Способ линейного усиления сигнала по мощности и устройство для его реализации
METHOD OF LINEAR SIGNAL AMPLIFICATION BY POWER AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к электро-радиотехнике, а именно, к способам и аппаратуре усиления электрических и радиосигналов и может применяться в радиопередатчиках различного назначения в широком диапазоне частот, в частности, в радиопередатчиках помех.
Известен способ линейного усиления сигнала по мощности, основанный на усилении входного сигнала, разветвлении усиленного сигнала и формировании сигнала ошибки путем вычитания из него входного сигнала, усиления сигнала ошибки в линейном усилителе и вычитании из сигнала, прошедшего усилительный тракт, сигнала ошибки (см., например, URL, http://sdamzavas.net/1-7430.html. Дата обращ. 06.06.2019 г.).
Известно устройство, реализующее описанный способ (см., например, URL, http://sdamzavas.net/1-7430.html, рис. 17). Устройство содержит последовательно соединенные первый разветвитель, вход которого является входом устройства, усилитель мощности, второй разветвитель, первый элемент задержки, первую схему вычитания, выход которой является выходом устройства, а также последовательно соединенные второй элемент задержки, вход которого соединен со вторым выходом первого разветвителя, вторую схему вычитания, второй вход которой соединен со вторым выходом второго разветвителя, и линейного усилителя, выход которого соединен со вторым входом второй схемы вычитания.
Недостатком как способа, так и устройства линейного усиления сигнала по мощности является необходимость достаточно высокой выходной мощности линейного усилителя, следствием чего является появление дополнительных нелинейных искажений сигнала.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению «объект - способ» является способ линейного усиления сигнала, основанный на предварительном вычислении значений корректирующих коэффициентов по результатам измерений амплитудно-амплитудной характеристики (ААХ) и амплитудно-фазовой характеристики (АФХ) усилителя мощности, внесении с использованием корректирующих коэффициентов предыскажений во входной сигнал, его цифро-аналоговом преобразовании, модуляции, усилении, ответвлении усиленного сигнала и его демодуляции, аналого-цифровом преобразовании демодулированного сигнала и уточнении значений корректирующих коэффициентов с учетом искажений усиленного сигнала [см., например, Аверина Л.И., Бобрешов A.M., Шутов В.Д. Адаптивный цифровой метод уменьшения внеполосного излучения усилителей мощности. Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Системный анализ и информационные технологии. - 2013. - №1, с. 82-88].
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению «объект - устройство» является цифровой усилитель мощности сигнала с адаптивными предыскажениями [см., например, Аверина Л.И., Бобрешов A.M., Шутов В.Д. Адаптивный цифровой метод уменьшения внеполосного излучения усилителей мощности. Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Системный анализ и информационные технологии. - 2013. - №1, с. 82-88]. Усилитель содержит последовательно соединенные корректор, вход которого является входом усилителя, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), модулятор, усилитель мощности, ответвитель, демодулятор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и блок адаптации, выход которого соединен со вторым входом корректора. Принцип работы устройства основан на линеаризации передаточной характеристики усилителя мощности за счет предыскажения входного сигнала с использованием фазовых и амплитудных корректирующих коэффициентов, записанных в корректоре. Корректирующие коэффициенты рассчитываются заранее путем аппроксимации измеренных ААХ и АФХ усилителя мощности. Корректирующие коэффициенты адаптируются (пересчитываются) к изменениям характеристик усилителя (включая температурные, изменение напряжения источника питания, старение элементов), а также к изменениям свойств входного сигнала.
Недостатками как способа, так устройства является низкая эффективность линеаризации передаточной характеристики, обусловленная ошибками измерения и аппроксимации ААХ и АФХ усилителя мощности, и большие временные затраты, связанные с уточнением корректирующих коэффициентов.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности линеаризации передаточной характеристики усилителя мощности за счет выявления побочных гармоник, возникающих из-за нелинейности усилителя, их инвертирования и добавления во входной сигнал перед усилением, что соответствует предыскажению входного сигнала и его дальнейшему линейному усилению.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе линейного усиления сигнала по мощности, основанном на цифро-аналоговом преобразовании входного сигнала, модуляции им высокочастотного сигнала, усилении, ответвлении усиленного сигнала и его демодуляции, аналого-цифровом преобразовании демодулированного сигнала, согласно изобретению, перед цифро-аналоговым преобразованием входного сигнала формируют его спектр и спектр цифрового демодулированного сигнала, определяют их разность, инвертируют разность спектров и смешивают со спектром входного сигнала.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве линейного усиления сигнала по мощности, содержащем последовательно соединенные ЦАП, модулятор, усилитель мощности, ответвитель, демодулятор, АЦП, согласно изобретению, дополнительно введены последовательно соединенные формирователь спектра демодулированного сигнала, блок вычитания спектров, формирователь инверсного спектра, блок сложения спектров, блок формирования сигнала, выход которого соединен со вторым входом ЦАП, а также формирователь спектра входного сигнала, вход которого является входом устройства, первый выход соединен с первым входом ЦАП, а второй выход - с объединенными входами блока сложения и блока вычитания спектров.
Сущность изобретения «объект - способ» заключается в том, что перед цифро-аналоговым преобразованием входного сигнала формируют его спектр, а также спектр цифрового демодулированного сигнала, определяют разность указанных спектров, инвертируют результат вычитания (разность спектров) и смешивают разность спектров со спектром входного сигнала.
