Beschreibung
Verfahren zum Regeln der Verstärkung eines hochfrequenten Signals
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Verstärkung eines hochfrequenten Signals, bei dem eine Einstellung eines Verstärkers über eine Stellgröße auf der Grundlage einer Tabelle vorgenommen wird. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Sende- und/oder Empfangseinheit und ein Kommunikationssystem.
Verfahren und Einheiten der genannten Art finden bei der Verstärkung hochfrequenter Signale im stationären Einsatz, ins- besondere aber im Bereich der Mobilfunktechnik Verwendung. In kompakter und vorzugsweise hochintegrierter Bauform werden sie insbesondere Mobiltelefonen bzw. Handys und deren Systemen eingesetzt. Im Betrieb eines Mobiltelefons nach dem UMTS- (Universal Mobile Telecommunication System) Standard gelten nach den 3rd Generation Partnership Project-Spezifikationen (3GPP) , insbesondere nach den Spezifikationen 3GPP TS 34.101 und 3GPP TS 34.121, verschiedene Anforderungen an den einzustellenden Pegel der abgestrahlten Leistung. Es sind nach dem UMTS-Standard für die Verstärkung eines hochfrequenten Sende- signals zwei grundsätzlich verschiedene Modi vorgesehen: die Open Loop Power Control und die Closed Loop Power Control. Im Fall der Open Loop Power Control ist ein betreffendes UMTS- Mobiltelefon zwar eingeschaltet, es besteht aber zwischen ihm und einer Basisstation keine aktive Verbindung, d.h. es wer- den keine Daten ausgetauscht oder es wird kein Telefonat geführt. Damit das UMTS-Mobiltelefon für die Basisstation jedoch beispielsweise für den Fall eines eingehenden Anrufes erreichbar ist muß das UMTS-Mobiltelefon ein Pilot-Signal der Basisstation mit einem Antwortsignal erwidern, das als abge- strahlte Hochfrequenzleistung einen Leistungspegel in einem vorgegebenen Toleranzband aufweist, welcher aus der Empfangsfeldstärke der Basisstation abgeleitet wird. Unter normalen
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von nur ca. 50 μs zwischen zwei Sendeslots abgeschlossen sein muß. Diese Änderungen sind mit einer Toleranz von +/-0,5 dB, +/-ldB bzw. +/-1,5 dB unter allen Betriebsbedingungen durchzuführen. Diese relativ engen Toleranzen müssen daher gegenüber Temperatur, Spannung, Frequenz, Alterung etc. sehr stabil sein. Ferner müssen die Änderungen über dem gesamten sehr großen Dynamikbereich eines UMTS-Gerätes möglich sein, also über einen Leistungsbereich von -50 dBm bis +21, bzw. +24 dBm.
Verschärfend kommt noch hinzu, daß die Leistungsänderung mehrmals hintereinander in die gleiche Richtung erfolgen kann, wobei sich die zulässige Toleranz verringert. Der worst case ist dabei als eine zehnmalige Änderung um 1 dB in die gleiche Richtung bzw. eine direkte Abfolge von 10 gleichen Änderungsschritten gemäß der UMTS-Spezifikation festgelegt, also eine Nominaländerung der Leistung um 10 dB mit einer Toleranz von nur noch +/-2dB, d.h. eine Abweichung von +/-20%.
Um diese Anforderungen in Abhängigkeit von Temperatur, Betriebsspannungsschwankung, Frequenz und Alterung sicher einhalten zu können, wird eine Leistungsregelung auch in bekannten Mobilstationen bzw. Handys anderer Mobilfunkstandards mit hohem Schaltungsaufwand vorgesehen. Dazu sind aufwendige Kom- pensationsmechanismen u.a. zum Ausgleich von Temperatur- und Frequenzgängen sowie Streuungen von Parametern innerhalb einer Bauteil-Serie in Form von in dem Mobilteil integrierten Einrichtungen zur Leistungsregelung vorgesehen.
