Aus dem Fachartikel „Amplifier
Linearisation Using Adaptive Digital Predistortion" von S. P. Stapleton,
erschienen in „Applied
Micro Wave & Wireless",
Februar 2001, Seiten 72 bis 77, geht ein Verfahren zur adaptiven
Vorverzerrung mit den folgenden Schritten hervor:
- a)
Vorverzerren der Rohdatenwerte durch Multiplizieren der Rohdatenwerte
mit Vorverzerrungswerten aus einer Verweistabelle zum Ausgleichen amplitudenabhängiger und
phasenabhängiger Verzerrungen
des Leistungsverstärkers,
wobei die Verweistabelle eine Zuordnung zwischen Amplituden der
Rohdatenwerte und Vorverzerrungswerten enthält,
- b) Rückführen von
Ausgangssignalwerten des Leistungsverstärkers zu einer Adaptionseinheit,
- c) Führen
der Rohdatenwerte zu der Adaptionseinheit,
- d) Vergleichen zeitlich einander entsprechender Rohdatenwerte
und Ausgangssignalwerte in der Adaptionseinheit zur Beurteilung
der Verzerrungen des Leistungsverstärkers,
- e) Anpassen der Verweistabelle aufgrund von Ergebnissen des
Schrittes d).
Dieses Verfahren wird kontinuierlich
durchgeführt
und hat den folgenden Zweck:
Der Bedarf an höheren Übertragungsraten
und höherer
spektraler Effizienz in der modernen Mobiltelekommunikationstechnik
hat dazu geführt,
dass „höherstufige"
Modulationsarten wie QAM oder QPSK mehr an Bedeutung gewinnen, während Modulationsverfahren
mit konstanter Hüllkurve
wie FSK oder GMSK weniger interessant wurden. Bei den erstgenannten
Modulationsverfahren enthalten sowohl eine Amplitude als auch eine
Phase eines Sendesignals Informationen. Daher ist es notwendig,
dass sowohl die Amplitude als auch die Phase bei einer Verstärkung durch
den Leistungsverstärker
möglichst
unverzerrt bleiben.
Dabei ist jedoch zu berücksichtigen,
dass sämtliche
realen Leistungsverstärker,
abweichend von dem Idealfall einer Geraden als Kennlinie, eine nichtlineare Übertragungskennlinie
aufweisen.
Eine Charakterisierung solcher nichtlinear arbeitender
Leistungsverstärker
kann mit Hilfe sog. AM-AM-Konversion, d. h. der von einer Amplitude
der Rohdatenwerte abhängigen
Amplitude der Ausgangssignalwerte des Leistungsverstärkers, und
der AM-PM-Konversion, d. h. der von der Amplitude der Rohdatenwerte
abhängigen
Phaseverschiebung im Leistungsverstärker, erfolgen.
Die Nichtlinearität der Übertragungskennlinie realer
Leistungsverstärker
führt zu
Verzerrungen. Dabei werden Oberwellen einer Grundfrequenz erzeugt,
die neben der Grundfrequenz am Ausgang des Leistungsverstärkers vorliegen.
In dem Fall, wenn am Eingang des Leistungsverstärkers mindestens zwei Grundfrequenzen
vorhanden sind, so werden die Oberwellen zu diesen Grundfrequenzen
erzeugt, wobei auch eine Mischung der Oberwellen stattfindet. Durch
geeignete Filterungsmaßnahmen lassen
sich erzeugte Oberwellen unterdrücken.
Dies gilt jedoch nicht für
grundfrequenznahe Intermodulationsprodukte aufgrund der oben beschriebenen
Frequenzmischung der Oberwellen. Insofern ist das Nutzsignal bzw.
das Ausgangssignal des Leistungsverstärkers durch die Intermodulationsprodukte
gestört.
