WO2002082641A2 - Linear amplitude modulation in a polar loop control circuit - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for linearly amplifying a desired variable with an amplifier device for amplifying an amplifier input signal and outputting an amplifier output signal and a control device for receiving the desired variable and the amplifier output signal and for generating the amplifier input signal.
  • the present invention relates to the transmission output stage of a mobile telephone.
  • Modulation methods are used to increase the transmission rate of mobile telephones, which influence both the amplitude or envelope curve and the phase position of the signal to be transmitted. Examples of such modulation methods are EDGE or CDMA.
  • the transmitter of such a mobile phone is subject to high linearity requirements in order to avoid errors during transmission.
  • the transmitter output stage often has a significant part in the non-linearity of a transmitter.
  • the transmitter output stage usually consists of a power amplifier, which must also be linearized for the high demands.
  • the phase position and amplitude of the error-free input signal U- soll is compared in a phase comparator and amplitude comparator with the output signal of the power amplifier.
  • VCO Voltage Controlled Oscillator
  • the output frequency of the voltage-controlled oscillator VCO is thus set to the predetermined target frequency of the input signal Usoll.
  • the output signal of the voltage controlled oscillator serves as an input signal of an amplitude modulator.
  • the amplitude modulator is controlled by the amplitude comparator via a voltage output signal Uam.
  • the amplitude modulator e.g. B. a diode ring mixer or PIN diodes, thus adjusts the envelope of the input signal of the power amplifier such that the amplitude of the output signal of the power amplifier is also an error-free image of the amplitude of the input signal Usoll.
  • the relationship between the output voltage Uout of the power amplifier PA and the output voltage Uam of the amplitude comparator is usually not linear. This non-linearity is caused by the amplitude modulator due to compression effects etc.
  • the power amplifier PA usually does not have the necessary linearity, so that there is also a non-linear relationship between the input voltage Uin and the output voltage Uout of the power amplifier.
  • the object of the present invention is therefore to improve the linearization of an amplifier device according to the polar loop concept.
  • this object is achieved by a device for linearly amplifying a desired variable with an amplifier device for amplifying an amplifier input signal and for outputting an amplifier output signal and a control device for receiving the desired variable and the amplifier output signal and for generating the amplifier input signal, the control device being a voltage modulator with which the Supply voltage of the amplifier device can be modulated.
  • the stated object is achieved by a method for linearly amplifying a desired variable by amplifying an amplifier input signal and outputting an amplifier output signal, regulating the amplifier input signal on the basis of the desired variable and the amplifier output signal and modulating a supply voltage of the amplifier device on the basis of the desired variable and the amplifier output signal.
  • the modulation of the supply voltage of the power amplifier by a controlled voltage source has the advantage that, due to the largely linear relationship between the supply voltage Uc and the output voltage Uout of a power amplifier PA, the bandwidth of the control loop is independent of Uout.
  • Another advantage is that power amplifiers can be used for the transmission output stage of a cell phone, which are not linear but optimized in terms of their efficiency. With a suitable choice of the power amplifier, this results in a significant reduction in the power requirement, as a result of which the operating time of a mobile phone can be increased or the size and thus the costs for the battery of the mobile phone can be reduced.
  • FIG. 2 shows a control loop according to the invention for linear amplification.
  • the following exemplary embodiment illustrates the present invention.
  • the signal to be sent i. H. the target voltage Usoll must be amplified without distortion before it is sent.
  • the transmission signal Uout is fed back to a phase comparator as a feedback signal.
  • the phase comparator compares the transmission signal Uout with the setpoint Usoll.
  • the phase comparator outputs a corresponding voltage signal based on the comparison.
  • This voltage signal serves as the input signal of a voltage controlled oscillator VCO.
  • the voltage controlled oscillator VCO outputs a signal whose frequency is correlated with the input voltage.
  • This signal with the defined frequency is fed as an input signal Uin into a power amplifier PA, which amplifies this signal to the transmission signal Uout.
