Методы повышения энергетической эффективности линейных усилителей мощности

23 декабря 2011 r. 11:50

ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА

Методы повышения энергетической эффективности линейных усилителей мощности

Рассмотрены основные методы повышения энергетической эффективности усилителей мощности сигналов с переменной огибающей. Более подробно рассматриваются методы автоматической регулировки режима, синтетически метод Л. Кана, метод дефазирования, перспективные для использования в современных передатчиках аналоговых и цифровых сигналов.

Шахгильдян В.В., Иванюшкин Р.Ю.,

МТУСИ

Интенсивное развитие систем и средств цифровой радиосвязи, а также цифрового телерадиовещания, делает все более актуальной заначу построения высокоэффективных линейных усилителей мощности сигналов с переменной огибающей. Как известно, большинство сигналов, используемых при цифровых способах передачи, относятся к сигналам с переменной огибающей. Эго относится не только к таким сигналам, кок, например QAM, где передаваемая информация непосредственно заложена в амплитуде сигнала, но и к сигналам с фазовой модуляцией PSK, а также к люогочастотным сигналам OFDM. Переменная огибающая сигналов PSK, как известно, связана с цифровой фильтрацией, производимой при их формировании, обеспечивающей непрерывность фазы при переходе вектора сигнала из одной точки созвездия в другую, что приводит к уменьшению занимаемой полосы частот. Переменная огибающая OFDM сигналов связана с биениями поднесу щих. Также, к сигналам с переменной огибающей относятся и некоторые аналоговые: с амплитудной модуляцией и однополосные, в том числе радиосигналы изображения телевизионных передатчиков. Все перечисленные сигналы можно условно считать сигналами с амплитудно-фазовой (АФМ) модуляцией.

Как хорошо известно из теории генератора с внешним возбуждением, усиление сигналов с переменной огибающей, при котором возможно обеспечить выполнение требований на допустимые нелинейные искажения усиливаемого сигнала, возможно только при таких режимах работы усилительных каскадов, при которых невозможно обеспечить высоких энергетических показателей. Работа таких каскадов при углах отсечки менее, и даже близких к 90 градусам не обеспечивает требований к искажениям Однако, как известно из теории, именно при таких углах отсечки наблюдается компромисс между коэффициентом усиления каскада и коэффициентом полезного действия. Также, при усилении сигналов с меняющейся амплитудой становится невозможным работа, как в ключевых и перенапряженных режимах, так и в граничном, при которых можно обеспечить достаточно высокий коэффициент полезного действия. Более того, при уменьшении мгновенной амплитуды усиливаемого сигнала, степень напряженности режима усилительного каскада также снижается, что приводит к дальнейшему снижению коэффициента полезного действия. Таким образом, при непосредственном усилении сигналов с переменной огибающей, КПД передающего тракта достаточно низкий

К настоящему времени разработано нимало методов повышения энергетической эффективности усилителей сигналов с переменной огибающей. Такая задача впервые возникла еще в конце 20-х годов прошлого века, когда внедрялись радиовещание и радиотелефония с амплитудной модуляцией. Следует отметить, что далеко не все из ранее предложенных методов актуальны для внедрения в настоящее время. С другой стороны, интенсивное развитие элементной базы и вычислительной техники, происходившее в последние десятилетия, сделало перспективными те из методов, которые по ряду технических причин были нереализуемы (или неполноценно реализуемы) вто время, когда были впервые предложены.

Все известные к настоящему времени методы повышения энергетической эффективности сигналов с переменной огибающей можно условно разделить на несколько групп, по принципам их реализации. Первая группа методов подразумевает введение различных внутренних и внешних авторегулировок в усилитель мощности. При этом, сам усиливаемый сигнал не претерпевает каких-либо нелинейных преобразований. Вторая группа методов сводится к осуществлению заданной модуляции в выходной цепи самого мощного каскада передатчика с высоким КПД. Третья группа методов предполагает раздельное усиление спектральных составляющих передаваемого си пн ала. Наконец четвертая группа методов предполагает нелинейные преобразования над усиливаемым сигналом, в результате чего, усиление сигнала с переменной огибающей сводится к усилению двух (или нескольких) сигналов с постоянной огибающей, которые могут быть усилены высокоэффективными усилителями (работающие в ключевом граничном или слабоперенапряженном режиме, с углами отсечки 75-90 градусов), а затем, в выходной ступени передатчика восстанавливается исходный сигнал на высоком уровне мощности.

