DE4225821A1 - Signalpegel - Regeleinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung zur Änderung des Signalpegels eines HF-Signales gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einen Funksender mit einer solchen Regeleinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Eine solche Regeleinrichtung ist beispielsweise aus der EP 0 369 135 A2 bekannt. Dort wird ein Leistungsverstärker für Funksignale vorgestellt, der insbesondere für einen Einsatz in TDMA-Funksendern für digitalen, zellularen Mobilfunk nützlich ist. Der Leistungspegel des Funksendesignals wird entsprechend der von Zeitschlitz zu Zeitschlitz wechselnden Funkverbindung eingestellt. Dazu regelt der Leistungsverstärker die Ausgangsleistung zeitabschnittsweise und mit einer hohen Pegeldynamik (+13 dBm bis +43 dBm). Zur Messung der Ausgangsleistung ist innerhalb einer Rückkopplungsschleife ein Dioden-Detektor als Pegel-Sensor an das Ausgangssignal gekoppelt.

Herkömmlicherweise wird, wie hier beispielsweise mittels eines Richtkopplers, ein Bruchteil des Ausgangssignales als Meßgröße auf den, auch oft als Hüllkurven-Detektor bezeichneten, Pegel-Sensor geführt.

Demnach liegt die Meßgröße in einem geringeren Amplitudenbereich als das Ausgangssignal, hat jedoch die gleich hohe Pegeldynamik (hier z. B. 30 dB) wie das Ausgangssignal.

Bei einer derart hohen Pegeldynamik verfälscht die Nichtlinearität und Temperaturinstabilität eines herkömmlichen Hüllkurven-Detektors, z . B. eines Dioden-Detektors, die Detektion des Pegels des Ausgangssignales.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung der eingangs genannten Art und einen Funksender mit einer solchen Regeleinrichtung so zu entwerfen, daß einer wie oben beschriebenen Verfälschung der Detektion entgegengewirkt wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1 und durch die Merkmale des Anspruchs 6. Eine die Erfindung kennzeichnende Wandler-Stufe wird mittels einer Steuergröße gesteuert und führt eine Meßbereichwandlung nach Art einer gesteuerten Dynamikpressung durch. Die aus dem Ausgangssignal abgeleitete Meßgröße wird vorteilhaft in eine zu detektierende Meßgröße gewandelt, die eine Erfassung mittels des Detektors in einem möglichst kleinen Arbeitsbereich ermöglicht. Anhand der Steuergröße kann jederzeit von der zu detektierenden Meßgröße auf das Ausgangssignal zurückgeschlossen werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Es folgt nun die Beschreibung der Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele und unter Zuhilfenahme der beiliegenden Zeichnungen.

Fig. 1 zeigt als erstes Ausführungsbeispiel einen Funksender mit einer Regeleinrichtung zur Entzerrung von Nichtlinearitäten im Funksendesignalpegel,

Fig. 2 zeigt Zeitdiagramme von Signalen nach Fig. 1,

Fig. 3 zeigt Zeitdiagramme von Signalen im Rückkopplungszweig nach Fig. 1,

Fig. 4 zeigt als zweites Ausführungsbeispiel einen leistungsgeregelten TDMA-Mobilfunk-Sender,

Fig. 5 zeigt Zeitdiagramme von Signalen nach Fig. 4.

Die Schaltung nach Fig. 1 zeigt einen Funksender RTR1 mit einem Hüllkurvenmodulator MOD, einer Steuer-Stufe CTR und einer Regeleinrichtung 101. Die Steuer-Stufe steuert mittels einer Steuergröße Pref0 den Hüllkurvenmodulator, der nach Art einer Leistungssteuerung ein HF-Signal RF0 durch Aufprägen einer Einhüllenden in ein HF-Signal RF1 wandelt.

Der Sollverlauf der Einhüllenden wird durch die Steuergröße bestimmt, die innerhalb der Steuer-Stufe aus der A/D-Umwandlung von digitalen Sollwerten abgeleitet wird. Die Sollwerte entsprechen z. B. dem gewünschten Leistungspegel des HF-Signals RF1 und sind in einem Festwertspeicher abrufbereit abgelegt.

Dem Hüllkurvenmodulator MOD ist eine Regeleinrichtung 101 nachgeschaltet, die einer Funksendeverstärkerstufe mit Entzerr-Regelung entspricht.

Die Regeleinrichtung umfaßt einen Schaltkreis SC, der einen Sendeverstärker mit einem vorgeschalteten, steuerbaren Dämpfungsglied enthält, eine Kopplungsstufe CPL, eine Wandler-Stufe CONV, die ein steuerbares Dämpfungsglied A0 enthält, und einen Detektor DTR.

