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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Radiofrequenzverstärker und
im Besonderen einen Radiofrequenzverstärker des Typs, der mithilfe
eines Rückkopplungsverfahrens
linearisiert wird.
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Radiofrequenzverstärker (RF-Verstärker) werden
für Rundfunkzwecke
verwendet, um Übertragungssignale
für Hörfunk- und Fernsehsendungszwecke
zu erzeugen, sowie für
andere Radiofrequenzanwendungen. Für die Übertragungsgenauigkeit und
zum Verringern unerwünschter
störender Aussendungen
ist es erwünscht,
dass der Verstärker linear
ist, d. h. dass das Ausgangssignal eine Amplitude haben sollte,
die im Verhältnis
zur Amplitude des Eingangssignals linear variiert, und dass keine
Phasenverzerrung verursacht werden sollte.
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Um
diese Linearität
des Ausgangssignals relativ zum Eingangssignal zu verbessern, ist
eine Linearisierung des Verstärkers
bekannt. Dies kann mit einer von mehreren bekannten Methoden durchgeführt werden,
die beispielsweise eine Rückkopplungsschleife
benutzen. Zwei bekannte Rückkopplungsverfahren
sind das Verfahren der kartesischen Schleife oder der polaren Schleife.
Die Verwendung derartiger Schleifen hat einen lineareren Verstärker zur
Folge.
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Die
Linearität
wird aber nur für
Eingangssignalpegel bis zu einem bestimmten Punkt erreicht. Jenseits
dieses Punktes kann es zu einer plötzlichen Überlastung kommen, die im Allgemeinen
in wesentlicher Amplituden- und Phasenverzerrung der Hüllkurve
des durch den Verstärker
passierenden Signals führt.
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Bezug
nehmend auf 1 der Begleitzeichnungen,
die ein Amplitude-Phase-Vektordiagramm ist, wird angenommen, dass
ein Eingangssignal mit bestimmter Amplitude und Phase einen Ausgangsvektor
X erzeugen soll. Wenn das Eingangssignal so ist, dass es den Grenzpunkt
der Linearität
des Verstärkers überschreitet,
dann ist das erhaltene Ausgangssignal nicht überschreitet, dann ist das
erhaltene Ausgangssignal nicht der Vektor X, sondern stattdessen
ein Vektor Y. Der Vektor X wird wegen der durch den Verstärker bewirkten
Amplituden- und Phasenverzerrung nicht erzeugt, wenn der lineare Teil
seiner Reaktion überschritten
worden ist. Der Amplituden- und Phasengesamtfehler wird durch den Vektor
Z dargestellt. Dies ist ein signifikanter Fehler.
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US-A-5327101
offenbart einen Verzerrungsbegrenzer zum Begrenzen des Verzerrungsgrads
eines Umkehrverstärkers.
Ein Vergleicher erzeugt einen Impuls, wenn ein Signalpegel an einem
invertierenden Eingang des Umkehrverstärkers einen Bezugsspannungspegel überschreitet.
Der Impuls lädt einen
Kondensator. Wenn die Ladung am Kondensator ausreicht, um die Gatespannung
eines Sperrschicht-Feldeffekttransistors (JFET) über die Grenzfrequenz zu heben,
schaltet der FET das Eingangssignal parallel, um seinen Pegel zu
verringern. Die Verzerrungscharakteristik kann mit Hilfe eines Spannungsteilers
zum Anpassen der Spannung über
den FET geregelt werden. Eine Vorspannung am Gate des FET hält den FET
abgeschaltet, wenn der Umkehrverstärker nicht begrenzt.
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US-A-4462001
offenbart eine Vorrichtung zum Linearisieren der Transfercharakteristik
eines Hochleistungsverstärkers
durch Vorverzerren des Signals vor seiner Modulation.
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Ein
Basisbandlinearisierer hat ein Amplitudendämpfungsglied, das das Basisbandsignal
empfängt
und seine Amplitude als Funktion der Hochleistungsverstärker-Transfercharakteristik
dämpft,
und eine Phasendreherschaltung, die das gedämpfte Basisbandsignal empfängt und
seinen Phasenwinkel als eine Funktion der Hochleistungsverstärker-Transfercharakteristik
dreht. Der Basisbandlinearisierer kann ferner einen Detektor zum
Bestimmen des Leistungspegels des Basisbandsignals haben, um das Dämpfungsglied
und die Phasendreherschaltung zu steuern.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist in Anspruch 1 unten definiert, auf den
jetzt Bezug zu nehmen ist. Vorteilhafte Merkmale sind in den anhängigen Ansprüchen dargelegt.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden unten mit Bezug
auf die Zeichnungen ausführlicher
beschrieben.
