DE102006006875B3 - Linear amplification arrangement for load-path HF signals, has voltage for non-linear amplifiers supplied from third amplifier for load-pass filter component of HF signal envelope - Google Patents

Linear amplification arrangement for load-path HF signals, has voltage for non-linear amplifiers supplied from third amplifier for load-pass filter component of HF signal envelope Download PDF

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Abstract

A linear amplification arrangement uses two non-linear amplifiers and a load-side power addition circuit and drive unit. The supply voltage for the non-linear amplifiers is supplied by a third amplifier, and the drive unit generates a phase-angle with a cosine function formed from the envelope of the HF signal and the load-pass filter-component of the envelope, with signal phases of the control unit for the amplifiers differing by double the contact unit phase-angle.

Description

Stand der TechnikState of technology

Kommunikationssysteme verwenden immer häufiger komplexe Modulationsverfahren, bei denen sowohl die Phase als auch die Amplitude moduliert wird. Beispiele sind OFDM oder Einzelträgerverfahren mit hoher Modulationsstufe, z. B. 64-QAM. Auch bei Modulationsverfahren mit konstanter Amplitude entsteht bei Verwendung räumlicher Vorverzerrungsverfahren eine zusätzliche Modulation der Signaleinhüllenden.Communication systems are increasingly using complex modulation techniques in which both the phase and the amplitude are modulated. Examples are OFDM or single carrier method with high modulation level, z. Eg 64-QAM. Even with constant amplitude modulation methods, additional spatial modulation of the signal envelope occurs when using spatial predistortion techniques.

Die Leistungsverstärker der Sender haben die Aufgabe, diese Signale mit ausreichender Linearität bei gutem Wirkungsgrad zu verstärken. Da solche linearen Verstärker in der Regel im A-Betrieb arbeiten, haben sie nur einen kleinen Wirkungsgrad, z.B. 4 % bei einem typischen DAB-Leistungsverstärker. Eine Alternative zum klassischen A-Betrieb ist das bei Hochleistungssendern häufig anzutreffende EER- bzw. Kahn-Verfahren, das bei nicht zu großen Signalbandbreiten (bis etwa 1 MHz) einen guten Wirkungsgrad (> 70 %) liefert. Im idealen Fall entsteht hierbei sogar keine Verlustleistung. Die Einschränkung in der Bandbreite ergibt sich daraus, dass das Verfahren nur dann sinnvoll ist, wenn die Verstärkung der Einhüllenden auf Soll-Leistungsniveau durch effektive Schaltverstärker erfolgt, deren Schaltfrequenz deutlich höher als der oberste Spektralanteil der Einhüllenden sein muss. Da Letzterer meisten größer ist als die Signalbandbreite, können nur begrenzte Modulationsbandbreiten verarbeitet werden. Um dieses Problem zu umgehen, wird in einem U.S.Patent das Spektrum der Einhüllenden in einen Tiefpass- und einen Hochpassanteil aufgeteilt. Das Tiefpass-Signal wird mit einem Schaltverstärker und das mittelwertfreie Hochpass-Signal mit einem B-Klasse-Verstärker auf die notwendige Ausgangsleistung gebracht. Die Addition der beiden Signale wird gemäß dem Kahn-Verfahren zur Versorgung des Kollektors eines mit der Trägerfrequenz geschalteten Transistors verwendet.The power amplifiers of the transmitter have the task to amplify these signals with sufficient linearity with good efficiency. Since such linear amplifiers usually work in A-mode, they have only a low efficiency, eg 4% for a typical DAB Power amplifiers. An alternative to classic A-mode is the EER, which is common in high-power transmitters - or Kahn Method, which provides a good efficiency (> 70%) at not too large signal bandwidths (up to about 1 MHz). In the ideal case, this even creates no power loss. The limitation in the bandwidth results from the fact that the method only makes sense if the amplification of the envelope at nominal power level by effective switching amplifier whose switching frequency must be significantly higher than the uppermost spectral component of the envelope. Since the latter is most larger than the signal bandwidth, only limited modulation bandwidths can be processed. To work around this problem, be in a USpatent the spectrum of the envelopes divided into a low-pass and a high-pass component. The low-pass signal is brought to the necessary output power with a switching amplifier and the mean-free high-pass signal with a B-class amplifier. The addition of the two signals is used according to the Kahn method for supplying the collector of a transistor connected to the carrier frequency.

