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Die Erfindung betrifft einen Sender
für Funksignale,
modulierte Ausgangssignale genannt, die wenigstens amplitudenmäßig gemäß einer
diskreten Mehrzahl von vorbestimmten unterschiedlichen Amplitudengrößen auf
der Basis von digitalen Steuersignalen moduliert sind, wobei der
Sender Folgendes umfasst:
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- – Modulationsmittel
zum Konvertieren der digitalen Steuersignale in modulierte Signale,
modulierte Eingangssignale genannt,
- – Halbleiter-Leistungsverstärkungsmittel
mit wenigstens einem Leistungstransistor, von denen wenigstens ein
Ausgangsleistungstransistor modulierte Ausgangssignale ausgibt,
- – Polarisationsmittel,
die wenigstens eine Spannungsquelle umfassen und die Aufgabe haben,
jeden Leistungstransistor von Verstärkungsmitteln zu polarisieren.
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Sender für modulierte Funksignale sind
bereits seit langem bekannt und können äußerst verschiedenartig sein.
Die Modulation kann eine Phasen- und/oder Amplitudenund/oder Frequenzmodulation
sein. Bei Amplitudenmodulation und auch bei bestimmten Phasenmodulationen
haben die am Eingang des Leistungsverstärkers empfangenen und die an
seinem Ausgang anliegenden modulierten Signale eine Amplitude, die
ständig
auf diskrete Weise variiert, d. h. die einen Wert aus einer vorbestimmten diskreten
Mehrzahl von unterschiedlichen Amplitudengrößen annehmen kann.
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Daher ist man gezwungen, die Verstärkungsmittel
zu überdimensionieren
und die Leistungstransistoren mit einem starken Eingangsrückstoß zu polarisieren,
um Sättigung
zu vermeiden und es zuzulassen, dass die verschiedenen Ausgangsleistungen mit
einer hohen Linearität
anliegen. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass der Wirkungsgrad
eines Leistungstransistors für
eine bestimmte Polarisation mit der Amplitude der Signale am Eingang
und am Ausgang des Transistors variiert. Somit fällt der Wirkungsgrad des Transistors
für die
Amplitudengrößen der
schwächsten
Signale beträchtlich
ab. Ein solcher Rückgang
des Wirkungsgrads ist in allen Anwendungen äußerst nachteilig, bei denen
die Stromversorgungsquelle des Senders nicht unerschöpflich ist
und insbesondere aus Akkus oder Batterien besteht, und allgemeiner,
wenn diese elektrische Energie kostspielig ist.
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In diesen Anwendungen verzichtet
man somit bisher auf eine Modulation wie z. B. eine M-QAM Amplitudenmodulation
mit M Zuständen
trotz der erheblichen Vorteile, die sich durch eine solche Modulation
ergeben können
(insbesondere ein geringer Spektralbereich für denselben Bitrhythmus). Dies
ist besonders bei räumlichen
Systemen wie Satelliten und ganz besonders bei Mikrosatelliten der
Fall, bei denen Energiewirtschaftlichkeit und Kosten sowie das Problem
von Einfachheit und Schnelligkeit der Herstellung wesentlich sind.
Dies ist auch bei tragbaren Funkgeräten der Fall.
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Dieses Problem stellt sich allgemein
für jeden
Leistungstransistor mit Verstärkern,
aber besonders wenigstens für
(den) Ausgangsleistungstransistor(en), dessen/deren Funktion zu
einem großen
Teil die Gesamtstromaufnahme des Senders bestimmt. So ist in der
Tat bekannt, dass bei mehreren Verstärkungsstufen die Stromaufnahme
in der Ausgangsstufe am größten ist,
die die Ausgangssignale anlegt.
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Um diesem Problem abzuhelfen, wurde
eine Technik vorgeschlagen, Hüllkurveneliminierung/-restaurierung
(EER) genannt, bei der die Hüllkurve
von modulierten Ausgangssignalen des Modulators erfasst, die Hüllkurve
von modulierten Signalen mit Hilfe eines Amplitudenbegrenzers eliminiert,
der Ausgangsleistungstransistor mit einer hohen Eingangsleistung
gesättigt,
für die
Polarisation ein Hochfrequenz-PWM-Begrenzungswandler (wobei die
Grenzfrequenz viel höher
sein muss als die Frequenz der Hüllkurve
modulierter Signale) verwendet wird, der gemäß der zuvor erfassten Hüllkurve
gesteuert wird, so dass die Variation der von dem Wandler bewirkten Polarisation
eine Restaurierung der Hüllkurve
auf den modulierten Signalen am Ausgang des Ausgangsleistungstransistors
zulässt.
Diese Technik ist jedoch durch die Grenzfrequenzwerte begrenzt und lässt sich
daher nicht leicht auf sehr hohe Hüllkurvenfrequenzen anwenden,
besonders im Bereich von Massenübertragungen
von digitalen Daten (gewöhnlich
von mehreren Megabit pro Sekunde oder Dutzenden von Megabit pro
Sekunde zwischen räumlichen
Systemen – insbesondere
Satelliten – und
der Erde). Darüber
hinaus ist die Realisierung von Hüllkurvendetektor, Begrenzer
und Wandler relativ komplex – besonders
bei Massenübertragungen,
bei denen die modulierten Signale einen Ultrahochfrequenzträger haben.
