Способ усиления электрических и радиосигналов и устройство для его реализации - аналого-цифровой усилитель электрических и радиосигналов
METHOD FOR AMPLIFICATION OF ELECTRIC AND RADIO SIGNALS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION-ANALOGUE-DIGITAL AMPLIFIER OF ELECTRIC AND RADIO SIGNALS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области усиления электрических (низкочастотных) и радиосигналов (высокочастотных), а именно к способам и устройствам усиления сигналов, применяемых в радиотехнике, электротехнике, электронике, медицине, робототехнике.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Современные усилительные устройства характеризуются многообразием и широкой областью применения. Тем не менее, по принципам построения они разделяются на классы А, В, С, D, Е, F, Т и различные их комбинации и модификации. Способ усиления сигнала в том или ином режиме характеризуется соответствующим выбором рабочей точки на выходной статической вольт-амперной характеристике (ВАХ) усилительного нелинейного элемента, которая имеет нелинейный характер. Известен и широко применяется на практике усилитель класса А (см., например, книгу Остапенко Г.А. Усилительные устройства: Учеб: пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1989, с. 109-111). Этот способ характеризуется тем, что рабочая точка выбирается в средней линейной части ВАХ. Такой способ усиления сигналов обеспечивает малый уровень гармоник, то есть минимум нелинейных искажений усиливаемого сигнала. Этот способ усиления реализуется в соответствующих устройствах, а именно в однотактных каскадах предварительного усиления, где амплитуда усиливаемого сигнала сравнительно небольшая и не требуются высокие энергетические показатели каскада. Данные способ усиления и устройства для его реализации (усилители класса А) имеют существенный недостаток: чрезвычайно низкий КПД. Он обусловлен тем, что независимо от уровня усиливаемого сигнала усилительный нелинейный элемент потребляет от источника питания все время примерно одинаковую мощность. Эта мощность бесполезно рассеивается на элементах схемы усилителя. Это связано с тем, что коэффициенты использования коллекторного тока и коллекторного напряжения всегда меньше единицы. Поэтому КПД транзисторного или лампового усилительного каскада в режиме А всегда менее 0,5. На высоких частотах КПД такого типа усилителей значительно ниже 0,5.
Известны способ и устройства усиления электрических и радиосигналов в режиме В (см. упомянутую книгу, с. 111-113). В этом режиме усилительный нелинейный элемент работает с отсечкой тока (полпериода пропускает ток, полпериода закрыт). Угол отсечки равен половине длительности периода входного сигнала в угловом исчислении. При этом КПД усилителя повышается, но проявляются нелинейные искажения усиливаемого сигнала (в спектре исходного сигнала появляются новые гармонические составляющие).
Наилучшими с точки зрения обеспечения высокого КПД являются способ усиления сигнала в режиме С, и устройство для его осуществления, описанные в упомянутой книге на с. 113-114. Угол отсечки выбирается меньшим 90° и теоретически возможный КПД при этом приближается к единице. Однако при таком угле отсечки возрастают уровни нежелательных гармоник (продуктов нелинейного преобразования по терминологии, принятой в теории электромагнитной совместимости радиосредств) в спектре выходного сигнала. Такой усилитель существенно искажает усиливаемые сигналы и поэтому не может быть применен в электронных усилителях звуковых частот.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу усиления сигналов и устройству для его реализации является способ усиления в режиме АВ и устройство для его реализации - двухтактный каскад усиления. Они описаны в упомянутой книге на с. 113. Сущность способа заключается в следующем. Если выбрать угол отсечки в пределах 90-180°, то можно уменьшить нелинейные искажения усиливаемого сигнала, которые обусловлены нелинейностью начальных участков ВАХ усилительных нелинейных элементов. Компенсация указанных нелинейных искажений реализуется в двухтактной схеме усиления. При работе двухтактных каскадов в режиме АВ происходит перекрытие положительной и отрицательной полуволн тока плеч двухтактного каскада, что приводит к компенсации искажений, полученных за счет нелинейности начальных участков ВАХ усилительного нелинейного элемента. Указанные способ и устройство усиления сигналов имеют недостатки: усложнение схемы усилителя, относительно низкий КПД, особенно на высоких частотах, не полная компенсация нелинейных искажений сигнала при усилении.
