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Dokumentenidentifikation DE10117563B4 13.04.2006
Titel Verfahren zur Verstärkung eines amplituden- und/oder phasenmodulierten Hochfrequenzsignals nach dem Prinzip des Envelope Elimination und Restoration und Schaltungsanordnung
Anmelder Interessengemeinschaft für Rundfunkschutzrechte GmbH Schutzrechtsverwertung & Co. KG., 40210 Düsseldorf, DE
Erfinder Zschunke, Willmut, Prof. Dr., 64285 Darmstadt, DE
Vertreter Maryniok und Kollegen, 96317 Kronach
DE-Anmeldedatum 07.04.2001
DE-Aktenzeichen 10117563
Offenlegungstag 07.11.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.04.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.04.2006
IPC-Hauptklasse H03F 1/32(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H04B 1/04(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H03C 3/40(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verstärkung eines amplituden- und/oder phasenmodulierten Hochfrequenzsignals (RF-Signal) sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bekannt, dass Signale mit einer konstanten Hüllkurve sehr leistungseffizient in nichtlinearen Endstufen verstärkt werden können, was z.B. beim GSM-Verfahren ausgenützt wird. Der Verstärker kann dabei im sog. C-Betrieb betrieben werden, d.h. ohne Ruhestrom. Dadurch werden dann nur die positiven oder negativen Signalanteile zur Aussteuerung der Endstufe verwendet. Im Gegensatz dazu wird bei dem sog. A-Betrieb ein Arbeitspunkt im linearen Bereich der Verstärkerkennlinie gewählt, so dass positive und negative Signalanteile gleichermaßen verstärkt werden, wozu allerdings ein leistungsverbrauchender Arbeitspunkt gewählt werden muss. In Mobilfunkgeräten, GSM-Geräten, UMTS-Geräten und anderen ist ein leistungssparender Endstufenbetrieb Voraussetzung für die Nutzungsdauer eines Gerätes mit einer Ladung einer Batterie bzw. eines Akkumulators. Aber nicht nur für Mobilgeräte sind leistungseffiziente Endstufen von Vorteil, sondern auch bei Rundfunksendern, die die Programmsignale mit hoher Leistung abstrahlen.

Die zukünftig vermehrte Nutzung des mobilen Funknetzes durch das UMTS-System (Universal Mobile Telecommunications Systems) sowie der für das UMTS definierten Frequenzbänder wird künftig Bandbreite immer kostbarer erscheinen lassen, so dass von Modulationsverfahren mit konstanter Hüllkurve abgegangen werden wird. Um die entsprechenden amplituden- und phasenmodulierten Signale effizient verstärken zu können, kämen lineare Verstärker in Frage, die aber nicht leistungseffizient sind.

Eine Übersicht über gängige Verstärkungstechniken für Handtelefone oder mobile lineare Rundfunkleistungsverstärker sind in der Firmenbroschüre der Fa. Wireless Systems International Ltd. in Bristol, UK, (erschienen 1998) mit dem Titel „Amplifier and Transmitter Linearisation Techniques Explained" von Peter B. Kennington beschrieben.

In dieser Schrift, Abschnitt 5. „Envelope Elimination and Restoration (EE&R)", ist eine leistungseffiziente Verstärkung angesprochen, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung für Mobilfunkgeräte der nächsten Generation untersucht worden ist. Der zur Anwendung kommende hocheffiziente RF-Signal-Verstärker wirkt wie ein linearer Verstärker, ist aber aus leistungseffizienten nichtlinearen Verstärkern, z.B. der Klasse D, E oder F, zusammengesetzt.

Auch aus „PROCEEDINGS OF THE I.R.E." 1952, Seiten 803–806, sind derartige leistungseffiziente Verstärker bekannt. Das amplituden- und phasenmodulierte Signal wird in zwei Teile zerlegt: in das Hüllkurvensignal und das phasenmodulierte Signal mit konstanter Hüllkurve. Beide Signale können leistungseffizient mit Schaltverstärkern oder Klasse-C-Verstärkern verstärkt werden. Mit dem verstärkten Hüllkurvensignal wird die Verstärkung des Ausgangsverstärkers gesteuert. Dies kann z.B. über die Betriebsspannung des Verstärkers geschehen. Da zwischen beiden Spannungen im allgemeinen ein nichtlinearer Zusammenhang herrscht, ist ein Konverter vorzusehen, der in Prinzipbildern üblicherweise nicht gezeichnet wird. Die bekannte Verstärkertechnologie ist dann einsetzbar, wenn die Hüllkurve den Wert 0 nicht erreicht. Wenn die Hüllkurve hingegen zu Null wird, kann der vorgeschlagene Verstärker nicht mehr arbeiten.

In „Microwave Symposium Digest", 1999 IEEE MTT-S International, Volume 2, 1999, Seite 811–814, ist ein Verfahren nach dem Prinzip der „Envelope Elimination and Restoration" ebenfalls beschrieben. Bei diesem Verfahren werden, wie auch bei den vorher beschriebenen EE&R-Verfahren, immer das Hüllkurvensignal und das rein phasenmodulierte Signal gebildet, wobei letzteres, wie üblich, durch Begrenzung gewonnen wird. Die Wirkungsweise der in 1 auf Seite 811 angegebenen DSP-Signalquelle ist nicht näher beschrieben.