Diese Störung
ließe
sich durch einen geeignet hoch gewählten Back-Off unterdrücken, wodurch eine
Nichtlinearität
der Übertragungskennlinie
des Leistungsverstärkers
vermindert und ein linearisierter Betrieb eingestellt wird. Dadurch
wird jedoch die Wirtschaftlichkeit des Leistungsverstärkers aufgrund
des erhöhten
Energieverbrauchs verschlechtert.
Mit Hilfe von zusätzlichen, konstruktiven Maßnahmen,
d. h. Ergänzung
elektronischer Komponenten, lässt
sich ebenfalls Abhilfe hinsichtlich der Intermodulationsprodukte
schaffen, die durch Filterungsmaßnahmen nicht zu unterdrücken sind.
Dazu gehört
ein konstruktiver Aufbau zur adaptiven, digitalen Vorverzerrung,
durch den kanalnahe Störungen über ein
größeres Frequenzspektrum
verteilt und damit ihre Amplituden vermindert werden.
In diesem Zusammenhang ist es bekannt, anhand
von Vermessungen des Leistungsverstärkers eine Verweistabelle für eine Vorverzerrung
zu berechnen. Eine Anpassung an geänderte Umgebungsbedingungen,
wie beispielsweise eine ansteigende Betriebstemperatur oder eine
geänderte
Versorgungsspannung des Leistungsverstärkers, ist bei einer solchen
statischen Vorverzerrung jedoch nicht möglich.
Demgegenüber wird in dem oben erwähnten Fachartikel
ein Vorverzerrungsverfahren beschrieben, bei dem in Echtzeit eine
ständige
Adaption der Verweistabelle für
die Vorverzerrung erfolgt. Dies geschieht aufgrund eines Vergleichs
von Amplituden und Phasen von Rohdatenwerten mit denjenigen von Ausgangssignalwerten
des Leistungsverstärkes. Ausgehend
hiervon werden die Vorverzerrungswerte so eingestellt, dass für einen
jeweiligen Arbeitspunkt des Leistungsverstärkers die Verzerrungen ausgeglichen
werden.
Die Durchführung einer ständigen Adaption der
Verweistabelle in Echtzeit hat jedoch den Nachteil, dass ein sehr
hoher Rechenaufwand erforderlich ist.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur adaptiven Vorverzerrung
für einen
Leistungsverstärker
zu schaffen, bei dem ein verminderte Rechenleistung erforderlich ist,
und auch eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens
bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des
Verfahrens gelöst
durch ein Verfahren zur adaptiven Vorverzerrung digitaler Rohdatenwerte
für eine
einen Leistungsverstärker
aufweisende Sendeendstufe eines Kommunikationsgerätes, wie
eines mobilen Kommunikationsendgerätes oder einer Basisstation
eines Mobilfunknetzwerkes, mit den Schritten:
- a) Vorverzerren
der Rohdatenwerte durch Multiplizieren der Rohdatenwerte mit Vorverzerrungswerten aus
einer Verweistabelle zum Ausgleichen amplitudenabhängiger Verzerrungen
des Leistungsverstärkers,
wobei die Verweistabelle eine Zuordnung zwischen Amplituden der
Rohdatenwerte und Vorverzerrungswerten enthält,
- b) Rückführen von
Ausgangssignalwerten des Leistungsverstärkers zu einer Adaptionseinheit,
- c) Führen
der Rohdatenwerte zu der Adaptionseinheit,
- d) Vergleichen zeitlich einander entsprechender Rohdatenwerte
und Ausgangssignalwerte in der Adaptionseinheit zur Beurteilung
der Verzerrungen des Leistungsverstärkers,
- e) Anpassen der Verweistabelle aufgrund von Ergebnissen des
Schrittes d), wobei die Adaptionseinheit diskontinuierlich arbeitet
und die Vorverzerrungswerte der Verweistabelle wenigstens für nicht
auftretende Rohdatenwerte inter-/extrapoliert
werden.
