Hochfrequenztechnik
Telekommunikationsprojekt
Für mobile Kommunikationsdienste existiert nur eine begrenzte Anzahl an Frequenzbändern. Die erforderliche Kanalbandbreite bei der Datenübertragung und die mögliche Datenrate sind entscheidende Faktoren, welche die Effektivität eines Übertragungssystems charakterisieren. Dabei wird innerhalb eines Frequenzbandes eine maximale Datenrate angestrebt. Es existieren verschiedene Verfahren, die bei gleicher Kanalbandbreite eine höhere Datenrate erlauben und dadurch einen effzienteren Nachrichtenfluss ermöglichen.
Ein kritischer Punkt in dem mobilen Endgerät ist das Übertragungsverhalten des HF-Sendeverstärkers in Bezug auf die zu übertragenden HF-Signale für den EDGE und UMTS-Standard. Im Gegensatz zur GMSK-Modulation werden bei der 3?/8- 8PSK Modulation und QPSK-Modulation sowohl die Phase als auch die Amplitude moduliert. Das Ergebnis ist eine spektrale Verbreiterung des Ausgangssignales nach dem nichtlinearen Leistungsverstärker bzw. eine deutliche Verzerrung des Sendesiggnals.
Dies führt zu einer Erhöhung der Bitfehlerrate (BER) im Uplink bei gleicher Empfangsfeldstärke. Um diese Verzerrungen zu minimieren, ist der Einsatz eines linearen Leistungsverstärkers erforderlich. Der Wirkungsgrad linearer Verstärker liegt aber mit ca. ?35% deutlich unter dem Potential von nichtlinearen Leistungsverstärkern, die einen Wirkungsgrad von über 60% erreichen. Die hohe Energieaufnahme des Systems aufgrund des niedrigen Wirkungsgrads der Komponenten steht aber im Gegensatz zu dem Bestreben, möglichst lange Betriebszeiten der mobilen Station zu erreichen. Um nichtlineare Leistungsverstärker mit hohen Wirkungsgraden einsetzen zu können, müssen geeignete Linearisierungsverfahren zur Wiederherstellung des Ausgangssignals verwendet werden.
Projekt: Linearisierung eines nichtlinearen Leistungsverstärker für den Einsatz in der Mobilkommunikation
Folgende Verfahren zur Linearisierung eines nichtlinearen Leistungsverstärkers können eingesetzt werden:
Transceiver Design
- Feed forward linearization technique
- Feedback linearization technique
- Cartesian loop linearization technique
- Polar loop linearization technique
- Linear amplification using nonlinear components
- Digital pre-distortion technique
- Analog pre-distortion technique
Als Simulationswerkzeuge bieten sich je nach Abstraktionsebene Matlab/Simulink, ADS und CST Microwave Studio an.
Simulation
- Matlab/Simulink Simulation
- ADS (Advance Design System) Simulation
- CST (Microwave Studio) Simulation
- CAD-Design
Hardware Design
- Transmitter Hardware Design for 4G Mobile Communication Systems
- Receiver Hardware Design for 4G Mobile Communication Systems
- Antenna Design for 4G Mobile Communication Systems
Polar-Loop Verfahren
In Bild 2 ist der prinzipielle Aufbau des Polar-Loop Verfahrens dargestellt. Das Kernelement ist der nichtlineare Leistungsverstärker (PA), der mit Hilfe von Regelschleifen gesteuert wird. Dadurch soll am Ausgang des PA eine verstärkte Kopie des Eingangssignals sowohl betrags- als auch phasenmäßig entstehen. Als Regelschleife kommt eine PLL (Phase Locked Loop) zum Einsatz, die zur Korrektur der Phasenlage zwischen einem Referenzsignal und dem Ausgangssignal dient. Zusätzlich muss zur Korrektur der Amplitude des Ausgangssignals eine ALL-Regelschleife (Amplitude Locked Loop) verwendet werden. Da es sich um zwei Regelschleifen handelt, ist für die Qualität des Ausgangssignals die gegenseitige Anpassung der Regelschleifen von enormer Bedeutung.
Das FFT-Leistungsspektrum des modulierten EDGE-Signals ist in Bild 3 dargestellt. Das ursprüngliche EDGE-Generator-Signal ist in rot gezeichnet. Dies wurde vor der Anpassung der Bandbreite der ALL-Regelschleife (Amplitude Locked Loop) auf die Bandbreite der PLL-Regelschleife simuliert.
In Bild 4 ist das Ergebnis der Simulation nach der Anpassung der Bandbreite der ALL-Regelschleife auf die Bandbreite der PLL- Regelschleife dargestellt. Verglichen mit der Abbildungen 3 ergibt sich eine signifikante Verbesserung bei der Nachbildung des ursprünglichen EDGE-Generator-Signals.
