DE3312030A1

DE3312030A1 - Verstaerker mit vorverzerrungskompensation

Info

Publication number: DE3312030A1
Application number: DE19833312030
Authority: DE
Inventors: George Walter Travis
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1982-04-05
Filing date: 1983-04-02
Publication date: 1983-10-06
Also published as: AU1258483A; FR2524733A1; IT1173662B; US4453133A; GB2117991A; CA1191215A; JPS58186207A; IT8320437A1; IT8320437A0

Description

JJ IZUJU

Verstärker mit Vorverzerrungskompensation

Die Erfindung betrifft Verstärker mit einer Linearitätskompensation zur Verringerung der Verzerrungen. Im einzelnen bezieht sich die Erfindung auf Vorwärtskopplungsverfahren in Breitbandverstärkern, die ähnliche Arten von Verstärkungsbauteilen verwenden.

Es sind verschiedene Verfahren zur Verzerrungskompensation entwickelt worden, um die Güte von Verstärkern zu verbessern. Dazu gehören die Vorwärts- und die Rückkopplung. Übliche Anordnungen mit Vorwärtskopplung erfordern eine Verdoppelung der Leistungsverstärker, und zwar je einen in einem Signalweg, die dann am Ausgang kombiniert werden. Die Verstärkerverdopplung vergeudet Leistung,

während die beim Kombinieren der Signale am Ausgang bewirkten Verluste die effektive Ausgangsleistung des Verstärkers verringert. Die Rückkopplung auf der anderen Seite verringert die Verzerrung auf Kosten der Verstärkung, wodurch häufig weitere Verstärkerstufen zur Erzielung des gewünschten Ausgangssignals erforderlich werden.

In einigen Anwendungsfällen, beispielsweise bei Sateliten-Wiederholverstärkern, sind diese Verluste mehr als in anderen Anwendungsfällen schwerwiegende Nachteile. Für eine Verwendung in Sateliten werden insbesondere kompakte Schaltungen mit niedrigem Leistungsverbrauch und niedrigem Gewicht gewünscht. Ein anderes Problem beruht darauf, daß die Schaltungen in Sateliten in typischer Weise mit hohen Leistungspegeln betrieben werden, um eine hohe Ausgangsleistung für die insgesamt verbrauchte Leistung zu erhalten, wodurch jedoch leider die Einflüsse von Nichtlinearitäten verschlimmert werden.

Aufgrund der immer mehr ansteigenden Anforderungen hinsichtlich der Menge der zu übertragenden Informationen ist der Bedarf nach linearen Verstärkern mit breiten Durchlaßbändern stark angewachsen. Es werden heute Transponder benötigt, die in vorgegebenen Frequenzbändern in einem Satelitenverstärker arbeiten, um eine Intermodulationsverzerrung oder Mehrwegstörungen zwischen empfangenen Signalen zu vermeiden, die dann verstärkt und wieder in Richtung zu Erdstationen ausgestrahlt werden.

Ein solcher Lösungsversuch ist aufwendig hinsichtlich eines verringerten Bandbreitenwirkungsgrades aufgrund des erforderlichen Abstandes zwischen den vorgegebenen Bändern und dem Gewicht der verschiedenen Abschnitte in den Filter-Demultiplexern, die bei einer solchen Lösung benötigt werden.

Ein weiteres Linearisierungsverfahren ist als Vorverzerrungskompensation bekannt, bei dem Vorverzerrungskomponenten dem Eingangssignal hinzugefügt werden, um eine auslöschende Überlagerung zwischen den Vorverzerrungskomponenten und einer gewählten Verzerrungsordnung zu erreichen, die der Verstärker im Betrieb erzeugt. Übliche Anordnungen verwenden jedoch passive Schaltungen (beispielsweise Diodenanordmmgen) in der Vorverzerrungseinrichtung, wobei die Verzerrung durch eine partielle Nachbildung der Verzerrungseigenschaften des aktiven Verstärkers verringert wird. Im Ergebnis ist ein großer Teil des Eingangssignals erforderlich, um ausreichende Signalpegel für einen Betrieb der Vorverzerrungseinrichtung vor der Verstärkung zwecks Erzeugung einer bestimmten Ordnung von Verzerrungskomponenten zu erreichen. Im Ergebnis wird der Gewinn oder Verstärkungsfaktor verringert, um die Güte für die gewählte Verzerrungsordnung zu verbessern.

Obwohl diese Nachteile besonders schwerwiegend bei Sateliten-Anwendungen sind, so bietet doch ein Verstärker,

der diese Schwierigkeiten überwindet, besondere Vorteile, die bei einer Vielzahl anderer Anwendungsfälle in hohem Grad erwünscht sind, bei denen eine gute Linearität und große Bandbreite erforderlich sind. Beispielsweise können typische Anwendungsfälle Mikrowellen- und Einseitenband-Übertragungsanlagen umfassen.

