DE69434350T2 - Sender und Verfahren für einen Sender zur Kompensation von veränderlicher Last ohne Isolator - Google Patents

Sender und Verfahren für einen Sender zur Kompensation von veränderlicher Last ohne Isolator Download PDF

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Radiofrequenzsender und im Besonderen auf einen linearen Radiofrequenzsender mit einer variablen Antennenlast.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Bekannterweise modulieren Radiofrequenz-(RF)-sender Basisbandsignale, wie z. B. analoge oder digitale Sprachabtastwerte, auf einen RF-Träger, verstärken den RF-Träger und senden den RF-Träger über eine Antenne als elektromagnetische Energie durch die Luft. Die elektromagnetische Energie wird dann über die Antenne eines Empfängers empfangen, in das Basisbandsignal zurück demoduliert, und (wenn Sprache gesendet wurde) durch den Empfänger hörbar wiedergegeben.
  • Bekannterweise verwenden viele Kommunikationssysteme, wie z. B. zellulare Telefone und Fernleitungsnetze („trunking"), spektral effiziente Modulationstechniken, wie z. B. Quadraturamplitudenmodulationen (QAM) und quaternäre Phasenumtastung (QPSK) in einem Mehrfachzugriffsformat im Zeitmultiplexer (TDMA-Format). Diese spektral effizienten Modulationstechniken korrelieren das Basisbandsignal typischerweise mit Veränderungen der RF-Trägeramplitude und -phase über ein digitales Symbolkonstellationsformat, wie z. B. das QAM-Format, welches in der US-A-5,519,730, publiziert am 21. Mai 1996, mit dem Titel: „Communication Signal Having A Time Domain Pilot Component", übertragen auf Motorola Inc., beschrieben wird. Weil die spektral effizienten Modulationstechniken eine Veränderung der RF-Trägeramplitude erfordern, muss ein linearer A- oder AB-Verstärker benutzt werden. Ist der Verstärker nicht linear, so stellt er ungewünschte RF-Energie, oder Nachbarkanalstörungen („splatter"), auf zu dem RF-Träger benachbarten Frequenzen bereit. Diese Nachbarkanalstörung kann im Weiteren ein Gegensprechen stören, das auf benachbarten Frequenzen oder Kanälen stattfindet.
  • Die Linearität eines Verstärkers wird durch die variablen Lasten, die durch die Antenne des Verstärkers präsentiert werden, beeinflusst. Typischerweise ist eine Antenne so konstruiert, dass sie eine feste Last, z. B. 50 Ohm, bereitstellt. Aufgrund der empfangenen reflektierten Energie verändert sich die Last jedoch.
  • Um Veränderungen der Last zu minimieren, enthalten Sender in der Regel Isolatoren, um dem Verstärker eine im Wesentlichen konstante Lastimpedanz zur Verfügung zu stellen. Der Isolator enthält einen Zirkulator und eine Ab schlussimpedanz, die typischerweise 50 Ohm beträgt. Der Zirkulator ist eine dreipolige Vorrichtung, die einen gerichteten Fluss der RF-Energie vom Verstärker zur Antenne und von der Antenne zur Abschlussimpedanz bereit stellt. Daher wird die RF-Energie aus dem Verstärker der Antenne zur Verfügung gestellt und jede RF-Energie, die in die Antenne hineingeht, wird in der Abschlussimpedanz absorbiert. Somit präsentiert der Isolator dem Verstärker eine konstante Impedanz.
  • Obwohl der Isolator dem RF-Verstärker eine konstante Lastimpedanz zur Verfügung stellt, verhindern typischerweise Beschränkungen durch Größe, Kosten und Bandbreite den Einsatz eines universellen Isolators in mobilen Funkeinrichtungen, tragbaren Funkeinrichtungen und zellularen Telefonen. Z. B. benötigt eine Funkeinrichtung, die bei 132 MHz arbeitet, einen Isolator mit einem Volumen von 8,19 Kubikzentimetern (0,5 Kubikzoll), einem Gewicht von 227 Gramm (0,5 Pfund), und kostet bei einer Stückzahl von 100.000 pro Jahr jeweils 30 Dollar. Als Ergebnis legt ein Isolator der Konstruktion solcher FE offensichtlich Zwänge auf. Es kommt hinzu, dass Isolatoren feste Bandbreiten haben; daher können in Sendern, die über weite Frequenzbereiche arbeiten, mehrere Isolatoren nötig werden. Diese Bandbreitenbeschränkung tritt bei niedrigeren RF-Trägerfequenzen, wie z. B. VHF, wo das zugeteilte Frequenzband einen großen Prozentsatz der Bandbreite abdeckt, klar zum Vorschein.
  • Um den Gebrauch des Isolators zu vermeiden, verwenden existierende Frequenzmodulations-(FM)-Sender, die nicht-lineare Verstärker enthalten, Rückkopplungsschutzschaltungen. Der Rückkopplungsschutz überwacht das Stehwellen-Verhältnis (VSWR) am Ausgang des nicht-linearen Verstärkers und verringert dementsprechend die Höhe der Ausgangsleistung, die der Antenne durch den nicht-linearen Verstärker zur Verfügung gestellt wird. Im Allgemeinen verringert dieser Ansatz die Ausgangsleistung des nicht-linearen Verstärkers um einen festen Wert, wenn das VSWR einen zuvor ermittelten Pegel übersteigt. Wenn z. B. ein VSWR von 3 : 1 am nicht-linearen Ausgang des Verstärkers detektiert wird, kann die Ausgangsleistung des nicht-linearen Verstärkers um 3 dB verringert werden. Dieser Ansatz arbeitet für nicht-lineare Verstärker, beinhaltet aber keinerlei Vorkehrungen zur Aufrechterhaltung der Linearität des Verstärkers.
  • Daher besteht Bedarf an einem Verfahren, das die Auswirkungen variabler Lasten kompensiert, ohne den Bedarf an einem Isolator in einem Sender, der einen linearen Verstärker hat.
  • Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung für einen Sender zur Kompensation einer variablen Last ohne das Verwenden eines Isolators gemäß den anhängenden Ansprüchen 1 und 8 zur Verfügung.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 stellt eine Blockdiagramm-Darstellung eines linearen Senders gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
  • 2 stellt ein Flussdiagramm von Schritten, die von einem Sender ausgeführt werden, gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
  • Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
  • Im Allgemeinen stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren für einen Sender zur Verfügung, um Veränderungen der Antennenlast ohne den Gebrauch eines Isolators (Zirkulator plus ohmscher Abschluss) zu kompensieren. Dies wird durch Ermittlung der Auswirkungen, die Veränderungen der Last auf die Schleifenverstärkung der Rückkopplungsschleife des Senders haben, geleistet. Nach dem Ermitteln der Auswirkungen stellt der Sender den Verstärkungsfaktor einer variablen Verstärkungsstufe innerhalb der Rückkopplungsschleife ein, um das Linearitätserfordernis des Senders aufrecht zu erhalten.
  • Die vorliegende Erfindung lässt sich mit Bezug auf 1 und 2 vollständiger beschreiben. 1 stellt ein Blockdiagramm eines Senders 100 dar, der eine Signalquelle 101, zwei variable Verstärkungsstufen 104 und 105, einen Frequenzaufwärtswandler 106, ein verstärkendes Element 107, einen Sampler 108, eine Antenne 109, ein Rückkopplungselement 111 und einen Darsteller der reflektierten Energie 114 enthält. In einem Quadraturamplitudenmodulations (QAM)-Schema ist die Signalquelle 101 typischerweise ein digitaler Signalprozessor (DSP), der In-Phase-(I)- und Quadratur (Q)-Signalrepräsentationen digitaler Daten erzeugt und diese I- und Q-Signalrepräsentationen in analoge Basisband-Wellenformen verarbeitet. Die Summierverbindungsstellen 102 und 103 empfangen die analogen I- bzw. Q-Basisbandwellenformen und subtrahieren sie von den Basisbandausgängen des Rückkopplungselements 111. Die resultierenden Wellenformen laufen weiter bis zu ihren jeweiligen Verstärkungsstufen 104 und 105, um dort verstärkt zu wer den, und setzen sich fort zum Frequenzaufwärtswandler 106, wo sie in einen ausgewählten Radiofrequenz(RF)-Träger übersetzt werden. Das verstärkende Element 107 verstärkt den RF-Träger und reicht den verstärkten RF-Träger zur Funkübertragung an den Sampler 108 und die Antenne 109 weiter.
  • Der Sampler 108 tastet das durch das verstärkende Element 107 zur Verfügung gestellte verstärkte RF-Signal ab und liefert Vorwärts-Abtastwerte 112 („forward signal samples") und Abtastwerte des reflektierten Signals („reflected signal samples") 113 an den Darsteller der reflektierten Energie 114 und liefert Vorwärts-Abtastwerte („forward signal samples") 112 an das Rückkopplungselement 111. Das Rückkopplungselement 111, welches einen Frequenzabwärtswandler, Verstärkungsstufen und Schleifenphasen-Einstellschaltungen („loop phase adjustment circuits") enthalten kann, empfängt den Vorwärts-Abtastwert 112, führt eine Frequenzabwärtswandlung durch Umkehrung der Verarbeitungsreihenfolge des Frequenzaufwärtswandlers 106 durch und erzeugt analoge I- und Q-Daten-Basisbandrepräsentationen. Diese I- und Q-Basisbandsignale stellen den Summierverbindungsstellen 102 und 103 die invertierten Eingaben zur Verfügung, wodurch ein Rückkopplungspfad vervollständigt wird. Das Bereitstellen geschlossener Rückkopplungsschleifen in solchen Sendern ist bekannt, folglich wird keine weitere Diskussion dazu angeboten, ausgenommen, um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern. Der Darsteller der reflektierten Energie 114 nimmt die Vorwärts-Abtastwerte und die Abtastwerte des reflektierten Signals 112 und 113 an, um Repräsentationen der reflektierten Energie zu erzeugen, die auf ihren Eingangs-Abtastwerten basieren. Wie weiter unten detaillierter ausgeführt, tragen die Repräsentationen der reflektierten Energie dazu bei, die Verstärkungen der beiden variablen Verstärkungsstufen 104 und 105 sowie den Signalpegel der I- und Q-Signalrepräsentationen, welche durch die Signalquelle 101 erzeugt werden, zu ermitteln.
  • Die funktionalen Blöcke des Senders 100 enthalten eine Vielfalt von Schaltkreis-Topologien. Die Verstärkungsstufen 104 und 105 sind typischerweise variable Hochleistungs-Niederfrequenzverstärker, deren Betriebsbandbreite auf die Schleifenbandbreite beschränkt ist, die für einen richtigen Betrieb der negativen Rückkopplungsschleife erforderlich ist, wobei die durch die Signalquelle 101 gelieferte Bandbreite der Datenmodulationssignale umfasst wird. Der Frequenzaufwärtswandler 106 enthält die Mischer 116 und 120, einen Lokaloszillator 117, einen 90-Grad-Phasenschieber 118, und einen Signalkombinierer 119. Die Frequenzumsetzung von der Basisband- zur RF-Trägerfrequenz wird in dem Frequenzaufwärtswandler 106 erreicht, durch Mischen der I-Signal-Basisbandwellenform mit der Lokaloszillator-Frequenz, Mischen der Q-Signal-Basisbandwellenform mit einer um 90-Grad-phasenverschobenen Version der Lokaloszillator-Frequenz, und Summieren der zwei Mischerausgänge zum Herstellen unabhängiger I- und Q-Datensignale auf der gemeinsamen RF-Trägerfrequenz. Das verstärkende Element 107 ist ein RF-Leistungsverstärker, der Leistungsverstärkung der RF-Trägerfrequenz bereitstellt, welche die aufwärts gewandelten Datensignale enthält und im Allgemeinen durch Hintereinanderschalten mehrerer Verstärkerstufen oder Transistoren gebildet wird. Weil die Hüllkurven der analogen I- und Q-Wellenformen amplitudenabhängig sind, ist das verstärkende Element 107 ein linearer A- oder AB-Verstärker, im Gegensatz zu einem Verstärker mit konstanter Hüllkurve oder einem nicht-linearen C-Verstärker. Der Sampler 108 ist vorzugsweise ein Richtungskoppler, der skalierte Repräsentationen der Durchlassspannungs- oder Durchlassstrom-Wellenform, und der Wellenform der reflektierten Spannung oder des reflektierten Stroms, die an der Antenne 109 vorhanden sind, zur Verfügung stellt.
