DE69016144T2

DE69016144T2 - Vorverzerrungseinrichtung für digitale Übertragungsysteme.

Info

Publication number: DE69016144T2
Application number: DE69016144T
Authority: DE
Inventors: Georges Societe Civile S Karam; Said Societe Civile S P Moridi
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1989-10-06
Filing date: 1990-10-01
Publication date: 1995-08-24
Anticipated expiration: 2010-10-02
Also published as: JP3076592B2; CA2026820A1; AU642615B2; EP0421533B1; FR2652969A1; DE69016144D1; JPH03135232A; US5113414A; EP0421533A1; AU6374890A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorverzerrungseinrichtung für ein digitales Übertragungssystem, das komplexe Eingangsdaten einer Konfiguration im Zyklus eines Zeichentaktgebers H der Periode T mittels eines Modulators und eines Leistungsverstärkers, der die Daten verzerrt, überträgt, wobei die Einrichtung eine Vorverzerrungsschaltung umfaßt, die die Eingangsdaten in entgegengesetzter Richtung vor ihrem Eintritt in den Verstärker vorverzerrt, um die erwarteten Eingangsdaten zu übertragen.
Eine solche Vorverzerrungseinrichtung ist ebenfäils Gegenstand der Patentanmeldung EP-A-0421532, die am gleichen Datum eingereicht wurde.
Die Erfindung findet Anwendung in digitalen Übertragungssystemen, beispielsweise in Datenübertragungsmodems, Richtfunkstrecken und Weltraum-Kommunikationssystemen.
Zur wirksamen Ausnutzung des verfügbaren Spektrums verwenden die modernen digitalen Übertragungssysteme, insbesondere die Richtfunkstrecken und die Systeme zur Datenübertragung über Telefonleitung, Modulationen mit einer großen Anzahl von Phasen- und Amplitudenzuständen. Diese Modulationen sind jedoch sehr empfindlich gegen Verzerrungen jeder Art und selbstverständlich gegen nichtlineare Verzerrungen, die von Verstärkern, Mischern und anderen nichtlinearen Schaltungen der Übertragungskette herrühren. Ein besonders kritischer Punkt in Richtfunkstrecken und bei der Satellitenübertragung ist die Nichtlinearität des Sende-Leistungsverstärkers oder des Bord-Leistungsverstärkers im Falle von Satellitenübertragungen. Diese Verstärker sind für ihre nichtlinearen Eigenschaften bekannt. Wenn man sie in ihrem linearen Bereich benutzt, kann man ihre Leistung nicht voll ausnutzen. Wenn man sie nahe ihrer Sättigungsleistung betreibt, verzerren sie das Signal auf unannehmbare Weise. Da es sich um einen Leistungsverstärker handelt, legt man in der Praxis den Pegel des ausgestrahlten Signals so fest, daß ein Kompromiß zwischen dem Rauschabstand und der nichtlinearen Verzerrung des Signals entsteht. Somit ist der optimale Betriebspunkt des Verstärkers derjenige, welcher die mit dem Zusatzrauschen des Kanals und der nichtlinearen Verzerrung des Verstärkers verbundenen Effekte minimiert. Für Modulationen mit einer großen Anzahl von Zuständen (zum Beispiel MAQ64 und MAQ256) ist dieser Punkt weit von der Sättigungsleistung des Verstärkers entfernt, was bedeutet, daß dieser nicht wirksam ausgenutzt wird. Um seine Wirksamkeit zu erhöhen, benutzt man gewöhnlich (feste oder adaptive) Vorverzerrungsverfahren, mit denen der Effekt der Nichtlinearität des Leistungsverstärkers auf das ausgesandte Signal reduziert werden kann.
Ein gewöhnlich angewandtes Vorverzerrungsverfahren besteht darin, auf die Zwischenfrequenzstufe des Senders eine nichtlineare Schaltung zu legen, welche der Umkehrfunktion des Leistungsverstärkers, dessen Nichtlinearitäten man kompensieren will, nahekommt. Wenn man die genaue Umkehrfunktion des Verstärkers synthetisieren könnte, erhielte man mit diesem Verfahren am Ausgang ein perfektes Signal (ohne jede nichtlineare Verzerrung). Dies ist jedoch nicht durchführbar, denn die genaue Umkehrung würde eine unendlich komplexe Schaltung bedingen. In der Praxis begnügt man sich mit einer Annäherung, und meist bricht man die Taylorsche Reihe, die die nichtlineare Funktion des Verstärkers darstellt, nach dem Glied dritter Ordnung ab und synthetisiert eine Vorverzerrungsschaltung, ebenfalls der Ordnung 3, so daß die beiden hintereinandergeschalteten Schaltungen keine Verzerrung der Ordnung 3 mehr aufweisen. Terme höherer Ordnungen (5 und 7) erscheinen am Ausgang, aber mit geringerer Amplitude als bei der ursprünglichen Verzerrung der Ordnung 3. Daraus ergibt sich eine gewisse Leistungsverbesserung des Systems. Ein Nachteil dieser Vorverzerrungsschaltungen bei der Zwischenfrequenzstufe ergibt sich durch die Tatsache, daß es Analogschaltungen sind. Es ist schwierig, sie zu adaptieren, und man muß von Zeit zu Zeit eingreifen, urn sie wieder zu justieren und die Veränderungen von Zeit und Temperatur beim Ansprechen des Verstärkers zu kompensieren. Dieses Vorverzerrungsverfahren ist außerdem auszuschließen, wenn man eine automatische Steuerung der Sendeleistung herstellen will.
