DE19923790A1 - Schaltungsanordnung und Verfahren zum adaptiven Regeln der Verstärkung eines rückgekoppelten Verstärkers - Google Patents

Schaltungsanordnung und Verfahren zum adaptiven Regeln der Verstärkung eines rückgekoppelten Verstärkers

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine weitere Ausführungsform zu der Patentanmeldung 19752283. DOLLAR A Hierzu weist die Schaltungsanordnung eine Überwachungs- und Auswerteeinrichtung (90) zum Überwachen und Auswerten einer Änderung des Signalpegels am Verstärkerausgang (60) auf. Ferner ist eine Einrichtung (100) zum periodischen Ändern einer vorbestimmten Verstärkung (V¶0¶) des Verstärkers um einen ersten vorbestimmten Betrag in vorbestimmten zeitlichen Abständen für jeweils eine vorbestimmte Zeitdauer vorgesehen. Eine Einrichtung (20, 80) ist zum Anheben oder Absenken der vorbestimmten Verstärkung (V¶0¶) um einen zweiten vorbestimmten Betrag in Abhängigkeit der beim periodischen Ändern der vorbestimmten Verstärkung ausgewählten Änderung des Signalpegels am Verstärkerausgang vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren zum adaptiven Regeln der Verstärkung eines rückgekoppelten Verstärkers für digitale Signale nach der Patentanmeldung 197 52 283.
In jüngster Zeit werden digitale terrestrische Rundfunksyteme, wie z. B. das DAB (Digital Audio Broadcasting)-T- oder das DVB (Digital Video Broadcasting)-T- System, in Gleichwellennetzen betrieben, bei denen von mehreren Standorten aus synchron gesendet wird. Zur Füllung von Versorgungslücken werden Repeaterverstärker eingesetzt, deren Sende- und Empfangsantennen aufgrund einer Strahlungskopplung parasitär rückgekoppelt sind. Wenn die Verstärkung eines Repeaterverstärkers die Entkopplungsdämpfung zwischen dessen Sende- und Empfangsantenne erreicht, gerät dieser in Schwingung. Um Schwingungen und damit einen instabilen Betrieb zu vermeiden, muß die Verstärkung um einen Sicherheitsabstand kleiner sein als die Entkopplungsdämpfung. Unter dem Sicherheitsabstand versteht man ganz allgemein die in dB gemessene Differenz zwischen der Entkopplungsdämpfung zwischen dem Ein- und Ausgang eines Verstärkers und dessen Verstärkungsfaktor. Da die Strahlungskopplung zwischen der Sende- und Empfangsantenne des Repeaterverstärkers durch Umgebungseinflüsse, wie z. B. durch vor einer Antenne fliegende Objekte (Flugzeuge, Vögel, Schnee usw.) oder durch zeitweise auf der Antenne befindlichen Objekte, zeitvariant sein kann, kann die Entkopplungsdämpfung zeitweise derart verkleinert sein, daß der Repeaterverstärker in Schwingung gerät. Um einen stabilen Betrieb zu gewährleisten, sind bisher bekannte, geregelte Verstärker oder Repeater-Verstärker derart ausgebildet, daß deren Verstärkung statisch um einen erheblichen Sicherheitsabstand, beispielsweise um 15 dB, unter einer gemessenen mittleren Entkopplungsdämpfung eingestellt wird. Die mittlere Entkopplungsdämpfung ergibt sich im wesentlichen aus systembedingten Eigenschaften, wie z. B. der Orientierung der Sende- und Empfangsantenne, dem Abstand der Antennen zueinander und der höhenversetzten Montage der Sende- und Empfangsantennen. Obwohl bei den bekannten Repeatern der Sicherheitsabstand recht groß gewählt ist, kann es trotzdem zur Selbsterregung des Repeaterverstärkers kommen, wenn sich die Entkopplungsdämpfung zeitweise oder dauerhaft drastisch verringert. Eine Herabsetzung des Sicherheitsabstandes tritt auch ein, wenn der Signalpegel am Repeater-Ausgang abnimmt, weil dann bei der üblichen Regelung der Ausgangsleistung die Verstärkung ansteigt, um dem Absinken der Ausgangsleistung entgegenzuwirken. Bei den herkömmlichen Repeater-Verstärkern, deren Verstärkung unabhängig von der aktuellen Entkopplungsdämpfung eingestellt wird, ist es ferner sehr schwierig festzustellen, ob der Sicherheitsabstand bezüglich des Schwingeinsatzpunktes mit viel zu großer Reserve eingestellt worden ist und dadurch Versorgungsreichweite und -qualität verschenkt wird, wodurch der Repeater unwirtschaftlich betrieben wird.