Ein Verfahren, das auch bei größeren Bandbreiten angewendet werden kann, ist das LINC-Verfahren, das auf dem Prinzip des Vektormodulators basiert. Die Einhüllende a(t) des reellen Signals wird in eine Phaseninformation ψ(t) = arc cos a(t) umgewandelt. Es werden zwei geträgerte Signale mit konstanter Amplitude generiert, die zusätzlich zur ursprünglichen Phasenmodulation die Phasen ±ψ(t) enthalten. Beide Signale können nun mit nichtlinearen Verstärkern bei der Trägerfrequenz auf die gewünschte Ausgangsleistung gebracht werden. Die anschließende Summierung der beiden Signale in einem Leistungsaddierer ergibt nach Tiefpassfilterung das ursprüngliche amplituden- und phasenmodulierte Signal. Dieses Verfahren ist vom Prinzip her verlustbehaftet. Die Verlustleistung verursacht aber im Idealfall keine thermische Belastung der Verstärker, da sie als Differenzleistung in einem externen Ausgleichswiderstand umgesetzt wird.One method that can also be used with larger bandwidths is the LINC Method based on the principle of the vector modulator. The envelope a (t) of the real signal is converted into a phase information ψ (t) = arc cos a (t). Two carrier signals with constant amplitude are generated which, in addition to the original phase modulation, contain the phases ± ψ (t). Both signals can now be brought to the desired output power with non-linear amplifiers at the carrier frequency. The subsequent summation of the two signals in a power adder yields after low-pass filtering the original amplitude and phase modulated signal. This method is inherently lossy. However, the power loss causes ideally no thermal load on the amplifier, since it is implemented as a difference in power in an external balancing resistance.

Der gesamte Wirkungsgrad eines LINC-Verstärkers hängt somit aber von der Verteilungsdichte der Einhüllenden ab. Die Verteilungsdichte hat bei OFDM-Modulation ein Maximum, das meistens mehr als 10 dB unter dem Spitzenwert liegt. Das bedeutet, dass mehr als 90% der von den beiden LINC-Verstärkern erzeugten Leistung im Ausgleichswiderstand des nachgeschalteten Leistungsaddierers verloren geht. Versuche, die Differenzleistung nach Gleichrichtung zu "recyclen", können den Wirkungsgrad verbessern, insgesamt erreicht man aber nicht den hohen Wirkungsgrad des Kahn-Verfahrens.Of the However, the overall efficiency of a LINC amplifier depends on the distribution density of the envelope from. The distribution density has a maximum in OFDM modulation, mostly more than 10 dB below the peak value. That means more than 90% of the power generated by the two LINC amplifiers in the Compensation resistance of the downstream Leistungsaddierers lost. Attempts to "recycle" the differential power after rectification, the Improve efficiency, but overall you do not reach the high Efficiency of the Kahn process.

Der geringen Bandbreite des Kahn-Verfahrens steht somit der niedrige Wirkungsgrad des LINC-Verfahrens gegenüber.Of the low bandwidth of the Kahn process is thus the low Efficiency of the LINC method opposite.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein breitbandiges Signal (z.B. Bandbreite > 10 MHz) mit möglichst großem Wirkungsgrad zu verstärken.Of the The invention has the object of providing a broadband signal (e.g. Bandwidth> 10 MHz) with preferably great Increase efficiency.

Beschreibung der erfindungsgemäßen Lösungdescription the solution according to the invention

Die erfindungsgemäße Lösung ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 beschrieben. Sie nutzt die Eigenschaft aus, dass das Spektrum der Einhüllenden eines typischen OFDM-Signals sein Maximum bei 0 Hz hat und die meiste Leistung sich im niederfrequenten Bereich befindet. Bild 1 zeigt das Blockschaltbild. a(t) ist die auf 1 normierte Einhüllende und φ(t) die Phase des Modulationssignals. ωt ist die Trägerphase. Es sei a1(t) der Zeitverlauf des tiefpassgefilterten Anteils von a(t). Die obere Grenzfrequenz des tiefpassgefilterten Anteils sei so gelegt, dass a1(t) noch mit dem leistungssparenden Pulsdauer-Prinzip verstärkt werden kann. Das so erzeugte und um V verstärkte Signal dient nach dem Kahn-Verfahren als niederfrequente Versorgungsspannung V·a1(t) von zwei Verstärkern, die nichtlinear sein dürfen und somit einen hohen Wirkungsgrad haben können. Zur Berücksichtigung des Hochpassanteils der Einhüllenden wird nun ein Signal