Ein anderes, neueres Vorverzerrungsverfahren besteht darin, das Alphabet der zu sendenden Daten zu verändern. Dieses Verfahren, als "Datenvorverzerrung" oder "Vorverzerrung im Basisband" bezeichnet, ist aus dem Patentdokument US-A-4,291,277 und dem Artikel von A.A.M. SALEH und J. SALZ "Adaptive linearization of power amplifiers in digital radio systems", Bell System Technical Journal Vol. 62, April 1983, Seiten 1019 - 1033, bekannt.
Im Artikel von A.A.M. SALEH und J. SALZ enthält die Figur 1 ein Schema einer adaptiven Vorverzerrungsschaltung, die am Eingang des Modulators eine gegenüber der ursprünglichen Rechteckkonfiguration, zum Beispiel einer Amplitudenmodulation zweier um 90º phasenverschobener Träger des Typs MAQ, verzerrte Konfiguration liefert. Der Verstärker beeinflußt die Konfiguration, indem er eine deutliche Kompression und eine deutliche Drehung der Punkte großer Amplitude bewirkt. Um diesen Effekt zu kompensieren, wird die ursprüngliche Konfiguration so verzerrt, daß sie nach ihrem Durchgang durch den Leistungsverstärker wieder ihre ursprüngliche Rechteckform annimmt. Wenn also die Vorverzerrungsschaltung optimiert ist, bildet sie die Umkehrung des Leistungsverstärkers (bis auf eine Stromverstärkung und eine Phase) und kann somit die Nichtlinearitäten des Verstärkers voll kompensieren. Um diese Schaltung adaptiv zu gestalten, wird das Signal am Ausgang des Verstärkers wieder abgenommen, demoduliert, dann mit der Sendefrequenz der Zeichen 1/T im Sendetakt abgetastet, und diese Abtastungen werden dann mit dem entsprechenden Punkt der verwendeten MAQ-Konfiguration verglichen. Mittels dieser Vergleiche kann man ein Steuersignal erhalten, mit dem die Vorverzerrungsschaltung mittels eines klassischen Algorithmus optimiert werden kann. Das Schema dieser Figur 1 ist jedoch stark vereinfacht, denn es verfügt über keinerlei Filterung, weder vor dem Modulator noch vor dem Leistungsverstärker. Es entspricht also keinesfalls der allgemein verwendeten Lösung. Bei den tatsächlichen Systemen benutzt man immer eine spektrale Nyquist- Impulsformung, mit der das Signalband begrenzt werden kann und die dennoch in den entscheidenden Augenblicken gewährleistet, daß keine Interferenz zwischen einzelnen Zeichen stattfindet. Dieses Filtern ist im allgemeinen gleichermaßen auf Senden und Empfang verteilt, um den Rauschabstand ebenfalls in den entscheidenden Augenblicken zu maximieren. Bei solchen Systemen arbeitet der Verstärker zweifach nichtlinear: nicht nur die Konfiguration ist deformiert, sondern es tritt auch eine Interferenz zwischen einzelnen Zeichen auf, wodurch jedem Punkt der Konfiguration eine Wolke von Punkten zugeordnet wird. Mit dem oben beschriebenen Vorverzerrungsverfahren ist es jedoch nicht möglich, diesen zweiten Effekt zu kompensieren.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorverzerrungsschaltung zu schaffen, mit der nicht nur die Konfiguration korrigiert, sondern auch die Streuung jedes Punktes der ursprünglichen Konfiguration als Punktwolke erheblich reduziert werden kann.
Diese Aufgabe soll durch Minimierung der Komplexität und der Menge des erforderUchen Materials gelöst werden.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Vorverzerrungseinrichtung einen Sendefilter umfaßt, der aus den Eingangsdaten im Takt k/T (mit k = ganzzahlig größer 1) gefilterte, überabgetastete, auf 2N Bits (N Bits pro Strecke) codierte Daten an die Vorverzerrungsschaltung liefert, die:
- einen Codierer, der die gefilterten, auf 2N Bits codierten Daten in auf 2M Bits (M < N) codierte Daten umwandelt,
- einen durch die 2M Bits adressierten Speicher, der 22M komplexe Vorverzerrungskoeffizienten speichert,
- einen komplexen Multiplizierer, der für alle Daten die 2N Bits der gefilterten Daten mit dem gewählten Vorverzerrungskoeffizienten multipliziert, so daß man vorverzerrte Daten (FI, FQ) erhält,
umfaßt.
