Untersuchungen zur Auslegung von Linearisierungssystemen mit digitaler Vorverzerrung

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1 Untersuchungen zur Auslegung von Linearisierungssystemen mit digitaler Vorverzerrung von Eberhard Gamm Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 1

2 Übersicht Aufgabe Stand der Technik Fragestellungen Signale und Verstärker Linearisierungssystem Demonstrator Messergebnisse Zusammenfassung Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 2

3 Aufgabe Frequenz-Knappheit durch Einführung neuer Rundfunk- und Mobilkommunikationssysteme erfordert Einsatz von komplexeren Modulationsverfahren mit Amplituden- und Phasenmodulation sowie rauschartigen Signalen erfordert Verwendung linearer Verstärker zur Vermeidung von Nachbarkanalstörungen Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 3

4 Aufgabe - Systeme System 1. Generation 2. Generation 3. Generation Rundfunk AM-Rundfunk FM-Rundfunk DAB AM / analog FM / analog OFDM / digital Mobilkommunikation FM (C-Netz) FM / analog GSM (D/E-Netz) GMSK / digital UMTS W-CDMA / digital Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 4

5 Aufgabe - Verstärker x HF (t) Verstärker ~ y HF (t) Bandpass y HF (t) Transformation ins Basisband x(t) Verstärker f AM (.) f PM (.) y(t) X HF(f ) X(f ) ~ Y HF(f ) f HF Bandpass f 0 f Y HF(f ) f HF 2 f HF 3 f HF f Y(f ) f HF f 0 f Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 5

6 Übertragungskennlinie f im Basisband AM/AM-Kennlinie f AM AM/PM-Kennlinie f PM Aufgabe - Verstärker Verstärkungskennlinie v x =const. v =const. keine Verzerrungen Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 6

7 Aufgabe - Verstärker Beispiel: Verstärker mit LDMOS-Trans. PTE10011 f HF =1,4GHz P e ~ x 2 P a ~ y 2 P a [dbm] P a,sat f AM f PM φ [grad] ideale Kennlinien [dbm] P e Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 7

8 Aufgabe - Spektren Spektren UMTS Nachbarkanalunterdrückung U 10 log 10 S y (f) / S y (0) [db] K = 5 MHz B = 5 MHz U=43dB linker Nachbarkanal Sendesignal mit Linearisierung Sendesignal ohne Linearisierung Nutzkanal rechter Nachbarkanal U=66dB f [MHz] Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 8

9 Stand der Technik verschiedene Linearisierungssysteme: kartesischer Regelkreis Vorwärtskompensation Vorverzerrung spezielle Systeme (ohne Bedeutung) praktisch eingesetzt: kartesischer Regelkreis bei schmalbandigen Systemen (B < 100 khz) Vorwärtskompensation bei breitbandigen Systemen (CATV-Verteilverstärker) Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 9

10 kartesischer Regelkreis cos ω 0 t Verstärker x(t) f(.) y(t) - i(t) q(t) sin ω 0 t f AM (.) f PM (.) y HF (t) 1 V 2 cos ω 0 t Dämpfungsglied Prinzip 1 V - 2 sin ω 0 t Vorteile: einfach, geringe Verlustleistung, adaptiv Nachteile: geringe Bandbreite (B < 100 khz) Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 10

11 Vorwärtskompensation x HF (t) Verstärker f AM (.) f PM (.) Verzögerung T D2 y HF (t) 1 V Dämpfungsglied - T D1 Verzögerung Hilfsverstärker Vorteile: breitbandig, linearisiert Verstärker an sich Nachteile: empfindlich gegen Parameteränderungen, adaptive Ausführung problematisch Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 11

12 digitale Vorverzerrung i [k] q [k] Vorverzerrer i v [k] q v [k] Sendezweig D A cos ω 0 t Verstärker f AM (.) f PM (.) y HF (t) Vorver- zerrer- Tabelle i r [k] - sin ω 0 t 2 cos ω 0 t Adaption q r [k] D A 1 V Messzweig - 2 sin ω 0 t Vorteile: beste Linearisierungsergebnisse, adaptiv Nachteile: aufwendig Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 12

13 Stand der Technik Die bei einem Einsatz in Rundfunksendern und Basisstationen der Mobilkommunikation zu stellenden Anforderungen Breitbandigkeit schnelle Adaption hohe Nachbarkanalunterdrückung Miniaturisierbarkeit kein Abgleich in der Fertigung können nur mit einer adaptiven, digitalen Vorverzerrung erfüllt werden Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 13

