DE4428908C2 - Leistungsverstärker unter Verwendung der Vektoraddition zweier Träger konstanter Hüllkurve - Google Patents
Leistungsverstärker unter Verwendung der Vektoraddition zweier Träger konstanter HüllkurveInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf HF-Verstärker und
insbesondere auf Verstärker, die die Addition zweier phasen
modulierter Signale mit konstanter Amplitude verwenden, um
ein amplitudenmoduliertes Signal zu liefern.
Mobile drahtlose Telefon- und Daten-Kommunikation wurde zu
nehmend populär. Diese Anwendungen stellen jedoch zwei spe
zielle Probleme. Erstens muß die HF-Trägermodulation, durch
die Informationen gesendet werden, aufgrund der allgemeinen
Knappheit des verfügbaren Spektrums die kleinste mögliche
Bandbreite erfordern. Folglich müssen sowohl die Amplitude
als auch die Phase (d. h. die Frequenz) des Trägers moduliert
werden. Die Verstärkung des modulierten Trägers ohne eine
übermäßige Verzerrung in der Senderausgangsstufe bringt sig
nifikante Linearitätsbeschränkungen für den Ausgangsstufen
verstärker.
Zweitens ist der Leistungswirkungsgrad des mobilen Senders
sehr wichtig, da das mobile Ende der drahtlosen Kommunika
tionsverbindung batteriebetrieben ist. Typischerweise ist
die Senderausgangsstufe der größte Leistungsverbraucher. Da
her sind Verbesserungen in dieser Stufe die wichtigsten. Un
ter den wirksamsten Leistungsverstärkern sind die HF-Ver
stärker der Klasse C, bei denen der Ausgangstransistor nur
zu der Zeit einen Strom führt, zu der die Kollektor-Emit
ter-Spannung auf ihrem niedrigsten Wert ist. Ungünstigerwei
se sind diese Verstärker sehr nicht-linear und führen eine
wesentliche Amplitudenverzerrung ein. Aufgrund dieser Ver
zerrung werden Verstärker der Klasse C hauptsächlich in FM-
Sendern verwendet, bei denen die Amplitude oder die "Hüll
kurve" des HF-Trägers konstant ist und daher eine solche
Verzerrung keine Wirkung hat.
Ein Verfahren zum Vermeiden dieser Verzerrung mit Klasse C
Verstärkern, das noch eine lineare Amplitudenmodulation er
möglicht, besteht darin, zwei Signale mit konstanter Ampli
tude unter Verwendung des Verstärkers der Klasse C zu erzeu
gen und diese Signale dann zu kombinieren. Die Amplitudenmo
dulation wird durch das Modulieren der relativen Phase der
zwei konstanten Amplitudensignale erreicht. Die zwei Signale
seien durch V1 bzw. V2 bezeichnet.
V1 = Vsin[ωt + mt(t) + a(t)]
und
V2 = Vsin[ωt + mt(t) - a(t)]
Diese zwei Signale werden in einem "Leistungskombinierer"
vektoriell addiert, um einen phasen- und amplitudenmodulier
ten Träger Vout = 2q(t)Vsin[ωt + m(t)] zu erzeugen, wobei V die
Amplitude von sowohl V1 als auch V2 und 0 < q(t) < 1 ist. Hier
bei sind m(t) und q(t) die gewünschten Phasen- und Amplitu
den-Moldulationen des resultierenden Trägers v, und a(t) und
-a(t) sind die zusätzlichen Phasenmodulationen der zwei kon
stanten Hüllkurvenkomponenten V1 und V2. Wenn der Leistungs
kombinierer das Ausgangssignal V durch vektorielles Addieren
von V1 und V2 erzeugt, ist die resultierende Amplitudenmodu
lation q(t): q(t) = cos[a(t)]. Wenn der Leistungskombinierer
V1 und V2 vektoriell subtrahiert, lautet q(t) wie folgt:
q(t) = sin[a(t)] sein.
Bei allen nachfolgenden Erörterungen wird vorausgesetzt, daß
die Bandbreite der Phasenmodulation m(t), der Amplitudenmo
dulation q(t) und der Phasenmodulation a(t) nur ein kleiner
Bruchteil der Trägerfrequenz ist.
Im Stand der Technik sind Verfahren zum Erzeugen der zwei
Signale V1 = Vsin[ωt + mt(t) + a(t)] und V2 = Vsin[ωt + m(t) - a(t)], die
das gewünschte Signal Vout = 2q(t)Vsin[ωt + m(t)] am Ausgang des
Leistungskombinierers zur Folge haben, bekannt. Zum Beispiel
erzeugt F. J. Casadevall, RF Design, Februar 1990, Seiten
41-48, die Komponenten V1 und V2, wobei mit einer geringen
Leistung, einer geringen Frequenzfassung ω' der gewünschten
Phase und einem amplitudenmodulierten Ausgangssignal begon
nen wird.
Bei Casadevall wird ein Signal v'in = q(t)Vinsin[ω't + m(t)]
erzeugt. Hierbei gilt ω' << ω, die endgültige Trägerfre
quenz. Dieses Signal wird digitalisiert und ein digitaler
Signalprozessor wird verwendet, um die kartesischen Kompo
nenten I1, Q1, die V1 darstellen, und I2, Q2, die V2 dar
stellen, jedoch bei der niedrigen Frequenz ω', zu erzeugen.
Dann wird Vin mit der Hilfe eines HF-Oszillators, eines
Phasenschiebers und eines Mischers aufwärts gemischt. Dieses
wird durch Aufwärtsmischen der beiden Sätze von I- und Q-
Komponenten zu der Frequenz erreicht. Als nächstes werden
die aufwärts gemischten I- und Q-Komponenten summiert, um
die konstanten Hüllkurvenkomponenten V1 und V2 zu erzeugen,
die dann verwendet werden, um zwei hochwirksame Leistungs
verstärker, die dann wieder den Leistungskombinierer trei
ben, zu treiben.
Dieser Lösungsansatz hat mehrere Nachteile. Erstens weist
der Schaltungsaufbau einen hohen Grad an Komplexität auf.
