FI108377B - Lõhettimen tehovahvistimen linearisoiminen - Google Patents

Description

108377 Lähettimen tehovahvistimen linearisoiminen

Keksinnön tausta

Keksintö liittyy radiolähettimen tehovahvistimen linearisointiin.

Radiotaajuuksien niukkuus pakottaa käyttämään spektritehokkaita 5 modulointimenetelmiä uusissa radiojärjestelmissä. Euroopassa PMR-käyttäjille (Professional mobile radio) kehitetty uusi radiojärjestelmän standardi on TETRA (Terrestrial Trunked Radio). Järjestelmän modulointimenetelmäksi on valittu π/4-DQPSK (π/4-shifted Differential Quadrature Phase Shift Keying). Lähettimen kannalta modulointimenetelmän huono ominaisuus on radiotaajuisen signaalin 10 verhokäyrän amplitudin vaihtelu, joka epälineaarisessa vahvistimessa aiheuttaa keskinäismodulaatiota (IM = InterModulation). IM-tulokset levittävät lähetetyn signaalin spektriä ja pyrkivät näin pienentämään lineaarisen modulointi-menetelmän käytöstä saatavaa hyötyä. IM-tuloksia ei yleensä voi suodattaa, koska ne syntyvät hyvin lähelle haluttua signaalia. Vakioamplitudisilla moduloin-15 timenetelmillä spektrin leviämistä ei synny, jolloin signaali voidaan vahvistaa epälineaarisella vahvistimella.

Jaetussa (Trunked) PMR-järjestelmässä, jossa eri käyttäjäryhmät jakavat samoja radiokanavia, on tiukat vaatimukset lähettimen viereisille kanaville aiheuttamista häiriöistä. Nämä vaatimukset edellyttävät käytettävän radiojärjes-20 telmän lähettimeltä hyvää lineaarisuutta.

Tehovahvistimessa hyvään lineaarisuuteen päästään vain huonolla hyötysuhteella. Kannettavien laitteiden hyötysuhteen tulee kuitenkin olla mah- • ’ t' dollisimman suuri, jotta toiminta-aika olisi riittävä, eikä akkujen tehoa hukattaisi ' turhaan. Myös tukiasemien tehovahvistimilta vaaditaan ainakin kohtuullista hyö- V·: 25 tysuhdetta, jotta jäähdytys ei muodostuisi ongelmaksi. Riittävän hyötysuhteen ja • ♦ ·’.*·· lineaarisuuden saavuttaminen edellyttää lähettimen linearisointia.

:Y: Mikäli vahvistimen epälineaarisuudet tiedettäisiin etukäteen, voitaisiin :T: muodostaa epälineaarisuuksien käänteisfunktiot ja muuntaa tulosignaali näiden avulla, jolloin epälineaarisuudet kumoutuisivat. Vahvistimen ominaisuudet eivät 30 kuitenkaan säily samoina, vaan ne muuttuvat ikääntymisen, lämpenemisen, .···. käytetyn radiokanavan ja tehotason mukaan. Lisäksi vahvistimilla on yksilöeroja.

Tarvitaan linearisointimenetelmiä, joiden tulee pystyä adaptiivisesti mukautu- t I < v : maan muuttuviin olosuhteisiin.

Monia erilaisia linearisointimenetelmiä on tutkittu, mutta kolmella : ’·. 35 näistä on havaittu olevan käytännön radiojärjestelmiin sopivia ominaisuuksia.

2 108377 Nämä menetelmät ovat feedforward, karteesinen takaisinkytkentä ja esivää-ristysmenetelmä. Esivääristysmenetelmä voi olla myös adaptiivinen.

Erään tekniikan tason mukaisen esivääristysmenetelmän lohkokaavio on esitetty kuviossa 1. Kuviossa esivääristimeen tulevat lähettimen I- 101 ja Q-5 102 signaalit. Esivääristimen tarkoituksena on vääristää lähettimen l/Q-haarojen signaalit siten, että tehovahvistimen epälineaarisuudet kumoutuvat. Esivääristi-mestä tulevat ulos esivääristetyt signaalit Γ 104 ja Q' 105, jotka johdetaan l/Q-modulaattoriin 106. l/Q-modulaattori 106 ja l/Q-demodulaattori 112 toimivat quadratuurimodulaatioperiaatteella. Se mahdollistaa kahden itsenäisen sig-10 naalin yhdistämisen lähettimessä ja lähettämisen samalla lähetyskaistalla ja signaalien erottamisen jälleen toisistaan vastaanottimessa. Quadratuurimo-dulaation periaate on se, että kaksi erillistä signaalia, I ja Q (Inphase ja Quadrature phase), moduloidaan käyttäen samaa kantoaaltotaajuutta, mutta kantoaaltojen vaiheet eroavat toisistaan siten, että signaalin Q kantoaalto on 90° 15 jäljessä signaalin I kantoaaltoa. Moduloinnin jälkeen signaalit summataan.