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Der
Erfinder der vorliegenden Erfindung hat erkannt, dass es Situationen
geben kann, in denen es erwünscht
ist, das Signal für
einen gewissen Anteil der Zeit in den nichtlinearen Bereich hinübergehen
zu lassen, und in diesen Situationen kann die Signalverzerrung durch
Vorbegrenzen der Eingangssignalhüllkurve,
bevor sie vom Verstärker
angelegt wird, reduziert werden.
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In
den unten beschriebenen bevorzugten Ausgestaltungen wird die Signalverzerrung
durch präzises
Vorbegrenzen der Eingangssignalhüllkurve auf
einen Punkt knapp unter dem Punkt reduziert, an dem im Verstärker die
plötzliche Überlastung
auftritt. Das Ergebnis dieser absichtlichen Einführung einer Begrenzung, die
normalerweise als unerwünscht
betrachtet würde,
ist eine wesentliche Reduzierung der Phasenverzerrung.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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sDie
Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beispielhaft ausführlicher
beschrieben. Es zeigt:
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1 (oben beschrieben) an
einem Vektordiagramm den Vektorfehler, der in einem bekannten, ein
Rückkopplungslinearisierungsverfahren
verwendenden RF-Verstärker eingeführt wird,
wenn er über seinem
linearen Bereich betrieben wird;
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2 ein entsprechendes Vektordiagramm für einen
die Erfindung ausgestaltenden Verstärker;
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3 ein Blockschaltbild für einen
gemäß der Erfindung
modifizierten analogen Verstärker
und
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4 ein Blockschaltbild für einen
gemäß der Erfindung
modifizierten digitalen Verstärker.
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Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltungen
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2 ist ein 1 entsprechendes Amplitude-Phase-Vektordiagramm für einen
erfindungsgemäßen, ein
Vorbegrenzungsverfahren verwendenden Verstärker. Der Ausgangsvektor wird
durch den Vorbegrenzungsvorgang auf einen neuen Wert Y' reduziert. Der Gesamtfehler
Z' ist jetzt beträchtlich
kleiner als der vorherige Fehler Z, was zu weniger Signalverzerrung
führt.
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Eine
erste Ausgestaltung der Erfindung, die mit analogen Signalen arbeitet,
wird in 3 gezeigt. Der
RF-Verstärker 10 empfängt den
Ausgang eines Mischers 12, der ein ZF-Signal (Zwischenfrequenzsignal)
auf gut bekannte Weise mit einem Signal von einem RF-Oszillator
kombiniert. Der Verstärker
wird durch eine Rückkopplungsschleife 14 linearisiert,
die in der Figur schematisch dargestellt ist. Dem RF-Verstärker ist
eine Begrenzer- oder Vorverarbeitungsschaltung 20 vorgeschaltet,
die die Größe des ZF-Eingangssignals
zum Mischer an einem vorbestimmten Grenzwert begrenzt, der so gewählt ist, dass
er am oberen Ende des linearen Bereichs des Verstärkers 10 ist.
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Die
Begrenzerschaltung 20 hat einen Eingang zum Empfangen des
ZF-Signaleingangs, mit dem eine einstellbare Verstärkungsschaltung 24 verbunden
ist. Der Ausgang der einstellbaren Verstärkungsschaltung 24 oder
des einstellbaren Verstärkungsblocks
wird an die Haupt-ZF-Verstärkerschaltung 26 angelegt.
Der Ausgang der ZF-Verstärkerschaltung 26 wird
an den Mischer 12 angelegt. Ein Teil des Ausgangs der ZF-Verstärkerschaltung
wird wie an 28 gezeigt weggespeist und an einen Hüllkurvendetektor 30 angelegt,
der veranschaulichend als eine Diode gezeigt wird. Der Ausgang des
Hüllkurvendetektors 30 wird
an eine schnell wirkende automatische Pegelregelungsschaltung (ALC-Schaltung) 32 angelegt,
deren Ausgang an einen Steuereingang der einstellbaren Verstärkungsschaltung 24 angelegt wird.
Die automatische Pegelregelungsschaltung 32 vergleicht
den Ausgang des Hüllkurvendetektors 30 mit
einer an 34 angelegten Schwelle. Die ALC-Schaltung 32 wirkt
daher nur, wenn das Signal eine vorbestimmte Schwelle überschreitet,
aber wenn das Signal die Schwelle nur sehr geringfügig überschreitet, reduziert
die ALC-Schaltung rasch die Signalverstärkung, um ein weiteres Ansteigen
des Signals zu verhindern. Auf diese Weise wird der Höchstwert
der Hüllkurve
begrenzt. Die einstellbare Verstärkungsschaltung 24 reagiert
schnell genug auf den Ausgang der ALC-Schaltung 32, um
den Augenblickssignalpegel zu beeinflussen und nicht nur den durchschnittlichen
Signalpegel.