Zweitens erscheinen alle Phasen- oder Amplituden-Fehler in
den Mischern und den Leistungsverstärkern als Verzerrung am
Leistungskombiniererausgang. Drittens kann diese Schaltung
nicht einfach an die Stelle eines herkömmlichen HF-Lei
stungsverstärkers treten, da die Eingangsfrequenz niedrig
sein muß, um sie an die Geschwindigkeit des Digitalisierers
und des digitalen Signalprozessors anzupassen.
Eine zweite Lösung für dieses Problem nach dem Stand der
Technik ist bei D. C. Cox, IEEE Transactions on Communications,
Dezember 1974, Seiten 1942-1945, dargelegt. Dieses
System erzeugt a(t) = arcsin[q(t)], in dem mit einer geringen
Leistung und einem phasen- und amplitudenmodulierten Ein
gangssignal Vin = q(t)Vinsin[ωt + m(t)] bei der Endfrequenz
begonnen wird. Dieses Signal wird parallel durch einen Be
grenzer, um eine konstante Hüllkurve und ein ausschließlich
phasenmoduliertes Signal u = Usin[ωt + m(t)] zu erzeugen, und
einen Hüllkurvendetektor, um eine Basisbandkopie der Ampli
tudenmodulation q(t) zu erzeugen, verarbeitet. Ferner wird
eine Rückkopplungsschleife, die einen Phasenmodulator, der
einen Phasendetektor speist, einschließt, verwendet. Der
Phasenmodulator moduliert das Signal von dem Begrenzer
u = Usin[ωt + m(t)] durch ein verstärktes Fehlersignal, wodurch
die Phasendetektorausgabe veranlaßt wird, q(t) zu folgen.
Dies implementiert eine inverse Sinusfunktion, so daß das
Signal am Eingang des Phasenmodulators V1 = Vsin[ωt + m(t)] be
trägt, wobei a(t) = arcsin[q(t)], wenn es von dem konstanten
Hüllkurvenverstärker verstärkt wird. Das Signal V2 mit einem
Phasenwinkel -a(t) wird in ähnlicher Art und Weise hergelei
tet.
Dieser Lösungsansatz hat zwei Nachteile. Erstens ist er für
Modulationsschemata nicht geeignet, bei denen der Träger
zeitweise eine Null-Amplitude annimmt, wie zum Beispiel BPSK
(BPSK = Binary Phase Shift Keying = Binäre Pulslagenmodula
tion) und QPSK (Quaternary Phase Shift Keying = Quartäre
Pulslagenmodulation). Der Begrenzer, der u = Usin[ωt + m(t)]
liefert, verliert sein Ausgangssignal während der Null-Amp
lituden-Trägerperiode. Zweitens erscheinen alle Amplituden-
und Phasenfehler im Leistungsverstärker als Verzerrung am
Leistungskombiniererausgang.
Eine dritte bekannte Lösung für dieses Problem ist bei D. C.
Cox und R. P. Leck, "Component Signal Separation and Recombi
nation for Linear Amplification with Nonlinear Components",
IEEE Transactions on Communications, November 1975, Seiten
1281-1287, geboten. Dieses System verwendet im wesentlichen
das gleiche Verfahren wie die oben beschriebene Veröffentlichung
von Cox, mit der Ausnahme, daß eine Frequenzmulti
plikation verwendet wird. Diese Frequenzmultiplikation ver
kleinert den Betriebsbereich und verbessert folglich die
Linearität des Phasenmodulators. Der Phasenmodulator wird
durch eine Frequenz getrieben, die gleich einem Drittel der
Betriebsfrequenz (ω/3) ist, wobei seine Ausgangsfrequenz
danach in einem Frequenzmultiplizierer mit 3 auf ω multi
pliziert wird. Da bei der Frequenzmultiplikation Phasenän
derungen multipliziert werden, arbeitet der Phasenmodulator
über ein Drittel des Phasenwinkelbereichs, der von a(t) ge
fordert wird. Ungünstigerweise leidet dieser Lösungsansatz
unter den gleichen Problemen wie die, die oben mit Bezugnah
me auf den ursprünglichen Vorschlag von Cox beschrieben
sind.
Ein vierter bekannter Versuch, dieses Problem zu lösen, ist
bei Leon Couch "A VHF Linc Amplifier", Conference Procee
dings IEEE Southeastcon '82, April 4-7, 1982, beschrieben.
In diesem System wird eine analoge Signalverarbeitung ver
wendet, um die I- und Q-Komponenten sowohl von V1 als auch
von V2 in einer Art und Weise zu entwickeln, die analog zu
der ist, die in der Schrift von Casadevall beschrieben ist.
Die Schaltungen trennen das Eingangssignal zuerst in ein
limitiertes phasenmoduliertes Signal und ein Basisband-Hüll
kurvensignal. Das Hüllkurvensignal wird durch verschiedene
Schaltkreise, die einen Quadrier- und Quadratwurzel-Schalt
kreis einschließen, behandelt. Diese Lösung leidet unter den
gleichen Nachteilen wie die Systeme, die von Cox entwickelt
wurden. Zusätzlich sind eine analoge Quadrier- und eine ana
loge Quadratwurzel-Schaltung erforderlich, wodurch sowohl
System-Kosten als auch -Komplexität erhöht werden.
Schließlich lehrt A. Bateman, "The Combined Analogue Locked
Loop Universal Modulator (CALLUM)", IEEE Vehicular Techno
logy Conference Digest, 1992, Seiten 759-763, ein System,
das V1 und V2 aus den I- und Q-Basisbandkomponenten des Ein
gangssignals erzeugt. Bei dieser Schaltung werden Niederlei
stungsfassungen von V1 und V2 durch zwei spannungsgesteuerte
Oszillatoren (VCOs; VCO = Voltage Controlled Oscillator) er
zeugt. Der Frequenzsteuereingang jedes VCOs ist so gesteu
ert, daß für V1 und V2 die richtige Frequenz und Phase er
zeugt werden. Dies wird durch Erzeugen von I- und Q-Signalen
von dem Ausgangssignal, das durch die Addition von V1 und V2
erhalten wird, erreicht. Diese I- und Q-Signale werden mit
den ursprünglichen I- und Q-Eingangssignalen verglichen. Je
der Fehler zwischen verglichenen Signalen wird verstärkt und
steuert den Frequenzsteuereingang des VCO, wobei der Fehler
auf Null getrieben wird.
