DE69820472T2

DE69820472T2 - Linearisierungsverfahren und verstärkeranordnung

Info

Publication number: DE69820472T2
Application number: DE69820472T
Authority: DE
Inventors: Toni Neffling
Original assignee: Nokia Oyj
Current assignee: Nokia Oyj
Priority date: 1997-10-29
Filing date: 1998-10-26
Publication date: 2004-10-28
Anticipated expiration: 2018-10-27
Also published as: FI105366B; WO1999022444A1; EP1025638A1; CN1276929A; DE69820472D1; NO20002209D0; CN1111945C; FI974088A; AU9631598A; US6271724B1; JP2001522155A; EP1025638B1; ATE256355T1; NO20002209L; FI974088A0

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Linearisierungsverfahren, bei dem ein zu verstärkendes Signal durch Verwendung von in einem Speicher gespeicherten digitalen Vorverzerrungs-Informationen vorverzerrt wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Verstärkeranordnung mit Vorverzerrungs-Einrichtungen und einem Speicher, in dem digitale Vorverstärkungs-Informationen gespeichert werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Der Arbeitsbereich von Funkfrequenz-Leistungsverstärkern ist breiter als derjenige von Kleinsignal-Verstärkern; daher sind die Leistungsverstärker nichtlinear. Zum Beispiel empfängt und verstärkt eine Basisstation in einem zellularen Funksystem gleichzeitig Signale unterschiedlicher Frequenzen von verschiedenen Endgeräten. Bei den Lösungen gemäß des Stands der Technik wurden Versuche unternommen, durch Leistungsverstärker-Intermodulationen verursachte Signalverzerrungen zu korrigieren, indem „feedforwarding" bzw. Störgrößenaufschaltung oder Vorverzerrung verwendet werden. Bei Störgrößenaufschaltungslösungen werden üblicherweise zwei Steuerkreise angewandt, die mit einem Hauptverstärker für das tatsächliche Signal und einem Verzerrungsverstärker für Signalverzerrungen versehen sind. Eine Verzerrungs-Störgrößenaufschaltung wird hier zum Korrigieren des tatsächlichen Signals verwendet.
Bei der eine Vorverzerrung verwendenden Lösung gemäß des Stands der Technik wird eine Schätzung des Verhaltens vorgenommen, in dem ein Verstärker ein Signal verzerren wird. Das mit Hilfe der Schätzung zu verstärkende Signal wird durch eine der Verstärkerverzerrung entgegengesetzten Verzerrungstransformation vorverzerrt. Der Verstärker kompensiert dann während einer Verstärkung des Signals gleichzeitig die Vorverzerrung, was zu einem ungestörten, sogenannten linearisierten Signal führt.
Bei den Lösungen gemäß des Stands der Technik wird eine Vorverzerrung entweder analog oder digital durchgeführt. Es ist schwierig, bei einer analogen Vorverzerrung Veränderungen einer Verstärkerverzerrung zu erfassen; daher ist eine digitale Vorverzerrung vorteilhafter. Es ist möglich, eine Verzerrung mittels einer digitalen Vorverzerrung äußerst effizient zu korrigieren. Eine typische digitale Vorverzerrung wird durch Verwendung von Nachschlagetabellen durchgeführt, die zusätzlich vorteilhafter Weise aktualisiert werden sollten, um eine Anpassungsfähigkeit zu erreichen, da eine Verstärkerverzerrung zum Beispiel von der Temperatur, dem Alter des Verstärkers und den Veränderungen des dem Verstärker zugeführten Signals beeinträchtigt wird. Die US-5049832, die hierin mittels Referenz eingebunden wird, offenbart eine derartige Lösung. Bei der Lösung der Veröffentlichung werden Vorverzerrungs-Informationen in einem Speicher in einer Rechteckkoordinatenform gespeichert, was darauf abzielt, die zu speichernde Informationsmenge zu reduzieren, und daher wird ein Versuch zum Beschleunigen der Anpassungsfähigkeit der Lösung bei sich verändernden Bedingungen unternommen.
Die Patentveröffentlichung US-4462001 stellt eine Basisband-Linearisierungseinrichtung für breitbandige, nichtlineare Hochleistungsverstärker dar. Die Linearisierungseinrichtung dämpft die IQ-Komponenten und den Phasenwinkel des Signals als eine Funktion der Übertragungskennlinie des Verstärkers und unter Steuerung eines Leistungspegeldetektors ab.
