Bereitstellen eines linearen Leistungsverstärkers und eine Verwendung einer Schaltungseinrichtung zur Verfügung zu stellen, die die genannten Probleme des Standes der Technik zumindest teilweise überwinden.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.

1 ist ein Blockschaltbild einer Ausführung einer Einrichtung/Telefon/Tragbares/Funktelefon/Basisstation zur Verwendung eines RF-Signals mit variabler Hüllkurve in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, um einen effektiven linearen Leistungsverstärker bereitzustellen.

2 ist ein Ablaufdiagramm einer Ausführung von Schritten eines Verfahrens zur Verwendung eines RF-Signals mit variabler Hüllkurve in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, um einen effektiven linearen Leistungsverstärker bereitzustellen.

3 ist ein Ablaufdiagramm, das den Schritt der 2 der Verwendung einer bandbreitenbegrenzenden Abbildungseinheit in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung genauer zeigt.

4 ist ein Ablaufdiagramm, das den Schritt der 3 der Verwendung eines Leistungswandlers mit Hüllkurvennachlaufregelung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung genauer zeigt.

5 ist eine graphische Darstellung, die die genäherte Quadratwurzelfunktion, die für die Abbildung der Versorgungsspannungshüllkurve verwendet wird, mit der idealen Quadratwurzelfunktion vergleicht.

6 ist eine graphische Darstellung, die das ideale Hüllkurvenspektrum für ein 25 kHz QPSK-Signal zeigt.

7 ist eine graphische Darstellung, die das Spektrum der durch ein Polynom abgebildeten Funktion für das 25 kHz QPSK-Signal zeigt.

8 zeigt eine graphische Darstellung eines Diagramms der Modulatorausgangsspannung gegenüber der Eingangshüllkurvenspannung unter Verwendung der Polynomformung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.

9 zeigt eine graphische Darstellung einer Ausführung von Versorgungsspannung und RF-Eingangsspannung bezüglich der Zeit, wobei die Versorgungsspannung durch eine Polynomfunktion in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung geformt ist.

10 zeigt eine graphische Darstellung eines Vergleichs des Modulatorausgangsspektrums nach dem Stand der Technik und mit Polynomabbildung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.

11 zeigt eine graphische Darstellung eines Vergleichs des RF-Leistungsverstärkerausgangsspektrums nach dem Stand der Technik und mit Polynomabbildung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.

12 zeigt eine graphische Darstellung der Abbildung Hüllkurve auf Versorgungsspannung, die eine Spannungsbegrenzung für einen Leistungswandler und eine konstante Verstärkung für den RF-Leistungsverstärker MHW920 enthält.

13 zeigt eine graphische Darstellung der IM-(Intermodulation) Leistung des MHW913 für ein 10 kHz Zweiton-Signal mit Hüllkurvenfolgeregelung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.

14 zeigt eine graphische Darstellung der IM-(Intermodulation) Leistung des MHW913 für ein 10 kHz Zweiton-Signal mit Hüllkurvenfolgeregelung bei einer festen Versorgungsspannung.