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Es ist insbesondere zu bemerken,
dass, wenn die komplexe Hüllkurve
eines Ultrahochfrequenzsignals in irgendeiner Richtung den Wert
0 passiert, die Hüllkurve
des realen Signals einen Umkehrwert aufweist, so dass sich bei dieser
EER-Technik eine drastische Spannungsvariation ergibt, mit Spektralkomponenten,
deren Frequenzen äußerst hoch
sind. Darüber
hinaus erfordert diese EER-Technik eine ausgezeichnete allgemeine
Linearität
des aus Verstärkern
und Polarisationswandler bestehenden Systems über die gesamte Hüllkurvendynamik des
Signals.
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Ähnlich
lehrt das Dokument „MICROWAVE POWER
AMPLIFIER EFFICIENCY IMPROVEMENT WITH A 10 MHz HBT DC-DC CONVERTER
von Gary Hanington et al., International Microwave Symposium, Baltimore,
1998 IEEE MTT-S Digest WE2C-6 auf den Seiten 589–592 die Erfassung der Leistung
des modulierten Eingangssignals des Verstärkers mit einem RF-Koppler
und einem Hüllkurvendetektor
und die Steuerung des Wertes der Polarisationsspannung der Leistungsverstärkerstufe,
die von einem PWM-Begrenzungswandler geliefert wird. Aber auch diese
Lösung
ist frequenzmäßig begrenzt (die
modulierten Signale können
ein Variationsspektrum haben, das 2 MHz für eine Grenzfrequenz zwischen
10 und 20 MHz nicht übersteigt).
Dazu kommt, dass seine Realisierung relativ komplex ist, besonders
dann, wenn die modulierten Signale einen Ultrahochfrequenzträger haben.
Es ist in der Tat bekannt, dass die Schaltungen, die Ultrahochfrequenzsignale führen, komplex,
kostspielig und aufwändig
in der Herstellung sind. Ferner ist zu bemerken, dass jeder Fehler
oder jedes Rauschen in den modulierten Eingangssignalen am Wandler
und an der Polarisation des Leistungstransistors reflektiert wird.
Somit neigt diese Lösung
dazu, Fehler und Rauschen zu verstärken und ist daher nur wenig
genau.
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Es ist somit Aufgabe der Erfindung,
die Gesamtheit dieser Nachteile abzustellen und einen Sender wie
den eingangs erwähnten
vorzuschlagen, in dem wenigstens der/die Ausgangsleistungstransistor(en) – insbesondere
alle Leistungstransistoren – einen
Wirkungsgrad hat/haben, der optimiert bleibt, d. h. der ständig der
bestmögliche
ist, auch für
geringe Amplitudengrößen von
Eingangssignalen, und der darüber
hinaus einfach und kostenarm in der Herstellung ist und sich leicht
auf alle Frequenzbereiche von Signalträgern anwenden lässt, einschließlich dem
Ultrahochfrequenzbereich, und in allen Variationsfrequenzbereichen
von Signalen, einschließlich
für Massenübertragungen.
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Es ist somit Aufgabe der Erfindung,
die Durchführung
einer Modulation wie einer Amplitudenmodulation des Typs Quadratur-M-QAM
mit M Zuständen
zuzulassen, wobei M eine Zweierpotenz ist, so dass modulierte Signale
am Eingang von Verstärkungsmitteln
entstehen, deren Amplitude gemäß einer
diskreten Mehrzahl von Amplitudengrößen variiert, ohne die Stromaufnahme
des Senders im Vergleich zu anderen Modulationstypen erheblich zu
erhöhen,
bei denen die Amplitude der modulierten Eingangssignale wenigstens
im Wesentlichen konstant bleibt, und das auf einfache, wirtschaftliche
Weise und auf alle Frequenzbereiche anwendbar, einschließlich Ultrahochfrequenzträger und/oder
Massenübertragungen.
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Es ist insbesondere Aufgabe der Erfindung, einen
solchen Sender vorzuschlagen, der keinen Einsatz eines PWM-Begrenzungswandlers
mit hoher Grenzfrequenz erfordert und der in der Tat keine besondere
Begrenzung der Frequenz oder der Begrenzungstechnik verlangt, nicht
einmal den Einsatz einer solchen Technik, um die Polarisation von
Leistungstransistoren zu gewährleisten.
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Es ist auch Aufgabe der Erfindung,
einen solchen Sender vorzuschlagen, bei dem die Zahl der Schaltungen,
die die modulierten Signale führen
und die den Träger übertragen
oder mit seiner Frequenz kompatibel sein müssen, ebenfalls möglichst
gering ist. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, die Zahl
der ultrahochfrequenten Schaltungen des Senders zu minimieren.