Der Sendefilter führt eine spektrale Impulsformung durch, die durch eine Empfangsfilterung ergänzt wird, so daß die gesamte Sende-Empfangs-Filterung einen Nyquist-Filter darstellt, der ebenfalls gewährleistet, daß in den entscheidenden Augenblicken keine Interferenz zwischen einzelnen Zeichen stattfindet. Um die Größe der Punktwolken zu verringern, muß eine Korrektur mit mehr als einer Abtastung pro Zeichenimpulsdauer T durchgeführt werden.
Die Bestimmung von Vorverzerrungskoeffizienten nacheinander und danach von vorverzerrten Daten (FI, FQ) bietet so den Vorteil, daß weniger Material als bei einer Bestimmung mit Hilfe ganzer 2 N Bit-Felder erforderlich ist. Dies ist besonders spürbar, wenn die Vorverzerrungsschaltung einen Speicher verwendet. Bei einer erfindungsgemäßen Ausführung wird die Größe des Speichers erheblich verringert.
Der Codierer kann die höherwertigen 2M Bits aus den 2N Bits der gefilterten Daten auswählen.
Jedoch kann die vom Codierer ausgeführte Funktion komplexer sein. So kann der Codierer für jede Koordinate (r,q), die auf N Bits codiert ist und sich auf die gleichphasigen und um 90º phasenverschobenenen Strecken bezieht, das Modul (r²+q²) bestimmen und sie auf 2M Bits codieren.
Der dem Codierer vorgeschaltete Sendefilter, der die überabgetasteten, auf 2N Bits codierten Daten liefert, kann entweder ein digitaler oder ein analoger Filter mit nachfolgendem Analog-Digital-Umsetzer sein.
Die Erfindung wird für ein mit einer festen Vorverzerrungsschaltung versehenes System beschrieben. Denn es gibt Situationen, wo die Verzerrungsmechanismen relativ stabil sind oder bei denen keine absolut genaue Korrektur angestrebt wird. Im allgemeinen sind die Verzerrungsmechanismen jedoch progressiv und erfordern daher eine ständige Korrektur. In diesem Fall ist die Vorverzerrungsschaltung adaptiv und umfaßt hierfür eine Anpassungsschaltung, die anhand einer Demodulation des übertragenen Datenstroms die Vorverzerrungsschaltung anhand eines Vergleichs der Eingangsdaten und der übertragenen Daten kontinuierlich anpaßt. Die beobachtete Abweichung dient zur Korrektur der Vorverzerrungskoeffizienten, die im Speicher gespeichert sind und regelmäßig aktualisiert werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 die Konfiguration einer Modulation MAQ64;
Figur 2A eine vom Leistungsverstärker verzerrte MAQ64-Konfiguration in einem System ohne Filtern oder wenn das gesamte Nyquist-Filtern nach der Verstärkerstufe durchgeführt wird;
Figur 2B eine optimierte vorverzerrte Konfiguration zum Kompensieren der in Figur 2A dargestellten Verzerrung nach dem Stand der Technik;
Figur 3A die vom Verstärker so verzerrte Konfiguration, daß sie erscheint, wenn das globale Filtern zwischen Senden und Empfang gleichmäßig aufgeteilt ist und der Sendeteil vor dem Verstärker angeordnet ist;
Figur 3B mit der gleichen Situation wie der der Figur 3A, jedoch unter Einbeziehung der Vorverzerrungsschaltung nach dem Stand der Technik;
Figur 4 ein Schema eines erfindungsgemäßen digitalen Übertragungssystems;
Figur 5 ein Schema einer erfindungsgemäßen Vorverzerrungssehaltung;
Figur 6 ein Schema eines digitalen Übertragungssystems, das mit einer erfindungsgemäßen adaptiven Vorverzerrungsschaltung versehen ist.
Figur 1 ist eine Wiederholung der Darstellung der Konfiguration eines Signals vom Typ MAQ64. Die Eingänge I (phasengleich) und Q (90º phasenverschoben) des Modulators sind unabhängig, und die Zeichen auf jeder Strecke erhalten ihre Werte in einem Alphabet (±d, ±3d, ±5d, ±7d).
Zur Übertragung wird das vom Modulator ausgegebene Signal einem Leistungsverstärker zugeführt, der im allgemeinen mit verringerter Leistung benutzt wird, das heißt in einem linearen Teil seiner Kennlinie. Bei höher Leistung ist dieser Verstärker nichtlinear und verzerrt das Signal auf unannehmbare Weise. Wenn man eine Konfiguration vom Typ MAQ64 am Ausgang eines solchen Verstärkers, der nahe der Sättigung arbeitet, betrachtet, sieht man eine verzerrte Konfiguration, wie sie in Figur 2A dargestellt ist. Nach dem Stand der Technik genügt es, die Konfiguration nach dem Schema der Figur 2B in entgegengesetzter Richtung vorzuverzerren, damit man am Ausgang des Verstärkers die ursprüngliche nicht deformierte Konfiguration erhält. Ein so einfacher Zustand entspricht jedoch nicht der Realität, da immer ein Filtern vor dem Leistungsverstärker vorgenommen wird, um das Signalfrequenzband zu begrenzen. Ohne Filtern verändert sich das Signal am Eingang des Modulators stufenweise einmal pro Zeichenimpulsdauer T. Somit ermöglicht eine Vorverzerrungsschaltung, die auf das Signal im Takt 1/T einwirkt, eine perfekte Kompensation. Wenn jedoch das Signal gefiltert wird, verändert es sich nicht stufenweise, sondern kontinuierlich. Für eine perfekte Kompensation der Wirkung der Nichtlinearität genügt es nicht mehr, das Signal einmal pro Zeichenimpulsdauer T zu beobachten und die Verzerrung in diesen Augenblicken zu kompensieren.