Die Druckschrift DE 34 01 748 A1 betrifft eine Schaltungsanordnung für eine digitale Pegelregelung mit einem in seiner Verstärkung einstellbaren Regelverstärker, der von einem Regler her für eine stufenweise Veränderung seines Ausgangspegels in vorgegebenen Zeitabständen Stellsignale zugeführt erhält, einem Pegeldiskriminator, der bei einer Abweichung des von dem Regelverstärker als Regelgröße abgegebenen Pegels von einem Sollpegel ein die Richtung der Regelabweichung anzeigendes Signal als Stellgröße an den Regler abgibt und zusätzlich den Betrag der Regelabweichung ermittelt, sowie mit einem Taktgenerator. Der Regler legt abhängig von diesem Betrag der Regelabweichung die Zeitabstände fest, in denen die Stellsignale an den Regelverstärker abgegeben werden.
Die Erfindung basiert auf einer weiteren Ausführungsform zu der Patentanmeldung 197 52 283.
Der Kerngedanke der Erfindung ist darin zu sehen, den Arbeitspunkt des Verstärkers derart zu verschieben, daß ein voreingestellter Schwingabstand des rückgekoppelten Verstärkers zum Schwingeinsatzpunkt gewährleistet ist. In der Beschreibung und in den Ansprüchen wird als Schwingabstand der Abstand zwischen der Verstärkung V0, der im Verstärker enthaltenden Verstärkerstufen und der Verstärkung VS, bei der der Verstärker in Schwingung geraten würde, verstanden. Dieser Ansatzpunkt ergibt sich aus der Tatsache, daß der Schwingabstand des Verstärkers ein eindeutiges Maß für die Stärke der sich in dem Verstärker einstellenden Mitkopplung ist. Bekanntlich nimmt die durch die Mitkopplung mitbestimmte resultierende Verstärkung V mit stärker werdender Mitkopplung aufgrund einer Verstärkungsanfachung gemäß der Gleichung
V = V0/(1-kV0) (1)
zu, wobei V0 die Verstärkung des regelbaren Verstärkers und k die Rückkopplung des Verstärkers ist. Beim Schwingabstand 0 ist die resultierende Verstärkung V schließlich unendlich groß, so daß der Verstärker auch ohne ein anliegendes Eingangssignal ein Ausgangssignal abgibt, also schwingt. Ferner hat sich gezeigt, daß die Änderung der resultierenden Verstärkung V, die beim Ändern des Schwingabstandes um einen bestimmten Betrag entsteht, diesen Betrag der Schwingabstandänderung um so mehr übertrifft, je geringer der Schwingabstand selbst ist.
Das technische Problem löst die Erfindung zum einen mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Um einen vorgegebenen Sicherheitsabstand eines rückgekoppelten Verstärkers von dessen zeitlich schwankenden Schwingeinsatzpunktes gewährleisten zu können, ist die in der Schaltungsanordnung nach der Patentanmeldung 197 52 283 eingesetzte Überwachungs- und Auswerteeinrichtung zum Überwachen und Auswerten einer Änderung des Signalpegels am Ausgang des Verstärkers ausgebildet. Ferner ist eine Einrichtung zum periodischen Ändern, insbesondere zum Absenken einer vorbestimmten Verstärkung (V0) des Verstärkers um einen ersten vorbestimmten Betrag in vorbestimmten zeitlichen Abständen für jeweils eine vorbestimmte Zeitdauer vorgesehen. Zudem ist eine Einrichtung zum Anheben oder Absenken der vorbestimmten Verstärkung V0 um einen zweiten vorbestimmten Betrag in Abhängigkeit der beim periodischen Ändern der vorbestimmten Verstärkung ausgewerteten Änderung des Signalpegels am Verstärkerausgang vorgesehen. Auf diese Weise erfolgt die Verschiebung des Arbeitspunktes des rückgekoppelten Verstärkers.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Um zu verhindern, daß der Verstärker in Schwingung versetzt wird, darf der Abstand zwischen der geregelten Verstärkung V0 der im Verstärker enthaltenen Verstärkerstufen und der Verstärkung VS, bei der es in dem Verstärker zum Einsetzen von Schwingungen kommen würde, nicht unterschritten werden. Hierzu weist die Schaltungsanordnung einen Speicher auf, in dem ein vorbestimmter Schwingabstand, der durch das Verhältnis VS/V0 definiert wird, abgelegt ist. Ferner ist die Überwachungs- und Auswerteeinrichtung derart ausgebildet, daß sie aus der Änderung des Signalpegels am Verstärkerausgang in Abhängigkeit von der Änderung der vorbestimmten Verstärkung um den ersten vorbestimmten Betrag den aktuellen Schwingabstand des Verstärkers ermitteln und diesen mit dem gespeicherten Schwingabstand vergleichen kann. Wenn der vorbestimmte Schwingabstand unterschritten wird, wird die vorbestimmte Verstärkung V0 um den zweiten vorbestimmten Betrag abgesenkt. Wenn hingegen der aktuell ermittelte Schwingabstand größer als der gespeicherte Schwingabstand ist, wird die Verstärkung V0 des Verstärkers um den zweiten vorbestimmten Betrag angehoben.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Einrichtung zum periodischen Ändern ein Dämpfungselement zum periodischen Absenken der vorbestimmten Verstärkung enthält. Denn mit dem Absenken der vorbestimmten Verstärkung des Verstärkers um den ersten vorbestimmten Betrag wird der Schwingabstand bereits während der Überwachungs- und Auswertephase vorübergehend vergrößert, wodurch die Selbsterregungsgefahr des Verstärkers während dieser Zeitspanne verringert werden kann.