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4 illustriert eine zweite
Ausgestaltung der Erfindung, die zur Verwendung mit digitalen Signalen
vorgesehen ist. In diesem Fall gibt es, wie gut bekannt ist, zwei
Signale I und Q, die die phasengleichen und Quadraturkomponenten
komplexer Signale tragen. Es gibt daher zwei parallele Signalkanäle durch
den Verstärker 40,
die schematisch dargestellt sind. Der Verstärker 40 hat eine mit
ihm assoziierte Linearisierungsschaltung (nicht gezeigt). Der Vorbegrenzer 42 hat
zwei Eingänge 44, 46 zum
Empfangen der I- bzw.
Q-Signale. Die Eingangssignale haben eine Abtastfrequenz von M Abtastungen
pro Sekunde und werden zuerst an Abtastratenwandler (Up-Sampler) 48, 50 angelegt,
die die Abtastfrequenz um einen Faktor N erhöhen. Im typischen Fall kann
N 2 oder 4 sein. Das Up-Sampling gewährleistet, dass genaues Vorbegrenzen
stattfinden kann.
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Die
Ausgänge
der Abtastratenwandler werden an einen betreffenden von zwei multiplikativen Verstärkern 52, 54 und
auch an eine Rechenschaltung 56 angelegt. In der Rechenschaltung 46 stellen zwei
Quadrierer 58, 60 die Quadrate der Werte der I- und
Q-Signale und eine Kombinationsschaltung in der Form eines Addierers 62 empfängt die
Ausgänge der
Quadrate und addiert sie. Der Addierer 62, der den Ausgang
der Rechenschaltung 56 bildet, erzeugt einen Ausgang, der
für die
Summe der Quadrate der Komponenten des komplexen Eingangssignals, nämlich (I2 + Q2), repräsentativ
ist.
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Der
berechnete Wert der in der Rechenschaltung 56 so ermittelten
Größe, der
das Quadrat der Größe repräsentiert,
wird dann an eine Nachschlagtabelle (LUT) 64 in der Form
eines Festwertspeichers (ROM) angelegt. Der Ausgang der Nachschlagtabelle 64 wird
als Vervielfachungskoeffizient an den anderen Eingang jedes der
Multiplikatoren 52, 54 angelegt.
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Die
Nachschlagtabelle 64 liefert den Multiplikatoren 52, 54 über den
linearen Bereich des Verstärkers 40 feste
Koeffizienten. Über
dem linearen Bereich sind die Koeffizienten verkleinert, um die
Größe des komplexen
Ausgangs auf ein vorbestimmtes Maximum zu begrenzen, d. h. den maximalen
linearen Ausgang vom Verstärker 40.
Die erforderlichen Werte für
die Nachschlagtabelle können
anhand der Schaltungsparameter kalkuliert oder empirisch bestimmt
werden. Die Operation ist derart, dass, wenn der berechnete Wert
eine vorbestimmte Schwelle überschreitet,
dann die vom Vorbegrenzer 42 ausgegebenen Werte von I und
Q um den gleichen Grad verkleinert werden. Der maximale Wert der
Signalhüllkurve
wird daher begrenzt.
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Das
an die Nachschlagtabelle 64 angelegte Signal repräsentiert
das Quadrat der Signalgröße. Es wäre möglich, die
Quadratwurzel daraus zu ziehen, hat aber keinen Sinn, weil die Nachschlagtabelle
so aufgebaut werden kann, dass sie das automatisch berücksichtigt.
Im Prinzip könnte
die Nachschlagtabelle die Ausgänge
der Abtastratenwandler 48, 50 direkt empfangen
und auch die von Rechenschaltung 56 erzielte Berechnung
implementieren, aber in diesem Fall könnte eine unpraktisch große Nachschlagtabelle
benötigt
werden.
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An
den beschriebenen Schaltungen können verschiedene
andere Modifikationen vorgenommen werden. Beispielsweise wurde die
Begrenzung in der analogen Schaltung von 3 zwar als mit Zwischenfrequenz (ZF)
betrieben beschrieben, sie könnte
aber mit Radiofrequenz (RF) selbst oder auf Basisband betrieben
werden. Die digitale Implementierung kann in Software anstatt in
Hardware erzielt werden, wobei 4 in
diesem Fall als ein Flussdiagramm anstatt als ein Hardware-Blockdiagramm zu
betrachten ist.