DE69837002T2

DE69837002T2 - Verzögerungskompensierungseinrichtung einer linearisationsschleife eines leistungsverstärkers

Info

Publication number: DE69837002T2
Application number: DE69837002T
Authority: DE
Inventors: Marko PELLONPERÄ
Original assignee: Nokia Oyj
Current assignee: Renesas Electronics Corp
Priority date: 1997-10-09
Filing date: 1998-10-07
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2018-10-08
Also published as: ATE353172T1; ES2281931T3; EP0953232B1; NZ336197A; FI973918A0; US6690743B1; CN1243619A; FI104450B; DE69837002D1; EP0953232A1; AU745684B2; WO1999019990A2; JP2001505756A; AU9443798A; KR20000069397A; FI973918A; WO1999019990A3

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausgleichen von Verzögerung in einer Linearisierungsschleife eines Leistungsverstärkers, wobei die Schleife einen I/Q-Modulator, einen oder mehrere Leistungsverstärker, die linearisiert werden sollen und Verzögerung erzeugen, und eine Rückkopplungsschleife umfasst, die einen I/Q-Demodulator umfasst, wenn der I/Q-Modulator und der I/Q-Demodulator eine Oszillationsfrequenz von demselben lokalen Oszillator ableiten.
Linearisierte Verstärker werden beispielsweise in derzeitigen drahtlosen Digitalkommunikationssystemen benötigt, da es erforderlich ist, dass das Spektrum eines Signals, das übertragen werden soll, sich nicht weiter als das tatsächlich nützliche Band ausbreiten darf. Das Ausbreiten eines Spektrums ist durch die Nichtlinearität von Verstärkern bewirkt, und es erzeugt beispielsweise eine Störung von benachbarten Zellen. Die Linearität von Verstärkerstufen hängt davon ab, wie sie vorgespannt sind, und sie können entsprechend Linearität eingeteilt sein: ein Verstärker der Klasse A ist der linearste, weist jedoch eine dürftige Leistungsfähigkeit auf, während ein Verstärker der Klasse C beispielsweise eine gute Leistungsfähigkeit aufweist, jedoch auch in hohem Grade nichtlinear ist. Gute Leistungsfähigkeit ist eine wichtige Eigenschaft bei Leistungsverstärkern, und dies ist bei drahtlosen Kommunikationsgeräten besonders hervorgehoben, deren Batteriekapazität begrenzt ist. Daher sind Verstärker, die gute Leistungsfähigkeit aufweisen und linearisiert werden müssen, in Benutzung.
Ein bekanntes Verfahren zum Linearisieren eines nichtlinearen Funkfrequenzleistungsverstärkers ist kartesische Rückkopplung. Kurz dargestellt ist ihr Arbeitsbetrieb folgendermaßen: die Daten, die übertragen werden sollen-, sind in den Basisbandsignalen I und Q enthalten. Diese Signale werden zu einem I/Q-Modulator geleitet, in dem die Signale zu einer finalen Frequenz kombiniert und moduliert werden. Ein Finalfrequenzsignal wird durch einen oder mehrere nichtlineare Funkfrequenzleistungsverstärker verstärkt und zu einer Antenne geleitet. das verstärkte Funkfrequenzsignal wird beispielsweise durch einen Richtungskoppler nach der letzten Verstärkerstufe gesampelt. Das Samplesignal wird zu einem I/Q-Demodulator geleitet, in dem es zum Basisband demoduliert wird und die I- und Q-Signale davon getrennt werden. Die I- und Q-Basisbandsamplesignale werden schließlich zu den tatsächlichen I- und Q-Signalen summiert. Die Summierung erzeugt Verzerrung der I- und Q-Signale, wobei durch diese Verzerrung die in den Leistungsverstärkern erzeugte Nichtlinearität zumindest teilweise aufgehoben ist.
Ein Problem bei der oben beschriebenen Anordnung ist, dass der I/Q-Modulator und der I/Q-Demodulator beide ein lokales Oszillatorsignal von derselben Quelle empfangen. Andererseits erzeugen die Leistungsverstärker Verzögerung, und die gesampelten I- und Q-Signale kehren in einer falschen Phase zurück. Diese Verzerrung kann durch derartiges Einstellen der Phase des lokalen Oszillatorsignals, das auf den I/Q-Demodulator angewendet ist, dass sie der Phase der I- und Q-Signale entspricht, ausgeglichen werden. Bei den bekannten Lösungen ist diese Phaseneinstellung durch Umwandler, durch spezielle Phasenumkehrungskreise oder einen digitalen Phaseneinsteller implementiert. Ein Beispiel dieser Lösungsart ist in JP 08-078967 offenbart. Die bekannten Lösungen ähneln sich darin, dass sie raumaufwändig und verhältnismäßig teuer sind. Ferner sind die Lösungen oft komplex und erfordern viel Handarbeit in der Produktion. Derartige Lösungen sind daher eher schlecht für kleine Mobilkommunikationsgeräte geeignet, die in großer Zahl hergestellt werden.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Lösen der oben angeführten Probleme bereitzustellen. Die Aufgaben der Erfindung können durch eine Linearisierungsanordnung eines Leistungsverstärkers gelöst werden, die durch den kennzeichnenden Teil des unabhängigen Anspruchs 1 gekennzeichnet ist.
Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass Verzögerung durch Verzögerung ausgeglichen wird, nicht durch Phaseneinstellung. Anders gesagt ist eine Anordnung, die Phasenverschiebung erzeugt, durch eine Anordnung ersetzt, die Verzögerung in dem Signalzweig erzeugt, der auf den I/Q-Demodulator eines lokalen Oszillators angewendet ist. Ein Vorteil der Lösung ist, dass die Anordnung ziemlich einfach ist. Gemäß der Erfindung ist die Verzögerung eines lokalen Oszillatorsignals, das auf den I/Q-Demodulator angewendet ist, durch einen Verstärker erzeugt, der zum Aufweisen einer großen Verzögerung optimiert ist, vorzugsweise durch einen Kleinsignalverstärker. Die Gruppenverzögerung, d.h. die Verzögerung des Verstärkers beträgt vorzugsweise 5 bis 10 ns oder mehr. Da das lokale Oszillatorsignal gewöhnlich vor dem I/Q-Demodulator in jedem Falle verstärkt werden muss, kann das Verfahren der Erfindung leicht durch derartiges Optimieren eines bestehenden Signalverstärkers genutzt sein, dass er eine Verzögerung aufweist. Der Vorteil ist, dass keine zusätzlichen Phaseneinstellungskreise benötigt sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nun in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen detaillierter beschrieben.
Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm der Linearisierungsanordnung eines Leistungsverstärkers gemäß der Erfindung,
2 ein Schaltbild einer Transistorverstärkerstufe, die derart optimiert ist, dass sie eine Verzögerung aufweist, gemäß der Erfindung, und
3 die Eingangs- und Ausgangsanpassungen, d.h. Reflexionsdämpfung, Gruppenverzögerung, d.h. Verzögerung, und Verstärkung als Frequenzfunktion einer Bandpassverstärkerstufe.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine Linearisierungsanordnung eines Leistungsverstärkers gemäß 1 umfasst kurz dargestellt einen I/Q-Modulator 10, einen I/Q-Demodulator 11, zumindest einen Leistungsverstärker 13, der linearisiert werden soll, einen lokalen Oszillator 14 eine Verzögerungseinheit 12 und eine Antenne 15. Der I/Q-Modulator 10 und der I/Q-Demodulator 11 arbeiten auf einem Quadraturmodulationsprinzip. Es ermöglicht, dass zwei unabhängige Signale in einem Sender kombiniert und auf demselben Übertragungsband übertragen werden und in einem Empfänger wieder voneinander getrennt werden. Das Prinzip der Quadratmodulation ist, dass zwei separate Signale I und Q (Inphase und Quadraturphase) unter Benutzung derselben Trägerfrequenz moduliert werden, die Phasen der Trägerwellen jedoch derart voneinander abweichen, dass die Trägerwelle von Signal Q 90° hinter der Trägerwelle von Signal I ist. Die Signale werden nach der Modulation summiert. Die Signale I und Q können wegen der Phasendifferenz voneinander getrennt werden, wenn ein Summensignal demoduliert wird. Um die Funktionalität des Verfahrens zu gewährleisten, müssen die lokalen Oszillatorsignale, die von dem Modulator und dem Demodulator benutzt werden und auf deren Grundlage die Trägerwelle gebildet wird, zueinander auf derselben Frequenz und in einer richtigen Phase sein.
Die I- und Q-Basisbandsignale, die Daten enthalten, werden zum I/Q-Modulator 10 geleitet, in dem sie kombiniert und zu einer Finalfrequenz (Übertragungsfrequenz) moduliert werden. Ein Finalfrequenzsignal wird ferner dem nichtlinearen Leistungsverstärker 13 zugeleitet, in dem das Signal verstärkt wird. Es kann mehrere Leistungsverstärkereinheiten 13 geben, die in Reihe gekoppelt sind. Nach der Verstärkung wird das Signal zur Übertragung zur Antenne 15 geleitet.
