Beschreibung
Leistungsregelung in Hochfrequenz-Sendern
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung der Ausgangsleistung eines Senders, insbesondere Hochfrequenz-Senders .
Beim Herstellungsprozess von Halbleiter-Bauelementen in CMOS- Technologie treten relativ große Schwankungen der Prozessparameter auf. Dies führt zu starken Schwankungen der Bauelement-Charakteristiken von CMOS-Halbleiter-Bauelementen. Bei in CMOS-Technologie hergestellten Leistungsverstärkern führt dies zu erheblichen Variationen der Ausgangsleistung. Insbe- sondere in Hochfrequenz-Sendern, in welchen aus einem Modulationssignal ein moduliertes und verstärktes, hochfrequentes Übertragungssignal erzeugt wird, treten dabei typischerweise Leistungsunterschiede von mehreren dB auf.
Zudem verändern sich die Charakteristiken der Halbleiter- Bauelemente bei Temperaturschwankungen, was bei Verstärkern zu zusätzlichen Schwankungen der Ausgangsleistung führt.
Es ist bekannt analoge Steuerungen zu verwenden, welche die Temperatur-bedingten Schwankungen der Bauelement -Charakteristiken ausgleichen. CMOS-Halbleiter-Bauelemente weisen jedoch einen sehr komplexen Temperaturgang auf, was einen hohen Aufwand erforderlich macht um befriedigende Ergebnisse zu erzielen. Zudem ermöglicht eine solche Steuerung keine Kompen- sation der durch den Herstellungsprozess bedingten Schwankungen der Bauelement-Charakteristiken.
Weiterhin ist es bekannt einen Regelkreis vorzusehen, in welchem die Ausgangsleistung eines Verstärkers gemessen und des- sen Eingangssignal geregelt wird. Wird die Last am Ausgang des Verstärkers durch einen nicht näher spezifizierten Verbraucher, wie beispielsweise eine nicht angepasste Antenne, gebildet, so sind spezielle Vorkehrungen erforderlich, um Rückwirkungseffekte auf die Leistungsmessung, die zu ver-
fälschten Messergebnisse führen können, zu vermindern. Beispielsweise wird dazu ein Richtkoppler benötigt, welcher extern, das heißt nicht innerhalb der integrierten Schaltung, angeordnet werden muss. Durch diese Art der Leistungsmessung wird daher die Anzahl der Bauteile erhöht, was einen erhöhten Platzbedarf, eine erhöhte Stromaufnahme der gesamten Vorrichtung sowie erhöhte Herstellungskosten bedingt.
Eine weitere Möglichkeit zur Kompensation der durch den Her- stellungsprozess bedingten Schwankungen der Bauelement- Charakteristiken besteht darin, jede Sendeschaltung nach der Herstellung individuell auszumessen und entsprechend der Messergebnisse zu kalibrieren. Diese Möglichkeit ist aufgrund zu hoher Kosten nicht praktikabel .
Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstige Vorrichtung und ein aufwandsarmes Verfahren zur Regelung der Signalleistung eines Senders, insbesondere Hochfrequenz-Senders, anzugeben, welche bzw. welches in der Lage ist, durch Schwan- kungen der Bauelement-Charakteristiken bewirkte Signalleistungsschwankungen zu kompensieren.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Aus- gestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben .
Die Erfindung macht sich die Tatsache zu nutze, dass eine Signalleistung über eine Spannungsmessung indirekt bestimmt werden kann, wenn die Spannung von der Last entkoppelt gemessen wird.
Dazu sieht die Erfindung einen Regelkreis vor mit einer Regelstrecke, welche ein analoges Ausgangsignal erzeugt, einen Spannungsdetektor, welcher anhand des analogen Ausgangssignals ein Detektorsignal erzeugt, eine Auswerteschaltung, welche das Detektorsignal entgegennimmt und ein Auswertesignal erzeugt, sowie ein Eingangs-Verstärkungsglied zur Verstärkung des Eingangssignal der Regelstrecke in Abhängigkeit von dem
Auswertesignal. Die Erfindung sieht weiterhin ein dem Regelkreis nachgeschaltetes Entkopplungselement vor, welches den Ausgang des Regelkreises von einer nachgeschalteten elektrischen Last entkoppelt.
