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Die
Erfindung betrifft im Allgemeinen Leistungsverstärker und insbesondere das Linearisieren der
Eingangs-/Ausgangssignalübertragungsfunktion von
Verstärkern,
insbesondere Hochleistungs-Klasse AB-Leistungsverstärkern.
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Hochleistungs-Breitbandleistungsverstärker sind
wohl bekannt. Diese Verstärker
können
in einer Mitkopplungskonfiguration arbeiten oder können andere
Formen der Linearisierung aufweisen, die benötigt werden, wenn der Hauptleistungsverstärker beispielsweise
als ein Klasse AB-Verstärker
arbeitet. Wenngleich Klasse A-Verstärker üblicherweise weniger Verzerrung
erzeugen als Klasse AB-Verstärker, sind
Klasse A-Verstärker
auch weniger effizient als Klasse AB-Verstärker. Daher sind, um die Vorteile
der Effizienz bei gleichzeitigem Minimieren der Verzerrung zu erhalten,
Klasse AB-Verstärkerkonfigurationen
entwickelt worden, die verschiedene Formen der Fehler- oder Verzerrungskorrektur
implementieren.
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Eine
Form der Fehlerkorrektur versucht, das Eingangssignal derart zu
verzerren, dass die Verzerrung eines Klasse AB-Verstärkers kompensiert
wird. Dadurch kann eine Vorverzerrungsschaltung mit verschiedenen
manuellen Anpassungen zum Erzeugen eines Verzerrungssignals aus
dem Originalsignal zur Verfügung
gestellt werden, so dass, wenn das Verzerrungssignal mit dem Eingangssignal
kombiniert wird und die Kombination in den Leistungsverstärker, der
beispielsweise als ein Klasse AB-Verstärker arbeitet, eingegeben wird,
das Ausgangssignal im Wesentlichen eine lineare Verstärkung des
ursprünglichen
Eingangssignals in die Verstärkereinrichtung ist.
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Derartige
Vorverzerrungsschaltkreise verwenden typischerweise einen Niederleistungsverstärker mit
vorzugsweise denselben allgemeinen Verzerrungscharakteristika wie
der Hauptverstärker, so
dass sein richtig verarbeitetes Ausgangssignal zum Erhalten der
notwendigen Verzerrungskomponenten, die zum Kombinieren mit dem
Eingangssignal für
den Vorverzerrungsschaltkreis zum Erzeugen eines vorverzerrten Eingangssignals
in den Hauptverstärker
benötigt
werden, genutzt werden kann. Derartige Konfigurationen arbeiten,
um im Wesentlichen die Intermodulationsfrequenzverzerrungen, die durch
einen Klasse AB-Verstärker
erzeugt werden, zu reduzieren, wenn die variablen Elemente des Vorverzerrungsschaltkreises
richtig eingestellt sind.
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Jedoch
kann sogar bei richtig eingestellten Vorverzerrung verwendenden
Verstärkereinrichtungen
ein gewisses Maß an
Instabilität,
d.h. Drift in der Arbeitspunktverstärkung und/oder -phase, beobachtet
werden. Daher kann ein Mikroprozessor die kritischen Parameter einer
Vorverzerrungsschaltung zum Minimieren der Verzerrungskomponenten
anpassen, was jedoch die Einschränkung
hat, dass er während
der Anpassung der Vorverzerrungsschaltung die Aufhebungsschleife
in der Mitkopplungskonfiguration aus dem Gleichgewicht bringt. Dies
erfordert von dem Mikroprozessor, dass er die Signalaufhebungsschleife
auf Null zurücksetzt,
bevor eine Entscheidung gefällt
werden kann, ob eine Verbesserung tatsächlich erreicht worden ist.
