NO311395B1 - Fremgangsmåte og krets for adaptiv kompensering av forsterkningsforvrengninger i en mikrobölgeforsterker medlinearisator - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører området knyttet til radiofrekvenssignal-overføring og nærmere bestemt en fremgangsmåte og en krets for adaptiv kompensering av forsterkningsforvrengninger i en mikrobølgeforsterker med linearisator.

Slik det er kjent oppfører oppfører en effektforsterker seg lineært, dvs. den har forsterkning og fasekarakteristikker som er konstante med inngangssignaleffekt-variasjon og generelt kun for et visst område av verdier av effekten.

I en generisk forsterker består avvikene for linearitet hovedsakelig av en forsterkningskomprimering og en økning i inngangs/utgangsfaseforskyvningen for høye inngangssignal-effektnivåer. Nevnte ulinearitet frembringer forsterket signalforvreng-ning og dermed en økning i intermodulasjonsstøy. Overføring av et slikt signal kan bevirke alvorlige ulemper for mottakerne, slik som eksempelvis en høy verdi av BER i tilfellet av digitalt modulerte signaler. For å unngå denne ulempen har der vært i bruk over en viss tid passende lineariserte kretser laget i henhold til forskjellige kretstyper, f.eks. med for-forvrenger, som hovedsakelig angår anvendelsesområdet for foreliggende oppfinnelse. Slik det er kjent omfatter en for-forvrenger ulineære elementer som for-forvrengeren og amplituden og fasen i et radiofrekvenssignal med laveffektnivået avhengig av effektnivået for nevnte signal og størrelsen av forvrengningene som forsterkeren ville innføre på det opprinnelige signalet. Nærmere bestemt blir for-forvrengnings tendenser forutinnstillet på en slik måte at de er lik og motsatte forvrengningstendensen som ellers inntroduseres på forsterkersignalet.

En for-forvrengningslinearisator har fordelen med hurtig operasjon, og er derfor særlig godt egnet oppstrøms i forhold til mikrobølgesignalforsterkerne. På den annen side, i en forsterker som er linearisert på denne måte, finnes der fortsatt mulige små forsterknings-og fasekarakteristikkvariasjoner, på grunn av endringer i driftsbetingelsene. Dette skyldes at forsterknings og faseforvrengningstendensene initielt forutinnstilles i konstruksjonsfasen og endres ikke under forsterkeroperasjonen, bortsett fra sporadiske, manuelle justeringer når det forsterkede signalet er for degradert. Ettersom nevnte tendenser nøyaktig gjengir forvrengningstendensene som er evaluert for et bestemt forsterkerarbeidspunkt, når arbeidspunktet beveger seg noe på grunn av tidligere nevnte termisk drift eller aldingsfenomenet, vil forvrengningstendensene endre seg tilsvarende og derfor ikke lenger svare nøyaktig til for-forvrengningstendensen. På den annen siden har for-forvrengningen ikke noen tilbakekoblingskonfigurasjon, dvs. i stand til å foreta de nødvendige korrigeringer automatisk. Selvfølgelig er denne ulempe mer følsomt merkbar under inngangssignaleffekttopper.

En andre mangel ved forsterkere som lineariseres av for-forvrengere oppstår fra det faktum at forsterkningen i en forsterker aldri har perfekt, flatt bånd, og derfor vil et hvilket som helst valg av en ny overføringskanal, foretatt i forsterkerens passbånd, nødvendigvis involvere en tilbakeinnstilling av forsterkningen derav for å justere den nye forsterkningen til den tidligere for-forvrengningskurven.

For å avhjelpe ulemper er det kjent lineariseringsprosedyrer og kretser basert på det faktum at det er mulig å oppnå kjennskap når forsterkeren begynner å forvrenge kun ved å observere nivåene av intermodulasjonsproduktene av en høyere orden på forsterkerens utgangen, ettersom i dette tilfellet de øker. Nevnte kjente linearisatorer innbefatter derfor et passende tilbakekoblingssystem som omfatter kretser for måling av effekten av intermodulasjonsproduktene og kretser som anvender nevnte måling til å generere et signal for korrigering av for-forvrengningskarakteristikken for å gjenvinne perfekt forsterkningslinearitet.