Es folgt die detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform.
1, Numerierung 100, ist ein Blockschaltbild einer Ausführung einer Einrichtung/Telefon/Tragbares/Funktelefon/Basisstation zur Verwendung eines RF-Signals mit variabler Hüllkurve in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, um einen effektiven linearen RF-Leistungsverstärker (106) bereitzustellen. Eine effektive Hüllkurvenfolgeregelungseinheit (102) ist geschaltet, um ein Basisbandsignal zu empfangen und gibt eine Versorgungsspannung in Übereinstimmung mit einer variablen Hüllkurve des Basisbandsignals aus. Die effektive Hüllkurvenfolgeregelungseinheit (102) enthält: 1) eine bandbreitenbegrenzende Abbildungseinheit (108), die geschaltet ist, um das Basisbandsignal zu empfangen, zur Bestimmung eines Bezugssignals; und 2) einen Hüllkurvennachlaufregelungsleistungswandler (110), der geschaltet ist, um das Bezugssignal zu empfangen, und der an eine Stromquelle geschaltet ist, zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung an den linearen RF-Leistungsverstärker (106) in Reaktion auf das Bezugssignal. Ein RF-Signalgenerator (104) ist geschaltet, um das Basisbandsignal und ein RF-Trägersignal zu empfangen und liefert ein RF-Eingangssignal mit Amplituden- und Phaseninformationen an den linearen RF-Leistungsverstärker (106). Der lineare RF-Leistungsverstärker (106) ist an die effektive Hüllkurvenfolgeregelungseinheit (102) und an den RF-Signalgenerator (104) geschaltet und gibt ein leistungsmäßig effektives, verstärktes RF-Signal mit variabler Hüllkurve mit Amplituden- und Phaseninformationen aus, die im wesentlichen die gleichen sind, wie die des RF-Eingangssignals.
Die bandbreitenbegrenzende Abbildungseinheit (108) verwendet typischerweise eine Polynomabbildungsfunktion des Basisbandsignals, um ein implizit bandbegrenztes Signal bereitzustellen. Die Koeffizienten der Polynomabbildungsfunktion werden im allgemeinen ausgewählt, damit sie zumindest: eine im wesentlichen konstante Verstärkung für den linearen RF-Leistungsverstärker (106) aufrechterhalten, um die Phasenverschiebung zu reduzieren, die durch den linearen RF-Leistungsverstärker (106) eingebracht wird, um einen minimalen Wert der Versorgungsspannung für den linearen RF-Leistungsverstärker (106) zu begrenzen, oder um die Effektivität des linearen RF-Leistungsverstärkers (106) zu maximieren.
Die bandbreitenbegrenzende Abbildungseinheit (108) kann eine Polynomabbildungsfunktion eines Quadrats der variablen Hüllkurve des Basisbandsignals verwenden, um ein implizit bandbegrenztes Signal bereitzustellen.
Alternativ kann die bandbreitenbegrenzende Abbildungseinheit (108) eine transzendente Funktion der variablen Hüllkurve des Basisbandsignals verwenden, um ein bandbegrenztes Signal bereitzustellen – wobei die Funktion durch eine gerade mathematische Symmetrie gekennzeichnet ist.
In einer Ausführung kann zur Demodulation des verstärkten RF-Signals mit variabler Hüllkurve ein Demodulator (126) an den RF-Ausgang und an das RF-Trägersignal geschaltet sein und eine rückgekoppelte Linearisierungseinrichtung (124) kann zur Linearisierung des RF-Leistungsverstärkers (106) an den Demodulator (126) und an das Basisbandsignal geschaltet sein.
Der Hüllkurvennachlaufregelungsleistungswandler (110) enthält typischerweise eine rückgekoppelte Vorwärtsregelungssteuereinheit (112), eine Impulsbreitenmodulationseinheit (114) und einen Leistungswandler (116). Die rückgekoppelte Vorwärtsregelungssteuereinheit (112) ist an die bandbreitenbegrenzende Abbildungseinheit (108) geschaltet, und ist, wenn es vorgesehen ist, geschaltet, um zumindest ein Rückkopplungssignal zu empfangen. Die rückgekoppelte Vorwärtsregelungssteuereinheit (112) bestimmt ein optimales Steuerungssignal. Die Impulsbreitenmodulationseinheit (114) ist an die rückgekoppelte Vorwärtsregelungssteuereinheit (112) geschaltet, und wird für die Modifizierung einer Impulsbreite verwendet, um ein Schaltsignal mit konstanter Frequenz bereitzustellen. Der Leistungswandler (116) ist an die Impulsbreitenmodulationseinheit (114) und an die Stromversorgungsquelle (120) geschaltet und liefert ein variables Ausgangssignal an den linearen RF-Leistungsverstärker (106).
Im allgemeinen ist der lineare RF-Leistungsverstärker ein Verstärker der Klasse AB oder ein Verstärker der Klasse B.
Wenn vorgesehen, wird zumindest ein Rückkopplungssignal an die rückgekoppelte Vorwärtsregelungssteuereinheit (112) gesendet. Der Leistungswandler (116) kann ein Rückkopplungssignal und/oder ein Hüllkurvendetektor (118), der an den Ausgang des linearen RF-Leistungsverstärkers (106) geschaltet ist, kann ein Rückkopplungssignal an die rückgekoppelte Vorwärtsregelungssteuereinheit (112) liefern. Die bandbreitenbegrenzende Abbildungseinheit (108) kann eine Polynomabbildungsfunktion von I² plus Q² verwenden, die ein Quadrat der Hüllkurve das Basisbandsignals ist, um ein implizit bandbegrenztes Signal bereitzustellen.
Die Einrichtung (122) wird typischerweise in einem zellularen Telefon, einem Satellitentelefon, einem tragbaren Telefon, einem Funktelefon, einer Basisstation oder ähnlichem realisiert.
2, Numerierung 200, ist ein Ablaufdiagramm einer Ausführung von Schritten eines Verfahrens zur Verwendung eines RF-Signals mit variabler Hüllkurve in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, um einen effektiven linearen RF-Leistungsverstärker bereitzustellen. Das Verfahren enthält die folgenden Schritte: A) Verwendung (202) einer effektiven Hüllkurvenfolgeregelungseinheit, um eine Versorgungsspannung in Übereinstimmung mit einer variablen Hüllkurve eines Eingangsbasisbandsignals auszugeben, wobei die Verwendung der effektiven Hüllkurvenfolgeregelungseinheit beinhaltet: 1) die Verwendung einer bandbreitenbegrenzenden Abbildungseinheit, um auf der Grundlage des Basisbandsignals ein Bezugssignal zu bestimmen; und 2) Verwendung eines Hüllkurvennachlaufregelungsleistungswandlers, um in Reaktion auf das Bezugssignal an den linearen RF-Leistungsverstärker eine Versorgungsspannung auszugeben; B) Bereitstellung (204) eines RF-Eingangssignals mit Amplituden- und Phaseninformationen an einen linearen RF-Leistungsverstärker; und C) Verwendung (206) des linearen RF-Leistungsverstärkers, um ein leistungsmäßig effektives, verstärktes RF-Signal mit variabler Hüllkurve mit im wesentlichen der gleichen Amplituden- und Phaseninformation, wie das RF-Eingangssignal, auszugeben.
Wenn vorgesehen kann die Verwendung eines linearen RF-Leistungsverstärkers weiter die Bereitstellung (208) eines Hüllkurvendetektors enthalten, der an den Ausgang des linearen RF-Leistungsverstärkers geschaltet ist, um ein Rückkopplungssignal an den Hüllkurvennachlaufregelungsleistungswandler bereitzustellen.
Der lineare RF-Leistungsverstärker ist wiederum ein Verstärker der Klasse AB oder ein Verstärker der Klasse B.
