DE2364493C3

DE2364493C3 - Circuit arrangement for the compensation of non-linear distortions in a transmission system

Info

Publication number: DE2364493C3
Application number: DE19732364493
Authority: DE
Inventors: Kurt Dipl.-Ing 6142 Bensheim-Auerbach; Jäger Franz Ing.(grad.) 6102 Pfungstadt; Heun Hans-Joachim Dipl.-Ing 6100 Darmstadt Kiesel
Original assignee: Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München; Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft AEG-Telefunken, 6000 Frankfurt; Standard Elektrik Lorenz AG, 7000 Stuttgart
Filing date: 1973-12-24
Publication date: 1977-12-29

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Kompensation von nichtlinearen Verzerrungen in Übertragungssystemen. Grundsätzlich lassen sich nichtlineare Verzerrungen durch entgegengesetzte Verzerrungen aufheben, z. B. dadurch, daß man mit dem zu entzerrenden Übertragungssystem ein Übertragungssystem mit komplementärer Kennlinie, sei es durch Serienschaltung oder Parallelschaltung, kombiniert.The invention relates to a circuit arrangement for compensating for non-linear distortions in Transmission systems. In principle, nonlinear distortions can be reduced by opposing distortions cancel, e.g. B. by having a transmission system with the transmission system to be equalized with a complementary characteristic, be it through series connection or parallel connection.

Ein Näherungsverfahren zur Herstellung einer solchen komplementären Übertragungskennlinie besteht darin, daß man auf das zu entzerrende Übertragungssystem nochmals ein gleichartiges System umgepolt folgen läßt (Küpfmüller. Die Systemtheorie der elektrischen Nachrichtenübertragung, 2. Auflage, Seite 202-203).There is an approximation method for producing such a complementary transfer characteristic in the fact that one again uses a similar system on the transmission system to be equalized reversed polarity (Küpfmüller. The system theory of electrical communications, 2nd edition, Page 202-203).

Bisher glaubte man, daß auf diese Weise zwar der quadratische Anteil der Verzerrungen kompensiert werden kann, der im Übertragungsweg weitaus störende kubische Anteil jedoch nur unter ganz besonderen, nicht allgemein einzuhaltenden Voraussetzungen. Up until now it was believed that the quadratic portion of the distortion was compensated in this way can be, but the cubic part, which is by far disruptive in the transmission path, is only completely special, not generally to be observed conditions.

Eine Einrichtung, die auch kubische Verzerrungen kompensieren soll, ist in der DT-AS 10 04 667 beschrieben. Hier wird das in einem vorhergehenden Übertragungssystem verzerrte Signal einem Korrekturnetzwerk zugeführt, welche·- für sich allein die gleiche Übertragungskennlinie wit das vorangegangene Übertragungssystem aufweist Die Komplementarität der Kennlinie wird durch eine Brückenschaltung des Korrekturnetzwerkes mit einem verzerrungsfreien Verstärker und der gegenphasigen Addition der am Ausgang des Korrekturnetzwerkes und am Ausgang des verzerrungsfreien Verstärkers stehenden Signalanteile erreicht. Am Ausgang des Korrekturnetzwerkes ist das Signal durch die gleichen Übertragungskennlinien des Verstärkers und des Korrekturnetzwerkes zunächst zweimal mit den gleichen Klirrprodukten versehen, weist also eine Verdoppelgung der Klirramplitude auf. Gegenphasig zu ihm wird ein Signalanteil addiert, der in einem vor dem Korrekturnetzwerk abgezweigten und durch einen verzerrungsfreien Verstärker auf eine dem Ausgangssignai des Korrekturnetzwerks entsprechende Klirramplitude, also die doppelte Signalamplitude, verstärkt wird. Bei Einhaltung dieser Amplitudenverhältnisse erfolgt eine Auslöschung der Klirranteile.A device that is also intended to compensate for cubic distortion is in DT-AS 10 04 667 described. Here the signal distorted in a previous transmission system becomes a correction network supplied, which · - for itself the same transfer characteristic with the previous transfer system The complementarity of the characteristic is ensured by a bridge circuit of the Correction network with a distortion-free amplifier and the anti-phase addition of the am Output of the correction network and signal components at the output of the distortion-free amplifier achieved. At the output of the correction network, the signal has the same transfer characteristics the amplifier and the correction network are initially provided with the same distortion products twice, thus has a doubling of the distortion amplitude. A signal component is added out of phase to it, which is in a branched off in front of the correction network and through a distortion-free amplifier to a dem Output signals of the correction network corresponding distortion amplitude, i.e. twice the signal amplitude, is reinforced. If these amplitude ratios are adhered to, the distortion parts are eliminated.