Dies ist ein sehr zeitintensiver Vorgang und die Schleifen werden, falls
die Eingangssignale von einer Art sind, die sich in einer konstanten
Statusänderung,
beispielsweise ein- und ausgeschalten, befinden, „verwirrt" werden und keine
adaptive Verbesserung erzielen. Die anpassenden Vorverzerrungstechniken
gemäß dem Stand
der Technik, wie beispielsweise die in dem US-Patent Nr. 6,046,635 – angemeldet
am 8. April 1998 mit dem Titel „DYNAMIC PREDISTORTION COMPENSATION
FOR A POWER AMPLIFIER", dessen
Inhalte in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hier einbezogen werden – offenbarte
Vorverzerrungstechnik, arbeitet daher gut für stationäre Signale, scheitert jedoch
daran, die Ergebnisse zu liefern, die bei dem Betrieb in einer transienten
Umgebung erstrebt werden. Diese transiente Umgebung existiert für bestimmte
Arten von Mehrkanalbetrieb, wobei das analoge zelluläre System
ein gutes Beispiel ist. In diesem System werden kontinuierlich Träger ein-
und ausgeschaltet.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Verstärkereinrichtung
zum Verstärken
eines Eingangssignals, mit dem ein verzerrungsaufhebendes Eingangssignal
kombiniert wird. Die Verstärkereinrichtung
weist einen Hauptverstärker,
einen Vorverzerrungsschaltkreis mit einem mit dem Hauptverstärker verbundenen
Ausgang und eine Rückkopplungsschleife
auf. Die Rückkopplungsschleife
weist einen Komparator, der die Differenz zwischen einer verzögerten Ableitung
des Eingangssignals für
die Verstärkereinrichtung
und einem das Ausgangssignal des Hauptverstärkers repräsentierenden Signal zum Bereitstellen
eines Fehlersignals bildet, einen Energiedetektor zum Empfangen
des Fehlersignals und zum Erzeugen eines Ausgangssignals bezüglich des
detektierten Energiefehlersignals, einen Peak-zu-Peak-Detektor zum
Empfangen des Fehlersignals und zum Erzeugen eines Peak-zu-Peak-Fehlersignalausgangssignals, einen Regler,
der auf das detektierte Energiesignalausgangssignal und das Peak-zu-Peak-Fehlersignalausgangssignal
mit Erzeugen von Korrektursignalen reagiert, wobei die Vorverzerrungsschaltung
auf mindestens einen Teil der Korrektursignale zum Verändern seiner
Ausgabe an den Hauptverstärker
reagiert, und einem Regelungsschaltkreis zum Empfangen des Eingangssignals
und Übergeben
an den Vorverzerrungsschaltkreis auf, wobei der Regelungsschaltkreis
auf mindestens einen Peak-zu-Peak-Wert des
Fehlersignals mit Reduzieren des Peak-zu-Peak-Signalwerts des Fehlersignals
reagiert.
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In
einer besonderen Ausführungsform
ist der Hauptverstärker
ein Breitband-Hochfrequenzverstärker,
der in einem Klasse AB-Modus arbeitet, und der Rückkopplungsschleifenregler
reagiert auf die Energiemessungen mit iterativem Anpassen der Amplitude
und Phase des Signalskorrekturschaltkreises.
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Nach
einem anderen Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren
zum Korrigieren von Verzerrung in einem verstärkten Signalausgang aus einem
Hauptverstärker
einer Verstärkereinrichtung, wobei
der Hauptverstärker
Teil einer Verstärkereinrichtung
ist und die Einrichtung einen Eingang und einen Ausgang aufweist.
Das Verfahren kombiniert Vorverzerrungssignale mit dem Eingangssignal
für die
Verstärkereinrichtung
zum Übergeben
an den Hauptverstärker.
Das Verfahren weist das Erzeugen der Vorverzerrungssignale in einer
Vorverzerrungsschaltung, die von einem Eingangssignal für die Verstärkereinrichtung
abgeleitet werden, das Erzeugen eines Fehlersignals aus einem Fehlersignal,
das von dem Ausgangssignal des Hauptverstärkers abgeleitet wird und Verzerrungsenergie
repräsentiert,
das Erzeugen eines Peak-zu-Peak-Fehlersignals aus dem die Peak-zu-Peak-Signalwerte
repräsentierenden
Fehlersignal und das iterative und sukzessive Korrigieren von Verstärkungs-
und Phasenanpassungen in und vor dem Vorverzerrungsschaltkreis unter Verwendung
eines digital gesteuerten Prozessors, der zumindest auf das Energiefehlersignal
und ein Peak-zu-Peak-Fehlersignal reagiert.