Aus dem FM-Signal werden nach den bekannten Verfahren mittels Spitzenwertdetektion ein Hüllkurvensignal und durch Begrenzung ein phasenmoduliertes Signal cos(&ohgr;0t + &phgr;(t)) gebildet. Im Falle, dass das Hüllkurvensignal gegen Null geht, ist die Bildung des phasenmodulierten Signals bei dieser Technologie mit Problemen behaftet, wie vorher schon angegeben. Ein weiteres Problem ist die Sicherstellung der notwendigen Linearität zwischen dem verstärkten Hüllkurvensignal und dem Verstärkerverhalten des FM-Verstärkers.

Aus der EP 0 193 655 A1 ist ein Einseitenbandmodulator bekannt, der in Abhängigkeit von einem modulierten NF-Signal ein phasenfreies Modulator-Amplitudensignal erzeugt, das über einen als Schaltverstärker mit Puls-Stufenmodulation ausgeführten Digital-Analog-Wandler und ein HF-Filter die Anode einer HF-Endstufenröhre in den Amplituden moduliert. Hierdurch soll ein Einseitenbandsender hohe Leistung mit nur einer Senderöhre betrieben werden können. Der Einseitenbandmodulator liefert dabei ein vorzugsweise nicht amplitudenabhängiges Modulator-Phasensignal, das dem Steuergitter der HF-Sendestufenröhre gegebenenfalls über einen Frequenzumsetzer zugeführt wird. Der Einseitenbandmodulator kann digital oder analog aufgebaut sein; er weist eingangsseitig einen Hilbert-Transformator auf, der das modulierte Eingangssignal in zwei 90° phasenverschobene Komponentensignale aufspaltet. Er weist ferner ausgangsseitig einen Amplitudenrechner, einen zyklischen Schalter mit einer Taktfrequenz, die vorzugsweise gleich der vierfachen Trägerfrequenz ist und gegebenenfalls einen Quotientenrechner mit daran anschließendem Bandpassfilter auf. Dem Eingangssignal oder den Ausgangssignalen des Hilbert-Transformators kann ein Restträgersignal beigefügt werden.

Bei dem bekannten Verfahren wird nur ein Signal n(t) übertragen, das keine Anteile bei tiefen Frequenzen haben darf, da sonst ein Hilbertfilter nur näherungsweise realisierbar ist, versagt die Schaltung für x = y = 0.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltung anzugeben, die besonders leistungseffizient für Datensignale ist und es erlaubt, modulierte Signale zu verstärken, sogar für den Fall, dass ihre Hüllkurve gegen oder durch Null geht.

Gelöst wird die Aufgabe durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren sowie durch Realisierung einer Schaltung gemäß Anspruch 8 zur Durchführung des Verfahrens.

Vorteilhafte Verfahrensschritte, die ergänzend berücksichtigt werden können, sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 angegeben. Das Verfahren ist auch für eine Signalverarbeitung für reine Amplitudenmodulation (Rundfunk) ebenfalls verwendbar. Für diesen Fall ist eines der beiden Eingangssignale (x1 oder x2) Null.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren ergänzend erläutert.

1 zeigt eine Anordnung zur allgemeinen Realisierung amplituden- und phasenmodulierter Signale durch eine Quadraturmodulation. Die Signale x1(t) und x2(t) sind beim Mobilfunkverfahren üblicherweise in Speichern (ROM) als Abtastwerte abgelegt. Die Modulation mit dem Sinus und dem Cosinus in den Multiplizierern 4 und 5 wird sinnvoller Weise so durchgeführt, dass die Trägerfrequenz ein Viertel der Abtastfrequenz beträgt. Dadurch ergeben sich nur Multiplikationen mit +1 und –1 und 0. Das bedeutet, dass Multiplikation und Addition sehr einfach werden: Es werden die Signale x1 und x2 abwechselnd durchgeschaltet, wobei sich bei jedem zweiten Wert das Vorzeichen ändert. Die beiden Ausgangssignale der Multiplizierer 4 und 5 werden im Addierer 8 zum Ausgangssignal A(t)cos(&ohgr;0t + &phgr;(t)) zusammengeführt.

2 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Bildung des Hüllkurvensignals und des phasenmodulierten Signals nach dem Prinzip von „Envelope Elimination and Restoration". Das amplituden- und phasenmodulierte Signal ist in zwei Teile zerlegt dargestellt, wobei das amplitudenmodulierte Signal das Hüllkurvensignal A(t) und das phasenmodulierte Signal cos(&ohgr;0t + &phgr;(t)) ein solches mit konstanter Hüllkurve ist. Beide Signale können leistungseffizient mit Schaltverstärkern oder Klasse-C-Verstärkern verstärkt werden. Mit dem verstärkten Hüllkurvensignal wird die Verstärkung des unteren Verstärkers gesteuert. Dies kann z.B. über die Betriebsspannung UB des Verstärkers 14 geschehen. Da zwischen beiden Spannungen im allgemeinen ein nichtlinearer Zusammenhang herrscht, ist ein Konverter 15 vorzusehen, der in Prinzipbildern üblicherweise nicht gezeichnet wird.