Das Zusammenwirken der obigen Teile der Regeleinrichtung wird unter Zuhilfenahme der Fig. 2 und 3 im folgenden beschrieben:

Das entsprechend einem gewünschten Leistungspegelverlauf aus dem HF-Signal RF0 geformte HF-Signal RF1 wird auf den Signaleingang des Schaltkreises SC der Regeleinrichtung geführt. In diesem Ausführungsbeispiel wird dem frequenzmodulierten HF-Signal RF0, das einen konstanten Leistungspegel von +3 dBm=2 mW bei einem auf 600 Ω bezogenen Amplitudenpegel von 1,1 V hat, eine Einhüllende nach Art einer Pulsamplitudenmodulation auf geprägt und somit aus dem HF-Signal RF0 ein HF-Signal RF1 geformt. Die Einhüllende ist eine sich in Zeitabständen von 577 µs ändernde Rechteckkurve. Beispielhaft wird hiermit eine einfache stufenförmige Leistungsänderung im HF-Ausgangssignal RFP bewirkt. Der Leistungspegel des hüllkurvenmodulierten HF-Signals RF1 hat eine Dynamik von 30 dB. Der Schaltkreis SC verstärkt im wesentlichen das geformte HF-Signal RF1 (z. B. hier um eine gewünschte Verstärkung von +40 dB) zu einem HF-Ausgangssignal RFP.

Die Verzerrungen aufgrund der Verstärkung, wie sie beispielsweise in C-Leistungsverstärkern auftreten, bewirken eine Abweichung des tatsächlichen Leistungspegels (Istpegel) des HF-Ausgangssignales RFP von einem gewünschten Leistungspegel (Sollpegel). In diesem Ausführungsbeispiel liegt der maximale Istpegel des HF-Ausgangssignals RFP um 1 dB höher als der maximale Sollpegel von +43 dBm=20 W, was einem auf 50 Ω bezogenen Amplitudensollpegel von 31,6 V entspricht. Der minimale Istpegel des Ausgangssignals liegt mit einer Abweichung um 0,5 dB unter dem entsprechenden Sollpegel.

Der Sollpegel des HF-Ausgangssignals RFP ändert sich entsprechend dem Leistungspegel des HF-Signals RF1 mit einer Dynamik von 30 dB. Der Istpegel des HF-Ausgangssignals RFP ändert sich aufgrund der Pegelabweichungen in diesem Beispiel mit einer Dynamik von 31,5 dB. Den Pegelabweichungen, die durch die Verzerrungen des Sendeverstärkers entstehen, wird mittels des dem Sendeverstärker vorgeschalteten, steuerbaren Dämpfungsgliedes entgegengewirkt. Durch eine Korrekturgröße Pctr wird das Dämpfungsglied derart gesteuert, daß die Pegelabweichungen von dem Sollpegel des HF-Ausgangssignales RFP nach Art einer Vorverzerrung kompensiert werden.

Zur Ermittlung der Korrekturgröße Pctr wird ein Bruchteil des HF-Ausgangssignales RFP (etwa 13% der Spannung) mittels eines Richtkopplers CPL als Meßgröße TS am Signalausgang des Schaltkreises SC abgezweigt. Demnach ändert sich der Sollpegel der Meßgröße TS im Bereich von +25 dBm bis -5 dBM, was einem auf 50 Ω bezogenen Amplitudensollpegelbereich von 4 V bis 0,13 V entspricht.

Wie in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellt, hat die Meßgröße TS eine gleich hohe Pegeldynamik DTS (Dynamik des Istpegels von z. B. 31,5 dB=44 dBm -12,5 dBm) wie das HF-Ausgangssignal RFP und entsprechend große Pegelabweichungen (z. B. 1 dB und 0,5 dB). Das Meßsignal TS wird in der Wandler-Stufe CONV nach Art einer Dynamikpressung in eine zu detektierende Meßgröße DS gewandelt, die eine um mindestens eine Größenordnung kleinere Pegeldynamik DDS hat.

Die zu detektierende Meßgröße DS wird auf den Detektor DTR geführt. Der Detektor DTR setzt die Meßgröße DS mittels Hüllkurvendetektion in die Korrekturgröße Pctr um, die als kompensierende Steuerspannung auf den Steuereingang des Schaltkreises Sc zurückgeführt wird.

Wie in Fig. 3 dargestellt, wird hier die als steuerbares Dämpfungsglied A0 ausgebildete Wandler-Stufe so angesteuert, daß gleichsinnig zum Pegelhub des HF-Ausgangssignales RFP gedämpft wird.