  • the phase comparator thus ensures that the phase of the setpoint Usoll matches the phase of the output signal Uout.
  • the amplifier must ensure that the output voltage Uout is in a predetermined ratio to the input voltage and setpoint Usoll.
  • the two variables are compared in an amplitude comparator and its output signal is used to modulate a battery voltage Ubatt.
  • the battery voltage Ubatt is fed into a voltage modulator Ubatt modulator, modulated there according to the output voltage Uam of the amplitude comparator, and the resulting voltage is used as the supply voltage of the power amplifier.

Abstract

According to the invention, the linearity of a transmitter stage of a mobile phone is increased by modulating the supply voltage of a power amplifier (PA) using a controlled voltage source (Ubatt modulator). The voltage modulator is controlled by an amplitude comparator that compares the input signal (Udes) with the output signal (Uout). The invention thereby allows to avoid the dependency of the loop bandwidth of the polar loop of the size of the output signal Uout and thus a deterioration of the spectrum.

Description

Beschreibungdescription
Lineare Amplitudenmodulation in einer Polar LoopLinear amplitude modulation in a polar loop
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum linearen Verstärken einer Sollgröße mit einer Verstärkereinrichtung zum Verstärken eines Verstärkereingangssignals und Ausgabe eines Verstärkerausgangssignals und einer Regeleinrichtung zur Aufnahme der Sollgröße und des Verstärkerausgangssignals und zum Erzeugen des Verstärkereingangssignals. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Sendeendstufe eines Mobiltelefons.The present invention relates to a device and a method for linearly amplifying a desired variable with an amplifier device for amplifying an amplifier input signal and outputting an amplifier output signal and a control device for receiving the desired variable and the amplifier output signal and for generating the amplifier input signal. In particular, the present invention relates to the transmission output stage of a mobile telephone.
Zur Erhöhung der Übertragungsrate von Mobiltelefonen werden Modulationsverfahren genutzt, die sowohl die Amplitude bzw. Hüllkurve als auch die Phasenlage des zu übertragenden Signals beeinflussen. Beispiele derartiger Modulationsverfahren sind EDGE oder CDMA.Modulation methods are used to increase the transmission rate of mobile telephones, which influence both the amplitude or envelope curve and the phase position of the signal to be transmitted. Examples of such modulation methods are EDGE or CDMA.
An den Sender eines solchen Mobiltelefons werden hohe Anforderungen bezüglich der Linearität gestellt, um Fehler bei der Übertragung zu vermeiden. Einen signifikanten Anteil an der Nicht-Linearität eines Senders hat oftmals die Sendeendstufe. Die Sendeendstufe besteht üblicherweise aus einem Leistungs- Verstärker, der für die hohen Anforderungen zusätzlich line- arisiert werden muss.The transmitter of such a mobile phone is subject to high linearity requirements in order to avoid errors during transmission. The transmitter output stage often has a significant part in the non-linearity of a transmitter. The transmitter output stage usually consists of a power amplifier, which must also be linearized for the high demands.
