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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Leistungsverstärker und
auch ein Verfahren der Leistungsverstärkung darin. Genauer ausgeführt, betrifft die
Erfindung die Leistungsverstärkung
eines zusammengesetzten Funksignals, das mindestens zwei modulierte
Trägerwellen
enthält.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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In
beispielsweise mobilen Telefoniesystemen werden Informationen von
einer Basisstation zu einer Pluralität von Mobilstationen übertragen.
Die Informationen werden auf verschiedenen Trägerwellen übertragen, und es ist aus Kostengründen wünschenswert,
dass mehrere Trägerwellen
gleichzeitig in einem und denselben Leistungsverstärker leistungsverstärkt werden
können.
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In
einem Leistungsverstärker,
der auf einer traditionellen Vorwärtskopplungstechnik basiert,
wird ein Funksignal, das mindestens zwei modulierte Trägerwellen
enthält,
in einem ersten nichtlinearen Verstärker verstärkt, wobei Intermodulationsprodukte
in dem Ausgangssignal des ersten Verstärkers vorkommen. Ein kleiner
Teil des Ausgangssignals von dem ersten Verstärker wird in umgekehrter oder
entgegen gesetzter Phase zu einem vorwärts geleiteten Teil des Eingangssignals
des ersten Verstärkers
addiert, wobei die Gegenphasenaddition in einem Signal resultiert,
das nur die früher
erwähnten
Intermodulationsprodukte enthält.
Ein Kompensationssignal wird durch Verstärkung dieses zuletzt erwähnten Signals auf
einen geeigneten Leistungspegel in einem linearen Verstärker erzeugt.
Ein Leistungsverstärker-Ausgangssignal
wird durch Gegenphasenaddition des Kompensationssignals zu dem Ausgangssignal
von dem ersten Verstärker
erzeugt, wodurch die Intermodulationsprodukte in dem Ausgangssignal
von den ersten Verstärker
unterdrückt
werden.
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Ein
Problem, das bei Leistungsverstärkung, die
auf einer traditionellen Vorwärtskopplungstechnik basiert,
auftritt, entsteht als ein Resultat der Verbindung einer Zahl von
Komponenten an den Ausgang des ersten Verstärkers, die Leistungsverluste
verursachen und dadurch den Wirkungsgrad des Leistungsverstärkers beeinträchtigen.
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Die
deutsche Patentschrift
DE 2718172 lehrt einen
Verstärker,
der bei der Verstärkung
eines Eingangssignals, das mehrere Frequenzen enthält, Intermodulationsprodukte
in dem Verstärker-Ausgangssignal unterdrückt. Dieser
Verstärker
ist intern in einen ersten und einen zweiten Signalweg unterteilt.
Der erste Signalweg enthält
einen ersten nichtlinearen Verstärker
und der zweite Signalweg enthält einen
zweiten nichtlinearen Verstärker,
der in Reihe mit einem Dämpfungsglied
verbunden ist. Der Verstärker
teilt das Eingangssignal auf die zwei Signalwege auf, womit der
erste und der zweite Verstärker beide
ein jeweiliges Ausgangssignal erzeugen, die beide eine erwünschte Signalkomponente
enthalten, die mit dem Eingangssignal korrespondiert, und Intermodulationsprodukte,
die in dem Verstärkungsprozess
entstehen. Aufgrund von höherer
Verstärkung des
Eingangssignals in dem zweiten Verstärker enthält das Ausgangssignal von dem
zweiten Verstärker viel
stärkere
Intermodulationsprodukte als das Ausgangssignal von dem ersten Verstärker. Das
Ausgangssignal von dem zweiten Verstärker wird in dem Dämpfungsglied
gedämpft,
so dass die Intermodulationsprodukte in dem gedämpften Signal gleich groß sind wie
die Intermodulationsprodukte in dem Ausgangssignal von dem ersten
Verstärker.
Das Verstärkerausgangssignal
wird durch Gegenphasenaddition des Ausgangssignals von dem ersten
Verstärker
zu dem gedämpften
Ausgangssignal von dem zweiten Verstärker erzeugt.
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Ein
Problem, das bei dem Verstärker
vorkommt, der durch
DE 2718172 gelehrt
wird, liegt in den beträchtlichen
Verlusten in der Leistung, die auftreten. Ein Grund, warum diese
Leistungsverluste vorkommen, ist der, dass das Eingangssignal in
dem zweiten Verstärker
viel höher
verstärkt
wird als in dem ersten Verstärker,
damit das Ausgangssignal von dem zweiten Verstärker dann derart gedämpft werden
kann, dass die Intermodulationsprodukte, die in den ersten und zweiten
Signalwegen erzeugt werden, sich in dem anschließenden Gegenphasenadditionsprozess
gegenseitig ausheben.
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Leistungsverluste
werden auch verursacht, weil das Signal, das anschließend an
die Dämpfung in
dem zweiten Signalweg erhalten wird, noch einen relativ großen Teil
der gewünschten
Signalkomponente enthält,
und daher wird dieser Teil des Signals eine Leistungsreduzierung
des gewünschten
Ausgangssignals von dem Verstärker
in dem Gegenphasenadditionsprozess verursachen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung behandelt das Problem der Verstärkung eines
Funksignals, das mindestens zwei modulierte Trägerwellen enthält, mit der
Hilfe eines nichtlinearen Verstärkers,
während gleichzeitig
dem Auftreten von Intermodulationsprodukten in dem verstärkten Signal
entgegengewirkt wird.
