Способ компенсации нелинейных искажений высокочастотных усилителей мощности и устройство для его осуществления
METHOD FOR COMPENSATION OF NON-LINEAR DISTORTIONS OF HIGH-FREQUENCY POWER AMPLIFIERS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники
Изобретение относится к области радиотехники, в частности к радиопередающим устройствам, и предназначено для создания усилителей мощности с низким уровнем внеполосных излучений, используемых в радиосвязи и телерадиовещании.
Уровень техники
Интенсивное использование радиочастотного спектра обостряет проблему ЭМС радиосредств, работающих в соседних полосах частот. Основным источником помех в таких условиях являются внеполосные излучения, которые возникают, в основном, в выходных высокочастотных усилителях мощности (УМ). Пониженный уровень внеполосных излучений имеют УМ, работающие в режиме класса А, однако они имеют низкий КПД и экономически не эффективны. Энергетически эффективные УМ с высоким КПД работают в нелинейных режимах и создают недопустимый уровень внеполосных излучений.
В материалах симпозиума 2009 IEEE International Symposium on Radio-Frequency Integration Technology описан способ линеаризации УМ с использованием метода прямой связи (Power Amplifier Linearization Using Feedforward Technique for Wide Band Communication System). В данном способе компенсация искажений УМ осуществляют в два этапа. На первом этапе после выравнивания амплитуд, фаз и задержек входного и выходного сигналов УМ осуществляют вычитание входного сигнала из выходного в результате на выходе вычитателя выделяются искажения сигнала. На втором этапе выделенные искажения вычитают из выходного сигнала УМ, тем самым исключая их из выходного сигнала УМ. Для успешной реализации данного способа на каждом этапе необходимо точное выравнивание амплитуд, фаз и задержек взаимодействующих сигналов. Устройства, реализующие данный способ, содержат как минимум два следящих контура регулирования, обеспечивающие выравнивание параметров сигналов. В данном способе компенсация искажений происходит на выходе УМ, поэтому перед вычитанием искажения должны быть усилены до необходимого уровня линейным УМ, что приводит к снижению КПД устройства в целом. Кроме того, необходимость использования как минимум двух контуров, снижает устойчивость устройства.
В патенте 2020143494/07(081150) описан способ и устройство для его осуществления, в котором путем вычитания входного сигнала из выходного выделяют сигнал искажений УМ и определяют функциональную зависимость этих искажений от входного сигнала. Используя эту функциональную зависимость в виде отдельной функции предыскажений, синтезируют компенсирующий сигнал, который подмешивают на вход УМ. Значения функции предыскажений могут быть вычислены с использованием таблицы поиска (LUT).
Устройство содержит контур регулирования для взаимного выравнивания входного и выходного сигналов по амплитуде, времени и фазе, сумматор для выделения сигнала искажений, блок расчета параметров функции предыскажений, ключ, блок функции предыскажений, на выходе которого синтезируется компенсирующий сигнал. Этот сигнал после выравнивания фазы поступает на вход УМ, тем самым компенсируя его искажения.
При этом для определения коэффициентов функциональной зависимости сигнала искажений от входного сигнала, необходимо решение переопределенной системы уравнений в матричной форме, что требует больших вычислительных, временных и энергетических затрат.
Прототипом изобретения, является способ и устройство, описанные в заявке на патент 2021137571. В соответствии с ним компенсация нелинейных искажений в УМ осуществляют в два этапа. На первом этапе после выравнивания амплитуд, фаз и задержек входного и выходного сигналов УМ вычитают входной сигнал из выходного. В результате чего выделяются искажения. Наблюдая входной сигнал и искажения, определяют функциональную зависимость сигнала искажений от входного сигнала. После того как функциональная зависимость определена, ее выделяют в виде отдельной параметризированной функции – функции предыскажений. Затем, используя в качестве аргумента этой функции амплитуду текущего входного сигнала, синтезируют компенсирующий сигнал, который является моделью искажений в усилителе мощности. На втором этапе компенсирующий сигнал вычитают из входного сигнала.
u
x
n
f(|x
(n)|,
)
n
in
in
Λ
Функциональную зависимость искажений  от входного сигнала  в дискретный момент времени  аппроксимируют в виде произведения входного сигнала на параметризированную функцию от амплитуды входного сигнала .Математически при представлении сигналов в комплексной форме это может быть представлено в виде:
u̇
n
где  – синтезированный сигнал искажений;
n
- дискретный момент времени;
ẋ
in
- входной сигнал;
f(|ẋ
(n)|,
in
Λ
) – параметризированная функция (функция предыскажений), связывает сигнал искажений с амплитудой входного сигнала;
Λ=
λ
λ
… λ
…λ
1
2
m
M
[] - вектор-строка коэффициентов функции предыскажений.