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Es ist auch Aufgabe der Erfindung,
einen solchen Sender vorzuschlagen, dessen Funktion zuverlässig und
genau ist, d. h. der ein moduliertes Ausgangssignal mit fehlerfreier
Amplitudengröße liefert.
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Es ist auch Aufgabe der Erfindung,
einen solchen Sender vorzuschlagen, der insbesondere an räumliche Übertragungen
angepasst werden kann und der vorteilhafterweise auf einfache und
wirtschaftliche Weise an Bord eines Raumfahrzeugs wie z. B. eines
künstlichen
Satelliten, insbesondere eines terrestrischen Mikrosatelliten, eingebaut
werden kann.
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Dazu betrifft die Erfindung einen
Sender der eingangs erwähnten
Art, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Polarisationsmittel
so gestaltet sind, dass sie für
wenigstens einen zu polarisierenden Anschluss jedes Ausgangsleistungstransistors
der Verstärkungsmittel
eine vorbestimmte diskrete Mehrzahl von unterschiedlichen Polarisationsspannungspegeln
erzeugen, wobei jeder Polarisationsspannungspegel mit einem von
wenigstens den genannten Amplitudengrößen der modulierten Ausgangssignale
assoziiert und daran angepasst ist, und dadurch, dass er Folgendes
umfasst:
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- – Mittel,
Analysemittel genannt, deren Aufgabe es ist, in Echtzeit auf der
Basis des Momentanwertes von digitalen Steuersignalen ein Signal,
Auswahlsignal genannt, zu erzeugen, dessen Momentanwert für die momentane
Amplitudengröße repräsentativ
ist, die die zu sendenden modulierten Ausgangssignale annehmen sollen
und die diesem Momentanwert der digitalen Steuersignale entsprechen,
wobei der Momentanwert des Auswahlsignals mit den digitalen Steuersignalen
gemäß einer
diskreten Mehrzahl von Werten variiert, die anderen Amplitudengrößen der modulierten
Ausgangssignale entsprechen,
- – Kommutationsmittel,
die das Auswahlsignal empfangen und die Aufgabe haben, in jedem
Augenblick an den genannten zu polarisierenden Anschluss eine Polarisationsspannung
zu wählen
und anzulegen, die von den Polarisationsmitteln ausgegeben wird, deren
Wert gleich dem Polarisationsspannungspegel ist, der mit der Amplitudengröße assoziiert
und an diese angepasst ist, die durch den Momentanwert des Auswahlsignals
repräsentiert
wird.
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Somit kann der erfindungsgemäße Sender auf äußerst einfache
und wirtschaftliche Weise realisiert werden und benötigt insbesondere
keinen komplexen und leistungsstarken Wandler für die Polarisation von Leistungstransistoren.
Der erfindungsgemäße Sender
benötigt
ferner keine ergänzende
Schaltung zum Führen
des Trägers,
die mit der Frequenz des Trägers
kompatibel ist, insbesondere keine Ultrahochfrequenzschaltung, wenn
das Trägersignal
im Ultrahochfrequenzbereich liegt. Der erfindungsgemäße Sender
umfasst in der Tat lediglich Mittel zum Analysieren von digitalen
Steuersignalen sowie Kommutationsmittel, die im Rhythmus der Variationen
der Amplitude der modulierten Ausgangssignale gesteuert werden.
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Es ist insbesondere zu bemerken,
dass die Erfassung, die zum Anpassen der Polarisationsspannung jedes
Ausgangsleistungstransistors in Echtzeit erfolgt, keinen Einfluss
auf analoge Signale oder auf die Größe der bekannten Modulation
im Stand der Technik hat, was eine relativ komplexe Hüllkurvenerfassung
erforderte. Diese Erfassung wird im Gegenteil durch die Analysemittel
auf der Basis des digitalen Momentanwertes von digitalen Steuersignalen (Basisband),
durch eine Ermittlung – insbesondere mit
einer logischen Schaltung – der
Amplitudengröße erzielt,
die die modulierten Ausgangssignale haben müssen, um diesen digitalen Wert
zu codieren, gemäß der vom
Sender realisierten Modulation, wovon auch Charakteristiken und
Logik bekannt sind. Somit ist zwar der Momentanwert der Amplitudengröße bereits
durch die Sendekette bekannt (Modulation und D/A-Wandlung sowie
Leistungsverstärkung),
aber die Erfindung benutzt diese Ermittlung nicht (im Gegensatz
zur EER-Technik und dem oben erwähnten Dokument),
um das Auswahlsignal zu generieren, sondern benutzt spezifische
ergänzende
Analysemittel, die parallel auf logische Weise auf der Basis von digitalen
Steuersignalen (Basisband) die Amplitudengröße ermitteln und/oder berechnen,
die diesen digitalen Steuersignalen entspricht.