Wie in 3, Numerierung 300, gezeigt, kann der Schritt von 2 der Verwendung einer bandbreitenbegrenzenden Abbildungseinheit in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung enthalten: die Benutzung (302) einer Polynomabbildungsfunktion des Basisbandsignals, um ein implizit bandbegrenztes Signal bereitzustellen; oder die Verwendung (304) einer Polynomabbildungsfunktion eines Quadrats der variablen Hüllkurve des Basisbandsignals, um ein implizit bandbegrenztes Signal bereitzustellen, oder die Benutzung einer mathematisch geraden, transzendenten Funktion der variablen Hüllkurve des Basisbandsignals, um ein implizit bandbegrenztes Signal bereitzustellen.
Wie in 4, Numerierung 400, gezeigt, enthält der Schritt der Verwendung eines Hüllkurvennachlaufregelungsleistungswandlers von 2 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung typischerweise: A) die Benutzung (402) einer rückgekoppelten Vorwärtsregelungssteuereinheit, wobei die rückgekoppelte Vorwärtsregelungssteuereinheit an die bandbreitenbegrenzende Abbildungseinheit geschaltet ist, und wenn es vorgesehen ist, zumindest ein Rückkopplungssignal zur Bestimmung eines optimalen Steuerungssignals in Übereinstimmung mit einem vorbestimmten Schema empfängt; B) die Benutzung (404) einer Impulsbreitenmodulationseinheit, wobei die Impulsbreitenmodulationseinheit zur Modifizierung einer Impulsbreite an die rückgekoppelte Vorwärtsregelungssteuereinheit geschaltet ist, um ein Schaltsignal mit konstanter Frequenz bereitzustellen, und C) die Benutzung (406) eines Leistungswandlers, wobei der Leistungswandler zur Bereitstellung der Versorgungsspannung an den linearen RF-Leistungsverstärker an die Impulsbreitenmodulationseinheit und die Stromquelle geschaltet ist. Der lineare RF-Leistungsverstärker ist im allgemeinen ein Verstärker der Klasse AB und ein Verstärker der Klasse B.
Ein Rückkopplungssignal kann durch den Leistungswandler an die rückgekoppelte Vorwärtsregelungssteuereinheit bereitgestellt werden oder ein Hüllkurvendetektor, der an den Ausgang des linearen RF-Leistungsverstärkers geschaltet ist, kann alternativ ein Rückkopplungssignal an die rückgekoppelte Vorwärtsregelungssteuereinheit bereitstellen. In einer weiteren Ausführung können beide Rückkopplungssignale benutzt werden.
In einer bevorzugten Ausführung enthält der Schritt der Verwendung der bandbreitenbegrenzenden Abbildungseinheit im allgemeinen die Verwendung einer Polynomabbildungsfunktion von I² plus Q², die das Quadrat einer Hüllkurve des Basisbandsignals ist, um ein implizit bandbegrenztes Signal bereitzustellen.
Die Hüllkurvenfolgeregelung ist durch eine variable Stromversorgung für den linearen RF-Leistungsverstärker gekennzeichnet, und durch ein RF-Eingangssignal, das nicht modifiziert ist, und sowohl Phasen- als auch Amplitudeninformationen enthält. Da die Stromversorgung die Ausgangsamplitude nicht direkt bestimmt, kann die Versorgungsspannung gewählt werden, um die Leistungseffektivität und/oder die RF-Verzerrungsleistung zu optimieren.
Um eine verbesserte spektrale Leistungsfähigkeit bei gleichbleibender Effektivität zu erzielen, wird eine Abbildungsfunktion oder Transformation verwendet. Die Funktion wird abgeleitet durch Betrachtung des komplex zusammengesetzten Eingangssignals im Cartesischen Format: Vi(t) = I(t) × cos ωct + jQ(t) × sin ωct (1)wobei I(t) und Q(t) bandbegrenzte Basisbandquadratursignale sind. Die Hüllkurve von V_i(t) ist gegeben durch:
da I(t) und Q(t) bandbegrenzt sind, sind I²(t) und Q²(t) ebenfalls bandbegrenzt. Aufgrund der Quadratwurzeloperation jedoch, die mit der Erzeugung der Hüllkurve verbunden ist, hat die Funktion v_e(t) im allgemeinen ein extrem breites Spektrum. Polynomfunktionen gerader Ordnung der Variablen v_e(t) – die bandbegrenzte Potenzen von (I²(t) + Q²(t)) erzeugen – können auf die Hüllkurvenfunktion angewendet werden, um die Auswirkungen der spektralen Ausbreitung der Quadratwurzeloperation zu reduzieren. Terme ungerader Ordnung mit einer Ordnung größer als Eins liefern ebenfalls eine Verbesserung des reinen Hüllkurvensignals, aber nicht in dem Ausmaß wie dies die Terme mit gerader Ordnung tun, und erzeugen demzufolge ein breiteres Spektrum, als Terme gerader Ordnung. Zusätzlich zu den Problemen der Belegung des Spektrums ist die Berechnung der Quadratwurzelfunktion rechentechnisch aufwendig. Deshalb werden alternative Verfahren benötigt, um das Hüllkurvensignal zu erzeugen.
In 5, Numerierung 500, wird die genäherte Quadratwurzel (504), die für die Abbildung der Versorgungsspannungshüll kurve verwendet wird, mit der idealen Quadratwurzelfunktion (502) verglichen. Der folgende Abschnitt zeigt eine Analyse einer Polynomabbildungsfunktion, die die ideale Quadratwurzelfunktion auf die genäherte Quadratwurzel abbildet.
Es wird definiert, daß die Versorgungsspannung des RF-Leistungsverstärkers y sei. Die Berechnung einer Quadratwurzel ist eine rechentechnisch aufwendige Operation. Aus diesem Grund kann die Versorgungsspannung als eine Funktion der quadrierten Hüllkurve berechnet werden. Versorgungsspannung = y = f(x2) (3)
Es wird eine Polynomabbildungsfunktion der vierten Ordnung der quadrierten Hüllkurve betrachtet. Da die Basisband-(I, Q) Signale auf F_Kanal bandbegrenzt sind, würde die Bandbreite der Versorgungsspannung in diesem Fall auf 8(F_Kanal) begrenzt sein. y = a0 + a2x2 + a4x4 + a6x6 + a8x8 (4)
Der Fehler in der Versorgungsspannung im Vergleich zur idealen Quadratwurzel ist wie folgt: Der quadratische Durchschnittsfehler ist als die Kostenfunktion J definiert. Als Wichtungsfunktion wird die Potenz des Fehlersignals ausgewählt, da die Außerbandleistung minimiert werden soll. J = ∫(error)2dt (5)
Diese Kostenfunktion wird durch die Auswahl der geeigneten Polynomkoeffizienten minimiert.
Obwohl sich die Basisbandsignale (I, Q) zeitlich verändern, sind die zugehörigen statistischen Daten zeitlich nicht veränderlich. Mit anderen Worten wird die Bedingung der Ergodizität auf diese Analyse angewendet. Unter dieser Bedingung kann eine große Abtastung der Daten verwendet werden, um alle statistischen Informationen über den Vorgang vorherzusagen. Ein Großteil der Daten wird typischerweise verwendet, um die Polynomkoeffizienten zu optimieren.
Durch die Differenzierung unter dem Integralzeichen werden die folgenden Gleichungen erhalten:
Die Terme höherer Ordnung, die folgen, können in einer ähnlichen Weise berechnet werden. Die Basisbanddaten (I, Q) sind gewöhnlich in abgetastetem Format (Meßwerte) verfügbar. Deswegen werden die Integrale auf die Summierung reduziert. Wird eine große Anzahl diskreter Datenpunkte verwendet, werden die Werte für die Polynomkoeffizienten durch das Lösen eines Gleichungssystems gewonnen. Obgleich die Analyse hier für ein Polynom vierter Ordnung der quadrierten Hüllkurve durchgeführt wurde, erstreckt sich das Verfahren auf ein Polynom beliebiger Ordnung. Die Ergebnisse können wie folgt zusammengestellt werden.
Die Werte für die Elemente der Matrix C lauten wie folgt. C(i, j) = Σx2(i+j–2) (11)
Die Werte der Elemente des Vektors D lauten wie folgt. D(i, j) = Σx(2i–1) (12)