14 Fragestellungen Erzielbare Nachbarkanalunterdrückung bei realen Verstärkern? Abhängigkeit vom Modulationsverfahren? Moderate Übersteuerung zulässig? Benötigte Bandbreiten im Sende- und Messzweig? Benötigte Wortbreiten? Vorverzerrer D/A-Umsetzer im Sendezweig A/D-Umsetzer im Messzweig Benötigte Linearität (IP3) im Messzweig? Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 14

15 Grössen: Signale mittlere Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion des Betrags maximaler praktischer Betrag praktischer Spitzenwertfaktor (crest factor) Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 15

16 Grössen: Signale Restübersteuerung (x sat = Sättigung der idealen Kennlinie) parametrische Beschreibung der mittleren Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion des Betrags (WDF) wichtig: Exponent p W der WDF Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 16

17 Signale Nachbarkanalunterdrückung U bei idealer Kennlinie: mit WDF des Signals mit parametrischer Beschreibung der WDF Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 17

18 Signale Verlauf der Nachbarkanalunterdrückung U in Abhängigkeit vom Exponenten p W der WDF 10 log 10 U [db] p W = log 10 ü [db] Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 18

19 Signale Zusammenhang zwischen dem Exponenten p W der WDF und der zulässigen Restübersteuerung ü bei vorgegebener Nachbarkanalunterdrückung U 20 log 10 ü [db] U db = 40 db U db = 50 db U db = 60 db U db = 70 db [log] p W Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 19

20 parametrische Beschreibung der Kennlinien Verstärker Faktor zur Beschreibung der Signaleigenschaften Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 20

21 Verstärker Berechnung der Nachbarkanalunterdrückung U in Abhängigkeit von der Restübersteuerung ü Vergleich mit Nachbarkanalunterdrückung bei idealer (= ideal linearisierter) Kennlinie ergibt: Aussteuerung ohne/mit Linearisierung Aussteuerungsgewinn durch die Linearisierung Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 21

22 Verstärker Aussteuerungsgewinn G Be bei idealer und praktischer Linearisierung ol: ohne Linearisierung ml: mit Linearisierung U ol U ml,praktisch U [db] U ml,ideal (U min = geforderte Nachbarkanalunterdr.) U min ü ol 0 ü ml ü [db] G Be,praktisch G Be,ideal Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 22

23 Linearisierungssystem i q Vorverzerrer i v q v Sendezweig Digitaler I/Q- Mod. D A ZF-Verstärker S Sendeverstärker f AM (.) f PM (.) y HF v R v I Vorver- zerrer- Tabelle f A f A f A f LO,S1 Takt- und Frequenzerzeugung f LO,S2... f A f A f LO,E Adaption i r q r Digitaler I/Q- Demod. D A ZF-Verstärker E 1 V Messzweig Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 23

24 Linearisierungssystem neuartige, aufwandsminimale Realisierung von Vorverzerrer und digitalem I/Q-Modulator neuartige Regelung zum Ausgleich der Laufzeit im Sende- und Messzweig Adaption mit Standard-RLS-Verfahren Simulationsmodell mit allen wichtigen Parametern: Wortbreiten im Digitalteil Bandbreiten der ZF-Filter Frequenzgangfehler Nichtlinearitäten Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 24

25 Demonstrator Hardware + MATLAB handelsübliche Messgeräte + spezielle Hardware Hardware-Steuerung über IEC-Bus und CPP-Interface Parallelbetrieb von Demonstrator und Simulator erlaubt direkten Vergleich i q Vorver- zerrer- Tabelle Adaption MATLAB Vorverzerrer v R v I i v q v i r q r Steuerung Digitaler I/Q- Mod. Digitaler I/Q- Demod. Ablaufsteuerung Gerätesteuerung CPP-Interface Sendezweig Sony/TEK AWG 2021 f ZF,S2 / B ZF,S D D A A ISA-Karte AD6640 IEC-BUS Lokaloszillator f LO,S1 HP E 4433 B Marconi 2024 Abtastrate f A CPP-Interface ZF-Verstärker S ZF-Verstärker E f ZF,E1 / B ZF,E Messzweig Spektrumanalysator Lokaloszillator f LO,S2 R & S SMHU 58 Marconi 2024 Lokaloszillator f LO,E Leistungs- Messer R & S NRVD Verstärker f AM (.) f PM (.) 1 V Koppler & Dämpfung HP 8595 E Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 25

26 Messergebnisse Nachbarkanalunterdrückung mit und ohne Linearisierung 10 log 10 U [db] Messung mit Linearisierung Simulation mit Linearisierung 35 Messung ohne Linearisierung Simulation ohne Linearisierung ideale Kennlinie log 10 ü [db] Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 26