Hovedulempen ved nevnte linearisatorer er at der må foretas en meget nøyaktig måling av meget lave effektnivåer slik som det av intermodulasjonsproduktene. I tillegg må nevnte måling foretas innenfor godt avgrensede frekvensbånd. Det er klart at tilbakekoblingssystemet derfor må innbefatte uunngåelig kostbare og komplekse innretninger som øker forsterkerens kostnad.

I et noen få tilfeller, slik som i europeiske patentsøknad EP-A-0435578, blir nevnte lineariseringsprosedyre og kretser utsatt for en forenkling hovedsakelig bestående av å måle den gjennomsnittlige effekt av inngangs- eller utgangssignalet, og ved anvendelse av gjennomsnittsverdien for korrigering av for-forvrengningskarakteristikken, for å gjenvinne perfekt forsterkerlinearitet. Hovedulempen ved nevnte forenklede linearisatorer er at ingen nøyaktig informasjon om forvrengning oppnås ut, slik at mengden av linearisering er utilstrekkelig. En akseptable grad av linearisering bør utføres kun ved hjelp av en økning av kretsens kompleksitet.

Følgelig er formålet med den foreliggende oppfinnelse å overvinne de ovennevnte mangler og indikere en fremgangsmåte for adaptiv kompensering av nevnte forsterkningsforvrengninger i en mikrobølgeforsterker med linearisator, idet nevnte forvrengninger bevirkes hovedsakelig av fenomener som beveger forsterkerens arbeidspunkt, slik som eksempelvis termisk drift eller aldring av komponentene eller noe annet. Fremgangsmåten er anvendbar i tilfellet av modulerte signaler der effektforholdet mellom toppsignal og gjennomsnittssignal er konstant, slik som eksempelvis for digitalt modulerte signaler.

Fremgangsmåten er basert på det faktum at nevnte forhold forblir konstant endog etter forsterkningen, kun dersom linearisator/forsterkerkjeden oppfører seg lineært, idet total forsterkningskomprimering bringer en minskning i nevnte forhold målt på forsterkerens utgang, sammenlignet med den opprinnelig verdi av nevnte forhold på kjedens inngang, mens en utvidelse tilveiebringer en økning. Derfor består fremgangsmåten hovedsakelig av å måle effektforholdet mellom toppforsterket signal og gjennomsnittlig forsterket signal, og anvendelse av målingen til å endre forvrengningskarakteristikken AM/AM av linearisator-/forsterkerkjeden for å holde nevnte forhold på utgangen lik den på inngangen.

For å oppnå disse formal er hensikten med den foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for adaptiv kompensering av forsterkningsforvrengninger i en forsterker med linearisator som angitt i krav 1.

Et annet formål med den foreliggende oppfinnelse er en krets for adaptiv kompensering av forsterkningsforvrengningene hos en forsterker med linearisator som beskrevet i kravene 2-5.

En linearisert forsterker som innbefatter kompenseringskretsen ifølge den foreliggende oppfinnelse har utmerket linearitet i et bredt område av temperaturer og påvirkes ikke av aldring.

En annen fordel er at ingen forsterkningsinnstilling behøves for å klargjøre forsterkeren til å operere på en kanal valgt innenfor operasjonsbåndet.

Alle de ovennevnte fordeler er sikret ved bruk av billige, lett tilgjengelige midler.

Ytterligere formål og fordeler ved den foreliggende oppfinnelse blir klargjort fra den detaljerte beskrivelse som er gitt nedenfor i en utførelsesform derav og de vedheftede tegninger gitt i form av ikke-begrensende eksempler, og der: Fig. 1 viser et kretsskjema delvis i blokker over en forsterker med linearisator, koblet til en krets for adaptiv kompensering av forsterkningsforvrengningene som er en gjenstand ved den foreliggende oppfinnelse, og Fig. 2 viser et diagram som gir noen utgangssignal-effekttendenser hos forsterkeren i fig. 1 når nevnte kompenseirngskrets ikke er i virksomhet.