Nachdem die Polynomkoeffizienten berechnet wurden, wird die Versorgungsspannung in Form der quadrierten Hüllkurve berechnet. Die Anzahl der Additions- und Multiplikationsoperationen kann durch die Faktorisierung des Polynoms weiter reduziert werden. Es ist jedoch möglich, daß einige der Polynomkoeffizienten komplex sind.
Der vorliegende Beispielfall ist ein 25 ksps QPSK System, wobei die Basisbanddaten bei 400 ksps abgetastet werden. Die Amplituden werden von Null bis Eins normiert. In diesem Fall sind die Wurzeln des Polynoms 1,5035, 0,4931 + 0,78021, 0,4931 – 0,78021 und –0,0272. Die Berechnung der Hüllkurve zur Abbildung der Versorgungsspannung ist wie folgt. y = (x2 + r1)(x2 + r2)(k2x4 + k1x2 + k0) (13)
Das Polynom nähert sich der Quadratwurzel sehr gut an. Die kleine Differenz zwischen den zwei Signalen resultiert jedoch aus einer großen Differenz in der Bandbreite der Signale. Diese Differenz wird in den spektralen Darstellungen der idealen Eingangshüllkurve und der polynom abgebildeten Hüllkurve (602) in 6, Numerierung 600, bzw. 7, Numerierung 700, deutlich gezeigt. Das hier verwendete Signal ist ein 25 ksps QPSK-Signal, das in einer Anwendung von satellitengestützten Telefonteilnehmer benutzt wird.
Hier ist die Potenz des Fehlers minimiert worden. Andere Funktionen können durch Verwendung des gleichen Algorithmus minimiert werden. Dies würde offensichtlich in anderen Polynomkoeffizienten resultieren. Der hier gelehrte Algorithmus kann jedoch ohne Änderungen verwendet werden. Es ist interessant anzumerken, daß der zur Hüllkurve proportionale lineare Term vollständig eliminiert worden ist. Dies ist eine wesentliche Abweichung vom gesamten Stand der Technik, der diesen linearen Term nur für die Versorgungsspannungs- und Vorspannungsmodulation verwendet.
Eine praktische Anwendung dieser Technik wird für einen Leistungsverstärker einer Basisstation erläutert, bei dem eine verbesserte Leistungseffektivität durch die Anwendung der Versorgungsspannungsmodulation erwünscht ist, während eine weitere wichtige Forderung die Aufrechterhaltung von sehr niedrigen Pegeln des Senderrauschens in benachbarten Kanälen ist, die sich in relativ breiten Abständen von der Trägerfrequenz befinden. Die grundlegende Betriebsforderung beim Erreichen von geringen Rauschpegeln bei der Verwendung der Versorgungsspannungsmodulation besteht in der Vermeidung eines breiten Spektrums des Versorgungsspannungsmodulationssignals. Der Grund dafür besteht in der mangelhaften Wirkung des Multiplizierers, der in einem typischen realen RF-Leistungsverstärker bereitgestellt wird, wenn seine Versorgungsspannung moduliert wird – entweder wird der Verstärker in einem EER-Modus mit einem phasenmodulierten RF-Eingang mit konstanter Hüllkurve betrieben, oder in einem hüllkurvenfolgegeregelten Modus der Klasse AB mit einem vollständig zusammengesetzten Eingang, der sowohl Phasen- als auch Amplitudenabweichungen besitzt. Dies führt zu einer Abbildung des Eingangshüllkurvensignals wie dies vorher erläutert worden ist, um die spektrale Spreizung umzukehren, die durch die Hüllkurvenerzeugung oder den Hüllkurvenerkennungsvorgang erzeugt wurde. Die Abbildung kann in einer Schaltung, in der Software oder in einer Verweistabelle erfolgen.
Eine Polynom-Reihenfunktion von Potenzen der quadrierten Hüllkurve – oder alternativ von Potenzen gerader Ordnung der Hüllkurve selbst – werden für die Abbildung verwendet. Wie vorher gezeigt worden ist, kann ein Polynom vierter Ordnung (Hüllkurve in der achten Potenz) hergestellt werden, um mit dem Quadratwurzelverhalten eines idealen Hüllkurvendetektors eng übereinzustimmen. Es können jedoch Abwägungen bei der Anzahl der Terme in den Folgen getroffen werden, und wie eng die Übereinstimmung in speziellen Teilen des Verhaltens ist. Es wird bei diesem Beispiel angenommen, daß ein lineares Verhalten über einen wesentlichen Teil des dynamischen Bereichs der Eingangshüllkurve vorgezogen wird, denn das gewährleistet in diesem Abschnitt einen im wesentlichen konstanten Pegel der Verstärkungskompression. Würde ein Polynom höherer Ordnung verwendet werden, könnte eine sehr genaue Übereinstimmung erreicht werden herunter bis zu einem Eingang und Ausgang nahe Null. Wenn dies getan würde, wäre jedoch das Basisbandspektrum der abgebildeten Hüllkurve n/2-Mal breiter als das Spektrum der quadrierten Hüllkurve, wobei n geradzahlig und gleichzeitig die Ordnung des Polynoms ist. Ein besonders breites Spektrum, das durch die Abbildung erzeugt wird, würde negative Folgen für die geforderte Bandbreite und Anstiegsrate des Leistungswandlers des Modulators haben, ebenso wie für die Bandbreite von jeder Art Linearisierungssystem, das gleichzeitig mit dem Modulator verwendet werden könnte. Eine wesentliche Reduzierung der benötigten Ordnung des Polynoms übereinstimmend mit adäquater Folgeregelung des linearen Verhaltens – zusammen mit einer entsprechenden Verminderung im abgebildeten Spektrum – kann durch die Erkenntnis erreicht werden, wo die enge Folgeregelung des linearen Verhaltens gelockert werden kann.
Der kritischste Teil des Hüllkurvensignals im Hinblick auf die Leistungseffektivität sind näherungsweise die oberen drei Viertel des gesamten dynamischen Bereichs der Hüllkurve von 0 Volt bis zur Spitzenversorgungsspannung. Bei einem Viertel der Spitzenversorgungsspannung zum Beispiel wird ein Maximum von nur 6,25 der Spitzenleistung an den Leistungsverstärker gegeben. Gemittelt über die statistischen Daten von typischen Modulationssignalen, haben Leistungsineffektivitäten bei diesen Pegeln einen geringen Einfluß auf die Gesamtleistungsfähigkeit des Leistungsverstärkers. Das Polynom kann deswegen von der ideal linearen Abbildung im unteren Viertel des dynamischen Bereichs abweichen, um die Darstellung zu vereinfachen. Bei der vorgeschlagenen Polynomfunktion würde ein linearer Term oder ein Term erster Ordnung eine direkte Übersetzung des breiten Hüllkurvenspektrums auf die abgebildete Hüllkurve darstellen und wird deswegen ausgeschlossen. Koeffizienten aus Termen höherer Ordnung werden ausgewählt, damit sie verursachen, daß die Funktion oberhalb eines Schwellenwertpegels (zum Beispiel ein Viertel der Spitzenversorgungsspannung) für eine optimale Effektivität und RF-Verzerrung ein lineares Verhalten verfolgt, obwohl eine begrenzte Anzahl von Termen geradzahliger Ordnung aus bereits dargelegten Gründen bevorzugt wird.
Um das Demonstrationsbeispiel fortzusetzen, die Hüllkurve wird durch ein Polynom sechster Ordnung der folgenden Form abgebildet: Vm(t) = 1 – k(1 – a1v2e (t) + a2v4e (t) – a3v6e (t)) (14) wobei k die maximale negative Abweichung vom Spitzenversorgungsspannungspegel von 1,0 darstellt und a₂ bis a₆ die Koeffizienten des Polynoms sind. Die Koeffizienten können in einer vereinfachten quasi-empirischen Weise durch das Einsetzen von drei Kriterien für die Anpassung des klassischen linearen Verhaltens wie folgt bestimmt werden:

1) vm(t) = 1 wenn ve(t) = 1, (15)
2) dvm(t)/dve(t) = 1 wenn ve(t) = 1, und (16)
3) vm(t) = x wenn ve(t) = x (17)

_e

a2 – a4 + a6 = 1 (18)

a2 – 2a4 + 3a6 = 1/2k (19)

a2 – a4x2 + a6x4 = (k + x – 1)/kx2 (20)

Ein Beispiel wird in 8, Numerierung 800, gezeigt, wo v_m(t) gegenüber v_e(t) für k = 0,8 und x = 0,68 dargestellt ist. Oberhalb einer normierten Eingangshüllkurvenspannung von ungefähr 0,32 Volt verfolgt das Polynomverhalten (802) das klassische lineare Hüllkurvenmodulatorverhalten (804) sehr eng, wodurch die gleiche Leistungsfähigkeit gewährleistet wird und die durch die Versorgungsspannung induzierte RF-Verzerrung wirkt in diesem Abschnitt als das lineare Verhalten. Unterhalb 0,32 Volt liefert das Polynomverhalten (802) im Vergleich zum linearen Verhalten (804) eine höhere Spannung an den Leistungsverstärker. Obwohl es in diesem Abschnitt eine Verschlechterung der Leistungsfähigkeit gibt, ist die zusätzliche Leistung, die verbraucht wird, sehr klein im Vergleich mit der Gesamtleistung, die durch den Leistungsverstärker über den gesamten dynamischen Modulationsbereich verbraucht wird. Als ein Ergebnis wird sich die Effektivität eines Leistungsverstärkers, der durch die transformierte Hüllkurve moduliert wird, im Vergleich zur Modulation durch ein klassisches lineares Modulationsverhalten sehr wenig verschlechtern.
Obwohl eine Polynomrealisierung der sechsten Ordnung beschrieben wird, ist klar, daß die Lösung allgemeingültig ist. Es könnte beispielsweise ein Verhalten vierter Ordnung verwendet werden, obwohl es eine größere Verschlechterung in der Genauigkeit der Folgeregelung als das Verhalten sechster Ordnung und eine konsequente Verschlechterung der Effektivität und der RF-Verzerrung haben würde. Speziell beschränkte, transzendente Funktionen, die durch eine gerade Symmetrie im Hinblick auf ihr Argument gekennzeichnet sind, zum Beispiel könnten Kosinus-, hyperbolische Secant-Funktionen, bestimmte elliptische und Besselfunktionen sowie Potenzreihen dieser Funktionen ebenfalls verwendet werden. Eine gerade Symmetrie ist eine Bedingung, denn das entspricht dem Fehlen eines linearen Terms. Schließlich könnten alle diese Lösungen der Beschreibung der Abbildungsfunktion als eine Polynomreihe gerader Ordnung ausgedrückt werden. Terme ungerader Ordnung könnten, obwohl sie nicht erwünscht sind wegen des zusätzlichen Spektrums, das sie einführen, im Polynom ebenfalls nützlich verwendet werden. Genau gesagt, der Term erster Ordnung oder der lineare Term, der gewöhnlich im Stand der Technik geschildert wird, wird in der Abbildungsfunktion nicht verwendet, denn er liefert eine direkte Übertragung des breiten Hüllkurvenspektrums auf das Modulationssignal des Leistungsverstärkers.
In einer bevorzugten Ausführung wird die Polynomform der Hüllkurvenmodulationsabbildungsfunktion gekennzeichnet durch:

1) der Funktion fehlt ein linearer Term oder Term erster Ordnung;
2) die Funktion enthält nur Terme geradzahliger Ordnung und eine Versatzkonstante; und
3) die Ordnung der Funktion ist minimal, wird aber ausgewählt, um einen bestimmten Pegel von Effektivität und RF-Verzerrung zu gewährleisten.