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Die Polarisationsmittel, die Analysemittel und
die Kommutationsmittel bilden Mittel zur Echtzeit-Adaption der Polarisationsspannung,
die durch die Polarisationsmittel erfolgt, für wenigstens einen Anschluss
jedes Ausgangsleistungstransistors von Leistungsverstärkungsmitteln
gemäß dem Momentanwert,
den die modulierten Ausgangssignale annehmen müssen. Und diese Adaption erfolgt
nicht auf der Basis der Hüllkurve
von modulierten Signalen von einer Modulationsschaltung, sondern
auf der Basis von zu sendenden digitalen Steuersignalen (Basisband).
Somit ergibt sich eine weitaus genauere und zuverlässigere
Adaption, ohne ergänzende Hochfrequenzschaltung
und mit einfachen und zuverlässigen
Polarisationsmitteln.
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Da die Polarisation von Verstärkern auf
der Basis von digitalen Signalen gesteuert wird, werden durch die
Modulation bedingte Fehler oder Störgeräusche nicht auf die Funktion
von Leistungstransistoren übertragen,
so dass Zuverlässigkeit
und Genauigkeit erhöht
werden.
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Darüber hinaus sind in einem erfindungsgemäßen Sender
die Polarisationsmittel, die eine diskrete Mehrzahl von Spannungspegeln
liefern (d. h. eine ganze Zahl von Spannungspegeln, die größer als
1 ist), einfacher, wirtschaftlicher und zuverlässiger als im Stand der Technik,
wo ein PWM-Wandler benutzt werden muss, dessen Grenzfrequenz und
Eigenschaften angepasst werden müssen,
damit eine Spannung erzeugt werden kann, die stufenlos veränderlich
ist. Es ist in der Tat zu bemerken, dass Grenzfrequenz, Charakteristiken
und Leistungen von Polarisationsmitteln, die diese Spannungspegel
liefern, immer identisch sind und auf keinerlei Weise durch die
Amplitudenvariationen von modulierten Signalen beeinflusst werden.
So macht diese Redundanz, wenn die Erfindung eine gewisse Redundanz
der Ermittlung von Modulationsamplitudengrößen impliziert, den Sender
nicht komplexer, sondern bewirkt im Gegenteil eine große Vereinfachung
und bietet zusätzliche
Leistungen, unter anderem im Ultrahochfrequenzbereich.
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Vorteilhafterweise und erfindungsgemäß werden
die Analysemittel von einer elektronischen Logikschaltung gebildet,
deren Aufgabe es ist, auf der Basis des digitalen Momentanwertes
der digitalen Steuersignale die genannte momentane Amplitudengröße zu bestimmen
und das Auswahlsignal zu erzeugen, das für die momentane Amplitudengröße repräsentativ
ist. Die Logikschaltung hat gemäß der angewendeten
Modulation die Aufgabe, die Amplitudengröße von modulierten Ausgangssignalen
zu ermitteln, die jeder Bitfolge von digitalen Steuersignalen entsprechen.
Es handelt sich somit um eine einfache und zuverlässige Kombinationslogik,
deren Ergebnisse nicht von Fehlern und Störgeräuschen von analogen Schaltungen
oder von Ultrahochfrequenzschaltungen abhängig sind.
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Die Erfindung betrifft vorteilhafterweise
einen Sender der eingangs erwähnten
Art, umfassend eine Modulationsschaltung zum Konvertieren der digitalen Steuersignale
in modulierte analoge Signale, die wenigstens amplitudenmäßig gemäß einer
diskreten Mehrzahl von vorbestimmten unterschiedlichen Amplitudengrößen moduliert
wurden, dadurch gekennzeichnet, dass die Analysemittel die Aufgabe
haben, auf der Basis der digitalen Steuersignale ein Auswahlsignal
zu erzeugen und auszugeben, dessen Momentanwert für die momentane
Amplitudengröße der Signale
repräsentativ
ist, die von der Modulationsschaltung ausgegeben werden.
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Insbesondere kann die Amplitudenmodulation
vorteilhafterweise durch eine spezifische Schaltung getrennt von
den Leistungsverstärkungsmitteln und
den Polarisationsmitteln ausgeführt
werden.
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In einer Variante kann die Amplitudenmodulation,
teilweise oder insgesamt, durch die Leistungsverstärkertransistoren
dank Variationen von Polarisationsspannungen realisiert werden.
In diesem Fall kann die Modulationsschaltung lediglich eine Phasenmodulation
durchführen
(„PSK"
genannt). Der Einfluss von Verstärkungsmitteln
in der Amplitudenmodulation ist von der Montage von Leistungstransistoren,
der Funktionsklasse sowie der Art und Weise abhängig, in der ihre verschiedenen
Anschlüsse von
Polarisationsmitteln polarisiert werden.
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Um z. B. jede Wirkung von Polarisationsvariationen
von Leistungstransistoren auf die Amplitude von modulierten Ausgangssignalen
zu vermeiden, können
mit Kommutationsmitteln gleichzeitig die Polarisationsspannungen
von zwei Anschlüssen
jedes Transistors variiert werden (z. B. die Polarisationsspannung
des Drains und die Polarisationsspannung des Gate für einen
Source-Feldeffekttransistor). Diese Doppelvariation kann wenigstens
teilweise durch eine entsprechende Auswahl der Funktionsklasse des
Transistors erzielt werden, z. B. in Klasse B für einen Feldeffekttransistor.