Prinzipieller Aufbau weiterer Linearisierungsverfahren
Zur Vollständigkeit werden im nachfolgenden die prinzipiellen Aufbauten weiterer Linearisierungs- verfahren dargestellt.
Beim Cartesian-Loop Verfahren wird die Linearisierung im Basisband durchgeführt. In Abbildung 5 ist das Funktionsprinzip des Cartesian-Loop Verfahrens dargestellt. Es ist ersichtlich, dass ein Teil des Ausgangssignals ausgekoppelt und ins Basisband heruntergemischt wird. Danach bildet man die Differenz aus dem heruntergemischten Ausgangssignal und dem unverzerrten Eingangssignal und man erhält somit ein Fehlersignal. Mit diesem Fehlersignal steuert man den IQ-Modulator und die Endstufe an.
In Abbildung 6 ist das Prinzip des Feedforward-Verfahrens dargestellt. Das Prinzip basiert auf einer Auslöschung der nichtlinearen Effekte durch Einsatz eines zusätzlichen Verstärkers (Error Amplifier).
Ein weiteres Linearisierungsverfahren wird in Abbildung 7 dargestellt. Es handelt sich um das LINC-Verfahren (Linear Amplification using Nonlinear Component) ohne jegliche Rückkopplung.
Schaltungstechnische Realisierung des Polar-Loop Verfahrens
Abbildung 8 zeigt die schaltungstechnische Realisierung des Polar-Loop Verfahrens.
Bild 8: Realisierung der Polar-Loop Sendeschaltung für 1700 MHz
Die Messergebnisse in Abbildung 9 und 10 bestätigen die Simulationsergebnisse vor und nach Anpassung der Bandbreite der Regelschleifen. Durch die Anpassung der Bandbreite lässt sich eine erhebliche verbesserte Nachbildung des Ausgangssignals erzielen.
a.) Signalgenerator SMIQ 06B
b.) Das Spektrum des GSM-EDGE-Signals nach der
Polar-Loop Sendeschaltung (Bandbreite der Regelschleifen nicht angepasst)
a.) Signalgenerator SMIQ 06B
b.) Das Spektrum des GSM-EDGE-Signals nach der
Polar-Loop Sendeschaltung (Bandbreite der Regelschleifen angepasst)
Antennendesign: Splinehorn 75-100 GHz
Die Aufgabe einer Antenne im Sendefall ist die Ausstrahlung einer geführten elektromagnetischenWelle in den freien Raum. Im Empfangsfall wird die Antenne zur Überführung einer ebenen Welle im Raum in eine geführte Welle eingesetzt.
In der Quasioptik werden bevorzugt Antennen verwendet, die einen möglichst homogenen Gaußstrahl-Feldtyp erzeugen. Das Ziel ist die verlustarme Transformation eines Hohlleiter-Feldtyps in einen Gaußstrahl-Grundmode. Zur Beurteilung wird die Korrelation bzw. die Ähnlichkeit des elektrischen Feldes der Antenne mit dem elektrischen Feld des Gaußstrahl-Grundmode herangezogen. In der Literatur werden verschiedene Antennenformen mit unterschiedlichen Gaußstrahlverkopplungsfaktoren und Bandbreiteanforderungen eingesetzt. Der maximale Verkopplungsgrad und die entsprechenden optimalen Strahlparameter lassen sich durch Lösung des Verkopplungsintegrals berechnen. Dadurch wird die Verkopplung des Aperturfeldes der Antenne mit dem Feld eines Gaußstrahl-Grundmode bestimmt.
Die wichtigsten Antennenformen mit den entsprechenden Kenngrößen sind in der nachfolgenden Tabelle aufgelistet.
Entwurf eines optimierten Smooth-walled Spline-Profile Horn
Für die Dimensionierung eines quasioptischen Diplexers musste eine Antenne mit einem homogenen Strahlprofil und einer hohen Gaußstrahlverkopplung entworfen werden. Die Literaturrecherche hat gezeigt, dass ein Smooth-walled Spline-Profile Horn diese Vorgaben erfüllt.
Bild: CST Microwave Studio Simulation eines Splinehorns bei 75-100 GHz
In der Abbildung ist das MWS-Modell des optimierten Spline-Horns dargestellt. Das Spline-Horn besteht aus 71 unterschiedlichen Rundhohleitersegmenten.
Bild: Simulationsergebnis der Richtcharakteristik des optimierten Spline-Horns bei 87.5 GHz
Bild: Simulationsergebnis des Gewinns des Splinehorns bei 87.5 GHz
Bild: Reflexionsfaktor des Splinehorns bei 75-100 GHz
Es kann festgestellt werden, dass die Größenordnung der Strahlprofile zwischen der Simulation und der Messung sehr gut übereinstimmen.
Bild: Realisierung des Splinehorns bei 75-100 GHz