In diesem Ausführungsbeispiel wird das Dämpfungsglied mittels einer Steuergröße gesteuert, die der Steuergröße Pref0 des Hüllkurvenmodulators MOD entspricht. Demnach wird die Meßgröße TS vorteilhaft entsprechend dem Pegelverlauf des HF-Signales RF1, d. h. entsprechend dem Sollpegelverlauf des HF-Ausgangssignales RFP nach Art einer dynamischen Meßbereichswandlung derart gedämpft, daß die Meßgröße TS um ihren ganzen Sollpegel gedämpft wird. Die zu detektierende Meßgröße DS hat somit Pegelschwankungen, die Abweichungen des Istpegels des HF-Ausgangssignales RFP vom Sollpegelverlauf entsprechen. Die zu detektierende Meßgröße DS stellt hier eine reine Fehlergröße dar und schwankt demnach entsprechend den Pegelabweichungen des HF-Ausgangssignales RFP mit einer verbleibenden Pegeldynamik DDS von 1,5 dB.

Werden die Pegelabweichungen durch die Vorverzerrung im Schaltkreis Sc vollständig kompensiert, stellt sich eine zu detektierende Meßgröße DS mit einem konstanten Leistungspegel ein.

Der Detektor braucht nur geringe Pegelschwankungen zu erfassen und arbeitet in einem engen Arbeitsbereich (hier z. B. zwischen -4 dBm und -5,5 dBm, d. h. im Bereich von etwa 0,12-1,15 V). Es können beispielsweise einfache Dioden-Detektoren eingesetzt werden, die eine geringere Temperaturstabilität und einen höheren Klirrfaktor als herkömmlich eingesetzte Dioden-Detektoren aufweisen. Durch eine in dem Detektor vorgesehene Gleichspannung kann der Ruhearbeitspunkt der Diode bestimmt werden, so daß die Diode z. B. im Bereich von 1,12-1,15 V arbeitet.

Der nach Fig. 4 dargestellte Funksender RTR2 enthält eine Regeleinrichtung 102, die in gleicher Weise wie die zuvor beschriebene Regeleinrichtung 101 aus einem Schaltkreis SC, einer Kopplungsstufe CPL, einer Wandler-Stufe CONV und einem Detektor DTR aufgebaut ist. In dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung besteht der Schaltkreis SC aus einem mehrstufigen Sendeverstärker für burstmodulierte HF-Signale, der beispielsweise in einer Funkfeststation für zellularen Mobilfunk nach GSM-Empfehlungen 05.05 und 11.20 eingesetzt wird. Die Verstärkung der ersten Stufe des Sendeverstärkers wird mittels einer Stellgröße Pctr entsprechend dem gewünschten Zeitverlauf der Sendesignal-Leistung so dargestellt, daß einem HF-Eingangssignal RF2 des Schaltkreises SC eine Einhüllende auf geprägt wird. Am Ausgang des Schaltkreises steht ein pegelmoduliertes HF-Ausgangssignal RFP als Funksendesignal zur Verfügung.

Wie in der zuvor beschriebenen Regeleinrichtung 101 wird die Stellgröße Pctr mittels Auskopplung einer Meßgröße TS des HF-Ausgangssignals RFP mit einer anschließenden Meßbereichswandlung und Detektion erzeugt. Die hier zur Meßbereichswandlung eingesetzte Wandler-Stufe CONV enthält zwei in Reihe geschaltete, steuerbare Dämpfungsglieder (A1, A2), die mit einer sie steuernden Steuer-Stufe CTR verbunden sind. Als Dämpfungsglieder werden beispielsweise PIN-Dioden-Regler eingesetzt, die über einen großen Dynamikbereich von 40 dB und mehr linear dämpfen. Die nach Art einer Dynamikpressung durchgeführte Meßbereichswandlung erfolgt hier in zwei Schritten, die unter Zuhilfenahme von Fig. 5 im folgenden beschrieben wird:

Das erste Dämpfungsglied A1 wird mittels einer ersten Steuergröße Pref1 so gesteuert, daß die Meßgröße TS zeitschlitzweise, d. h. in Zeitintervallen von beispielsweise 577 µs, jeweils um einen von der Steuer-Stufe vorgegebenen Sollpegel gedämpft wird. Die von der Steuer-Stufe als Steuergröße Pref1 erzeugte Pegelsequenz ändert sich nach Art einer Treppenfunktion entsprechend der gewünschten Leistungklasse, d. h. der sogenannten "power class", des HF-Ausgangssignales RFP. Die Pegelsequenz wird als Spannungsfunktion innerhalb der Steuerstufe durch eine zeitschlitzweise Abfrage jeweils eines digitalen Sollwertes aus einem Festwertspeicher und durch eine A/D-Umsetzung dieses Sollwertes in einen Spannungswert gebildet. Der jeweils abgefragte Sollwert richtet sich nach der Leistungsklasse, die in dem entsprechenden Zeitschlitz, in Abhängigkeit von der darin bestehenden Funkverbindung, benötigt wird und die im Bereich von +43 dBm bis +13 dBm liegt.

