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B E S C H R E I B U N G betreffend Schaltung zur Kompensation der
Nicht1ine'?ität eines Verstärkers, insbesondere des Leistungsverstärkers eines Fernsehsenders
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Kompensation der Amplituden- und
Phasen-Nichtlinearität eines Verstärkers oder einer Verstärker'Kette, insbesondere
des Leistungsverstärkers eines Fernsehsenders, mit einem das zu verstärkende Eingangssignal
in der Amplitude und gegebenenfalls auch in der Phase entsprechend nichtlinear verzerrenden
und in der zur Kompensation erforderlichen Weise phasenverschiebenden Vorverzerrer,
dessen Ausgangssignal nieder dem unverzerrten Eingangssignal zugesetzt wird.
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Bei Fernsehumsetzern und Fernsehsendern, insbesondere solchen, bei
denen das Bild- und Tonsignal in den Hochrrequenz-Leistungsstufen gemeinsam verstärkt
wird, sind besonders lineare Ver- -stärkungsstufen erforderlich, um Linearitäts-
bzw. Gradationsfehler und Intermodulationsstörungen zu vermeiden. Schon relativ
kleine Amplituden- und Phasen-Nichtlinearitäten einer selchen Verstärkerstufe können
die Ursache von beträchtlichen Intermodulationsstörungen sein. Besonders bei Hochfrequenzverstärkerstufen
großer Leistung konnte deshalb die Aussteuerung
nicht so groß gewählt
werden, wie dies bei entsprechenden Verstärkerstufen, die nur das Bildsiganl ubertragen
und bei denen solche Nichtlinearitäten weniger stören, möglich ist.
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Die Leistungsausbeute bei solchen Fernsehsendern ist deshalb nicht
optimal.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile sind schon die verschiedenartigsten
Schaltungen zur Verminderung der Amplituden- und/ oder Phasenverzerrungen des Leistungsverstärkers
bekannt.
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Ihre Wirkung beruht im allgemeinen darauf, durch eine geeignete Vorverzerrungsschaltung
das zu übertragende Signal vor dem Leistungsverstärker komplementär zu der-erwarteten
Verzerrung vorzuverzerren. Dabei werden meist die zu erwartenden Amplitudenveræerrungen
getrennt von den zu erartenden Phasenverzerrungen betrachtet und auch gesondert
durch entsprechende Vorverzerrung kompensiert. Bei einer bekannten Schaltung dieser
Art (OS 2 147 167) wird beispielsweise mit einem in Abhängigkeit von der Modulation
(Videosignal) des zu verstärkenden Hochfrequenzsignals gesteuerten Vorverzerrer
das zu verstärkende Signal in der Amplitude entsprechend vorverzerrt. In einem Parallelzweig
wird in Shnlicher Weise durch einen in AbhängigKeit vom Modulationssignal (Videosignal)
gesteuerten weiteren Vorverzerrer eine entsprechende Phasenvorverzerrung des Signals
erreicht, wie dies an sich zur reinen Phasenkompensation ohne Amplitudenvorverzerrung
auch schon bei einer anderen Schaltung bekannt ist (Siemens-Bauelemente-Information
7, 1969, 2, Seiten 40-41). Es ist auch bekannt, zur Amplitudenvorverzerrung einen
einfachen nicht gesteuerten Diodenverzerrer beispieseise in Form von zwei entgegengesetzt
parallelgeschalteten Dioden vorzusehen, dem eingangsseitig das Hochfrequenzsignal
zugeführt wird und an dessen Ausgang bedingt durch die Kennlinienkrümmung des Diodenverzerrers
ein-entsprechend vorverzerrtes Ausgangssignal entsteht, das dann dem nichtlinearen
Leistungsverstärker zugeführt wird. All diesen bekannten Vorverzerrungsschaltungen
ist
der Nachteil gemeinsam, daß die damit erreichbaren Vorverzerrungen stets bestimmt
sind durch die vorgegebene ennlinie der hierbei verwendeten Verzerrungsglieder,
im allgemeinen also durch die Kennlinie der verwendeten Verzerrerdioden. Diese Kennlinien
der Verzerrungsglieder für die Amplituden- bzw. Phasenvorverzerrung verlaufen jedoch
nur. in den seltensten Fällen hinreichend komplementär zu der Kennlinie des zu LLompensierenden.