Die Weiterbildung der Patentanmeldung 197 52 283 wird ebenfalls durch die Verfahrensschritte des Anspruchs 4 definiert.
Danach wird zunächst die Verstärkung V0 des Verstärkers voreingestellt. Anschließend wird die voreingestellte Verstärkung V0 um einen ersten vorbestimmten Betrag periodisch geändert. Während der periodischen Änderung der voreingestellten Verstärkung wird eine Änderung des Signalpegels am Verstärkerausgang überwacht und ausgewertet. In Abhängigkeit von der während der periodischen Änderung der vorbestimmten Verstärkung ausgewerteten Änderung des Signalpegels am Verstärkerausgang wird die voreingestellte Verstärkung um einen zweiten vorbestimmten Betrag angehoben oder abgesenkt. Dieses Anheben oder Absenken der voreingestellten Verstärkung entspricht einem Anheben oder Absenken des Arbeitspunktes des Verstärkers.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen umschrieben.
Das Maß der Mitkopplung des rückgekoppelten Verstärkers kann dadurch ermittelt werden, daß aus der Änderung des Signalpegels am Verstärkerausgang die Verstärkungsänderung des rückgekoppelten Verstärkers ermittelt wird. Aus der periodischen Änderung der voreingestellten Verstärkung V0 um den ersten vorbestimmten Betrag und der daraus resultierenden Verstärkungsänderung des Verstärkers wird der aktuelle Schwingabstand des Verstärkers berechnet. Anschließend wird der aktuelle Schwingabstand mit einem vorbestimmten, in einem Speicher abgelegten Schwingabstand verglichen.
Wie bereits erwähnt, kann die periodische Änderung der voreingestellten Verstärkung um einen ersten vorbestimmten Betrag durch ein periodisches Absenken erfolgen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines adaptiven Repeaters gemäß der Erfindung, und
Fig. 2 ein Diagramm, bei dem die resultierende Verstärkung des Verstärkers 10 nach Fig. 1 über der Verstärkung der regelbaren Verstärkerstufe 20 aufgetragen ist.
Fig. 1 zeigt die Prinzipschaltung eines adaptiven Verstärkers, der beispielsweise in einem digitalen terrestrischen Rundfunksystem zur Auffrischung von digitalen Signalen verwendbar ist. Der allgemein mit 10 bezeichnete adaptive Verstärker umfaßt einen Signaleingang 15, an dem eine Empfangsantenne 17 angeschlossen ist. Die Empfangsantenne 17 ist mit einer regelbaren Verstärkerstufe 20 verbunden, die an sich bekannt ist. In an sich bekannter Weise enthält der Verstärker 10 weiter eine als Leistungsverstärker aufgebaute Endstufe 40, ein Bandpaßfilter 50, einen Signalausgang 60 sowie eine daran angeschaltete Sendeantenne 65. Gewöhnlich ist ein Pegelindikator 70 eingangsseitig mit dem Signalausgang 60 verbunden, wobei dessen Ausgang über eine an sich bekannte Verstärkungs-Steuerungseinrichtung 80 mit der regelbaren Verstärkerstufe 20 verbunden ist. Ein über einen Tastimpulsformer 110 ansteuerbares Dämpfungselement 30 ist eingangsseitig mit der regelbaren Verstärkerstufe 20 und ausgangsseitig mit der Endstufe 40 verbunden. Wie nachfolgend noch näher ausgeführt wird, hat das Dämpfungselement die Aufgabe, die voreingestellte Verstärkung V0 der regelbaren Verstärkerstufe 20 um einen ersten vorbestimmten Betrag in vorbestimmten zeitlichen Abständen für jeweils eine vorbestimmte Zeitdauer abzusenken. Ferner ist ein Taktgeber 85 vorgesehen, der eingangsseitig mit dem Signalausgang 40 verbunden sein kann. Eine Überwachungs- und Auswerteeinrichtung 90 ist beispielsweise mit dem Ausgang der Endstufe 40 verbunden. Darüber hinaus ist der Ausgang der Überwachungs- und Auswerteeinrichtung 90 mit einem Eingang des Tastimpulsformers 110 verbunden. Der Tastimpulsformer 110 ist ausgangsseitig wiederum mit dem Dämpfungselement 30 und der Verstärkungs-Steuerungseinrichtung 80 verbunden. Die Überwachungs- und Auswerteeinrichtung 90 ist ferner mit einem Eingang der Verstärkungs-Steuerungseinrichtung 80 und fakultativ mit einem Eingang des Taktgebers 85 verbunden.