Der Lösungsansatz hat ebenfalls zwei Nachteile. Erstens muß
für einen vollen Vier-Quadranten-Betrieb der CALLUM-Modula
tor (CALLUM = Combined Analogue Locked Loop Universal Modu
lator = kombinierter analoger Universalmodulator mit ge
schlossener Schleife) mit einer Schaltmatrix komplementiert
werden, die in dem Papier nicht beschrieben ist. Ferner kann
der CALLUM-Modulator nicht einfach an die Stelle herkömmli
cher Leistungsverstärker treten, da er I- und Q-Basisband
eingaben benötigt.
Die DE 31 11 729 C2 betrifft eine Anordnung zum Verstärken
eines modulierten Trägersignals, die eine Schaltung umfaßt,
die zwei Signale aus einem Eingangssignal erzeugt, wobei
sich jedoch ein erstes Signal entsprechend der Hüllkurve des
amplitudenmodulierten Eingangssignals verändert, und wobei
ein zweites Signal einen Phasenfehler zwischen dem
Ausgangssignal und dem Eingangssignal darstellt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbes
erte Schaltung zum Erzeugen von phasen- und amplitudenmodu
lierten Signalen mit einem hohen Wirkungsgrad zu erzeugen,
bei der Amplituden- oder Phasen-Fehler in den Leistungsver
stärkern nicht als Verzerrungen der Leistungskombinierer
ausgabe auftreten, die ferner einfach an die Stelle eines
herkömmlichen HF-Leistungsverstärkers treten kann.
Diese Aufgabe wird durch einen Leistungsverstärker nach Pa
tentanspruch 1 und nach Patentanspruch 8 gelöst.
Die vorliegende Erfindung ist ein Leistungsverstärker mit
einem Verstärkungsfaktor G zum Erzeugen eines Ausgangssig
nals aus einem amplituden- und phasenmodulierten Niederlei
stungssignal als Eingangssignal. Der Leistungsverstärker er
zeugt ein erstes und ein zweites Signal konstanter Hüllkur
ve. Jedes Signal konstanter Hüllkurve weist die gleiche Frequenz
wie das Eingangssignal auf. Das erste Signal konstan
ter Hüllkurve hat die gleiche Amplitude wie das zweite Si
gnal konstanter Hüllkurve, unterscheidet sich jedoch phasen
mäßig von dem ersten Signal konstanter Hüllkurve um einen
Betrag, der von der Amplitude des Eingangssignals abhängt.
Das Ausgangssignal wird durch vektorielle Addition des er
sten und des zweiten Signals konstanter Hüllkurve erzeugt.
Der Verstärker besitzt eine Verstärkungsrückkopplungsschlei
fe, die durch Bestimmen der Amplitudendifferenz zwischen dem
Eingangssignal und einem Signal, das eine Amplitude auf
weist, die um den G-fachen Wert kleiner ist als die Amplitu
de des Ausgangssignals, arbeitet. Die Phasendifferenz zwi
schen dem ersten und dem zweiten Signal konstanter Hüllkurve
wird verändert, so daß die bestimmte Amplitudendifferenz re
duziert wird. Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung wird ferner die Phasendifferenz zwischen dem Ein
gangs- und Ausgangs-Signal gemessen. Die Phasendifferenz
wird verwendet, um eine Phasenerhöhung zu bestimmen, die zu
beiden Signalen konstanter Hüllkurve addiert wird, um die
gemessene Phasendifferenz zwischen dem Eingangs- und Aus
gangs-Signal zu eliminieren.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines Leistungsverstär
kers gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ein schematisches Diagramm eines Ausführungsbei
spiels der vorliegenden Erfindung mit einer Pha
senkorrekturschleife;
Fig. 3 die Phasen- und Amplituden-Beziehungen zwischen
verschiedenen Signalen, die von Komponenten des
Leistungsverstärkers, der in Fig. 2 gezeigt ist,
erzeugt werden;
Fig. 4 ein schematisches Diagramm eines zweiten Ausfüh
rungsbeispiels der vorliegenden Erfindung mit ei
ner Phasenkorrekturschleife;
Fig. 5 ein schematisches Diagramm eines dritten Ausfüh
rungsbeispiels der vorliegenden Erfindung mit ei
ner Phasenkorrekturschleife; und
Fig. 6 ein schematisches Diagramm eines Leistungskombi
nierers, der in Verbindung mit der vorliegenden
Erfindung verwendet werden kann.
Es sei nun Fig. 1, die ein Blockdiagramm eines Leistungsver
stärkers 100 gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, be
trachtet. Der Leistungsverstärker 100 trennt zuerst die
Phasenmodulation und die Amplitudenmodulation des Niederlei
stungseingangssignals vin = q(t)Vinsin[ω(t) + m(t)] unter Ver
wendung eines Begrenzers 101 und eines Hüllkurvendetektors
102. Damit der Begrenzer ordnungsgemäß arbeitet, darf die
Hüllkurve der Eingangssignalform niemals auf Null abnehmen.