Vaihe-eron ansiosta voidaan signaalit I ja Q erottaa toisistaan demoduloitaessa summasignaali. l/Q-modulaattorissa 106 signaalit moduloidaan ja ne johdetaan 107 tehovahvistimeen 108 PA, sekä siitä edelleen ulos lähetettäväksi Out.

Samalla muodostetaan näytteenottojärjestelyn 109 avulla takaisinkytkentä 110 20 i/Q-demodulaattoriin 112, jossa signaali demoduloidaan. l/Q-demodulaattorilta 112 viedään I- ja Q-takaisinkytkentäsignaalit 114 ja 115 esivääristimelle 103.

Vaikka lohkokaavio näyttää samanlaiselta kuin karteesisen takaisinkytkennän li-nearisoijalla, ei esivääristyksessä käytetä reaaliaikaista takaisinkytkentää. Sen sijaan tällä tekniikan tason mukaisella takaisinkytkennällä pyritään hakemaan ;' . 25 oikeita parametreja esivääristimelle takaisinkytkentäsignaalien avulla ja korjaa- • · · *; * j maan niitä tietyin väliajoin. Esivääristetyt Γ- ja Q'-signaalien arvot voidaan hakea " I- ja Q-tulosignaalien avulla taulukosta, jota esivääristin päivittää sopivalla algo- • · :.v ritmilla. Γ- ja Q'-signaalien muodostamiseen voidaan käyttää myös po-* · · v * lynomimalleja.

30 Siis mikäli vahvistimen epälineaarinen siirtofunktio on tiedossa, ja mi- kali se ei vaihtele ajan funktiona, voidaan lähetettävä signaali linearisoida so- ' .···. veltamalla signaaliin sopivaa esivääristyksen aiheuttavaa siirtofunktiota. Tällöin vahvistimesta ulostuleva signaali saadaan lineaariseksi. Tätä menetelmää kutsutaan esivääristykseksi (pre-distortion). Esivääristys suoritetaan tavanomaisesti 35 kantataajuudella siten, että käytetään muistitaulukkoa, johon on tallennettu esi-; vääristymän aikaansaavat muunnosparametrit.

3 108377

Tekniikan tason mukaiset ratkaisut ovat perustuneet kantataajuisten I- ja Q-signaalien vastaanottoon. Tekniikan tason mukaisten ratkaisujen epäkohtina ovat olleet mm. komponenttien suuri määrä ja tästä aiheutuva kustannusten kasvu sekä analogiakomponenteista, esimerkiksi IQ-demodulaattorista, aiheutu-5 vat vääristymät signaalissa, esimerkiksi vaihevirhe.

Keksinnön lyhyt selostus Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan kustannustehokas tehovahvistimen linearisointi. Keksinnön tavoitteena on vähentää käytettyjen komponenttien lukumäärää. Edelleen keksinnön tavoitteena on minimoida 10 analogiakomponenttien aiheuttamat vääristymät.

Nämä tavoitteet saavutetaan menetelmällä lähettimen tehovahvistimen linearisoimiseksi, menetelmän käsittäessä seuraavat vaiheet: esivääris-tetään digitaalisesti lähetettävät I- ja Q-signaalit, D/A-muunnetaan esivääris-tetyt digitaaliset I- ja Q-signaalit, l/Q-moduloidaan esivääristetyt I- ja Οι 5 signaalit, vahvistetaan l/Q-moduloitu signaali lähettämistä varten, otetaan näytteitä lähetettävästä vahvistetusta signaalista, l/Q-demoduloidaan signaali-näytteet I- ja Q-takaisinkytkentäsignaaleiksi, käytetään I- ja Q-takaisinkytkentäsignaaleja lähetettävien I- ja Q-signaalien esivääristykseen, jolloin menetelmälle on tunnusomaista se, että A/D-muunnetaan lähetettä-20 västä vahvistetusta signaalista otetut signaalinäytteet ennen l/Q-demodulointia ja suoritetaan l/Q-demodulointi digitaalisesti.

Keksintö perustuu siihen ajatukseen, että suoritetaan takaisinkyt-•', ^ kentäsignaalin l/Q-demodulointi digitaalisesti.

'·' 1 Menetelmän etuna on se, että ei tarvita esimerkiksi erillistä analo- • · 25 gista l/Q-demodulaattoria. Tällöin tarvittavien analogiakomponenttien määrä • · ·*.’·: vähenee ja myös niiden aiheuttamat epäideaalisuudet.