Leistungsvers tärkers, so daß mit diesen bekannten Kompensationsschaltungen nur
eine annähernde Linearisierung erreicht werden kann und somit auch die Leistungsausbeute
bei Fernsehsendern mit den bekannten Schaltungen ebenfalls nicht optimal sein kann
und weiterhin zu große Intermodulationsstörungen zu befürchten sind.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Kompensationsschaltung dieser
Art zu schaffen mit der jede beliebig gekrümmte Kennlinie eines Verstärkers entsprechend
komplementär nachgebildet werden kann und mit der somit eine hinreichende Kompensation
der Nichtlinearität eines Verstärkers nach Betrag und Phase erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine-Schaltung nach dem Hauptanspruch.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen dieser erfindungsgemäßen Schaltung ergeben
sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltung wird also über die einzelnen parallelgeschalteten
und unabhängig voneinander nach Betrag und Phase bemessenen oder eingestellten Zweige
synthetisch eine zur nichtlinearen Kennlinie des zu kompensierenden Verstärkers
komplementäre Kennlinie nachgebildet, und es ist damit je nach Anzahl der verwendeten
Zweige und damit Je nach Berücksichtigung entsprechend vieler Potenzen der die Nichtlinearität
verursachenden Potenzreihe der Verstärkungskennlinie eine praktisch vollständige
Linearisierung
der Verstärkung von Hochfrequenzsignalen, beispielsweise
von Fernsehsignalen, möglich. Damit können beispielsweise klystronbestückte Leistungsverstärker
von Fernsehsendern mit extrem hohem Wirkungsgrad betrieben werden, ohne daß hierbei
störende Intermodulationsprodukte zu befürchten sind. Die erfindungsgemäße Schaltung
kann dabei in jeder Lage des Vertärkungszuges angeordnet werden, vorzugsweise jedoch
in der Zwischenfrequenzebene. Die erfindungsgemäße Schaltung kann sowohl modulierte
als auch unmodulierte Hochfrequenzsignale entsprechend optimal vorverzerren.
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Die Verstärkerkennlinie eines Schmalband-Hochfrequenzverstärkers,
wie er als Fernsehleistungsverstärker vorwiegend verwendet wird, beispielsweise
eines Klystronverstärkers, verläuft nach der Beziehung U=ai aDU) + +aU5 .... aUn
3 .5 n Bei Breitbandverstärkern würden in dieser Formel auch noch die Glieder geradzahliger
Potenzen und ein Gleichstromglied enthalten sein. Für andere Verstärker ist der
Zusammenhang zwischen den einzelnen Potenzgliedern abgesehen von den Vorzeichen
der Glieder ähnlich Im erwähnten Beispiel des Klystronverstärkers mit der oben erwähnten
Kennlinie wird die Nichtlinearität der Verstärkerkennlinle im wesentlichen geprägt
durch die )-s 5., 7. und höhere Potenz der Eingangsamplitude U. Wenn es gelingt,
am Ausgang diese Potenzglieder 3., 5., 7 usw. Potenz vollständig zu eliminieren,
so daß nur noch das lineare Glied al ¢ U verbleibt, so ist eine ideale Kompensation
erreicht Mit den bekannten Diodenverzerrern ist dies nur näherungsweise mögliche
da ein Diodenverzerrer in seinem Kompensations-Ausgangssignal zwar ebenfalls in
bestimmter Folge Potenzen höherer Ordnung des Eingangssignales enthält, beispielsweise
u. U. auch die 3. und 5. Potenz der Eingangsspannung, nicht jedoch in der sich aus
der
Formel der jeweiligen Verstärkerkenlinie ergebenden anteilmäßigen Zusammensetzung
(Faktoren a3, a5 .. an) und meist auch nicht in der zur Kompensation erforderlichen
Phasenbeziehung. Zudem enthält das Kompensations-Ausgangssignal von Diodenverzerrern
auch immer noch den linearen Anteil, der bei der Kompensation möglichst unbeeinflußt
bleiben soll. Im Gegensatz hierzu kann gemäß der Erfindung über die einzelnen Zweige
jeweils exakt jedes einzelne Potenzglied der Potenzreihe der Verstärkerkennlinienformel
synthetisch nachgebildet werden, für das obige Beispiel beispielsweise das Glied
a3U³ und a5U5, und zwar durch das jedem einzelnen Zweig zugeordnete vorzugsweise
einstellbare Phasendrehglied auch in der fUr die Kompensation nötigen Phasenlage,
beispielsweise mit positivem Vorzeichen für das Glied 3. Potenz, mit negativem Vorzeichen
für das Glied 5. Potenz usw. Um dabei eine phasenrichtige Zusetzung der Kompensationsglieder
zu gewährleisten und positive und negative relative Phasenlagen zu ermöglichen,
ist im Hauptsignalweg vorzugsweise eine Laufzeitleitung eingeschaltet. Für eine
exakte Kompensation müßten sämtliche Glieder der Potenzreihe der Verstärkerkennlinienformel
mit Ausnahme des linearen Gliedes kompensiert werden.