Fig. 1 zeigt eine Regelschleife nach dem sog. Polar Loop-Kon- zept zur Linearisierung eines Leistungsverstärkers PA. Die Phasenlage und Amplitude des fehlerfreien Eingangssignals U- soll wird in einem Phasenkomparator und Amplitudenkomparator mit dem Ausgangssignal des Leistungsverstärkers verglichen. Das an die Antenne des Mobiltelefons angelegte Signal Uout wird hierzu als sogenanntes Feedback an die beiden Komparato- ren rückgekoppelt. Das Ausgangssignal des Phasenkomparators ist ein Spannungssignal, mit dem ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO = Voltage Controlled Oscillator) angesteuert wird. Die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators VCO wird somit auf die vorgegebene Sollfrequenz des Eingangssignals Usoll eingestellt. Das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators dient als Eingangssignal eines Amplitudenmodulators. Der Amplitudenmodulator wird über ein Spannungsausgangssignal Uam von dem Amplitudenkomparator angesteuert. Der Amplitudenmodulator, z. B. ein Dioden- Ringmischer oder PIN-Dioden, stellt damit die Hüllkurve des Eingangssignals des Leistungsverstärkers derart ein, dass die Amplitude des Ausgangssignals des Leistungsverstärkers ebenfalls ein fehlerfreies Abbild der Amplitude des Eingangssignals Usoll ist.1 shows a control loop based on the so-called polar loop concept for linearizing a power amplifier PA. The phase position and amplitude of the error-free input signal U- soll is compared in a phase comparator and amplitude comparator with the output signal of the power amplifier. For this purpose, the signal Uout applied to the antenna of the mobile telephone is fed back to the two comparators as so-called feedback. The output signal of the phase comparator is a voltage signal which is used to control a voltage controlled oscillator (VCO = Voltage Controlled Oscillator) becomes. The output frequency of the voltage-controlled oscillator VCO is thus set to the predetermined target frequency of the input signal Usoll. The output signal of the voltage controlled oscillator serves as an input signal of an amplitude modulator. The amplitude modulator is controlled by the amplitude comparator via a voltage output signal Uam. The amplitude modulator, e.g. B. a diode ring mixer or PIN diodes, thus adjusts the envelope of the input signal of the power amplifier such that the amplitude of the output signal of the power amplifier is also an error-free image of the amplitude of the input signal Usoll.
Die durch die Polar Loop gemäß Fig. 1 realisierte Linearisie- rung der Sendeendstufe besitzt aber eine Schwachstelle. Üblicherweise ist nämlich der Zusammenhang zwischen der Ausgangsspannung Uout des Leistungsverstärker PA und der Ausgangsspannung Uam des Amplitudenkomparators nicht linear. Diese Nicht-Linearität wird durch den Amplitudenmodulator aufgrund von Kompressionseffekten etc. hervorgerufen. Darüber hinaus weist der Leistungsverstärker PA üblicherweise nicht die notwendige Linearität auf, so dass auch ein nicht linearer Zusammenhang zwischen der Eingangsspannung Uin und der Ausgangsspannung Uout des Leistungsverstärkers besteht.The linearization of the transmission output stage implemented by the polar loop according to FIG. 1, however, has a weak point. The relationship between the output voltage Uout of the power amplifier PA and the output voltage Uam of the amplitude comparator is usually not linear. This non-linearity is caused by the amplitude modulator due to compression effects etc. In addition, the power amplifier PA usually does not have the necessary linearity, so that there is also a non-linear relationship between the input voltage Uin and the output voltage Uout of the power amplifier.
Folge dieser Nicht-Linearität von Amplitudenmodulator und Sendeendstufe ist die Abhängigkeit der Bandbreite des Polar Loop-Regelkreises von der Höhe der AusgangsSpannung Uout des Leistungsverstärkers PA. Dies kann bei amplitudenmodulierten Signalen zu einer Verzerrung der AusgangsSpannung Uout und damit zu einer Verschlechterung des Spektrums führen.The consequence of this non-linearity of the amplitude modulator and the transmission output stage is the dependence of the bandwidth of the polar loop control loop on the level of the output voltage Uout of the power amplifier PA. With amplitude-modulated signals, this can lead to distortion of the output voltage Uout and thus to a deterioration of the spectrum.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die Linearisierung einer Verstärkervorrichtung nach dem Po- lar-Loopkonzept zu verbessern. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zum linearen Verstärken einer Sollgröße mit einer Verstärkereinrichtung zum Verstärken eines Verstärkereingangssignals und zur Ausgabe eines Verstärkerausgangssignals und einer Regeleinrichtung zur Aufnahme der Sollgröße und des Verstärkerausgangssignals und zum Erzeugen des Verstärkereingangssignals, wobei die Regeleinrichtung einen Spannungsmodulator, mit dem die VersorgungsSpannung der Verstärkereinrichtung modulierbar ist, umfasst.The object of the present invention is therefore to improve the linearization of an amplifier device according to the polar loop concept. According to the invention, this object is achieved by a device for linearly amplifying a desired variable with an amplifier device for amplifying an amplifier input signal and for outputting an amplifier output signal and a control device for receiving the desired variable and the amplifier output signal and for generating the amplifier input signal, the control device being a voltage modulator with which the Supply voltage of the amplifier device can be modulated.