Das Entkopplungselement, dessen Ausgangsleistung von seiner Eingangsspannung gesteuert wird, entkoppelt den Ausgang des Regelkreises von der dem Entkopplungselement nachgeschalteten Last, deren Eingangs-Impedanz im Allgemeinen unbekannt ist. Die Ausgangsleistung des Entkopplungselementes kann daher in einfacher Art und Weise durch eine Spannungsmessung an dessen Eingang bestimmt werden. Der Regelkreis kann somit die Signalleistung am Ausgang des Entkopplungselementes anhand einer einfachen Spannungsmessung am Eingang des Entkopplungselemen- tes regeln. Eine aufwändige Leistungsmessung des Signals ist dazu nicht notwendig.
Mit Hilfe der Erfindung ist es möglich, Schwankungen in der Signalleistung rückwirkungsfrei nachzuregeln. Insbesondere werden durch den Herstellungsprozess bedingte und Temperaturbedingte Schwankungen und Streuungen der Bauelement- Charakteristiken vor allem der Bauelemente der Regelstrecke nachgeregelt. Damit kann auch starken Schwankungen der Bauelement-Charakteristiken, wie sie beispielsweise in CMOS- Halbleiter-Bauelementen auftreten, effektiv und in einfacher Art und Weise begegnet werden. Die Erfindung vermindert den Einfluss von Prozessschwankungen auf die Ausgangsleistung ohne negativen Einfluss auf die Gesamt-Stromaufnähme .
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Entkopplungselement ein Verstärkerelement, beispielsweise die letzte Stufe eines mehrstufigen Verstärkers, dessen erste Stufen Teil der Regelstrecke sind. Der Spannungsdetektor greift die Spannung dabei in der Ansteuerung des Verstärkerelementes, das heißt in der Ansteuerung der letzten Stufe des mehrstufigen Verstärkers, ab.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Verstärkerelement eine Kaskode auf, wodurch
ein im Wesentlichen linearer Zusammenhang zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsleistung erreicht wird. Durch diese Linearität kann die Auswerteschaltung besonders einfach aufgebaut werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Ausgangssignal der Regelstrecke durch ein Wechselspannungssignal, insbesondere ein Hochfrequenzsignal wie es beispielsweise zur Übertragung von Funksignalen geeignet ist, gebildet. Dadurch kann der Spannungsdetektor besonders einfach als Spannungsspitzendetektor aufgebaut sein. Die Höhe der Spannungsspitzen liefert dabei ein Maß für die Eingangsspannung des Entkopplungselements und somit für dessen Ausgangsleistung. Der Spannungsspitzendetektor kann beispiels- weise aus kreuzgekoppelten CMOS-Transistoren aufgebaut sein, womit nur zwei aktive Bauelemente zur Spannungsmessung benötigt werden. Damit wird der Aufwand zum Aufbau einer Span- nungs- bzw. Leistungsmessung und auch der Stromverbrauch der zur Messung notwendigen Bauteile minimiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Regelkreis und das Entkopplungselement innerhalb eines integrierten Schaltkreises angeordnet und insbesondere mit identischer Halbleiter-Technologie, beispielsweise CMOS-Techno- logie, aufgebaut. Dies bewirkt zum einen eine Minimierung der
Anzahl der verwendeten Bauteile und somit des Platzbedarfes und vor Allem der Leistungsaufnahme der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Zum anderen kann dadurch der Regelkreis auch Schwankungen der Bauelement-Charakteristiken des Entkopp- lungselementes ausgleichen. Durch die Anordnung des Entkopplungselementes zusammen mit dem Regelkreis innerhalb desselben integrierten Schaltkreises weist das Entkopplungselement Schwankungen der Bauelemen -Charakteristiken auf, die den Schwankungen der Bauelement-Charakteristiken der Bauelemente der Regelstrecke entsprechen. Dies gilt sowohl für durch den Herstellungsprozess bedingte als auch für Temperatur-bedingte Schwankungen der Bauelement-Charakteristiken. Somit kann anhand der Schwankungen der Bauelement-Charakteristiken der Bauelemente der Regelstrecke auf die Schwankungen der Bauele-
ment-Charakteristiken des Entkopplungselementes geschlossen werden. Durch eine entsprechende Gewichtung bei der Bestimmung des Auswertesignals durch die Auswerteschaltung können in einfacher Art und Weise die Schwankungen und Streuungen der Bauelement -Charakteristiken des Entkopplungselementes innerhalb des Regelkreises kompensiert werden. Eine effektive Kontrolle der Signalleistung am Ausgang des Entkopplungselementes ist somit möglich.