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Das
Problem wird hauptsächlich
mit der Hilfe eines Verfahrens gelöst, in dem ein Leistungsverstärker das
Funksignal, das mindestens zwei modulierte Trägerwellen enthält, in zwei
Funksignale aufteilt, die in einem jeweiligen ersten und zweiten
nichtlinearen Verstärker
verstärkt
werden. Intermodulationsprodukte entstehen in den jeweiligen Verstärkern in
dem Verstärkungsprozess.
Ein Kompensationssignal wird von dem Ausgangssignal des zweiten
Verstärkers
erzeugt, womit selektive Senkung der modulierten Trägerwellen
erfolgt. Ein Leistungsverstärker-Ausgangssignal
wird durch Gegenphasenaddition des Kompensationssignals zu dem Ausgangssignal
von dem ersten Verstärker
erzeugt. Die Erfindung hat daher eine Beziehung zu dem vorher beschriebenen
Verfahren und zu einem Leistungsverstärker, der Mittel enthält, die
zum Ausführen
des Verfahrens erforderlich sind.
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Genauer
ausgeführt,
wird das Problem gelöst,
indem ein erstes zusammengesetztes Funksignal, das mindestens zwei
modulierte Trägerwellen enthält, in ein
zweites und ein drittes Funksignal in einem Leistungsverstärker aufgeteilt
wird. Das zweite Funksignal wird in dem ersten Verstärker verstärkt, um
ein viertes Funksignal bereitzustellen, das zusätzlich dazu, dass es die verstärkten modulierten Trägerwellen
enthält,
auch Intermodulationsprodukte enthält, die in dem ersten Verstärker erzeugt
wurden. Ein fünftes
Funksignal wird erzeugt, indem das dritte Funksignal in dem zweiten
Verstärker
verstärkt
wird, um ein sechstes Funksignal zu erhalten, das zusätzlich dazu,
dass es die verstärkten
modulierten Trägerwellen
enthält,
auch Intermodulationsprodukte enthält, die in dem zweiten Verstärker erzeugt
wurden. Das fünfte
Funksignal wird aus dem sechsten Funksignal erzeugt, womit selektive
Unterdrückung der
modulierten Trägerwellen
erfolgt. Ein Ausgangssignal wird von dem Leistungsverstärker durch
Gegenphasenaddition der vierten und fünften Funksignale erzeugt,
womit die Intermodulationsprodukte in dem Ausgangssignal unterdrückt werden.
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Nach
einer Ausführungsform
der Erfindung wird selektive Unterdrückung der modulierten Trägerwellen
herbeigeführt,
indem die modulierten Trägerwellen
in Bandsperrfiltern herausgefiltert werden.
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Nach
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung wird selektive Unterdrückung durch Gegenphasenaddition
eines Teils des dritten Funksignals zu einem Teil des Ausgangssignals
von dem zweiten Verstärker
herbeigeführt.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines
Verfahrens und eines Leistungsverstärkers für die Verstärkung eines Funksignals, das
mindestens zwei modulierte Trägerwellen enthält, während gleichzeitig
Intermodulationsprodukte in dem verstärkten Signal unterdrückt werden. Eine
spezifischere Aufgabe ist die Bereitstellung eines Leistungsverstärkers, der
niedrige Leistungsverluste aufweist.
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Ein
Vorteil, der durch die Erfindung erbracht wird, besteht darin, dass
sie die Implementierung eines linearisierten Leistungsverstärkers mit
niedrigen Leistungsverlusten ermöglicht.
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Die
Erfindung wird jetzt ausführlicher
mit Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen davon und auch
mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine Ansicht, die einen Teil eines Funkkommunikationsnetzes darstellt.
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2 zeigt
ein Blockdiagramm, das einen Leistungsverstärker nach einer traditionellen
Vorwärtskopplungstechnik
darstellt.
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3 zeigt
ein Blockdiagramm, das einen Leistungsverstärker nach der deutschen Patentschrift
DE 2718172 darstellt.
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4 zeigt
ein Blockdiagramm, das einen Leistungsverstärker nach einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt.
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5 zeigt
ein Blockdiagramm, das einen Leistungsverstärker nach einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt.
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6A–6C zeigen
Diagramme, die vereinfachte Frequenzspektren für verschiedene Funksignale
darstellen.
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7A–7B zeigen
Blockdiagramme, die die interne Struktur von Verstärkern, die
in 4 und 5 verwendet wurden, darstellen.
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8 zeigt
ein Ablaufdiagramm, das ein erfinderisches Verfahren darstellt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt
einen Teil eines Funkkommunikationsnetzes 100, in dem eine
Basisstation 101 mit einem schnurlosen Endgerät 102,
z. B. einem Mobiltelefon, über
Funksignale kommuniziert. Die Basisstation 101 ist normalerweise
für die
gleichzeitige Übertragung
einer Pluralität
von Trägerwellen
C1–C2 ausgerüstet. Jede
der Trägerwellen
C1–C2
wurde in konventioneller Weise mit der Hilfe von separaten Leistungsverstärkern verstärkt. Kosten
für Basisstations-Hardware
können
reduziert werden, indem ein einzelner Leistungsverstärker für die gleichzeitige Verstärkung aller
Trägerwellen
oder mindestens einiger der Trägerwellen
verwendet wird.
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Ein
konventioneller Verstärker
ist nichtlinear, wodurch so genannte Intermodulationsprodukte entstehen,
wenn Signale mehrerer Frequenzen gleichzeitig verstärkt werden.
Es ist erforderlich, diese Intermodulationsprodukte auf einen niedrigen
Pegel zu unterdrücken,
da sie anderenfalls Verzerrungen und Interferenzen in dem Funkkommunikationsnetz 100 oder
in einem anderen Netz/System verursachen werden.