Der entscheidende Vorteil dieses
Verfahrens ist es, gegenüber
dem Stand der Technik erheblich an für die Vorverzerrung erforderlicher
Rechenleistung einzusparen. Dies wird dadurch erreicht, dass keine
kontinuierliche Adaption der Verweistabelle vorgenommen wird, auf
die zur geeigneten Vorverzerrung der Rohdatenwerte zurückgriffen
wird. Vielmehr arbeitet die Adaptionseinheit diskontinuierlich, so
dass gezielt darauf verzichtet wird, eine vollständige Sammlung einander zugehöriger Paare
von Rohdatenwerten und Ausgangssignalwerten des Leistungsverstärkers zur
Adaption heranzuziehen. Wenigstens diejenigen Vorverzerrungswerte,
für die
aufgrund des diskontinuierlichen Betriebs der Adaptionseinheit passende
Paare von Rohdatenwerten und Ausgangssignalwerten nicht auftreten,
werden in der Verweistabelle automatisch ergänzt. Dazu werden die zugehörigen Vorverzerrungswerte
interpoliert bzw. extrapoliert, je nach Lage des fehlenden Rohdatenwert-/Ausgangssignalwert-Paares
innerhalb des Amplitudenspektrums, das benutzt wird.
Bevorzugt wird die Adaption aufgrund
von Ergebnissen, des Schrittes d) innerhalb von Zeitfenstern vorgenommen.
Innerhalb solcher Zeitfenster werden sowohl Rohdatenwerte als auch
Ausgangssignalwerte gesammelt und danach in Schritt d) miteinander
verglichen, um eine Aussage über
die Verzerrungen des Leistungsverstärkers hinsichtlich Amplitude
und/oder Phase der Rohdatenwerte treffen zu können.
Dabei kann ein Abstand zwischen aufeinander
folgenden Zeitfenstern abhängig
von äußeren Parametern,
welche die Verzerrung des Leistungsverstärkers beeinflussen, und einer
gewünschten Nachbarkanalstörunterdrückung festgelegt
werden. Beispielsweise eine Betriebstemperatur des Leistungsverstärkers und
seine Versorgungsspannung haben Einfluss auf das Verzerrungsverhalten
des Leistungsverstärkers,
d. h. seine nichtlinearen Übertragungseigenschaften.
Inwieweit eine Linearisierung des Leistungsverstärkers gewünscht wird, hängt davon
ab, welche Unterdrückung
insbesondere der Intermodulationsprodukte am Ausgang des Leistungsverstärkers z.
B. durch einen Mobilfunkstandard vorgeschrieben ist.
Für
die Amplituden der Ausgangssignalwerte als Funktion der Amplituden
der Rohdatenwerte kann für
jedes Zeitfenster ein Polynom errechnet werden, wobei aufgrund der
Funktionswerte des Polynoms die Vorverzerrungswerte der Verweistabelle
bestimmt werden. Im Einzelnen werden dabei Koeffizienten eines grundsätzlich zur
Beschreibung des Verlaufs der Ausgangssignalwerte als Funktion der
Rohdatenwerte geeigneten Polynoms mit Hilfe der Adaptionseinheit
berechnet. Der Einfachheit halber kann eine Normierung der Ausgangssignalwerte
auf eine Gesamtverstärkung
des Leistungsverstärkers
vorgenommen werden, die sich aus dem Maximalwert der Ausgangssignalwerte
und dem Maximalwert der Rohdatenwerte berechnet.
Die Verwendung des Polynoms hat den
Vorteil einer Glättung
des Verlaufs der Vorverzerrungswerte. Das Polynom kann auch zur
Extrapoation/Interpolation in dem betreffenden Zeitfenster fehlender Rohdatenwert-/Ausgangssignalwert-Paare
herangezogen werden.