Die Patentveröffentlichung US-5570063 stellt einen RS-Leistungsverstärker mit einer Signalvorverzerrung für eine verbesserte Linearität dar. Die Lösung weist zwei Steuerkreise auf, die digitale Signalprozessoren zum Erzeugen von Steuersignalen für eine Amplituden- und Phasenstelleinrichtung auf.
Üblicherweise ist ein Problem dieser Art einer vollständig digitalen Vorverzerrung jedoch die Langsamkeit. Die momentane digitale Signalverarbeitungsmethode ermöglicht es der Bandbreite, sich von einigen Duzend bis zu einem Maximum von wenigen hundert Kilohertz zu erstrecken, wenn eine komplexe Verstärkungsvorverzerrung verwendet wird. Die Bandbreite ist auf Grund zahlreicher Transformationsberechnungen sogar noch schmaler, wenn eine Polar-Vorverzerrung verwendet wird. Außerdem ist ein weiteres Problem einer digitalen Vorverzerrung die Schätzung der von einem Leistungsverstärker verursachten Verzögerung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren und eine das Verfahren implementierende Anordnung bereitzustellen, um die vorstehenden Probleme zu lösen. Bei der Erfindung kann die Langsamkeit einer digitalen Vorverzerrung und die schlechte Anpassungsfähigkeit einer analogen Vorverzerrung an Veränderungen vermieden werden.
Dies wird mittels eines Verfahrens des in Patentanspruch 1 definierten Typs erreicht.
Eine Verstärkeranordnung der Erfindung ist sinngemäß vom in Patentanspruch 5 definierten Typ.
Mehrere Vorteile können mittels des Verfahrens und der Anordnung der Erfindung erzielt werden. Die zeitaufwendigen Berechnungsoperationen einer digitalen Vorverzerrung können durch einen Tabellennachschlag ersetzt werden. Die Erfindung ermöglicht, dass eine Polar-Darstellung auch bei Breitbandanwendungen eingesetzt werden kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nun ausführlicher in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, bei denen zeigen:
1 einen Vorverzerrungsverstärker, und
2 eine Vorverstärkungssteuereinheit.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung ist besonders zur Verwendung in einem Leistungsverstärker eines Basisstationssenders in einem zellularen Funksystem geeignet, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
1 zeigt eine Vorverzerrungs-Verstärkeranordnung gemäß der Erfindung. Die Anordnung weist eine Signaltrenneinrichtung 102, einen Phasenvorverzerrer 104, einen Amplitudenvorverzerrer 106, einen Leistungsverstärker 108, eine Verzerrungssteuereinheit 110, einen Dämpfer 112, einen Amplitudenverzerrer 114, einen Phasenverzerrer 116, eine Verzögerungseinrichtung 118, einen Addierer 120, einen ersten Integrator 122, einen ersten Verstärker 124, ein erstes Tiefpassfilter 126, einen Multiplizierer 128, einen zweiten Integrator 130, einen zweiten Verstärker 132, ein zweites Tiefpassfilter 134, ein erstes Hochpassfilter 136 und ein zweites Hochpassfilter 138 auf. Der Multiplizierer 128, der ein Quadratur-Demodulator ist, weist eine Multiplikationseinrichtung 160, einen Phasenschieber (90°) 162 und eine Signaltrenneinrichtung 164 auf. Die Anordnung kann des Weiteren einen Störgrößenaufschaltungsverstärker 142 und einen Addierer 144 aufweisen, in dem ein Fehlersignal 176 von einem abgehenden Signal 170 subtrahiert wird, um eine Intermodulationsverzerrung zu reduzieren. Die Anordnung arbeitet wie es im Folgendem beschrieben wird. Es wird als Erstes der Nicht-Rückkopplungs-Betrieb des Verstärkers untersucht. Ein zu verstärkendes Signal 100 wird in der Trenneinrichtung 102 in zwei aufgespaltet. Das obere Signal breitet sich weiter zu den Vorverzerrungseinrichtungen 104 und 106 aus, in denen die Phase und Amplitude des Signals 100 verändert werden. Die Einrichtungen 104 und 106 zum Verändern von Phase und Amplitude verzerren die Phase und die Amplitude des zum Verstärker 108 kommenden Signals 100 derart, dass die Ausgabe des Verstärkers 108 im Wesentlichen unverzerrt ist.