Med henvisning til fig. 1 angir AMPL en mikxobølge-effektforsterker som er koblet nedstrøms i forhold til en for-forvrengerkrets PRED til hvilken et mikrobølgesignal RFinn ankommer. En krets COMP for adaptiv kompensering av forsterkningsforvrengningene i den lineariserte forsterkeren AMP er koblet i tilbakekobling mellom utgangen på nevnte AMPL og en styrerinngang Ic på for-forvrengeren PRED.

Mikrobølgesignalet RFinn er 128-TCM digitalt modulert. Som et alternativ kan RFinn være et modulert mikrobølgesignal i henhold til en hvilken som helst QAM digital modulasjon. Mer generelt kan signalet RFinn være et hvilket som helst modulert signal der effektforholdet mellom toppsignal og gjennomsnittlig signal er konstant.

For-forvrengeren PRED i det ikke-begrensende eksempel er den som er beskrevet i italiensk patent nr. 19975A/90 inngitt 9. april 1990 i navnet av samme søker, eller i tilsvarende europeisk patentsøknad EP-A-0451909. Den omfatter en FET FT1 til hvis portelektrode ankommer signalet RFinn passende underpolarisert ved hjelp av en port-kildespenning VG for å oppnå en utvidelse av forsterkningen av FT1 for høye effektverdier av signalet RFinn. Spenningen VG er en negativ spenning lik ca. 1,5 V og således noe høyere enn kanalavslutningsspenningen for FT1. Polariseringsspenningen VG tilføres en styreinngang Ic på for-forvrengeren og kan justeres fra utsiden for bedre å gradere amplituden av forsterkningsutvidelseintervallet.

Dren-kildeutgangsspenningen Vds hos FT1 styrer en faseforskyver SF AS som inntroduserer en fase-for-forvrengning på signalutmatningen fra FT1. Størrelsen av fase-for-forvrengningen er justerbar ved hjelp av en spenning VP som tilføres fra utsiden. Det fullstendige for-forvrengte signalets utmatning fra for-forvrengeren PRED når inngangen på forsterkeren AMPL, hvis utgangssignal RFut under nominelle driftsbetingelser er fri fra forvrengninger innenfor et utvidet område av effektverdier for signalet RFinn.

Forsterkeren AMPL i eksempelet består av en mikrobølgeeffekt FET som er høyst tilgjengelig, men det er også mulig å anvende mikrobølgerør med lignende forvrengningskarakteristikker.

Kretsen COMP omfatter en omhyllet detektor ENVD tilveiebragt i kjent form for mikrobølgedrift og koblet til en enden av en linjeseksjon LN1, hvis andre ende er koblet til en jordet terminering TER. Linjeseksjonen LN1 er i sin tur koblet til en overføringsledning LN2, på hvilken utgangssignalet RFut fra forsterkeren AMPL går over.

På utgangen av detektoren ENVD finnes et signal Venv som gjengir modulasjons-omhyllingen til stede på signalet RFut. Signalet Venv når inngangene på henholdsvis en toppverdisensor PKD og en gjennomsnittsverdisensor AVD, hvilke er begge av kjent type. På utgangen hos sensoren PKD er til stede en spenning Vpk hvis tendens over tid sammenfaller med den for toppverdien av signalet Venv. Tilsvarende er det på utgangen fra sensoren AVD tilstede en spenning Vm hvis tendens over tid sammenfaller med den for gjennomsnittsverdien for signalet Venv.