Bei Vorhandensein eines gefilterten Signals ist die Konfiguration am Ausgang des Verstärkers in Figur 3A dargestellt. Sie nimmt die in Figur 3B mit der Vorverzerrungsschaltung nach dem Stand der Technik dargestellte Form an. Jeder Punkt der Konfiguration wird so zu einer Wolke von Punkten, was unannehmbar ist. Um mit einem gefilterten Signal zu arbeiten, muß man also die Korrektur an mehr als an einem Punkt pro Zeichenimpulsdauer durchführen. Hierzu führt man die spektrale Sendeimpulsformung mittels eines digitalen Filters durch, der am Ausgang die gefilterten Daten im Takt k/T (k ≥ 2) liefert. Wird diese Impulsformung mittels eines analogen Filters durchgeführt, wird das aus dem Filter austretende Signal im Takt k/T abgetastet. Somit erhält man alle T/k der Abtastungen des gefilterten Signals, die vorverzerrt werden sollen.
Figur 4 zeigt ein digitales Übertragungssystem mit einer Vorverzerrungseinrichtung 9, die mit einem Sendefilter 10 versehen ist, der auf N Bits pro Strecke codierte Abtastungen im Takt k/T (k ganzzahlig, mindestens = 2) liefert, und eine Vorverzerrungschaltung 11 mit einem nachgeschaltetem Digital-Analog-Umsetzer 12, Analogfilter 13, Modulator 14 und dem Verstärker 15. Dieser Verstärkter verzerrt die Daten, die er an die Sendeantenne übertragen soll.
Figur 5 zeigt ein Beispiel eines Schemas einer Vorverzerrungschaltung 11. Sie umfaßt einen Codierer 20, der die Codierung auf 2N Bits in eine Codierung auf 2M Bits verringert. So kann beispielsweise fuhr eine MAQ256-Modulation die Bitzahl von N=10 auf M=4 oder 5 reduziert werden. Damit wird die Größe des Speichers 51, der durch die 2M Bits adressiert wird, erheblich verringert. Dieser Speicher 51 speichert komplexe Vorverzerrungskoeffizienten fuhr jeden Punkt der Konfiguration. Diese komplexen Vorverzerrungskoeffizienten werden in einem Multiplizierer 52 zum Multiplizieren der gefilterten, auf 2N Bits codierten Daten verwendet. Damit erhält man am Ausgang die vorverzerrten Daten (FI, FQ), die mit den in Figur 4 bereits beschriebenen Elementen übertragen werden können.
Der Codierer 20 kann in jedem Feld von N Bits der gleichphasigen und der um 90º phasenverschobenen Strecken die höherwertigen M Bits zum Adressieren des Speichers 51 mit den 2M Bits auswählen.
Außerdem kann der Codierer 20 eine noch komplexere Funktion ausführen. Ein auf 2N Bits codiertes Datenelement kann durch seine Koordinaten r und q dargestellt werden, die sich auf die gleichphasigen und die um 90º phasenverschobenen Strecken beziehen. Auf diese Weise kann der Codierer 20 das zu diesem Datenelement gehörende Modul r²+q² berechnen und es auf 2M Bits codieren. Dies ist deshalb von Interesse, weil die Verzerrungen häufig von Veränderungen des Moduls der Punkte abhängen. Der Fachmann kann zum Bestimmen der zu verwendenden Vorverzerrungskoeffizienten auch andere Funktionen in Betracht ziehen.
Das Schema der Figur 4 stellt ein Übertragungssystem dar, mit dem die Daten vorverzerrt und die vom Verstärker im Fall einer festen Struktur verursachten Verzerrungen korrigiert werden können. Es kann aber genauso gut eine adaptive Struktur realisiert werden. Dies ist im Schema der Figur 6 dargestellt. Gleiche Teile haben die gleichen Bezugszeichen wie in Figur 4. In diesem Fall nimmt man das Ausgangssignal des Verstärkers 15 ab, um es einem Demodulator 81 mit nachgeschaltetem Tiefpaßfilter 82 zuzuführen, dessen Ausgang eine Anpassungsschaltung 83 speist. Diese tastet das Ausgangssignal des Filters 82 ab und vergleicht diese Daten mit den Eingangsdaten. Die Abweichung erzeugt ein Fehlersignal, mit dem (am Anschluß 84) die Vorverzerrungsschaltung 11 aktualisiert werden kann, beispielsweise durch Speichern neuer komplexer Vorverzerrungskoeffizienten im Speicher.