Diese Einrichtung jedoch ist aus folgendem Grund für die Kompensation höherer Klirrleistungen wenig geeignet. Um eine gegenphasige Tilgung der Klirrprodukte durchführen zu können, muß der Verstärker im ersten Zweig die gleiche Leistung wie der vorgeschaltete Hauptverstärker aufweisen, der Verstärker im anderen, dazu gegenphasigen Zweig jedoch für die lineare Verstärkung der doppelten Amplitude geeignet sein. Das ist für Leistungsstufen, z. B. Senderendstufen ein untragbarer Aufwand.This device, however, is little for the compensation of higher distortion powers for the following reason suitable. In order to be able to carry out an anti-phase elimination of the distortion products, the amplifier must im first branch have the same power as the upstream main amplifier, the amplifier im Another branch, which is in phase opposition, is suitable for the linear amplification of double the amplitude being. This is for power levels, e.g. B. transmitter output stages an unacceptable expense.

Erwiesenermaßen kubische Verzerrungen kompensieren kann eine Reihe von Kompensationsverfahren, die in der Literatur auch als »Autokompensationsmethode« (DT-PS 10 85 194), im angelsächsischen Sprachgebrauch als »feed-forward« bezeichnet wird (US-PS 20 43 587), (Seidel, H. »A microwave feed-forward experiment«, B.S.T.J. 50[197I], Nr. 9, S. 2879-2916).A number of compensation methods have been shown to compensate for cubic distortions, also known in the literature as the "auto-compensation method" (DT-PS 10 85 194), in Anglo-Saxon usage is referred to as “feed-forward” (US-PS 20 43 587), (Seidel, H. “A microwave feed-forward experiment ", B.S.T.J. 50 [197I], No. 9, pp. 2879-2916).

Dieye Verfahren gehen von zwei gleichphasigen parallelen Verstärkerzweigen mit zwei elektrisch gleichen Verstärkern aus. Sie beruhen darauf, daß die Signalverzerrungen des einen Verstärkerzweigs zunächst abgetrennt, in einem möglichst linearen Hilfsverstärker verstärkt und anschließend dem verzerrten Signal so zugesetzt werden, daß sich die Verzerrungen bis auf die Restverzerrungen des Hilfsverstärkers auslöschen.The method is based on two in-phase parallel amplifier branches with two electrical ones compensate for amplifiers. They are based on the fact that the signal distortions of one amplifier branch initially separated, amplified in an auxiliary amplifier that is as linear as possible and then the distorted one Signal can be added in such a way that the distortion is reduced to the residual distortion of the auxiliary amplifier wipe out.

Eine ähnliche vereinfachte Anordnung zur Unterdrückung nur einer Harmonischen ist in der DT-AS 12 11 690 beschrieben.A similar simplified arrangement for suppressing only one harmonic is in the DT-AS 12 11 690.

Diese vorerwähnten bekannten Verfahren benötigen wegen der beiden parallelen Verstärkerzweige jeweils zwei abzustimmende Brückenschaltungen und sind daher anfällig gegen Schwankungen des Brückenabgleichs. Nachteilig ist ferner, daß bei der Kompensation innerhalb der gleichen Verstärkerstufe der lineare Hilfsverstärker etwa der gleichen Leistungsklasse angehören muß, wie der Hauptverstärker und somit der Verstärkeraufwand und der Aufwand für die Stromversorgung verdoppelt wird. Das fällt insbesondere wieder ins Gewicht, wenn es sich um Leistungsverstärker, z. B. Sendeendstufen handeltThese previously mentioned known methods each need because of the two parallel amplifier branches two bridge circuits to be tuned and are therefore susceptible to fluctuations in the bridge balancing. Another disadvantage is that in the compensation within the same amplifier stage the linear The auxiliary amplifier must belong to roughly the same performance class as the main amplifier and thus the Amplifier effort and the effort for the power supply is doubled. That falls again in particular weight when it comes to power amplifiers, e.g. B. transmission output stages