Darüber hinaus wird die genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum linearen Verstärken einer Sollgröße durch Verstärken eines Verstärkereingangssignals und Ausgabe eines Verstärkerausgangssignals, Regeln des Verstärkereingangssig- nals anhand der Sollgröße und des Verstärkerausgangssignals und Modulieren einer Versorgungsspannung der Verstärkereinrichtung anhand der Sollgröße und des Verstärkerausgangssignals .In addition, the stated object is achieved by a method for linearly amplifying a desired variable by amplifying an amplifier input signal and outputting an amplifier output signal, regulating the amplifier input signal on the basis of the desired variable and the amplifier output signal and modulating a supply voltage of the amplifier device on the basis of the desired variable and the amplifier output signal.
Das Modulieren der Versorgungsspannung des Leistungsverstärkers durch eine gesteuerte Spannungsquelle hat den Vorteil, dass aufgrund des weitgehend linearen Zusammenhanges zwischen der VersorgungsSpannung Uc und der AusgangsSpannung Uout eines Leistungsverstärkers PA die Bandbreite des Regelkreises unabhängig von Uout ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass für die Sendeendstufe eines Mobiltelefons Leistungsverstärker verwendet werden können, die zwar nicht linear aber bezüglich Ihres Wirkungsgrads optimiert sind. Dies bringt bei geeigneter Wahl des Leistungsverstärkers eine deutliche Reduzierung des Strombedarfs, wodurch die Betriebszeit eines Mobiltele- fons erhöht bzw. die Größe und damit die Kosten für den Akku des Mobiltelefons gesenkt werden können.The modulation of the supply voltage of the power amplifier by a controlled voltage source has the advantage that, due to the largely linear relationship between the supply voltage Uc and the output voltage Uout of a power amplifier PA, the bandwidth of the control loop is independent of Uout. Another advantage is that power amplifiers can be used for the transmission output stage of a cell phone, which are not linear but optimized in terms of their efficiency. With a suitable choice of the power amplifier, this results in a significant reduction in the power requirement, as a result of which the operating time of a mobile phone can be increased or the size and thus the costs for the battery of the mobile phone can be reduced.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen: Fig. 1 eine Regelschleife zum Linearisieren einer Sendeendstufe eines Mobiltelefons nach dem Stand der Technik; undThe present invention will now be explained in more detail with reference to the accompanying drawings, in which: 1 shows a control loop for linearizing a transmission output stage of a mobile telephone according to the prior art; and
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Regelschleife zum linearen Ver- stärken.2 shows a control loop according to the invention for linear amplification.
Das nachfolgende Ausführungsbeispiel verdeutlicht die vorliegende Erfindung. Das zu sendende Signal, d. h. die Sollspannung Usoll, muss vor dessen Absenden verzerrungsfrei ver- stärkt werden. Dazu wird das Sendesignal Uout als Feedback- Signal an einen Phasenkomparator rückgekoppelt. Der Phasen- komparator vergleicht das Sendesignal Uout mit dem Sollwert Usoll. Der Phasenkomparator gibt auf der Grundlage des Vergleichs ein entsprechendes Spannungssignal aus. Dieses Span- nungssignal dient als Eingangssignal eines spannungsgesteuerten Oszillators VCO. Der spannungsgesteuerte Oszillator VCO gibt ein Signal aus, dessen Frequenz mit der Eingangsspannung korreliert ist. Dieses Signal mit der definierten Frequenz wird als Eingangssignal Uin in einen Leistungsverstärker PA eingespeist, der dieses Signal zu dem Sendesignal Uout verstärkt. Über den Phasenkomparator ist somit sicher gestellt, dass die Phase der Sollgröße Usoll mit der Phase des Ausgangssignals Uout übereinstimmt.The following exemplary embodiment illustrates the present invention. The signal to be sent, i. H. the target voltage Usoll must be amplified without distortion before it is sent. For this purpose, the transmission signal Uout is fed back to a phase comparator as a feedback signal. The phase comparator compares the transmission signal Uout with the setpoint Usoll. The phase comparator outputs a corresponding voltage signal based on the comparison. This voltage signal serves as the input signal of a voltage controlled oscillator VCO. The voltage controlled oscillator VCO outputs a signal whose frequency is correlated with the input voltage. This signal with the defined frequency is fed as an input signal Uin into a power amplifier PA, which amplifies this signal to the transmission signal Uout. The phase comparator thus ensures that the phase of the setpoint Usoll matches the phase of the output signal Uout.