Die Ausgabe des Begrenzers 101 ist ein Signal mit der glei
chen Phasenmodulation wie das Eingangssignal vin, jedoch mit
einer konstanten Hüllkurve. Das Ausgangssignal des Begren
zers 101 wird das erste Signal konstanter Hüllkurve und das
Ausgangssignal des Begrenzers 101, das durch einen Phasen
schieber 128 um 90 Grad phasenverschoben ist, wird das zwei
te Signal konstanter Hüllkurve. Das Ausgangssignal des Be
grenzers 101 wird über eine spannungsgesteuerte Verstär
kungszelle 103 zu ersten Eingängen 104 und 105 von Summier
schaltungen 106 und 107 geführt. Die Summierschaltung 106
erzeugt ein Signal, das die gewichtete Summe des ersten und
des zweiten Signals konstanter Hüllkurve ist, wobei die Ge
wichtungsfaktoren durch die Verstärkungszellen 103 und 108
eingeführt werden. Das Ausgangssignal des Begrenzers 101
wird ebenfalls über den 90 Grad-Phasenschieber 128 und die
spannungsgesteuerte Verstärkungszelle 108 zu einem zweiten
Eingang 109 der Summierschaltung 106 geführt. Dieses Signal
wird ferner über einen invertierenden Verstärker mit einem
Verstärkungsfaktor Eins 110 zu einem zweiten Eingang 111 der
Summierschaltung 107 geführt. Die Summierschaltung 107 er
zeugt die gewichtete Differenz des ersten und des invertier
ten zweiten Signals konstanter Hüllkurve. In diesem Fall
sind die Gewichtungsfaktoren die gleichen wie die, die von
der Summierschaltung 106 verwendet werden.
Die Ausgangssignale der Summierschaltungen 106 und 107 trei
ben jeweils einen von zwei Leistungsverstärkern 114 und 115
über einen Begrenzer 112 bzw. 113. Die Begrenzer 112 und 113
stellen sicher, daß die Leistungsverstärker von Signalen
konstanter Amplitude betrieben werden. Die Ausgangssignale
V1 und V2 konstanter Amplitude der zwei Leistungsverstärker
werden im Leistungskombinierer 116 zu einem einzelnen ampli
tuden- und phasenmodulierten Ausgangssignal Vout kombiniert,
das die Antenne oder eine andere nützliche Last speist.
Die Art und Weise, auf die ein Leistungskombinierer 116 auf
gebaut ist, wird nachfolgend detaillierter erörtert. Zum
Zweck dieser Erörterung ist es ausreichend, zu bemerken, daß
der Leistungskombinierer 116 die Ausgangssignale der Lei
stungsverstärker 114 und 115 vektoriell addiert.
Das Ausgangssignal Vout des Leistungskombinierers 116 wird
über ein Dämpfungsglied 117 zu einem Hüllkurvendetektor 118
geführt, der ein Basisbandsignal V118 erzeugt, das gleich
der Amplitudenmodulations-Hüllkurve des gedämpften Ausgangs
signals Vout ist. Die Dämpfung des Dämpfungsglieds 117 ist
gleich der gewünschten Gesamtspannungsverstärkung G der
Schaltung. Der Hüllkurvendetektor 102 erzeugt ein Basisband
signal V102 das gleich der Amplitudenmodulations-Hüllkurve
des Eingangssignals vin ist. Die zwei Basisbandsignale wer
den in einem Differenzverstärker 119 großer Verstärkung mit
den komplementären Ausgängen X und Y verglichen. Es sollte
bemerkt werden, daß der Leistungskombinierer 116 V1 und V2
kombinieren kann, um Vout durch Vektorsummation von V1 und
V2 oder durch Finden der Vektordifferenz zu bilden. Die
Spannung an den Ausgängen X und Y folgt der folgenden Abhän
gigkeit:
Vy = Vo + Avd
und
Vx = Vo - Avd (1)
in dem Fall, in dem Vout die Vektorsumme von V1 und V2 ist.
Wenn der Leistungskombinierer 116 die Signale durch Finden
der Vektordifferenz kombiniert, folgt:
Vy = V0 - Avd
und
Vx = V0 + Avd (2)
Hierbei gilt vd = V102 - V118. A ist die Verstärkung des Ver
stärkers 119 und V0 ist die Gleichtaktspannung. Daher ist
für jedes vd die Summe von Vx und Vy 2 V0. Wenn vd = 0 folgt
Vx = Vy = V0. Außerdem sind die Ausgangsspannungen der Summierer
106 und 107 groß genug gewählt, um die Begrenzer 112 und 113
in Sättigung zu treiben. Die Spannung Vy treibt die Steuer
eingabe der spannungsgesteuerten Verstärkungszelle 103, und
die Spannung Vx treibt die Steuereingabe der spannungsge
steuerten Verstärkungszelle 108. Diese Rückkoppelschleife
stellt sicher, daß alle Amplitudenfehler in den Leistungs
verstärkern nicht als Verzerrungen am Leistungskombinierer
ausgang erscheinen.
Es sei angenommen, daß vin nur amplitudenmoduliert ist. Es
ist vorausgesetzt, daß die Ausgangsspannung Vout des Lei
stungskombinierers 116 das Ergebnis der Vektoraddition von
V1 und V2 im Leistungskombinierer 116 ist. Wenn die Ampli
tude des Ausgangsträgers Vout kleiner ist als der G-fache
Wert der Amplitude des Eingangssignals Vin, ist das Signal
V118 das durch den Hüllkurvendetektor 118 erzeugt wird,
kleiner als das Signal V102, das durch den Hüllkurvendetek
tor 102 erzeugt wird. Dies vergrößert Vy und verkleinert Vx
an den Ausgängen des Verstärkers 119. Folglich nimmt der
Phasenwinkel zwischen den Ausgaben der Verstärker 114 und
115 ab. Dies hat eine Zunahme der Spannung Vout des Lei
stungskombinierers zur Folge, wodurch der Fall korrigiert
wird, bei dem die Ausgabe des Leistungskombinierers zu klein
war. Wenn die Amplitude des Ausgangs des Leistungskombinie
rers 116 über den G-fachen Wert der Amplitude des Eingangs
signals vin zunimmt, nimmt Vy ab und Vx nimmt zu, was zu
einer Vergrößerung des Phasenwinkels zwischen V1 und V2
führt. Dies reduziert dann wieder die Ausgangsamplitude des
Leistungskombinierers 116.