Указанных недостатков лишены предлагаемые способ усиления электрических и радиосигналов и устройство для его реализации - аналогово-цифровой усилитель электрических и радиосигналов.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Заявленное изобретение направлено на компенсацию нелинейных искажений электрического или радиосигнала при его усилении при одновременном достижении высокого КПД усилителя.
Поставленная цель достигается тем, что вместо комбинации способов усиления в режимах А и В и применения двухтактной схемы для компенсации нелинейных сигналов при их усилении предлагается использовать:
- способ цифрового анализа спектров сигнала с коррекцией нелинейных искажений;
- простое усилительное устройство с высоким КПД.
В отличие от способа-прототипа в заявляемом способе выбирают простейшую и экономичную схему усилителя, обеспечивающую наибольший КПД. Поставленная цель достигается путем выполнения специальных операций над сигналами. Входной сигнал с известными параметрами и амплитудно-частотным (фазо-частотным) спектром усиливают в режиме с отсечкой в высокоэффективном с точки зрения КПД усилителе. После этого анализируют спектральный состав усиленного сигнала и выявляют нежелательные искажения спектра (новые частотные составляющие - гармоники и их комбинации, а также изменение относительных уровней гармоник полезного спектра). После масштабирования исходного и полученного на выходе усилителя (искаженного) спектров возможно вычитание указанных спектров цифровым способом с целью получения спектра искажений. Вычитание спектра искажений из исходного спектра цифровым способом (после соответствующего масштабирования) производится для получения спектра специальным образом искусственно искаженного входного сигнала. Другими словами, из исходного спектра еще до его окончательного усиления вычитается та часть, которая приводит к появлению нелинейных искажений. Указанный усеченный спектр преобразуется в аналоговый сигнал методами цифро-аналогового преобразования. Усиление такого сигнала взамен исходного в том же усилительном устройстве позволяет исключить нежелательные нелинейные искажения (гармоники и интермодуляционные составляющие).
Все существующие методы усиления сигналов неизбежно сопряжены с обогащением спектра на выходе усилителя по сравнению со входным за счет свойств нелинейного усилительного элемента. В предлагаемом способе усиления до выполнения операции окончательного усиления сигнала искусственно соответствующим образом так обедняют спектр исходного сигнала, что его усиление с обогащением спектра приводит к получению на выходе усилителя сигнала с требуемым (восстановленным добавлением гармоник) спектром.
Цель изобретения достигается тем, что над усиливаемыми сигналами производятся следующие операции, выполняемые поэтапно:
1. Исходный усиливаемый сигнал из аналоговой формы переводят в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) по стандартным отработанным цифровым технологиям и формируют массив цифровых данных о сигнале во временной форме.
2. Производят операцию прямого преобразования Фурье над указанным цифровым сигналом во временной форме и таким образом получают частотные энергетический и фазовый спектры обрабатываемого исходного сигнала в частотной области. Частотные цифровые спектры сигнала фиксируются, запоминаются и индицируются на дисплее (например, анализатора спектра или через цифровую шину на дисплее персонального компьютера). Операции 1 и 2 выполняет любой современный цифровой анализатор спектра и (или) измерительный приемник. Наилучшие возможности по выполнению указанных операций имеют векторный анализатор спектра с соответствующим программным обеспечением, векторный анализатор цепей или специализированные микропроцессоры (ПЛИС).
3. Усиливают исходный сигнал в аналоговой форме в усилителе любого класса с высоким КПД (классы АВ, С, D, Е, F, Т и любые их комбинации). Все современные усилители мощности сигналов с высоким коэффициентом усиления по сущности и принципам построения являются аналоговыми (в том числе и усилитель класса D, который называют цифровым. В нем не выполняются в единстве и последовательности операции дискретизации сигнала по времени в соответствии с теоремой Котельникова, квантования по уровню и оцифровки, а операция преобразования сигнала в ШИМ-последовательность не заменяет указанных обязательных в цифровых устройствах процедур).