Neben Hardware-Lösungen sind im Mobilfunksektor auch Software-Ansätze bekannt, bei denen für den Verstärkungspfad Kompensationswerte in einer Tabelle bzw. einem Speicher abgelegt sind. In einem Festspeicher sind die Einflüsse von Temperatur, Frequenz, Bauteiltoleranzen, Alterung u.a. oder deren Kompensations- und Korrekturwerte in Form umfangreicher mehrdimensionaler Tabellen, s.g. Look up tables, abgelegt. Diesen Software-orientierten Lösungsansätzen haftet damit der Mangel
eines hohen Speicherbedarfs und auch eines großen Abgleichaufwandes an.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der vorstehend genannten Art, eine Sende- und/oder Empfangseinheit und ein Ko munikationssystem vorzuschlagen, die bei geringerem Schaltungsaufwand und hoher Geschwindigkeit eine Einstellung und/oder Änderung der Sendeleistung unter sicherer Einhaltung insbesondere auch der strengen UMTS- Spezifikationen ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Sende- und/oder Empfangseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst. Fer- ner ist ein Kommunikationssystem mit den Merkmalen von Anspruch 25 eine Lösung dieser Aufgabe. Die Unteransprüche definieren jeweils bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren arbeitet tabellengestützt, wobei in der Tabelle die Steigung der Verstärkung in Abhängigkeit von einer Stellgröße abgelegt und/oder bei der Bestimmung der jeweiligen Stellwerte berücksichtigt ist. Durch einen Übergang von einer Abbildung reiner Kennlinien oder Kennlinienfelder auf Steigungen mit einer 20 prozentigen Toleranzbreite in Tabellenform wird die zu speichernde Datenmenge erheblich gesenkt. Gegenüber dem Verhältnis zwischen Verstärkung und Stellgröße direkt ist die Steigung der Kennlinie des Verstärkers überraschender Weise von allen vorste- hend genannten Umgebungsparametern in nur sehr geringer Weise abhängig, so daß auch der Speicherbedarf auch aus diesem Grund im Vergleich zu bekannten Tabellen-gestützten Lösungen wesentlich geringer ausfällt, da nun eine separate Paramet- rierung diverser Tabellen mit den vorstehend beispielhaft aufgeführten Umgebungsparametern entfallen kann. Besonders bevorzugt wird, daß in der Tabelle ein jeweiliger Stellwert abgelegt wird, der auf Basis der Steigung einmal ermittelt
worden ist. Damit ist unter Nutzung eines derartigen Tabellen-Speichers in einer erfindungsgemäßen Mobilstation keine Regelung, sondern nur ein reiner Stellbetrieb bei sehr geringem Schaltungs- und Softwareaufwand vorgesehen.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt nur eine Einstellung der Leistung, und dies zudem aus einer vorzugsweise nur ein- oder zweidimensionalen Tabelle über eine Software. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine geräteunabhängige Tabelle erstellt, die einem abstrakten Leistungsindex eine jeweilige Stellgröße unter Steuerung durch ein TPC-Signal zuordnet. Erfindungsgemäß ist so kein Abgleich für einen Closed Loop-Betrieb in der Fertigung mehr notwendig. Es treten in Ausführungsformen der Erfindung durch Nutzung einer Tabelle der vorstehenden Art keine aufwendigen Geschwindigkeits- und Ressourcen-raubenden Software- Prozesse im Betrieb auf, da insbesondere eine Kompensation der Betriebsbedingungen nicht notwendig ist. Auch ist so keine schnelle analoge Regelung über zusätzliche Hardware erfor- derlich. Bei gekoppelten unterschiedlichen D/A-Wandlern, z.
B. mit 10 und 8 Bit Auflösung, für zwei oder mehr Stellgrößen zum Abdecken des großen Dynamikbereichs der Verstärkung ist eine Vorab-Kompensation der Quantisierungsstufen des 8 Bit Wandlers möglich.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele erläutert.
Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild zur Realisierung einer tabellengestützten Regelung der Sendeleistung in einem UMTS-Mobilfunksystem,•
Fig. 2 stellt ein Ausgangskennlinienfeld P0ut(UAPc) eines analog spannungsgesteuerten Verstärkers mit seiner Abhängigkeit von der Temperatur von -30 bis +90°C dar;
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engen Zeitschranken für die Einstellung der Leistungswerte schwierig sein. Physikalisch erfolgt die Leistungseinstellung in der Mobilstation MS dabei über vom Basisband mit jeweils einer analogen Leitung (Spannungswert UAPC der Analog power control Einheit) angesteuerten regelbaren HF-Verstärkern.