:V: Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisesti takaisinkytkentä- :Y: signaalin A/D-muunto suoritetaan alinäytteistämällä, jolloin esimerkiksi muun noksessa tarvittavan muistin määrä pienenee.

r 30 Keksinnön kohteena on lisäksi järjestely lähettimen tehovahvistimen .···. linearisoimiseksi, joka järjestely käsittää: digitaaliset esivääristinvälineet iähe-‘! tettävien I- ja Q-signaalien esivääristämiseksi, D/A-muuntimen esivääristetty- I t « : jen digitaalisten I- ja Q-signaalien D/A-muuntamiseksi, l/Q-modulointivälineet esivääristettyjen I- ja Q-signaalien l/Q-moduloimiseksi, yhden tai useampia te-35 hovahvistimia l/Q-moduloidun signaalin vahvistamiseksi lähettämistä varten, näytteenottovälineet näytteiden ottamiseksi lähetettävästä vahvistetusta sig- , 108377 naalista, l/Q-demodulointivälineet mainittujen signaalinäytteiden l/Q-demoduloimiseksi lähetettävien I- ja Q-signaalien esivääristyksessä käytettäviksi I- ja Q-takaisinkytkentäsignaaleiksi, jolloin järjestelylle on tunnusomaista se, että järjestely lisäksi käsittää A/D-muuntimen lähetettävästä vahvistetusta 5 signaalista otettujen signaalinäytteiden A/D-muuntamiseksi ennen l/Q-demodulointia ja että mainitut l/Q-demodulointivälineet suorittavat l/Q-demoduloinnin digitaalisesti.

Kuvioiden lyhyt selostus

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen 10 yhteydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joista: kuvio 1 esittää lohkokaavion tekniikan tason mukaisesta lähettimestä ja kuvio 2 esittää lohkokaavion keksinnön mukaisesta lähettimestä erään suoritusmuodon mukaisesti.

15 Keksinnön yksityiskohtainen selostus

Kuvio 1 esittää esittää lohkokaavion tekniikan tason mukaisesta lähettimestä. Kuviota 1 on selostettu jo tekniikan tason selostuksen yhteydessä.

Kuvio 2 esittää lohkokaavion keksinnön mukaisesta lähettimestä erään suoritusmuodon mukaisesti. Kuviossa 2 esivääristimeen 203 tulevat lä-20 hettimen I- 201 ja Q- 202 signaalit. Esivääristin 203 on toteutettu digitaalisen signaaliprosessorin (DSP) 218 avulla. Esivääristimestä 203 tulevat ulos esivää-: ristetyt digitaaliset signaalit Γ 204 ja Q' 205, jotka D/A-muunnetaan D/A- v ' muuntimelia 206 analogisiksi signaaleiksi I” 207 ja Q” 208. Nämä signaalit joh- :.*·· detaan edelleen l/Q-modulaattoriin 209. l/Q-modulaattorissa 209 signaalit 207 ja 25 208 moduloidaan ja ne johdetaan 210 tehovahvistimeen 211 PA, sekä siitä : Y: edelleen ulos Out lähetettäväksi. Samalla muodostetaan näytteenottojärjestelyn, • * esimerkiksi suuntakytkimen, 212 avulla takaisinkytkentä 213. Radiotaajuinen (esimerkiksi 400 MHz) takaisinkytkentäsignaali 213 sekoitetaan edullisesti alas- m . sekoittimella 214 alas esim. 450 kHz:n välitaajuudelle. Välitaajuista signaalia ... 30 221 voidaan tarvittaessa suodattaa 215 leveäkaistaisella suodattimena ja li- • * säksi vaimentaa. Välitaajuussignaali 222 näytteistetään A/D-muuntimella 216 : kantataajuuista prosessointia varten. Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaan tämä tapahtuu alinäytteistystä (näytteenottotaajuus esim. 162 kHz) käyttäen. Alinäytteistyksellä tarkoitetaan sitä, että näytteistettävästä signaa-35 lista otetaan näytteitä alle Nyquist-taajuuden. Alinäytteistystä voidaan tunne- 5 108377 tusti käyttää, jos näytteistettävä signaali on riittävästi kaistarajoitettu. Alinäyt-teistyksen käytön etuna A/D-muunnoksessa 216 on esimerkiksi muunnoksessa tarvittavan muistin väheneminen normaaliin näytteistykseen (tai ylinäytteis-tykseen) verrattuna. Lisäksi alinäytteistyksen käyttö ei tavallisesti vaadi ylimää-5 räisiä toimenpiteitä, koska A/D-muuntimelle 216 tuleva signaali 222 on tyypillisesti jo valmiiksi kaistarajoitettua. Mahdollisella kaistanpäästösuodatuksella 215 voidaan tarvittaessa kaistarajoittaa signaalia.