Es ist hervorzuheben, dass bei dem
Verfahren sowohl mit reellen als auch mit komplexen Vorverzerrungswerten
gearbeitet werden kann. Dies hängt
davon ab, ob auch eine Phasenverzerrung des Leistungsverstärkers signifikant
ist. Ob eine solche Signifikanz vorliegt, lässt sich ohne weiteres anhand des
Schrittes d) feststellen. Wenn beispielsweise der Vergleich dazu
führt,
dass die Phasen der Rohdatenwerte und der Ausgangssignalwerte nur
geringfügige Unterschiede
zeigen, kann auf eine Phasenkorrektur durch entsprechende Vorverzerrung
verzichtet werden und es wird ausschließlich mit reellen Vorverzerrungswerten
gearbeitet. Diese reellen Vorverzerrungswerte dienen zum Ausgleich
der Amplitudenverzerrung des Leistungsverstärkers.
Die oben genannte Aufgabe wird hinsichtlich der
Vorrichtung gelöst
durch eine Vorrichtung zur Linearisierung eines Sendeverstärkers eines
Kommunikationsgerätes,
wie eines mobilen Kommunikationsendgerätes oder einer Basisstation
eines Mobilfunknetzwerkes, mit:
einem Multiplizierer zum Multiplizieren
digitaler Rohdatenwerte mit Vorverzerrungswerten zum Ausgleichen
amplitudenabhängiger
Verzerrungen des Leistungsverstärkers,
wobei die Verweistabelle eine Zuordnung zwischen Amplituden der
Rohdatenwerte und Vorverzerrungswerten enthält, und einer Adaptionseinheit,
der Ausgangssignalwerte des Leistungsverstärkers und die Rohdatenwerte
zeitlich synchronisiert zugeleitet werden und die zu einer Adaption der
Verweistabelle ausgebildet ist, wobei die Adaptionseinheit einen
Zeitgeber aufweist, der ein Zeitfenster definiert, das für die Adaption
der Verweistabelle genutzt wird.
Der vorgesehene Zeitgeber hat die
Aufgabe, das Zeitfenster festzulegen, innerhalb dessen die Rohdatenwerte
und Ausgangssignalwerte zur Adaption der Vorverzerrungswerte gesammelt
werden, die dann in der Adaptionseinheit weiterverarbeitet werden
können.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielshalber
anhand der Zeichnung noch näher
beschrieben, wobei die einzige Zeichnung ein schematisches Blockdiagramm
einer Sendeendstufe eines mobilen Kommunikationsendgerätes zeigt.
Wie aus der Zeichnung hervorgeht,
gelangen Rohdatenwerte Vm, die mittels einer
Sendeendstufe eines mobilen Kommunikationsendgerätes auszusendende Informationen
beinhalten, zu einer Vorverzerrungseinheit 1, die eine
Verweistabelle 2 einschließt, in der eine Anzahl N Zuordnungen
zwischen Amplitudenintervallen der Rohdatenwerte und zugehörigen Vorverzerrungswerten
abgelegt sind. Die jeweils zu wählenden
Vorverzerrungswerte ergeben sich somit aus einer Amplitude der Rohdatenwerte Vm.
In einem komplexen Multiplizierer 3 werden die
jeweils zu verwendenden Vorverzerrungswerte aus der Verweistabelle 2 mit
den gerade an dem komplexen Multiplizierer 3 eintreffenden
Rohdatenwerten multipliziert. Die Auswahl der jeweils geeigneten
Vorverzerrungswerte geschieht mit Hilfe einer Amplitudenberechnungseinheit 4,
an deren Eingang die Rohdatenwerte anliegen und an deren Ausgang die
Betragsquadratwerte der Rohdatenwerte vorliegen, welche der Verweistabelle 2 zugeleitet
werden.
Ein Ausgangssignal des komplexen
Multiplizierers 3 der Vorverzerrungseinheit 1 gelangt
zu einem D/A-Wandler 11 zur Erzeugung eines analogen Signals Vd, das am Eingang eines Quadraturmodulators 5 anliegt,
der das Analogsignal Vd auf einen geeigneten
Träger
aufmoduliert. Ein Ausgangssignal des Quadraturmodulators 5 gelangt
zu einem Leistungsverstärker 6,
der eine gewünschte
Verstärkung bereitstellt
und ein Ausgangssignal Va liefert, das über eine
Antenne (nicht dargestellt) ausgestrahlt wird.