К первой группе методов можно отнести следующие: метод ав-тоанодной модуляции, метод автомагжеской регулировки режима (АРР), а также метод УДогерти.

Авто анодная модуляция, предложенная в 1943 году Н.Г. Кругловым, заключается во введении в цепь выходного электрода усилительного прибора дросселя большой индуктивности, препятствующего изменению выходного тока при изменении огибающей усиливаемого сигнала. При этом, усиление сигнала с переменной огибающей сопровождается автоматическим изменением напряжения на выходном электроде, что приводит к поддержанию режима работы коскада близким к граничному практически во всем диапазоне изменения огибающей. Автоанодаая модуляция находило применение при построении простейших АМ передатчиков, однако, ввиду присущих ей значительных нелинейных искажений сигнала, требующих применения существенных мер по линеаризации усилителя мощности, ее применение в современных передатчиках вряд ли можно считать целесообразным.

Гораздо лучших результатов позволяет добиться метод автоматической регулировки режима (АРР), суть которого заключается в

T-Comm, #9-2011

143

следующем: одновременно с изменением отучающей усиливаемого сигнала изменяется какой-либо другой внешний параметр усилительного коскада (например величина питающего напряжения или эквивалентного сопротивления нагрузки), что приводит к подержанию граничною режима работы каскада, независимо от уровня огибающей. Для отслеживания уровня огибающей, она вьделяется из усиливаемого сигнала при помощи специальною линейного амплитудного детектора, либо формируется цифровым путем в процессорном узле передатчика, где осуществляется формирование отсчетов самого модулированного сигнала. На практике находит применение автоматическая регулировка режима по питающему напряжению, предложенная в 1950-х годах Б.М. Рассадиным и К.С. Полянским-Майковым. При этом (см. рис 1), сигнал огибающей преобразуется в ШИМ последовательность, усиливается предварительным импульсным (ключевым) усилителем, а затем поступает на импульсные конверторы питающего напряжения (ИКН), осуществляющие регулировку по закону огибающей напряжений питания одного или двух наиболее мощных каскадов передатчика. При этом, непрерывность регулирования питающих напряжений по требуемому закону осуществляется посредством фильтрации ШИМ сигнала фильтрами нижних частот. Как видно из рис. 2, при уменьшении амплитуды усиливаемого сигнала, напряженность режима каскада снижается (переход из точки 1 в точку 2). Для поддержания граничного режима, при АРР снижается напряжение питана пропорционально снижению уровня огибающей (переход из точки 2 в точку 3). При этом, важно, чтоб такая регулировка не запаздывала относительно изменения огибающей сигнала, что требует задержки усиливаемого сигнала относительно его огибающей для компенсации инерционности ФНЧ в тракте регулировки. В отличие от АРР по питающему напряжению, авторе гул ирова ни е режима путем изменена сопротивления нагрузки касксща (предложенное Б.П. Терентьевым и получившем название "модуляция связью") не нашло практического применения из-за трудности реализации относительно быстродействующих устройств регулировки коэффициента связи между колебательными системами.

Метод У Догерти, предложенный в 1936 г находил ограниченное применение при построении радиовещательных АМ передатчиков в США. В таком усилителе мощности задействована два усилительных прибора: один из ни работает при любых значениях огибающей сигнала, а другой включается только при пиковых ее значениях (обычно, — превышающих половину от максимального значения). При этом, первый усилительный прибор в течение большей части периода отдающей, работает в высокоэффективном граничном режиме. Полезные мощности двух усилительных приборов суммируются по току в общем контуре, что привело бы к возрастанию их эквивалентных нагрузочных сопротивлений при совместной работе, и к переходу в перенапряженный режим с присущими ему нелинейными искажениями огибающей. Для противодействия увеличению напряженности режима, суммирование мощностей двух усилительных приборов осуществляется через специальный инвертирующий

•с

и«м(1) |ЕП

• КПУ пок ок ВФС . '*• Л 1

1 1 - \и »и

АО)

ФНЧ

^ШИМН- ПУИ -г* ИКН

Рис 1. МегадАРР

Еп

ФНЧ

I

ИКН

'Еп

четырехполюсник, требующий перестройки при изменении рабочей частоты, что существенно усложняло эксплуатацию такого передатчика. Еще одним существенным недостатком этого метода является излом амплитудной характеристики в точке включения второго усилительного прибора.