Darüber hinaus muss der Verstärker gewährleisten, dass die AusgangsSpannung Uout zu der EingangsSpannung und Sollgröße Usoll in einem vorgegebenen Verhältnis steht. Dazu werden die beiden Größen in einem Amplitudenkomparator verglichen und dessen Ausgangssignal zur Modulation eine Batteriespannung Ubatt verwendet. Hierzu wird die Batteriespannung Ubatt in einen Spannungsmodulator Ubatt-Modulator eingespeist, dort gemäß der AusgangsSpannung Uam des Amplitudenkomparators moduliert und die resultierende Spannung als Versorgungsspannung des Leistungsverstärkers verwendet.In addition, the amplifier must ensure that the output voltage Uout is in a predetermined ratio to the input voltage and setpoint Usoll. For this purpose, the two variables are compared in an amplitude comparator and its output signal is used to modulate a battery voltage Ubatt. For this purpose, the battery voltage Ubatt is fed into a voltage modulator Ubatt modulator, modulated there according to the output voltage Uam of the amplitude comparator, and the resulting voltage is used as the supply voltage of the power amplifier.
Da der Zusammenhang zwischen der AusgangsSpannung Uout des Leistungsverstärkers PA und seiner VersorgungsSpannung in der Regel weitgehend linear ist, ist die gesamte Linearität des Verstärkers in der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform höher als beim Stand der Technik gemäß Fig. 1. Since the relationship between the output voltage Uout of the power amplifier PA and its supply voltage in the Generally linear, the overall linearity of the amplifier in the embodiment shown in FIG. 2 is higher than in the prior art according to FIG. 1.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zum linearen Verstärken einer Sollgröße mit1. Device for linearly amplifying a setpoint with
einer Verstärkereinrichtung (PA) zum Verstärken eines Verstärkereingangssignals (Uin) und zur Ausgabe eines Verstärkerausgangssignals (Uout) undan amplifier device (PA) for amplifying an amplifier input signal (Uin) and for outputting an amplifier output signal (Uout) and
einer Regeleinrichtung zur Aufnahme der Sollgröße (Usoll) und des Verstärkerausgangssignals (Uout) und zum Erzeugen des Verstärkereingangssignals (Uin) ,a control device for recording the target variable (Usoll) and the amplifier output signal (Uout) and for generating the amplifier input signal (Uin),
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dassd a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that
die Regeleinrichtung einen Spannungsmodulator (Ubatt-the control device a voltage modulator (Ubatt-
Modulator) , mit dem die VersorgungsSpannung der Verstärkereinrichtung (PA) modulierbar ist, umfasst.Modulator) with which the supply voltage of the amplifier device (PA) can be modulated.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Regeleinrichtung einen Phasenkomparator zum Vergleichen der Phase der2. Device according to claim 1, wherein the control device comprises a phase comparator for comparing the phase of the
Sollgröße (Usoll) mit der Phase des Verstärkerausgangssignals (Uout) und zum Ansteuern der Verstärkereinrichtung (PA) auf der Grundlage eines Vergleichssignals von dem Phasenkomparator umfasst.Desired variable (Usoll) with the phase of the amplifier output signal (Uout) and for driving the amplifier device (PA) on the basis of a comparison signal from the phase comparator.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Vergleichssignal des Phasenkomparators das Eingangssignal eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) ist, dessen Ausgangssignal das Verstärkereingangssignal (Uin) ist.3. Apparatus according to claim 2, wherein the comparison signal of the phase comparator is the input signal of a voltage controlled oscillator (VCO), the output signal of which is the amplifier input signal (Uin).