Umgekehrt, wenn nur an einem Anschluss die Polarisationsspannung
variiert, dann ergibt sich bei diesem Leistungstransistor am häufigsten
(ausgenommen in Klasse B) eine Amplitudenmodulation von modulierten
Ausgangssignalen.
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Vorteilhafterweise und erfindungsgemäß sind die
Modulationsmittel Quadraturamplitudenmodulationsmittel M-QAM mit M Zuständen, wobei
M eine Zweierpotenz ist. Es ist zu bemerken, dass die Zahl der Amplitudengrößen nicht
gleich der Zahl der Modulationszustände ist, die in der Gauß'schen
Zahlenebene adressiert werden. So haben beispielsweise die modulierten
Signale für
eine 16-QAM Modulation nur drei Amplitudengrößen.
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Die genannte diskrete Mehrzahl von
Polarisationsspannungspegeln umfasst vorteilhafterweise und erfindungsgemäß eine ganze
Zahl N > 1 von Polarisationsspannungspegeln,
die gleich der Zahl der Amplitudengrößen der genannten diskreten
Mehrzahl von Amplitudengrößen der
modulierten Ausgangssignale ist, wobei jeder Polarisationsspannungspegel
mit nur einer einzigen Amplitudengröße assoziiert und daran angepasst
ist. In einer Variante kann derselbe Polarisationsspannungspegel
mit mehreren Amplitudengrößen assoziiert
und daran angepasst sein, z. B. dann, wenn die Amplitudengrößen in mehreren
Gruppen benachbarter Größen gruppiert
sein können.
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Vorteilhafterweise und erfindungsgemäß wird jeder
Polarisationsspannungspegel so gewählt, dass der Wirkungsgrad
jedes Ausgangsleistungstransistors, der mit diesem Polarisationsspannungspegel
polarisiert ist, für
die Amplitudengröße von modulierten
Ausgangssignalen SMS cptimal ist, die er ausgibt. Spezifischer ausgedrückt, vorteilhafterweise und
erfindungsgemäß wird jeder
Polarisationsspannungspegel so gewählt, dass jeder Pusgangsleistungstransistor,
der mit diesem Polarisationsspannungspegel polarisiert ist, eine
Ausgangsleistung ausgibt, die von der Größenordnung seiner Sättigungsanfangsleistung
für die
Amplitudengröße der modulierten
Ausgangssignale ist, die er ausgibt. Ein erfindungsgemäßer Sender
ist vorteilhafterweise dadurch gekennzeichnet, dass jeder Ausgangsleistungstransistor
der Verstärker
ein Feldeffekttransistor ist, der an seinem Gate modulierte Eingangssignale empfängt und
die modulierten Ausgangssignale an seinen Drain anlegt, dadurch,
dass die Polarisationsmittel so gestaltet sind, dass sie eine diskrete
Mehrzahl von Polarisationsspannungspegeln VD des Drains anlegen
können,
und dadurch, dass die Kommutationsmittel die Aufgabe haben,-den
Wert der Polarisationsspannung VD des Drains jedes Ausgangsleistungstransistors
gemäß dem Wert
des Auswahlsignals zu steuern.
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Darüber hinaus sind die Polarisationsmittel vorteilhafterweise
und erfindungsgemäß auch so
gestaltet, dass sie eine diskrete Mehrzahl von Polarisationsspannungspegeln
VG des Gates ausgeben, und so, dass die Kommutationsmittel die Aufgabe
haben, den Wert der Polarisationsspannung VG des Gates jedes Ausgangsleistungstransistors
gemäß dem Wert
des Auswahlsignals zu steuern. Somit kann der Verstärkungsfaktor
des Transistors amplitudenmäßig wenigstens
im Wesentlichen konstant gehalten werden, trotz der Variationen
der Polarisationsspannung des Drains. Es ist in der Tat bekannt,
dass die Polarisationsspannung VG des Gates es zulässt, die
mittlere Intensität
des Stroms im Drain zu steuern. In einer Variante kann derselbe
Effekt wenigstens teilweise automatisch auf der Basis von modulierten
Eingangssignalen erzielt werden, wenn der Leistungstransistor in
einer Funktionsklasse platziert wird, die eine solche automatische
Anpassung des Verstärkungsfaktors
zulässt,
z. B. in Klasse B. In jedem Fall kann mit der Erfindung eine Variation
der Polarisationsspannung des Drains und der mittleren Intensität im Drain
erhalten werden, so dass der optimale Wirkungsgrad für jede Amplitudengröße erhalten
werden kann, einschließlich
der geringsten Größen.
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In dem Fall, in dem die Verstärker mehrere Leistungstransistoren
umfassen, sind die Kommutationsmittel vorteilhafterweise und erfindungsgemäß so gestaltet,
dass sie den Wert der Polarisationsspannung von wenigstens einem
Anschluss vorbestimmter Natur (für
alle auf ähnliche
Weise montierte Transistoren identisch) jedes Transistors gemäß dem Wert
der Auswahlsignals steuern. So wird beispielsweise die Drain-Polarisationsspannung
aller Source-Transistoren gesteuert.