  • Der Sampler 108, das Rückkopplungsschleifenelement 111 und die Summierverbindungsstellen 102 und 103 sind so konfiguriert, dass sie die linearen Verstärkereigenschaften des Verstärkerelements 107 verbessern. Wie oben kurz erwähnt, bilden diese Elemente ein negatives Rückkopplungssystem, das die Leistungspegel unerwünschter Signale, welche ins Äußere des zugewiesenen Frequenzbandes fallen, herabsetzen. Diese unerwünschten Signale resultieren aus Nicht-Linearitäten in dem Verstärkerelement 107 und können Störungen in benachbarten RF-Kanälen verursachen, wodurch die Verbindungen auf diesen Kanälen unterbrochen werden. Diese unerwünschten Signale in den benachbarten RF-Kanälen sind als Nachbarkanalstörungen („splatter") bekannt. In einem System mit Mehrfachzugriff im Zeitmultiplex (TDMA) kann die Spezifikation der Nachbarkanalstörung in dem –60 dBc-Bereich liegen, wenn man die Signalleistung eines Signals in einem benachbarten Kanal mit dem RF-Trägersignal vergleicht. Diese Spezifikation wird typischerweise durch Verwenden eines Verstärkerelements 107 erreicht, dessen Linearität im benachbarten Kanal eine Nachbarkanalstörungs-Performance von –30 dBc bereitstellt und die Nachbarkanalsstörung durch Benutzen bekannter Kartesianischer Rückkopplungs-Korrekturtechniken verbessert.
  • Auswirkungen der aufgrund von Veränderungen der Impedanz der Antennen 109 auftretenden variablen Last am Ausgang des verstärkenden Elements 107 werden durch Messen von Änderungen des Verstärkungsfaktors des verstärkenden Elements 107 und durch Ermitteln der Repräsentationen der Last über die durch die Antenne 109 empfangene reflektierte Energie ermittelt. Um die Veränderung des Verstärkungsfaktors („gain") des Verstärkerelements 107 zu messen, wird ein Trainingssignal 115, ein Signal, wie das im US- amerikanischen Patent Nr. 5,066,923, mit dem Titel „Linear Transmitter Training Method And Apparatus", und übertragen auf Motorola, diskutierte Signal, von der Signalquelle 101 an den Punkt B 122 in 1 eingegeben, wenn die veränderlichen Verstärkungsstufen 104 und 105 inaktiviert sind. Das Inaktivieren der variablen Verstärkungsstufen 104 und 105 führt zu einem wirksamen Öffnen des Vorwärtspfades einer Rückkopplungsschleife innerhalb des Senders 100. Das Trainingssignal 115 wird durch den Frequenzaufwärtswandler 106 gewandelt, durch das Verstärkerelement 107 verstärkt und durch den Sampler 108 abgetastet. Das vorwärts abgetastete Signal 112 kehrt über das Rückkopplungselement 111 und die Summierverbindungsstelle 102 an den Punkt A 121 zurück, womit der Durchgang durch die Rückkopplungsschleife abgeschlossen ist. Ein Ermittler der Rückkopplungsschleifenverstärkung 110 wird während dieser Trainingssequenz aktiviert, um durch Detektion der Spannungen an den Punkten A 121 und B 122 den Open-Loop-Verstärkungsfaktor der Rückkopplungsschleife zu bestimmen und das Verhältnis der zwei Spannungen zu bilden, d. h. V(A)/V(B). Dieses Verhältnis repräsentiert den gesamten Verstärkungsfaktor der Rückkopplungsschleife minus den Beiträgen zum Verstärkungsfaktor durch die inaktivierten veränderlichen Verstärkungsstufen 104 und 105, d. h. durch den Open-Loop-Verstärkungsfaktor. Der Ermittler der Schleifenverstärkung 110 beinhaltet Spannungsverstärkungsstufen, wie z. B. Operationsverstärker, Abtast-Halte-Schaltungen, Analog-Digital-Konverter, und einen Mikroprozessor.
  • Wie weiter oben kurz erwähnt, verarbeitet der Darsteller der reflektierten Energie 114 die Vorwärtszeichen-Abtastwerte 112 und die Abtastwerte des reflektierten Signals 113, um Repräsentationen der Last zu erzeugen, die an das verstärkende Element 107 übergeben werden. Der Vorwärts-Abtastwert 112 umfasst eine skalierte Reproduktion der Vorwärts-RF-Trägerenergie, die am Ausgang des verstärkenden Elements 107 vorhanden ist. Der Abtastwert des reflektierten Signals 113 umfasst eine durch die Antenne 109 empfangene skalierte Replikation der reflektierten RF-Trägerenergie. Es ist bekannt, dass ein Verhältnis, das dadurch gebildet wird, dass die Größe des Abtastwertes des reflektierten Signals 113 durch die Größe des Vorwärts-Abtastwertes 112 geteilt wird, proportional zur Größe des Last-Reflexionsfaktors ist. Dieses Verhältnis kann innerhalb des Darstellers 114 der reflektierten Energie durch unabhängiges Gleichrichten und Filtern der Abtastwerte des reflektierten Signals 113 und der Vorwärts-Abtastwerte 112 und anschließendes Ermitteln des Verhältnisses der resultierenden Mengen durch Nutzen von Spannungsverstärkerstufen, wie z. B. Operationsverstärker, Abtast-Halte-Schaltungen, Analog-Digital-Konverter und einen Mikroprozessor, berechnet werden. Dieses Verhältnis stellt eine skalare Repräsentation der durch die Antenne 109 bereitgestellten Last-Fehlanpassung bereit, wobei ein kleines Ver hältnis eine minimale Fehlanpassung bedeutet. Ein alternatives Verfahren zum Verarbeiten der Vorwärts-Abtastwerte 112 und der Abtastwerte des reflektierten Signals 113 beinhaltet das Bilden eines direkten Verhältnisses der Abtastwerte des reflektierten Signals 113 und der Vorwärts-Abtastwerte 112, wodurch man eine Vektor-Repräsentation des Last-Reflexionsfaktors erhält. Die Vektor-Repräsentation enthält Größen- und Phasen-Anteile und stellt eine detailliertere elektrische Beschreibung der durch die Antenne 109 verursachte Last-Fehlanpassung bereit als die Skalar- oder Größen-Repräsentation; allerdings ist innerhalb des Darstellers 114 der reflektierten Energie auch ein komplexerer Schaltkreis erforderlich, um ein genaues Verhältnis zu berechnen.