Erfindungsgemäß ist in der Mobilstation MS eine Tabelle T vorgesehen. Kernpunkt der Lösung ist zum einen, daß nicht die Ausgangskennlinien P0ut(UApC) des Verstärkers oder der Verstär- ker für die Closed Loop Stellstrategie verwendet und in Tabellenform abgelegt wird, sondern die Steigung GS(UAPC) der Ausgangskennlinien P0ut(UAPC) herangezogen werden. Die Ausgangsleistung Pout ( APC) ist, wie in der Abbildung von Fig. 2 für einen realen Baustein exemplarisch dargestellt, sehr stark von den Betriebsbedingungen abhängig. In der vorliegenden Darstellung ist die Temperatur ϋ als Parameter angegeben. Es wäre ein sehr hoher Kalibrationsaufwand notwendig, um die geforderten engen Toleranzen einhalten zu können.
Im Gegensatz zu diesem bekannten Ansatz ist es möglich, die Steigung der Kennlinie GS(UAPC) durch Simulation und/oder Messung so eng spezifiziert zu bekommen, daß über alle Betriebsbedingungen eine maximale Änderung vom Nominalwert um +/- 20% auftreten kann. Die Kennlinien GS(UAPC) sind in der Abbildung von Fig. 3 wiedergegeben und zeigen eine deutlich geringere
Temperaturabhängigkeit als die Ausgangskennlinien P0ut(UAPC) des Verstärkers gemäß Fig. 2. Die Kurve der Steigung GS(UAPC) in der Maßeinheit dB/Volt wird dann zur Berechnung der notwendigen Spannungsänderung für eine Leistungsänderung in Schritten von 1 dB verwendet.
Basis für die Implementierung einer schnell und einfach arbeitenden Software ist eine geräteunabhängige Tabelle, die einem abstrakten Leistungsindex die Stellgrößen zuordnet, und für die Closed Loop-Einstellung verwendet wird. Der Leistungsindex kann deshalb abstrakt sein, weil die tatsächliche Leistung bei einem Indexwert aufgrund der nur auf einen mo-
mentanen Leistungswert bezogenen Angaben aus dem TPC-Signal nicht interessiert. Dementsprechend ist die Tabelle T zeilenweise mit Leistungsindex-Werten versehen, wobei der Wechsel von einem zwischengespeicherten aktuellen Index-Wert A auf den nächst höheren Indexwert einer Erhöhung der Ausgangsleistung um 1 dB mit den vorstehend genannten Toleranzen entspricht. Entsprechendes gilt für kleinere Index-Werte. Damit kann ein gesamter Einstellbereich eines Verstärkers VGA von einem Minimalwert der Steuergröße und dementsprechender Mini- malverstärkung und damit minimaler Ausgangsleistung bis zu einem Maximalwert bei maximaler Verstärkung und damit maximaler Ausgangsleistung anhand der Indexwerte aus der Tabelle T ausgelesen und eingestellt werden.
Bei zwei Stellgrößen, Intermediate Frequency IF und Radio Frequency RF, für den Verstärker VGA ergibt sich so beispielsweise eine Tabelle der folgenden Form:
Für die Berechnung der Spannung der Stellgrößen werden die oben erläuterten Steigungen, Gain Slope GS, verwendet. Dabei sind die Steigungen natürlich nur abschnittsweise in ausrei-
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sehen -50 und +12 dBm (x-Achse, Psoιι) an der Antenne eingestellt und dann 10 mal hintereinander ein TPC-Signal zur Erhöhung der Leistung gemäß o.g. Tabelle um 1 dB erfahren hat. Die Abweichung der dann gemessenen Leistungsänderung zu den erwarteten 10 dB ist über die y-Achse aufgetragen. Als Ergebnis ist festzustellen, daß mit diesem Verfahren die zulässige UMTS-Toleranz auch bei verschiedenen Temperaturen und Frequenzen nicht überschritten wird.
Erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind vorstehend nur für ein UMTS-System dargestellt worden. Die hohe Einstellgeschwindigkeit bei Nutzung einer sehr einfachen und kompakten Tabelle unter Berücksichtigung der Steigungen ist aber bei jeder Einstellung insbesondere einer Leistung innerhalb einer Regelschleife einsetzbar. Damit wird jedoch ein vorteilhafter Einsatz in sonstigen Anwendungen zur Verstärkung höherund/oder hochfrequenter Signale nicht ausgeschlossen.