9, Numerierung 900, zeigt eine graphische Darstellung einer Ausführung, wobei die Hüllkurve der RF-Eingangsspannung (902) für ein Zweiton-Signal und die resultierende Versorgungsspannung (904) zeitlich dargestellt sind, wobei die Versorgungsspannung durch eine Polynomfunktion sechster Ordnung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung abgebildet ist.
10, Numerierung 1000, zeigt die dramatische Reduzierung des Frequenzgehalts einer konventionellen Zweiton-Hüllkurve (1002) verglichen mit der gleichen Hüllkurve, die durch Polynomabbildung (1004) in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung bearbeitet wurde.
11, Numerierung 1100, zeigt die entsprechenden Spektren bei der RF-Trägerfrequenz für eine Computersimulation, die hergestellt wurde, indem ein Leistungsbaustein des Motorola Modells MRF839 verwendet wurde, der in einem Hüllkurvenfolgeregelungsmodus der Klasse AB arbeitet. Die Anwendung einer konventionellen Zweiton-Hüllkurve auf den Versorgungsspannungsanschluß der Schaltung resultiert in einem sehr breiten Spektrum bei der Trägerfrequenz (1102). Die Kollektorleistung betrug für diesen Fall 69,2%. Es gibt eine sehr ausgeprägte Reduzierung bei Anteilen mit weitem Versatz jenseits 30kHz (1104), wenn das gleiche Hüllkurvensignal durch eine Polynomabbildung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verarbeitet wird. Die Kollektorleistung vermindert sich in diesem Fall leicht auf 67,5%. Dieses Beispiel erläutert, daß die Modulationsabbildung eine Versorgungsspannungsmodulation mit einem günstigen Spektrum der abgeschalteten Kanäle gewährleistet, während eine minimale Verschlechterung der Leistung eintritt. Während die Abbildung in wesentlichen Verbesserungen des weiten Versatzspektrums resultiert, werden die näherliegenden Anteile im wesentlichen nicht beeinflußt. Konventionelle Linearisierungstechniken wie beispielsweise Rückkopplung oder Vorverzerrung können jedoch verwendet werden, um diese Anteile genauso zu reduzieren. Die Hüllkurvenabbildung gewährleistet ebenfalls einen zusätzlichen Vorteil in diesem Szenario durch die Reduzierung der Bandbreite der Verzerrungsprodukte des Leistungsverstärkers, wodurch die Bandbreitenanforderungen des Linearisierungssystems vermindert werden. Noch ein weiterer Vorteil der Hüllkurvenabbildung, die eine Abweichung von der Nachlaufregelung bei geringen Eingangssignalen einschließt, besteht in einer Reduzierung nicht nur in der Modulatorbandbreite sondern auch in den Anforderungen an die Anstiegsrate.
Das obige Beispiel, das die Möglichkeit der Abweichung von der Nachlaufregelung des Hüllkurvenverhaltens herunter bis Null Volt erläutert, besitzt Vorteile über die Reduzierung von Emissionen mit weitem Versatz und der Reduzierung der Modulatorbandbreite und der Anforderungen an die Anstiegsrate hinaus. Bestimmte Klassen von Leistungswandlern sind im Bereich der Ausgangsspannungen, die sie erzeugen können, begrenzt. Ein Zusatzverstärker kann beispielsweise Spannungen erzeugen, die größer als die Eingangsgleichspannung sind. Deswegen muß die Hüllkurve zur Versorgungsspannungsabbildung, die bei diesem Verstärkertyp verwendet wird, einen unteren Grenzwert haben, der gleich der Eingangsgleichspannung ist.
Wenn ein wesentlich tieferer Grenzwert bei den abgebildeten Ausgängen angelegt wird, werden im Ausgang der Abbildung Hüllkurve-Versorgungsspannung schroffe Übergänge erzeugt. Dies hat unerwünschte Hochfrequenzkomponenten zur Folge.
Dieses Problem kann durch die folgende Verwendung der Polynomabbildung gelöst werden. Es wird eine idealisiert lineare Abbildung der Hüllkurve auf die Versorgungsspannung gewählt. Die untere Begrenzung wird dann in diese Abbildungsfunktion eingesetzt. Dies hat eine stückweise lineare Funktion zur Folge. Ein Fehlerquadratabschätzer kann verwendet werden, um die stückweise lineare Funktion durch ein Polynom geradzahliger Ordnung der Basisbandhüllkurve anzunähern. So erhält man ein Polynom von (I² + Q²).
Dieses Verfahren gestattet die Verwendung von Zusatzverstärkern für Hüllkurvenfolgeregelungsanwendungen. Es hat bei zellularen Telefonen und anderen tragbaren Datenübertragungssystemen eine Hinwendung zu geringeren Batteriespannungen gegeben. In Zukunft wird eine weitere Verminderung dieser Spannung erwartet, weil ein Einzelzellenbatteriesystem angestrebt wird. In diesem Zusammenhang ist die Fähigkeit, einen einfachen Zusatzwandler für die Hüllkurvenfolgeregelung zu verwenden, von beträchtlichem Vorteil. Der RF-Leistungsverstärker könnte dann bei einer höheren Versorgungsspannung als der Batteriespannung betrieben werden. Dies würde die Verwendung von RF-Leistungsverstärkern mit höherer Spannung gestatten, die geringere Kosten und eine höhere Effektivität haben und die momentan leicht verfügbar sind.
Die Linearität eines linearen RF-Leistungsverstärkers kann durch seine Verstärkungs- und Phasenabweichung in Reaktion auf Amplitudenabweichungen gekennzeichnet werden. Wenn demzufolge ein Verstärker eine geringe Verstärkungs- und Phasenveränderung in Reaktion auf den gesamten Bereich der angelegten Amplituden besitzt, hat er eine hohe Linearität. Dies hat ein Spektrum zur Folge, das minimal gekoppelte Leistung auf die benachbarten Kanäle (oder Nachbarkanalstörungen) erzeugt. In den meisten Funksystemen gibt es strenge Begrenzungen des Betrags der Nachbarkanalstörungen mit benachbarten Kanälen, was strenge Begrenzungen der Verstärkungs- und Phasenveränderungen zur Folge hat, die in einem RF-Leistungsverstärker erlaubt sind.
Für jeden RF-Leistungsverstärker ist die Linearität ein kritisches Problem. Wenn das Modulationsformat ausgewählt worden ist, besteht der Weg zur Verbesserung der Linearität in der Verbesserung des RF-Leistungsverstärkers. Alternative Verfahren zur Verbesserung der Linearität schließen die Vorverzerrungs- und Rückkopplungslinearisierung ein. Leider erhöhen alle diese Verfahren den Energieverbrauch und vermindern die Effektivität. Im Zusammenhang mit einem Hüllkurvenfolgeregelungssystem kann die Wahl der Abbildung Hüllkurve-Versorgungsspannung den Betrag der Verstärkungs- und Phasenveränderung beeinflussen. Die Phasenveränderung für typische RF-Leistungsverstärker erhöht sich zum Beispiel dramatisch, wenn sich die Versorgungsspannung Null nähert. Dies ist leider in vielen Modulationsschemen der Fall, die die Hüllkurve des RF-Signals verwenden, um ein proportionales Versorgungsspannungsmodulationssignal zu erzeugen... Wenn die Versorgungsspannung zur Hüllkurve einfach proportional ist, wie dies für den Stand der Technik typisch ist, werden daraus große Phasenveränderungen über den RF-Leistungsverstärker resultieren. Die Folgen schließen erhöhte Nichtlinearität und Nachbarkanalstörungen ein. Um diese Folgeerscheinungen zu vermeiden, sind Null-Vermeidungstechniken entwickelt worden, die verhindern, daß sich die RF-Hüllkurve der Null annähert. Dies löst das Linearitätsproblem auf Kosten einer wesentlichen Erhöhung der Systemkomplexität.
Die oben beschriebene verbesserte Abbildung Hüllkurve-Versorgungsspannung für einen Zusatzverstärker kann ohne Veränderung der Hüllkurve des RF-Signals die Null-Vermeidung verwenden. Hier wird der Hüllkurve des RF-Signals gestattet, auf Null zu gehen, aber die Versorgungsspannung wird daran gehindert, ihr zu folgen. Dies ist tatsächlich eine Null-Vermeidungsstrategie für Hüllkurvenfolgeregelungssysteme. Wie in dem Beispiel der Basisstation gezeigt wurde, gibt es eine vernachlässigbare Differenz im Energieverbrauch durch den RF-Leistungsverstärker, die mit der Null-Vermeidung zusammenhängt. Deswegen erfolgt die erreichte Linearitätsverbesserung nicht auf Kosten des Energieverbrauchs.
Es ist ebenfalls möglich, die Verstärkungsabweichungen zu begrenzen, indem andere geeignete Abbildungen Hüllkurve-Versorgungsspannung verwendet werden. Die Verstärkung des RF-Leistungsverstärkers ist eine Funktion der RF-Eingangssignalhüllkurve und der Versorgungsspannung. Es wird ein Cartesisches Koordinatensystem mit der Signalhüllkurve und der Versorgungsspannung als Achsen betrachtet. In dieser Ebene wird die Ortskurve von Punkten für konstante Verstärkung gezeichnet. Dieser Verlauf kann als eine stückweise lineare Funktion für die Abbildung Versorgungsspannung-Hüllkurve interpretiert werden. Diese stückweise lineare Funktion kann wiederum als ein Polynom der quadrierten Hüllkurve angenähert werden.
In 12, Numerierung 1200, ist die Abbildung Hüllkurve-Versorgungsspannung (1202), die sowohl eine Spannungsbegrenzung zur Vereinfachung eines Zusatzverstärkers als auch eine konstante Verstärkung für den RF-Leistungsverstärker MHW920 enthält, graphisch dargestellt. Die Abbildung ist eine Kurve, die mit Datenpunkten konstanter Verstärkung übereinstimmt (1204). Dies ist ein RF-Leistungsverstärker, der entworfen wurde, um bei einer nominalen Versorgungsspannung von 6 Volt zu arbeiten. Ein Zusatzverstärker, der die gezeigte Abbildung Hüllkurve-Versorgungsspannung benutzt, kann verwendet werden, um diesen Leistungsverstärker mit einer 3,6 Volt Batterie zu betreiben. Dies würde wesentliche Energieeinsparungen zur Folge haben, da der Übergang zu einer Batterie mit geringerer Spannung ermöglicht wird. Hier ist ein Polynom mit geringer Ordnung für die Abbildung ausgewählt worden, das die Bandbreitenanforderungen der Versorgungsspannung weiter begrenzt.
Die bevorzugte Ausführung der Polynomabbildungsfunktion besteht in digitaler Hardware. In diesem Zusammenhang wird die Abbildungsfunktion durch Veränderung der Polynomkoeffizienten leicht geändert. Für einen RF-Leistungsverstärker und ein Modulationsschema, die vorgegeben sind, gibt es ein spezielles Polynom, das in dem am meisten linearen Betrieb resultieren würde. Es wäre vorteilhaft, das Funkgerät mit den Polynomkoeffizienten für dieses spezielle Polynom zu betreiben.