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Ebenso wird, wenn die Verstärkungsmittel mehrere
Stufen umfassen, jeder Leistungstransistor jeder Stufe vorteilhafterweise
und erfindungsgemäß durch
das Auswahlsignal gesteuert. Es ist jedoch bekannt, dass der Wirkungsgrad
des Senders vor allem von dem der Ausgangsstufe abhängig ist.
In einer erfindungsgemäßen Variante
kann somit auch vorgesehen werden, dass die Kommutationsmittel so
gestaltet sind, dass sie lediglich jeden Leistungstransistor der
Ausgangsstufe von Verstärkungsmitteln
steuern.
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Ein solcher Sender kann zahlreiche
Anwendungen haben und an zahlreiche Frequenzbereiche angepasst werden.
Er kann jedoch vorteilhafterweise so gestaltet sein, dass er Signale
mit einem Träger
im Höchstfrequenzbereich
sendet, die digitale Daten mit einer Bitrate zwischen 1 Mbit/s und
100 Mbit/s übertragen
können.
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Die Erfindung betrifft auch einen
Sender, der in Kombination für
alle oder einige der oben oder nachfolgend erwähnten Charakteristiken gekennzeichnet
ist.
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Weitere Ziele, Eigenschaften und
Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor,
die auf die beiliegenden Figuren Bezug nimmt, die ein Ausgestaltungsbeispiel
illustrieren. Dabei zeigt:
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1 ein
allgemeines Schema eines erfindungsgemäßen Senders;
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2 ein
Diagramm, das ein Konstellationsbeispiel in der Gauß schen
Zahlenebene illustriert, das einer Amplitudenmodulation mit 16 Zuständen entspricht;
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3 ein
Diagramm, das die Variationen von Ausgangsleistungskurven und des
Wirkungsgrades illustriert, der gemäß der Drain-Polarisationsspannung
VD eines Source-Feldeffektleistungstransistors hinzukommt;
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4 ein
Schema für
ein Ausgestaltungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Senders.
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Der in 1 schematisch
dargestellte erfindungsgemäße Sender
empfängt
zu sendende digitale Daten, digitale Steuersignale 1 genannt,
die in dem dargestellten Beispiel vier Bits N1, N2, N3, N4 umfassen.
Die digitalen Steuersignale 1 werden einem D/A-Wandler
2 zugeführt,
der zwei analoge Quadratursignale I, Q erzeugt, die wiederum einem
Schaltungsmodulator 3 zugeführt werden, dessen Ausgang
Signale erzeugt, modulierte Eingangssignale SME genannt, die auf
einem Träger
moduliert sind, der von einem Oszillator 4 an die Modulatorschaltung 3 angelegt
wird. Die modulierten Eingangssignale SME werden an einen Leistungsverstärker 5 angelegt,
der wenigstens einen Leistungstransistor 6 umfasst, davon
wenigstens einen Ausgangsleistungstransistor, der modulierte Ausgangssignale
SMS erzeugt, die einer Sendeantenne (nicht dargestellt) zugeführt werden.
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Jeder Leistungstransistor 6 von
Verstärkungsmitteln 5 wird
von den Polarisationsmitteln 7 polarisiert, so dass die
Polarisationsspannungen VD des Drains und VG des Gate der Feldeffektleistungstransistoren 6 entstehen.
Diese Polarisationsmittel 7 umfassen eine Gleichspannungsquelle 8,
die beispielsweise die ungeregelte Schiene an Bord eines Satelliten
oder eine Gruppe von Akkus oder Batterien ist, PWM-Begrenzungswandler 9 mit
der Aufgabe, eine vorbestimmte diskrete Mehrzahl von unterschiedlichen
Polarisationsspannungspegeln für
die Polarisationsspannung des Drains und/oder für die Polarisationsspannung
des Gates zu erzeugen, und Kommutationsmittel 10 mit der
Aufgabe, in jedem Augenblick an jeden zu polarisierenden Anschluss
eine von den Wandlern 9 kommende Polarisationsspannung
anzulegen. Eine Logikanalyseschaltung 11 empfängt die
digitalen Steuersignale 1 und hat die Aufgabe, auf der
Basis des Momentanwertes von digitalen Steuersignalen in Echtzeit
ein Auswahlsignal SS zu erzeugen, dessen Momentanwert für die momentane
Amplitudengroße
repräsentativ
ist, die die modulierten Ausgangssignale SMS annehmen müssen, um
entsprechend diesem Momentanwert digitale Steuersignale 1 zu
senden.