4. Наблюдают усиленный и искаженный за счет нелинейных свойств усилителя амлитудно-частотный спектр усиленного исходного сигнала на выходе усилителя с высоким КПД. Для этого вновь можно применить цифровой анализатор спектра, подключаемый через измерительный аттенюатор к выходу усилителя. Для обеспечения этого этапа применяют устройство быстрого прямого преобразования Фурье и аналого-цифровой преобразователь.
5. Уменьшают уровень мощности этого искаженного сигнала на входе анализатора спектра с помощью аттенюатора до тех пор, пока максимум огибающей спектра искаженного сигнала по абсолютному значению (в dbm) не станет равным максимуму огибающей спектра исходного усиливаемого сигнала. Эта новая важная операция в данном способе называется амплитудным масштабированием спектров.
6. С помощью цифрового анализатора спектра или компьютера производят наложение спектра, полученного в пункте 2, на спектр, полученный в пункте 5. Желательно выделить их разными цветами. Наложение производится по соответствующим частотам (гармоникам), то есть оси частот в графическом изображении спектров полностью совмещаются по шкале. Оси амплитуд тоже полностью совмещаются, причем в линейном масштабе. В итоге на полученном изображении явно видно, какие дополнительные нежелательные частотные составляющие появились в спектре в результате усиления исходного сигнала в усилителе с высоким КПД. Это физическое явление называется обогащением спектра (новыми нежелательными частотными составляющими, гармониками).
7. Математически в цифровой форме вычитают из более широкого искаженного спектра спектр исходного сигнала и индицируют разностный спектр (спектр нежелательных искажений). Запоминают массив разностного спектра.
8. Еще раз вычитают теперь уже разностный спектр из спектра исходного сигнала и таким образом получают усеченный искусственно обедненный спектр исходного усиливаемого сигнала. Запоминают его в цифровом массиве.
9. Через математическую операцию обратного преобразования Фурье создают цифровую реализацию разностного спектра во временной области, например, в цифровой осциллографической форме, как в известной программе Sound Forge.
10. С помощью цифро-аналогового преобразователя цифровую временную реализацию усеченного обедненного спектра исходного сигнала преобразуют в аналоговую форму.
11. Подают аналоговый усеченный обедненный сигнал в аналоговой форме на вход того же усилителя с высоким КПД и контролируют спектр усиленного обогащенного сигнала как указано в пунктах 4, 5 и 6.
12. При необходимости корректируют спектр сигнала как указано в пунктах 7-11 до тех пор, пока искажения в усиленном сигнале не будут полностью устранены.
Возможность полного устранения нелинейных искажений при усилении сигналов объясняется тем, что определенной форме сигнала во временной области строго соответствует энергетический спектр в частотной области, получаемый строго с помощью стандартной математической процедуры прямого преобразования Фурье. Обратное преобразование Фурье позволяет «вернуть» сигнал во временную область. Современные цифровые методы обработки сигналов позволяют для известного вида модуляции сигнала произвольным образом менять его облик, как во временной, так и в частотной форме и таким образом корректировать (или вносить) любые наперед заданные, желательные или нежелательные изменения в его временную или частотную физическую реализацию. На этом принципе работают многочисленные современные звуковые компьютерные эффекты при воспроизведении музыкальных и песенных композиций. Предлагаемый способ описывает технологические приемы для повышения качества работы ламп, микросхем и микросборок для усиления звука. Применение заявляемого способа усиления сигналов существенно снизит энергопотребление устройств, содержащих усилители: компьютеров, смартфонов, передающих и приемных устройств, кардиостимуляторов сердца и проч., что приведет к существенному увеличению срока их работы от источника автономного питания (батарея, аккумулятор). Мощные телевизионные и звуковые передатчики также будут потреблять значительно меньше энергии и избавятся от побочных и внеполосных излучений, что улучшит условия обеспечения электромагнитной совместимости радиосредств.
Поставленная цель достигается с помощью устройства (Фиг. 1), которое содержит следующие обозначенные элементы:
1 - источник усиливаемого сигнала;
2 - усилитель мощности (напряжения, тока) сигнала с высоким КПД;
3 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
4 - микропроцессор быстрого прямого преобразования Фурье (БПФ);
5 - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);
6 - индикаторный блок (дисплей);
7 - измерительный аттенюатор;
8 - устройство вычитания спектров;
9 - микропроцессор быстрого обратного преобразования Фурье;
10 - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).