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Das
Verfahren weist in einer besonderen Ausführungsform das Vergleichen
eines von dem Ausgangssignal des Hauptverstärkers abgeleiteten Signals
mit einem von dem Eingangssignal für die Verstärkereinrichtung abgeleiteten
Signal zum Erzeugen eines Differenzsignals und zum Messen des Peak-zu-Peak-Niveaus
eines von dem Differenzsignal abgeleiteten Signals zum Erzeugen
des Peak-zu-Peak-Fehlersignals auf.
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Die
Erfindung führt
dadurch vorteilhafterweise schnell in einer dynamischen Art und
Weise eine Vorverzerrung des Eingangssignals für einen Klasse AB- oder anderen
verzerrenden Hauptverstärker durch
und bewirkt dadurch eine beträchtliche
Linearisierung der Eingangs-/Ausgangssignalcharakteristika der gesamten
Verstärkereinrichtung
in einer kurzen Zeitspanne durch.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Andere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung in Zusammenhang mit den Zeichnungen offensichtlich
werden, in denen
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1 ein
schematisches Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform
des Vorverzerrer-Verstärkers
und des Regelungsschaltkreises gemäß der Erfindung ist und
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2 ein
Flussdiagramm ist, das den Betrieb des digital gesteuerten Prozessors
gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung darstellt.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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Bezug
nehmend auf 1 weist eine Verstärkereinrichtung 10 einen
Vorverzerrungsschaltkreis 12, einen Hauptleistungsverstärker 14 und
einen Regelungsschaltkreis 16 auf. Der Verstärker 14 ist
typischerweise ein Hochleistungs-Klasse AB-Verstärker, dessen Ausgangssignal über eine
Leitung 18 entweder direkt genutzt werden kann oder das
Eingangssignal für
einen Mitkopplungsschaltkreis zur Verzerrungsaufhebung, wie der
in meinem US-Patent 5,796,304 mit dem Titel „BROADBAND AMPLIFIER WITH
QUADRATURE PILOT SIGNAL",
dessen Inhalte hier durch Referenz einbezogen werden, beschriebene,
sein kann.
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Das
Eingangssignal für
die Verstärkereinrichtung über eine
Leitung 20 wird für
etliche Zwecke aufgeteilt (oder gesamplet). Zuerst leitet ein Leitungs-Sampling-Koppler 22 einen
Teil des Eingangssignals an ein Verzögerungselement 24.
Das Ausgangssignal des Verzögerungselements
wird zu einem Komparationsgerät 30 geleitet.
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Das
verbleibende Eingangssignal wird über die Leitung 36 durch
einen gesteuerten Verstärkungsschaltkreis 38 und
dann einen gesteuerten Phasenschaltkreis 40 empfangen und
das Ausgangssignal des Schaltkreises 40 wird durch einen anderen
Koppler 42 gesamplet. Das Ausgangssignal des Kopplers 42 wird
durch einen Signalsplitter 40 empfangen, der das Signal
gleichmäßig für die Ausgabe über die
Leitungen 43 und 44 aufteilt. Das verbleibende
Eingangssignal aus der Leitung 45 wird zu einem Verzögerungselement 46 des
Vorverzerrers 12 geleitet.
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Das
Ausgangssignal des Splitters 40 über Leitung 43 wird
einem Verzögerungselement 48 zugeleitet,
dessen Ausgangssignal durch den Komparationsschaltkreis 50 empfangen
wird. Das andere Ausgangssignal des Splitters 40 über die
Leitung 44 wird durch einen verstärkungsgesteuerten Schaltkreis 52 empfangen,
dessen Ausgangssignal zu Hilfsverstärkern 53, 54 geleitet
wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers 54 wird durch
einen gesteuerten Verstärkungsschaltkreis 60 empfangen.