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Intermodulationsprodukte,
und dann primär die
so genannten Intermodulationsprodukte dritter Ordnung, werden in
konventioneller Weise mit der Hilfe einer Form der Vorwärtskopplungslinearisierung aus
dem Ausgangssignal eines Leistungsverstärkers entfernt.
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2 veranschaulicht
die Konstruktion eines Leistungsverstärkers 200, der auf
einer traditionellen Vorwärtskopplungstechnik
basiert. Der Leistungsverstärker 200 enthält einen
ersten nichtlinearen Verstärker 201,
der ein Ausgangssignal durch Verstärkung eines empfangenen Eingangssignals
erzeugt. Ein erster Richtungskoppler 202 leitet einen Teil
des Eingangssignals über
eine erste Verzögerungsleitung 203 vorwärts zu einem
ersten Phasenschieber 210, der in Reihe mit einem zweiten
Richtungskoppler 204 gekoppelt ist. Ein dritter Richtungskoppler 205 lenkt
einen kleinen Teil des Ausgangssignals von dem ersten nichtlinearen
Verstärker 201 zu den
zweiten Richtungskoppler 204. Der erste Phasenschieber 210 und
der zweite Richtungskoppler 204 funktionieren zusammen
als Gegenphasenadditionsmittel und addieren das zu dem ersten Verstärker 201 in
Gegenphase vorwärts
geleitete Eingangssignal zu dem Ausgangssignal, das von demselben Verstärker 201 genommen
wurde. Unter der Voraussetzung, dass die erste Verzögerungsleitung 203 und die
Richtungskoppler 202, 204, 205 richtig
eingestellt sind, enthält
das Signal, das aus dieser Gegenphasenaddition resultiert, ausschließlich Intermodulationsprodukte,
die durch Nichtlinearitäten
des ersten Verstärkers 201 verursacht
wurden. Diese Intermodulationsprodukte werden in einem zweiten linearen Verstärker 206 verstärkt. Das
Ausgangssignal von dem ersten Verstärker 201 wird über eine
zweite Verzögerungsleitung 207 mit
einem Eingang eines vierten Richtungskopplers 208 gekoppelt
und das Ausgangssignal von dem zweiten Verstärker wird über einen zweiten Phasenschieber 209 mit
einem zweiten Eingang des vierten Richtungskopplers 208 gekoppelt.
Die Eingangssignale werden in dem vierten Richtungskoppler 208 mit
der Intention zusammenaddiert, ein Leistungsverstärker-Ausgangssignal zu erzeugen,
das vernachlässigbare
Intermodulationsprodukte dritter Ordnung enthält. Zur Neutralisierung von
Intermodulationsprodukten dritter Ordnung in dem Ausgangssignal
von dem Leistungsverstärker 200 ist
es erforderlich, dass die Intermodulationsprodukte von dem zweiten
Verstärker 206 denselben Leistungspegel
haben wie die Intermodulationsprodukte in dem Ausgangssignal von
dem ersten Verstärker 201,
aber die entgegen gesetzte Phase, wenn die Signale in dem vierten
Richtungskoppler 208 addiert werden. Der Leistungspegel
wird eingestellt, indem der zweite Verstärker 206 und der Richtungskoppler 208 eingestellt
werden, während
Phaseneinstellung durch Einstellung des zweiten Phasenschiebers 209 bewirkt
wird.
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6A–6C zeigen
vereinfachte Frequenzspektren, die das grundsätzliche Erscheinungsbild der
Frequenzspektren von einigen der Signale, die unter Bezug auf 1 diskutiert
wurden, veranschaulichen.
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6A zeigt
ein imaginäres
Eingangssignal zu dem Leistungsverstärker 200 in 2.
Das Eingangssignal umfasst ein zusammengesetztes Funksignal, das
zwei Trägerwellen
C1 und C2 mit jeweiligen Trägerwellenfrequenzen
F1 und F2 enthält. 6A ist
eine Vereinfachung eines tatsächlichen zusammengesetzten
Funksignals, da ein Frequenzspektrum eines tatsächlichen Funksignals, das zwei modulierte
Trägerwellen
enthält,
nicht ausschließlich aus
zwei distinkten Tönen
besteht, sondern eine gewisse Streuung über jeweilige Trägerwellenfrequenzen
aufweisen wird. 6A veranschaulicht im Prinzip
außerdem
das Ausgangssignal von dem Leistungsverstärker 200. Es ist jedoch
zu beachten, dass der Leistungspegel des Ausgangssignals von dem Leistungsverstärker 200 beträchtlich
höher ist
als der Leistungspegel des Eingangssignals.
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In 6B ist
das Ausgangssignal von dem ersten Verstärker 201 in 2 dargestellt.
Das Ausgangssignal enthält
beide der verstärkten
Trägerwellen
C1 und C2 und auch Intermodulationsprodukte dritter Ordnung IM1
und IM2, die in dem ersten Verstärker 201 erzeugt
wurden.
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6C zeigt
das Ausgangssignal von dem zweiten Verstärker 206. Dieses Signal
enthält
ausschließlich
die Intermodulationsprodukte IM1 und IM2.
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Ein
Problem des in 2 dargestellten Leistungsverstärkers 200 ist,
dass alle Komponenten, die sich hinter dem ersten Verstärker 201 befinden,
d. h. der dritte Richtungskoppler 205, die zweite Verzögerungsleitung 206 und
der vierte Richtungskoppler 208, beträchtliche Leistungsverluste
in dem von dem Leistungsverstärker 200 erzeugten
Signal verursachen.
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3 zeigt
einen Verstärker
300 nach
der Beschreibung in der deutschen Patentschrift
DE 2718172 . Der Verstärker
300 enthält einen
ersten Signalweg
301 und einen zweiten Signalweg
302.
