ITMI20011631A1 - Procedimento per la linearizzazione dello stadio di potenza di un trasmettitore di segnali relativo sistema e ricevitore - Google Patents

Procedimento per la linearizzazione dello stadio di potenza di un trasmettitore di segnali relativo sistema e ricevitore Download PDF

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ITMI20011631A1
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Roberto Colombo
Donna Giambattista Di
Silvio Pagliaro
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Siemens Inf & Comm Networks
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Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo:
"Procedimento per la linearizzazione dello stadio di potenza di un trasmettitore di segnali, relativo sistema e ricevitore”
Campo dell’Invenzione
La presente invenzione si riferisce alle tecniche di trasmissione di segnali, in particolare nel contesto definito dal preambolo della rivendicazione 1.
L’invenzione è stata sviluppata con particolare attenzione al possibile impiego in sistemi di trasmissione in cui lo stadio del trasmettitore suscettibile di alterare i segnali che vengono trasmessi è costituito dallo stadio finale di potenza (High Power Amplifier o HPA) di un trasmettitore a microonde impiegato in un collegamento radio del tipo punto-a-punto (Point-To-Point o PTP) to punto-multipunto (Point-to-MultiPoint o PMP).
L’azione di alterazione dei segnali attuata da un tale stadio è essenzialmente riconducibile ad una distorsione. Gli effetti negativi di tale distorsione vengono sentiti in modo particolare quando per la trasmissione viene utilizzato un formato di modulazione lineare quale, nel caso di segnali numerici, un formato M-QAM.
Arte nota
E’ già noto affrontare questo problema realizzando, in sede di trasmissione, un pre-trattamento dei segnali con funzione antagonista dell’azione di alterazione attuata dallo stadio di potenza HPA. Ciò può essere fatto tramite circuiti non lineari implementati a frequenza intermedia (IF) o a radiofrequenza (RF) disposti a monte dello stadio di potenza e suscettibili di realizzare un'azione di predistorsione secondo una caratteristica complementare rispetto alla caratteristica di distorsione dello stadio di potenza.
In alternativa all'impiego di circuiti di predistorsione fissi (che attuano un processo di linearizzazione fondamentalmente empirico e statico, che non consente di seguire eventuali fenomeni di deriva termica e nel tempo) sono state proposte nel corso degli anni tecniche che prevedono di impiegare circuiti predistorcitori di tipo digitale implementati a livello di banda base nel modulatore. Tali circuiti sono controllati in modo adattativo - secondo un generale schema di retroazione - da un segnale di controllo ottenuto confrontando i campioni del segnale digitale applicato all'ingresso del predistorcitore con campioni omologhi del segnale prelevato all’uscita dello stadio di potenza.
La relativa letteratura è quanto mai ampia, così come attestato, ad esempio, dal lavoro di G. Karam and H. Sari, “Oversampled signal predistortion for digitai radio systems with arbitrary transmit pulse shaping”, 3<rd >ECRR Proceedings, Paris, pp 255-261 , December 1991.
Il principale inconveniente di questa soluzione (inconveniente che ha notevolmente limitato la pratica applicazione della stessa) è dato dal fatto che, per ottenere il segnale di controllo destinato a pilotare l'azione del predistorcitore, è necessario convertire il segnale di uscita dello stadio di potenza distorcente in un segnale utilizzabile per controllare il predistorcitore. Al di là degli aspetti strettamente tecnologici (il segnale di uscita da convertire è di solito un segnale ad alta frequenza, tipicamente a microonde, mentre il segnale di controllo del predistorcitore è tipicamente costituito da un segnale in banda base convertito in forma digitale), la catena di retroazione necessaria per produrre il segnale di controllo è a tutti gli effetti un insieme circuitale addizionale rispetto allo schema di base del trasmettitore e dunque suscettibile di incidere in modo negativo sulla complessità, sull’affidabilità e soprattutto sul costo del trasmettitore.
SCOPO e sommario dell'Invenzione
La presente invenzione . si prefigge lo scopo di fornire una soluzione in grado di superare il suddetto inconveniente.