Utgangen fra tpåådetektoren PKD er koblet til et potensiometer RI fra hvilket kan tas en justerbar fraksjon Vpk/k av spenningen Vpk, idet k er en delspenning tatt eksperimentelt og knyttet til typen av modulasjon av RFinn. Spenningene Vm og VpK/k når de resåeltove ikke-inverterende og inverterende innganger på en operasjonsforsterker OPI med dobbel effekttilførsel + V og -V. Utgangen på operasjonsforsterkeren OPI er koblet til midten av en fast spenningsdeler som består av seriekoblingen av to motstander R2 og R3. Motstanden R3 har en andre ende koblet til jord. Motstanden R2 har en andre ende koblet til den inverterende inngangen på en andre operasjonsforsterker OP2 med dobbel effekttilførsel +V og -V, hvis ikke-inverterende inngang er koblet til en negativ spenningsreferanse -EG. Mellom den inverterende inngangen og utgangen på opeasjonsforsterkeren OP2 er koblet en motstand R4. Utgangen OP2 er koblet til styreinngangen Ic på for-forvrengeren PRED.

Med henvisning til fig. 2 er det vist et diagram som har tre kurver A, B og C som representerer tendensene for effekten av signalet RFut (fig. 1) avhengig av det for signalet RFin, referert til kun kaskaden av blokkene PRED og AMPL i fig. 1 og derfor ekskluderende kompensasjonskretsen COMP. Kurven A oppnås under nominelle driftsbetingelser. Kurvene B og C oppnås når ovenstående betingelser ikke opptrer. Kurvene på fig. 2 angir klart hvorledes forsterkningen av kaskaden av blokker PRED og AMPL i fig. 1 endrer seg. Nærmere bestemt, i den lineære seksjonen av de tre kurvene er forsterkningen konstant og forsterkeren AMPL er perfekt linearisert i en hvilken som helst driftstilstand. I kneområdet på kurven A gjennomgår forsterkningen en uunngåelig og ikke lenger lineariserbar komprimering på grunn av metningen derav. I kneområdet av kurven B viser forsterkningen ytterligere komprimering sammenlignet med den på kurve A. Det motsatte tilfelle opptrer i kneområdet på kurve C der forsterkningen viser utvidelse sammenlignet med den på kurve A. Som allerede nevnt for et digitalt modulert signal Rfinn, er effektforholdet mellom toppsignal og gjennomsnittlig signal konstant og forblir konstant etter forsterkning kun dersom for-forvrenger/forsterkersystemet oppfører seg lineært. Dersom, hovedsakelig pga. termisk drift eller aldringsfenomener, arbeidspunktet for nevnte AMPL beveger seg, vil effektforholdet mellom toppverdi og gjennomsnittsverdi målt på utgangen av forsterkeren AMPL gjennomgå proporsjonsmessige endringer. Eksempelvis vil det på kurve B minske og på kurve C øke.

En kretsutførelse av den angjeldende fremgangsmåte strengt som angitt ville være kostbar på grunn av det faktum at fasene i fremgangsmåten er for effekt i stedet for spenningsverdier. Kretsen vil kreve bruken av logaritmiske forsterkere for å oppnå logaritmene for gjennomsnittseffekt og toppeffekt målt ved utgangen, hvoretter forholdet mellom nevnte effekter ville bli konvertert til en forskjell mellom de respektive logaritmer. Deretter ville en antilogaritmisk forsterker oppnå en verdi til å bli sammenlignet med det konstante forhold mellom inngangseffektene, idet det genereres ved et feilsignal for anvendelse ved tilbakekobling på linearisatoren og ta tendensene for kurvene B og C i fig. 2 tilbake til det som er knyttet til kurven A.

I praksis ble det foretrukket å implementere en enklere krets slik som den på fig. 1 som, mens ikke å anvende direkte den ovenstående fremgangsmåte, imidlertid er i stand til å kompensere meget godt for tapet av forsterkerlinearitet. Forenklingen var den å ha uttrykt feilen på en måte som er strengt anvendbar kun i tilfellet av null feil, idet det også anvendes spenningene Vpk og Vm i stedet for de respektive effekter. Gyldigheten av denne fremgangsmåte avhenger av det faktum at kretsen virker ved å begrense feilen Verr til en meget liten verdi.