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Schaltungsanordnung für ein Kompensationsverfahren, insbesondere für die im Signalband liegenden kubischenThe object of the present invention is to provide a circuit arrangement for a compensation method, especially for the cubic ones in the signal band

Verzerrungen, anzugeben, das bei kleiner Leistung und gegebenenfalls auch bei einer niedrigen ZwischenfrequMiz durchgeführt werden kann und schaltungsmäßig weniger Aufwand erfordert.Distortion, to indicate that at low power and possibly also at a low intermediate frequency can be carried out and requires less effort in terms of circuitry.

Die Erfindung geht dabei von der bekannten Schaltungsanordnung zur Kompensation von nichtline?ren Verzerrungen in einem Übertragungssystem durch ein eine annähernd gleiche Übertragungskennlinie wie dieses aufweisendes, in Serie geschaltetes Korrekturglied aus, dessen Ausgangssignal zur Erzielung einer komplementären Ubertragungskennlinie gegenphasig zu einem vor dem Korrekturglied abgezweigten Signaiteil unter Wiederherstellung der ursprünglichen Amplitudenverhältnisse des Nutzsignals zu den Verzerrungsanteilen addiert wird. ,_s The invention is based on the known circuit arrangement for compensating for non-linear distortions in a transmission system by means of a series-connected correction element having approximately the same transmission characteristic as this, the output signal of which is in phase opposition to a signal part branched off in front of the correction element Restoration of the original amplitude ratios of the useful signal is added to the distortion components. , _s

Die oben dargestellte Aufgabe wird nun dadurch gelöst, daß das Korrekturglied vor das zu entzerrende Übertragungssystem geschaltet ist, die gegenphasige Addition des zunächst gleichsinnig vo-verzerrten Ausgangssignals des Korrekturgliedes mit dem unverzerrten durch ein Laufzeitglied entsprechend der Laufzeit des Korrekturgliedes verzögerten Ursprungssignal erfolgt und die Wiederherstellung der ursprünglichen Amplitudenverhältnisse des Nutzsignals zu den Verzerrungsanteilen ohne Vergrößerung der Verzerrungsanteile im Ausgangssignal des Korrekturgliedes erzielt ist.The problem presented above is now achieved in that the correction element is in front of the one to be equalized Transmission system is switched, the anti-phase addition of the initially in the same direction vo-distorted Output signal of the correction element with the undistorted by a delay element according to the Running time of the correction element delayed original signal takes place and the restoration of the original Amplitude ratios of the useful signal to the distortion components without increasing the distortion components is achieved in the output signal of the correction element.

Es findet also im Gegensatz zu den bekannten Verfahren und Einrichtungen eine nichtlineare Vorverzerrung des der Übertragungsstrecke zuzuführenden Signals statt, ähnlich, wie es für die Kompensation von linearen Verzerrungen durch Preemphaseglieder seit langem üblich ist.In contrast to the known methods and devices, there is a non-linear predistortion of the signal to be fed to the transmission path, similar to the one used for the compensation of linear distortion caused by pre-emphasis elements has long been common.

Da es sich um eine Vorverzerrerschaltung handelt, entfällt der doppelte oder mehrfache Verstärkeraufwand in der Leistungsstufe eines Verstärkers. Die Linearisierung wird vielmehr mit relativ geringem Aufwand in einer Vorstufe oder ZF-Stufe durchgeführt.Since it is a pre-distortion circuit, there is no need for a double or multiple amplifier effort in the power stage of an amplifier. Rather, the linearization is relatively low Effort carried out in a preliminary stage or ZF stage.