Среди методов второй группы на сегодняшний день по прежнему актуально получение амплитудной модуляции в оконечном косхаде передатчика, путем изменения напряжения питания (анодная, анодноэкранная коллекторная, стоковая модуляция). Эю идея, впервые пред ложенная в 1914 г Р Хейзингам, находила крайне широкое применение при построении радиовещательных АМ передатчиков. Постоянство огибающей на входе модулируемого каскада снимает ограничения на выбор утла отсечки, а управление выходным током усилительного прибора путем изменения питающзго напряжения наиболее эффективно в граничном, слабоперенапряженном и ключевом режимах, что позволяет получать высокий коэффициент полезного действия передатчика. Этому способствует и использование в качестве устройств управления питающим напряжением (модуляционных усилителей), современных ключевых устройств класса Р, работающих с Ш ИМ сигналами. Следует отметить, что кроме получения аналоговой АМ, каскады с амплитудной модуляцией питающего напряжения составляет основу построенкя одного из наиболее эффективных методов повышения КДЦ усилителей сигналов с переменной огибающей, — синтетического метода Л. Кана.

Среди методов третьей группы, вряд ли, на сегодняшней день, можно выделить перспективные. В их основе лежит раздельное усиление и излучение несущего и боковых колебаний аналоговых АМ и однополосного сигнала, предложенное в разные гады МА Бонч-Бруевичем и АА Пироговым. Применение этих методов к более сложным сигналам не представляется возможным не говоря уже о громоздкости таких решений. Даже раздельное усиление сигналов изображения и звукового сопровождения в телевизионных передатчиках (что способствовало, как повышению КПД передатчика ЧМ сигнала звукового сопровождения, так и снижению требований к линейности передатчика сигнала изображения, за счет уменьшения пик-фактора), сегодня находит очень ограниченное применение.

Среди методов последней, четвертой группы, следует назвать синтетический метод Л. Кана, метод дефазирования. Также сюда можно отнести и метод квантования, заключающийся в формировании сигнала с переменной огибающей путем суммирования и вычитания мощностей нескольких ключевых генераторов разной мощности (1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32, 1/64 от пиковой мощности передатчика), что эффективно при построении мощных радиопередатчиков на транзисторах по модульному принципу.

Синтетический метод Л. Кана подразумевает раздельное усиление огибающей и фаз смодулированного радиочастотного заполнения с последующей высокоэффективной амплитудной модуляцией в оконечном каскаде передатчика, где восстанавливается усиливаемый си пн ал. Этот метод разработан Л. Каном и М.В. Верзуновым в конце 1950-х гг. Благодаря тому, что в тракте усиления мощности передатчика усиливается лишь фазомоду-лированное заполнение (имеющее постоянную огибающую), а в оконечном каскаде осуществляется высокоэффективная амплитудная модулящя (анодная, анодно-экранная, коллекторная, стоковая), обеспечивается высокий коэффициент полезного действия. Как уже упоминалось, этому также способствует использование в качестве модуляционного усилителя (в данном случае мощного усилителя огибающей МУО) ключевых

Ис. 2. Регулирование питаошего нагряжения

144

Т-Сотт, #9-2011

модуляторов класса D. Разделение усиливаемого сигнала на огибающую и фаэомодулированное заполнение можно осуществлять, как аналоговым путем (при помощи амплитудного детектора и амплитудного ограничителя), так и цифровым. В последнем случае, при формировании модулированного сигнала в процессоре, формируются (на выходах цифроаналоговых преобразователей) сигналы огибающей A(t) и фазы (J>(t) усиливаемого сигнала (см. рис 3). Сигналом <p(t) осуществляется фазовая модуляция несущего колебания на рабочей частоте передатчика fp, а сигнал A(t) подвергается преобразованию в ШИМ последовательность, поступающую в мощные усилители огибающей для осуществления (после фильтрации тактовой частоты fr в ФНЧ) амплитудной модуляции (т.е восстановления переменной огибающей сигнала) в оконечном и предоконечном каскодах передатчика, аналогично тому, как это осуществлялось в мощных радиовещательных АМ передатчиках Нельзя не отметить и присущие синтетическому метсд/ Л. Кана недостатки. Главные из них связаны с несинхронностью прихода на оконечный каскад передатчика (где осуществляется восстановление переменной огибающей) огибающей и фазомодулированного заполнения, что связано, прежде всего, с инерционностью ФНЧ в тракте огибающей, а также с неиоеальностью детектора огибающей (при аналоговом способе ее формирования). Второй недостаток связан с амплитудно-фазовой конверсией в мощных каскадах передатчика (а при аналоговом способе разделения усиливаемого сигнала, также и в амплитудном огранк«ителе), в которых осуществляется амплитудная модуляция. Обе эти проблемы приводят к специфическим нелинейным искажениям усиливаемого сигнала, что требует применения специальных мер по линеаризации усилителя мощности, построенного синтетическим методом.