Der erste Signalweg enthält
ein erstes Dämpfungsglied
303,
das in Reihe mit einem ersten Verstärker
304 gekoppelt
ist. Der zweite Signalweg
302 enthält einen zweiten Verstärker
305,
der in Reihe mit einem zweiten Dämpfungsglied
306 gekoppelt
ist. Der Verstärker
300 enthält außerdem ein
Teilungsmittel
302 und ein Additionsmittel
308.
Das Teilungsmittel
307 weist zwei Ausgänge auf, die mit dem Anfang
von jeweiligen ersten und zweiten Signalwegen
301 und
302 verbunden
sind, und einen Eingang. Das Additionsmittel
308 verfügt über zwei
Eingänge,
die jeweils mit dem Ende des ersten und zweiten Signalwegs
301 und
302 verbunden
sind, und über
einen Ausgang.
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Ein
erstes Signal RF31, das aus einem zusammengesetzten Funksignal,
das zwei modulierte Trägerwellen
enthält,
bestehen kann, tritt in den Verstärker 300 ein und wird
an dem Eingang des Teilungsmittels empfangen, das funktioniert,
um das empfangene Signal RF31 in ein zweites Signal RF32 und ein
drittes Signal RF33 aufzuteilen, und danach diese zwei Signale auf
den ersten Signalweg 301 bzw. den zweiten Signalweg 302 verteilt.
Das zweite Signal RF32 wird in dem ersten Dämpfungsglied 303 in
dem ersten Signalweg 301 gedämpft, bevor es in dem vierten
Verstärker 304 verstärkt wird.
Zusätzlich zu
den verstärkten
modulierten Trägerwellen
enthält das
Ausgangssignal RF34 von dem ersten Verstärker 304 außerdem Intermodulationsprodukte,
die als ein Resultat von Nichtlinearitäten des ersten Verstärkers 304 entstanden
sind. Das letztgenannte Ausgangssignal RF34 hat eine erste Beziehung
zwischen den Pegeln der modulierten Trägerwellen und den Intermodulationsprodukten,
die in dem Signal enthalten sind. Das dritte Signal RF33 wird in
dem zweiten Verstärker 305 in
dem zweiten Signalweg so verstärkt,
dass die verstärkten
modulierten Trägerwellen
in dem Ausgangssignal RF36 von dem zweiten Verstärker stärker sein werden als die modulierten
Trägerwellen
in dem Ausgangssignal RF34 von dem ersten Verstärker 304. Die Intermodulationsprodukte
wachsen exponentiell mit steigenden Ausgangsspannungen von einem
nichtlinearen Verstärker.
Dies bedeutet, dass die Intermodulationsprodukte, die in dem Ausgangssignal
RF36 von dem zweiten Verstärker 305 entstehen,
beträchtlich
stärker sind
in Beziehung zu den verstärkten
modulierten Trägerwellen
in demselben Signal RF36, als es der Fall war für die Intermodulationsprodukte
und die verstärkten
modulierten Trägerwellen
in dem Ausgangssignal RF34 von dem ersten Verstärker 304.
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Das
Ausgangssignal RF36 von dem zweiten Verstärker 305 wird in dem
zweiten Dämpfungsglied 306 gedämpft, um
ein Signal RF35 zu erhalten, in dem die Pegel der Intermodulationsprodukte
in dem gedämpften
Signal RF35 und in dem Ausgangssignal RF34 von dem ersten Verstärker 304 jeweils
miteinander korrespondieren. Die soeben erwähnten Signale RF35 und RF34
werden in dem Additionsmittel 308 in Gegenphase zusammenaddiert,
und die Intermodulationsprodukte neutralisieren sich gegenseitig in
dem resultierenden Signal RF37, das von dem Additionsmittel 308 und
dem Verstärker 300 ausgegeben
wird.
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Der
in 3 gezeigte Verstärker 300 weist sehr
wenige Verlust verursachende Komponenten auf, die hinter dem ersten
Verstärker 304 angeschlossen
sind. Insgesamt gesehen resultiert dieser Verstärker 300 jedoch in
großen
Leistungsverlusten und ist daher eher ungeeignet für Verwendung
als ein Leistungsverstärker.
Dies beruht zum Teil auf der hohen Verstärkung mit anschließender Dämpfung,
die in dem zweiten Signalweg 302 stattfindet. Es beruht außerdem auf
die nicht vernachlässigbaren
Reste der modulierten Trägerwellen
in dem Signal RF35, das von dem zweiten Dämpfungsglied 306 ausgegeben
wird, das einen korrespondierenden Teil der modulierten Trägerwellen
in dem Ausgangssignal RF34 von dem ersten Verstärker 304 in dem Gegenphasenadditionsprozess
auslöscht,
und infolgedessen die Leistung des Ausgangssignals RF37 von dem Verstärker 300 reduziert.
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Die
Erfindung zielt auf die Bereitstellung eines Leistungsverstärkers, der
effizienter ist als die früher
bekannten Verstärker,
die in 2 und 3 dargestellt sind.
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4 zeigt
einen Leistungsverstärker 400 nach
einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Der Leistungsverstärker 400 ist vorgesehen
zur Verstärkung
eines ersten zusammengesetzten Funksignals RF41, das mindestens
zwei modulierte Trägerwellen
enthält.
Der Leistungsverstärker 400 enthält einen
ersten Signalweg 402 und einen zweiten Signalweg 403.