Die Lösung der Aufgabe, die sich aus den erläuterten Problemen ergibt, ist im Patentanspruch 1 angegeben.

Ganz allgemein verwendet die Erfindung eine Vorverzerrungs-lömpensationseinrichtung unter Benutzung eines Spannungsverstärkers zur Erzeugung von Verzerrungskomponenten, die mit geeigneter Amplitude und Phasenbeziehung mit dem Eingangssignal eines Leistungsverstärkers kombiniert werden, um dessen Betrieb zu linearisieren.

Bei gewissen zusätzlichen Merkmalen der Erfindung wird der Spannungsverstärker so gewählt,daß er eine ähnliche Eingangs-Ausgangsverzögerung und Phaseneigenschaften wie der Leistungsverstärker besitzt. Unter Verwendung der Differenz zwischen einem Teil des Ausgangssignals und dem Eingangssignal des Spannungsverstärkers werden Verzerrungskomponenten erzeugt, die zum Eingangssignal des Leistungsverstärkers addiert werden, um eine Linearitätskompensation zu erzielen. Beide Verstärker können beispielsweise eine Wanderwellenröhre oder einen Feldeffekttransistor enthalten.

Entsprechend weiteren Merkmalen der Erfindung wird als zusätzliche Möglichkeit eine Rückkopplungsschleife benutzt, um eine zusätzliche Verringerung der Verzerrung zu erreichen, die durch geringfügige Unterschiede zwischen den Eigenschaften des Spannungsverstärkers und des Leistungsverstärkers erzeugt werden. In der Rückkopplungsschleife wird die Differenz zwischen einem Teil

des Ausgangss-ignals und dem Eingangssignal ebenfalls zum Eingangssignal des Leistungsverstärkers addiert, um dessen Betriebsweise zu verbessern. Aufgrund der zusätzlichen Verzögerung der Rückkopplungsschleife bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Bandbreite geringfügig begrenzt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild, bei dem das Vorwärtskopplungs-Kompensationsverfahren nach der Er

findung verwirklicht ist;

Fig. 2 eine Schaltung nach der Erfindung, bei der eine zusätzliche Rückkopplungsanordnung benutzt wird.

Die Schaltungsanordnung nach Figur 1 ist so ausgelegt, daß sie eine Vorverzerrungskompensation nach der Erfindung für den Hauptleistungsverstärker 15 ergibt. Das Eingangssignal wird dem Verstärker 15 über einen Signalaufspalter 11, eine Verzögerungseinrichtung 12 und einen Signalkombinierer 13 zugeführt. Eine der beiden weiteren Komponenten des Eingangssignals vom Signalaufspalter 11 beaufschlagt einen Spannungsverstärker 14. Das verbleibende Ausgangssignal des SignalaufSpalters 11 durchläuft eine Verzögerungseinrichtung 16, bevor es an den Signalkombinierer 17 angelegt wird. Dessen anderes Eingangssignal ist ein Teil des Ausgangssignals vom Verstärker 14, der über einen Koppler 20 und ein einstellbares Dämpfungsglied 21 geliefert wird. Der Koppler 20 ist durch eine Last 18 abgeschlossen.

Der einzige Zweck des Verstärkers 14 besteht darin, die gleiche Art von Verzerrungskomponenten zu erzeugen, die durch die Nichtlinearität des Verstärke-rs 15 entstehen. Der Verstärker 14 ist zwar ein Vorverstärker oder Span-

nungsverstärker, er ist aber so gewählt, daß er ähnliche Übertragungseigenschaften wie der Verstärker 15 besitzt. Demgemäß sollen die Eingangs-Ausgangsverzögerung und die Phaseneigenschaften der beiden Verstärker ähnlich sein. Eine Ähnlichkeit der Eigenschaften von Verstärkern wird insbesondere dann erhalten, wenn die gleichen Herstellungsverfahren für die beiden Bauteile benutzt werden. Der Signalkombinierer 17 nimmt die Differenz zwischen einem verzögerten Abbild des Eingangssignals und einem Teil des Ausgangssignals vom Verstärker 14 auf, der unter Verwendung des Dämpfungsgliedes 21 so eingestellt ist, daß er die gleiche Amplitude besitzt. Am Ausgang des Signalkombinierers 17 werden demgemäß nur diejenigen Verzerrungskomponenten erzeugt, die durch die Nichtlinearitätsverzerrung des Verstärkers 14 beigetragen werden. \