Das Ausgangssignal des gesteuerten Verstärkungsschaltkreises 60 wird
einem gesteuerten Phasenschaltkreis 62 übergeben, dessen Ausgangssignal
mit dem Signal aus dem Verzögerungselement 48 in
dem Komparationsschaltkreis 50 verglichen wird. Die Differenz
zwischen den beiden Signalen, die die in erster Linie durch den
Verstärker 54 eingeführten Verzerrungskomponenten
repräsentiert,
wird durch einen linearen Verstärker 64 hindurch
zu einer gesteuerten Verstärkungsschaltung 66 geführt. Das
Ausgangssignal der gesteuerten Verstärkungsschaltung 66 wird durch
eine gesteuerte Phasenschaltung 68 empfangen. Die Ausgabe
der gesteuerten Phasenschaltung 68 wird einem Koppler 70 übergeben,
der das Ausgangssignal der Phasenschaltung 68 mit dem Ausgangssignal
des Verzögerungselements 46 zum
Erzeugen eines Eingangssignals über
eine Leitung 72 für
den Hauptleistungsverstärker 14 kombiniert.
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Das
Ausgangssignal des Hauptleistungsverstärkers 14 über eine
Leitung 74 wird durch einen Koppler 76 gesamplet
und das gesamplete Ausgangssignal mit dem über eine Leitung 78 verfügbaren Ausgangssignal
der Verzögerung 24 zum
Erzeugen eines Verzerrungsfehlersignals auf einer Leitung 80 verglichen
(die Differenz gebildet). Das Verzerrungsfehlersignal über Leitung 80 wird
durch einen Koppler 81 gesamplet und unter Verwendung der Verstärker 82 und 84,
die in Reihe zueinander verbunden sind, verstärkt und das Ausgangssignal
des Verstärkers 84,
hier unter Verwendung einer Shottky-Diode 86 zum Messen
der Energie in dem Signal, zur Eingabe in einen digitalen Controller 90 detektiert.
Der digitale Controller 90 gibt digitale Signale über die
Leitungen 92a und 92b jeweils zum Steuern von
Digital-zu- Analog(D/A)-Wandlern 100a und 100b aus.
Die analogen Ausgangssignale der Digital-zu-Analog-Wandler sind
darauf ausgerichtet, verschiedene Verstärkungs- und Phasenelemente
des Vorverzerrungsschaltkreises 12 und eine Cartesische
Schleifenschaltung 110 („Cartesian loop circuit") zu steuern.
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Um
den adaptiven Vorverzerrungsschaltkreis in einer transienten Umgebung
zu betreiben, stellt die Erfindung ein Beschleunigen der effektiven Antwortzeit
des Regelungsprozesses der Regelungsschleife zur Verfügung, so
dass das Abstimmen der Vorverzerrungsschaltung schnell bewertet
werden kann. Dies ermöglicht
der adaptiven Vorverzerrungsschaltung, in der flüchtigen („transitory") Umgebung effektiv
zu sein.
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Es
ist auf diesem Gebiet bekannt, eine Cartesische Schleife zum Regeln
von Verstärkungs-
und Phasenelementen der verschiedenen Schaltkreise zu nutzen. Die
Cartesische Schleife misst sowohl Amplitude als auch Phase und kann
ziemlich schnell arbeiten. Die Cartesische Schleife koppelt über einen Koppler 120 an
das Verzerrungsfehlersignal über Leitung 80 und über einen
Koppler 122 an das durch die Verzögerung 24 zur Verfügung gestellte
verzögerte
Eingangssignal an. Beide Signale werden jeweils unter Verwendung
der Verstärker 124 und 126 verstärkt und
jeweils unter Verwendung eines Splitters 128 bzw. eines
Quadratur-Splitters 130 aufgeteilt, wobei die Ausgangssignale
an Mischelemente 132 und 134 angelegt werden.
Die Ausgangssignale der Mischelemente sind jeweils ausgerichtet,
um Amplituden- und Phasenanpassungen der gesteuerten Schaltkreise 38 und 40 zu
steuern, und werden ebenso Peak-Detektoren 150, 152 überreicht.