Das zweite Dämpfungsglied A2 wird mittels einer zweiten Steuergröße Pref2 so gesteuert, daß die Dämpfung zu Beginn und zum Ende des jeweiligen Zeitabschnitts in Form einer cos²-Funktion abfällt bzw. anwächst. Demnach ändert sich die von der Steuer-Stufe als Steuergröße Pref2 erzeugte Pulsformsequenz nach Art einer Flankenfunktion entsprechend dem gewünschten Anwachsen und Abfallen des jeweiligen Leistungsklasse, d. h. dem sogenannten "ramping", des HF-Ausgangssignals. Die Pulsformsequenz wird als Spannungsfunktion innerhalb der Steuerstufe durch eine zeitschlitzweise Abfrage von digitalen Sollwerten aus einem Festwertspeicher und durch A/D-Umsetzung dieser Sollwerte in Spannungswerte gebildet. Die abgefragten Sollwerte richten sich nach dem für alle Zeitschlitze gleichartig vorgegebenen Flankenverlauf der Signalbursts. Die Pulsformsequenz ist demnach als zyklische Einheitsfunktion zu verstehen, mittels der zum Beginn und zum Ende eines jeden Zeitschlitzes der Leistungspegel des HF-Ausgangssignals RFP um 30 dB anwächst bzw. abfällt.

Aufgrund der unterschiedlichen Leistungsklassen und dem vorgegebenen Flankenverlauf liegt der Sollpegel des HF-Ausgangssignals RFP zwischen +43 dBm und -17 dBm und hat demnach eine Dynamik von 60 dB.

Die Reihenschaltung der Dämpfungsglieder A1 und A2 kann auch umgekehrt wie in Fig. 4 dargestellt erfolgen. In beiden Fällen verläuft die Gesamtdämpfung der Wandler-Stufe CONV reziprok zum gewünschten Leistungspegelverlauf des HF-Ausgangssignales RFP.

Die am Ausgang der Wandler-Stufe zu detektierende Meßgröße DS schwankt um die Pegelabweichung des tatsächlichen HF-Ausgangssignales von seinem Sollpegel und hat eine geringere Pegeldynamik als das HF-Ausgangssignal. Wird die Dynamikpressung entsprechend dem vollen Sollpegelhub, d. h. mit maximaler Dämpfung um 60 dB, durchgeführt, so schwankt die zu detektierende Meßgröße DS um den minimalen Sendeleistungspegel von -17 dBm mit einer verbleibenden Dynamik von etwa 1,5 dB. Werden empfindliche Detektoren eingesetzt, so ist eine stärkere Dynamikpressung sinnvoll, so daß die zu detektierende Meßgröße um einen Ruhepegel von z. B. -28 dBm schwankt. Die verbleibende Dynamik von 1,5 dB entspricht bei einem niedrigeren Ruhepegel einer geringeren Signalaussteuerung am Detektoreingang.

Wie in Fig. 5 dargestellt hat hier das HF-Eingangssignal RF2 der Regeleinrichtung einen konstanten Signalpegel. Die Veränderung dieses Signalpegels mittels Hüllkurven-Modulation erfolgt ausschließlich innerhalb der Regeleinrichtung 102. Die aus der Rückkopplung des HF-Ausgangssignals abgeleitete Stellgröße Pctr steuert demnach die Kompensation von Verzerrungen des HF-Ausgangssignalpegels und stellt die Leistungspegel des HF-Ausgangssignals entsprechend der Sollwertvorgabe der Steuer-Stufe. Ein der Regeleinrichtung vorgeschalteter Hüllkurven-Modulator ist nicht zwingend erforderlich.