Es wird nun die Erzeugung des Fehlersignals 176 genauer betrachtet. Als Erstes wird ein Modulationssignal v_m 174 derart erzeugt, dass sich das zu verstärkende Signal 100 durch die Trenneinrichtung 102 zu den Verzerrungseinrichtungen 114 und 116 ausbreitet, die den erwarteten Wert bzw. Erwartungswert des Signals erzeugen, woraufhin das Signal in der Verzögerungseinrichtung 118 verzögert wird. Daher entspricht der Verzögerung des Signals 174 der Verzögerung des zu verstärkenden Signals 100 in den Verzerrungseinrichtungen 104 und 106 und dem Leistungsverstärker 108. Das Fehlersignal 176 wird durch Subtrahieren eines Ausgabesignals 172, das im Dämpfer 112 auf einen dem Fehlersignal 176 entsprechenden Pegel gedämpft wird, vom Modulationssignal 174 im Addierer 120 erzeugt.
Es wird nun die Erzeugung des erwarteten Werts bzw. Erwartungswert des Modulationssignals 174 ausführlicher untersucht. Das Modulationssignal 174 und das Fehlersignal 176 werden beide dem Quadratur-Modulator 128 zugeführt, in dem ein Phasensteuersignal 180 und ein Amplitudensteuersignal 182 erzeugt werden, indem die Quadratur-Demodulatormultiplizierer 160, der Phasenschieber 162 und die Signaltrenneinrichtungen 164 auf eine bekannte Art und Weise verwendet werden. Das Phasensteuersignal 180 wird im Filter 126 tiefpassgefiltert, im Verstärker 124 verstärkt und im Integrator 122 integriert, in anderen Worten eigentlich gemittelt. Das zu verstärkende Signal 100 wird in der Phasenverzerrungseinrichtung 116 durch ein Phasensteuersignal 186 verzerrt, verarbeitet und auf diese Weise effektiv gemittelt. Gleichermaßen wird das Amplitudensteuersignal 182, das im Filter 134 ebenfalls tiefpassgefiltert wird, im Verstärker 132 verstärkt und im Integrator 130 integriert, in anderen Worten eigentlich gemittelt. Das zu verstärkende Signal 100 wird in der Amplitudenverzerrungseinrichtung 114 durch ein Amplitudensteuersignal 184 verzerrt, verarbeitet und auf diese Art und Weise effektiv gemittelt. Eine derartige Verzerrung, die Phase und Amplitude mittelt, bildet den Erwartungswert des zu verstärkenden Signals 100 aus dem Modulationssignal 174 im von den Integratoren 122 und 130 abgedeckten Zeitschlitz. In anderen Worten gibt das Fehlersignal 176 nur die schnellen Veränderungen des zu verstärkenden Signals 100 an, da die langsamen Veränderungen herausaddiert werden.
Die Lösung der Erfindung verändert Phasen- und Amplitudenverzerrung mit Hilfe der Einrichtungen 104 und 106 schnell, abhängig davon, um wie viel das Fehlersignal 176 vom Modulationssignal 174 abweicht, welches dem Erwartungswert, in anderen Worten dem Mittelwert, des zu verstärkenden Signals 100 entspricht. Daher ist die erfinderische Lösung anpassungsfähig an Veränderungen in den Umständen. Die Anpassungsfähigkeit wird auf eine derartige Weise implementiert, dass die Phasen- und Amplitudensteuersignale 184 und 186, die mittels der Filter 136 und 138 tiefpassgefiltert sind, der Verzerrungssteuereinheit 110 zugeführt werden. Diese Signale und das zu verstärkende Signal werden zum Auswählen der geeigneten Vorverzerrungs-Informationen aus der Tabelle verwendet.
Es wird nun eine Auswahl von Vorverzerrungs-Informationen gemäß der Erfindung ausführlicher untersucht. 2 zeigt eine Vorverzerrungssteuereinheit 110 mit einem ersten Tiefpassfilter 200, einem A/D-Wandler 202, einem ersten Speicher 204, einem zweiten Speicher 206, einem D/A-Wandler 208, einem zweiten Tiefpassfilter 210, einem zweiten D/A-Wandler 212 und einem dritten Tiefpassfilter 214. Die Steuereinheit 110 arbeitet auf die folgende Art und Weise. Das erste Tiefpassfilter 200 entfernt schnelle Veränderungen aus einem zu verstärkenden Signal 100, woraufhin das Signal im Wandler 202 in eine digitale Form gewandelt wird. Das digitale Signal wird direkt zum Steuern der Speicher 204 und 206 verwendet, wobei der Speicher 204 eine Phasenvorverzerrung steuert und der Speicher 206 eine Amplitudenvorverzerrung steuert. Die digitalen Informationen einer Phasenvorverzerrung werden im ersten D/A-Wandler 208 in analoge Informationen umgewandelt und mittels des zweiten Tiefpassfilters 210 gefiltert. Gleichermaßen werden die digitalen Informationen einer Amplitudenvorverzerrung im zweiten D/A-Wandler 212 in analoge Informationen umgewandelt und mittels des dritten Tiefpassfilters 214 gefiltert. Diese analogen Steuersignale steuern analoge und üblicherweise auch Funkfrequenz-Vorverzerrungseinrichtungen 104 und 106 auf eine bekannt Art und Weise, um Phase und Amplitude zu verzerren.