Operativt er den første ting som må gjøres å ekskludere kretsen COMP og velge en konstant verdi -VG' av spenningen -VG, slik at under nominelle driftsbetingelser er forsterkeren AMPL fullstendig linearisert endog på toppene av signalet RFinn. Dette betyr at -VG' er spenningen som ville bli tilført direkte til inngangen Ic dersom kretsen COMP ikke var der. I dette tilfellet er forsterkningen i AMPL angitt med kurve A på fig. 2. Det er da nødvendig å innføre kompenseringskretsen COMP ved å sette -EG =

-VG' og å justere spenningsdelingsverdien k for potensiometeret RI for derved å utligne spenningen mellom de to inngangene på operasjonsforsterkeren OPI. I dette tilfellet er spenningen Verr på utgangen av operasjonsforsterkeren OPI også null og forblir dette så lenge som nominelle driftsbetingelser fortsetter. Ved åoperere som angitt ovenfor oppnås: k = Vpk/Vm, eksperimentelt bestemt ved måling av Vpk og Vm og deres forhold. Operasjonsforsterkeren OP2 er en spenningsadderer. Dens utgangsspenning -VG er lik summen av spenningen -EG og spenningen Verr invertert og på passende måte veid. Det kan derfor verifiseres at under nominelle betingelser, slik at Verr = 0, -VG = -EG = -VG' er sant og kretsen COMP vil ikke gripe inn. En hvilken som helst årsak som tar systemet utenfor de nominelle driftsbetingelsene vil gjøre at Vm * Vpk/k, dvs. at spenningen mellom inngangene på operasjonsforsterkeren OPI vil være andre enn null. Følgelig vil der på utgangen av operasjonsforsterkeren OPI være en spenningsfeil Verr ;* 0. Polaritetene av spenningen Vm, Vpk, -EG, sammen med de inverterende/ikke-inverterende polariteter hos inngangene på operasjonsforsterkerne OPI og OP2, som de ankommer til, er slike at systemet har negativ tilbakekobling. Et eksempel kan være mer forklarende: Dersom det antas at effekten ved utgangen har tendens til å bevege seg

videre til kurve B på fig. 2 vil på inngangene av operasjonsforsterkeren OPI skje at Vm større enn Vpk/k. Fremhersking av spenningen Vm på den ikke-inverterende inngangen på operasjonsforsterkeren OPI i forhold til spenningen på den inverterende inngang bringer en positiv spenning Verr på utgangen av operasjonsforsterkeren OPI. Operasjonsforsterkeren OP2 subtraherer Verr fra spenningen -EG, hvilket øker den negative verdien av -VG. Følgelig vil polariserongen av nevnte FET FT1 bevege seg mer mot kanalavslutnings-sonen ("pinch-off'-sone), hvilket bevirker større forsterknings-utvidelse av nevnte FET FT1 som kompenserer for ytterligere forsterkningskomprimering i forsterkerne AMPL på kurven B i fig. 2, hvilken således tas tilbake for å virke på kurven A. Med analoge betraktninger er det lett å verifisere også det motsatte tilfellet.

Det bør gjøres klart at forsterkningen hos operasjonsforsterkeren OPI sammenfaller omtrentlig med åpen sløyfeforsterkning, teoretisk uendelig, og derfor er kretsen COMP særlig virkningsfull ved kompensering for forsterkningsforvrengninger i forsterkeren

AMPL.

I kretsen COMP på fig. 1 er der ikke tilveiebrakt spesielle midler for å påvirke fasen av signalet RFinn for å kompenserer for eventuelle forvrengninger som introduseres på fasen av signalet RFut av samme årsaker som forvrenger forsterkningen av AMPL. Det bør imidlertid gjøres klart at i QAM-systemer er amplitudeforvrengninger langt mer kritiske enn de for fase. Dessuten, i forsøket på å kompensere for forsterkningsforvrengningene, oppnår kompenseringskretsen COMP også indirekte en delvis kompensering av faseforvrengningene.