I(n)
Q(n)
Здесь и далее предполагается, что обработка сигнала производится в цифровой форме, например, в виде квадратурных компонентов  и .
f(|ẋ
(n)|,
p
λ
|x
|
|x
|
M
n
m
λ
x
y
x
in
in
in
max
m
m
b
m
b
m
b
Λ
Λ
Параметризированную функцию ) в прототипе представляют в виде таблицы поиска (LUT) с интерполяцией степени . Для вычисления коэффициентов  в векторе-строке , проводят квантование амплитуды входного сигнала  на интервале от нуля до максимального значения  на  уровней. На интервале наблюдения , для каждого уровня квантования  определяют коэффициент , путем вычисления выборочного коэффициента ковариации между сбалансированными по амплитуде, фазе и задержке входным сигналом  и сигналом искажений , с последующей его нормировкой относительно мощности указанного входного сигнала . Эту операцию можно представить в виде:
m
где       – коэффициент параметризированной функции, для -го уровня;
n
m
– выборочный коэффициент ковариации соответствующих сигналов на -м шаге для -го уровня квантования;
σ
m
2
– средняя мощность входного сигнала на -м уровне квантования;
m
– входной сигнал на -м уровне квантования, сбалансированный по амплитуде, фазе и задержке с выходным сигналом усилителя мощности;
m
– сигнал искажений на -м уровне квантования.
n
m
Выборочный коэффициент ковариации сигналов на -м шаге для -го уровня квантования имеет вид
k
m
n
m
*
где    –количество значений сигналов на -м уровне квантования за время наблюдения ;
- знак комплексного сопряжения числа;
m
что соответствует средней мощности входного сигнала на -м уровне квантования.
Подставляя  и
в
получим
λ
m
m
Λ
Полученные коэффициенты  записывают как элементы вектора  в позиции .
λ
m
Из  видно, что для вычисления коэффициентов  необходимо определение мощности сигнала и нормирование относительно ее текущего значения выборочного коэффициента ковариации.
Устройство, реализующее описанный в прототипе способ, содержит включенные последовательно первый сумматор и УМ. Вход сумматора является входом устройства, а выход УМ – выходом устройства. Устройство также содержит контур регулирования для взаимного выравнивания амплитуд, фаз и задержки входного и выходного сигналов. При этом один вход контура регулирования подключен к выходу устройства, а другой - к входу устройства. Устройство содержит второй сумматор, вычитающий вход которого подключен к первому выходу контура регулирования, а другой вход сумматора подключен ко второму выходу контура регулирования. При этом соответственно на первом и втором выходах контура регулирования формируется входной и выходной сигналы УМ, сбалансированные по амплитуде, фазе и задержке.
Устройство также содержит последовательно включенные блок расчета параметров функции предыскажений, ключ (необязательный элемент), блок функции предыскажений и блок выравнивания фазы. При этом выход блока выравнивания фазы подключен ко второму входу первого сумматора. Второй вход блока функции предыскажений подключен к входу устройства. Первый вход блока расчета параметров функции предыскажений подключен к первому выходу контура регулирования, а второй вход – к выходу второго сумматора.
Блок функции предыскажений содержит соединенные последовательно вычислитель амплитуды сигнала, блок вычисления параметризированной функции и умножитель, выход умножителя является выходом блока функции предыскажений, а второй вход умножителя соединен с входом вычислителя амплитуды сигнала и является вторым входом блока функции предыскажений, при этом первым входом блока функции предыскажений является второй вход блока вычисления параметризированной функции.
M
Блок расчета параметров функции предыскажений содержит функциональный делитель, выход которого является выходом блока, а также две одинаковые цепи, каждая из которых содержит включенные последовательно умножитель сопряженных квадратурных компонентов сигналов, сумматор, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) на  ячеек памяти. Выход ОЗУ соединен со вторым входом сумматора в соответствующих цепях и является выходом этих цепей. Первые входы с умножителей сопряженных квадратурных компонентов сигналов являются комплексно сопрягаемыми и соответствуют первым входам, а их вторые входы - вторым входам цепей. Входы первой цепи объединены между собой и с первым входом второй цепи и являются первым входом блока расчета параметров функции предыскажений. Второй вход второй цепи является вторым входом блока расчета параметров функции предыскажений. Вход знаменателя (делителя) функционального   к выходу первой цепи, а вход делимого – к выходу второй цепи.