Die Erfindung ermöglicht es, innerhalb eines integrierten
Schaltkreises eine Leistungsmessung durchzuführen. Eine aufwändige Leistungsmessung durch einen Leistungsdetektor, welcher ein eigenes, extern zum integrierten Schaltkreis aufgebautes Bauteil bildet, ist nicht notwendig. Die aufwändige Beschaltung eines solchen extern zum integrierten Schaltkreis liegenden Bauteils entfällt.
Weiterhin ist es denkbar die Bauteil-Charakteristiken von weiteren, sich an das Entkopplungselement anschließenden Bau- teilen, wie beispielsweise nachgeschalteten, im Allgemeinen externen Verstärkern, sowie Erfahrungswerte in die Bestimmung des Auswertesignals eingehen zu lassen. Zur Bestimmung des Auswertesignals können zudem weitere Größen, wie beispielsweise die Temperatur, herangezogen werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung gibt die Auswerteschaltung ein digitales Auswertesignal aus, wodurch die Signalleistung in definierten Schritten verändert werden kann.
Vorteilhafterweise ist das wenigstens eine Eingangssignal der Regelstrecke ebenfalls digital, und das Eingangs-Verstärkungsglied umfasst eine Multipliziereinheit, welche das digitale Auswertesignal mit dem wenigstens einen digitalen Ein- gangssignal verknüpf . Dadurch kann das Eingangssignal der Regelstrecke in einfacher Art und Weise verstärkt und die Ausgangsleistung der Regelstrecke und des Entkopplungselementes geregelt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung innerhalb eines Hochfrequenz-Senders; und
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines Spannungsspitzendetektors .
Fig. 1 zeigt einen Hochfrequenz-Sender, welcher die I- und Q- Werte eines Modulationssignals in ein I- und Q-moduliertes Übertragungssignal umsetzt, verstärkt und an eine Antenne 4 ausgibt. Der Hochfrequenz-Sender umfasst einen digitalen Vek- tormodulator 1, einen Regelkreis 2 und ein Entkopplungselement 3, welches eine bekannte und im Wesentlichen konstante Eingangs-Impedanz besitzt. Der Regelkreis 2 und das Entkopplungselement 3 befinden sich innerhalb eines integrierten Schaltkreises, und sind mit Hilfe identischer Halbleiter- Technologie, beispielsweise CMOS-Technologie, hergestellt. An das Entkopplungselement 3 können sich weitere (nicht eingezeichnete) Verstärkerelemente anschließen, welche sich ebenfalls auf dem integrierten Schaltkreis befinden oder extern zu diesem angeordnet sind.