Obwohl die Polarvariablen Amplitude und Phase als getrennte Variablen beschrieben wurden, können sie jedoch unter Verwendung einer komplexen Darstellung und durch Verarbeitung der Variablen als Vektoren auch als eine Variable bezeichnet und verarbeitet werden. Daher kann eine Variable α definiert werden, α = g + jp, wobei j eine imaginäre Einheit und g die Amplitude und p die Phase ist. Die Variable α kann gemäß den Einheitsvektoren von Amplitude G und Phase P auch eingegeben werden als α = gG + pP. Die an die Speicher 204 und 206 der Verzerrungssteuereinheit 110 angelegten Signale 100, 184, 186 können in dieser Form dargestellt werden, und die zwei Steuersignale 184 und 186 können daher durch ein komplexes Signal ersetzt werden, das wiederum auf eine bekannte Art und Weise in digitaler Form dargestellt werden kann. Der Speicher 204, 206 ist vorzugsweise ein RAM-Speicher mit mehreren Eingabeanschlüssen für die Signale 100, 184 und 186. Der Speicher 204, 206 ist vorzugsweise ein Doppelanschluss-RAM-Speicher, in dem unterschiedliche Arten von Amplituden- und Phasen-Vorverzerrungsinformationen gespeichert werden.
Da der Speicher 204, 206 digital ist, akzeptiert der Speicher nur Amplituden- und Phasenwerte, die zu aufeinander folgenden Zeitpunkten der Abtastzeit gebildet wurden. Daher wird ein neuer eine Verzerrung steuernder Parameter α_n+1, der zum Beispiel den Signalen 184 und 186 oder dem Signal 100 entspricht, im Allgemeinen aus dem vorhergehenden Parameter α_n mit Hilfe der folgenden Formel abgeleitet: αn+1 = αn – KΔE[υ2e ]wobei E der Erwartungswertopertator ist, α_n der momentan bei der Verarbeitung des Signals verwendete Parameter, K der Verstärkungskoeffizient,
meint den Nabla-Operator, mittels dem die partielle Ableitung einer skalaren Funktion bezüglich der othogonalen Einheitsvektoren G und P in vektorieller Form gebildet wird. Diese partielle Ableitung, auch Gradient genannt, wird oft durch ein Multiplizieren eines Modulationssignals 174 v_m und eines Fehlersignals 176 v_e miteinander ersetzt, wobei α_n+1 = α_n – Kv_mv_e gilt. Dieses Multiplizieren entspricht der Quadratur-Demodulation in der Einrichtung 120, und der Erwartungswert des ursprünglichen Ausdrucks ist bei der Mittelwertbildung des Modulationssignals 174 enthalten.
Obwohl die Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf das Beispiel gemäß den begleitenden Zeichnungen beschrieben wurde, ist es offensichtlich, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, sondern sie auf viele Arten innerhalb des Schutzbereichs der in den zugehörigen Ansprüchen offenbarten erfinderischen Idee verändert werden kann.