M
m
Для управления процессами записи чтения в ОЗУ в состав блока расчета параметров функции предыскажений введены включенные последовательно вычислитель амплитуды сигнала, квантователь амплитуды и формирователь адреса. При этом вход вычислителя амплитуды сигнала соединен с первым входом первой цепи, а выход формирователя адреса – с входами управления (адресными входами) ОЗУ. Квантователь квантует диапазон амплитуды входного сигнала на  уровней, формирователь адреса перекодирует квантованные уровни амплитуды в адреса ячеек памяти ОЗУ. Таким образом, первая цепь осуществляет вычисление и накопление в ячейках ОЗУ мощности сигнала соответствующей -му уровню квантования, что соответствует знаменателю в
Во второй цепи осуществляется вычисление числителя в
Значение коэффициентов параметризированной функции формируется на выходе функционального делителя.
В устройстве после выравнивания в контуре регулирования амплитуд, фаз и задержек входного и выходного сигналов, они поступают на второй сумматор, на выходе которого выделяется сигнал искажений. Используя сигнал искажений и входной сигнал, в блоке расчета параметров функции предыскажений в соответствии с выражением
λ
f(|x
(n)|,
m
in
Λ
вычисляют коэффициенты  функции предыскажений , которые передают через замкнутый ключ в блок вычисления параметризированной функции. В этом блоке вычисляется параметризированная функция ) для действующего в данный момент времени значения амплитуды входного сигнала и на выходе блока формируется значение синтезированного сигнала искажений в соответствии с выражением
Затем в блоке выравнивания фазы изменяется фаза синтезированного сигнала искажений так, чтобы в первом сумматоре компенсирующий сигнал вычитался из входного сигнала устройства. Вводя на входе УМ синтезированные предыскажения в противофазе ожидаемым искажениям в УМ, осуществляют компенсацию искажений на его выходе, что соответствует повышению линейности амплитудной и фазо-амплитудной характеристик УМ.
λ
m
Таким образом, для выполнения операций преобразования сигналов по способу, описанному в прототипе при определении коэффициентов , необходимо проведение процедур вычисления средней мощности сигнала и нормирования выборочного коэффициента ковариации сигналов, что требует больших вычислительных, временных и энергетических затрат.
Раскрытие сущности изобретения
В соответствии с предлагаемым способом, компенсацию нелинейных искажений в УМ выполняют в два этапа. На первом этапе после выравнивания амплитуд, фаз и задержек входного и выходного сигналов выполняют вычитание входного сигнала из выходного. В результате этого выделяется сигнал искажений. Наблюдая входной сигнал и сигнал искажений определяют функциональную зависимость искажений от входного сигнала. Эта функциональная зависимость содержит отдельную параметризированную функцию (функцию предыскажений), аргументом которой является амплитуда входного сигнала. Затем, используя эту функцию синтезируют компенсирующий сигнал, который представляет собой модель искажений в усилителе мощности. На втором этапе компенсирующий сигнал вычитают из входного сигнала.
|x
|
|x
|
M
in
in
max
Для вычисления вектора коэффициентов параметризированной функции, проводят квантование амплитуды входного сигнала  на интервале от нуля до максимального значения  на  уровней, и определяют коэффициент параметризированной функции, для каждого уровня квантования.
При этом предлагаемый способ отличается тем, что функциональную зависимость искажений от входного сигнала представляют как произведение функции предыскажений на ограниченный по амплитуде входной сигнал, а коэффициенты функции предыскажений вычисляют на интервале времени наблюдения как сумму произведений сигнала искажений на ограниченный по амплитуде входной сигнал.
Функциональные преобразования сигналов в данном способе могут быть описаны математически следующим образом. Представим
в показательной форме
где   |…| - амплитуда сигнала;
ϕ
mb
– фаза входного сигнала;
ϑ
mb
- фаза сигнала искажений.
Интервалы квантования амплитудной характеристики УМ выбирают таким образом, чтобы изменения амплитудной характеристики УМ в пределах интервала были несущественны, тогда
и
можно представить в виде
где
- среднее значение величины.