Wenn die Ausgangsspannung des Leistungskombinierers 116 eine
Folge der Subtraktion von V1 und V2 ist, ist der Betrieb des
Verstärkers 119 durch die Gleichung (2) gegeben. In diesem
Fall wird Vy erniedrigt und Vx erhöht und der Amplitudenfeh
ler wird folglich korrigiert sein, wenn die Amplitude des
Ausgangssignals zu klein ist. Bei der Beschreibung des Be
triebs des Verstärkers 100 wurde vorausgesetzt, daß die Ein
gangsspannung vin nur amplitudenmoduliert war. Das heißt,
vin hat keine Phasenmodulation. Es sei der Fall betrachtet,
bei dem das Eingangssignal durch einen Phasenwinkel m(t)
phasenmoduliert ist. Das heißt:
vin = q(t)Vsin[ω(t) + m(t)]
Eine konstante oder sich geringfügig ändernde Phasendiffe
renz zwischen der Eingangsspannung vin und der Ausgangs
spannung des Leistungskombinierers 116, die zum Beispiel
durch die Verzögerung in allen Schaltungen zwischen dem Be
grenzer 101 und dem Ausgangstor des Kombinierers 116 bewirkt
wird, ändert den Betrieb des Verstärkers 100 nicht. Jedoch
würden zusätzliche, schnelle, amplitudenabhängige Phasen
fehler F(t) zwischen dem Eingangssignal vin und der Ausgabe
des Leistungskombinierers 116, die durch dynamische parasi
täre Phasenverschiebungen in den Schaltelementen des Ver
stärkers 100 verursacht werden, die Verstärkerlinearität
verschlechtern.
Die Verstärkerlinearität kann durch Hinzufügen einer Phasen
steuerschleife verbessert werden. Diese Phasensteuerschleife
hat im Gegensatz zu der Amplitudensteuerschleife ausschließ
lich Phasenfehler zu korrigieren, die im idealen Fall nicht
existieren sollten, das heißt, die benötigten Korrekturen
sollten klein sein. Bei der vorliegenden Erfindung kann je
des von zwei Verfahren zum Korrigieren der Phase verwendet
werden. Beim ersten Verfahren werden die Eingaben zu den
Leistungsverstärkern 114 und 115 durch Verändern der Gewich
tungsfaktoren, die die Eingaben der Summierschaltungen 106
und 107 steuern, eingestellt. Beim zweiten Verfahren wird
die Phase der beiden Eingaben durch Verändern der Phase der
Ausgabe des Begrenzers 101 geändert.
Ein Verstärker 200 gemäß der vorliegenden Erfindung, der ei
ne Phasensteuerschleife des ersten Typs einschließt, ist in
Fig. 2 gezeigt. Die Schaltelemente in Fig. 2, die zu den
Schaltelementen, die in Fig. 1 gezeigt sind, analoge Funk
tionen durchführen, sind mit Zahlen nummeriert, die sich um
100 von denen in Fig. 1 unterscheiden. Diese Elemente werden
hierin nicht weiter detailliert erörtert, ausgenommen sie
beziehen sich auf die Phasensteuerschleife. Grundsätzlich
liefert dieses Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin
dung einen Satz von Steuerschaltungen, der die Amplitude der
Ausgabe eines Leistungskombinierers 216 durch Ändern des
Phasenwinkels zwischen den Ausgaben von Verstärkern 214 und
215 einstellen, und einen zweiten Satz von Steuerelementen,
die die Phase der beiden Verstärkerausgaben in die gleiche
Richtung ändern, um Phasenfehler zu kompensieren.
Der Verstärker 200 umfaßt einen Phasendetektor 225, der über
ein Dämpfungsglied 217 und einen Begrenzer 224 durch das
Ausgangssignal getrieben wird. Der Begrenzer 224 löscht die
Amplitudenmodulation, erhält jedoch die gewünschte Phasenmo
dulation m(t) ebenso wie eine beliebige statische Phasenver
zögerung und eine beliebige parasitäre Phasenmodulation F(t)
der Ausgangsspannung des Leistungskombinierers 216. Der an
dere Eingang des Phasendetektors 225 wird über eine kompen
sierende Verzögerungsschaltung 229 von einem Begrenzer 201
getrieben. Die Phasenverschiebung in der Schaltung 229 ist
gleich der statischen Phasendifferenz zwischen der Ausgangs
spannung des Begrenzers 201 und der Ausgangsspannung des Be
grenzers 224 eingestellt. Da beide Eingaben des Phasendetek
tors 225 die gewünschte Phasenmodulation m(t) einschließen,
ist die Phasendifferenz, die vom Phasendetektor 225 gesehen
wird, nur F(t), wobei F(t) nun sowohl den dynamischen Pha
senfehler als auch den verbleibenden statischen Phasenfeh
ler, der durch die mangelhafte statische Phasenfehlerkompen
sation durch die Verzögerungsschaltung 229 verbleibt, ein
schließt. Die Ausgabe des Phasendetektors 225 wird durch
einen Filter 226 tiefpaßgefiltert, um eine Fehlerspannung
e(t) zu erzeugen, die das gleiche Vorzeichen wie F(t) auf
weist. Die Spannung e(t) wird durch einen Verstärker 223 mit
komplementären Ausgängen W und Z verstärkt.
Die Funktion der spannungsgesteuerten Verstärkungszelle 108,
die in Fig. 1 gezeigt ist, wurde zwischen Zellen 208 und
208' aufgeteilt. Ein invertierender Verstärker 210 wurde
ferner bezüglich des invertierenden Verstärkers 110, der in
Fig. 1 gezeigt ist, verschoben. Dies ermöglicht es, die Pha
se von V206 und V207 wie vorher in entgegengesetzte Richtun
gen zu ändern, ebenso wie in die gleiche Richtung zu ändern.
Die spannungsgesteuerte Verstärkungszelle 103, die in Fig. 1
gezeigt ist, wurde in zwei Zellen 203 und 203' aufgeteilt.
