Нелинейная АРР по питанию для усилителя мощности передатчика цифрового радиовещания

Нелинейная АРР по питанию для усилителя мощности передатчика цифрового радиовещания

Ключевые слова: передатчик, радиовещание, мощность, КПД,

усилитель.

Рассматривается вопрос применения автоматической регулировки режима по питанию для повышения энергетической эффективности усилителя мощности передатчика цифрового радиовещания. Обобщены преимущества и недостатки применения метода АРР с нелинейным законом регулирования по сравнению с линейной АРР. Показана статистика огибающей сигнала цифрового радиовещания, поступающего на вход усилителя. Проанализировано требуемое значение порога регулирования питающего напряжения с учетом энергетических характеристик схемы АРР и усилителя мощности, а также с учетом статистики сигнала цифрового радиовещания.

Дулов И.В., Иванюшкин R^.,

МТУСИ

Введение

Активное внедрение цифровых стандартов в различные области радиотехники — телевидение, связь, беспроводная передача данных, радиовещание, неизбежно влечет за собой необходимость создания нового оборудования, соответствующего этим стандартам.

В аналоговом ОВЧ радиовещании традиционно используются сигналы с частотной модуляцией (ЧМ-сигналы) [1], которые являются сигналами с постоянной амплитудой. Благодаря этому в усилителях мощности таких сигналов можно использовать энергетически эффективные нелинейные режимы работы. Также нет необходимости предъявлять высокие требования к линейности характеристик усилительных приборов, применяющихся в этих усилителях.

Однако, в усилителях цифрового радиовещания применяются сигналы с частотным мультиплексированием (COFDM-сигналы) [2, 3], которые являются сигналами с меняющейся амплитудой и характеризуются высоким значением пик-фактора. Петому в таких усилителя на первый план выходят требования к линейности характеристик, и потому, применение нелинейных режимов работы здесь недопустимо. Таким образом, усилительные каскады передатчиков цифрового радиовещания существенно уступают в части энергетической эффективности передатчикам сигналов аналогового радиовещания.

Известен целый ряд методов, направленных на повышение энергетической эффективности радиопередатчиков сигналов с переменной огибающей, требующими линейного усиления [4, 5]. Одним из наиболее эффективных методов, применительно к построению радиовещательных передатчиков ОВЧ диапазона, является метод автоматической регулировки режима по питающему напряжению (АРР по питанию).

На рисунке 1 показана структурная схема усилителя мощности с системой АРР.

Основная идея метода АРР состоит в том, что при любых изменениях амплитуды входного сигнала усилитель мощности остается в энергетически эффективном граничном режиме. В случае применения АРР по питанию этот эффект достигается за счет изменения питающего напряжения в соответствии с амплитудой входного сигнала.

На схеме, представленной на рис.1, амплитудный детектор выполняет выделение огибающей входного сигнала, спектр которой, затем ограничивается ФНЧ (это необходимо для снижения тактовой частоты ключевого регулятора напряжения питания). Далее с помощью ШИМ-модулятора полученный сигнал

преобразуется в ШИМ-последовательность, которая поступает на высокоэффективный ключевой регулятор, осуществляющий регулировку напряжения питания транзистора основного каскада.

Оценка энергетической эффективности усилителя с АРР

Оценка энергетической эффективности применения метода АРР совместно с линейным усилителем мощности проводилась на компьютерной модели усилителя, построенной в программе АМ^.

Моделирование проводилось, как при работе АРР с линейным законом регулирования, так и с нелинейным.

При линейном регулировании закон изменения питающего напряжения при изменении огибающей усиливаемого сигнала выглядит как:

(И

где Еп — напряжение питания усилителя, 11вх — амплитуда входного сигнала, к — некоторый коэффициент. При этом с учетом отличия реальных статических характеристик транзисторов от идеализированных, далеко не всегда выдерживается критерий поддержания режима работы каскада усиления близким к граничному.

Идея нелинейного регулирования состоит в том, что для каждого значения входного напряжения подбирается напряжение питания таким образом, чтобы усилитель всегда оставался в граничном режиме, с учетом реальной кривизны статических характеристик транзистора. Полученный на модели усилительного каскада закон нелинейного регулирования питающего напряжения при изменении амплитуды усиливаемого сигнала показан на рис. 2.

Для аналитического описания закона регулирования была проведена интерполяция (6) полученной зависимости по 15 точкам методом наименьших квадратов (МНК). В результате интерполяции была получен закон регулирования питающего напряжения в аналитической форме:

Ее

Полученные по результатам моделирования зависимости КПД усилителя с линейной и нелинейной АРР от выходной мощности показаны на рис. 3.