Der Leistungsverstärker 6 ist
aus Wirtschaftlichkeitsgründen
so gewählt,
dass die Amplituden des Ausgangssignals des Quadraturmodulators 5 wenigstens
teilweise in einem nichtlinearen Arbeitsbereich des Leistungsverstärkers 6 liegen,
d. h. eine Kennlinie des Leistungsverstärkers 6 ist für wenigstens
einen Teil der einkommenden Amplituden des Ausgangssignals des Quadraturmodulators 5 nichtlinear.
Aufgrund der Nichtlinearität der Kennlinie des
Leistungsverstärkers 6 ergeben
sich sowohl Amplituden- als auch Phasenfehler für das Ausgangssignal des Quadraturmodulators 5.
Zusätzlich
kommt es aufgrund der Bildung von Oberwellen und Frequenzmischungen
im Leistungsverstärker 6 zu
Nachbarkanalstörungen,
wenn die Sendeendstufe bestimmungsgemäß in dem mobilen Kommunikationsendgerät oder auch
in einer Basisstation eines Mobilfunknetzes eingesetzt wird.
Die sich aufgrund der Nichtlinearität der Kennlinie
des Leistungsverstärkers 6 ergebenden Amplituden-
und Phasenverzerrungen können
mit Hilfe des komplexen Multiplizierers 3 unter Verwendung
der Vorverzerrungswerte in der Verweistabelle 2 ausgeglichen
werden. Dabei dient ein Realteil der Vorverzerrungswerte zum Ausgleich
eines Amplitudenfehlers und ein Imaginärteil der Vorverzerrungswerte
zum Ausgleich von eines Phasenfehlers des Leistungsverstärkers 6.
Abhängig
davon, inwieweit eine Phaseverzerrung bei dem eingesetzten Leistungsverstärker 6 signifikant
zu Tage tritt, kann bei einer vereinfachten Ausführungsform der Erfindung auch
mit reellen Vorverzerrungswerten und einem einfachen Multiplizierer
gearbeitet werden, so dass lediglich ein Ausgleich hinsichtlich
eines Amplitudenfehlers des Leistungsverstärkers 6 vorgenommen wird.
Die Einträge in der Verweistabelle 2 werden adaptiv
aktualisiert. Dazu wird wie folgt vorgegangen:
Das Ausgangssignal
Va des Leistungsverstärkers 6 wird abgegriffen
und einem Quadraturdemodulator 7 der Sendeendstufe zugeführt, der
ebenso wie der Quadradurmodulator 5 mit einem Trägerfrequenzen liefernden
Lokaloszillator 12 in üblicher
Weise in Verbindung steht.
Im Zuge einer weiteren Rückführung des Ausgangssignals
Va im Basisband gelangt dieses zu einem
A-/D-Wandler, an dessen Ausgang ein digitales Signal Vr vorliegt,
das Ausgangssignalwerte des Leistungsverstärkers 6 enthält. Das
Signal Vr wird einem ersten Eingang einer
Adaptionseinheit 9 zugeleitet, die einen zweiten Eingang
aufweist, an dem das digitale Rohdatensignal Vm anliegt,
das die Rohdatenwerte enthält.
Dabei passiert das digitale Rohdatensignal Vm eine
Verzögerungseinheit 10,
deren Aufgabe es ist, das Rohdatensignal Vm derart
zu verzögern,
dass an den beiden Eingängen
der Adaptionseinheit 9 sich zeitlich einander entsprechende Rohdatenwerte
und Ausgangssignalwerte anliegen.
Die Adaptionseinheit 9 hat
die Aufgabe, etwaige Änderungen
im Betriebsverhalten des Leistungsverstärkers 6, welche die
Amplituden- und Phasenverzerrungen beeinflussen, in eine Änderung
der Vorverzerrungswerte in der Verweistabelle 2 umzusetzen.