Claims

1. Vorverzerrungseinrichtung (9) fuhr ein digitales Übertragungssystem, das komplexe Eingangsdaten einer Konfiguration im Zyklus eines Zeichentaktgebers H der Periode T mittels eines Modulators (14) und eines Leistungsverstärkers (15), der die Daten verzerrt, überträgt, wobei die Einrichtung eine Vorverzerrungsschaltung (11) umfaßt, die die Eingangsdaten in entgegengesetzter Richtung vor ihrem Eintritt in den Verstärker vorverzerrt, um die erwarteten Eingangsdaten zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Sendefilter (10) umfaßt, der aus den Eingangsdaten im Takt k/T (mit k = ganzzahlig größer 1) gefilterte, überabgetastete, auf 2N Bits (N Bits pro Strecke) codierte Daten an die Vorverzerrungsschaltung (11) ausgibt, die:

- einen Codierer (20), der die gefilterten, auf 2N Bits codierten Daten in auf 2M Bits (M < N) codierte Daten umwandelt,

- einen durch die 2M Bits adressierten Speicher (51), der 22M komplexe Vorverzerrungskoeffizienten speichert,

- einen komplexen Multiplizierer (52), der für alle Daten die 2N Bits der gefilterten Daten mit dem gewählten Vorverzerrungskoeffizienten multipliziert, so daß man vorverzerrte Daten (FI, FQ) erhält,

umfaßt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Codierer (20) die höherwertigen 2M Bits der 2N Bits gefilterter Daten auswahlt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Codierer (20) für jede Koordinate (r,q), die auf N Bits codiert ist und sich auf die gleichphasigen und um 90º phasenverschobenenen Strecken bezieht, das Modul (r²+q²) bestimmt und es auf 2M Bits codiert.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sendefilter (10) entweder ein digitaler oder ein analoger Filter mit nachgeschaltetem Analog-Digital-Umsetzer ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorverzerrungsschaltung (11) adaptiv ist und hierzu eine Anpassungssehaltung (83) umfaßt, die anhand einer Demodulation des übertragenen Datenstroms die Vorverzerrungsschaltung anhand eines Vergleichs der Eingangsdaten und der übertragenen Daten kontinuierlich anpaßt.