Der erste Signalweg 402 enthält eine Verzögerungsleitung 410,
die in Reihe mit einem ersten Verstärker 405 gekoppelt
ist. Der zweite Signalweg 403 enthält einen zweiten Verstärker 406, der
in Reihe mit einem ersten Bandsperrfilter 408 und einem
zweiten Bandsperrfilter 409 gekoppelt ist, gefolgt von
einem dritten linearen Verstärker 407 und
einem Phasenschieber 411. Der Leistungsverstärker 400 enthält außerdem einen
ersten Richtungskoppler 401 und einen zweiten Richtungskoppler 404.
Der erste Richtungskoppler 401 weist einen Eingang und zwei
Ausgänge
auf, wobei die Ausgänge
mit einem Eingang der Verzögerungsleitung 410 in
dem ersten Signalweg 402 und mit einem Eingang an dem zweiten
Verstärker 406 in
dem zweiten Signalweg 403 verbunden sind. Der zweite Richtungskoppler 404 verfügt über zwei
Eingänge
und einen Ausgang, wobei die Eingänge mit einem Ausgang von dem
ersten Verstärker 405 in
dem ersten Signalweg 402 und außerdem mit einem Ausgang von
dem Phasenschieber 411 in dem zweiten Signalweg 403 verbunden sind.
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Das
erste zusammengesetzte Funksignal RF41, das ein Eingangssignal zu
dem Leistungsverstärker 400 bildet,
wird an dem Eingang des ersten Richtungskopplers 401 empfangen.
Der erste Richtungskoppler 401 funktioniert als ein Teilungsmittel, das
das erste Funksignal RF41 in ein zweites Funksignal RF42 und ein
drittes Funksignal RF43 aufteilt, die auf jeweilige Signalwege 402, 403 verteilt
werden. 6A zeigt das grundsätzliche
Erscheinungsbild von jeweiligen Frequenzspektren der Funksignale
RF41–RF43.
Diese Funksignale enthalten alle die zwei modulierten Trägerwellen
C1 und C2. Es ist jedoch zu beachten, dass die Leistung der anderen zwei
Signale RF42 und RF43 als ein Ergebnis der Aufteilung des ersten
Funksignals RF41 niedriger ist. Das erste Funksignal RF41 wird günstig so
aufgeteilt, dass die Leistungen des zweiten Funksignals RF42 und
des dritten Funksignals RF43 gleich groß sind und jedes gleich zu
fast der Hälfte
der Leistung des ersten Funksignals RF41 ist.
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Das
zweite Funksignal RF42 wird in der Verzögerungsleitung 410 in
dem ersten Signalweg 402 verzögert, bevor es in dem ersten
Verstärker 405 verstärkt wird,
um ein viertes Funksignal RF44 zu erhalten. Aufgrund von Nichtlinearitäten des
ersten Verstärkers 405 erscheinen
Intermodulationsprodukte in dem vierten Funksignal RF44. 6B zeigt
das grundsätzliche
Erscheinungsbild des Frequenzspektrums des vierten Funksignals RF44.
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Das
dritte Funksignal RF43 wird in dem zweiten Verstärker 406 in dem zweiten
Signalweg 403 verstärkt,
um ein sechstes Funksignal RF46 zu erhalten. Aufgrund von Nichtlinearitäten des
zweiten Verstärkers 406 erscheinen
Intermodulationsprodukte in dem sechsten Funksignal RF46. 6B veranschaulicht
das grundsätzliche
Erscheinungsbild des Frequenzspektrums des sechsten Funksignals RF46.
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Der
zweite Signalweg 403 funktioniert zur Bildung eines fünften Funksignals
RF45 aus dem sechsten Funksignal RF46. Dies wird bewirkt durch Herausfiltern
der modulierten Trägerwellen
in jeweiligen Bandsperrfiltern 408 und 409, anschließend wird das
gefilterte Signal in dem dritten Verstärker 407 verstärkt. 6C zeigt
das grundsätzliche
Erscheinungsbild des Frequenzspektrums des fünften Funksignals RF45.
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Ein
Ausgangssignal RF47 wird von dem Leistungsverstärker 400 an dem Ausgang
des zweiten Richtungskopplers 404 durch Gegenphasenaddition
des vierten Funksignals RF44 und des fünfen Funksignals RF45 erzeugt,
wodurch die Intermodulationsprodukte in dem Ausgangssignal RF47
unterdrückt
werden. 6A zeigt das grundsätzliche
Erscheinungsbild des Frequenzspektrums des Ausgangssignals RF47
von dem Leistungsverstärker 400 unter
idealen Bedingungen, d. h. wenn die Intermodulationsprodukte vollständig eliminiert
wurden. Das Frequenzspektrum des Ausgangssignals RF47 enthält die gleichen
Frequenzkomponenten wie das erste Funksignal RF41, d. h. die modulierten
Trägerwellen
C1 und C2, weist aber eine viel höhere Leistung auf als das erste
Funksignal RF41.
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Die
Gegenphasenaddition wird durch Phasenverschiebung des fünften Funksignals
RF45 in dem Phasenschieber 411 bewirkt, so dass die Phase dieses
Signals die umgekehrte oder entgegen gesetzte der Phase des vierten
Funksignals RF44 sein wird, wonach das phasenverschobene fünfte Funksignal
RF45 und das vierte Funksignal RF44 in dem zweiten Richtungskoppler 404 zusammenaddiert werden.
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Der
Phasenschieber 411 und der zweite Richtungskoppler 404 können so
angesehen werden, dass sie zusammen ein Additionsmittel für Gegenphasenaddition
des vierten Funksignals RF44 und des fünften Funksignals RF45 bilden.