Метод дефазирования, предложенный М. Ширексом в 1931 г, как способ получена амплитудной модуляции с высоким КПД и позднее распространенный Д Коксом для случая любых АФМ сита-лов, также подразумевает усиление в мощных каскадах передатчика сигналов с постоянной огибающей, что обеспечивает высокий их КПД. При этом, усиливаемый сигнал с переменной огибающей S(t) заменяется суммой двух сигналов S,(t) и S2(t) с постоянной амплитудой и переменной фазой, изменяющейся с противоположным знаком, согласно векторной диаграмме, приведенной на рис4. Из элементарной тригонометрии очевидно, что модуль фазового угла ф, определяющего модуляцию сигналов S,(t) и S2(t), связан с амплиту-

дой усиливаемого сигнала S|t) через функцию арккосинуса. Аналоговое формирование такой нелинейной фазовой модуляции затруднено, что, на сегодняшний день требует иного подхода к получению этих сигналов, нежели, чем те аналоговые метсды, которые использовались при построении радиовещательных АМ передатчиков с дефазированием, ограниченно использовавшихся в разные года во Франции, в США и в Люксембурге. При цифровом формирования сигналов S | (t) и S2(t), они формируются квадратурным способом (что весьма характерно при построении современных передатчиков цифровых сигналов) при помощи двух квадратурных модуляторов (см. рис. 5) непосредственно на рабочей частоте fp. Как видно из рис 4, синфазная составляющая S,(t) для сигналов S, (t) и S2(t) одинакова, а квадратурная SQ(t) отличается знаком, что требует введения в схему формирования фазоинвертора. Восстановление усиливаемого сигнала осуществляется в сумматоре, построение которого является достаточно сложной задачей, поскольку фазовые сдвиги между сигналами S 1(f) и S2(f) за период изменения огибающей меняются в пределах от нуля до 180 градусов. Не менее важной проблемой являются и специфические нелинейные искажения, возникающие вследствие неидент^ности двух усилительных трактов, как по коэффициенту усилена, так и по фазе, что требует применения сложных методов автокомпенсации и линеаризации.

Следует отметить, что все рассмотренные методы известны достаточно давно. В тоже время, они находили весьма ограниченное применение, в силу сложностей их практической реализации. Современные возможности цифровой обработки сигналов в реальном времени, позволяют не только качественно формировать колебания огибающей, фазомодулированного заполнения, квадратурных компонент канальных сигналов при дефазировании и т.п., но и осуществлял» в цифровом виде различные предкоррекции, позволяющие компенсировать специфические нелинейные искаженприсущие наиболее эффективным методам усиления сигналов с переменной огибающей, таким, как метод APR синтетический метод и метод дефазирования. Применение этих методов при построении передающего тракта современных телекоммуникационных и вещательных систем, позволит существенно повысить его энергетическую эффективность, а в ряде случаев, также отказаться от применения дорогих усилительных приборов, предназначенных для линейного усиления.

Литература

I. Рсдоюпаредсющиб устройства / В.В. Шихгильдин. В.Б. Козырев, АА Ляховкин и др./ Под ред. В.В. Шахтлвдяна — М: Родю и связь, 1996. — 560с

2 АД Артыч АЕ Бахмутосик EJL Козин и др. Повышение эффективности мощных рсадиопередясхцих устройств / Под ред. АД Артыма — М.: Радио и связь, 1987. — 176с

3. Шахгильдян ВБ, Розов ВМ, Коафеа ВЪ. Метода построения усилителей однополосных транзисторных передалмков // Электросвязь, 1976. — №10. — С 47-55.

Sttf)/

S*t)

So

fYc. 4. Векторное диаграмма

Si(t) E^L, Eni Eni

Soft)

ФИ I—

eST

КПУ

OK

fp

Si

l/Q

En!

Uaom

—I КПУ I—[ok о s2

En1

En

ftic. 5. Метод д ефазирования

T-Comm, #9-2011

145