Keksinnön mukaisesti l/Q-demodulaattori 217 on toteutettu digitaalisen signaaliprosessorin 218 avulla. Esivääristin 203 ja l/Q-demodulaattori 10 217 voidaan edullisesti toteuttaa saman signaaliprosessorin 218 avulla. A/D-muunnettu välitaajuinen takaisinkytkentäsignaali 223 l/Q-demoduloidaan l/Q-demodulaattorilla 217 digitaalisesti kertomalla kantataajuisiksi I- ja Q-signaaleiksi. l/Q-demodulaattori on siis toteutettu ohjelmallisesti digitaalisessa signaaliprosessorissa 218, eikä erillistä analogista l/Q-demodulaattoria 15 tarvita. Kantataajuiset I- 220 ja Q- 219 takaisinkytkentäsignaalit johdetaan esi-vääristimeen 203, jossa tapahtuu esivääristystaulun generointi käyttäen sopivaa adaptaatioalgoritmia. Varsinainen esivääristys tehdään sitten vääristämällä lähtevää signaalia esivääristystaulukon mukaisesti. Esivääristimen tarkka toimintatapa ei kuitenkaan ole olennaista tässä esitetyn keksinnön kan-20 naita.

Vaikka tässä on kuvattu keksinnön käyttöä käyttäen esimerkkinä TETRA-järjestelmää, ei tämä mitenkään rajoita keksinnön käyttöä myös muun tyyppisissä järjestelmissä. Käytettävät taajuudet voivat vaihdella ja lähettimessä '... käytettävien taajuusportaiden määrä saattaa vaihdella edellä esitetystä esimer- i 25 kistä poiketen ilman, että poiketaan keksinnön perusajatuksesta.

• · · *; 1j Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että tekniikan kehittyessä keksin- • · · ’· " nön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritus- v.: muodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaih- • · · v : della patenttivaatimusten puitteissa.

··· • ·

Claims (3)

1. Menetelmä lähettimen tehovahvistimen linearisoimiseksi, menetelmän käsittäessä seuraavat vaiheet: esivääristetään digitaalisesti lähetettävät I- ja Q-signaalit,

5 D/A-muunnetaan esivääristetyt digitaaliset I- ja Q-signaalit, l/Q-moduloidaan esivääristetyt I- ja Q-signaalit, vahvistetaan l/Q-moduloitu signaali lähettämistä varten, otetaan näytteitä lähetettävästä vahvistetusta signaalista, A/D-muunnetaan lähetettävästä vahvistetusta signaalista otetut sig-10 naalinäytteet, l/Q-demoduloidaan signaalinäytteet digitaalisesti I- ja Q-takaisin-kytkentäsignaaleiksi ja käytetään I- ja Q-takaisinkytkentäsignaaleja lähetettävien I- ja Q-signaalien esivääristykseen, 15 tunnettu siitä, että lähetettävästä vahvistetusta signaalista otettujen signaalinäytteiden A/D-muunnos suoritetaan alinäytteistystä käyttäen.

2. Järjestely lähettimen tehovahvistimen linearisoimiseksi, joka järjestely käsittää: 20 digitaaliset esivääristinvälineet (203) lähetettävien I- (201) ja Q- (202) signaalien esivääristämiseksi, D/A-muuntimen (206) esivääristettyjen digitaalisten I- (204) ja Q-(205) signaalien D/A-muuntamiseksi, ' l/Q-modulointivälineet (209) esivääristettyjen I- (207) ja Q- (208) • * ·*.**: 25 signaalien l/Q-moduloimiseksi, * · :.*·· yhden tai useampia tehovahvistimia (211) l/Q-moduloidun signaalin :Y: (210) vahvistamiseksi lähettämistä (OUT) varten, :T: näytteenottovälineet (212) näytteiden ottamiseksi lähetettävästä vahvistetusta signaalista, 30 ja A/D-muuntimen (216) lähetettävästä vahvistetusta signaalista • · otettujen signaalinäytteiden A/D-muuntamiseksi, l/Q-demodulointivälineet (217) mainittujen signaalinäytteiden l/Q-demoduloimiseksi digitaalisesti lähetettävien I- (201) ja Q- (202) signaalien : esivääristyksessä käytettäviksi I- (220) ja Q- (219) takaisinkytkentäsignaaleik- ; 35 SI, 7 108377 tunnettu siitä, että A/D-muunnin (216) on sovitettu suorittamaan lähetettävästä vahvistetusta signaalista otettujen signaalinäytteiden A/D-muunnos alinäytteistystä käyttäen.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen järjestely, tunnettu siitä, 5 että järjestely käsittää digitaalisen signaaliprosessorin (218), joka käsittää esi-vääristinvälineet (203) ja l/Q-demodulointivälineet (217). * · · • · · • · • · * * · • · • · « * · · • · • · · • « · • · « • · • · · • · * % * « * * · 108377 8