  • Nach dem Erzielen der Wirkungen der variablen Last kann der Darsteller 114 der reflektierten Energie oder der Ermittler 110 der Schleifenverstärkung den Verstärkungsfaktor der variablen Verstärkungsstufen über eine DC-Steuerspannung oder einen variablen Spannungsdämpfer modifizieren, um so die gesamte Rückkopplungsschleifenverstärkung im Wesentlichen auf einem zuvor ermittelten Verstärkungsniveau, das auf der Linearitätsspezifikation des Senders 100 basiert, zu halten. Alternativ kann der Darsteller 114 der reflektierten Energie oder der Ermittler 110 der Schleifenverstärkung die Signalquelle 101 instruieren, die Pegel der von ihnen produzierten I- und Q-Signale einzustellen. Dieses Einstellen verändert den Pegel der Ausgangsleistung des verstärkenden Elements 107, um der variablen Last Rechnung zu tragen, während es die Linearitätsspezifikation des Senders 100 aufrechterhält.
  • 2 stellt ein Flussdiagramm von Schritten dar, die durch den Sender ausgeführt werden können, um die vorliegende Erfindung zu implementieren. Der logische Fluss des Diagramms beginnt am START-Block und geht dann weiter zu Block 200, wo der Sender die Wirkungen der variablen Last auf die gesamte Schleifenverstärkung ermittelt. Wie oben diskutiert, ist die variable Last am Ausgang des Senders das Ergebnis der zeitabhängigen Lastimpedanz, die der Antenne präsentiert wird, d. h. das Empfangen reflektierter Signale, die von Gebäuden, Mauern, Bergen etc. reflektiert werden. So wie die Last am Ausgang der Antenne variiert, variiert der Verstärkungsfaktor des verstärkenden Elements, was die gesamte Rückkopplungsschleifenverstärkung des Senders verändert. Um die Variation der gesamten Schleifenverstärkung und ihren Einfluss auf die Leistung des Senders zu ermitteln, geht es im logischen Fluss auf einem von zwei parallelen Pfaden weiter, abhängig von der Verteilung der möglichen Lastimpedanz und der Auswirkung auf den Verstärkungsfaktor und die Linearität des Leistungsverstärkers.
  • Wenn die Spanne der, auf die durch die Antenne empfangene reflektierte Energie zurückzuführende, Lastimpedanz nicht nennenswert von einer Impedanz abweicht, für die das Verstärkerelement konstruiert ist (d. h. die Veränderung der gesamten Schleifenverstärkung ist mäßig), wird dem Pfad gefolgt, der mit Block 202 beginnt. Sind große Variationen der Last vorhanden (d. h. große Variationen des Verstärkungsfaktors und der Linearität des Senders), so wird dem Pfad gefolgt, der mit Block 206 beginnt. Die Auswahl, welches Verfahren in einem Sender benutzt werden soll, hängt von der bekannten Umgebung ab, in der sich der Sender befinden wird. Z. B. wird ein Sender, der in einem offenen Bereich betrieben wird, wie z. B. der Mitte eines Raumes oder der Mitte eines Feldes, geringe Variationen der Last aufweisen, und der Pfad von Block 202 wird genügen; wohingegen ein Sender, der in der Nähe einer stark reflektierenden Last arbeitet, wie z. B. einer Metallwand oder einem Gebäude, eine große Variation der Last aufweisen wird, weshalb der Pfad von Block 206 benutzt werden würde.
  • Wird der erstgenannte Pfad ausgewählt, geht es im logischen Fluss weiter zu Block 202, wo die variablen Verstärkungsstufen vorübergehend deaktiviert werden. Das Deaktivieren der variablen Verstärkungsstufen wird im Allgemeinen durch Reduzieren des Verstärkungsfaktors einer jeden Stufe auf ungefähr Null durch eine Reduktion der Netzgleichspannung geleistet, durch die die aktiven Vorrichtungen einer jeden Stufe versorgt werden. Das Deaktivieren wird typischerweise zu Beginn einer jeden Trainingssequenz durchgeführt, die in einem TDMA-Kommunikationssystem einmal pro Zeitschlitz auftreten kann (d. h. einmal jede 15 Millisekunden), wodurch der Verstärkungsfaktor der variablen Verstärkungsstufen in Reaktion auf die variable Last periodisch eingestellt werden kann.
  • Nachdem die variablen Verstärkungsstufen deaktiviert sind, geht es im logischen Fluss weiter zu Block 203, wo die Signalquelle dem Sender ein Trainingssignal bereitstellt, welches nach dem Verlassen des verstärkenden Elements abgetastet wird. Das Trainingssignal, das zu Beginn einer jeden Trainingssequenz angewandt wird, wird benutzt, um die Phasenparameter der Rückkopplungsschleife zu messen und einzustellen und um den maximalen Signalpegel einzustellen, auf den die Signalquelle den Leistungsverstärker oder das verstärkende Element treiben kann. Eine detail lierte Diskussion der während der Trainingssequenz benutzten Methodik wird in dem zuvor genannten US-Patent mit der Nummer 5,066,923 zur Verfügung gestellt, so dass keine weitere Diskussion präsentiert werden wird, ausgenommen, um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern. Während der Trainingssequenz führt die Signalquelle das Trainingssignal in Abwesenheit einer I- und Q-Datenmodulation dem Ausgang der variablen Verstärkungsstufe des I-Kanals zu. Das Trainingssignal kann entweder periodisch oder bei Bedarf benutzt werden. Z. B. kann in einem TDMA-System, das einen Dreischlitz-Zeitrahmen benutzt, das Trainingssignal während eines Anteils eines jeden Schlitzes, wenn die Verbindungen inaktiv sind, appliziert werden. Nachdem die Signalquelle das Trainingssignal geliefert hat, wird es zur RF-Trägerfrequenz aufwärts gewandelt, durch das verstärkende Element verstärkt und durch einen Richtungskoppler oder äquivalenten Sampler abgetastet. In dem Rückkopplungselement wird das abgetastete Trainingssignal abwärts gewandelt und seine Phase eingestellt, so dass das Basisbandsignal, das an die Summierverbindungsstelle geliefert wird, richtig invertiert wird. Das Basisbandsignal wird weiter durch die Summierverbindungsstelle zum Eingang der deaktivierten variablen Verstärkungsstufe des I-Kanals geleitet, wodurch ein Durchgang durch die komplette Rückkopplungsschleife abgeschlossen ist.