Die Koeffizienten sind programmierbar und können im Herstellungsbetrieb als Teil eines Vorgangs, der Phaseneinstellung des Funkgerät genannt wird, manuell abgestimmt werden. Dies ist zur Abstimmung bestimmter kritischer Eigenschaften in einem Funkgerät allgemein üblich. Die Polynomkoeffizienten können ebenfalls auf dem Arbeitsfeld programmiert werden, um Veränderungen in den Charakteristiken des RF-Leistungsverstärkers zu kompensieren, die sich mit der Temperatur verändern. Dies könnte auf die Abstimmung der Polynome auf die beste Linearität erweitert werden.
Wenn es im Funkgerät wesentliche Abweichungen infolge von Alterung, Temperaturveränderungen, Lastfehlanpassung und anderen Parameterveränderungen gibt, kann es erforderlich sein, die Polynomkoeffizienten dynamisch anzupassen. Für diesen Abstimmungsvorgang wird hier ein Gradientenalgorithmus vorgeschlagen.
Ein Vorteil der dynamischen Abstimmung besteht in der Minimierung des Energieverbrauchs. Die gegenwärtige Praxis besteht darin, RF-Leistungsverstärker mit einer Linearität zu entwerfen, die im Normzustand weit oberhalb der Spezifikation liegt, damit die Linearitätsspezifikationen unter Worst-Case-Bedingungen erfüllt werden. Dies resultiert in einem höheren Energieverbrauch unter Normbedingungen. Jede dynamische Abstimmung der Versorgungsspannung würde eine Optimierung sowohl der Linearität als auch des Energieverbrauchs über den gesamten Bereich der Betriebsbedingungen ermöglichen.
Beim Stand der Technik kann das System ein Rückkopplungslinearisierungsverfahren einführen, um einen RF-Leistungsverstärker zu linearisieren, damit zwingende Nachbarkanalstörungsanforderungen erfüllt werden. Bei diesen Funkgeräten würde es vorteilhaft sein, die Versorgungsspannungsmodulation zu verwenden, um die Effektivität zu erhöhen. Die Bandbreite des Linearisierungsschemas ist jedoch begrenzt. Jede Störung, die oberhalb der Bandbreite der Linearisierungsschleife eingeführt wird, kann nicht korrigiert werden. Die Verwendung der Polynomabbildungsfunktion begrenzt die Bandbreite der Versorgungsspannung streng. Die Ordnung des Polynoms wird so gewählt, daß die Versorgungsspannungsbandbreite kleiner ist als die Schleifenbandbreite des Linearisierungsschemas.
Vorverzerrung ist ein weiteres Verfahren zur Linearisierung von RF-Leistungsverstärkern. Die Vorverzerrung kann mit der Hüllkurvenfolgeregelung bei Systemen kombiniert werden, die eine hohe Effektivität und hohe Linearität erfordern. Die Möglichkeiten der Vorverzerrung zur Korrektur der Breitbandverzerrung sind begrenzt. Diese Begrenzung erwächst aus der Abtastung, die mit der digitalen Realisierung des Vorverzer rungsvorgangs verbunden ist. Eine Abtastung begrenzt grundsätzlich jedes Verhalten oberhalb der Nyquist-Rate, die die Hälfte der Abtastfrequenz beträgt. Deswegen würde jeder spektrale Anteil in der Versorgungsspannung, der oberhalb der halben Abtastrate des Vorverzerrungsschemas liegt, nicht korrigiert werden. Eine geeignete Wahl der Ordnung der Polynomabbildungsfunktion begrenzt wiederum die Bandbreite der Versorgungsspannung und hält die Linearisierung aufrecht, die durch das Vorverzerrungsschema erzielt wurde.
Die Abbildungsbeziehung zwischen der Hüllkurve und der Versorgungsspannung wird durch Effektivitäts- und Linearitätskriterien bestimmt. Es werden in RF-Leistungsverstärkern zwei Arten von Nichtlinearitäten beschrieben als Amplituden-Amplituden-Verzerrung (AM-AM) und Amplituden-Phasen-Verzerrung (AM-PM). Die letztere ist erhöht, wenn ermöglicht wird, daß sich die Versorgungsspannung des Leistungsverstärkers Null Volt nähert. Dies definiert oftmals den zulässigen unteren Grenzwert der Versorgungsspannungabweichung.
AM-AM-Verzerrung kann durch die Einführung eines geeigneten Betrags des Hüllkurvensignals in einer Weise reduziert werden, die mit der Verbesserung der Effektivität einhergeht. Der Leistungsverstärker wird im oberen Bereich der Hüllkurvenamplituden bei einer konstanten Sättigung betrieben. Dies bestimmt einen Teil der Abbildung zwischen der Hüllkurve und der Versorgungsspannung, der nahezu linear ist. Für geringere Hüllkurvenamplitudenpegel wird die Versorgungsspannung konstant gehalten. Die Kombination aus diesen beiden Abbildungen erzeugt eine stückweise lineare Beziehung zwischen Hüllkurve und Versorgungsspannung. Dies kann angenähert sein, so daß die Versorgungsspannung eine Polynomfunktion der Hüllkurve ist, ähnlich zur den Realisierungen des Basisstationsmodulators und des Zusatzverstärkers.
Andere Realisierungen der Hüllkurvenfolgeregelung sind möglich, die die Hüllkurvenerkennung des RF-Eingangs verwenden anstatt einen Basisbandeingang zu verwenden. Die oben beschriebene Lösung jedoch gestattet die präzise Messung der Hüllkurve aus den Eingangsdaten. Dies hat ein System zur Folge, dessen Linearität nicht durch eine ungenaue Erkennung des Hüllkurvensignals beeinträchtigt ist. Es gestattet weiterhin ebenfalls den Ausgleich der Zeitverzögerung im Schalttaktgeber.
Es wird erwartet, daß die Hüllkurvenfolgeregelung die Linearität des RF-Leistungsverstärkers beeinflußt. Die Angaben in den folgenden Tabellen, die gut innerhalb annehmbarer Grenzen liegen, wurden aufgestellt, um zu erläutern, daß es bei der Signalgüte eine geringe Verschlechterung gibt. Die unten gezeigte TABELLE 1 listet die Energiepegel der Nachbarkanäle und übernächster Kanäle mit und ohne Versorgungsspannungsmodulation auf. Es ist anzumerken, daß diese Angaben bei einem Schaltwandler aufgenommen wurden, der die Versorgungsspannungsmodulation gewährleistet. Die Versorgungsspannungsmodulation wurde vom erkannten RF-Eingangssignal abgeleitet, und dadurch wurde eine Zeitverzögerung von 2–4 μs zwischen Versorgungsspannung und Hüllkurve eingeführt. Diese große Verzögerung würde in einem EER-(Hüllkurveneliminierung und Wiederherstellung) System vollkommen unannehmbar sein. Dies erläutert die Robustheit der Hüllkurvenfolgeregelungslösung:
TABELLE 1 DATEN DER IN NACHBARKANÄLE EINGEKOPPELTEN LEISTUNG
Es gab ebenfalls einige Bedenken, daß die Hüllkurvenfolgeregelung das demodulierte Signal beeinflussen würde. Die experimentellen Daten in TABELLE 2 (unten gezeigt) zeigen an, daß es eine geringe Signalverschlechterung gibt. Es war möglich eine sehr aggressive Hüllkurve zu verwenden, die die Energieeinsparungen maximierte, und die Inbandsignalverschlechterung war immer noch unwesentlich. Dies verschlimmerte jedoch die Nachbarkanalstörungen, was in bestimmten Funksystemen unannehmbar sein kann.
TABELLE 2 DATEN DES FEHLERVEKTORBETRAGS FÜR EIN 25 ksps VERSATZ QPSK SYSTEM
Eine weitere Hüllkurvenfolgeregelungsschaltung wurde aufgebaut, indem das Motorola RF-Modul MHW913 LDMOS verwendet wurde, das fähig ist, eine höhere Leistung (10W durchschnittliche Ausgangsleistung im Vergleich zu 1 W für das bipolare RF-Modul MHW920) zu bewältigen. 13, Numerierung 1300, zeigt eine graphische Darstellung der IM-(Intermodulation) Leistung dritter (1302) und fünfter (1304) Ordnung des MHW913 für ein 10 kHz-gespreiztes Zweiton-Signal, das die Hüllkurvenfolgeregelung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verwendet. Diese Daten lassen sich gut mit 14, Numerierung 1400, vergleichen, die eine graphische Darstellung der IM-Leistung der dritten (1402) oder fünften (1404) Ordnung des MHW913 bei einer feststehenden Versorgungsspannung zeigt. Es ist anzumerken, daß die Hüllkurvenfolgeregelung bei geringen Leistungspegeln eine schlechtere IM zur Folge hat, daß die IM jedoch beim höchsten Leistungspegel nicht wesentlich beeinflußt wird. Deswegen wird die IM im ungünstigsten Fall (Worst Case) nicht beeinflußt, und für eine vorgegebene IM-Spezifikation arbeitet das Hüllkurvenfolgeregelungssystem genauso gut wie das System ohne Versorgungsspannungsmodulation. Diese Ergebnisse zeigen, daß das Hüllkurvenfolgeregelungsschema über einen Bereich der Ausgangsleistung und für verschiedene Halbleitertechnologien, die in RF-Leistungsverstärkern verwendet werden, anwendbar ist.
In einer Ausführung kann die Einrichtung der vorliegenden Erfindung in einem Mehrfachmodus-Funktelefon verwendet werden, das ein System zur Gewährleistung eines effektiven linearen Leistungsverstärkers hat, der neben anderen möglichen Signalen ein RF-Signal mit variabler Hüllkurve erzeugt. Dieses System enthält: A) eine effektive Hüllkurvenfolgeregelungseinheit, die geschaltet ist, um ein Basisbandsignal zu empfangen, um eine Versorgungsspannung entweder gemäß der variablen Hüllkurve des Basisbandsignals oder gemäß einer konstanten Hüllkurve auszugeben; B) einen RF-Signalgenerator, der geschaltet ist, um ein Basisbandsignal und ein RF-Trägersignal zu empfangen, zur Bereitstellung eines RF-Eingangssignals mit Amplituden- und Phaseninformationen an einen linearen RF-Leistungsverstärker; und C) den linearen RF-Leistungsverstärker, der an die effektive Hüllkurvenfolgeregelungseinheit und den RF-Signalgenerator geschaltet ist, um auszugeben: entweder ein leistungsmäßig effektives, verstärktes RF-Signal mit variabler Hüllkurve mit im wesentlichen den gleichen Amplituden- und Phaseninformationen wie das RF-Eingangssignal auf der Grundlage der variablen Hüllkurve des Basisbandsignals oder ein leistungsmäßig effektives, verstärktes RF-Signal mit konstanter Hüllkurve mit im wesentlichen den gleichen Amplituden- und Phaseninformationen wie das RF-Eingangssignal mit konstanter Hüllkurve. Klar ausgedrückt, diese Ausführung der Erfindung gewährleistet eine Flexibilität zur Benutzung des Mehrfachmodus-Funktelefons in jedem aus einer Vielzahl von Modi, in Abhängigkeit von der Wahl des Nutzers. Die Wahl kann auf der Grundlage der Verfügbarkeit eines bestimmten Modus getroffen werden oder alternativ auf der Grundlage des Unterschieds der Anbieterraten bei der Wahl der Modi.