Claims

Linearisierungsverfahren, bei dem ein zu verstärkendes Signal (100) durch Verwendung von in einem Speicher (204, 206) gespeicherten digitalen Vorverzerrungs-Informationen vorverzerrt wird, wobei ein Modulationssignal (174) als ein erwarteter Wert des zu verstärkenden Signals (100) erzeugt wird, sowie ein Fehlersignal (176) zwischen dem verstärkten Signal (172) und dem Modulationssignal (174), wobei das Modulationssignal (174) und das Fehlersignal (176) zum Erzeugen von Vorverzerrungs-Steuersignalen (184, 186) quadratur-moduliert werden, das zu verstärkende Signal (100) in seiner analogen Form vorverzerrt wird, die Vorverzerrung an das zu verstärkende Signal (100) derart angepasst wird, dass der Speicher (204, 206) unter Verwendung des zu verstärkenden Signals (100) gesteuert wird, und zusätzlich derart an die Vorverzerrungs-Steuersignale (184, 186), dass auch die Vorverzerrungs-Steuersignale (184, 186) vor dem Steuern des Speichers (204, 206) in eine digitale Form umgewandelt werden, die in dem Speicher (204, 206) gespeicherten Vorverzerrungs-Informationen den Variablen von Polarkoordinaten wie Phase und Amplitude entsprechen, und die Phase und Amplitude des zu verstärkenden Signals (100) bei der Vorverzerrung gemäß den Vorverzerrungs-Informationen verzerrt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorverzerrung an das zu verstärkende Signal (100) derart angepasst wird, dass der die gespeicherten digitalen Vorverzerrungs-Informationen aufweisende Speicher (204, 206) unter Verwendung des zu verstärkenden Signals (100) derart gesteuert wird, dass das zu verstärkende Signal (100) vor der Steuerung des Speichers (204, 206) in eine digitale Form umgewandelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorverzerrungs-Informationen in einem einen Mehrfacheingangs-Anschluss aufweisenden Nachschlagetabellen-Speicher gespeichert werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Vorverzerrungs-Einrichtungen (104, 106) analog sind, wobei die von dem Speicher (204, 206) zum Steuern der Vorverzerrungs-Einrichtungen (104, 106) bereitgestellten Vorverzerrungs-Informationen in analoge Informationen umgewandelt werden.
Verstärkeranordnung mit Vorverzerrungs-Einrichtungen (104, 106) und einem Speicher (204, 206), in dem digitale Vorverzerrungs-Informationen gespeichert werden, wobei die Verstärkeranordnung zur Erzeugung eines Modulationssignals (174) als einen erwarteten Wert des zu verstärkenden Signals (100) und eines Fehlersignals (176) zwischen dem verstärkten Signal (172) und dem Modulationssignal (174) ausgelegt ist, ein Quadratur-Demodulator (120) zur Demodulation des Modulationssignals (174) und des Fehlersignals (176) zum Erzeugen von Steuersignalen (184, 186) ausgelegt ist, die Vorverzerrungs-Einrichtungen (104 und 106) derart eingerichtet sind, dass ein zu verstärkendes Signal (100) in seiner analogen Form verzerrt wird, und die Vorverzerrungs-Einrichtungen (104 und 106) derart eingerichtet sind, dass die Vorverzerrung an das zu verstärkende Signal (100) angepasst wird, und zusätzlich derart an die Steuersignale (184, 186), dass Analog/Digital-Wandler (203) derart eingerichtet sind, dass die Vorverzerrungs-Steuersignale (184, 186) in eine digitale Form umgewandelt werden, wobei die umgewandelten Steuersignale den die gespeicherten digitalen Vorverzerrungs-Informationen aufweisenden Speicher (204, 206) steuern, eine Empfängeranordnung derart eingerichtet ist, dass die Vorverzerrung an das zu verstärkende Signal angepasst wird, die in dem Speicher (204, 206) gespeicherten Vorverzerrungs-Informationen die Variablen Phase und Amplitude von Polarkoordinaten aufweisen, und die Vorverzerrungs-Einrichtungen (104 und 106) derart eingerichtet sind, dass die Phase und Amplitude des Signals gemäß den Vorverzerrungs-Informationen verzerrt werden.
Verstärkeranordnung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorverzerrungs-Einrichtungen (104 und 106) derart eingerichtet sind, dass die Vorverzerrung an das zu verstärkende Signal (100) derart angepasst wird, dass ein Analog/Digital-Wandler (202) das zu verstärkende Signal (100) in eine digitale Form umwandelt, und das digitale Signal (100) nach der Umwandlung angepasst wird, um den die gespeicherten digitalen Vorverzerrungs-Informationen aufweisenden Speicher (204, 206) zu steuern.
Verstärkeranordnung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorverzerrungs-Informationen in einem einen Mehrfacheingangs-Anschluss aufweisenden Nachschlagetabellen-Speicher gespeichert werden.
Verstärkeranordnung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorverzerrungs-Einrichtungen (104 und 106) analog sind, wobei Digital/Analog-Wandler (208, 212) derart eingerichtet sind, dass die von dem Speicher (204, 206) bereitgestellten und zum Steuern der Vorverzerrungs-Einrichtungen (104 und 106) gedachten Vorverzerrungs-Informationen in analoge Informationen umgewandelt werden.