Secondo la presente invenzione, tale scopo viene raggiunto grazie ad un procedimento avente le ulteriori caratteristiche richiamate in modo specifico nelle rivendicazioni che seguono. L'invenzione riguarda anche il corrispondente sistema e, in modo distinto, il relativo ricevitore.
In sintesi, la soluzione secondo l’invenzione prevede che il pre-trattamento attuato a livello del trasmettitore (ad esempio tramite un predistorcitore implementato a livello di banda base nel modulatore) venga pilotato in modo adattativo da un segnale di controllo generato nel ricevitore (tipicamente a livello del demodulatore) e ritrasmesso verso il trasmettitore.
Il principale vantaggio offerto da questa soluzione è dato dal fatto che il segnale di controllo utilizzato per pilotare il pre-trattamento viene generato a partire da segnali comunque già disponibili nel ricevitore, senza che ciò richieda la predisposizione di circuiti addizionali. Anche per quanto riguarda la ritrasmissione del segnale di controllo verso il trasmettitore è possibile utilizzare uno dei canali di servizio già normalmente previsti in un tale collegamento. Questo, oltre tutto, con una occupazione minima delle risorse disponibili (ad esempio in termini di trame di canale di servizio), tenuto conto del fatto che - una volta correttamente inizializzato - il processo di controllo del predistorcitore è un fenomeno ad evoluzione temporale piuttosto lenta.
In una forma di attuazione particolarmente preferita, è previsto che il segnale di controllo corrisponda essenzialmente a termini di distorsione del terzo e quinto ordine generati in forma digitale a partire dal segnale lineare in banda base nel demodulatore.
Di solito, infatti, il predistorcitore ha le caratteristiche di equalizzatore a tre prese in cui la presa relativa al termine lineare è costante e reale, mentre le prese del terzo e quinto ordine (che hanno normalmente le caratteristiche di un fattore complesso, comprendente una parte reale ed una parte immaginaria) vengono assoggettate al segnale di controllo proveniente dal demodulatore in modo da ottenere il corretto fattore di ponderazione complesso invertendo la caratteristica distorcente dello stadio del trasmettitore ovvero minimizzando il rapporto segnale/errore quadratico medio (S/MSE) sul lato del ricevitore.
In modo preferito, la struttura del predistorcitore è basato su una serie di Volterra senza memoria troncata al quinto ordine. E’ anche possibile utilizzare termini di ordine superiore; di solito questi non contribuiscono però in modo apprezzabile al miglioramento delle caratteristiche di funzionamento del sistema.
E' comunque noto (anche per la estesa letteratura disponibile in argomento) che è possibile ricorrere ad algoritmi di predistorcimento di tipo diverso. La portata della presente invenzione non deve quindi considerarsi limitata né dallo specifico algoritmo considerato né ancora - ed in termini più generali - all’impiego nello specifico contesto applicativo considerato: la soluzione secondo l'invenzione è infatti in generale applicabile a tutte le tecniche in cui è previsto di realizzare un pre-trattamento di segnali antagonista nei confronti dell’azione di alterazione esercitata su tali segnali da uno stadio trasmettitore.
Breve descrizione delle figure
L’invenzione verrà ora descritta, puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni annessi, nei quali:
- la Figure 1 e 2 sono schemi a blocchi rappresentativi della struttura rispettivamente del trasmettitore e del ricevitore di un sistema di trasmissione operante secondo l’invenzione, e
- la Figura 3 è un diagramma che illustra le caratteristiche di funzionamento riscontrabili in un sistema secondo l’invenzione.
Descrizione dettagliata di una forma preferenziale di realizzazione dell’Invenzione.
Negli schemi a blocchi delle figure 1 e 2 i riferimenti 1 e 2 indicano rispettivamente un trasmettitore ed un ricevitore compresi in un sistema per la trasmissione di segnali digitali. Per fissare le Idee, si può trattare di un collegamento su ponte radio del tipo PTP o PMP che utilizza un formato di modulazione lineare, quale ad esempio M-QAM.