Подставим  и  в
x
(n)
λ
(n)
f(|ẋ
(n)|,
f(|ẋ
(n)|,
λ
(n)
m
in
m
in
mb
m
Λ
Λ
Принимая значение функции предыскажений в точке || равным , т.е. ) =) =, подставим   в
Учитывая, что интервалы квантования амплитудной характеристики УМ выбраны таким образом, что изменения амплитудной характеристики УМ в пределах интервала несущественны, можно принять, что
Подставив  в
получим
Примем
Λ
Λ
G
|ẋ
(n)|
f(|ẋ
(n)|,
)
u
x
in
in
n
in
Таким образом из  видно, что при сделанных допущениях вектор-строка  представляет собой набор значений функции предыскажений в узловых точках   умноженный на коэффициент пропорциональности . Для других значений аргумента  функция предыскажений  может быть определена интерполяцией, например (но не ограничиваясь) ступенчатой, кусочно-линейной, полиномиальной и др.  При этом функциональная зависимость искажений  от входного сигнала  описывается произведением функции предыскажений на ограниченный по амплитуде входной сигнал:
Таким образом данный способ позволяет найти коэффициенты функции предыскажений не прибегая к вычислению средней мощности сигнала в интервалах квантования амплитудной характеристики УМ, а для синтеза компенсирующего сигнала достаточно использовать информацию только о мгновенной фазе входного сигнала.
Устройство для осуществления данного способа содержит (см. чертеж), как минимум, последовательно включенные первый сумматор (1) и УМ (2). Вход сумматора (1) является входом устройства, а выход УМ (2) – выходом устройства. Устройство также содержит контур регулирования (3) для взаимного выравнивания амплитуд, фаз и задержки входного и выходного сигналов. При этом один вход контура регулирования (3) подключен к выходу устройства, а другой - к входу устройства. Устройство содержит второй сумматор (4), вычитающий вход которого подключен, к первому выходу контура регулирования (3), а другой вход сумматора (4) подключен ко второму выходу контура регулирования (3). При этом соответственно на первом и втором выходах контура регулирования (3) формируются входной и выходной сигналы УМ, сбалансированные по амплитуде, фазе и задержке.
Устройство также содержит последовательно включенные блок расчета параметров функции предыскажений (5), ключ (6) (необязательный элемент), блок функции предыскажений (7) и блок выравнивания фазы (8). При этом выход блока выравнивания фазы (8) подключен ко второму входу первого сумматора (1). Второй вход блока функции предыскажений (7) подключен ко входу устройства. Первый вход блока расчета параметров функции предыскажений (5) подключен к первому выходу контура регулирования (3), а второй вход – к выходу второго сумматора (4).
Блок функции предыскажений (7) содержит соединенные последовательно вычислитель амплитуды сигнала (9), блок вычисления параметризированной функции (10) и умножитель (11), выход умножителя является выходом блока функции предыскажений (7), при этом первым входом блока функции предыскажений (7) является второй вход блока вычисления параметризированной функции (10), а вторым входом – вход вычислителя амплитуды сигнала (9).
M
Блок расчета параметров функции предыскажений (5) содержит включенные последовательно умножитель сопряженных квадратурных компонентов сигналов (12), сумматор (13), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) (14) на  ячеек памяти. Выход ОЗУ (14) соединен со вторым входом сумматора (13) и является выходом блока расчета параметров функции предыскажений (5). Первый вход умножителя сопряженных квадратурных компонентов сигналов (12) является комплексно сопрягаемым (помечен точкой на чертеже), а его второй вход является вторым входом блока параметров функции предыскажений (5).
M
Для управления процессами записи - чтения в ОЗУ (14) блок расчета параметров функции предыскажений (5) содержит включенные последовательно вычислитель амплитуды сигнала (15), квантователь (16) и формирователь адреса (17). При этом вход вычислителя амплитуды сигнала (15) является первым входом блока расчета параметров функции предыскажений (5). Выход формирователя адреса (17) соединен с входом управления (адресным входом) ОЗУ (14). Квантователь (16) квантует диапазон амплитуды входного сигнала на  уровней, формирователь адреса (17) перекодирует квантованные уровни амплитуды в адреса ячеек памяти ОЗУ (14).
Устройство от прототипа отличается тем, что в блоки расчета параметров функции предыскажений (5) и функции предыскажений (7) введены по ограничителю амплитуды (18, 19 соответственно). При этом вход соответствующего ограничителя амплитуды (18, 19) соединен со входом вычислителя амплитуды сигнала (15, 9) в соответствующих блоках расчета параметров функции предыскажений (5) и функции предыскажений (7). При этом выход ограничителя амплитуды сигнала (18) в блоке расчета параметров функции предыскажений (5) соединен с первым входом умножителя сопряженных квадратурных компонентов сигналов (12), а выход ограничителя амплитуды сигнала (19) в блоке функции предыскажений (7) соединен со вторым входом умножителя (11).