27 Messergebnisse Vorgabe Restübersteuerung Sendeleistung Wirkungsgrad U min ü ol ü ml P HF,oL P HF,mL η B,oL η B,mL [db] [db] [db] [dbm] [dbm] [%] [%] ,9 3 28, ,4 ( 5,3) 1,1 19,6 (23,7) 30,1 4 (9) ( 9,7) ( 0,3) (19,3) (28,7) (4) (20) 1) ol: ohne Linearisierung ml: mit Linearisierung 2) simulierte Werte in Klammern 3) Messgrenze des Demonstrators: U = 54 db Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 27

28 Zusammenfassung Ermittelung der Grenzen einer Linearisierung mit Hilfe von parametrischen Beschreibungen der WDF der Signale und der Verstärker Systemplanung, Modellbildung und Simulation eines Linearisierungssystem mit digitaler Vorverzerrung Ermittelung sämtlicher Dimensionierungsgrössen für den Einsatz in einer UMTS-Basisstation Aufbau eines Demonstrators zur Verifikation der Simulationsergebnisse Ergebnis: deutliche Zunahme von Sendeleistung und Wirkungsgrad Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 28

29 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Haben Sie Fragen? Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 29

30 Aufgabe - Verstärker Beispiel: Verstärker mit LDMOS-Trans. PTE10011 f HF =1,4GHz Klasse A Klasse B Klasse AB ideale Kennlinie 20 log 10 v [db] v max,db 1-dB-Kompressionspunkt P e,-1db 1 db [dbm] P e Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 30

31 Signale - Beispiel WDF und parametrische Beschreibung für ein QPSK- Signal p x (x) [log] Näherung (p W = 3.55, a W = 1.69, C W = 2.02) QPSK mit Rolloff-Faktor r = 1/ x Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 31

32 Signale - Beispiel Nachbarkanalunterdrückung U für ein QPSK-Signal 10 log 10 U [db] Simulation mit QPSK-Mustersignal (r=1/4) Näherung mit WDF des Signals Näherung mit parametrischer WDF log 10 ü [db] Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 32

33 Fazit Die Eigenschaften der Signale bezüglich der Nachbarkanalunterdrückung bei einer Restübersteuerung können mit den Parametern p W, a W und C W der parametrischen Beschreibung der WDF ausreichend genau beschrieben werden. Bei Signalen mit einem grösseren Spitzenwertfaktor ist bei gleicher Nachbarkanalunterdrückung eine grössere Restübersteuerung zulässig; dadurch ist die Situation bei rauschartigen Signalen weniger ungünstig als erwartet Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 33

34 Verstärker - Beispiel Nachbarkanalunterdrückung U AM in Abhängigkeit vom AM/AM-Parameter p AM (QPSK-Signal) 10 log 10 U [db] U AM mit p AM = 3 U AM mit p AM = 4 U AM mit p AM = 5 U AM mit p AM = 6 U mit idealer Kennlinie log 10 ü [db] Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 34

35 Vorverzerrer i [k] u [k] Adresskennlinie p T [k] Vorverzerrer- Tabellen v R v I v R [k] 12 v I [k] - 12 i v [k] q [k] 12 Tabellenauswahl 12 q v [k] Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 35

36 Vorverzerrer - Adaption i [k] q [k] i r [k] q r [k] p T [k] v R [k] v I [k] Takt f A Digitaler Signalprozessor FIFO- Speicher Externer Datenspeicher Vorver- zerrer- Tabellen Datenbus Adressbus Steuerbus Zugriffssteuerung Boot- EPROM Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 36

37 Sendezweig i v [k] q v [k] I/Q- Mod. x iq [k] x si [k] TxDAC AD9752 D A Sinc- Entzerrer Spiegelfrequenz- Filter f g = 35 MHz f A = 56 MHz ZF-Filter ZF-Verstärker HF-Filter HF-Verstärker x HF (t) f ZF,S2 = 140 MHz B ZF,S = 20 MHz f LO,S1 = 126 MHz f HF = 2,06 GHz f LO,S2 = 1920 MHz Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 37

38 Messzweig Abschwächer ZF-Filter ZF-Verstärker y HF (t) 1 V f ZF,E1 = 70 MHz B ZF,E = 20 MHz f LO,E = 1990 MHz IF-ADC AD6640 A D x AD [k] I/Q- Demod. i r [k] q r [k] f A = 56 MHz Linearisierungssysteme mit digitaler Vorverzerrung 38