Назначение элементов структурной схемы ясно из их названия.
Технический результат от использования заявляемого способа и устройства заключается в том, что предложенная последовательность действий и ее реализация в предложенном устройстве обеспечивают устранение нежелательных нелинейных искажений в усилителях с высоким КПД.
Сущность заявляемого устройства заключается в том, что оно обеспечивает оперативный анализ спектра усиливаемого сигнала и коррекцию его характеристик для минимизации нелинейных искажений при усилении. Существующие устройства корректируют спектр выходного сигнала усилителя с помощью громоздких и сложных фильтров, подавляющих нежелательные гармоники, а предложенное устройство корректирует спектр входного сигнала усилителя.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 иллюстрирует работу аналогово-цифрового усилителя электрических и радиосигналов и поясняет взаимосвязь технических устройств, реализующих изобретение. Оно содержит источник 1 усиливаемого сигнала, последовательно соединенный с аналого-цифровым преобразователем 3, микропроцессором 4 прямого быстрого преобразования Фурье, оперативным запоминающим устройством 5, индикаторным блоком 6, устройством вычитания спектров 8, микропроцессором 9 обратного быстрого преобразования Фурье, цифро-аналоговым преобразователем 10, усилителем 2 мощности (напряжения, тока) с высоким КПД, измерительным аттенюатором 7, причем индикаторный блок 6 по второй цифровой шине сопряжен также с оперативным запоминающим устройством 5, которое также сопряжено с устройством 8 вычитания спектров, измерительный 7 аттенюатор так же сопряжен с аналого-цифровым преобразователем 3, а на вход усилителя 2 мощности (напряжения, тока) попеременно подключены или источник 1 усиливаемого сигнала или выход цифро-аналогового преобразователя 10.
Фиг. 2 иллюстрирует последовательность действий, выполняемых над сигналами, для достижения заявленного технического результата.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно Фиг. 2 предлагаемый способ включает следующие операции:
- на этапе 101 преобразуют исходный усиливаемый сигнал из аналоговой формы в цифровую;
- на этапе 102 выполняют прямое быстрое цифровое преобразование Фурье сигнала с запоминанием результата в виде цифровой выборки (массива) с индикацией частотного энергетического и фазового спектра на дисплее;
- на этапе 103 усиливают исходный сигнал в усилителе с высоким КПД и подают усиленный искаженный сигнал на измерительный аттенюатор;
- на этапе 104 ослабляют усиленный искаженный сигнал до уровня, сопоставимого с уровнем исходного усиливаемого сигнала;
- на этапе 105 усиленный в усилителе и ослабленный аттенюатором искаженный аналоговый сигнал преобразуют в цифровую форму во временной области;
- на этапе 106 выполняют прямое быстрое цифровое преобразование Фурье искаженного сигнала с запоминанием его в виде цифровой выборки (массива) с индикацией обогащенного энергетического и фазового спектра на дисплее;
- на этапе 107 накладывают спектры друг на друга в одном масштабе и вычитают из спектра искаженного сигнала спектр исходного сигнала с запоминанием результата вычитания (разностного спектра);
- на этапе 108 из спектра исходного сигнала вычитают разностный спектр и запоминают полученный результат (усеченный спектр исходного сигнала);
- на этапе 109 над усеченным спектром исходного сигнала выполняют операцию быстрого обратного преобразования Фурье и таким образом переводят его во временную форму;
- на этапе 110 выполняют цифро-аналоговое преобразование полученного на предыдущем этапе сигнала и усиливают его аналогично усилению в блоке 103;
- операции 103-107 повторяются над указанным сигналом;
- на этапе 111 выполняется проверка: если результат вычитания спектров нулевой, то коррекция спектра прекращается, в противном случае выполняются операции 108-110 и далее по циклу.
Проверка сущности изобретения выполнена методом натурного макетирования в лаборатории ООО «Инновационный центр Самоцвет».