Der digitale Vektormodulator 1 übergibt digitale I- und Q- Werte an den Regelkreis, welche innerhalb der Regelstrecke 21 von zwei Digital -Analog-Konvertern 22, 22' in zwei analoge Signale umgesetzt werden. Die beiden Analogsignale werden an einen analogen Vektormodulator 23 weitergeleitet. Ein lokaler Oszillator liefert ein hochfrequentes Trägersignal sowie eine um 90° phasenverschobene Version des Trägersignals. Im analogen Vektormodulator 23 werden die beiden Hochfrequenzsignale mit den beiden Analogsignalen der Digital -Analog-Konverter 22, 22' multipliziert und zu einem I-/Q-modulierten Übertragungssignal gemischt. Das Übertragungssignal wird in einem Vorverstärker 24 verstärkt und an das Entkopplungselement 3 übergeben.
Das Entkopplungselement 3 umfasst ein Verstärkerelement. Insbesondere bildet der Vorverstärker 24 zusammen mit dem Entkopplungselement 3 einen mehrstufigen Verstärker, dessen letzte Stufe das Entkopplungselement 3 darstellt.
Der Regelmechanismus umfasst einen Spannungsspitzendetektor 31, eine Auswerteschaltung 32 und einen Eingangs-Verstärkungsglied 33. Der Spannungsspitzendetektor 31 bestimmt die Höhe der Spannungsspitzen des hochfrequenten Übertra- gungssignals am Eingang des Entkopplungselementes 3 bzw. in der Ansteuerung der letzten Stufe des mehrstufigen Verstärkers 24, 3 und übergibt das Mess- bzw. Detektorsignal an die Auswerteschaltung 32. Die Auswerteschaltung 32 erzeugt ein digitales Auswertesignal in Form eines Ausgabewertes 44, wel- eher an das Eingangs-Verstärkungsglied 33 übergeben wird. Im Eingangs-Verstärkungsglied 33 werden die digitalen Eingangssignale des Regelkreises, die I- und Q-Werte des Modulationssignals, mit dem digitalen Auswertesignal (d.h. dem Ausgabewert 44) in Multipliziereinheiten 34, 34' multipliziert. Da- durch werden die Ausgangssignale der beiden Digital -Analog- Konverter 22, 22' gleichmäßig .verstärkt , wodurch der analoge Vektormodulator 23 ein entsprechend verstärktes Übertragungssignal an den Vorverstärker 24 und der Hochfrequenz-Sender ein entsprechend verstärktes Ausgangssignal an die Sendean- tenne 4 abgibt.
Die Häufigkeit, mit welcher der Spannungsspitzendetektor 31 ein Messsignal an die Auswerteschaltung 32 ausgibt, ist einstellbar. Vorteilhafterweise gibt der Spannungsspitzendetek- tor 31 nur ein Messsignal pro gesendeter Dateneinheit, insbesondere pro gesendetem Datenburst, aus. Das Messsignal ist somit ein Maß für die Sendeleistung des gesamten Datenbursts. Da nur eine Leistungsanpassung pro gesendetem Datenburst stattfindet und somit die Integrationszeit des Spannungsspit- zendetektors 31 wesentlich größer ist als die Dauer der aus einer Amplituden-Modulation resultierenden Leistungsschwankung, ist mit Hilfe der Erfindung auch eine Leistungsregelung von Amplituden-modulierten Signalen möglich.
Die Auswerteschaltung 32 umfasst einen Fensterkomparator 41, welcher das Messsignal des Spannungsspitzendetektors 31 entgegennimmt. Der Fensterkomparator 41 prüft, ob das Detektorsignal innerhalb eines Sollfensters liegt, welches durch eine obere und eine untere Vergleichsspannung definiert wird. Über- bzw. unterschreitet das Detektorsignal das Sollfenster, so sendet der Fensterkomparator 41 ein Verringerungs- bzw. Erhöhungssignal 42 an einen Zähler 43, dessen Zählerstand dadurch verringert bzw. erhöht wird.