Die bekannten Kompensationsmethoden, wie die »Autokompensationsmethode« bzw. »feed-forward« benötigen zur Kompensation zwei Brückenzweige, die Schaltung nach der Erfindung kommt mit einem Kreis aus und ist deswegen stabiler im Hinblick auf Amplituden- und Phasenschwankungen.The well-known compensation methods, such as the "auto compensation method" or "feed-forward" need two bridge arms for compensation, the circuit according to the invention comes with a circle off and is therefore more stable with regard to amplitude and phase fluctuations.

Obwohl die Schaltungsanordnung nach der Erfindung sich unschwer der Klasse von Kompensationsverfahren mit komplementärer Kennlinie zuordnen läßt und demnach auch die dort gewonnenen Erkenntnisse bezüglich der Schwierigkeiten gelten müßten, kubische Verzerrungen und solche höherer Ordnung zu kompensieren, ergaben ausgedehnte Versuche eindeutig, daß sich mit dieser relativ einfachen Anordnung ohne besondere Schwierigkeiten jedenfalls die kubischen und höheren Verzerrungen, die ins Signalband fallen, wirkungsvoll beseitigen lassen.Although the circuit arrangement according to the invention easily belongs to the class of compensation methods can be assigned with a complementary characteristic and therefore also the knowledge gained there with regard to the difficulties to compensate for cubic and higher-order distortions, Extensive tests clearly showed that with this relatively simple arrangement without particular difficulties, in any case, the cubic and higher distortions that fall in the signal band, can be effectively eliminated.

Diese Versuche haben auch ergeben, daß die Kompensation über einen großen Aussteuerbereich erreicht wird, wenn die gegenphasige Addition des vorverzerrten Ausgangssignals des Korrekturgliedes zum unverzerrten Ursprungssignal im Verhältnis 0,5 :1 erfolgt.These experiments have also shown that the compensation over a large dynamic range is achieved when the antiphase addition of the predistorted output signal of the correction element to the undistorted original signal in a ratio of 0.5: 1.

Zwei Ausführungsbeispiele der Schaltung sind in den Zeichnungen F i g. 1 und 2 dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben:Two exemplary embodiments of the circuit are shown in the drawings F i g. 1 and 2 and are shown in the following is described in more detail:

die F i g. 1 zeigt das Prinzip an Hand eines durch Frequenzspektren erläuterten Ausführungsbeispiels; die F i g. 2 eine Ausführungsform mit Frequenzumsetdie F i g. 3 die Wirkungsweise undthe F i g. 1 shows the principle on the basis of an exemplary embodiment explained by frequency spectra; the F i g. FIG. 2 shows an embodiment with frequency conversion of FIG. 3 the mode of action and

die F i g. 4 die Meßergebnisse.the F i g. 4 the measurement results.

F i g. 1 zeigt eine Vorverzerrungsscnaltung für eine Signalentzerrung in der gleichen Frequenzlage, die mit einem Verstärker V, als Korrekturglied arbeitet. Bei F. wird ein hochfrequentes Signal — dargestellt durch die beiden Eckfrequenzen f\ und h — eingespeist und im Koppler K\ auf die beiden Brückenzweige aufgeteilt. Der eine der beiden Brückenzweige enthält als Korrekturglied den Verstärker Vi, der bei der Signalverstärkung amplitudenabhängige Verzerrungen erzeugt. Das sich ergebende Signalspekirum ist hinter dem Verstärker Vi gezeichnet.F i g. 1 shows a predistortion circuit for signal equalization in the same frequency position, which works with an amplifier V 1 as a correction element. At F. a high-frequency signal - represented by the two corner frequencies f \ and h - is fed in and divided between the two bridge branches in the coupler K \. One of the two bridge branches contains the amplifier Vi as a correction element, which generates amplitude-dependent distortions during signal amplification. The resulting signal spectrum is drawn behind the amplifier Vi.