Il flusso di dati in ingresso aT(n) alimenta un filtro di trasmissione 3 che genera un corrispondente segnale di trasmissione sT (n) in banda base destinato ad alimentare un predistorcitore 4.
Il segnale xT(n) ottenuto all’uscita del predistorcitore 4 viene convertito in forma analogica in un convertitore digitale/analogico 5 per poi essere trasferito ad un modulatore in quadratura 7 operante alla frequenza (pulsazione) ω0 generata da un oscillatore locale 8. Il segnale modulato così ottenuto viene trasferito ad uno stadio di potenza (HPA), indicato con 9, per poi essere inviato verso un’antenna trasmittente 10.
Lo schema descritto è da ritenersi del tutto noto, sia per quanto riguarda la generale organizzazione architetturale, sia per quanto riguardo le specifiche caratteristiche dei singoli dispositivi 3 a 5 e 7 a 10 qui considerati.
Ciò vale in particolare anche per quanto riguarda il segnale di controllo utilizzato per pilotare il predistorcitore 4. Per motivi che risulteranno più chiari nel prosieguo della descrizione, questo segnale viene di fatto identificato con due coefficienti C1 e C2. Tali coefficienti, che hanno di solito il carattere di variabili complesse, possono essere ottenuti secondo uno qualsiasi dei criteri noti a tal fine: al riguardo si può far utilmente riferimento al volume di S. Benedetto, E. Biglieri e V. Castellani, “Digital Transmission Theory”, Englewood Cliffs, NJ; Prentice-Hall, 1987.
Di preferenza, il predistorcitore 4 è realizzato con circuitistica digitale nella sezione di banda-base del trasmettitore, subito dopo il filtro di trasmissione (FIR TX) 3 ed immediatamente prima della conversione digitale/analogica rappresentata dal blocco 5 della figura 1.
Trattandosi di un sistema lineare senza memoria (al pari dello stadio di potenza 9), il predistorcitore 4 può essere descrìtto con una relazione di ingresso/uscita del tipo:
dove sT(n) è il segnale in uscita dal FIR TX 3 in ingresso al predistorcitore 4 e XT(n) è il segnale in uscita da quest’ultimo - destinato ad essere alimentato verso il convertitore 5 - arrestato ai termine di distorsione del quinto ordine.
Nello schema a blocchi del ricevitore 2, il riferimento 11 indica l’antenna ricevente. Il segnale ricevuto viene fatto passare attraverso un amplificatore di ricezione 12 ed un filtro di reiezione del rumore 13 per poi essere (ri)convertito in banda-base. Ciò avviene tramite miscelazione, attuata in un miscelatore 14, con un segnale di oscillatore locale alla frequenza (pulsazione) ω0 proveniente da un oscillatore 15 e successivo filtraggio 16 in vista della conversione in forma digitale attuata in un convertitore analogico/digitale 17.
All'uscita di quest’ultimo risulta quindi disponibile un segnale ricevuto e convertito in banda-base yR(n).
Procedendo nella normale catena di ricezione del ricevitore, il riferimento numerico 18 indica un filtro di ricezione (FIR RX), il cui segnale di uscita viene trasferito da un equalizzatore in banda-base 19.
Tutto questo per essere poi miscelato in un miscelatore 20 con un segnale di sincronismo di portante proveniente da un PLL 21 che provvede al ricupero deila frequenza e della fase della portante di trasmissione.
Il segnale così ottenuto viene trasferito ad un blocco di decisione 22 che produce alla sua uscita la sequenza dei simboli (stimati) ricevuti.
Quanto descritto corrisponde ad una struttura di ricevitore del tutto nota, sia per quanto riguarda l'architettura dello stesso, sia per quanto riguarda le caratteristiche implementative dei singoli blocchi 12 a 22 considerati.