Anhand des Zählerstandes des Zählers 43 wird das digitale Auswertesignal bzw. der Ausgabewert 44 bestimmt. Ein neuer Ausgabewert 44 wird so bestimmt, dass sich die Signalleistung in definierten Schritten verändert, beispielsweise in Schrit- ten von 1,5 bis 2 dB . In die Bestimmung des neuen Ausgabewertes 44 kann eine Gewichtung einfließen, die die außerhalb der Regelstrecke liegende letzte Stufe 3 des mehrstufigen Verstärkers 24, 3 bzw. des Entkopplungselements 3 berücksichtigt. Zudem kann ein Selbstabgleich durchgeführt werden, wenn ein dem Entkopplungselement 3 nachgeschalteter, externer Verstärkern vorhanden ist.
Die Bestimmung des Ausgabewertes 44 kann Software- oder Hard- ware-basiert durch eine (nicht dargestellte) Ablaufsteuerung erfolgen. Im einfachsten Fall wird zu diesem Zweck der Zählerstand zu einem initialen Ausgabewert addiert und die Summe selbst oder ein daraus errechneter (z.B. geeignet gewichte- ter) Wert als Ausgabewert 44 ausgegeben. Der initiale Ausgabewert ist vorteilhafterweise in einem nicht -flüchtigen Spei- cherbauelement abgelegt, damit bereits beim Start eine gute Schätzung für den Ausgabewert 44 vorhanden ist. Der Zählerstand beim Start ist im einfachsten Fall null. Es können auch andere Algorithmen zur Ermittlungen des Ausgabewertes vorgesehen sein. Beispielsweise kann der Ausgabewert auch auf der Basis einer Multiplikation des Zählerstands mit einem vorgegebenen Gewichtsfaktor ermittelt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die möglichen Ausgabewerte 44 in einem nicht-flüchtigen Speicherbauelement
(nicht dargestellt) abgelegt, beispielsweise in einer ROM- Tabelle. Die abgelegten Ausgabewerte 44 sind dann bereits bezüglich des außerhalb der Regelstrecke liegenden Entkopplungselementes 3 sowie eventuell weiterer, dem Entkopplungs- element 3 nachgeschalteter Verstärkerelemente gewichtet bzw. an diese angepasst . Der aktuelle Zählerstand des Zählers 43 bestimmt, welcher Eintrag aus der ROM-Tabelle ausgewählt wird. Wird der Zählerstand verringert bzw. erhöht, so wird der nächst-geringere bzw. der nächst-höhere Ausgabewert 44 aus dem nicht flüchtigen Speicherbauelement (der ROM-Tabelle) ausgewählt und an das Eingangs-Verstärkungsglied 33 ausgegeben. Die Bestimmung des Ausgabewertes 44 anhand der ROM- Tabelle kann auch mit einer Software-basierten Steuerung kombiniert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Ausgabewert 44 bzw. die Information darüber, welcher Ausgabewert 44 zuletzt verwendet wurde bzw. welcher Ausgabewert beim Start verwendet werden soll, in einem nicht flüchtigen Spei- cherbauelement abgelegt, um bei einem Neustart eine gute
Schätzung für die Ausgangsleistung bereitzustellen.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Spannungsspitzendetektors 31 mit kreuzgekoppelten CMOS-Transistoren Tl, T2. Das differentielle , analoge Ausgangssignal der Regelstrecke wird über die Anschlüsse RFIN, RFINX in den Spannungsspitzendetektor 31 eingekoppelt. Während der positiven bzw. negativen Halbwellen des Hochfrequenzsignals sind die Drain-Source- Strecken der beiden Transistoren Tl, T2 abwechselnd leitend, wodurch der Kondensator Cl geladen wird und daran die Spitzenspannung Upeak abgegriffen werden kann. Bei differentiellen Hochfrequenzsignalen wird zur Spannungsmessung weiterhin das Gleichtaktsignal Urmg benötigt. Dies geschieht über den Tief- pass Rl bzw. R2 und C2. Das Mess- bzw. Detektorsignal, wel- ches der Spannungsspitzendetektor 31 an die Auswerteschaltung 32 ausgibt umfasst dabei die beiden Messwerte Upe k und Urms.