Данные рис.3 наглядно показывают преимущества нелинейной АРР: энергетическая эффективность усилителя с нелинейной АРР значительно превосходит энергетическую эффективность усилителя без АРР, а также и усилителя с АРР, работающей по линейному закону регулирования. Это дает основания утверждать, что в УМ цифрового радиовещания целесообразно использовать АРР именно с

Rис. 1. Структурная схема усилителя мощности, построенного по методу ARR

Рис. 2. Закон регулирования напряжения питания

нелинейным законом регулирования питающего напряжения. Поскольку, в современных условиях при реализации АРР процесс выделения огибающей осуществляется с помощью цифровых методов, реализация нелинейного закона регулирования на практике является вполне осуществимой задачей.

Также на компьютерной модели каскада усилений мощности была получена зависимость выходной мощности от входной при нелинейном законе регулирования питающего напряжения (характеристика АМ-АМ). Эта характеристика позволит оценить степень нелинейных искажений, которые вносит применение АРР. Причина появления нелинейности при АРР заключается в том, что при АРР изменяется напряжение питания транзистора усилителя мощности, а изменение напряжения питания транзистора влечет за собой изменение его коэффициента усиления. Данная зависимость показана на рис.4.

Анализируя графики на рис. 4 можно сделать следующие выводы:

1. применение системы АРР снижает коэффициент усиления усилителя мощности: на 5 дБ при линейном регулировании питающего напряжения, на 8 дБ при нелинейном регулировании;

2. регулирование питания по нелинейному закону вносит значительно большую нелинейность, чем регулирование по линейному

J f

X ' /

/ * У v / / /

у у у У У / / / / / /

1 / 1 ' i f / / / / f

1 / i  / * » > » » / » » I » II»! • I»» т т т т -ч-гч-г-г

30 100 130 200 230 300

Р . Вт

----- усилитель без АРР,----------усилитель с линейной АРР,

----- усилитель с нелинейной АРР

Рис. 3. Оценка эффективности усилителя мощности

закону. Однако, такая нелинейность может быть скомпенсирована с помощью соответствующих методов линеаризации, поскольку не влечет за собой неисправимых потерь полезной информации.

Одним из слабых мест системы АРР является возможная амплитудно-фазовая конверсия (АФК), возникающая при регулировании напряжения питания усилителя. АФК представляет собой негативное явление, которое заключается в том, что с изменением амплитуды входного сигнала изменяется и фазовый сдвиг, вносимый усилителем, таким образом, происходит паразитная фазовая модуляция, крайне отрицательно влияющая на качество выходного сигнала. Оценить степень АФК можно с помощью фазо-амплитудной характеристики усилителя (ФАХ или англ. AM-PM) — зависимости фазового сдвига от амплитуды входного сигнала. ФАХ усилителя мощности с АРР показана на рис. 5.

Зависимости на рис. 5 показывают, что применение метода АРР ухудшает фазовую характеристику усилителя мощности, однако изменение фазы во всем диапазоне выходных мощностей не превышает 2,5 градусов. Также можно видеть, что фаза изменяется, в целом, равномерно, за исключением небольшой области, лежащей в диапазоне выходных мощностей от 0 до 50 Вт. Это позволяет компенсировать фазовый сдвиг с помощью цифровых методов коррекции.

Закон распределения амплитуд сигнала цифрового радиовещания

Учет закона распределения амплитуд входного сигнала усилителя мощности цифрового радиовещания позволяет более полно оценить энергетический выигрыш от использования метода АРР, а также уточнить значение порогового напряжения питания схемы АРР (см. ниже), которое необходимо для предотвращения ухода усилителя мощности в перенапряженный режим, что связано с ограничением спектра огибающей сигнала и снижением тактовой частоты импульсных схем АРР. Поскольку распределение амплитуд сигнала цифрового радиовещания имеет случайный характер, для получения закона распределения необходимо пользоваться методами математической статистики.

Для исследования статистических характеристик сигнала была использована программа VSS (Visual System Simulator), входящая в пакет AWR. Модель, созданная в программе VSS показана на рис. 6.

В состав схемы входят блоки, отвечающие за формирование сигнала стандарта DRM+: формирователь входной псевдослучайной двоичной последовательности, QAM-маппер, задающий вид модуляции несущих, OFDM модулятор. Параметры сигнала DRM+ в соответствии с [7] заданы следующие:

------ Усилитель без АРР, —.— усилитель с линейной АРР

------усилитель с нелинейной АРР.

Рис. 4. Зависимость выходной мощности усилителя мощности от входной

9,гр*д -121

/

: / : / j

і і

----- усилитель без АРР;

........... усилитель с АРР, работающей по линейному закону,

-----усилитель с АРР, работающей по нелинейному закону

Рис. 5. Фазо-амплитудная характеристика усилителя мощности

— вид модуляции ОАМ-16;

— число несущих 212;

— расстояние между несущими 0,444 кГц;

— защитный интервал 1/9;

— центральная частота 50 МГц

На рис. 7 показана функция плотности распределения вероятности огибающей [8,9], полученная на модели сигнала 1?М+.

