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

Область техники
Изобретение относится к области радиотехники, в частности к радиопередающим устройствам 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.
Известны способы и устройства линеаризующие такие усилители или компенсирующие внеполосные излучения. В патенте RU 2731135 "Радиопередающее устройство с цифровой коррекцией нелинейности" описано устройство минимизации амплитудных и фазовых искажений передаваемого сигнала в условиях быстро изменяющейся и априорно неопределённой нелинейности передаточной характеристики радиотракта. Устройство содержит цифровой корректор нелинейности, использующий взвешенную сумму E-полиномов, и измеритель комбинационных составляющих, вычисляющий амплитуду и фазу искажений с помощью Фурье-преобразования. Полученные амплитуды искажений нормируют к входному сигналу, а фазы поворачивают на 180º, после чего искажения поступают на цифровой корректор нелинейности, в котором с использованием Е-полиномов формируется передаточная характеристика, компенсирующая искажения, вносимые УМ. Формирование передаточной характеристики цифрового корректора проводят на тестовом (двухтоновом) сигнале при отсутствии информационного сигнала. Недостатками представленного устройства являются необходимость измерения и предварительного описания передаточной характеристики цифрового корректора нелинейности с помощью Е-полиномов, а также необходимость периодической калибровки устройства тестовым сигналом с прерыванием передачи информационного сигнала.
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.
Прототипом изобретения, является способ и устройство, описанные в заявке на патент 2020143494/07(081150). 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.
Функциональную зависимость искажений un от входного сигнала xin в дискретный момент времени n аппроксимируют в виде произведения входного сигнала на параметризированную функцию от амплитуды входного сигнала f(|xin(n)|,Λ). Математически при представлении сигналов в комплексной форме это может быть представлено в виде:
где u̇n – синтезированный сигнал искажений;n - дискретный момент времени;ẋin - входной сигнал;f(|ẋin(n)|,Λ) – параметризированная функция (функция предыскажений), связывает сигнал искажений с амплитудой входного сигнала;Λ - вектор-строка коэффициентов функции предыскажений.
Здесь и далее предполагается, что обработка сигнала производится в цифровой форме, например, в виде квадратурных компонентов I(t) и Q(t).
Функциональную зависимость в прототипе предлагают представить в виде таблицы поиска с интерполяцией степени p. При этом коэффициенты λ в таблице предлагается искать методом наименьших квадратов (МНК), решая переопределенную систему линейных уравнений вида
где  A – матрица мгновенных значений входного сигнала;AH –эрмитово-сопряженная матрица;Λ=[λ1, λ2, … λm, … λM]T - вектор-столбец коэффициентов функциональной зависимости сигнала искажений от входного сигнала;b – вектор-столбец мгновенных значений сигнала искажений.
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 - ко 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, 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 ко входу устройства. Первый вход блока расчета параметров функции предыскажений подключен к первому выходу контура регулирования, а второй вход – к выходу второго сумматора.
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 вычисляют вектор Λ, содержащий коэффициенты функциональной зависимости сигнала искажений от входного сигнала, который передают через замкнутый ключ в блок вычисления параметризированной функции. В этом блоке вычисляется параметризированная функция f(|xin(n)|,Λ) для действующего в данный момент времени значения амплитуды входного сигнала и на выходе блока формируется значение синтезированного сигнала искажений в соответствии с выражением (1). 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-амплитудных характеристик УМ.
Таким образом, для выполнения операций преобразования сигналов по способу, описанному в прототипе при определении коэффициентов функциональной зависимости сигнала искажений от входного сигнала, необходимо решение переопределенной системы уравнений в матричной форме, 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. После того как функциональная зависимость определена, ее выделяют в виде отдельной параметризированной функции. 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. При этом предлагаемый способ отличается от прототипа тем, что для вычисления вектора коэффициентов параметризированной функции, проводят квантование амплитуды входного сигнала |xin| на интервале от нуля до максимального значения |xin|max на M уровней, и определяют коэффициент параметризированной функции, для каждого уровня квантования из выражения:
где λ̇m  - коэффициент параметризированной функции, для m-го уровня;km –количество значений сигналов на m-ом уровне квантования за время наблюдения n;ẋmb – входной сигнал на m-ом уровне квантования, сбалансированный по амплитуде, фазе и задержке с выходным сигналом усилителя мощности;- - знак комплексного сопряжения числа;ẏmb – сигнал искажений на m-том уровне квантования.
Или
где
Rmn(ẋmb,ẏmb) – выборочный коэффициент ковариации соответствующих сигналов на n-ном шаге для m-го уровня квантования;
что соответствует средней мощности входного сигнала на m-том уровне квантования.
Таким образом, для формирования вектора Λ коэффициентов параметризированной функции, на интервале наблюдения n, для каждого уровня квантования m определяют коэффициент λm, путем вычисления выборочного коэффициента ковариации между сбалансированными по амплитуде, фазе и задержке входным сигналом xmb и сигналом искажений ymb, с последующей его нормировкой относительно мощности указанного входного сигнала xmb. Полученные коэффициенты записывают как элемент вектора Λ в позиции m.