Kompenseringskretsen COMP er i stand til å operere med hvilken som helst forsterker/linearisator av kjent type, ikke nødvendigvis mikrobølge, ettersom den genererer en styrestørrelse som virker på lineariseringsparametrene på hvilke oppførselen av den totale forsterkning avhenger. Eksempelvis, i tilfelle av diodelinealisering, kan spenningen -VG på utgangen av nevnte COMP omformes til polariseringsstrøm for diodene.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for adaptiv kompensering av forsterkningsforvrengninger i en forsterker med linearisator, som opererer på digitalt modulerte inngangssignaler eller på en hvilken som helst annen måte slik at forholdet mellom topp og gjennomsnitt av modulert signaleffekt er konstant, karakterisert ved at de følgende trinn gjennomføres i rekkefølge og med kontinuitet: deteksjon og måling av toppeffektverdi av modulasjonsomhylningen av signalet på forsterkerens utgang, deteksjon og måling av den gjennomsnittlige effektverdi av modulasjonsomhylningen av signalet på forsterkerens utgang, deling av nevnte toppeffektverdi målt ved hjelp av nevnte målte gjennomsnittseffektverdi, idet det oppnås et effektforhold evaluert på utgangen, beregning av forskjellen mellom nevnte effektforhold evaluert på utgangen og nevnte konstante topp-til-gjennomsnittseffektforhold av nevnte inngangssignalet, idet nevnte differanse danner et feilsignal, og beregning, på basis av nevnte feilsignal av korrigeringer som må foretas på én eller flere parametre av nevnte linearisato r , på hvilken nevnte forsterkning er avhengig av, for derved å nullstille eller minimalisere nevnte feilsignal.

2. Krets for adaptiv kompensering av forsterkningsforvrengninger i en mikrobølge-forsterker med linearisator, idet det opereres på digitalt modulerte inngangssignaler eller på en hvilken som helst annen måte slik at forholdet mellom topp og gjennomsnitt av modulert signaleffekt er konstant, karakterisert ved at den omfatter: en toppdetektor (PKD) koblet til utgangen på nevnte forsterker (AMPL) på hvis utgang der er en første spenning (Vpk) som måler toppverdien av utgangssignalets modulasjonsomhyIling (RFut) på nevnte forsterker (AMPL), en gjennomsnittsverdidetektor (AVD) koblet til utgangen av nevnte forsterker (AMPL) på hvis utgang er en andre spenning (Vm) som måler gjennomsnittsverdien av utgangssignalets modulasjonsomhylningen (RFut) på nevnte forsterker (AMPL), en spenningsdeler (RI) koblet til utgangen på nevnte toppdetektor (PKD), hvorfra kan tas en tredje spenning (Vpk/k) lik forholdet mellom nevnte første spenning (Vpk) og en konstant (k) hvilken avhenger av forholdet mellom toppverdien og gjennomsnittsverdien av nevnte inngangssignal (RFinn), en subtraheringskrets (OPI) som utfører forskjellen mellom nevnte andre spenning (Vm) og tredje spenning (Vpk/k) for å finne et feilsignal (Verr) som virker i negativ tilbakekobling på parametere for nevnte linearisator (PRED) på hvilken nevnte forsterkning er avhengig.

3. Krets for adaptiv kompensering av forsterkningsforvrenginger som angitt i krav 2, karakterisert ved at det mellom utgangen på nevnte forsterker (AMPL) og inngangene på nevnte toppverdidetektor (PKD) og gjennomsnittsverdidetektor (AVD) er en omhylningsdetektor (ENVD) plassert for å detektere nevnte modulasjonsomhylning (Venv).

4. Krets for adaptiv kompensering av forsterkningsforvrenginger som angitt i krav 2, karakterisert ved at nevnte subtraheirngskrets er en åpen-sløyfeforsterker (OPI) til hvis innganger ankommer hhv. nevnte andre og tredje spenninger (Vm, Vpk/k) og på hvis utgang er tilstede nevnte feilsignal (Verr).

5. Krets for adaptiv kompensering av forsterkningsforvrenginger som angitt i krav 2, karakterisert ved at den omfatter en krets (OP2) som omformer nevnte feilsignal (Verr) tatt med et passende fortegn inn i en spenning (-VG) eller inn i en polarisasjonsstrøm for et aktivt element (FT1), som danner hovedsakelig nevnte linearisator (PRED) av for-forvrengningstypen.