ES2281931T3 - Disposicion de linealizacion de un amplificador de potencia. - Google Patents
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Abstract
ESTA INVENCION SE REFIERE A UN PROCEDIMIENTO DE COMPENSACION DE LA TEMPORIZACION EN UN BUCLE DE LINEARIZACION DE UN AMPLIFICADOR DE POTENCIA, CUANDO UN MODULADOR (10) Y UN DEMODULADOR (11) DERIVAN UNA FRECUENCIA DE OSCILADOR A PARTIR DEL MISMO OSCILADOR LOCAL (14). SE REFIERE TAMBIEN A UNA DISPOSICION DE LINEARIZACION DE DICHO AMPLIFICADOR, DISPOSICION QUE COMPRENDE UN MODULADOR I/Q (10), UNO O VARIOS AMPLIFICADORES DE POTENCIA (13) PARA SU LINEARIZACION Y QUE PRODUCEN UNA TEMPORIZACION, ASI COMO UN BUCLE DE RETROACCION QUE COMPRENDE UN DEMODULADOR I/Q (11). SEGUN ESTA INVENCION, LA TEMPORIZACION GENERADA POR EL AMPLIFICADOR DE POTENCIA EN LA RETROACCION SE COMPENSA POR LA TEMPORIZACION DE UNA SEÑAL DE OSCILADOR LOCAL APLICADA AL DEMODULADOR I/Q (11). LA TEMPORIZACION DE UNA SEÑAL DE OSCILADOR LOCAL QUE SE APLICA AL DEMODULADOR I/Q (11) SE GENERA POR UN AMPLIFICADOR OPTIMIZADO DE MANERA QUE TENGA UNA TEMPORIZACION IMPORTANTE, PREFERENTEMENTE, UN AMPLIFICADOR DE PEQUEÑAS SEÑALES.
Description
Disposición de linealización de un amplificador
de potencia.
La presente invención se refiere a un método de
compensación del retardo en un bucle de linealización de un
amplificador de potencia, comprendiendo dicho bucle un modulador
I/Q, uno o más amplificadores de potencia a linealizar y que
generan un retardo, y un bucle de realimentación que comprende un
demodulador I/Q cuando el modulador I/Q y el demodulador I/Q
obtienen una frecuencia de oscilación a partir del mismo oscilador
local.
Los amplificadores linealizados son necesarios
en los sistemas digitales actuales de comunicaciones inalámbricas,
por ejemplo, debido que se requiere que el espectro de una señal a
transmitir no se extienda más allá de la banda útil en cuestión. El
ensanchamiento de un espectro viene provocado por la no linealidad
de los amplificadores y genera interferencias, por ejemplo, en los
canales vecinos. La linealidad de las etapas de amplificación
depende de cómo se hayan polarizado las mismas y se pueden
clasificar según la linealidad: un amplificador de clase A es el
más lineal aunque presenta un rendimiento deficiente, mientras que
un amplificador de clase C, por ejemplo, presenta un buen
rendimiento aunque también es altamente no lineal. Un buen
rendimiento es una propiedad importante en los amplificadores de
potencia, y esta cualidad adquiere una importancia específica en
los dispositivos de comunicaciones inalámbricas cuya capacidad de la
batería está limitada. Por lo tanto, se usan amplificadores que
presentan un buen rendimiento aunque son no lineales y los mismos se
deben linealizar.
Uno de los métodos conocidos de linealización de
un amplificador de potencia no lineal de radiofrecuencia es la
realimentación cartesiana. En líneas generales, su principio de
funcionamiento es el siguiente: los datos a transmitir se incluyen
en las señales de banda base I y Q. Estas señales se llevan a un
modulador I/Q en el cual las señales se combinan y se modulan
directamente en una frecuencia final. La señal de frecuencia final
es amplificada por uno o más amplificadores de potencia de
radiofrecuencia no lineales y es llevada a una antena. La señal
amplificada de radiofrecuencia se muestrea después de la última
etapa de amplificación, por ejemplo, mediante un acoplador
direccional. La señal muestreada se lleva a un demodulador I/Q en el
cual se demodula a banda base y las señales I y Q se separan de la
misma. Finalmente, las señales muestreadas de banda base I y Q se
suman para obtener las señales I y Q reales. La suma genera una
predistorsión de las señales I y Q, cancelándose por lo menos
parcialmente, a causa de dicha predistorsión, la no linealidad
generada en los amplificadores de potencia.