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Dieses
System arbeitet ziemlich schnell, so dass für innerhalb von etwa 100 kHz
beabstandete Signale die Schleife die Aufhebung von aus der Leitung 120 eingekoppelten
Verzerrungsprodukten durchführt.
Die Beschränkung
in der Schaltung ist die Zeitverzögerung des Systems, da die
Schaltung eine Rückkopplungstechnik
verwendet. Die Signale, die am Aufhebungspunkt über Leitung 80 übrig bleiben, sind
die Hochfrequenzverzerrungskomponenten. Schließlich werden diese in den Fehlerverstärker eingespeist,
wenn ein Mitkopplungssystem, wie es in dem US-Patent 5,796,304 beschrieben
ist, verwendet wird.
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In
einer Cartesischen Schleife, wie die in 1 dargestellte,
ist die absolute Trägernullstelle eine
Funktion des Gleichgewichts der Phasendetektorelemente. Dies trifft
zu, gleichgültig
ob die Phasendetektorelemente Diodenmischer oder aktive Mischer sind.
Ein herkömmlicher
Detektor kann verwendet werden, um dem Mikroprozessor oder Controller 90 das
Abstimmen für
das niedrigste mögliche Energieniveau
bei dem Aufhebungspunkt, Leitung 80, zu ermöglichen.
Dieser Vorgang kann bei einer sehr geringen Geschwindigkeit ausgeführt werden, da
jede Drift auf die Temperatur und Alterung, wie in der ebenfalls
anhängigen
Patentanmeldung mit der Nummer 09/057,332 beschrieben, beruhen wird.
Die Leistung kann, wie in dieser zuvor genannten Anmeldung beschrieben,
unter Verwendung einer Shottky-Diodenanordnung, wie beispielsweise
die in 1 dargestellten Elemente 82, 84 und 86 detektiert
werden. In praktischen Schaltungen können Nullstellen von 25 dB
ohne Offset-Korrektur erreicht werden und es wird erwartet, dass
dieser Wert in Abhängigkeit
von den Abständen
zwischen den Tönen (Amplituden-
und Phasenlinearität)
des Hauptverstärkers 14 bis
auf 30 bis 40 dB erhöht
werden kann.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung sind es jedoch die Hochfrequenzkomponenten, die auf Leitung 80 übrig sind,
die unter Verwendung des Mikroprozessors/Controllers 90 zum
Anpassen des Vorverzerrungsschaltkreises zum Minimieren des Niveaus
dieser Verzerrungskomponenten weiter entfernt werden. Die Verzerrung
und die verbleibenden Hauptsignale über Leitung 80 sind
in Form einer Hochfrequenzeinhüllenden,
die das momentane Fehlersignal aus dem Hauptverstärker repräsentiert. Die
Vorrichtung der Erfindung detektiert diese Fehlereinhüllende und
passt den Vorverzerrungsschaltkreis für ein minimales Niveau an,
das der optimale Abstimmpunkt für
den Vorverzerrungsschaltkreis ist.
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Zum
Implementieren dieses Aspekts des Systems messen mit hoher Geschwindigkeit
arbeitende Peak-Detektoren 150, 152 den Wert der
Verzerrungssignal-Peaks und stellen diese Informationen dem Controller 90 zur
Verfügung.
Je geringer die Peak-zu-Peak-Spannung ist, desto niedriger ist die Verzerrung
in dem Hauptverstärker.
Die Niederfrequenzkomponenten, die den Verzerrungsdetektor verwirren
könnten,
werden durch die sehr schnelle Antwortzeit der Schleife beseitigt.
Dieser Teil der detektierten Einhüllenden, der nicht detektiert
werden kann, würde
in der Hochfrequenzform sein und – in einem Mitkopplungsverstärkungssystem – zu dem Fehlerverstärker für die Hochfrequenzaufhebung
gesendet werden. Daher wird gemäß der Erfindung
ein Peak-zu-Peak-Detektor zum Detektieren der Verzerrungsleistung
zusätzlich
zu (oder in einigen System statt) der Shottky-Diode 86,
die eher ein RMS-Gerät ist,
verwendet. Dieses System ist natürlich
sowohl bei Mitkopplungsals auch bei herkömmlichen, lediglich Vorverzerrung
verwendenden Einkanalverstärkern anwendbar.
