УСТРОЙСТВО ЛИНЕЙНОГО УСИЛЕНИЯ СИГНАЛА С АМПЛИТУДНОЙ И ФАЗОВОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

Область техники
Полезная модель относится к технике связи и может использоваться в передающих устройствах для линейного усиления сигнала с амплитудной и фазовой модуляцией.
Уровень техники
Известно устройство для линейного усиления сигнала с амплитудной и фазовой модуляцией наиболее близкое к предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому эффекту (Cabria L., Cabral P.M., Pedro J.C., Garcia J.A. A Class E power Amplifier Design for Drain Modulation under a High PAPR WiMAX Signal. IEEE International Microwave Workshop Series on RF front-ends for Software Defined Cognitive Radio Solution (IMWS), Aveiro, portugal, 2010), содержащее цифровой блок формирования квадратурных сигналов, вход которого является входом устройства, блок преобразования декартовых координат в полярные, на первом выходе которого формируется сигнал, равный фазе усиливаемого сигнала, а на втором равный его амплитуде, входы которого соединены с выходами цифрового блока формирования квадратурных сигналов, первый фазовый модулятор, сигнальный вход которого соединен с первым выходом блока преобразования декартовых координат в полярные, синтезатор частот, первый выход которого соединен с опорным входом первого фазового модулятора, первый усилитель-перемножитель и полосовой фильтр, вход которого соединен с выходом первого усилителя-перемножителя, а выход является выходом устройства.
Недостатком этого устройства является снижение коэффициента полезного действия, обусловленное необходимостью применения широкополосных ключевых усилителей с большим запасом по частоте в тракте усиления ШИМ-последовательностей, которые для отсутствия искажений должны иметь высокую тактовую частоту, превышающую в 30-40 раз ширину полосы частот усиливаемого сигнала.
Известны и другие устройства для линейного усиления сигнала с амплитудной и фазовой модуляцией (Kahn L.R. Single-Sideband Transmission by Envelope Elimination and Restoration. - Proc. IRE, vol. 40, no. 7, 1952. - pp. 803-806 и Kim Y.Y., Woo J., Kim J., Moon J., Kim, Kim B. High-efficiency Hybrid EER Transmitter using Optimized Power Amplifier. - IEEE Trans. on Microwave Theory and Tech., vol. 56, no. 11, 2008. - pp. 2582-2593), имеющие аналогичный недостаток.
Сущность полезной модели
Задачей полезной модели является разработка конструкции устройства для линейного усиления широкополосного сигнала с амплитудной и фазовой модуляцией, которое имеет высокий коэффициент полезного действия.
Для достижения указанной задачи в устройство, содержащее цифровой блок формирования квадратурных сигналов, вход которого является входом устройства, блок преобразования декартовых координат в полярные, на первом выходе которого формируется сигнал, равный фазе усиливаемого сигнала, а на втором равный его амплитуде, входы которого соединены с выходами цифрового блока формирования квадратурных сигналов, первый фазовый модулятор, сигнальный вход которого соединен с первым выходом блока преобразования декартовых координат в полярные, синтезатор частот, первый выход которого соединен с опорным входом первого фазового модулятора, первый усилитель-перемножитель и полосовой фильтр, вход которого соединен с выходом первого усилителя-перемножителя, а выход является выходом устройства, введены: первый усилитель мощности, вход которого соединен с выходом первого фазового модулятора, второй усилитель мощности, вход которого соединен со вторым выходом синтезатора частот, второй усилитель-перемножитель, входы которого соединены с выходами первого и второго усилителей мощности, а выход с первым входом первого усилителя-перемножителя, блок нормализации, вход которого соединен со вторым выходом блока преобразования декартовых координат в полярные, блок преобразования сигнала по закону арккосинуса, вход которого соединен с выходом блока нормализации, второй фазовый модулятор, сигнальный вход которого соединен с выходом блока преобразования сигнала по закону арккосинуса, а опорный вход со вторым выходом синтезатора частот, третий усилитель мощности, вход которого соединен с выходом второго фазового модулятора, а выход со вторым входом первого усилителя-перемножителя.
Перечень фигур
Полезная модель поясняется фиг. 1 на которой представлена структурная электрическая схема предложенного устройства. Устройство содержит цифровой блок формирования квадратурных сигналов 1, блок преобразования декартовых координат в полярные 2, первый 3 и второй 12 фазовые модуляторы, первый 4, второй 9 и третий 13 усилители мощности, первый 6 и второй 5 усилители-перемножители, полосовой фильтр 7, синтезатор частот 8, блок нормализации 10 и блок преобразования сигнала по закону арккосинуса 11.
Осуществление полезной модели
Устройство работает следующим образом.
Re
Im
На вход устройства (вход блока формирования квадратурных сигналов 1) в цифровой форме поступает произвольный сигнал с амплитудно-фазовой модуляцией. На выходах блока формирования квадратурных сигналов 1 образуются квадратурные сигналы S(X) и S(t), представляющие собой декартовы координаты комплексной огибающей  видеосигнала S(t), соответствующего поступающему оцифрованному информационному сигналу:
где j - мнимая единица.