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Regeleinrichtung einen Ampli udenkomparator zum Vergleich der Amplitude der Sollgröße (Usoll) und der Amplitude des Verstärkerausgangssignals (Uout) umfasst, wobei das Aus- gangssignal (Uam) des Amplitudenkomparators das Eingangssignal des Spannungsmodulators (Ubatt-Modulator) ist. 4. Device according to one of claims 1 to 3, wherein the control device comprises an amplitude comparator for comparing the amplitude of the target variable (Usoll) and the amplitude of the amplifier output signal (Uout), the output signal (Uam) of the amplitude comparator being the input signal of the voltage modulator (Ubatt modulator).
5. Mobiltelefon mit einer Sendeendstufe, die eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 umfasst.5. Mobile phone with a transmission output stage comprising a device according to one of claims 1 to 4.
6. Verfahren zum linearen Verstärken einer Sollgröße (Usoll) durch6. Method for linearly amplifying a setpoint (Usoll)
Verstärken eines Verstärkereingangssignals (Uin) und Ausgabe eines Verstärkerausgangssignals (Uout) durch eine Verstärkereinrichtung (PA) undAmplifying an amplifier input signal (Uin) and outputting an amplifier output signal (Uout) by an amplifier device (PA) and
Regeln des Verstärkereingangssignals (Uin) anhand der Sollgröße (Usoll) und des Verstärkerausgangssignals (U- out) ,Regulating the amplifier input signal (Uin) based on the setpoint (Usoll) and the amplifier output signal (U- out),
g e k e n n z e i c h n e t d u r c hmarked by
Modulieren einer VersorgungsSpannung der Verstärkereinrichtung (PA) anhand der Sollgröße (Usoll) und des Ver- stärkerausgangssignals (Uout) .Modulating a supply voltage of the amplifier device (PA) on the basis of the setpoint (Usoll) and the amplifier output signal (Uout).
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Regeln ein Vergleichen der Phase der Sollgröße (Usoll) mit der Phase des Verstärkerausgangssignals (Uout) umfasst.7. The method according to claim 6, wherein the regulation comprises comparing the phase of the desired variable (Usoll) with the phase of the amplifier output signal (Uout).
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei auf Grund des Vergleichs der Phasen von Verstärkerausgangssignal (Uout) und Sollgröße (Usoll) die Frequenz eines Oszillators (VCO) gesteuert wird, dessen Ausgangssignal das Verstärkereingangssignal (Uin) ist.8. The method according to claim 7, wherein on the basis of the comparison of the phases of the amplifier output signal (Uout) and setpoint (Usoll) the frequency of an oscillator (VCO) is controlled, the output signal of which is the amplifier input signal (Uin).
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Regeln einen Vergleich der Amplitude der Sollgröße (Usoll) und der Amplitude des Verstärkerausgangssignals (Uout) umfasst, und das Modulieren auf Grund des Vergleichs der Amplituden erfolgt. Verfahren zum Senden von Nachrichten von einem Mobiltelefon, wobei ein Sendesignal gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9 verstärkt wird. 9. The method according to any one of claims 6 to 8, wherein the control comprises a comparison of the amplitude of the target variable (Usoll) and the amplitude of the amplifier output signal (Uout), and the modulation is carried out on the basis of the comparison of the amplitudes. Method for sending messages from a mobile phone, wherein a transmission signal is amplified according to a method according to one of claims 6 to 9.
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