  • Mit der Ankunft des Basisbandsignals am Eingang der deaktivierten variablen Verstärkungsstufe des I-Kanals geht es im logischen Fluss weiter zu Block 204, wo der Sender die Veränderungen des Open-Loop-Verstärkungsfaktors der Rückkopplungsschleife ermittelt. Der Ermittler der Schleifenverstärkung des Senders misst die Signalspannungen, die durch das Trainingssignal und das Basisbandrückkopplungssignal bereitgestellt werden, und bildet das Verhältnis der beiden Signalspannungen, um die Open-Loop-Spannungsverstärkung zu produzieren. Der Open-Loop-Verstärkungsfaktor repräsentiert die gesamte Rückkopplungsschleifenverstärkung weniger dem Verstärkungsfaktor der deaktivierten Verstärkungsstufe. Weil der Leistungsverstärker im Vorwärtspfad der Rückkopplungsschleife enthalten ist, werden Veränderungen des Verstärkungsfaktors und der Linearität des Leistungsverstärkers, welche aus Variationen der Last des Senders resultieren, als Veränderungen an den Open-Loop-Verstärkungsfaktor weitergegeben.
  • Wenn die Veränderungen des Open-Loop-Verstärkungsfaktors ermittelt sind und die Trainingssequenz abgeschlossen ist, geht es im logischen Fluss entweder weiter zu Block 205, Block 212, oder zu beiden. Der Übergang des logischen Flusses zu Block 205 tritt ein, wenn eine Kompensation der Schleifenverstärkung für Änderungen des Verstärkungsfaktors im Leistungsverstärker notwendig ist. Im Block 205 stellt der Sender den Verstärkungsfaktor der variablen Verstärkungsstufen der I- und Q-Kanäle auf der Basis der Veränderungen des Open-Loop-Verstärkungsfaktors ein. Der Verstärkungsfaktor dieser Stufen wird durch unterschiedliche kompensierende Schleifenkomponenten, wie z. B. variable Widerstände, oder über ein Verstärkungsregelungs/steuerungssignal, wie z. B. eine DC-Spannung, in bekannter Art und Weise eingestellt, um eine zuvor ermittelte gesamte Schleifenverstärkung zu erhalten. Die im voraus ermittelte Schleifenverstärkung kann entweder ein konstanter Wert für kleine Abweichungen in der Schleifenverstärkung oder eine Spanne von Werten entsprechend einer Spanne von Änderungen der gesamten Schleifenverstärkung sein. Der Übergang des logischen Flusses zu Block 212 tritt ein, wenn das Einstellen der Signalquelle notwendig wird, um Änderungen der Linearität des Leistungsverstärkers zu kompensieren. Im Block 212 stellt der Sender die Pegel der Signalquellen der I- und Q-Signale, basierend auf Änderungen des Open-Loop-Verstärkungsfaktors, ein. Der Ermittler der Schleifenverstärkung sendet der Signalquelle, abhängig vom Umfang der Änderungen des Open-Loop-Verstärkungsfaktors, einen Skalierungsbefehl. Die Skalierungsbefehle kennzeichnen die Richtung und das Maß des Einstellens des Pegels der Signalquelle. Wenn die Linearität des Leistungsverstärkers durch die Last des Senders nachteilig beeinflusst wird, so fördert das Verringern der I- und Q-Signalpegel den Betrieb der negativen Rückkopplungsschleife, indem es eine Nachbarkanalstörung in einem benachbarten Kanal verhindert. Bei Lasten des Senders, die eine Verbesserung der Linearität des Leistungsverstärkers bieten, kann es angemessen sein, den Datensignalpegel anzuheben, wobei der Vorteil einer günstigen Last-Bedingung genutzt wird, welche es erlaubt, den Pegel der Leistungsabgabe des Senders zu erhöhen. Das Einstellen des Pegels der Signalquelle und das variable Einstellen des Verstärkungsfaktors und der Verstärkungsstufe in den Blöcken 212 und 205 können auch simultan oder sequentiell vorgenommen werden, wenn eine Kompensation der Schleifenverstärkung für Veränderungen von sowohl dem Verstärkungsfaktor als auch der Linearität des Leistungsverstärkers notwendig ist.
  • Wenn die letztgenannte der beiden in Block 200 vorhandenen Möglichkeiten, einen Pfad zu wählen, ausgewählt wird, dann geht es im logischen Fluss weiter zu Block 206, wo der Sender die reflektierte Energie ermittelt. Die reflektierte Energie ist die RF-Trägerenergie, die von der Antenne empfangen wird, wenn der Sender den RF-Träger sendet. Die reflektierte Energie resultiert aus Impedanz-Fehlanpassungen zwischen der Antennen-Impedanz und seiner Last-Impedanz. Wie unter Bezug auf Block 2 kurz diskutiert, ist die Antenne typischerweise so konstruiert, dass ihre Eingangsimpedanz im wesentlichen mit der Ausgangsimpedanz des Leistungsverstärkers und ihre Ausgangsimpedanz mit der Impedanz des Freiraums gepaart ist. Wenn die Antenne in die Nähe eines Objekts, wie z. B. einer Metallwand, gebracht wird, weicht daher die Last, die ihr präsentiert wird, von der erwünschten Freiraum-Impedanz ab und eine Menge an Energie, die proportional ist zum Maß der Abweichung, die die Last-Impedanz der Antenne relativ zum Freiraum präsentiert, wird in die Antenne reflektiert. Genauso geht, bekannterweise, die durch die Antenne empfangene reflektierte Energie in den Ausgang des Leistungsempfängers, wodurch ihre Last, d. h. die Eingangsimpedanz der Antenne, wirkungsvoll verändert wird. Somit ist die Last-Impedanz, die dem Leistungsverstärker durch die Antenne präsentiert wird, eine Funktion von Objekten in der Nähe der Antenne und bestimmbar durch den Leistungspegel, der von der Antenne reflektiert wird.