При анализе полученной выборочной функции плотности вероятности было установлено, что моделируемая случайная величина описывается Гамма-распределением [9]:

где хтах — элемент выборки с максимальным значением.

Параметры распределения: параметр формы а = 4.69, параметр масштаба I =0.4.

На рисунке 8 функция распределения совмещена с графиком зависимости КПД усилителя с нелинейной АРР от величины входной мощности.

Из графика видно, что амплитуда входного сигнала наиболее вероятно принимает значения в области, соответствующей максимальным значением КПД. Таким образом, это лишний раз указывает на то, что применение нелинейной АРР позволяет получить максимальный выигрыш по КПД.

Порог регулирования питающего напряжения

Существуют реализации метода АРР как с порогом регулирования питающего напряжения, так и без него [5]. Для схем АРР радиовещательных передатчиков диапазона ОВЧ целесообразнее использовать вариант с порогом регулирования, что позволяет снизить требования к точности регулирования, а также существенно повы-

3 2.5 2 Graph 2

и.э

0

10 15 20 25 30 35 40

Power

Рис. 7. Функция плотности распределения вероятности огибающей

сить энергетическую эффективность импульсных узлов схемы АРР (за счет снижения тактовой частоты ШИМ) ценой незначительного уменьшения выигрыша по КПД.

Чаще всего в методе АРР применяется фильтрация огибающей, поскольку основная часть информации расположена в сравнительно небольшой полосе частот и, следовательно, пропускать всю огибающую на цепи импульсные цепи управления напряжением питания в схеме АРР не имеет смысла. Кроме того, увеличение полосы частот огибающей приводит к повышению тактовой частоты ШИМ-регулятора, что в свою очередь, ведет к снижению КПД, а на высоких частотах — к невозможности реализовать ШИМ-регулятор на практике из-за ограничений, накладываемых на частоту переключения транзистора.

При ограничении полосы частот огибающей, амплитуда напряжения на входе ШИМ-модулятора становится меньше, чем реальная амплитуда усиливаемого сигнала на входе УМ. Если использовать вариант АРР без начального порога регулирования, то при малой амплитуде сигнала на входе усилителя мощности, ШИМ-моду-лятор на это напряжение не отреагирует (из-за фильтрации огибающей), напряжение питания усилителя не изменится, и усилитель перейдет в перенапряженный режим, что чревато недопустимыми нелинейными искажениями и расширением спектра выходного сигнала передатчика.

Оценка порога регулирования выполнялась с использованием созданной ранее модели (см. рис.6). На рисунке 9 показан спектр огибающей мощности огибающей сигнала 1?М+.

На рисунке 9 можно видеть, что основная часть энергии сигнала расположена в полосе от 0 до 2 кГц. Данная оценка необходима для выбора частоты среза ФНЧ схемы АРР, определяющего полосу пропускания канала управления напряжением питания усилителя мощности.

Рис. 6. Модель формирования сигнала цифрового радиовещания

Рис. 8. Зависимость КПД усилителя мощности от входной мощности и распределение огибающей

Когда выполняется фильтрация огибающей в методе АРР с начальным порогом регулирования, информация о мгновенной амплитуде огибающей становится неточной (теряется часть амплитуды), соответственно напряжение питания, пропорциональное этой амплитуде, в случае регулирования без начального порога, окажется меньше требуемого на величину отрицательного остатка.

Сравнивая спектральные характеристики фильтрованной и не фильтрованной огибающей можно оценить величину требуемого порога регулирования 11вх_порог.

Таким образом с помощью компьютерной модели, построенной в программе VSS, также была получена зависимость величины порогового значения амплитуды входного сигнала, нормированного относительно максимального значения амплитуды входного сигнала, от ширины полосы частот огибающей ивх/ивхмАХ (^тб).

Поскольку закон нелинейного регулирования питающего напряжения известен, была получена аналогичная зависимость для напряжения питания: Епит/ЕпитМАХ ^отб). Обе зависимости для наглядности изображены вместе на рис. 10.

При выборе величины порогового напряжения целесообразно руководствоваться следующими характеристиками:

— зависимостью КПД(Рвх) (или КПД(Рвьк)) при заданном значении порогового напряжения и, соответственно, тактовой частоты;

— законом распределения амплитуд сигнала (см. выше).

На рисунке 11 показана зависимость КПД усилителя мощности от значений выходного напряжения для схемы АРР с нелинейным законом регулирования напряжения питания для случаев отсутствия начального порога регулирования питающего напряжения и для случаев АРР с порогом регулирования.