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In der Praxis genügt jedoch im allgemeinen eine Kompensation der niedrigeren
Potenzglieder, beispielsweise des Gliedes 3.
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und 5. Potenz.
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Bei Leistungsverstärkern dieser Art tritt u. U. zusätzlich noch eine
störende, vom Aueteuerungsgrad abhängige Phasenmodulation auf, insbesondere bei
mit Wanderfeldröhren bestückten Verstärkern. Obwohl durch das richtige Einstellen
der Phasenlage der Kompensationssignzle die unerwünschte aussteuerungsabhängige
Phasenmodulation zumindest teilweise kompensiert wird, kann es in solchen Fällen
zweckmäßig sein, zusätzlich poch ein Laufzeit- oder Phasendrehglied in dem das Eingangssignal
unverzerrt übertragenden Kanal vor dem Zusetzen des
Kompensationssignales
vorzusehen und dieses Laufzeitglied in Abhängigkeit vom linearen Anteil des Eingangssignales
oder von einer Potenz dieses Eingangssignales oder u. U.
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auch in Abhängigkeit von der Summe einer oder mehrerer dieser Signale
zu regeln. Vorteilhafterweise wird zu diesem Zweck die vorerwähnte L&ufzeitkette
steuerbar gestaltet. Diese zusätzliche Maßnahme ist insbesondere in Kombination
mit der oben erwähnten Kompensationsmaßnahme nach der Erfindung von Vorteil, kann
jedoch ebensogut in Kombination mit anderen bekannten Schaltungen zur Kompensation
der Nichtlinearität von Verstärkerkennlinien oder bei Bedarf eventuell auch nurallein
angewendet werden.
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Die Erfindung wird in folgenden an Hand schematischer Zeichnungen
an Ausführungsbeispielen näher erläutert Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild einer
erfindungsgemäßen Vorverzerrerschaltung, die einem nichtlinearen Verstärker V, beispielsweise
einem Klystron-Leistungsendverstärker, vorgeschaltet ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel
besitzt dieser Verstärker V beispielsweise die oben erwähnte Verstärkerkennlinle,
bei der im wesentlichen nur die ungeraden Potenzglieder die Nichtlinearität oestimmen.