Das Verzerrungskomponenten-Ausgangssignal des Signalkombinierers 17 wird in seiner Amplitude durdh ein Dämpfungsglied 22 eingestellt. Die relative Phase zwisehen der Verzerrungskomponente und dem Eingangssignal des Signalaufspalters wird durch die Verzögerungseinrichtung 12 eingestellt. Das vorverzerrte Eingangssignal des Verstärkers 15 wird am Ausgang des Signalkombinierers 13 erzeugt. Wenn die vom Verstärker 14 erzeugten Verzerrungskomponenten so eingestellt sind, daß sie die richtige Phase und Amplitude besitzen, so wird eine Vorverzerrungskompensation für den Verstärker 15 erreicht. Wenn demgemäß der Verstärker 15 die Amplitude seines primären Eingangssignals erhöht, so dient das Vorhandensein der Verzerrungskomponenten, die an seinen Eingang angelegt sind, zur Auslöschung der Verzerrungskomponenten, die normalerweise durch die Nichtlinearität des Verstärkers 15 erzeugt werden.

Im Ergebnis ist durch diese Schaltungsanordnung das Ausgangssignal des Verstärkers eine genauere Reproduktion

des an den SignalaufSpalter 11 angelegten Eingangssignals, und zwar durch die Korrektur der "Nichtlinearität des Verstärkers 15. Der Verstärker 14, der in erster Linie als Spannungsverstärker dient, ist auf diese Weise in der Lage, einen Leistungsausgangsverstärker zu lineari· sieren, beispielsweise den Verstärker 15. Demgemäß verbraucht die Schaltung nur minimale Leistung und es steht das volle Ausgangssignal des Verstärkers 15 zur Verfügung.

Man beachte, daß es im Interesse großer Bandbreite wichtig ist, daß die effektive elektrische Weglänge vom Signalaufspalter 11 zum Signalkombinierer 17 über den Verstärker 14, den Koppler 20 und das Dämpfungsglied 21 gleich der elektrischen Weglänge zwischen dem Signalaufspalier 11 und dem Kombinierer 17 über die Verzögerungseinrichtung 16 ist. Außerdem soll die elektrische Weglänge vom Kombinierer 17 bei Hinzufügung zu der elektrischen Weglänge vom Kombinierer 17 zum Kombinierer 13 über das Dämpfungsglied 22 gleich der elektrischen Weglänge vom Kombinierer 17 zum Kombinierer 13 über die Verzögerungseinrichtung 12 sein.

Bei der Schaltung nach Fig. 2 wird eine Rückkopplungskompensation zusätzlich zur Vorverzerrungskompensation benutzt. Gleiche Bezugsziffern in den Figuren bezeichnen dabei gleiche elektrische Bauteile. Bei der Schaltung nach Fig. 1 war die Annahme gemacht worden, daß der Vorverstärker und der Leistungsverstärker ähnliche Übertragungskennlinien besitzen. Das gilt dann, wenn ähnlich aufgebaute Wanderwellenröhren, Klystrons, FeIdeffekttransistoren und ähnliches verwendet werden. Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 beseitigt auf dynamische Weise eine restliche Verzerrung, die sich aufgrund kleiner Unterschiede zwischen den Betriebseigenschaften des Spannungsverstärkers niedriger Leistung und des Verstärkers hoher Leistung ergeben.

Einer der Unterschiede zwischen den Figuren 1 und 2 besteht darin, daß der Signalaufspalter 11 ein weiteres Ausgangssignal erzeugt. Ein Signalkomparator 26 nimmt dieses Signal über eine einstellbare Verzögerungseinrichtung 27 und einen Teil des Ausgangssignals vom Leistungsverstärker 15 auf. Das letztgenannte Eingangssignal wird vom Ausgangssignal des Leistungsverstärkers über einen Signalaufspalter oder Richtungskoppler 28 sowie ein Dämpfungsglied 31 abgeleitet. Die beiden Eingangssignale des Komparators 26 sind auf geeignete Weise so eingestellt, daß ihre Amplitude übereinstimmt und ein Phasenunterschied von 180° vorhanden ist, derart, daß das einzige Ausgangssignal des Komparators 26 ein Verzerrungssignal ist. Das Verzerrungssignal wird dem Eingang des Verstärkers 15 über ein einstellbares Dämpfungsglied 32 und einen weiteren Eingang des Signalkombinierers 13 zugeführt. Da diese Rückkopplungsschleife aufgrund eines Resteinflusses durch eine unvollständige Auslöschung arbeitet, der zu Rückkopplungssignalen mit kleinem Pegel führt, läßt sich die Rückkopplungsschleife leicht verwirklichen. Demgemäß brauchen die Bauteile der Rückkopplungsschleife nicht in einem großen Dynamikbereich zu arbeiten und die verfügbare Bandbreite reicht für den Frequenzgehalt des beteiligten Signals aus.