Der zweite Brückenzweig enthält einen veränderlichen Laufzeitausgleich τ zum Ausgleich der Laufzeit des anderen Zweiges einschließlich des Verstärkers Vi, sowie den Phasenschieber φ zur Einstellung der für die Kompensation erforderlichen Phasenlage. Am Koppler K₂ steht also außerdem das unverzerrte Ursprungssignal, unterhalb des Kopplers K₂ angedeutet. Die getrennten Signalanteile werden über den Koppler K₂ so wieder zusammengeführt, daß die Verzerrungsanteile gegenphasig, jedoch im ursprünglichen Amplitudenverhältnis zum Nutzsignal liegen. Dies ist dann gegeben, wenn die Amplitude des Ursprungssignals am Koppler K2 doppelt so groß ist wie die Amplitude des vorverzerrten Signals. Dargestellt sind diese Verhältnisse unterhalb des Verstärkers V₂. Das so gewonnene Signal-Verzerrungs-Gemisch stellt ein vorverzerrtes Signal für die nachfolgenden Verstärker V₂ bis V_n dar. Die in den Verstärkern V₂ bis V_n entstehenden Verzerrungen werden durch das vorverzerrte Signal optimal kompensiert, wenn sie das gleiche Ampliiudenverhältnis haben wie das Korrekturglicd, was bei geeigneter Wahl der Arbeitspunkte in bezug auf die Ausgangssättigungsleistung im allgemeinen gegeben ist.The second bridge branch contains a variable transit time compensation τ to compensate for the transit time of the other branch including the amplifier Vi, as well as the phase shifter φ for setting the phase position required for the compensation. At the coupler K ₂ furthermore ie the undistorted original signal, as indicated below the coupler K. ₂ The separated signal components are brought together again via the coupler K _{2 in} such a way that the distortion components are in phase opposition, but in the original amplitude ratio to the useful signal. This is the case when the amplitude of the original signal at the coupler K2 is twice as large as the amplitude of the predistorted signal. These relationships are shown below amplifier V ₂ . The signal-distortion mixture obtained in this way represents a pre-distorted signal for the subsequent amplifiers V ₂ to V _n . The distortions arising in the amplifiers V ₂ to V _n are optimally compensated for by the pre-distorted signal if they have the same amplitude ratio as that Correction glicd, which is generally given with a suitable choice of the operating points with regard to the output saturation power.

F i g. 2 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eine Schaltung mit Frequenzumsetzung nach dem gleichen Wirkungsprinzip. In der niederen Frequenzebene, z. B. bei einer Zwischenfrequenz, läßt sich die Vorverzerrung besonders einfach realisieren. Da die relative Frequenzlage der infolge von Intermodulation und AM-PM-Konversion entstehenden Seitenbänder bei der Frequenzumsetzung erhalten bleibt, lassen sich sowohl der Frequenzumsetzer FU als auch nachfolgende Verstärker V_n, und gegebenenfalls auch Demodulatoren usw. entzerren.F i g. As a further exemplary embodiment, FIG. 2 shows a circuit with frequency conversion based on the same operating principle. In the lower frequency level, e.g. B. at an intermediate frequency, the predistortion can be implemented particularly easily. Since the relative frequency position of the sidebands resulting from intermodulation and AM-PM conversion is retained during frequency conversion, both the frequency converter FU and the downstream amplifier V _n , and possibly also demodulators, etc., can be equalized.

Es ist bekannt, daß die amplitudenabhängigen Verzerrungen in Form von neu gebildeten Seitenbändern auftreten, die je nach ihrer physikalischen Ursache unterschiedliche Phasenlage zueinander und zum Nutzsignal haben. Frequenzgleiche Seitenbandanteile addieren sich vektoriell und können mit einer Gegenspannung kompensiert werden.It is known that the amplitude-dependent distortions in the form of newly formed sidebands occur which, depending on their physical cause, have different phase positions to each other and to Have useful signal. Sideband components of the same frequency add vectorially and can be combined with a Counter-voltage can be compensated.