Das zu verstarkende Eingangssignal U wird einerseits unverzerrt eier Addierstufe
A zugeführt und andererseits über die einzelnen Zweige T, II, III usw. eines Vorverzerrers
E in vorbestimmter Weise verzerrt in dieser Addierstufe A dem unverzerrten Eingangssignal
wieder zugesetzt. Jeder einzelne Zweig I, II, III usw. des Vorverzerrers umfaßt
eine oder mehrere Multiplizierschaltungen beispielsweise Multiplikatoren in Form
von Vierquadrantenmodulatorenn multiplikativen Mischern oder dergleichen. Hierfür
sind jedoch auch Logarithmierer mit nachgeschalteten Addierschaltungen und Delogarithmierern
geeignet, also alle Arten von Multiplizierschaltungen,
die es erlauben,
das Produkt aus zwei Eingangssignalen zu erzeugen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel
umfaßtder Zweig I beispielsweise zwei Multiplikatoren M1 und Y12, von denen der
erste M1 das Quadrat aus dem seinen beiden Eingängen zugeführten Eingangssigrlal
U bildet, wahrend der zweite (M2) aus diesem quadratischen Zwischenprodukt und dem
Eingangssignal U die dritte Potenz des Eingangssignales erzeugt. Da nach der in
Fig. 1 eingetragenen Formel für diesen Zweig das Dreifache der Grundfrequenz im
allgemeinen außerhalb des Ubertragungsbandes liegt und auch als Verzerrungsprodukt
des Verstärkers V durch Selektionsmittel abgesiebt wird, verbleibt als Kompensationssignal
in diesem Zweig nur der kubische Anteil a'3U³ sin #t dieser Beziehung.
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Dieses der dritten Potenz entsprechende Ausgangssignal wird gegebenenfalls
unter Zwischenschaltung von Selektionsmitteln über einen einstellbaren Verstärker
D1 und ein ebenfalls einstellbares Phasendrehglied P1 der Addierstufe A zugefügt
und hier mit detn unverzerrt übertragenen Eingangssignal U zu dem Ausgangssignal
UA zusammengesetztS das gegebenenfalls unter Zwischenschaltung von Frecuenzumset2er;
dem Endverstärker V zugeführt wird und in gewünschter Weise kompensiert ist. Im
zweiten Zweig II wird auf ähnliche Weise das Produkt U5 erzeugt, in dem gezeigten
Ausführungsbeispiel aus dem Ausgangssignal U2 des Multiplikators M1 und dem Produkt
U3 des Multiplikators N2 in dem Multiplikator M3. Auch in diesem Zweig ist wieder
ein einstellbarer Verstärker DII und ein einstellbares Phasendrehglied PII vorgesehen.
Zum Ausgleich eventueller Laufzeitunterschiede in den einzelnen Multiplikatoren
können in den einzelnen Zweigen eventuell noch zusätzsolche Laufzeitglieder eingeschaltet
werden, wie dies im Zweig II durch das Laufzeigglied L gestrichelt angedeutet ist.
In ähnlicher Weise ist der nur schematisch angedeutete Zweig III aufgebaut mit dem
durch entsprechend viele X,ultplikatoren oder durch geeignete Verknüpfung der in
den Zweigen I und II bereits vorhandenen Multiplikatoren das Produkt U7
gebildet
wird, das dann wiederum in der Amplitude und Phase gesondert eingestellt der Addierstufe
A zugeführt wird. Am Ausgang dieser Addierstufe A entsteht also synthetisch aufbereitet
aus dem Eingangssignal U folgende Ausgangsspannung UA: UA = alU + a'3U3 - a'5U5
+ a' 7U7 a nUn Vernachlässigt man die h8herpotenten Glieder der oben erwanten Verstärkerkennlinie
und führt diese Ausgangsspannung UA durch den Verstärker V mit dieser oben erwähnten
Kennlinie, so ergibt sich, daß sich die Glieder dritter, fünfter und siebter Potenz
aufheben, wenn die Koeffizienten a bzw. at entsprechenden Betrag und entgegengesetztes
Vorzeichen besitzen -was durch entsprechende Einstellung der Verstärker DI, DII,
DIII und der Phasendrehglieder PI, PII, PIII erreicht wird- und schließlich nur
noch der lineare Anteil a1U verbleibt, also am Ausgang des Verstärkers V ein unverzerrtes
Signal auftritt.
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Durch entsprechende Einstellung der Verstärker D, die u. U.
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auch als Abschwächer realisiert sein können, kann der Betrag der einzelnen
Glieder beliebig eingestellt werden. Entsprechend kann durch die Phasendrehgiieder
und/oder Laufzeitglieder P der einzelnen Zweige jeweils die erforderliche Phase
exakt eingestellt werden. Damit ist es möglich beliebige komplexe Verzerrungen gu
kompensieren, beispielsweise auch solche, die durch Umwandlung von Amplitudenmodulation
in-Phasenmodulatlon auftreten.