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In dem Beispiel von 2 ist
der Schaltungsmodulator 3 ein Modulator, 16 QAM genannt, der
eine Amplitudenmodulation mit 16 Zuständen durchführt. Wie aus 2 ersichtlich
ist, kann die Amplitude des Signals in der Tat drei unterschiedliche Werte
A1, A2, A3 annehmen. Somit kann je nach dem Wert der 4 Bits
N1, 2, N3, N4 von digitalen Steuersignalen 1 und gemäß dem Wert
der Signale I und Q von dem Wandler 2 auf logischem Wege
ermittelt werden, welche Amplitudengröße A1, A2, A3 haben werden,
die die modulierten Ausgangssignale SMS annehmen müssen. Diese
kombinatorische Logikberechnung erfolgt durch die Logikanalyseschaltung 11,
die ein Auswahlsignal SS erzeugt, das von 3 Steuerbits B1, B2, B3
gebildet wird, die jeweils jeder der Amplitudengrößen A1,
A2, A3 entsprechen. In jedem Augenblick ist ein einziges der Steuerbits
B1, B2, B3 gleich 1, so dass das Auswahlsignal SS für die Amplitudengröße A1, A2,
A3 von modulierten Ausgangssignalen SMS repräsentativ ist. Dieses Auswahlsignal.
SS wird an Kommutationsmittel 10 angelegt.
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4 repräsentiert
ausführlicher
die Schaltung, die das Anlegen der Polarisationsspannung des Drains
VD an die Verstärkungsmittel 5 zulässt. Die
Wandler 9 haben die Aufgabe, drei unterschiedliche Drain-Polarisationsspannungen
VD1, VD2, VD3 zu erzeugen, die von den Wandlern reguliert werden und
die jeweals den Amplitudengrößen A1,
A2, A3 von modulierten Ausgangssignalen SMS entsprechen. Der Wert
dieser Polarisationsspannungen kann ermittelt werden, um die Funktion
des Leistungstransistors 6 so anzupassen, dass dieser den besten
Wirkungsgrad gemäß der Eingangsleistung Pe
hat, die er an seinem Gate empfängt.
In dieser Ausgestaltung werden die modulierten Eingangssignale amplitudenmäßig vom
Schaltungsmodulator 3 moduliert und haben somit ebenfalls
drei unterschiedliche Amplitudengrößen, die den drei Amplitudengrößen A1,
A2, A3 von modulierten Ausgangssignalen SMS entsprechen.
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3 stellt
die verschiedenen Kurven dar, die für die Ausgangsleistung Ps in
Abhängigkeit
von der Eingangsleistung Pe eines Ausgangs-Feldeffektleistungstransistors repräsentativ
sind, gemäß den unterschiedlichen
Polarisationsspannungen VD1, VD2, VD3. Auf der Basis eines bestimmten
Eingangsleistungswertes zeigt der Leistungstransistor ein Sättigungsphänomen.
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3 zeigt
auch die Kurven, die die Variationen des Zusatzwirkungsgrades ηaj des Leistungstransistors
in Abhängigkeit
von der Eingangsleistung Pe illustrieren. Wie man sieht, wenn die
Drain-Polarisationsspannung VD variiert, dann variiert der Zusatzwirkungsgrad ηaj nicht
mit einem maximalen Wert, sondern verschiebt sich, wobei das Maximum seines
Wirkungsgrades immer in der Nähe
des Anfangs der Sättigung
des Transistors liegt. Der Zusatzwirkungsgrad ηaj des Transistors, der das
Wirkungsgradkriterium ist, das im Höchstfrequenzbereich verwendet
wird, wird durch die folgende Formel ausgedrückt:
wobei Palim die Versorgungsleistung
am Drain repräsentiert,
d. h. gleich dem Produkt aus der Drain-Polarisationsspannung VD
und dem entsprechenden Strom ID ist. Somit wählt man die Polarisationsspannung
VD3 (mit dem größten Wert)
so, dass die Ausgangsleistung Ps (A3), die der höchsten Amplitudengröße A3 entspricht,
den Wert der Ausgangsleistung des Sättigungsanfangs annimmt, wobei
der Zusatzwirkungsgrad jetzt maximal ist. Ebenso wird die Polarisationsspannung
VD2 so gewählt,
dass die entsprechende Ausgangsleistung Ps (A2) auf dem Sättigungsanfangspunkt
liegt, wobei der Zusatzwirkungsgrad für diese Polarisationsspannung
VD auf seinem Maximum liegt. Dasselbe wird für die Spannung VD1 durchgeführt, für die die
Ausgangsleistung Ps (A1) der geringsten Amplitudengröße auf dem Grenzwert
der Sättigung
liegt, wobei der Zusatzwirkungsgrad immer noch auf seinem Höchstwert
liegt.