Die Funktionsweise der Schaltungsanordnung wird nachfolgend in Verbindung mit Fig. 2 ausführlicher geschildert.
Zunächst wird in der oben angegebenen Gleichung (1) die Rückkopplung k durch den Ausdruck 1/VS ersetzt, wobei mit VS die Verstärkung bezeichnet wird, bei der der Verstärker 10 zu Schwingen beginnt. Daraus folgt
V0/(1-V0/VS) (2)
wobei VS/V0 der oben definierte Schwingabstand des Verstärkers ist.
In Fig. 2 ist eine Verstärkungskurve A des rückgekoppelten Verstärkers 10 gemäß Gleichung (2) dargestellt, wobei die resultierende Verstärkung V des rückgekoppelten Verstärkers 10 über der Verstärkung der regelbaren Verstärkerstufe 20 des Verstärkers ist. Ferner ist der an der regelbaren Verstärkerstufe 20 voreingestellte Arbeitspunkt des Verstärkers 10 eingezeichnet, der bei der Verstärkung V0 liegt. Die kritische Verstärkung VS, bei der der Verstärker 10 in Schwingung gerät, bildet die senkrechte Asymptote für die Kurve A.
Wie bereits erwähnt, wird der zeitvariante Schwingabstand des Verstärkers 10 periodisch überwacht und ausgewertet, um den vorbestimmten Sicherheitsabstand VS/V0 zum Schwingeinsatzpunkt VS gewährleisten zu können. Hierzu wird die Verstärkung V0 der regelbaren Verstärkerstufe 20 um einen ersten vorbestimmten Betrag Δa abgesenkt, indem mit Hilfe des Tastimpulses des Tastimpulsformers 110 in vorbestimmten zeitlichen Abständen für jeweils eine vorbestimmte Zeitdauer das Dämpfungselement aktiviert wird. Der Betrag Δa ist in dem Diagramm nach Fig. 2 eingetragen. Infolge des Absenkens des Arbeitspunktes ändert sich am Ausgang 60 des Verstärkers 10 der Signalpegel, dessen Änderung ein Pegelindikator 70, der ausgangsseitig mit der Überwachungs- und Auswerteeinrichtung 90, der Vertärkungs- Steuereinrichtung 80 und dem Tastimplulsformer 110 verbunden sein kann, feststellt. Für die Pegelmessung im Pegelindikator 70 stehen logarithmierend wirkende integrierte Schaltungslösungen zur Verfügung. Die Umsetzung ihrer Ausgangssignale in Digitalwerte ermöglicht einen günstigen Aufbau des Pegelindikators 70 und der Überwachungs- und Auswerteeinrichtung 90. Aus der Änderung des Signalpegels ermittelt die Überwachungs- und Auswerteeinrichtung 90 die entsprechende Änderung Δa der Verstärkung V des rückgekoppelten Verstärkers 10. Aus dem Verhältnis Δa/Δv kann die Überwachungs- und Auswerteeinrichtung 110 ferner den aktuellen Schwingabstand VS/V0 des Verstärkers 10 ermitteln. Dazu kann sich die Überwachungs- und Auswerteeinrichtung 90 einer in einem Speicher abgelegten Nachschlagetabelle bedienen, die für jedes gemessenen Verhältnis Δa/Δv den dazugehörenden Schwingabstand VS/V0 enthält. Alternativ kann die Überwachungs- und Auswerteeinrichtung zur Ermittlung des aktuellen Schwingabstandes die Gleichung
VS/V0 = 1/(1-Δa/Δv) (3)
anwenden, die sich aus der Steigung der in Fig. 2 dargestellten Kurve A ergibt.