Die Zelle 203 treibt einen Eingang 204 einer Summierschal
tung 206, und die Zelle 203' treibt einen Eingang 205 einer
Summierschaltung 207. Zwischen dem Ausgang Y des Verstärkers
119 und dem Eingang 120 der spannungsgesteuerten Verstär
kungszelle 103, die in Fig. 1 gezeigt ist, wurde eine weite
re Summierschaltung 227, eingeführt. Genauso wurde zwischen
den Ausgang Y eines Verstärkers 219 und einen Eingang 220'
der Zelle 203' eine weitere Summierschaltung 227' einge
führt. Die zweiten Eingänge der Summierschaltungen 227 und
227' sind mit den Ausgängen W bzw. Z des Verstärkers 223
verbunden. Diese Verbindung ist derart gewählt, daß die Aus
gangsspannungen Vx und Vy des Verstärkers 219 und die Aus
gangsspannungen Vw und Vz des Verstärkers 223 die Größe der
Spannungen an den Eingängen 204, 205, 209, 211 der Summier
schaltung 206 und 207 gemäß folgender Tabelle ändern. Es sei
ferner Fig. 3 betrachtet, in der die Zeiger gemäß den Sig
nalmarkierungen in Fig. 2 markiert sind.
Ein Beispiel eines Verstärkers gemäß der vorliegenden Er
findung, bei dem die Phasenkorrekturschleife durch Ändern
der Phase der Ausgabe des Begrenzers 101 als Reaktion auf
beobachtete Phasenfehler arbeitet, ist in Fig. 4 mit dem
Bezugszeichen 300 gezeigt. Schaltelemente, die Funktionen
analog zu den Funktionen, die gemäß Fig. 1 beschrieben sind,
ausführen, sind mit Zahlen, die sich von den Zahlen, die in
Fig. 1 verwendet sind, um 200 unterscheiden, nummeriert und
werden hierin nicht weiter erörtert. Der Verstärker 300 ba
siert auf einer spannungsgesteuerten Verzögerungsschaltung
332, die schnell genug arbeitet, um die dynamischen Kompo
nenten des Phasenfehlers F(t) zu kompensieren. Der Verstär
ker 300 verwendet die Verzögerungsschaltung im Vorwärtspfad.
Ein Phasendetektor 325 vergleicht den Phasenunterschied zwi
schen einem Begrenzer 301 und einem Begrenzer 324 und steu
ert die Verzögerungsschaltung 332 über ein Tiefpaßfilter und
einen Verstärker 330, um die Phasendifferenz vernachlässig
bar zu halten. Ein Tiefpaßfilter 326 und der Verstärker 330
müssen eine Bandbreite durchlassen, die gleich den dynamischen
Komponenten von F(t) ist, wobei diese Komponenten je
doch in erster Näherung nicht durch die gewünschte Phasenmo
dulation m(t) beeinflußt sind.
Die spannungsgesteuerte Verzögerungsschaltung 332 kann durch
einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) ersetzt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das zu
diesem Zweck einen VCO verwendet, ist in Fig. 5 mit dem Be
zugszeichen 400 gezeigt. Schaltelemente, die Funktionen ana
log zu den Funktionen, die bezüglich Fig. 1 beschrieben
sind, durchführen, sind mit Zahlen nummeriert, die sich von
den Zahlen, die in Fig. 1 verwendet sind, um 300 unterschei
den. Bei diesem Ausführungsbeispiel hält der Ausgang eines
VCO 431, der von einem Phasendetektor 425 über ein Tiefpaß
filter 426 und einen Verstärker 430 gesteuert wird, die Pha
sendifferenz zwischen Begrenzern 401 und 424 vernachlässig
bar. Mit dem unbegrenzten Phasenbereich des VCO kann eine
Kompensation selbst für große statische Phasenfehler F(t)
geschaffen werden. Der VCO 431 muß jedoch die statischen und
dynamischen Komponenten des Phasenfehlers F(t) erzeugen,
während er ferner die gewünschte Phasenmodulation m(t) er
zeugt. VCOs mit 90 Grad-Abgriffstellen sind ohne weiters er
hältlich. Daher wurde der 90 Grad-Phasenschieber 128, der in
Fig. 1 gezeigt ist, durch eine 90 Grad-Abgriffstelle des VCO
431 ersetzt.
Es sei nun Fig. 6, die eine schematische Darstellung eines
Leistungskombinierers 500 ist. Der Leistungskombinierer 500
addiert die zwei Signale V1 und V2. Der Leistungskombinierer
500 verwendet einen Transformator 547 mit einer mittleren
Abgriffstelle, um die Addition durchzuführen. Das resultie
rende Signal wird an eine Last 517 angelegt. Reaktanzen 545
und 546 sind derart gewählt, daß die Last, die vom Lei
stungskombinierer 500 erzeugt wird, über den Bereich der
Phasenverschiebungen zwischen V1 und V2 so nah wie möglich
bei einer rein resistiven Last liegt.
Claims (10)
1. Leistungsverstärker (100; 200; 300; 400) mit einem Ver
stärkungsfaktor G zum Erzeugen eines Ausgangssignals
aus einem amplitudenmodulierten Niederleistungsein
gangssignal, der folgende Merkmale aufweist:
eine Einrichtung (101) zum Erzeugen eines begrenzten Signals mit konstanter Amplitude aus dem amplitudenmo dulierten Eingangssignal, wobei das begrenzte Signal mit konstanter Amplitude die gleiche Frequenz und Phase wie das amplitudenmodulierte Eingangssignal hat;
eine Einrichtung (128, 110, 106, 107, 112, 113) zum Erzeugen eines ersten und eines zweiten Signals kon stanter Hüllkurve aus dem begrenzten Signal konstanter Amplitude, wobei das erste und das zweite Signal kon stanter Hüllkurve die gleiche Frequenz wie das Ein gangssignal haben, wobei das zweite Signal konstanter Hüllkurve sich phasenmäßig von dem ersten Signal kon stanter Hüllkurve um einen Betrag, der von der Ampli tude des Eingangssignals abhängt, unterscheidet;
eine Einrichtung (116; 216; 316; 416; 500) zum vek toriellen Addieren des ersten und des zweiten Signals konstanter Hüllkurve, um das Ausgangssignal zu er halten;
eine Erfassungseinrichtung (102, 118, 119) zum Erfassen der Abweichung des Amplitudenverhältnisses der Aus gangs- und der Eingangssignale vom Verstärkungsfaktor G; und
eine Einrichtung (103, 108) zum Verändern der Phasen differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Signal konstanter Hüllkurve, um die durch die Erfassungsein richtung (102, 118, 119) erfasste Abweichung des Ampli tudenverhältnisses zu reduzieren.