Das verstärkte Finalfrequenzsignal nach einer Verstärkerstufe des Leistungsverstärkers 13 gesampelt und dem I/Q-Demodulator 11 zugeleitet, in dem das Samplesignal auf Basisband demoduliert wird und I- und Q-Samplesignale davon getrennt werden. Die erhaltenen I- und Q-Basisbandsamplesignale werden zu den eigentlichen I- und Q-Signalen summiert. Das Summieren der Samplesignale zu den eigentlichen Signalen verzerrt die auf den I/Q-Modulator 10 ferner auf den Leistungsverstärker 13 angewendeten Signale derart, dass die Nichtlinearität, die durch den Leistungsverstärker 13 erzeugt ist, aufgehoben ist, sodass sie so niedrig wie möglich ist.
Die lokale Oszillatoreinheit 14 erzeugt ein Oszillatorsignal, das dem I/Q-Modulator 10 und über die Verzögerungseinheit 12 dem I/Q-Demodulator 11 zugeleitet wird. Das auf den I/Q-Demodulator 11 angewendete lokale Oszillatorsignal wird in der Verzögerungseinheit 12 verzögert, da das Samplesignal, das auf den I/Q-Demodulator 11 angewendet wird und im I/Q-Modulator 10 moduliert wird, synchronisiert durch den lokalen Oszillator 14, in dem Leistungsverstärker 13 verzögert wird. Zum Gewährleisten einer richtigen Demodulationsweise des Samplesignals müssen das lokale Oszillatorsignal, das auf den I/Q-Demodulator angewendet wird, und das Samplesignal in einer richtigen Phase in Bezug zueinander sein. Die Verzögerung, die an dem Signal in dem Leistungsverstärker bewirkt ist, ist somit durch die Verzögerungseinheit 12 ausgeglichen.
2 zeigt ein Schaltbild eines Kleinsignalverstärkers, der derart optimiert ist, dass er eine Verzögerung aufweist, gemäß der Erfindung, wobei das Schaltbild aus Gründen der Übersichtlichkeit nur die wichtigsten Bauteile für die Erfindung umfasst.
Das Erzeugen von Verzögerung in dem Verstärker gründet auf der bekannten Tatsache, dass Verzögerung die Ableitung von Phase als Winkelfrequenzfunktion ist. Anders gesagt führt eine drastische Phasenänderung in einem bestimmten Frequenzbereich außerdem zu großer Verzögerung in dem Bereich. In den Simulationen und praktischen Tests, die vom Anmelder ausgeführt wurden, wurde erkannt, dass drastische Phasenänderungen eines gewünschten Frequenzbereichs am besten durch einen Verstärker implementiert sein kann, dessen Eingang als Hochpassart angepasst ist und dessen Ausgang als Tiefpassart angepasst ist.
Der Betrieb der Anordnung von 2 ist kurz dargestellt folgendermaßen: ein Signal wird über einen EIN-Port zugeleitet. Der Eingang ist derart angeordnet, dass er mithilfe eines Anpassungskreises, der durch Kondensatoren C1 und C2 und eine Spule L1 ausgebildet ist, von der Hochpassart ist. Das durch den Anpassungskreis geleitete Signal steuert einen Transistor T1 an. Der Transistor T1 verstärkt das Signal, und das verstärkte Signal durchläuft den Anpassungskreis des Ausgangs. Der Ausgang ist derart angeordnet, dass er mithilfe eines Anpassungskreises, der durch Spulen L2 und L3 und einen Kondensator C3 ausgebildet ist, von der Tiefpassart ist. Das Signal, das durch den Anpassungskreis des Ausgangs geleitet wird, wird über einen AUS-Port ausgegeben.
Die Anpassungskreise des Eingangs und des Ausgangs sind ferner derart zueinander angeordnet, dass sie einen Bandpassverstärker ergeben. Die Phasenänderungen des Signals, die durch den Verstärker bewirkt sind, und somit außerdem die Verzögerungen, sind umso größer, je schmaler des Band ist, das durch die Anpassungen des Eingangs und des Ausgangs begrenzt ist. Wenn die Eingangs- und Ausgangsanpassungen auf derselben Frequenz angeordnet sind, führt dies zu einem spitzenartigen Verzögerungsergebnis, dass äußerst groß, jedoch aktiv in einem schmalen Frequenzbereich ist. Dies ist jedoch nicht zweckmäßig, und es ist ein vorzuziehendes Ergebnis erzielt, wenn die Eingangsanpassung am oberen Rand eines gewünschten Frequenzbands erzielt ist, das verzögert werden soll, und die Ausgangsanpassung am unteren Rand des Frequenzbands vorgesehen ist. Das Ergebnis ist dann eine stetigere Verzögerung, die in einem ausgedehnteren Frequenzbereich aktiv ist. 3 stellt einen Frequenzgang S21 und eine Verzögerung GD eines derartigen Verstärkers als Frequenzfunktion dar. S11 beschreibt die Anpassung, d.h. den Reflexionsverlust, eines Hochpasseingangs. Die Anpassung des Eingangs ist etwas über der Mittenfrequenz um 380 MHz angeordnet.