Die Verzögerungsleitung 410 ist
so dimensioniert, dass das vierte Funksignal RF44 und das fünfte Funksignal RF45
die gleiche Zeitposition zur Okkasion der Gegenphasenaddition haben,
d. h. so dass die Zeit, die das Signal zum Verlauf von dem ersten
Richtungskoppler 401 zu dem zweiten Richtungskoppler 404 benötigt, dieselbe
für beide
der Signalwege 402 bzw. 403 ist.
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Der
dritte Verstärker 407 kann
als Mittel zur Einstellung oder Anpassung der Leistungs- und Spannungspegel
der Intermodulationsprodukte in dem fünften Funksignal RF45 angesehen
werden, so dass diese Werte mit den Pegelwerten des vierten Funksignals
RF44 korrespondieren.
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Die
beiden Bandsperrfilter 408–409 können zusammen
als Mittel zur selektiven Unterdrückung der modulierten Trägerwellen
in dem sechsten Funksignal RF46 angesehen werden. Der Leistungsverstärker 400 kann
an verschiedene Trägerwellenfrequenzen
angepasst werden, in geeigneter Weise mit der Hilfe von Bandsperrfiltern,
mit denen die Mittenfrequenzen der Sperrbänder elektrisch so eingestellt werden
können, dass
sie mit den Trägerwellenfrequenzen
F1 und F2 (siehe 6B) der modulierten Trägerwellen,
die herausgefiltert werden sollen, übereinstimmen. Die verwendeten
Bandsperrfilter 408–409 können, und
werden, elektrisch so eingestellt, dass die Mittenfrequenzen des
Sperrbands des ersten Bandsperrfilters 408 und des zweiten
Bandsperrfilters auf jeweilige Frequenzen F1 und F2 eingestellt
werden. Die Bandsperrfilter 408–409 können beispielsweise
von einer Steuereinheit 412 in einer Basisstation auf der
Basis von Konfigurationsparametern, die in die Steuereinheit herunter
geladen werden, bevor die Basisstation in Operation gesetzt wird,
eingestellt werden. Es wird jedoch verstanden, dass permanent eingestellte
Bandsperrfilter in denjenigen Fällen,
in denen die Trägerwellenfrequenzen nicht
verändert
werden müssen,
verwendet werden können.
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Der
Leistungsverstärker 400 in 4 kann zur
Verstärkung
eines zusammengesetzten Funksignals, das mehr als zwei modulierte
Trägerwellen
enthält,
angepasst werden, indem weitere Bandsperrfilter in dem zweiten Signalweg 403 hinzugefügt werden.
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5 zeigt
einen Leistungsverstärker 500 nach
einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Der Leistungsverstärker 500 ist vorgesehen
zur Verstärkung
eines ersten zusammengesetzten Funksignals RF51, das mindestens
zwei modulierte Trägerwellen
enthält.
Der Leistungsverstärker 500 enthält einen
ersten Richtungskoppler 501, einen zweiten Richtungskoppler 502,
einen ersten Signalweg 503 und einen zweiten Signalweg 504.
Der erste Signalweg 503 enthält eine erste Verzögerungsleitung 505,
die in Reihe mit einem ersten Verstärker 506 gekoppelt
ist. Der zweite Signalweg 504 enthält einen dritten Richtungskoppler 507,
der einen Eingang und zwei Ausgänge
aufweist. Ein Ausgang von dem dritten Richtungskoppler 507 ist
mit einem Eingang an einem zweiten Verstärker 508 verbunden.
Der zweite Ausgang von dem dritten Richtungskoppler 507 ist
mit einer zweiten Verzögerungsleitung 509 verbunden,
die wiederum in Reihe mit einem zweiten Phasenschieber 510 gekoppelt
ist. Ein vierter Richtungskoppler 511 hat zwei Eingänge und einen
Ausgang, und einer seiner Eingänge
ist mit einem Ausgang des zweiten Verstärkers 508 verbunden
und sein anderer Eingang ist mit einem Ausgang an dem zweiten Phasenschieber 510 verbunden.
Der Ausgang von dem vierten Richtungskoppler 511 ist mit
einem dritten linearen Verstärker 512 verbunden, der
wiederum in Reihe mit einem vierten Phasenschieber 513 verbunden
ist. Der vierte Richtungskoppler 501 hat einen Eingang
und zwei Ausgänge, wobei
die Ausgänge
mit einem Eingang an der ersten Verzögerungsleitung 505 in
dem ersten Signalweg 503 bzw. mit dem Eingang an dem dritten
Richtungskoppler 507 in dem zweiten Signalweg 504 verbunden
sind. Der zweite Richtungskoppler 502 hat zwei Eingänge und
einen Ausgang, wobei die Eingänge jeweils
mit einem Ausgang von dem ersten Verstärker 506 in dem ersten
Signalweg 502 und mit einem Ausgang von dem ersten Phasenschieber 513 in dem
zweiten Signalweg 504 verbunden sind.
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Das
erste zusammengesetzte Funksignal RF51 bildet ein Eingangssignal
zu dem Leistungsverstärker 500 und
wird an dem Eingang des ersten Richtungskopplers 501 empfangen.
Der erste Richtungskoppler 501 funktioniert als Mittel
zur Aufteilung des ersten Funksignals RF51 in ein zweites Funksignal
RF52 und ein drittes Funksignal RF53, wobei diese Funksignale auf
jeweilige Signalwege 503, 504 verteilt werden.
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Das
zweite Funksignal RF52 wird in der ersten Verzögerungsleitung 505 in
dem ersten Signalweg 503 verzögert, bevor es in dem ersten
Verstärker 506 verstärkt wird,
um ein viertes Funksignal RF54 zu bilden. Das vierte Funksignal
RF54 wird aufgrund von Nichtlinearitäten des ersten Verstärkers 506 Intermodulationsprodukte
enthalten.