Claims

Schaltungseinrichtung (122) für einen linearen RF-Leistungsverstärker (106) zum Erzeugen eines RF-Signals mit variabler Hüllkurve, mit A) einer Hüllkurvenfolgeregelungseinheit (102), der ein Basisbandsignal zuführbar ist und die an den RF-Leistungsverstärker (106) eine Versorgungsspannung mit einem variablen Hüllkurvenverlauf des Basisbandsignals ausgibt, wobei die Hüllkurvenfolgeregelungseinheit enthält: 1) eine bandbreitenbegrenzende Abbildungseinheit (108), die aus dem ihr zugeführten Basisbandsignal ein Bezugssignal erzeugt, und 2) einen mit einer Stromquelle (120) verbundenen Hüllkurvennachlaufregelungsleistungswandler (110), der aus dem ihm zugeführten Bezugssignal eine variable Versorgungsspannung für den linearen RF-Leistungsverstärker (106) erzeugt; B) einem RF-Signalgenerator (104), der aus dem ihm zugeführten Basisbandsignal und einem ihm zugeführten RF-Trägersignal durch Modulation des RF-Trägersignals mit dem Basisbandsignal ein RF-Eingangssignal mit Amplituden- und Phasenmodulation für den linearen RF-Leistungsverstärker (106) erzeugt, der daraus das verstärkte RF-Signal mit variabler Hüllkurve mit gleicher Amplituden- und Phasenmodulation wie das RF-Signal erzeugt und als RF-Ausgangssignal ausgibt.
Einrichtung (122) nach Anspruch 1, bei der die bandbreitenbegrenzende Abbildungseinheit (108) ein bandbegrenztes Signal unter Verwendung einer Polynomabbildungsfunktion des Basisbandsignals bereitstellt, wobei A) die Koeffizienten der Polynomabbildungsfunktion programmierbar sind; B) die Koeffizienten der Polynomabbildungsfunktion ausgewählt sind, um eine im Wesentlichen konstante Verstärkung für den linearen RF-Leistungsverstärker aufrechtzuerhalten; C) die Koeffizienten der Polynomabbildungsfunktion ausgewählt sind, um die Phasenverschiebung über dem linearen RF-Leistungsverstärker zu minimieren; D) die Koeffizienten der Polynomabbildungsfunktion ausgewählt sind, um einen minimalen Wert der Versorgungsspannung für den linearen RF-Leistungsverstärker zu begrenzen; und E) die Koeffizienten der Polynomabbildungsfunktion ausgewählt sind, um die Effektivität des linearen RF-Leistungsverstärkers zu maximieren.
Einrichtung (122) nach Anspruch 1, wobei eine der Angaben in den folgenden Blöcken A–F gilt: A) die bandbreitenbegrenzende Abbildungseinheit (108) verwendet eine Polynomabbildungsfunktion des Quadrats der variablen Hüllkurve des Basisbandsignals, um ein bandbegrenztes Signal bereitzustellen; B) die bandbreitenbegrenzende Abbildungseinheit (108) verwendet eine transzendente Funktion der variablen Hüllkurve des Basisbandsignals, um ein bandbegrenztes Signal bereitzustellen, wobei die transzendente Funktion beschränkt ist und durch eine gerade Symmetrie gekennzeichnet ist; C) der lineare RF-Leistungsverstärker (106) ist ein Verstärker der Klasse AB; D) der lineare RF-Leistungsverstärker (106) ist ein Verstärker der Klasse B; E) die Einrichtung (122) enthält weiterhin einen Hüllkurvendetektor (118), der an den Ausgang des linearen RF-Leistungsverstärkers zur Bereitstellung eines Rückkopplungssignals an den Hüllkurvennachlaufregelungsleistungswandler (110) geschaltet ist; und F) die Einrichtung (122) enthält weiterhin: 1) einen Demodulator (126), der an den RF-Ausgang und an das RF-Trägersignal zur Demodulation des verstärkten RF-Signals mit variabler Hüllkurve geschaltet ist; und 2) eine rückgekoppelte Linearisierungseinrichtung (124), die an den Demodulator (126) und an das Basisbandsignal zur Linearisierung des RF-Leistungsverstärkers geschaltet ist.
Verfahren (200) zur Bereitstellung eines linearen Leistungsverstärkers, der ein Hochfrequenz-RF-Signal mit variabler Hüllkurve erzeugt, mit den folgenden Schritten: A) Verwendung (202) einer Hüllkurvenfolgeregelungseinheit, der ein Basisbandsignal zugeführt wird und die eine Versorgungsspannung mit einem variablen Hüllkurvenverlauf des Basisbandsignals ausgibt, wobei die Verwendung der Hüllkurvenfolgeregelungseinheit beinhaltet: 1) Verwendung einer bandbreitenbegrenzenden Abbildungseinheit, um ein Bezugssignal zu erzeugen, das auf dem ihr zugeführten Basisbandsignal basiert; und 2) Verwendung eines Hüllkurvennachlaufregelungsleistungswandlers, der aus dem ihm zugeführten Bezugssignal eine variable Versorgungsspannung für einen linearen RF-Leistungsverstärker erzeugt; B) Bereitstellen (204) eines RF-Eingangssignals mit Amplituden- und Phasenmodulation an einen linearen RF-Leistungsverstärker, wobei das RF-Eingangssignal durch Modulation eines RF-Trägersignals mit dem Basisbandsignal erzeugt wird, wobei der lineare RF-Leistungsverstärker daraus ein verstärktes RF-Signal mit variabler Hüllkurve mit gleicher Amplituden- und Phasenmodulation wie das RF-Eingangssignal erzeugt und als RF-Ausgangssignal ausgibt.
Verfahren (200) nach Anspruch 4, wobei eines von A–F gilt: A) der lineare RF-Leistungsverstärker ist ein Verstärker der Klasse AB; B) der lineare RF-Leistungsverstärker ist ein Verstärker der Klasse B; C) die Verwendung eines linearen RF-Leistungsverstärkers beinhaltet weiter die Bereitstellung eines Hüllkurvendetektors, der an den Ausgang des linearen RF-Leistungsverstärkers geschaltet ist, um ein Rückkopplungssignal für den Hüllkurvennachlaufregelungsleistungswandler bereitzustellen; D) die Verwendung der bandbreitenbegrenzenden Abbildungseinheit beinhaltet die Benutzung einer Polynomabbildungsfunktion des Basisbandsignals, um ein bandbegrenztes Signal bereitzustellen; E) die Verwendung der bandbreitenbegrenzenden Abbildungseinheit beinhaltet die Verwendung einer Polynomabbildungsfunktion eines Quadrats der variablen Hüllkurve des Basisbandsignals, um ein bandbegrenztes Signal bereitzustellen; und F) die Verwendung der bandbreitenbegrenzenden Abbildungseinheit beinhaltet die Benutzung einer transzendenten Funktion der variablen Hüllkurve des Basisbandsignals, um ein bandbegrenztes Signal bereitzustellen, wobei weiterhin eines von 1–3 gilt: 1) die transzendente Funktion ist entweder eine Kosinusfunktion oder eine Folge, die aus Potenzen einer Kosinusfunktion besteht; 2) die transzendente Funktion wird durch ein Polynom n-ter Ordnung angenähert, wobei n eine ganze Zahl ist und dem Polynom ein linearer Term bzw. ein Term erster Ordnung fehlt; und 3) das Polynom n-ter Ordnung ist auf Terme geradzahliger Ordnung und eine Versatzkonstante beschränkt.
Verwendung der Einrichtung nach Anspruch 1 in einem zellularen Telefon (122).
Verwendung der Einrichtung nach Anspruch 1 in einem Funkgerät (122).
Verwendung der Einrichtung nach Anspruch 1 in einem Satellitentelefon (122).
Verwendung der Einrichtung nach Anspruch 1 in einem Funktelefon (122).
Verwendung der Einrichtung nach Anspruch 1 in einer Basisstation (122).