Uno de los problemas en la disposición antes
descrita es que tanto el modulador I/Q como el demodulador I/Q
reciben una señal de oscilador local de la misma fuente. Por otro
lado, los amplificadores de potencia generan un retardo y las
señales muestreadas I y Q se devuelven con una fase incorrecta. Esta
distorsión se puede compensar ajustando la fase de la señal del
oscilador local aplicada al demodulador I/Q de manera que se
corresponda con la fase de las señales muestreadas I y Q. En las
soluciones conocidas, este ajuste de fase se implementa mediante
transformadores, mediante circuitos especiales de inversión de fase
o con un ajustador de fase digital. Uno de los ejemplos de este
tipo de solución se da a conocer en el documento JP
08-078967. Las soluciones conocidas son similares
en cuanto al espacio que ocupan y en que son relativamente caras.
Además, las soluciones son frecuentemente complejas y pueden
requerir una gran cantidad de trabajo manual en la producción. De
este modo, dichas soluciones resultan bastante poco adecuadas para
dispositivos pequeños de comunicaciones móviles producidos en
grandes cantidades.
Por lo tanto, uno de los objetivos de la
invención es proporcionar un aparato para solucionar los problemas
antes mencionados. Los objetivos de la invención se pueden alcanzar
por medio de una disposición de linealización de un amplificador de
potencia la cual está caracterizada por los aspectos que se
establecen en la parte caracterizadora de la reivindicación
independiente 1.
La invención se basa en la idea de que el
retardo se compensa con retardo, no con un ajuste de fase. En otras
palabras, una disposición que provoca un desplazamiento de fase se
sustituye por una disposición que genera un retardo en la vía de la
señal aplicada al demodulador I/Q de un oscilador local. Una de las
ventajas de la invención es que la disposición es bastante
sencilla. Según la invención, el retardo de una señal de un
oscilador local aplicada al demodulador I/Q es generado por un
amplificador optimizado para presentar un retardo elevado,
preferentemente por un amplificador de pequeña señal. El retardo de
grupo, es decir, el retardo, del amplificador está comprendido
preferentemente entre 5 y 10 ns ó un valor mayor. Como
habitualmente, en cualquiera de los casos, la señal del oscilador
local se debe amplificar antes que el demodulador I/Q, el método de
la invención se puede usar fácilmente optimizando un amplificador de
señal existente para que presente un retardo. La ventaja es que no
son necesarios circuitos adicionales de ajuste de fase.
A continuación se describirá la invención más
detalladamente en relación con las formas de realización preferidas
haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:
la Figura 1 muestra un diagrama de bloques de
una disposición de linealización de un amplificador de potencia
según la invención,
la Figura 2 muestra un esquema de un circuito
correspondiente a una etapa de un amplificador de transistores
optimizado para presentar un retardo y en concordancia con la
invención, y
la Figura 3 muestra las adaptaciones de entrada
y salida, es decir, las pérdidas por reflexión, el retardo de
grupo, es decir, el retardo, y la amplificación en función de la
frecuencia de una etapa de un amplificador del tipo
pasa-banda.
Una disposición de linealización de un
amplificador de potencia según la Figura 1, comprende, en líneas
generales, un modulador I/Q 10, un demodulador I/Q 11, por lo menos
un amplificador de potencia 13 a linealizar, un oscilador local 14,
una unidad de retardo 12 y una antena 15. El modulador I/Q 10 y el
demodulador I/Q 11 funcionan sobre la base de un principio de
modulación en cuadratura. El mismo permite combinar dos señales
independientes en un transmisor y transmitirlas sobre la misma
banda de transmisión y separarlas nuevamente la una de la otra en
un receptor. El principio de la modulación en cuadratura es la
modulación de dos señales I y Q independientes (en fase y en
cuadratura) usando la misma frecuencia portadora, aunque las fases
de las ondas portadoras se desvían mutuamente de tal manera que la
onda portadora de la señal Q está 90º por detrás de la onda
portadora de la señal I. Las señales se suman después de la
modulación. Las señales I y Q se pueden separar mutuamente gracias
a la diferencia de fase cuando se demodula la señal suma. Para
garantizar la funcionalidad del método, las señales del oscilador
local usadas por el modulador y el demodulador, sobre la base de las
cuales se forma la onda portadora, deben ser mutuamente de la misma
frecuencia y con una fase correcta.