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Das
dritte Funksignal RF53 wird in dem zweiten Verstärker 508 in dem zweiten
Signalweg 504 verstärkt,
um ein sechstes Funksignal RF56 zu bilden. Aufgrund von Nichtlinearitäten des
zweiten Verstärkers 508 werden
Intermodulationsprodukte in dem sechsten Funksignal RF56 erscheinen.
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Der
zweite Signalweg 504 ist angepasst zur Bildung eines fünften Funksignals
RF55 aus dem sechsten Funksignal RF56. In dem Fall dieser Ausführungsform
der Erfindung wird die Signalerzeugung bewirkt, da der dritte Richtungskoppler 507 und die
zweite Verzögerungsleitung 509 zusammen
als ein Mittel zum Leiten eines Teils des dritten Funksignals RF53
vorwärts
zu dem zweiten Phasenschieber 510 funktionieren. Der zweite
Phasenschieber 510 und der vierte Richtungskoppler 511 funktionieren zusammen
als ein zweites Mittel zum Zusammenaddieren des sechsten Funksignals
RF56 und des vorwärtsgeleiteten
Teils des dritten Funksignals RF53 in Gegenphase. In dieser Hinsicht
ist die zweite Verzögerungsleitung 509 eingestellt
zum Kompensieren der zeitlichen Verzögerung, die in dem zweiten
Verstärker 508 vorkommt,
der zweite Phasenschieber 510 ist so eingestellt, dass
die vorher erwähnte
Signaladdition in Gegenphase erfolgt, und der dritte Richtungskoppler 507 und
der vierte Richtungskoppler 511 sind jeweils so eingestellt,
dass die modulierten Trägerwellen
bei der Signaladdition neutralisiert werden. Schließlich wird
das fünfte
Funksignal RF55 erzeugt, indem das Ausgangssignal von dem vierten Richtungskoppler 511 in
dem dritten Verstärker 512 verstärkt wird.
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Ein
Ausgangssignal RF57 wird von dem Leistungsverstärker 500 an dem Ausgang
des zweiten Richtungskopplers 502 durch Gegenphasenaddition
des vierten Funksignals RF54 und des fünften Funksignals RF55 erzeugt.
Dieser Gegenphasenadditionsprozess wird bewirkt durch Phasenverschiebung
des fünften
Funksignals RF55 in dem Phasenschieber 513, um das fünfte Signal
in umkehrte oder entgegen gesetzte Phase zu dem vierten Funksignal RF54
zu bringen, wonach das phasenverschobene fünfte Funksignal RF55 und das
vierte Funksignal RF54 in dem zweiten Richtungskoppler 502 zusammenaddiert
werden.
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Zusammen
genommen können
der Phasenschieber 513 und der zweite Richtungskoppler 502 angesehen
werden, dass sie Additionsmittel für die Gegenphasenaddition des
vierten Funksignals RF54 und des fünften Funksignals RF55 bilden.
Die erste Verzögerungsleitung
ist so dimensioniert, dass das vierte Funksignal RF54 und das fünfte Funksignal RF55
gegenseitig dieselbe Zeitposition zur Okkasion der Gegenphasenaddition
haben, d. h. so dass die Zeit, die ein Signal zum Verlauf von dem
ersten Richtungskoppler 501 zu dem zweiten Richtungskoppler 502 benötigt, die
gleiche ist für
beide Signalwege 503 bzw. 504.
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Der
dritte Verstärker 512 kann
angesehen werden als ein Mittel zur Anpassung der Leistungs- und Spannungspegel
der Intermodulationsprodukte in dem fünften Funksignal RF55, so dass
diese Pegel mit den Pegeln des vierten Funksignals RF54 korrespondieren.
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In
dem Fall dieser zweiten Ausführungsform können die
Vorwärtskopplungsmittel,
die den dritten Richtungskoppler 507 und die Verzögerungsleitung 509 enthalten,
zusammen mit den zweiten Additionsmitteln, die den zweiten Phasenschieber 510 und
den vierten Richtungskoppler 511 enthalten, angesehen werden,
dass sie Mittel für
selektive Unterdrückung der
modulierten Trägerwellen
in dem sechsten Funksignal RF56 bilden.
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In
der zweiten Ausführungsform
haben die Funksignale RF51–RF57
direkte Korrespondenz mit den Funksignalen RF41–RF47 in der ersten Ausführungsform.
Das grundsätzliche
Erscheinungsbild des Frequenzspektrums für jeweilige Funksignale RF53–RF57 in
der zweiten Ausführungsform
ist das gleiche wie das Frequenzspektrum der korrespondierenden
Funksignale RF41–RF47
in der ersten Ausführungsform
und ist daher aus 6A–6C ersichtlich.
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Die
zwei Ausführungsformen
unterscheiden sich darin, wie die selektive Unterdrückung der
modulierten Trägerwellen
stattfindet. Der Vorteil der Ausführungsform von 5 ist,
dass die Komplexität des
Leistungsverstärkers 500 nicht
mit zunehmenden Anzahlen von Trägerwellen
in dem zusammengesetzten Funksignal, das verstärkt wird, zunimmt.
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Der
erste und der zweite Verstärker,
in denen Intermodulationsprodukte entstehen, haben vorzugsweise ähnliche
nichtlineare Charakteristika. Die zwei Verstärker werden vorteilhaft so
ausgewählt,
dass der zweite Verstärker
für ein
gegebenes Eingangssignal ein Ausgangssignal erzeugt, dessen Leistung viel
niedriger ist als die Leistung eines korrespondierenden Ausgangs
von dem ersten Verstärker.