Die Überwachungs- und Auswerteeinrichtung 90 vergleicht nunmehr den ermittelten aktuellen Schwingabstand des Verstärkers 10 mit einem vorher abgespeicherten Schwingabstand. Ist der aktuelle Schwingabstand kleiner als der voreingestellte Schwingabstand, wird die Verstärkung V0 des regelbaren Verstärkers 10 um einen vorbestimmten Betrag abgesenkt, was einer Absenkung des Arbeitspunktes des Verstärkers entspricht. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß der voreingestellte Schwingabstand des Verstärkers 10 eingehalten wird. Stellt die Überwachungs- und Auswerteeinrichtung 90 hingegen fest, daß der ermittelte aktuelle Schwingabstand größer als der voreingestellte Schwingabstand ist, dann wird die Verstärkung V0 der regelbaren Verstärkerstufe 20 um einen vorbestimmten Betrag angehoben, was einer Anhebung des Arbeitspunktes des Verstärkers entspricht.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zum adaptiven Regeln der Verstärkung eines rückgekoppelten Verstärkers für digitale Signale nach der Patentanmeldung 197 52 283 mit
einem Taktgeber (85), und
einer Überwachungs- und Auswerteeinrichtung (90),
dadurch gekennzeichnet, daß
die Überwachungs- und Auswerteeinrichtung zum Überwachen und Auswerten einer Änderung des Signalpegels am Verstärkerausgang ausgebildet ist, daß
eine Einrichtung (100) zum periodischen Ändern einer vorbestimmten Verstärkung (V0) des Verstärkers um einen ersten vorbestimmten Betrag (Δa) in vorbestimmten zeitlichen Abständen für jeweils eine vorbestimmte Zeitdauer und
eine Einrichtung (20, 80) zum Anheben oder Absenken der vorbestimmten Verstärkung (V0) um einen zweiten vorbestimmten Betrag in Abhängigkeit der beim periodischen Ändern der vorbestimmten Verstärkung ausgewerteten Änderung des Signalpegels am Verstärkerausgang vorgesehen ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Speicher, der einen vorbestimmten Schwingabstand des Verstärkers speichert, mit der Überwachungs- und Auswerteeinrichtung (90) verbunden ist, und daß die Überwachungs- und Auswerteeinrichtung aus der Änderung des Signalpegels am Verstärkerausgang in Abhängigkeit von der Änderung der vorbestimmten Verstärkung um den ersten vorbestimmten Betrag den aktuellen Schwingabstand des Verstärkers ermitteln und diesen mit dem gespeicherten Schwingabstand vergleichen kann.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum periodischen Ändern ein Dämpfungselement zum periodischen Absenken der vorbestimmten Verstärkung enthält.
4. Verfahren zum adaptiven Regeln der Verstärkung eines rückgekoppelten Verstärkers nach der Patentanmeldung 197 52 283 mit folgenden Verfahrensschritten:
  • - Voreinstellen der Verstärkung (V0) des Verstärkers;
  • - periodisches Ändern der voreingestellten Verstärkung (V0) um einen ersten vorbestimmten Betrag (Δa);
  • - Überwachen und Auswerten einer Änderung des Signalpegels am Verstärkerausgang während des periodischen Änderns der voreingestellten Verstärkung; und
  • - Anheben oder Absenken der voreingestellten Verstärkung (V0) um einen zweiten vorbestimmten Betrag in Abhängigkeit von der während des periodischen Änderns der vorbestimmten Verstärkung ausgewerteten Änderung des Signalpegels am Verstärkerausgang.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Überwachens und Auswertens folgende weitere Verfahrensschritte umfasst:
  • - aus der Änderung des Signalpegels am Verstärkerausgang wird die entsprechende Verstärkungsänderung (V) des rückgekoppelten Verstarkers ermittelt;
  • - Berechnen des aktuellen Schwingabstandes des Verstärkers aus der Verstärkungsänderung (ΔV) und der periodischen Änderung der voreingestellten Verstärkung (V0) um einen ersten vorbestimmten Betrag;
  • - Vergleichen des aktuellen Schwingabstandes mit einem vorbestimmten Schwingabstand.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die voreingestellten Verstärkung (V0) um einen ersten vorbestimmten Betrag periodisch abgesenkt wird.
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