Si apprezzerà che nelle figure 1 e 2 i canali in fase e quadratura (I e Q) compresi tanto nel trasmettitore 1 quanto nel ricevitore 2 non sono stati rappresentati in modo distinto per compattezza di disegno e semplicità di illustrazione. In ogni caso - così come peraltro evidente per il tecnico esperto del settore - il segnale transitante, ed in particolare il segnale transitante nelle parti di banda-base sia di trasmissione sia di ricezione è in generale un segnale complesso, così come complessi sono in generale i coefficienti dei vari filtri/equalizzatori considerati (oltre che, naturalmente, i coefficienti del predistorcitore 4).
La soluzione secondo l'invenzione si basa sul riconoscimento del fatto che, non essendoci elementi con memoria interposti fra l'uscita del predistorcitore 4 e lo stadio di potenza (HPA) 9, l’uscita di quest’ultimo, indicata con yT(n) è un segnale a banda stretta.
Per quest’ultimo vale quindi la seguente espressione per l'equivalente passabasso:
Di conseguenza, l'equivalente passa-basso del segnale ricevuto è dato da:
dove:
- bi sono delle costanti (complesse) dello sviluppo,
- η(n) è un rumore gaussiano bianco e additivo, e
- f(n) è la risposta impulsiva del canale comprensiva di tutti i filtri a radiofrequenza e frequenza intermedia della catena di trasmissione e ricezione (con la sola eccezione di filtri di formatura).
Naturalmente, il simbolo © indica l'operazione di convoluzione.
Il primo termine dell'espressione di yR(n) rappresenta la componente lineare; il secondo termine è la componente di distorsione del terzo ordine, il terzo la componente di quinto ordine e così via.
L’obiettivo da conseguire è evidentemente quello di minimizzare il contenuto complessivo di termini diversi dal primo regolando in modo opportuno i coefficienti Ci del predistorcitore 4.
Nella soluzione secondo l’invenzione, la componente lineare dell'espressione di yR(n) viene ricostruita a livello di demodulatore sotto forma di un segnale sR(n) ottenuto a partire dai simboli decisi a(n) disponibili all'uscita del circuito di decisione 22 derotati in un miscelatore 23 della fase ф(η) di ricupero di portante (PLL) e filtrati in un filtro FIR AUX 24 i cui coefficienti sono inizializzati agli stessi valori del filtro omologo FIR TX 3 presente nel trasmettitore 1.
Per il segnale sR(n), che può essere visto come un modello dei segnali yR(n) ricostruito sulla base dei simboli "decisi”, vale quindi la seguente espressione:
In un nodo di somma indicato con 25 si procede quindi alla ricostruzione di un segnale di errore eR(n) = yR(n)-sR(n) per ogni simbolo ricevuto.
Si ricorderà che il segnale yR(n) altro non è che il segnale disponibile all'uscita del convertitore analoglco/digitale 17 opportunamente ritardato in 26 fino all’ allineamento temporale con il segnale ricostruito sR(n).
Il riferimento 27 indica un modulo in cui viene calcolato il modulo al quadrato dei segnale sR(n), mentre i riferimenti 28 a 31 indicano corrispondenti moltiplicatori il cui schema di connessione - desumibile in modo evidente dai disegno - è tale da dare origine all’uscita dei moltiplicatori 30 e 31, rispettivamente, a coefficienti Ci esprimibili secondo la relazione
per i = 1 , 2
I coefficienti Ci costituiscono essenzialmente il segnale di controllo che, ritrasmesso verso il trasmettitore 1 , può essere utilizzato per generare i coefficienti del predistorcitore 4, realizzandone cosi il controllo adattativo.
La trasmissione avviene attraverso una catena di elementi di trasmissione indicata complessivamente con 32 e costituita da elementi di tipo noto: si tratta infatti degli stessi elementi normalmente disponibili in un sistema 1 , 2 del tipo descritto per la trasmissione dei segnali di servizio.
II calcolo delle correlazioni definenti coefficienti Ci (si rammenta il fatto che -almeno in linea di principio - è anche possibile calcolare coefficienti di ordine superiore, che però non contribuiscono di solito in modo apprezzabile a migliorare ulteriormente le prestazioni del sistema) avviene ad ogni nuova trama in vista della ritrasmissione verso il trasmettitore 1.