Figure 00030001
berechnet, das proportional der auf den Tiefpassanteil bezogenen Einhüllenden verläuft. Die positive Konstante k < 1 wird so gewählt, dass mit einer vorgebbaren Wahrscheinlichkeit das Signal a2(t) < 1 bleibt. Hieraus erhält man mit der Vorschrift ψ(t) = arc cos(a2(t)) die Phasenansteuerung der beiden LINC-Verstärker, die damit den Hochpassanteil übernimmt. Die Einhüllende des geträgerten Ausgangssignals setzt sich somit aus dem Produkt der Anteile
Figure 00030002
zusammen und beträgt somit k·V·a(t). Für den Fall längerer zeitlichen Abschnitte mit geringer Leistung sorgt das Kahn-Verfahren dafür, dass entsprechend geringe Versorgungsleistung an die Endstufe geliefert wird. Die Differenzleistung in dem Leistungsaddierer bleibt somit auch bei geringen Sendeleistungspegeln klein. Die Vorteile gegenüber dem U.S.Patent liegen in der Einsparung des B-Klasse-Verstärkers und in der Vermeidung hoher Spektralanteile in der Versorgungsspannung für die HF-Endstufe.The solution according to the invention is described by the features of patent claim 1. It exploits the property that the spectrum of the envelope of a typical OFDM signal has its maximum at 0 Hz and most of the power is in the low-frequency range. Figure 1 shows the block diagram. a (t) is the envelope normalized to 1 and φ (t) is the phase of the modulation signal. ωt is the carrier phase. Let a 1 (t) be the time course of the low-pass filtered portion of a (t). The upper limit frequency of the low-pass filtered component should be set so that a 1 (t) can still be amplified with the low-power pulse duration principle. The signal thus generated and amplified by V is used by the Kahn method as a low-frequency supply voltage V · a 1 (t) of two amplifiers, which may be non-linear and thus can have a high efficiency. To take account of the high-pass component of the envelope, a signal is now output
Figure 00030001
which is proportional to the envelope of the low-pass component. The positive constant k <1 is chosen such that the signal a 2 (t) <1 remains with a prescribable probability. From this one obtains with the instruction ψ (t) = arc cos (a 2 (t)) the phase control of the two LINC amplifiers, which thus takes over the high-pass component. The envelope of the supported output signal thus consists of the product of the components
Figure 00030002
together and is thus k · V · a (t). In the case of longer periods of low power, the Kahn process ensures that correspondingly low supply power is delivered to the final stage. The differential power in the power adder thus remains small even at low transmission power levels. The advantages over the US patent lie in the savings of the B-class amplifier and in the avoidance of high spectral components in the supply voltage for the RF power amplifier.

Claims (4)

Anordnung zur linearen Verstärkung eines bandbegrenzten Hochfrequenzsignals bestehend aus zwei nichtlinearen Verstärkern, einer nachgeschalteten Leistungsadditionsschaltung, einer Ansteuereinheit, die die beiden nichtlinearen Verstärker mit Signalen gleicher Frequenz, konstanter Amplitude und variabler Phase versorgt sowie einem Tiefpassfilter zur Erzeugung eines tiefpassgefilterten Anteils der Signaleinhüllenden, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsspannung der beiden nichtlinearen Verstärker von einem dritten Verstärker für den tiefpassgefilterten Anteil der Einhüllenden des Hochfrequenzsignals geliefert wird, dass die Ansteuereinheit einen Phasenwinkel erzeugt, dessen Kosinusfunktion bis auf einen Proportionalitätsfaktor gleich dem Quotienten gebildet aus der Einhüllenden und dem tiefpassgefilterten Anteil der Einhüllenden ist und dass die Phasen der beiden Signale der Ansteuereinheit für die beiden nichtlinearen Verstärker sich um den doppelten von der Ansteuereinheit erzeugten Phasenwinkel unterscheiden.Arrangement for the linear amplification of a band-limited high-frequency signal consisting of two non-linear amplifiers, a downstream power addition circuit, a drive unit which supplies the two non-linear amplifiers with signals of the same frequency, constant amplitude and variable phase, and a low-pass filter for generating a low-pass filtered portion of the signal envelope, characterized that the supply voltage of the two non-linear amplifiers is supplied by a third amplifier for the low-pass filtered portion of the envelope of the high-frequency signal that the drive unit generates a phase angle whose cosine function is equal to the quotient of the envelope and the low-pass filtered portion of the envelope except for a proportionality factor; that the phases of the two signals of the drive unit for the two non-linear amplifiers are about twice as high purity generated phase angle differ. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die obere Grenzfrequenz des tiefpassgefilterten Einhüllenden so niedrig gewählt wird, dass der dritte Verstärker als leistungssparender S-Klasse-Verstärker ausgeführt werden kannArrangement according to claim 1, characterized that the upper cutoff frequency of the lowpass filtered envelope chosen so low that will be the third amplifier can be designed as a low-power S-class amplifier Anordnung gemäß Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Proportionalitätsfaktor nur so groß gewählt wird, dass der Phasenwinkel noch reell bleibt.Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the proportionality factor just so big, that the phase angle still remains real. Anordnung gemäß Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die beiden nichtlinearen Verstärker als E-Klasse-Verstärker ausgeführt werden.Arrangement according to claims 1 to 3, characterized in that the two non-linear amplifier as E-class amplifier accomplished become.
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