Zur Einsparung von Rechenleistung arbeitet die Adaptionseinheit 9 mit
Hilfe von Rohdatenwerten und Ausgangsdatenwerten, die innerhalb
eines Zeitfensters gesammelt werden. Da im Gegensatz zum Stand der
Technik keine kontinuierliche Adaption vorgenommen wird, wird das
gewählte
Zeitfenster regelmäßig hinsichtlich
der N Amplitudenintervalle für
die Rohdatenwerte Lücken
aufweisen, die mittels Berechnung durch einen geeigneten Algorithmus
zu schließen
sind.
Bevor eine Adaption durch die Adaptionseinheit 9 vorgenommen
werden kann, ist zunächst
ein geeigneter Wert für
eine Verzögerungszeit
Vd der Verzögerungseinheit 10 zu
berechnen. Dazu wird mit dem innerhalb des betrachteten Zeitfensters
zurückgeführten digitalen
Ausgangssignals Vr über eine Korrelation mit dem
digitalen Rohdatenwertsignal Vm die Verzögerungszeit τD abgeschätzt, wobei
sich eine erforderliche Genauigkeit für die Verzögerungszeit τD durch
entsprechende Interpolation erreichen lässt. Damit sind die Voraussetzungen
für eine
Adaption der Vorverzerrungswerte in der Verweistabelle grundsätzlich geschaffen.
In dem betrachteten Zeitfenster werden
dann mittels der Adaptionseinheit 9 sowohl Rohdatenwerte als
auch Ausgangssignalwerte gesammelt, wobei der Wertebereich für die Amplituden
der Rohdatenwerte in die N Intervalle aufgeteilt ist. Danach werden
die Betragsquadratwerte der Rohdatenwerte und der Ausgangssignalwerte
des Leistungsverstärkers 6 berechnet.
Für
die Amplituden der Rohdatenwerte und der Ausgangssignalwerte, die
in ein gemeinsames Rohdaten-Amplitudenintervall
n fallen, wird jeweils ein Mittelwert gebildet, so dass sich N Mittelwertpaare
ergeben. Dann werden Koeffizienten eines Polynoms berechnet, das
die Amplituden der Ausgangssignalwerte als Funktion der Amplituden
Rohdatenwerte beschreibt. Dies führt
zu einer Glättung
der Kurve, die die Abhängigkeit
zwischen diesen Größen beschreibt.
Das Polynom wird dann zur Inter-/Extrapolation fehlender Amplitudenpaare
(Rohdatenwert/Ausgangssignalwert) zur Füllung sämtlicher N Amplitudenintervalle
mit Wertepaaren herangezogen.
Anschließend findet eine Normierung
der Ausgangssignalamplituden insofern statt, dass aus dem höchsten Amplitudenintervall
N der Rohdatenamplitudenmittelwert und der Ausgangssignalamplitudenmittelwert
zur Berechnung einer Gesamtverstärkung
des Leistungsverstärkers 6 herangezogen
werden.
Nach einem Kleinstes-Mittleres-Fehlerquadrat-Verfahren
werden dann die Vorverzerrungswerte in der Verweistabelle 2 aktualisiert,
wobei aufgrund eines Vergleichs der Real- und Imaginärteile der Rohdaten-
und Ausgangssignalwerte in einem Amplitudenintervall n derjenige
Vorverzerrungswert berechnet wird, der als Multiplikationsfaktor
für den Rohdatenwert
aus dem betreffenden Amplitudenintervall n eine Amplituden- und
Phasenverzerrung des Leistungsverstärkers 6 bestmöglich ausgleicht.
Dabei werden sowohl etwaige Amplitudenabweichungen im Hinblick auf
eine gewünschte
Gesamtverstärkung
und als auch etwaige Phasen-Abweichungen zwischen Rohdatenwert und
Ausgangssignalwert aufgrund von Verzerrungen im Leistungsverstärker 6 erfasst
und zur Aktualisierung der Vorverzerrungswerte herangezogen.