Qui i coefficienti del predistorcitore 4 vengono ricostruiti accumulando i valori delle rispettive correlazioni secondo un’espressione ricorsiva del tipo:
per i = 1 , 2
dove NT è il tempo di trama e β un opportuno fattore di passo di correlazione.
Il funzionamento corretto del sistema prevede anche l’adattamento dei coefficienti gk del filtro 24. Ciò avviene di solito secondo un'espressione del tipo
dove γ è un opportuno fattore di passo.
Quest’ultima operazione risulta importante affinché, al termine del processo di linearizzazione, sR(n) sia quanto più vicino possibile a sT(n)©f(n), validando quindi la capacità del demodulatore a ricostruire quanto meglio possibile la componente lineare del segnale ricevuto yR(n).
Le esperienze condotte dalla Richiedente, facendo riferimento, come stadio di potenza N ad un amplificatore ad onde progressive (la cui caratteristica non lineare risulta più severa rispetto a quella degli amplificatori allo stato solido) ha permesso di verificare l'efficacia della soluzione proposta.
In particolare, si è fatto riferimento al criterio proposto nel lavoro di Karam e Sari già citato in precedenza, che consiste nel valutare la degradazione dei rapporto segnale/rumore ottenuta ad un prefissato valore di BER (ad esempio 0.001 ).
Si è così riscontrato che la soluzione secondo l'invenzione, attuata ricorrendo ad un predistorcitore 4 a due prese, consente di conseguire - rispetto ad un sistema senza funzione di predistorcimento - un guadagno dell’ordine di circa 6 dB in termini di degradazione totale con un guadagno in termine di output back-off (definito come la differenza in dB fra la potenza media trasmessa e la potenza massima di saturazione in uscita all’HPA) dell’ordine di circa 5 dB.
Il diagramma della figura 3 fa vedere l’effetto della tecnica di linearizzazione attuata secondo l'invenzione sullo spettro del segnale in uscita dell’HPA per un output back-off (OBO) di 6 dB.
In particolare, il diagramma della figura 3 si riferisce al formato di modulazione 128 QAM con roll-off uguale 0,18.
Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, i particolari di realizzazione e le forme di attuazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed illustrato, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione.

Claims (15)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per trasmettere segnali verso un ricevitore (2) a partire da un trasmettitore (1) comprendente uno stadio (9) suscettibile di alterare i segnali che vengono trasmessi, il procedimento comprendendo le operazioni di: - rilevare (23 a 32) l'effetto dell'azione di alterazione attuata da detto stadio (9) del trasmettitore (1) sui segnali trasmessi, generando un corrispondente segnale di controllo ( Ci) indicativo dell'effetto di detta azione di alterazione, e - sottoporre detti segnali, operando a monte di detto stadio (9) in funzione di detto segnale di controllo ( Ci ), ad un pre-trattamento (4) antagonista dell’azione di alterazione esercitata da detto stadio (9) del trasmettitore (1), caratterizzato dal fatto che comprende le operazioni di: - svolgere detta azione di rilevazione (23 a 32), generando detto segnale di controllo ( Ci) a partire da detti segnali così come ricevuti nel ricevitore (2), e - trasmettere (32) il segnale di controllo ( Ci) cosi generato dal ricevitore (2) verso il trasmettitore (1 ).
  2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che detto pre-trattamento è un trattamento di predistorcimento (4) di detti segnali.
  3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1 o la rivendicazione 2, applicato ad un trasmettitore in cui detto stadio (9) è uno stadio a radiofrequenza che distorce i segnali trasmessi.
  4. 4. Procedimento secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, applicato alla trasmissione di segnali digitali e caratterizzato dal fatto che comprende le operazioni di: - attuare in detto ricevitore (2) un'operazione di decisione (22) su detti segnali digitali così da generare segnali di decisione (aR(n)) corrispondenti ai segnali digitali trasmessi, - ricostruire (23, 24) a partire da detti segnali di decisione (aR(n)) un modello di riferimento (sR(n)) di detti segnali trasmessi (yR(n)), - generare (25) un segnale di errore (eR(n)) indicativo dello scarto fra detti segnali ricevuti (yR(n)) e detto modello di riferimento (sR(n)), e - generare detto segnale di controllo ( Ci) tramite correlazione di detti segnali di riferimento (sR(n)) e detto segnale di errore (£R(n)).