Damit wird das fünfte
Funksignal, RF45 bzw. RF55, erzeugt, indem zuerst Intermodulationsprodukte
bei einem niedrigen Leistungspegel erzeugt werden, die anschließend an
selektive Unterdrückung
der modulierten Trägerwellen
in dem dritten linearen Verstärker 407 bzw. 512 so
verstärkt
werden, dass das fünfte
Funksignal den richtigen Leistungspegel erhalten wird. Der auf diese
Weise erreichte Wirkungsgrad ist viel höher als der Wirkungsgrad, der
mit dem in 3 dargestellten Verstärker erreicht
wird. Weiterhin gestattet die Verwendung eines niedrigeren Leistungsausgangspegels
von dem zweiten Verstärker 406 in 4,
dass der zweite Verstärker 406 und
die Bandsperrfilter 408–409 für niedrige
Leistung dimensioniert werden, so dass es möglich ist, diese Komponenten
kleiner und kostengünstiger
herzustellen.
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7A und 7B zeigen
eine geeignete Weise zur Implementierung des ersten Verstärkers 405 und
des zweiten Verstärken 406,
die in 4 gezeigt werden.
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Wie
aus 7A ersichtlich, enthält der erste Verstärker 405 in 4 eine
erste Zahl von Verstärkungselementen 71,
die in Parallelschaltung verbunden sind, um den Verstärker 405 in
die Lage zu versetzen, die erforderliche Leistung zu liefern.
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Wie
aus 7B ersichtlich, enthält der zweite Verstärker 406 in 4 nur
ein Verstärkungselement 71 derselben
Ausführung
wie in dem ersten Verstärker 405.
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In
z. B. einer GSM-Basisstation kann der erste Verstärker 405 mit
einem Startpunkt von einem so genannten HF-Leistungstransistor mit
der Modellbezeichnung PTB 20219 von Ericsson Inc. Power Products
konstruiert werden. Der zweite Verstärker 406 kann mit
einem Startpunkt von einer Version von PTB 20219, die hinsichtlich
der Leistung gedrosselt wurde, konstruiert werden, d. h. in Übereinstimmung
mit dem, was unter Bezug auf 7A und 7B beschrieben
wurde.
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Weil
der zweite Verstärker
weniger in Parallelschaltung verbundene Verstärkerelemente der gleichen Ausführung als
der erste Verstärker
enthält, werden
der zweite Verstärker 406 und
der erste Verstärker 405 beide
eine ähnliche
nichtlineare Charakteristik haben, während gleichzeitig der zweite
Verstärker 406 auf
einem niedrigeren Leistungspegel als der erste Verstärker 405 operieren
wird.
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Ein
Leistungsverstärker
nach der Erfindung kann vorteilhaft in einem einzelnen MMIC (Festkörper-Mikrowellenschaltkreis)
realisiert werden. Ein zusätzlicher
Vorteil, der erhalten wird, wenn der erfinderische Leistungsverstärker in
einem einzelnen MMIC implementiert wird, besteht darin, dass Variationen
in den Eigenschaften der Verstärker
aufgrund von Unterschieden im Halbleitermaterial und in dem Prozess,
der bei der Chip-Herstellung verwendet wird, aufgrund der Tatsache,
dass der erste und zweite Verstärker
sich beide auf demselben Chip befinden, minimiert werden.
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8 zeigt
ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren nach der Erfindung darstellt.
Das Verfahren wird nachstehend beschrieben mit gleichzeitiger Bezugnahme
auf 8, 4 und 6A–6C.
In Schritt 801 wird ein erstes zusammengesetztes Funksignal
RF41 in ein zweites Funksignal RF42 und ein drittes Funksignal RF43
aufgeteilt.
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Nach
Schritt 801 verzweigt das Ablaufdiagramm in einen Zweig,
der den Verfahrensschritt 802 enthält, und einen Zweig, der die
Verfahrensschritte 803–805 enthält, wobei
die jeweiligen Zweige Signalverarbeitung beschreiben, die parallel
in einem ersten Signalweg 402 bzw. in einem zweiten Signalweg 403 ausgeführt wird.
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In
Schritt 802 wird das zweite Funksignal RF42 in einem ersten
Verstärker 405 verstärkt, um ein
viertes Funksignal RF44 bereitzustellen, wobei Intermodulationsprodukte
IM1, IM2 in dem vierten Funksignal RF44 entstehen.
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In
den Schritten 803–805 wird
ein fünftes Funksignal
RF45 durch Verarbeitung des dritten Funksignals RF43 erzeugt. In
Schritt 803 wird das dritte Funksignal RF43 in einem zweiten
Verstärker RF406
verstärkt,
um ein zweites Funksignal RF46 bereitzustellen, wobei Intermodulationsprodukte
IM1, IM2 in dem sechsten Funksignal RF46 entstehen. Das fünfte Funksignal
RF45 wird aus dem sechsten Funksignal RF46 durch selektive Unterdrückung der modulierten
Trägerwellen
C1, C2 in dem sechsten Funksignal RF46 in Schritt 804 gebildet,
wonach die Leistung des Signals, das aus Schritt 804 resultiert,
in Schritt 805 so angepasst wird, dass der Leistungspegel
der Intermodulationsprodukte IM1, IM2 in dem fünften Funksignal RF45 mit dem
Leistungspegel der Intermodulationsprodukte IM1, IM2 in dem vierten Funksignal
RF44 korrespondiert.
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Schließlich wird
in Schritt 806 ein Ausgangssignal RF47 von dem Leistungsverstärker durch
Gegenphasenaddition des vierten Funksignals RF44 und des fünften Funksignals
RF45 erzeugt.