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Beim
Betrieb kann der Mikroprozessor 90 zuerst die Energie (entsprechend
der RMS-Leistung) in dem Ausgangssignal des Komparationsschaltkreises 30 über Leitung 90,
wie durch den Koppler 81 gesamplet, detektieren und kann
zum Minimieren dieses Wertes durch Regeln der Amplitude und Phase
der Elemente 38, 40 und 66, 68 mittels
Digital-zu-Analog-Wandler 100a, 100b tätig werden.
Dies wird in einem iterativen Prozess, wie er in dem Flussdiagramm
von 2 dargestellt ist, zuerst durch Anpassen der Elemente 66, 68 und
danach durch Anpassen der Elemente 38, 40 erreicht.
Man beachte, dass die anderen verstärkungs- und phasengesteuerten
Elemente 52, 60 und 62 ebenso durch den
Mikroprozessor – falls
gewünscht – gesteuert
oder manuell gesetzt werden können.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung – Bezug
nehmend auf 2 – führt der Controller zuerst eine
Prüfung
durch, um zu bestimmen, ob die Amplituden- und Phasenelemente 66 und 68 angepasst
werden sollten. Falls sie anzupassen sind, was an Entscheidungspunkt 170 angedeutet
ist, werden die Verstärkung
und die Phase bei 172 und 174 angepasst. Die durch
die Cartesische Schleife gesteuerten Elemente, d.h. das Verstärkungselement 38 und
das Phasenelement 40, werden als nächstes bei der Anpassung in 176 berücksichtigt.
Falls die Elemente 38, 40 anzupassen sind, wird
dann die Verstärkung
in 190 und die Phase in 192 angepasst. Für jede Iteration
der Regelschleife in 2 werden neue Werte für die Verzerrungssignale
in 178 gelesen. Sobald der Vorverzerrer angepasst worden
ist, werden keine weiteren Anpassungen innerhalb des Vorverzerrers
getätigt
und die Signale über
Leitung 80 enthalten in erster Linie die Hochfrequenzverzerrungen.
Diese werden dann unter Verwendung der Peak-Detektoren 150, 152 peak-zu-peak-detektiert und
als Reaktion auf die durch diese Detektoren zur Verfügung gestellten
Signalwerte trifft der Controller 90 bei der Entscheidung 176 eine
Entscheidung, ob das Verstärkungselement 38 und
das Phasenelement 40 weiter anzupassen ist. Auf diese Art
und Weise wird der Peak-zu-Peak-Wert der Hochfrequenzkomponenten
auf ein Minimum reduziert.
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Auf
diese Weise passt der im Wesentlichen in einer Rückkopplungsschleifenumgebung
arbeitende Controller 90 die variierenden Steuerungs-/Regelungselemente,
mit denen er verbunden ist, iterativ an und bestimmt, ob die Anpassung
die Fehlerprodukte, wie beispielsweise das Ausgangssignal der ersten
Schleife über
Leitung 80 verbessert, keine Auswirkung hat oder verschlechtert.
Die Aufgabe ist es, die Verzerrung bei dem Ausgangssignal des linearen
Verstärkers 14 durch
Erreichen einer Null zu minimieren. Ein typischer Steuerung-/Regelungsprozessor
ist das Model MC68HC11E9 von Motorola, der einen Korrekturablauf
ungefähr
alle 50 Millisekunden erlaubt.
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Auf
diese Art und Weise arbeitet die Cartesische Schleife bei einer
Geschwindigkeit, die groß genug
ist, dass sie keine Veränderungen
der Vorverzerrereinstellungen verursacht, um zu bestimmen, ob in
einer transienten Umgebung die Einstellungen immer noch eine korrekte
Null repräsentieren.
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Hinzufügungen,
Auslassungen und andere Modifikationen der beschriebenen und bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung werden für
Fachleute offensichtlich sein. Die Erfindung wird durch den Umfang
der folgenden Ansprüche
definiert.