  5. 5. Procedimento secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che comprende le operazioni di calcolare correlazioni del terzo e del quinto ordine di detto modello di riferimento (sR(n)) e detto segnale di errore (ER(n)).
  6. 6. Procedimento secondo la rivendicazione 4 o la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che comprende, per generare detto modello di riferimento (sR(n)) almeno una delle operazioni scelte nel gruppo costituito da: - derotazione di detti segnali di decisione ((aR(n)) di una fase di recupero di portante (21 ), e - filtraggio di tipo adattativo (24) con un filtro che modella il canale di trasmissione.
  7. 7. Procedimento secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detta operazione di filtraggio (24) viene attuata secondo una funzione di filtraggio FIR.
  8. 8. Sistema per la trasmissione di segnali fra un trasmettitore (1) ed un ricevitore (2), in cui il trasmettitore (1) comprende uno stadio (9) suscettibile di alterare i segnali che vengono trasmessi, il sistema comprendendo: - un modulo di rilevazione (23 a 32) per rilevare l’effetto dell’azione di alterazione esercitata da detto stadio (9) del trasmettitore (1) su detti segnali e generare un corrispondente segnale di controllo (c,) indicativo dell’effetto di tale azione di alterazione, - un modulo di pre-trattamento (4), disposto a monte di detto stadio (9), sensibile a detto segnale di controllo e suscettibile di sottoporre detti segnali ad un pretrattamento antagonista delazione di alterazione esercitata da detto stadio (9) del trasmettitore (1 ), caratterizzato dal fatto che: - detto modulo di rilevazione (23 a 32) è situato sul lato del ricevitore (2) del sistema, e - è provvisto un canale (32) per trasmettere detto segnale di controllo ( Ci) a partire da detto modulo di rilevazione situato nel ricevitore (2) verso detto modulo di pre-trattamento (4).
  9. 9. Sistema secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detto modulo di pre-trattamento è un modulo predistorcitore (4).
  10. 10. Sistema secondo la rivendicazione 8 o la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detto stadio (9) è uno stadio a radiofrequenza del trasmettitore (1) suscettibile di distoreere i segnali trasmessi.
  11. 1 1. Sistema secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni 8 a 10 per la trasmissione di segnali digitali e caratterizzato dal fatto che comprende, in detto ricevitore (2): - un modulo decisore (22) per generare segnali di decisione (aR(n)) corrispondenti ai segnali digitali trasmessi, - un modulo di ricostruzione (23, 24) per ricostruire, a partire da detti segnali di decisione (aR(n)), un modello di riferimento (sR(n)) di detti segnali trasmessi (yR(n)), - un modulo di differenza (25) per generare un segnale di errore (sR(n)) indicativo dello scarto fra detti segnali ricevuti (yR(n)) e detto modello di riferimento (sR(n)), e - un’unità di correlazione (27 a 31) per generare detto segnale di controllo ( Ci) tramite correlazione di detto modello di riferimento (sR(n)) e detto segnale di errore (εR (n))·
  12. 12. Sistema secondo la rivendicazione 11 , caratterizzato dal fatto che detta unità di correlazione (27 a 31) calcola correlazioni del terzo e del quinto ordine di detto modello di riferimento (sR(n)) e detto segnale di errore (εR(η)).
  13. 13. Sistema secondo la rivendicazione 11 o la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che detto modulo di ricostruzione comprende almeno uno fra: - un elemento di derotazione (23) di detti segnali di decisione ((aR(n)) di una fase di recupero di portante (21), e - un filtro di tipo adattativo (24) che modella il canale di trasmissione.
  14. 14. Sistema secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che detto filtro (24) è un filtro FIR.
  15. 15. Ricevitore per sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 8 a 14.
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