Данный способ не требует решения переопределенной системы уравнений в матричной форме, и тем самым в практическом плане снижает вычислительные, временные и энергетические затраты. Устройство, осуществляющее данный способ, может быть построено на основе типовых функциональных звеньев и блоков электронного оборудования.
Устройство для осуществления данного способа (см. фигуру) содержит 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 - ко 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 вход блока выравнивания фазы (8) подключен к первому выходу блока функции предыскажений (7), а его выход – 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).
Устройство отличается тем, что в блок расчета параметров функции предыскажений (5) введены функциональный делитель (9), выход которого является выходом блока (5), а также две одинаковые цепи (10) и (11), каждая из которых содержит включенные последовательно умножитель сопряженных квадратурных компонентов сигналов (12, 13), сумматор (14, 15), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) (16, 17) на M ячеек памяти. Выход ОЗУ (16, 17) соединен со вторым входом сумматора (14, 15) в соответствующих цепях (10, 11) и является выходом этих цепей. Первые входы с умножителей сопряженных квадратурных компонентов сигналов (12, 13) являются комплексно сопрягаемыми (помечены точкой на фигуре) и соответствуют первым входам, а их вторые входы - вторым входам цепей (10, 11). Входы первой цепи (10) объединены между собой и с первым входом второй цепи (11) и являются первым входом блока расчета параметров функции предыскажений (5). Второй вход второй цепи (11) является вторым входом блока расчета параметров функции предыскажений (5). Вход знаменателя (делителя) функционального делителя (9) подключен к выходу первой цепи (10), а вход делимого – к выходу второй цепи (11).
Для управления процессами записи-чтения в ОЗУ (16, 17) в состав блока расчета параметров функции предыскажений (5) введены включенные последовательно вычислитель амплитуды сигнала (18), квантователь амплитуды (19) и формирователь адреса (20). При этом вход вычислителя амплитуды сигнала (18) соединен с первым входом первой цепи (10), а выход формирователя адреса (20) – со входами управления (адресными входами) ОЗУ (16, 17). Квантователь (19) квантует диапазон амплитуды входного сигнала на M уровней, формирователь адреса (20) перекодирует квантованные уровни амплитуды в адреса ячеек памяти ОЗУ (16, 17). Таким образом каждое ОЗУ содержит M ячеек памяти.
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 yb. Входной сигнал после выравнивания в контуре регулирования (3) xb поступает на входы первой цепи (10) и на первый вход второй цепи (11), на второй вход которой поступает сигнал искажений yb. На выходе умножителя сопряженных квадратурных компонентов сигналов (12) вычисляется квадрат амплитуды (т.е. мощность) мгновенного значения входного сигнала в дискретный момент времени n, а на выходе умножителя квадратурных компонентов сигналов (13) – значение текущего слагаемого в выборочном коэффициенте ковариации в момент времени n (см. выражение 5). Одновременно с этим из амплитуды входного сигнала, полученной на выходе вычислителя амплитуды сигнала (18), в цепи из квантователя (19) и формирователя адреса (20) формируется адрес ячеек памяти m в ОЗУ (16, 17), из которых в момент времени n считываются значения мощности входного сигнала, накопленные в ОЗУ (16), и значения произведений входного сигнала и искажений, накопленные в ОЗУ (17) (в соответствии со знаменателем в выражении 3). На входах сумматоров (14, 15) первой и второй цепей (10, 11) получают новые значения этих величин и ими обновляют значения в m-ных ячейках ОЗУ (16, 17). Порядок управления процессом чтения-записи данных в ОЗУ определяется особенностями его реализации и не является предметом защиты данного изобретения. На выходе функционального делителя (9) формируется m-й коэффициент параметризированной функции в n-й дискретный момент времени, который передают через замкнутый ключ (6) в блок функции предыскажений (7).  Процесс передачи коэффициентов параметризированной функции λ̇m в блок функции предыскажений (7) может осуществляться различными способами, например непрерывно, последовательно или периодически путем опроса ячеек ОЗУ (16, 17) 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.
На выходе блока функции предыскажений (7) синтезируется сигнал искажений в соответствии с выражением (1). Затем 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 фигуре показана функциональная схема устройства, осуществляющего способ компенсации нелинейных искажений высокочастотных усилителей мощности.
Осуществление изобретения
Изобретение может быть осуществлено в соответствии со схемой, представленной на фигуре.  В устройстве для формирования коэффициентов параметризированной функции используются типовые функциональные элементы цифровой обработки сигналов, такие как сумматоры, перемножители, 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).
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 выполнены, например (но не ограничиваясь), на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), цифрового сигнального процессора (DSP-процессора), компьютера и прочих вычислительных устройств.
Блок для вычисления функции предыскажений в выражении (1) может быть реализован различными способами, например, как таблица поиска с интерполяцией степени p. Тогда вектор параметров Λ представляет собой вектор длиной M, элементы которого являются значениями функции f в M точках аргумента функции f, обычно (но не всегда) равномерно распределённых по области определения функции f, т.е. на интервале от нуля до максимального значения амплитуды входного сигнала |xin|max.