Las señales de banda base I y Q que contienen
datos se llevan al modulador I/Q 10 en el cual se combinan y
modulan en una frecuencia final (frecuencia de transmisión). La
señal de frecuencia final se lleva adicionalmente al amplificador
de potencia no lineal 13 en el cual la señal se amplifica. Se puede
disponer de varias unidades de amplificadores de potencia 13
acopladas en serie. Después de la amplificación, la señal se lleva a
la antena 15 para ser transmitida.
La señal amplificada de frecuencia final se
muestrea después de una etapa de amplificación, el amplificador de
potencia 13, y se lleva al demodulador I/Q 11 en el cual la señal
muestreada se demodula a banda base y las señales muestreadas I y Q
se separan de la misma. Las señales muestreadas de banda base I y Q
que se acaban de obtener se suman en las señales I y Q reales. La
suma de las señales muestreadas en las señales reales crea una
predistorsión en las señales aplicadas al modulador I/Q 10 y
adicionalmente al amplificador de potencia 13 de tal manera que la
no linealidad provocada por el amplificador de potencia 13 se
cancela para resultar lo más baja posible.
La unidad de oscilador local 14 produce una
señal de oscilador la cual se lleva al modulador I/Q 10 y, a través
de la unidad de retardo 12, al demodulador I/Q 11. La señal del
oscilador local aplicada al demodulador I/Q 11 se retarda en la
unidad de retardo 12 ya que la señal muestreada aplicada al
demodulador I/Q 11 y modulada en el modulador I/Q 10, en
sincronización por parte del oscilador local 14, se retarda en el
amplificador de potencia 13. Para garantizar un modo correcto de
demodulación de la señal muestreada, la señal del oscilador local
aplicada al demodulador I/Q y la señal muestreada deben encontrarse
en una fase correcta la una con respecto a la otra. De este modo,
la unidad de retardo 12 compensa el retardo generado sobre la señal
en el amplificador de potencia.
La Figura 2 muestra un esquema de un circuito de
un amplificador de pequeña señal optimizado para presentar un
retardo y en concordancia con la invención, comprendiendo el esquema
del circuito, en aras de una mayor claridad, únicamente los
componentes más significativos para la invención.
La generación de un retardo en el amplificador
se basa en el hecho conocido de que el retardo es la derivada de la
fase en función de la frecuencia angular. En otras palabras, un
cambio drástico de fase en un intervalo de frecuencias específico
también da como resultado un retardo elevado en dicho intervalo. En
las simulaciones y las pruebas prácticas realizadas por el
solicitante, se ha detectado que los cambios drásticos de fase en
un intervalo de frecuencias deseado se pueden implementar de la
mejor manera por medio de un amplificador cuya entrada esté
adaptada para ser del tipo pasa-altas y la salida
esté adaptada para ser del tipo pasa-bajas.
El funcionamiento de la disposición de la Figura
2 es, en líneas generales, el siguiente: se introduce una señal a
través de un puerto ENTRADA. La entrada está dispuesta para ser del
tipo pasa-altas por medio de un circuito de
adaptación formado por condensadores C1 y C2 y una bobina L1. La
señal que pasa a través del circuito de adaptación controla un
transistor T. El transistor T amplifica la señal y la señal
amplificada prosigue a través del circuito de adaptación de la
salida. La salida está dispuesta para ser del tipo
pasa-bajas por medio de un circuito de adaptación
formado por bobinas L2 y L3 y un condensador C3. A la señal que pasa
a través del circuito de adaptación de la salida se le da salida a
través de un puerto SALIDA.