Entsprechend beschreibt S22 die Anpassung, d.h. den Reflexionsverlust, eines Tiefpassausgangs. Die Anpassung des Ausgangs ist etwas unter der Mittenfrequenz um 380 MHz angeordnet. Ein Band, in dem die Gruppenverzögerung, d.h. die Verzögerung GD, des Verstärkers verhältnismäßig stetig ist, ist zwischen den Anpassungen des Eingangs und des Ausgangs ausgebildet. Je näher an der Mittenfrequenz und aneinander die Anpassungen des Eingangs und des Ausgangs angeordnet sind, desto höher und steiler ist die Verzögerungskurve GD. Die Anordnung kann außerdem unter Benutzung einstellbarer Bauteile, beispielsweise durch Ersetzen eines Kondensators C3 durch eine geeignete Kapazitätsdiode, einstellbar implementiert sein.
Wenn ein Verstärker eines lokalen Oszillatorsignals zwischen dem Oszillator 14 und dem I/Q-Demodulator 11 benutzt ist, ist eine Anordnung gemäß 2 und das Erzeugen von Verzögerung verhältnismäßig einfach und kostengünstig einem derartigen, bestehenden Verstärker hinzu zu geben. Die Anordnung kann auf vielerlei Art und Weise beispielsweise unter Benutzung separater Bauteile oder durch Integrieren der Verzögerungsanordnung in einen integrierten Schaltkreis ohne vom Grundgedanken abzuweichen der Erfindung implementiert sein.
Für den Fachmann ist es offensichtlich, dass der Grundgedanke der Erfindung auf vielerlei Art und Weise mit dem Fortschritt der Technologie implementiert sein kann. Die Erfindung und ihre Ausführungsformen sind daher nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern können innerhalb des Anwendungsbereichs variieren.

Claims

Linearisierungsanordnung eines Leistungsverstärkers, wobei die Anordnung einen I/Q-Modulator (10), einen oder mehrere Leistungsverstärker (13), die linearisiert werden sollen und Verzögerung erzeugen, und eine Rückkopplungsschleife umfasst, die einen I/Q-Demodulator (11) umfasst, wobei der I/Q-Modulator (10) und der I/Q-Demodulator (11) eine Oszillationsfrequenz von demselben lokalen Oszillator (14) ableiten, und wobei eine Verzögerungseinheit (12) zwischen dem lokalen Oszillator (14) und dem I/Q-Demodulator (11) vorgesehen ist, wobei durch die Verzögerungseinheit ein lokales Oszillatorsignal, das auf den I/Q-Demodulator (11) angewendet ist, verzögert wird, um die Verzögerung auszugleichen, die in dem einen oder mehreren Leistungsverstärker (13) erzeugt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungseinheit (12) zum Verzögern des auf den I/Q-Demodulator (11) angewendeten Signals ein Verstärker, vorzugsweise ein Kleinsignalverstärker, ist, der als Bandpassverstärker auf der Frequenz des lokalen Oszillatorsignals angeordnet ist, um eine Verzögerung des lokalen Oszillatorsignals zu erzeugen.
Linearisierungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung des Eingangs des Verstärkers, der das auf den I/Q-Demodulator (11) angewendete lokale Oszillatorsignal verzögert, von der Hochpassart ist und die Anpassung des Ausgangs von der Tiefpassart ist.
Linearisierungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochpassanpassung (S11) des Eingangs des Verstärkers versetzt von der Mittenfrequenz des Verstärkers am oberen Rand des Passbands angeordnet ist und die Tiefpassanpassung (S22) des Ausgangs derart am unteren Rand des Passbands angeordnet ist, dass der Verstärker eine verhältnismäßig stetige Verzögerung (GD) im Passband aufweist.
Linearisierungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Bauteile, die den Verstärker ausbilden, welcher das auf den I/Q-Demodulator (11) angewendete lokale Oszillatorsignal verzögert, einstellbar sind, wodurch die Verzögerung, die durch den Verstärker erzeugt ist, und die Bandbreite einstellbar sind.
Linearisierungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker zum Erzeugen einer Verzögerung im Bereich zwischen 5 bis 10 ns oder mehr angeordnet ist.