Также на одной координатной плоскости с этими графиками изображен закон распределения плотности вероятности огибающей входного сигнала усилителя мощности.

Анализируя график можно сказать следующее: при пороговом напряжении питания Епорог< 6В КПД усилителя мощности практически не ухудшается. При Епорог> 6В ухудшение КПД усилителя мощности уже довольно значительно. Кроме того, вид функции распределения огибающей позволяет сказать о том, что в диапазоне входной мощности от 0 до 15 дБм учет КПД усилителя не важен, поскольку наиболее вероятно огибающая входного сигнала принимает значения начиная от Рвх = 15 дБм.

Используя полученную ранее зависимость (см. рис. 10) можно определить тактовую частоту ШИМ-регулятора системы АРР, соответствующую значению Епорог = 6В.

Максимальное значение напряжения питания УМ Епитмах=50В.

Определим нормированное значение Епорог__норм_

По

графику зависимости можно определить, что Епорог_норм=0,12 соответствует ширина полосы огибающей равная Рогиб = 1,3 кГц. Эта частота будет являться частотой среза фильтра низких частот системы АРР. Поскольку, согласно [5]

Power Spectrum

- Епит_пДпитМАХ -ивж_л/и«яМАХ

Рис. 10. Зависимости нормированных значений амплитуды входного сигнала и напряжения питания усилителя мощности от ширины полосы огибающей

f = 5 — 6 • F огиб

можно вычислить, что!т=6,5-^7,8 . Безусловно, необходимо обеспечить некоторый запас регулирования питающего напряжения, а следовательно, и по полосе огибающей. Таким образом, целесообразно будет принять Рогиб = ^резаФНЧ = 2 кГц, соответственно тактовая частота преобразователя будет равна 1Г = 12 кГц.

Выводы

Исследована работа усилителя мощности совместно со схемой АРР построенной по принципу, как линейного, так и нелинейного регулирования с начальным порогом. Проведена оценка энергетического выигрыша от использования АРР. Анализ показал, что гораздо более высокий результат с точки зрения энергетики дает использование АРР работающей по нелинейному закону регулирования питающего напряжения. Однако, в то же время нелинейная АРР ухудшает линейные свойства усилителя, что может быть скомпенсировано с помощью методов линеаризации.

В результате проведенного моделирования и последующего анализа полученных статистических данных установлено, что огибающая сигнала 1?М+ подчиняется Гамма-распределению.

Указано на явную целесообразность применения системы АРР с начальным порогом регулирования питающего напряжения. Графическим способом оценен порог регулирования питающего напряжения системы АРР с учетом статистических и энергетических характеристик.

Frequency

Рис. 9. Спектр мощности огибающей сигнала DRM+, нормированный относительно максимального значения

Р ^ дБм

а!

-----Без начального порога, -------------с Епорог = 6В,

— *с Епорог = 8В, • • с Епорог = 10В,

-----распределение огибающей.

Рис. 11. Зависимость КПД усилителя мощности от величины входной мощности

ЛИТЕРАТУРА

1. Радиопередающие устройства / B.B. Шахгильдян, Bb. Козырев, АА. Ляховкин и др.; под ред. B.B. Шахгильдяна. — 3-е изд., перераб. и доп. — M.: Радио и связь, 2003. — 560 с.

2. Boлкoв Л.Н., Немировский M.C, Шинаков Ю.С. Системы цифровой радиосвязи: базовые методы и характеристики: Учеб. пособие. — M.: Эко-Трендз, 2005. — 392 с.: ил.

3. Stott J.H. The how and why of COFDM, EBU Technical Review. — Winter, 1998 — С.1-14.

4. Иванюшкин Р.Ю. Mетoды повышения энергетической эффективности линейных усилителей мощности. Учебное пособие (для специальности 201100). MW^ — M., 2006. — 28 с.

5. Повышение эффективности мощных радиопередающих устройств, АД. Артым, А.Е. Бахмутский, Е.В. Козин и др.; Под ред. АД Артыма. — М.: Радио и связь. — 1976 с.: ил.

6. Бронштейн И.Н., Семендяев КА Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов — 13-е изд., исправленное. — М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. — 544 с.

7. ETSI ES 201 980 V3.1.1 (2009-08): Digital Radio Mondiale (DRM); System Specification.

8. Теория вероятностей и математическая статистика: Учеб. пособие / НА. Микулик, А.В. Метельский. — Мн.: НПООО "Пион", 2002. — 192с.

9. Теория вероятностей и математическая статистика: Учебник / Под ред. ВА. Колемаева. — М.: ИНФРА-М, 1997. — 302 с. — (Серия "Высшее образование").