Realisiert wird die Signalverarbeitung zum Gewinnen eines modifizierten Eingangssignals durch Erzeugen eines Hüllkurvensignals mit der betragsbildenden Schaltung 13 und eines reinen phasenmodulierten Signals durch Division der beiden Eingangssignale x1 und x2 durch den ermittelten Betragswert A(t) der Hüllkurve. Die Amplitude A(t) wird, wie im oberen Teil der 2 gezeigt, durch Signalverarbeitung gewonnen. Nähern sich x1 und x2 dem Wert Null (A(t)→0), so ergeben sich Ausdrücke der Form 0/0. Beim Grenzübergang müssen die Eingangssignale ersetzt werden durch

Diese Ableitung wird aus den abgespeicherten Abtastwerten der Signale x durch Differenzbildung zeitlich benachbarter x-Werte gewonnen. Wenn die x-Werte unter eine nicht mehr verarbeitbare Schwelle fallen, werden statt ihrer die Differenzwerte eingesetzt. Die Berechnung der modifizierten Eingangssignale und der Amplitude A(t) kann entweder in einem DSP erfolgen oder für die vorkommenden x-Werte durch umgerechnete Signale, die in einer Tabelle abgelegt sind (Table-Look-Up), ermittelt werden. Das Ausgangssignal am Addierer 8 wird im Verstärker 14 in Abhängigkeit vom verstärkten Betragswert der Hüllkurve verstärkt.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Verstärkung eines amplituden- und/oder phasenmodulierten Hochfrequenzsignals nach dem Prinzip des „Envelope Elimination and Restoration", wobei das Hüllkurvensignal und das phasenmodulierte Signal durch Signalverarbeitung aus zwei Eingangsignalen gewonnen werden mit folgenden Verfahrensschritten:

    a) Durchführen einer Betragsdetektion
    der beiden Eingangssignale (x1, x2) mittels betragsbildender Signalverarbeitung zur Bildung eines Hüllkurvensignals


    b) Durchführen einer Divisionder
    bzw.
    der beiden Eingangsignale (x1, x2) durch den ermittelten Betragswert des Hüllkurvensignals (A(t)) nach Schritt a) zur Bildung zweier Divisionssignale
    und


    c) Durchführen einer Multiplikation des eine nach Schritt b) erhaltenen Divisionssignals
    mit sin&ohgr;0t und des anderen Divisionssignals
    mit cos&ohgr;0t;

    d) Bilden eines rein phasenmodulierten Summensignals (cos(&ohgr;0t + &phgr;(t)) aus den beiden nach Schritt c) multiplizierten Signalen;

    e) Verstärken des nach Schritt d) phasenmodulierten Summensignals durch das Hüllkurvensignal mit einem Verstärkungsfaktor (v) zur Bildung eines RF-Ausgangssignals (&ngr;A(t)cos(&ohgr;0t + &phgr;(t))).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das RF-Signal ein phasenmoduliertes Signal mit konstanter oder sich ändernder Hüllkurve ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangssignale (x1(t) und x2(t)) Abtastwerte sind.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anwendung des Verfahrens für ein rein amplitudenmoduliertes Signal eines der beiden Signale (x1 oder x2) Null ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Annäherung der Abtastwerte der Eingangssignale (x1 und x2) gegen oder durch Null oder wenn das Hüllkurvensignal (A(t)) gegen oder durch Null geht, die Eingangssignale (x1 und x2) durch mittels Differenzbildung benachbarter Abtastwerte modifizierte Eingangssignale ersetzt werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Abtastwerte der modifizierten Eingangssignale in einem digitalen Signalprozessor erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastwerte der Eingangssignale und die zugehörigen modifizierten Eingangssignale in einer Tabelle abgelegt sind und die modifizierten Eingangsabtastwerte bei Unterschreiten einer bestimmten vorgegebenen Schwelle des Amplitudenwertes des Hüllkurvensignals als Ersatzwert aus der Tabelle ausgelesen werden.
  8. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung des Hüllkurvensignals eine erste Schaltung (13) zur Betragsbildung aus den Eingangssignalen (x1 und x2) vorgesehen ist und zur Bildung des rein phasenmodulierten Signals eine zweite Schaltung vorgesehen ist, in der die Eingangssignale (x1 und x2) durch den Betragswert (A(t)) des Hüllkurvensignals dividiert und mit den Multiplizierern (4, 5) mit cos&ohgr;0t und sin&ohgr;0t multipliziert werden, wobei die Ausgangssignale an einem Addierer (8) anliegen und vom Ausgang des Addierers (8) das phasenmodulierte Signal abgreifbar ist, das mittels eines Verstärkers (14), der in Abhängigkeit von dem Hüllkurvensignal steuerbar ist, verstärkt wird.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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