DE19923790A1 - Schaltungsanordnung und Verfahren zum adaptiven Regeln der Verstärkung eines rückgekoppelten Verstärkers - Google Patents
Schaltungsanordnung und Verfahren zum adaptiven Regeln der Verstärkung eines rückgekoppelten VerstärkersInfo
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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.
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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DE1999123790 DE19923790A1 (de) | 1997-11-26 | 1999-05-25 | Schaltungsanordnung und Verfahren zum adaptiven Regeln der Verstärkung eines rückgekoppelten Verstärkers |
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Publications (1)
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