  • Das Bestimmen der reflektierten Energie kann durch die Auswahl eines der beiden am Block 206 vorhandenen Pfade erreicht werden. Wird der erste Pfad gewählt, so geht es im logischen Fluss weiter zu Block 208, wo der Sender die reflektierte Energie abtastet und eine Skalar- oder Größen-Repräsentation der reflektierten Energie erzeugt. Die Vorwärts-RF-Trägersignale und reflektierten RF-Trägersignale, die am Antenneneingang vorhanden sind, werden mit Hilfe ei nes Richtungskopplers oder einer anderen Vorrichtung, die in der Lage ist die gerichtete Beschaffenheit dieser Größen zu differenzieren, abgetastet. Wie mit Bezug auf 1 diskutiert, werden die Vorwärts-Abtastwerte und die Abtastwerte des reflektierten Signals gleichgerichtet und gefiltert, um DC-Spannungen zu erzeugen, die zu ihren jeweiligen Größen proportional sind. Das Verhältnis der Größe des Abtastwertes des reflektierten Signals zur Größe des Vorwärts-Abtastwertes stellt die skalare Repräsentation der reflektierten Energie bereit und ist als Größe des Last-Reflexionskoeffizienten bekannt. Folglich ist der maximale Wert dieses Verhältnisses ein Wert, der der ganzen reflektierten Vorwärtsenergie entspricht.
  • Wenn der zweite Pfad am Block 206 ausgewählt wird, geht es im logischen Fluss weiter zu Block 209, wo der Sender die reflektierte Energie abtastet und eine Vektor-Repräsentation der reflektierten Energie erzeugt. Das Abtasten das in diesem Block durchgeführt wird ist Abtasten ähnlich, das mit Bezug auf Block 208 diskutiert wurde, außer dass die Abtastwerte des reflektierten Signals und die Vorwärts-Abtastwerte nicht einfach gleichgerichtet und gefiltert werden. Der Sender wird mit den Vorwärts-Abtastwerten und den Abtastwerten des reflektierten Signals betrieben, wobei bekannte Techniken benutzt werden, um die Größen- und Phasen-Werte zu untersuchen, die mit dem Verhältnis des Abtastwertes des reflektierten Signals zum Vorwärts-Abtastwert verknüpft sind. Dieses Verhältnis bildet die Vektor-Repräsentation der reflektierten Energie und identifiziert die Größe und Phase des Last-Reflexionsfaktors.
  • Der Wert des Last-Reflexionskoeffizienten kennzeichnet das Maß, um das die variable Antennenlast von der normalen Last abweicht, welche einen optimalen Betrieb des Leistungsverstärkers hervorbringt. Im Allgemeinen sind Antennenlasten, die mit großer Wahrscheinlichkeit Instabilität des Senders verursachen, solche, die mit großen Reflexionsfaktoren verknüpft sind, d. h. solchen, die Last-Reflexionsfaktoren hervorbringen, deren Größen größer sind als ein halb. Genauso erniedrigen diese stark reflektierenden Lasten für gewöhnlich die Darstellung der Linearität des Leistungsverstärkers und erfordern wahrscheinlich ein Einstellen des Pegels der Quelle, um Nachbarkanalstörungen im benachbarten Kanal zu verhindern.
  • Die Wahl, entweder die Skalare-Repräsentation oder die Vektor-Repräsentation zu benutzen, ist bestimmt durch den Kompromiss zwischen der Komplexität der Schaltung und dem erreichbarem Niveau der Sender-Performance unter Bedingungen einer variablen Antennenlast. Die Verteilung möglicher Antennenlasten deckt die komplexe Impedanz-Ebene ab, wodurch sich zweidimensionale Variablen ergeben. Folglich ist der Reflexionsfaktor eine zweidimensionale Variable mit Informationen sowohl über die Größe als auch über die Phase. Die Skalare-Repräsentation der reflektierten Energie drückt die zweidimensionale Antennenlast als eine eindimensionale Größe aus, wodurch die Information über die Last ignoriert wird, die im Phase-Term enthalten ist. Obwohl die Schaltungskomplexität, die nötig ist, um solch einen Reflexionsfaktor hervorzubringen, in Bezug auf die Vektor-Repräsentation reduziert ist, kann auf der anderen Seite die Unfähigkeit der Skalaren-Repräsentation, Phasen zu unterscheiden, zu einem suboptimalen Einstellen der Schlei fenverstärkung und der Pegel der Signalquelle führen. Umgekehrt kann die Kenntnis über Größe und Phase der Antennenlast, so wie sie durch die Vektor-Repräsentation bereitgestellt wird, es als Antwort auf die durch die Antenne präsentierte variable Last gestatten, die Schleifenverstärkung und die Pegel der Signalquelle präzise einzustellen. Das Bereitstellen einer solchen Präzision erfordert typischerweise eine größere Schaltungskomplexität.
  • Mit Erreichen entweder der Skalaren-Repräsentation oder der Vektor-Repräsentation der reflektierten Energie geht es im logischen Fluss von den Blöcken 208 und 209 weiter zu den Blöcken 210 und 211, wo der Sender den Verstärkungsfaktor der variablen Verstärkungsstufen der I- und Q-Kanäle und die, auf der bestimmten Repräsentation der reflektierten Energie basierenden, Pegel der Signalquelle der I- und Q-Signale einstellt. Ähnlich der mit Bezug auf die Blöcke 205 und 212 geführten Diskussion erzeugt der Darsteller der reflektierten Energie des Senders ein Verstärkungsregelungs/steuerungssignal, um die variablen Verstärkungsstufen und einen Skalierungsbefehl, der die Signalquelle einstellt, einzustellen. In Abhängigkeit der Bedingung der Antennenlast und den Erfordernissen der Linearität des Senders kann der Sender sowohl die variablen Verstärkungsstufen („gain stages") als auch die Pegel der Signalquelle einstellen, oder er nimmt nur eine der beiden Einstellungen vor. Zusätzlich kann das durch die gewählte Repräsentation der reflektierten Energie bestimmte Ausmaß der Variation der Antennenlast genutzt werden, um das Einstellen der variablen Verstärkungsstufen und der Signalquelle durch den Ermittler der Schleifenverstärkung in den Blöcken 205 und 212 zu beeinflussen. Für große Größen des Last- Reflexionskoeffizienten können die Einstellungen des Verstärkungsfaktors für die variablen Verstärkungsstufen und die an die Signalquelle gegebenen Werte des Skalierungsbefehls eine Reduktion erforderlich werden lassen, die relativ zu ihren jeweiligen durch den Ermittler der Schleifenverstärkung bereitgestellten Einstellungen ist.