Сущность изобретения «объект-устройство» заключается в том, что после АЦП дополнительно введены последовательно соединенные формирователь спектра демодулированного сигнала, блок вычитания спектров, формирователь инверсного спектра, блок сложения спектров, блок формирования сигнала, выход которого соединен со вторым входом ЦАП, а также формирователь спектра входного сигнала, вход которого является входом устройства, первый выход соединен со входом ЦАП, а второй выход - с объединенными входами блока сложения и блока вычитания спектров.
В известных как способе, так и устройстве качество усиления обеспечивается за счет линеаризация передаточной характеристики усилителя. Линеаризация достигается путем внесения предыскажений во входной сигнал с использованием заранее рассчитанных и внесенных в базу данных корректора корректирующих коэффициентов и их адаптации к условиям работы усилителя. Корректирующие коэффициенты рассчитываются методом аппроксимации измеренной передаточной характеристики усилителя. Известно [см., например, Аверина Л.И., Бобрешов A.M., Шутов В.Д. Адаптивный цифровой метод уменьшения внеполосного излучения усилителей мощности. Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Системный анализ и информационные технологии. - 2013. - №1, с. 84], что эффективность линеаризации передаточной характеристики усилителя зависит от точности расчета корректирующих коэффициентов, которая определяется точностью их измерения и аппроксимации. Кроме того, процедура расчета корректирующих коэффициентов требует большого времени.
Согласно заявляемому изобретению «объект-способ», ответвляют часть мощности усиленного сигнала, демодулируют его, формируют спектр демодулированного сигнала и вычитают из него спектр входного сигнала. Если в разностном сигнале будут составляющие спектра, то это значит, что усилитель работает в нелинейном режиме. При наличии таких спектральных составляющих они добавляются в спектр входного сигнала после их инвертирования, что соответствует внесению предыскажений во входной сигнал. При этом вносимые предыскажения получены на основе результата усиления высокочастотного сигнала, модулированного входным сигналом, то есть во входной сигнал внесены точные копии предыскажений, что повышает эффективность линеаризации передаточной характеристики усилителя. Этим достигается указанный в изобретении технический результат.
Вариант построения устройства линейного усиления сигнала по мощности, реализующего предлагаемый способ, приведен на чертеже, где обозначены: 1.1 и 1.2 - формирователи спектра входного и демодулированного сигналов, соответственно, 2 - цифро-аналоговый преобразователь, 3 - модулятор, 4 - усилитель мощности, 5 - ответвитель, 6 - демодулятор, 7 - аналого-цифровой преобразователь; 8 - блок вычитания спектров, 9 - формирователь инверсного спектра, 10 - блок сложения спектров, 11 - блок формирования сигнала.
Назначение элементов схемы ясно из их названия. Они могут быть выполнены с использованием известных из радиотехники и промышленно выпускаемых схем и радиотехнических элементов. В частности, например, формирователи спектра 1.1 и 1.2 могут быть выполнены с использованием устройства, реализующего процедуру преобразования Фурье [см., например, патент RU 2182358, С2, МПК G06F 17/14, опуб. 10.05.2000 г.], а блок формирования сигнала 11 - устройства, реализующего процедуры прямого и обратного преобразования Фурье [см., например, патент RU 2179785, С2, МПК Н04В 1/06, опуб. 20.02.2002 г.].
Блок вычитания спектров 8 может быть выполнен на основе технического решения, предложенного в изобретении [патент RU 2145737, С1, МПК G10L 21/02, опуб. 20.02.2000 г.].
Формирователь инверсного спектра 9 может быть выполнен на микроконтроллерах со специальным программным обеспечением, разработанным по методике, изложенной, например, в [Капустин А.С., Корнилин Д.В., Кудрявцев И.А. Методы цифровой обработки сигналов в радиотехнических системах. Электронное учебное пособие. - Самара: СГАУ им. С.П. Королева, 2012, с. 43 -44].
Блок сложения спектров может быть выполнен на микроконтроллерах со специальным программным обеспечением, разработанным по методике, изложенной, например, в [Лукин А.С. Введение в цифровую обработку сигналов (математические основы). - М.: Московский государственный университет, 2007, с. 28].
Устройство линейного усиления сигнала по мощности работает следующим образом.
На вход формирователя спектра входного сигнала 1.1 поступает цифровой входной сигнал (сигнал модуляции). На выходе формирователя 1.1 с использованием прямого преобразования Фурье формируют амплитудно-частотный спектр входного сигнала. Аналогично формируют спектр демодулированного сигнала из сигнала, поступающего на вход формирователя 1.2 с выхода аналого-цифрового преобразователя 7. Спектр демодулированного сигнала поступает на первый вход блока вычитания спектров 8, на второй вход которого поступает спектр входного сигнала с блока 1.1. На выходе блока вычитания спектров 8 получается спектр, который содержит только составляющие, возникшие за счет нелинейности передаточной характеристики усилителя мощности 4. Далее разность спектров в формирователе инверсного спектра 9 инвертируется и в блоке сложения спектров 10 суммируется со спектром входного сигнала. Таким образом, спектр входного сигнала получает дополнительные составляющие, которые инверсны составляющим, возникающим на выходе усилителя мощности 4. Далее в блоке формирования сигнала 11 с применением процедуры обратного преобразования Фурье формируется входной сигнал во временной области с законом изменения амплитуды, отличающимся от закона изменения амплитуды входного сигнала. Изменение происходит за счет дополнительных инверсных составляющих спектра. После цифро-аналогового преобразователя 2 сигнал поступает на вход модулятора 3, где происходит модуляция высокочастотного сигнала модулирующим сигналом. Модулированный сигнал усиливается в усилителе мощности 4. На выходе усилителя мощности 4 нелинейные искажения компенсируются инверсными составляющими спектра входного сигнала.