Die beiden beschriebenen Ausführungsformen betreffen den Einsatz der beanspruchten Regeleinrichtung zur Änderung des Leistungspegels eines HF-Sendesignales, insbesondere in einem TDMA-Fundsender. Der Einsatz der Erfindung ist auch in Funksendern, die nach dem Zugriffsverfahren im Frequenzvielfach (FDMA-Funksendern) arbeiten, denkbar, um bei den Funkfrequenzwechseln (frequency hopping) eine Überschreitung des gegebenen Frequenzbandes durch eine Regelung der Sendeleistung zu vermeiden. Weiterhin ist die Erfindung grundsätzlich in Vorrichtungen zur Modifizierung des Signalpegels einsetzbar, wie beispielsweise in Amplitudenmodulationsstufen oder Sekundärradarsendern, insbesondere wenn der Signalpegel des Ausgangssignales stark verändert wird.

Claims (6)

1. Regeleinrichtung (101, 102) zur Änderung des Signalpegels eines HF-Signales mit

• - einem Schaltkreis (SC), der mittels einer durch eine Stellgröße (Pctr) gesteuerten Hüllkurvenmodulation aus einem HF-Eingangssignal (RF1, RF2) ein HF-Ausgangssignal (RFP) bildet,
• - einer Kopplungsstufe (CPL), die aus dem HF-Ausgangssignal eine Meßgröße (TS) ableitet,
• - einem Detektor (DTR), der mittels der Meßgröße die Stellgröße (Pctr) für die Hüllkurvenmodulation bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung zusätzlich eine steuerbare Wandler-Stufe (CONV) enthält, die zwischen die Kopplungsstufe (CPL) und den Detektor (DTR) geschaltet ist und die mittels einer durch mindestens eine Steuergröße (Pref0; Pref1, Pref2) gesteuerten Meßbereichswandlung aus der Meßgröße (TS) eine zu detektierende Meßgröße (DS) bildet, derart, daß die Pegeldynamik (DDS) der zu detektierenden Meßgröße (DS) um mindestens eine Größenordnung kleiner als die Pegeldynamik (DTS) der Meßgröße (TS) ist.

2. Regeleinrichtung (101) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler-Stufe (CONV) mit einer sie steuernden Steuer-Stufe (CTR) verbunden ist und die Steuer-Stufe die Steuergröße (Pref0) entsprechend einem gewünschten Zeitverlauf des HF-Ausgangssignals (RFP) generiert.

3. Regeleinrichtung (101, 102) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler-Stufe (CONV) mindestens ein steuerbares Dämpfungsglied (Ax) zur Meßbereichswandlung enthält.

4. Regeleinrichtung (102) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
zwei Dämpfungsglieder (A1, A2) in Reihe geschaltet sind, die mit mindestens einer sie steuernden Steuer-Stufe (CTR) derart verbunden sind, daß das erste Dämpfungsglied (A1) mittels einer Pegelsequenz, die einer ersten Steuergröße (Pref1) entspricht, gesteuert wird und daß
das zweite Dämpfungsglied (A2) mittels einer Pulsformsequenz, die einer zweiten Steuergröße (Pref2) entspricht, gesteuert wird.

5. Regeleinrichtung (102) nach Anspruch 1 zur Leistungsregelung eines HF-Signales, insbesondere in einem TDMA-Funksender.

6. Funksender (RTR1, RTR2) mit einer Steuer-Stufe (CTR), die insbesondere zur AM-Modulation (MOD) eines HF-Trägers (RF0) dient, und mit einer zur Änderung des Signalpegels eines HF-Funksendesignals vorgesehenen Regeleinrichtung (101, 102), die folgende funktionell zusammenwirkende Teile enthält:

• - einen Schaltkreis (SC), der mittels einer durch eine Stellgröße (Pctr) gesteuerten Hüllkurvenmodulation aus einem HF-Eingangssignal (RF1, RF2) ein HF-Ausgangssignal (RFP) bildet,
• - eine Kopplungsstufe (CPL), die aus dem HF-Ausgangssignal eine Meßgröße (TS) ableitet,
• - einen Detektor (DTR), der mittels der Meßgröße die Stellgröße (Pctr) für die Hüllkurvenmodulation bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung zusätzlich eine steuerbare Wandler-Stufe (CONV) enthält, die zwischen die Kopplungsstufe (CPL) und den Detektor (DTR) geschaltet ist, und die Steuer-Stufe (CTR) mindestens eine Steuergröße (Pref0; Pref1, Pref2) bildet und mit der Wandler-Stufe (Conv) verbunden ist, die mittels einer durch die Steuergrößen (Pref0; Pref1, Pref2) gesteuerten Meßbereichswandlung aus der Meßgröße (TS) eine zu detektierende Meßgröße (DS) bildet, derart, daß die Pegeldynamik (DDS) der zu detektierenden Meßgröße (DS) um mindestens eine Größenordnung kleiner als die Pegeldynamik (DTS) der Meßgröße (TS) ist.