  • Die Last-Reflexionskoeffizient-Information, die über die Vektor-Repräsentation der reflektierten Energie erhalten wird, kann in digitaler Form auf die Adressenleitung der Verweistabelle eines Nur-Lese-Speichers (ROM), der in dem Darsteller der reflektierten Energie des Senders enthalten ist, angewendet werden. In dem ROM befindet sich ein Satz vorbestimmter Daten, der benutzt werden kann, um die variablen Verstärkungsstufen und die Pegel der Signalquelle zu regeln. Die in den ROM geschriebenen Daten werden durch einen Vortrainingslauf zum Zeitpunkt der Herstellung des Senders ermittelt. Diese Vortrainingsprozedur bringt den Sender in eine Serie ausgewählter nicht-optimaler Lasten. Die Schleifenverstärkung und die Pegel der Signalquelle können unter jeder Last-Konfiguration eingestellt werden, um eine optimale Senderleistung innerhalb der Beschränkungen der Stabilität und der maximal erlaubten Nachbarkanalstörung im benachbarten Kanal bereitzustellen. Die Vektor-Repräsentation des Last-Reflexionsfaktors kann statt an die ROM-Tabelle an einen Mikroprozessor oder digitalen Signalprozessor (DSP) als Eingabe für eine mathematische Gleichung übermittelt werden. Der Mikroprozessor oder DSP wertet die mathematische Gleichung aus und erzeugt geeignete Regelgrößen, die die Schleifenverstärkung und die Pegel der Signalquelle einstellen.
  • Die vorliegende Erfindung kann weiterhin durch ein Beispiel verstanden werden. Es werden TDMA-Kommunikationssysteme betrachtet, bei denen Teilnehmer-Einheiten, wie z. B. Autotelefone oder tragbare Funktelefone, digitalisierte Sprache oder Daten während zuvor zugewiesener Zeitschlitze von TDMA-Zeitrahmen senden. In diesem besonderen Beispiel umfassen sechs 15-Millisekunden-Sendeschlitze einen 90-Millisekunden-Zeitrahmen. Eine bestimmte Übertragung des Teilnehmers wird typischerweise zumindest einem der Zeitschlitze pro Zeitrahmen zugeteilt sein, während die Übertragung im Gange ist. Der erste Ein-Millisekundenanteil eines jeden Zeitschlitzes in einem jeden Rahmen, ist der Übertragung der Trainingssequenz gewidmet. Die Trainingssequenz stellt ein Mittel zum Einstellen der Schleifenphase am Anfang des Übertragungsschlitzes bereit. Weil die Phase durch die Schleife anfänglich unbekannt ist, wird die Einstellung der Schleifenphase bei geöffneter Schleife vorgenommen. In der vorliegenden Erfindung wird dies durch Inaktivieren der variablen Basisband-Verstärkungsstufen erreicht, die in der Rückkopplungsschleife vorhanden sind. Es werden dann bekannte Techniken eingesetzt, um die Schleifenphase alternierend zu messen und einzustellen, um die erforderliche Polarität des Rückkopplungssignals, welches für eine negative Rückkopplung erforderlich ist, herzustellen.
  • Während des ersten Anteils der Trainingssequenz, in dem die variablen Basisband-Verstärkungsstufen inaktiviert werden und die Schleifenphase im Wesentlichen auf den für eine negative Rückkopplung notwendigen Wert eingestellt worden ist, misst der Sender die Signalspannung über die variable Basisbandstufe des I-Kanals. Diese Messung reprä sentiert den Rückkopplungs-Open-Loop-Verstärkungsfaktor d. h. die Rückkopplungsschleifenverstärkung minus dem Beitrag am Verstärkungsfaktor durch die variable Basisband-Verstärkungsstufe und liefert einen Hinweis auf die Veränderungen des Verstärkungsfaktors im Leistungsverstärker, der mit der variablen Antennenlast assoziiert ist, wenn kein Isolator im Sender benutzt wird. Veränderungen des Verstärkungsfaktors im Leistungsverstärker führen zu Veränderungen der Rückkopplungsschleifenverstärkung und wirken sich auf die Höhe der Linearitätszunahme, die durch den gesamten Sender bereitgestellt wird, aus. Wenn der Sender Veränderungen des Open-Loop-Verstärkungsfaktors detektiert, stellt er den Verstärkungsfaktor der variablen Basisband-Verstärkungsstufen ein, um solche Veränderungen des Verstärkungsfaktors zu kompensieren, die der Leistungsverstärker auf Grund von Veränderungen der Antennenlast beigesteuert hat.
  • Der zweite Anteil der Trainingssequenz wird benutzt, um den maximal erlaubten Datensignalpegel zu bestimmen, den die Signalquelle liefern soll. Wenn die skalare-Repräsentation der reflektierten Energie benutzt wird, wird dieser Anteil der Trainingssequenz auch als das Testsignal benutzt, wodurch die Höhe des Last-Reflexionskoeffizienten bestimmt wird. Im Allgemeinen ist der in den variablen Basisband-Verstärkungsstufen erforderliche Betrag der Reduktion des Verstärkungsfaktors proportional zur Größe des Last-Reflexionskoeffizienten. Für Reflexionskoeffizientengrößen, die niedriger als 0,15 sind, soll der Sender die variablen Basisband-Verstärkungsstufen oder die Signalquelle nicht einstellen. Für Reflexionsfaktorgrößen im Bereich von 0,15 bis 0,5 soll der Sender alternativ den Verstär kungsfaktor der variablen Basisband-Verstärkungsstufen reduzieren.