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Damit die einzelnen Signale in der Äddierstufe A laufzeitrichtig wieder
zusammengesetzt werden muß in der Regel in den das unverzerrte Signal U übertragenden
Kanal noch ein zusätzliches Laufzeitglied T eingeschaltet werden3 durch das die
in den einzelnen Zweigen des Vorverzerrers E auftretenden Verzögerungen entsprechend
kompensiert werden.
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Bei Leistungsverstärkern, zum Beispiel Fernsehsender-Endstufen, tritt
je nach Art des Verstärkers u. U. auch noch eine störende Phasenverzerrung, hervorgerufen
durch Umwandlung von Amplitudenmodulation in Phasenmodulation, auf, insbesondere
dann, wenn der Verstärker mit Wanderfeldröhren bestückt ist. Um auch solche Phasenverzerrungen
auszugleichen, ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Fig. 2 das in den
unverzerrte Eingangssignal U übertragenden Kanal eingeschaltete Laufzeit- oder Phasendrehglied
T1 regelbar ausgeführt, und zwar wird es je nach Anforderung und Art der Verzerrung
entweder unmittelbar in Abhängigkeit von dem linearen Anteil der gegebenenfalls
demodulierten Eingangsspannung U oder einem gegebenenfalls demodulierten höherpotenten
Anteil dieser Eingangsspannung geregelt.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird aus dem Eingangssignal
U wieder über Multiplikatoren M5, M6, M7 usw. synthetisch das Quadrat bzw. die dritte,
fünfte bzw.
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n-te Potenz dieser Eingangsspannung erzeugt und diese höherpotenten
Signale werden wieder über einstellbare Verstärker D einer Summierschaltung S zugeführt
und dort zu einem Regelsignal zusammengesetzt. Selbstverständlich können analog
der Schaltung nach Fig. 1 auch hier in den jeweiligen Zweigen für U2, U3 ... Un
Lnufzeit- und/oder Phasendrehglieder eingesetzt sein. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel
werden in dieser Summierschaltung S das lineare Eingangssignal U zusammen mit dem
Quadrat U2 und der dritten und vierten Potenz U3 bzw. U4 dieser Eingangsspannung
zu einem Regelsignal zusammengesetzt, über welches das Phasendrehglied T1 entsprechend
geregelt wird. Das Regelsignal kann beispielsweise durch einen der SummierschaltUng
S nachgeschalteten Demodulator B demoduliert werden» genausogut könnte dies jedoch
auch schon vor der Summierschaltung in jedem einzelnen Zweig durch die gestrichelt
eingezeichneten Demodulatoren B'
erfolgen. Die Art (Amplitude und
Phase) des Regelsignales für das Phasendrehglied TS richtet sich nach den auftretenden
Phasenverzerrungen, die wiederum abhängig sind von der Art der verwendeten Schaltelemente
in dem gesamten Verstärkerzug. Die erfindungsgemäße Schaltung nach Fig. 2 ermöglicht
die Berücksichtigung der verschiedensten Verzerrungen, wie dies auch schon für die
Amplitudenverzerrung nach Fig. 1 beschrieben ist. Die Regelschaltung nach Fig. 2
kann hierbei in Kombination mit jeder bekannten Schaltung zur vom pensation der
Amplituden-Nichtlinearität eines Verstärkers kombiniert werden, sie wird Jedoch
vorzugsweise mit einer Kompensationsschaltung nach der Erfindung, wie sie in Fig.
1 dargestellt ist, kombiniert, wie dies in Fig. 2 mit dem Vorverzerrer E und der
Addierstufe A angedeutet ist. Bei einer solchen Kombination der Schaltungen nach
Fig. 1 und Fig. 2 können selbstverständlich die zur Aufbereitung der höherpotenten
Glieder erforderlichen Schaltelemente (Multipl-ikatoren) mehrfach ausgenutzt werden,
d.h. die eigentliche Verzerrerschaltung E kann mit der zur Aufbereitung des Regelsignales
erforderlichen Schaltung nach Fig. 2 in geeigneter Weise integriert und verknüpft
werden, so daß der Gesamtaufbau vereinfacht wird.
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Patentansprüche