Re
Im
Квадратурные сигналы S(t) и S(t) (1) с выходов блока формирования квадратурных сигналов 1 поступают на входы блока преобразования декартовых координат в полярные 2, на первом выходе которого формируется сигнал, равный фазе φ(t) видеосигнала, а на втором - равный его огибающей
где arg(x) - функция вычисления аргумента комплексного числа х.
S
S
Сигнал φ(t) (2) с первого выхода блока преобразования декартовых координат в полярные 2 поступает на сигнальный вход первого фазового модулятора 3. На опорный вход первого фазового модулятора 3 с первого выхода синтезатора частот 8 поступает сигнал V(t) немодулированной несущей с циклической частотой ω и постоянной амплитудой V:
S
1
На выходе первого фазового модулятора 3 в результате модулирования сигналом φ(t) (2) опорного сигнала V(t) (4) образуется фазомодулированный сигнал P(t).
1
1
1
Сигнал P(t) (5) имеет постоянную огибающую и с выхода фазового модулятора он поступает на вход первого усилителя мощности 4, в котором усиливается в K раз. Таким образом, на выходе первого усилителя мощности формируется сигнал S(t), равный
0
0
S
1
На втором входе синтезатора частот 8 формируется сигнал V(t) немодулированной несущей с циклической частотой ω≥2ω и постоянной амплитудой V:
2
0
2
Этот сигнал поступает на опорный вход второго фазового модулятора 12 и на вход второго усилителя мощности 9. На выходе второго усилителя мощности 9 образуется сигнал S(t), который представляет собой сигнал V(t) (7), усиленный в K раз:
1
2
1
2
2
φ
Сигналы S(t) (6) и S(t) (8) с выходов первого 4 и второго 9 усилителей мощности соответственно поступают на входы второго усилителя-перемножителя 5. Поступившие на второй усилитель-перемножитель 5 сигналы S(t) (6) и S(t) (8) перемножаются и усиливаются в G раз, формируя на его выходе сигнал S(t):
m
Сигнал А(t) (4) со второго выхода блока преобразования декартовых координат в полярные 2 поступает на блок нормализации 10. На выходе блока нормализации 10 формируется сигнал а(t), представляющий собой сигнал A(t) (3), нормированный на свое максимальное значение A:
С выхода блока нормализации 10 сигнал a(t) (11) поступает на вход блока преобразования сигнала по закону арккосинуса 11, на выходе которого образуется сигнал Q(t), равный арккосинусу сигнала а(t) (11):
0
2
Сигнал Q(t) (12) с выхода блока преобразования сигнала по закону арккосинуса 11 поступает на сигнальный вход второго фазового модулятора 12. На выходе второго фазового модулятора 12 в результате модулирования сигналом Q(t) (12) опорного сигнала V(t) (7) образуется фазомодулированный сигнал P(t):
2
3
A
Сигнал P(t) (13) с выхода второго фазового модулятора поступает на вход третьего усилителя мощности 13, в котором он усиливается в K раз. Таким образом, на выходе третьего усилителя мощности 13 формируется сигнал S(t), равный
A
φ
A
φ
1
o
Образованный на выходе третьего усилителя мощности 13 сигнал S(t) (14) совместно с сигналом S(t) (10) с выхода второго усилителя-перемножителя 5 поступают на входы первого усилителя-перемножителя 6. Поступившие на первый усилитель-перемножитель 6 сигналы S(t) (14) и S(t) (10) перемножаются и усиливаются в G раз, формируя на его выходе сигнал S(t):
Формула (15) может быть приведена тождественными тригонометрическими преобразованиями к следующему виду:
o
o
S
Сигнал S(t) (16) поступает на полосовой фильтр 7, в который пропускает составляющую сигнала S(t) (16) на частоте ω и режектирует две другие составляющие.
out
В результате на выходе полосового фильтра 7 (выходе устройства) формируется сигнал S(t):
S
1
2
1
2
3
1
2
m
представляющий собой исходный видеосигнал S(t), перенесенный на частоту ω и линейно усиленный в GGKKKVVV/(2A) раз.
Таким образом, предлагаемое устройство линейно усиливает сигнал. При этом, в предлагаемом устройстве во всех усилительных трактах осуществляется усиление непрерывных колебаний с фазовой модуляцией, а также колебания немодулированной несущей. Полоса пропускания этих трактов примерно равна ширине полосы частот усиливаемого сигнала. Более высокий (по сравнению с прототипом) коэффициент полезного действия при линейном усилении широкополосных сигналов в предлагаемом устройстве обеспечивается за счет отсутствия необходимости применения ключевых усилителей с большим запасом по частоте в тракте усиления ШИМ-последовательностей, которые для отсутствия искажений в усиливаемом сигнале должны иметь тактовую частоту на порядок больше ширины полосы частот сигнала.