eine Einrichtung (101) zum Erzeugen eines begrenzten Signals mit konstanter Amplitude aus dem amplitudenmo dulierten Eingangssignal, wobei das begrenzte Signal mit konstanter Amplitude die gleiche Frequenz und Phase wie das amplitudenmodulierte Eingangssignal hat;
eine Einrichtung (128, 110, 106, 107, 112, 113) zum Erzeugen eines ersten und eines zweiten Signals kon stanter Hüllkurve aus dem begrenzten Signal konstanter Amplitude, wobei das erste und das zweite Signal kon stanter Hüllkurve die gleiche Frequenz wie das Ein gangssignal haben, wobei das zweite Signal konstanter Hüllkurve sich phasenmäßig von dem ersten Signal kon stanter Hüllkurve um einen Betrag, der von der Ampli tude des Eingangssignals abhängt, unterscheidet;
eine Einrichtung (116; 216; 316; 416; 500) zum vek toriellen Addieren des ersten und des zweiten Signals konstanter Hüllkurve, um das Ausgangssignal zu er halten;
eine Erfassungseinrichtung (102, 118, 119) zum Erfassen der Abweichung des Amplitudenverhältnisses der Aus gangs- und der Eingangssignale vom Verstärkungsfaktor G; und
eine Einrichtung (103, 108) zum Verändern der Phasen differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Signal konstanter Hüllkurve, um die durch die Erfassungsein richtung (102, 118, 119) erfasste Abweichung des Ampli tudenverhältnisses zu reduzieren.
2. Leistungsverstärker (100; 200; 300; 400) nach Anspruch
1, bei dem die Einrichtung zum Erzeugen des ersten und
des zweiten Signals konstanter Hüllkurve folgende Merk
male aufweist:
eine Einrichtung (128) zum Erzeugen eines ersten und eines zweiten Komponentensignals aus dem begrenzten Si gnal wobei sich das erste und das zweite Komponentensi gnal in der Phase um einen festen Betrag unterscheiden;
eine Einrichtung (103) zum Erzeugen des ersten Signals konstanter Hüllkurve aus einer gewichteten Summe des ersten und des zweiten Komponentensignals, wobei die Gewichtungsfaktoren, die in der Summe verwendet werden, von der Abweichung des Amplitudenverhältnisses ab hängen, das durch die Erfassungseinrichtung erfaßt wird; und
eine Einrichtung (107, 110, 113) zum Erzeugen des zwei ten Signals konstanter Hüllkurve aus einer gewichteten Differenz des ersten und des zweiten Komponentensi gnals, wobei die Gewichtungsfaktoren, die in der Dif ferenz verwendet werden, von der Abweichung des Ampli tudenverhältnisses abhängen.
eine Einrichtung (128) zum Erzeugen eines ersten und eines zweiten Komponentensignals aus dem begrenzten Si gnal wobei sich das erste und das zweite Komponentensi gnal in der Phase um einen festen Betrag unterscheiden;
eine Einrichtung (103) zum Erzeugen des ersten Signals konstanter Hüllkurve aus einer gewichteten Summe des ersten und des zweiten Komponentensignals, wobei die Gewichtungsfaktoren, die in der Summe verwendet werden, von der Abweichung des Amplitudenverhältnisses ab hängen, das durch die Erfassungseinrichtung erfaßt wird; und
eine Einrichtung (107, 110, 113) zum Erzeugen des zwei ten Signals konstanter Hüllkurve aus einer gewichteten Differenz des ersten und des zweiten Komponentensi gnals, wobei die Gewichtungsfaktoren, die in der Dif ferenz verwendet werden, von der Abweichung des Ampli tudenverhältnisses abhängen.
3. Leistungsverstärker (100; 200; 300; 400) gemäß Anspruch
1 oder 2, der ferner folgende Merkmale aufweist:
eine Einrichtung (224, 225) zum Messen der Phasendiffe renz zwischen dem Ausgangssignal und dem Eingangssi gnal; und
eine Einrichtung (223, 226) zum Ändern der Phase des Ausgangssignals als Reaktion auf die von Null verschiedene Differenz, die durch die Meßeinrichtung gemessen wird, um die Phasendifferenz zu reduzieren.
eine Einrichtung (224, 225) zum Messen der Phasendiffe renz zwischen dem Ausgangssignal und dem Eingangssi gnal; und
eine Einrichtung (223, 226) zum Ändern der Phase des Ausgangssignals als Reaktion auf die von Null verschiedene Differenz, die durch die Meßeinrichtung gemessen wird, um die Phasendifferenz zu reduzieren.
4. Leistungsverstärker (100; 200; 300; 400) nach Anspruch
3, bei dem die Einrichtung zum Ändern der Phase des
Ausgangssignals eine Einrichtung zum Ändern der Phase
beider Signale konstanter Hüllkurve in die gleiche
Richtung um einen Betrag, der von der gemessenen Pha
sendifferenz abhängt, aufweist.
5. Leistungsverstärker (100; 200; 300; 400) nach Anspruch
2, der ferner folgende Merkmale aufweist:
eine Einrichtung (224, 225) zum Messen der Phasendif ferenz zwischen dem Ausgangssignal und dem Eingangssi gnal;
eine Einrichtung zum Ändern der Phase des Ausgangssi gnals als Reaktion auf die von Null verschiedene Diffe renz, die durch die Meßeinrichtung gemessen wird, um die Phasendifferenz zu reduzieren,
wobei die Einrichtung zum Ändern der Phase von beiden Signalen konstanter Hüllkurve eine Einrichtung (223) umfaßt, um die Gewichtungsfaktoren zu ändern, die in den gewichteten Summen und Differenzen als Reaktion auf die Phasendifferenz, die durch die Meßeinrichtung ge messen wird, verwendet werden.
eine Einrichtung (224, 225) zum Messen der Phasendif ferenz zwischen dem Ausgangssignal und dem Eingangssi gnal;
eine Einrichtung zum Ändern der Phase des Ausgangssi gnals als Reaktion auf die von Null verschiedene Diffe renz, die durch die Meßeinrichtung gemessen wird, um die Phasendifferenz zu reduzieren,
wobei die Einrichtung zum Ändern der Phase von beiden Signalen konstanter Hüllkurve eine Einrichtung (223) umfaßt, um die Gewichtungsfaktoren zu ändern, die in den gewichteten Summen und Differenzen als Reaktion auf die Phasendifferenz, die durch die Meßeinrichtung ge messen wird, verwendet werden.