ẏ
b
Устройство работает следующим образом. После выравнивания амплитуд, фаз и задержек входного и выходного сигнала в контуре регулирования (3), они поступают на второй сумматор (4), на выходе которого формируется сигнал искажений . Входной сигнал после выравнивания в контуре регулирования (3) поступает на ограничитель амплитуды (18), на выходе которого формируется сигнал с постоянной амплитудой, описываемый выражением:
ϕ
in
где  – фаза сигнала.
n
На выходе умножителя квадратурных компонентов сигналов (12) вычисляется значение текущего слагаемого в  в момент времени :
m
λ̇
n
λ̇
n
m
m
m
Одновременно с этим из амплитуды входного сигнала, полученной на выходе вычислителя амплитуды сигнала (15), в цепи из квантователя (16) и формирователя адреса (17) формируется адрес ячейки памяти  в ОЗУ (14), из которой считывается значение коэффициента функции предыскажений , накопленное к моменту времени . На выходе сумматора (13) получают новое значение коэффициента функции предыскажений  в момент времени  и записывают его в  ячейку памяти ОЗУ (14) по адресу .
Порядок управления процессом чтения-записи данных в ОЗУ определяется особенностями его реализации и не является предметом защиты данного изобретения.
m
n
λ̇
m
На выходе ОЗУ (14) формируется -й коэффициент параметризированной функции в -й дискретный момент времени, который передают через замкнутый ключ (6) в блок функции предыскажений (7). Процесс передачи коэффициентов параметризированной функции  в блок функции предыскажений (7) может осуществляться различными способами, например непрерывно, последовательно или периодически путем опроса ячеек ОЗУ (14) или др. способом. Организация этого процесса не является предметом защиты данного изобретения. Ключ (6) используют в соответствии с выбранным вариантом обновления вектора параметров в блоке функции предыскажений (7).
На второй вход блока функции предыскажений (7) поступает входной сигнал, по которому осуществляется вычисление значения функции предыскажений в данный момент времени в соответствии с выражением
f(|ẋ
(n)|,
)
f(|ẋ
(n)|,
)
in
in
Λ
Λ
Это происходит путем умножения в умножителе (11) входного сигнала устройства, ограниченного по амплитуде в ограничителе амплитуды (19), на значение параметризированной функции , получаемого из блока вычисления этой функции (10). При этом вычисление параметризированной функции осуществляется для действующего в данный момент времени значения амплитуды входного сигнала, получаемого из вычислителя амплитуды сигнала (9) .
В блоке выравнивания фазы (8) изменяется фаза синтезированного сигнала искажений так, чтобы в первом сумматоре (1) компенсирующий сигнал вычитался из входного сигнала устройства. Вводя на входе УМ синтезированные предыскажения в противофазе ожидаемым искажениям в УМ, осуществляют компенсацию искажений на его выходе, что соответствует повышению линейности амплитудной и фазо-амплитудных характеристик УМ.
Краткое описание чертежей
На чертеже показана функциональная схема устройства, осуществляющего способ компенсации нелинейных искажений высокочастотных усилителей мощности.
Осуществление изобретения
Изобретение может быть осуществлено в соответствии со схемой, представленной на чертеже. В устройстве для формирования коэффициентов функции искажений используются типовые функциональные элементы цифровой обработки сигналов, такие как сумматоры, умножители, ОЗУ и др. Функциональные операции преобразования сигналов могут быть выполнены в цифровой форме в основной полосе (baseband) с представлением сигналов в виде квадратурных компонент (Ричард Лайонс. Цифровая обработка сигналов: Второе издание. Пер. с англ. – М.: ООО "Бином-Пресс", 2006г.-656, стр. 351–356).
Ограничители амплитуды (18, 19) и вычисление амплитуды сигнала в блоках (9, 15) могут быть выполнены с использованием известных алгоритмов цифровой обработки сигналов, например, алгоритма CORDIC (А.В. Захаров, В.М. Хачумов. Алгоритмы CORDIC. Современное состояние и перспективы. Программные системы: теория и приложения. Переславль-Залесский, 2004 г. стр. 356-357).
Примерами осуществления процедуры выравнивания амплитуд, фаз и задержек входного и выходного сигнала в контуре регулирования (3) могут быть устройства автоматической регулировки усиления, фазовой автоподстройки частоты и регулируемые линии задержки.
Блоки функции предыскажений (7) и расчета параметров функции предыскажений (5) могут быть созданы, например (но не ограничиваясь), на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), цифрового сигнального процессора (DSP-процессора), компьютера и прочих вычислительных устройств.
M
λ̇
Блок вычисления функции предыскажений (10) представляет собой таблицу поиска (LUT) на  ячеек, в которые записаны коэффициенты . Значения функции предыскажений в промежуточных точках интерполируются, при этом может использоваться ступенчатая, кусочно-линейная, полиномиальная и др. способы интерполяции.