Durch die Erfindung werden zwar Vorteile geboten.die in hohem Maße für Sateliten-Anwendungsfälle wünschenswert sind, es sei aber erneut betont, daß die erzielten Vorteile dem Fachmann die Möglichkeit geben, die Erfindung mit Vorteil auch in anderen Anwendungsfällen zu benutzen. Abänderungen der erläuterten Ausführungsbeispiele können vom Fachmann bei der praktischen Anwendung der erfindungsgemäßen Grundgedanken getroffen werden. Beispielsweise können bei gewissen Anwendungsfällen die Betriebseigenschaften unterschiedlicher Bauteile, beispielsweise eines Klystrons und einer Wanderwellenröhre genügend

genau übereinstimmen, um eine brauchbare Linearisierung zu erreichen. Die Ausführungsbeispiele der Erfindung sind zwar unter Verwendung einstellbarer Bauteile erläutert, die richtige Amplituden- und Phasenbeziehung kann aber auch durch zweckmäßige Auswahl von Schaltungsbauteilen und die Schaltungsverwirklichung unter Verringerung der Einstellmöglichkeiten und bei verbesserter Wirtschaftlichkeit erreicht werden.

Λ2.

Leerseite

Claims

Western Electric Company Incorporated New York, N.Y. 10038, USA

TRAVIS, G.W. 2

Patentansprüche :

(T) Verstärker für elektromagnetische Signale mit einem Leistungsverstärker (15) und einem Hilfsverstärker (14) mit einer Kompensation der durch den Leistungsverstärker eingeführten Verzerrung unter Verwendung des Hilfsverstärkers,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Hilfsverstärker (14) ein Spannungsverstärker ist, dessen Eingangs-Ausgangsverzögerung und Phaseneigenschaften ähnlich denjenigen des Leistungsverstärkers sind, und daß der Hilfsverstärker Verzerrungskomponenten erzeugt, die mit einer solchen Amplituden- und Phasenbeziehung mit dem Eingangssignal des Leistungsverstärkers (15) kombiniert werden, daß eine Vorverzerrungskompensation zur Linearisierung des Verstärkers erreicht wird.
2. Verstärker nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsverstärker und der Hilfsverstärker die gleiche Art von Verstärkungsbauteilen enthalten.
3. Verstärker nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Signalkombinierer (17) so geschaltet ist, daß er das Ausgangssignal des Hilfsverstärkers und einen Teil des Eingangssignals aufnimmt und ein Ausgangssignal erzeugt, das die algebraische

Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesboden Telefon (06121) 56294J/561V98 Telex 4186237 Telegramme Potentconsult

3312Ü30

Differenz zwischen seinen beiden Eingangssignalen darstellt, und daß der erste Signalkombinierer so ausgelegt ist, daß er ein Ausgangssignal mit den durch die Nichtlinearitäten des Hilfsverstärkers eingeführten Verzerrungskomponenten erzeugt, um ein Signal bereitstellen zu können, das eine Vorverzerrungskompensation in dem Leistungsverstärker ergibt.
4. Verstärker nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Dämpfungseinrichtung (22) und eine Phasenschiebeeinrichtung (12) so geschaltet sind, daß sie das Ausgangssignal des ersten Signalkombinierers (17) und ein Ausgangssignal eines Signalaufspalters (11) aufnehmen, um die Amplitude und Phase des Signals für den Leistungsverstärker (15) so einzustellen, daß sich eine Linearisierung der Betriebskennlinie des Leistungsverstärkers ergibt.
5. Verstärker nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsverstärker und der Hilfsverstärker beide Feldeffekttransistor-Ver-Stärkerbauteile enthalten.
6. Verstärker nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsverstärker und der Hilfsverstärker beide Wanderwellenröhren-Verstärkerbauteile enthalten.
7. Verstärker nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen zweiten Signalkombinierer (26), der so geschaltet ist, daß er einen Teil des Eingangssignals und einen Teil des Ausgangssignals des Leistungsverstärkers (15) aufnimmt und ein Rückkopplungssignal für den Eingang des Leistungsverstärkers zur Erzielung einer weiteren Linearisierung der Betriebskennlinie des Leistungsverstärkers erzeugt.
8. Verstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungseinrichtung (31) und die Phasenschiebeeinrichtung (27) an den zweiten Signalkombinierer (26) angekoppelt sind, um einen Teil des Ausgangssignals vom Leistungsverstärker zu liefern, der dessen Nichtlinearität darstellt und in der Amplitude und Phase so eingestellt ist, daß die Linearisierung des Leistungsverstärkers (15) weiter verbessert wird.