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Die unterschiedlichen Werte VD1,
VD2, VD3 können
entweder auf der Basis eines einzigen Spannungswandlers mit einer
Primärwicklung
und mehreren Sekundärwicklungen
erhalten werden, die die verschiedenen Werte VDl, VD2, VD3 liefern,
oder vorzugsweise auf der Basis von drei verschiedenen Wandlern,
die auf der Basis der Spannungsquelle 8 die drei Werte
VD1, VD2, VD3 liefern. Die Kommutationsmittel 10 umfassen
eine Kommutationsschaltung 12, die die verschiedenen Spannungswerte VD1,
VD2, VD3 von Wandlern 9 sowie das Auswahlsignal SS mittels
einer Adaptionsschaltung 13 empfängt, die es zulässt, kommutativ
drei Feldeffekttransistoren 14 zu steuern, die als Kommutatoren
der Kommutationsschaltung 12 verwendet werden. Diese drei
Transistoren 14 sind MOSFET-Transistoren, die an ihrer
Source die Spannung vom Wandler 9 mittels einer Rückkehrsicherungsdiode 15 empfangen. Die
Adaptionsschaltung 13 empfängt die drei digitalen Signale
B1, B2, B3 des Auswahlsignals SS und umfasst für jedes von ihnen einen Verstärker 16,
der die Basis eines bipolaren Transistors 17 versorgt, dessen
Sender mit Masse und dessen Kollektor mit dem Gate des entsprechenden
MOSFET-Transistors 14 verbunden
und über
einen Widerstand 18 zwischen der Source des MOSFET-Transistors 14 und der
Diode 15 geschaltet ist. Somit ist, wenn Bit B1 gleich
1 ist, der entsprechende Kommutationstransistor 14 im Durchlasszustand
und die Kommutationsschaltung legt die Spannung VDl an.
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Wenn Bits B2 und B3 beide null sind,
dann sind die beiden anderen Transistoren 14 im Sperrzustand.
Wenn die drei Drains der Transistoren 14 mit einem gemeinsamen
Ausgangsknoten 19 verbunden sind, dann empfängt dieser
Knoten 19 nur eine der Polarisationsspannungen VD1, VD2,
VD3, und dies in Abhängigkeit
vom Wert der Bits B1, B2, B3 des Auswahlsignals SS, das wiederum
so gewählt
wird, dass es für
die Amplitudengröße A1, A2,
A3 von modulierten Ausgangssignalen SMS repräsentativ ist. Die Kommutationsmittel 10 wählen somit
am Knoten 19 den für
den Ausgangsleistungstransistor 6 optimalen Drain-Polarisationsspannungspegel
und legen ihn daran an. Unter diesen Umständen versteht man, dass der
Zusatzwirkungsgrad ηaj
des Leistungstransistors 6 immer optimal ist.
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Es ist zu bemerken, dass die Kommutationsmittel 10 und
die Wandler 9, ebenso wie die Logikanalyseschaltung 11, äußerst einfache
Schaltungen sind, die auf keine Weise die Hochfrequenzsignale übertragen.
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Die Erfindung kann Gegenstand verschiedener
Varianten in Bezug auf die oben beschriebene und in den Figuren
dargestellte Ausgestaltung sein. Insbesondere kann die Gate-Polarisationsspannung VG
auch auf ähnliche
Weise so gesteuert werden, dass die Amplitude der modulierten Ausgangssignale SMS
nicht gemäß den Variationen
der Drain-Polarisationsspannung
VD modifiziert wird. Dieses Ergebnis kann auch wenigstens teilweise
dadurch erzielt werden, dass eine geeignete Funktionsklasse des Ausgangsleistungstransistors 6 gewählt wird,
z. B. Klasse B.
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Umgekehrt ist es auch möglich vorzusehen, dass
die Modulatorschaltung 3 keine Amplitudenmodulatorschaltung
ist, d. h. nur eine PSK-Phasenmodulation durchführt, so dass die modulierten
Eingangssignale SME immer wenigstens im Wesentlichen dieselbe Amplitudengröße haben.
Die Amplitudenmodulation kann somit mit Verstärkern 5 erfolgen,
indem geeignete Werte von verschiedenen Polarisationsspannungspegeln
VD gewählt
werden, die für
die Leistungstransistoren 6 am Knoten 19 angelegt
werden. In der Tat variieren die verschiedenen Drain-Polarisationsspannungspegel
mit den digitalen Steuersignalen 1 und mit der entsprechenden
Amplitudengröße für die modulierten
Ausgangssignale SMS. In diesem Fall werden die Modulationsmittel somit
teilweise von Verstärkern 5 sowie
von Analysemitteln 11 und Kommutationsmitteln 10 gebildet.
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Darüber hinaus ist die Erfindung"
auch auf andere Modulationstypen als 16-QAM Modulation anwendbar,
und insbesondere mit einer Modulation, die eine größere Zustandszahl
hat (32-QAM, 64-QAM...).
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In einer anderen Variante ist es
möglich,
eine Zahl von Drain-Polarisationsspannungspegeln zu liefern, die
geringer ist als die Zahl der Amplitudengrößen der modulierten Ausgangssignale,
z. B. wenn diese verschiedenen Amplitudengrößen nach Näherungsgrößen umgruppiert werden können oder
wenn man für
bestimmte Amplitudengrößen zulässt, dass die
Drain-Polarisationsspannung nicht ganz optimal ist. So könnte man
beispielsweise nur einen einzigen Polarisationsspannungspegel für mehrere
geringste Amplitudengrößen verwenden
(insbesondere dann, wenn eine Modulation mit einer großen Zahl
von Zuständen
verwendet wird) .