6. Leistungsverstärker (100; 200; 300; 400) nach Anspruch
3, bei dem die Einrichtung zum Ändern der Phase des
Ausgangssignals eine variable Verzögerungsschaltung
(223) mit einer Verzögerung umfaßt, die durch die Pha
sendifferenz, die durch die Meßeinrichtung gemessen
wird, bestimmt ist.
7. Leistungsverstärker (100; 200; 300; 400) nach Anspruch
1, bei dem die Einrichtung zum Erzeugen des begrenzten
Signals einen spannungsgesteuerten Oszillator (431) mit
einer Ausgabe umfaßt, die durch die Phasendifferenz
zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal be
stimmt ist.
8. Leistungsverstärker (100; 200; 300; 400) mit einem Ver
stärkungsfaktor G zum Erzeugen eines Ausgangssignals
aus einem amplitudenmodulierten Niederleistungsein
gangssignal, der folgende Merkmale aufweist:
eine Einrichtung (101, 128) zum Erzeugen eines ersten und eines zweiten begrenzten Signals aus dem amplitu denmodulierten Eingangssignal, wobei das erste und das zweite begrenzte Signal jeweils eine feste Amplitude haben und die gleiche Frequenz wie das amplitudenmodu lierte Eingangssignal haben, wobei das erste begrenzte Signal eine feste Phasenbeziehung zu dem amplitudenmo dulierten Eingangssignal hat, wobei sich das erste und das zweite begrenzte Signal in der Phase um einen fe sten Betrag unterscheiden;
eine Einrichtung (128, 110, 106, 107, 112, 113) zum Er zeugen eines ersten Signals konstanter Hüllkurve aus einer gewichteten Summe des ersten und des zweiten be grenzten Signals und zum Erzeugen eines zweiten Signals konstanter Hüllkurve aus einer gewichteten Differenz des ersten und des zweiten begrenzten Signals unter Verwendung von Gewichtungsfaktoren;
eine Einrichtung (116; 216; 316; 416; 500) zum vektori ellen Addieren des ersten und des zweiten Signals kon stanter Hüllkurve, um das Ausgangssignal zu erhalten; und
eine Erfassungseinrichtung (102, 118, 119) zum Erfassen der Abweichung des Amplitudenverhältnisses der Aus gangs- und der Eingangssignale vom Verstärkungsfaktor G, wobei die Gewichtungsfaktoren von der durch die Erfassungseinrichtung (102, 118, 119) erfaßten Amplitu denabweichung abhängen.
eine Einrichtung (101, 128) zum Erzeugen eines ersten und eines zweiten begrenzten Signals aus dem amplitu denmodulierten Eingangssignal, wobei das erste und das zweite begrenzte Signal jeweils eine feste Amplitude haben und die gleiche Frequenz wie das amplitudenmodu lierte Eingangssignal haben, wobei das erste begrenzte Signal eine feste Phasenbeziehung zu dem amplitudenmo dulierten Eingangssignal hat, wobei sich das erste und das zweite begrenzte Signal in der Phase um einen fe sten Betrag unterscheiden;
eine Einrichtung (128, 110, 106, 107, 112, 113) zum Er zeugen eines ersten Signals konstanter Hüllkurve aus einer gewichteten Summe des ersten und des zweiten be grenzten Signals und zum Erzeugen eines zweiten Signals konstanter Hüllkurve aus einer gewichteten Differenz des ersten und des zweiten begrenzten Signals unter Verwendung von Gewichtungsfaktoren;
eine Einrichtung (116; 216; 316; 416; 500) zum vektori ellen Addieren des ersten und des zweiten Signals kon stanter Hüllkurve, um das Ausgangssignal zu erhalten; und
eine Erfassungseinrichtung (102, 118, 119) zum Erfassen der Abweichung des Amplitudenverhältnisses der Aus gangs- und der Eingangssignale vom Verstärkungsfaktor G, wobei die Gewichtungsfaktoren von der durch die Erfassungseinrichtung (102, 118, 119) erfaßten Amplitu denabweichung abhängen.
9. Leistungsverstärker (100; 200; 300; 400) nach Anspruch
8, der ferner folgende Merkmale aufweist:
eine Einrichtung (224, 225) zum Messen der Phasendif ferenz zwischen dem Ausgangssignal und dem Eingangssi gnal; und
eine Einrichtung zum Ändern der Phase des Ausgangssi gnals als Reaktion auf die von Null verschiedene Pha sendifferenz, die durch die Meßeinrichtung gemessen wird, um die Phasendifferenz zu reduzieren.
eine Einrichtung (224, 225) zum Messen der Phasendif ferenz zwischen dem Ausgangssignal und dem Eingangssi gnal; und
eine Einrichtung zum Ändern der Phase des Ausgangssi gnals als Reaktion auf die von Null verschiedene Pha sendifferenz, die durch die Meßeinrichtung gemessen wird, um die Phasendifferenz zu reduzieren.
10. Leistungsverstärker (100; 200; 300; 400) nach Anspruch
9, bei dem die Einrichtung zum Ändern der Phase des
Ausgangssignals eine Einrichtung (223) umfaßt, um die
Phase beider Signale konstanter Hüllkurve in dieselbe
Richtung um einen Betrag zu ändern, der von der ge
messenen Phasendifferenz abhängt.
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