  • Reduktionen der Verstärkungsfaktoren der variablen Basisband-Verstärkungsstufen sind typischerweise notwendig, um einen durch nicht angepasste Lasten an der Antenne hervorgerufenen instabilen Betrieb der Rückkopplungsschleife zu verhindern. Antennenlasten, die hochreaktiv oder nahe der Betriebsfrequenz resonant sind, können den Phasenrand der Rückkopplungsschleife verbrauchen, woraus sich eine Instabilität der Rückkopplungsschleife ergibt. Wenn eine signifikante Reflexionskoeffizientengröße gemessen wird, initiiert die vorliegende Erfindung zusätzlich zu der Reduktion des Verstärkungsfaktors der variablen Basisband-Verstärkungsstufen eine Reduktion des Pegels der Signalquelle. Somit liegt der resultierende Pegel der Signalquelle unterhalb des maximal erlaubten Pegels, der während des zweiten Anteils der Trainingssequenz bestimmt wurde. Die Reduktion des Pegels der Signalquelle gewährt, dass die Linearität des Leistungsverstärkers aufrechterhalten wird, wodurch das durch die variable Antennenlast verursachte Auftreten von Nachbarkanalstörungen in benachbarten Kanälen verhindert wird.
  • Wenn die Vektor-Repräsentation der reflektierten Energie in dieses Beispiel eingefügt wird, kann das Bestimmen des Open-Loop-Verstärkungsfaktors, das während des ersten Anteils der Trainingssequenz durchgeführt wird, unnötig sein. Vielmehr wird das Einstellen der variablen Basisband-Verstärkungsstufen und der Signalquelle direkt von Daten bestimmt, die im ROM des Senders gespeichert sind oder über DSP-Kalkulationen geliefert werden.
  • Zum Abschluss der Ein-Millisekunden-Trainingssequenz-Periode werden die verbleibenden 14 Millisekunden des Schlitzes zum Übertragen von Nutzerdaten oder digitalisierten Sprachinformationen benutzt. Der Trainingsprozess kann in jedem Schlitz wiederholt werden, um dem Sender zu erlauben, die Auswirkungen der zeitlich variablen Antennenlast auf die Schleifenverstärkung und die Linearität zu verfolgen.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren für einen Sender zur Verfügung, um die Auswirkungen durch variable Antennenlasten zu kompensieren, ohne einen Isolator zu verwenden. In diesem Verfahren ist zwischen dem verstärkenden Element des Senders, oder Leistungsverstärker, und seiner Antenne der Isolator nicht erforderlich, um eine optimale Senderleistung sicherzustellen. Vielmehr erlaubt das Verfahren der vorliegenden Erfindung die Elimination des Isolators, wodurch ein Sender zur Verfügung gestellt wird, der weniger Raum einnimmt, weniger kostet, weniger wiegt, und weniger Band-limitiert ist als ein Sender mit Isolator, wobei die erforderliche Funktionalität des Senders erhalten bleibt.

Claims (4)

  1. Verfahren für einen Sender zur Kompensation einer variablen Last ohne das Verwenden eines Isolators, wobei der Sender eine geschlossene Rückkopplungsschleife, wenigstens ein linear verstärkendes Element (107), eine Antenne (109), eine Signalquelle (101) und wenigstens eine Verstärkungsstufe (104) enthält, wobei die geschlossene Rückkopplungsschleife den linearen Betrieb des wenigstens einen verstärkenden Elements im Wesentlichen aufrechterhält, wobei die Signalquelle dem wenigstens einen linear verstärkenden Element Signale zur Verstärkung zuführt und wobei die variable Last im Wesentlichen als ein Ergebnis reflektierter Energie auftritt, die durch die Antenne empfangen wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: durch den Sender wird eine Darstellung der reflektierten Energie bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Sender ein Signalquellenpegel, der durch die Signalquelle dem wenigstens einen verstärkenden Element zur Verfügung gestellt wird, eingestellt wird, basierend auf der Darstellung der reflektierten Energie.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin die Schritte aufweist: durch den Sender werden Effekte der variierenden Last auf die Gesamtschleifenverstärkung des Senders bestimmt, um Änderungen der Gesamtschleifenverstärkung zu bestimmen; durch den Sender wird die Verstärkung der wenigstens einen Verstärkungsstufe eingestellt, basierend auf der Darstellung der reflektierten Energie und der Änderungen der Gesamtschleifenverstärkung, um die Gesamtschleifenverstärkung im Wesentlichen bei einem vorbestimmten Verstärkungspegel zu halten.
  3. Sender mit: einer geschlossenen Rückkopplungsschleife; wenigstens einem linear verstärkenden Element (107), wobei die geschlossene Rückkopplungsschleife den linearen Betrieb des wenigstens einen verstärkenden Elements im Wesentlichen aufrechterhält; einer Antenne (109); einer Signalquelle (101), wobei die Signalquelle (101) dem wenigstens einen linear verstärkenden Element Signale zur Verstärkung zur Verfügung stellt; wenigstens einer Verstärkungsstufe (104), wobei eine variable Last im Wesentlichen als Ergebnis von reflektierter Energie auftritt, die durch die Antenne empfangen wird; und Mitteln zum Bestimmen einer Darstellung der reflektierten Energie (114); gekennzeichnet durch Mittel zum Einstellen eines Signalquellenpegels von Signalen, die dem wenigstens einen verstärkenden Element durch die Signalquelle zur Verfügung gestellt werden, basierend auf der Darstellung der reflektierten Energie.
  4. Sender nach Anspruch 3, weiterhin umfassend: Mittel zum Bestimmen von Effekten der variierenden Last auf eine Gesamtschleifenverstärkung des Senders, um Änderungen der Gesamtschleifenverstärkung zu bestimmen; und Mittel zum Einstellen der Verstärkung der wenigstens einen Verstärkungsstufe, basierend auf der Darstellung der reflektierten Energie und von Änderungen der Gesamtschleifenverstärkung, um die Gesamtschleifenverstärkung im Wesentlichen bei einem vorbestimmten Verstärkungspegel zu halten.
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