Die hierbei auftretende Verringerung der Verstärkungskompression und damit die Begradigung der Ausgangs-Eingangs-Spannungscharakteristik einer Gesamtanordnung nach Fig. 1 oder 2 läßt sich an Hand von F i g. 3 wie folgt erklären:The resulting reduction in the gain compression and thus the straightening of the Output-input voltage characteristics of an overall arrangement according to Fig. 1 or 2 can be seen on hand from F i g. 3 explain as follows:

Die 180°-Drehung des Signals in einem Brückenzweig führt zu einer Differenzbildung der Nutzsignalanteile im Koppler K₂. Dabei entsteht als Differenzkennlinie aus der gekrümmten Spannungskennlinie des Korrekturgliedes und der geraden Kennlinie des linearen Brückenzweiges eine Kennlinie mit entgegengesetzter Krümmung, die als lineare Vorverzerrung angesehen werden kann und die Kennlinie der nachfolgenden nichtlinearen Elemente linearisiert.The 180 ° rotation of the signal in a bridge branch leads to a difference between the useful signal components in the coupler K ₂ . As a difference characteristic from the curved voltage characteristic of the correction element and the straight characteristic of the linear bridge arm, a characteristic with opposite curvature is created, which can be viewed as a linear predistortion and which linearizes the characteristic of the subsequent non-linear elements.

Einige Meßergebnisse für die Verbesserung der Intermodulation, die mit Schaltungen bei 6 GHz in einer Frequenzlage und bei 12GHz mit Umsetzung von 600 MHz gewonnen werden, zeigt F i g. 4. Die Ergebnisse bei 6GHz stammen von einer Schaltung mit s Wanderfeldröhren für Richtfunkgeräte und wurden mit der Zweitonmethode gewonnen. Die Messungen bei 0,6/12 GHz sind mit einem aus drei Signalen nachgebildeten Fernsehsignal (gemeinsame Bild-Ton-Übertragung) durchgeführt worden. Die Schaltung besteht aus einem 600-MHz-Transistorverstärker, einem parametrischen Aufwärtsumsetzer und einem 2-kW-12-GHz-Klystron. Die zugehörigen Werte für die AM-PM-Konversion sind praktisch vernachlässigbar.Some measurement results for the improvement of the intermodulation with circuits at 6 GHz in one Frequency position and can be obtained at 12 GHz with conversion of 600 MHz is shown in FIG. 4. The results at 6GHz come from a circuit with s traveling wave tubes for directional radios and were with won the two-tone method. The measurements at 0.6 / 12 GHz are simulated with one of three signals TV signal (joint image-sound transmission) has been carried out. The circuit consists of a 600 MHz transistor amplifier, a parametric up-converter, and a 2 kW 12 GHz klystron. The associated values for the AM-PM conversion are practically negligible.

Die Meßergebnisse zeigen eine Einsatzmöglichkeit z. B. bei Einseitenbandrichtfunk, Fernsehen mit gemeinsamer Bild-Ton-Übertragung in einem Leistungsverstärker bei hoher Aussteuerung und bei Mehrfachzugriff in Nachrichtensatelliten.The measurement results show a possible use z. B. with single sideband radio, television with common Image-sound transmission in a power amplifier with high modulation and multiple access in communications satellites.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Circuit arrangement for the compensation of non-linear distortions in a transmission system by a series-connected correction element with approximately the same transmission characteristic as this, the output signal of which is in phase opposition to a signal component branched off before the correction element while restoring the original amplitude ratio of the useful signal is added to the distortion components, characterized in that the correction element (Vi) is connected upstream of the transmission system (V ₂ - V _n ) to be equalized, the antiphase addition of the output signal of the correction element (V _x ) , which is initially predistorted in the same direction, with the undistorted output signal by a delay element (τ) takes place according to the running time of the correction element (v \) delayed original signal and the restoration of the original amplitude ratios of the useful signal to the distortion components without increasing the distortion ration components is achieved in the output signal of the correction element (Fig-1).

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the antiphase addition of the predistorted output signal of the correction element (Vi) to the undistorted original signal takes place in a coupler (K ₂ ) in a ratio of 0.5: 1

3. Circuit arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that the correction element (V,) is a non-linear element corresponding in its transmission characteristic to a downstream power amplifier

4. Circuit arrangement according to claim 1 to 3, characterized in that the antiphase addition of the predistorted output signal to the original signal takes place in an intermediate frequency position and a frequency converter stage (FU) is connected between the coupler for antiphase addition and the power amplifier (V _n ) (FU) . 2).