Los circuitos de adaptación de la entrada y la
salida están además dispuestos mutuamente para dar como resultado
un amplificador del tipo pasa-banda. Cuanto más
estrecha sea la banda delimitada por las adaptaciones de la entrada
y la salida, mayores serán los cambios provocados por el
amplificador en la fase de la señal, y por lo tanto también el
retardo. Si las adaptaciones de entrada y salida están dispuestas en
la misma frecuencia, se obtiene como resultado un retardo de tipo
pico el cual es extremadamente elevado aunque activo en un área de
frecuencias estrecha. No obstante, esta opción no tiene mucho
sentido y se logra un resultado más preferible cuando la adaptación
de entrada se proporciona en el borde superior de una banda de
frecuencias deseada a retardar, y la adaptación de salida se
proporciona en el borde inferior de la banda de frecuencias. En este
caso, el resultado es un retardo más estable el cual es activo en
un intervalo de frecuencias más extenso. La Figura 3 ilustra una
respuesta en frecuencia S21 y el retardo GD de un amplificador de
este tipo en función de la frecuencia. S11 describe la adaptación,
es decir, las pérdidas de retorno, de una entrada del tipo
pasa-altas. La adaptación de la entrada está
dispuesta ligeramente por encima de la frecuencia media
aproximadamente 380 MHz. De forma correspondiente, S22 describe la
adaptación, es decir, las pérdidas de retorno, de una salida del
tipo pasa-bajas. La adaptación de la salida está
dispuesta ligeramente por debajo de la frecuencia media
aproximadamente 380 MHz. Entre las adaptaciones de la entrada y la
salida se forma una banda en la cual el retardo de grupo, es decir,
el retardo GD, del amplificador es relativamente estable. Cuanto más
cerca de la frecuencia media y la una de la otra estén dispuestas
las adaptaciones de la entrada y la salida, más alta y más abrupta
será la curva de retardo GD. La disposición también se puede
implementar de manera que sea ajustable usando componentes
ajustables, por ejemplo, sustituyendo un condensador C3 por un diodo
de capacidad adecuado.
Si entre el oscilador local 14 y el demodulador
I/Q 11 se usa un amplificador de una señal de oscilador local, la
adición de una disposición según la Figura 2 y que genere un
retardo, a un amplificador existente de este tipo, resulta
relativamente sencilla y económica. La disposición se puede
implementar de muchas formas diferentes usando componentes
independientes o, por ejemplo, integrando la disposición de retardo
en un circuito IC sin desviarse con respecto a la idea básica de la
invención.
Resultará evidente para los expertos en la
materia que la idea básica de la invención se puede implementar de
varias maneras a medida que la tecnología avance. Por lo tanto, la
invención y sus formas de realización no se limitan a los ejemplos
antes descritos sino que pueden variar dentro del alcance de las
reivindicaciones.
Claims (5)
1. Disposición de linealización de un
amplificador de potencia, comprendiendo dicha disposición un
modulador I/Q (10), uno o más amplificadores de potencia (13) a
linealizar y que generan un retardo, y un bucle de realimentación
que comprende un demodulador I/Q (11), en la que el modulador I/Q
(10) y el demodulador I/Q (11) obtienen una frecuencia de
oscilación a partir del mismo oscilador local (14) y en la que se
proporciona una unidad de retardo (12) entre el oscilador local
(14) y el demodulador I/Q (11), retardándose por medio de dicha
unidad de retardo una señal de un oscilador local aplicada al
demodulador I/Q (11) para compensar el retardo generado en el
amplificador o amplificadores de potencia (13), caracterizada
porque
la unidad de retardo (12) para retardar la señal
del oscilador local aplicada al demodulador I/Q (11) es un
amplificador, preferentemente un amplificador de pequeña señal, el
cual está dispuesto para ser del tipo pasa-banda a
la frecuencia de la señal del oscilador local con vistas a producir
un retardo en la señal del oscilador local.
2. Disposición de linealización según la
reivindicación 1, caracterizada porque la adaptación de la
entrada del amplificador que retarda la señal del oscilador local
aplicada al demodulador I/Q (11) es del tipo
pasa-altas y la adaptación de la salida es del tipo
pasa-bajas.
3. Disposición de linealización según la
reivindicación 2, caracterizada porque la adaptación (S11)
del tipo pasa-altas de la entrada del amplificador
está dispuesta fuera de la frecuencia media del amplificador en el
borde superior de la banda de paso, y la adaptación (S22) del tipo
pasa-bajas de la salida está dispuesta en el borde
inferior de la banda de paso de tal manera que el amplificador
presenta un retardo relativamente estable (GD) en la banda de
paso.
4. Disposición de linealización según la
reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque uno o más de los
componentes que forman el amplificador que retarda la señal del
oscilador local aplicada al demodulador I/Q (11) son de un tipo
ajustable, con lo cual el retardo generado por el amplificador y el
ancho de banda se pueden ajustar.
5. Disposición de linealización según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada
porque el amplificador está dispuesto para producir un retardo
comprendido entre 5 y 10 ns o mayor.
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