Способ совместной цифровой линеризации усилителя мощности и квадратурного модулятора
METHOD FOR COMBINED DIGITAL LINEARIZATION OF POWER AMPLIFIER AND QUADRATURE MODULATOR

Изобретение относится к системам обработки сигналов, в частности, к устройствам и методам повышения линейности аналогового передающего тракта и может быть использовано в системах беспроводной связи СВЧ диапазона.
Одной из наиболее актуальных проблем развития систем связи является решение задачи нивелирования сигнальных искажений, возникающих в аналоговой части канала передачи данных. Источниками сигнальных искажений выступают в первую очередь усилитель мощности, который проявляет нелинейные инерционные свойства, и аналоговый квадратурный модулятор, вносящий частотно-зависимый дисбаланс квадратур в излучаемый сигнал.
В настоящее время достаточно широкое распространение получили цифровые способы повышения линейности аналогового радиотракта, реализованные в виде системы, состоящей из корректора и контроллера адаптивного обновления параметров предыскажений. При этом корректор осуществляет ввод нелинейно-динамических предыскажений, обратных по своим характеристикам к характеристикам радиотракта, а контроллер адаптивно регулирует изменяющиеся канальные характеристики.
Известен способ линеаризации аналогового радиотракта, предложенный в [1], где применяется цифровое выравнивание квадратурного дисбаланса. Линейность выходной характеристики тракта достигается путем ввода в сигнал цифровых предыскажений, рассчитанных с помощью обратной модели квадратурного модулятора. Недостатком такого способа является то, что используемая модель не подразумевает нелинейных искажений усилителя мощности. Следовательно, реализация данного способа расчета параметров предыскажений в системах, где усилитель мощности является источником значительных нелинейных искажений сигнала, снижает точность модельного описания линеаризуемой системы, что влечет за собой ухудшение качества цифровой коррекции.
Известен способ линеаризации аналогового радиотракта, предложенный в [2], где учитывается совместное влияние усилителя мощности и квадратурного модулятора. Такой способ позволяет построить качественный цифровой корректор, учитывающий одновременно как нелинейность усилителя мощности, так и квадратурный дисбаланс модулятора. Недостатком данного способа является то, что использование одноблочной структуры корректора, обобщающей свойства радиотракта, приводит к увеличению количества параметров предыскажений, что сказывается на вычислительной нагрузке алгоритма оптимизации коэффициентов корректора и на устойчивости процесса многопараметрической оптимизации.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ цифровой линеаризации аналогового радиотракта, предложенный в [3], где для оптимизации вычислительного ресурса используется двухблочная структура цифрового корректора. Данный способ обеспечивает параллельный синтез амплитудных и фазовых характеристик корректора усилителя мощности и корректора преобразовательного тракта. При этом способ обеспечивает снижение совокупного числа параметров алгоритма оптимизации двухблочного корректора в сравнении с одноблочными аналогами.
Недостатком такого способа является то, что используемая в прототипе модель, рассматривая преобразовательный тракт лишь как источник динамической задержки сигнала, не учитывает рассогласование сигнальных квадратур в аналоговом модуляторе, входящем в состав преобразовательного тракта. В процессе аналоговой модуляции рассогласования фазы и коэффициента усиления квадратурных сигналов сказываются на подавлении зеркального канала. Это обусловлено, во-первых, погрешностью фазы и коэффициента усиления модулирующего сигнала на входе квадратурного модулятора, и во-вторых, погрешностью фазы и коэффициента усиления сигнала гетеродина. Квадратурный дисбаланс ощутимо проявляется в системах с использованием широкополосных многопозиционных сигналов на высокой частоте несущей. Таким образом, с ростом рабочей частоты системы эффективность линеаризации прототипа будет падать в силу искажений, вносимых рассогласованием в каналах квадратурного модулятора.
Задачей изобретения является улучшение характеристики передающего канала связи путем реализации способа совместной адаптивной цифровой линеаризации усилителя мощности и квадратурного модулятора.
Достигаемый технический результат заключается в увеличении качества работы цифровой системы линеаризации аналогового передающего радиотракта с квадратурным модулятором и усилителем мощности.
Технический результат достигается таким образом, что предлагаемый способ адаптивной линеаризации радиотракта, основанный на использовании метода ввода цифровых предыскажений, осуществляет дифференцированный ввод предыскажений с помощью двухблочной структуры цифрового корректора. На первом этапе производится нелинейно-динамическое преобразование входного сигнала, которое направлено на выравнивание переходных характеристик усилителя мощности. На втором этапе, согласно изобретению, производится линейно-динамическое преобразование сигнала, направленное на выравнивание квадратурного дисбаланса преобразовательного тракта.
На фиг.1 обозначены следующие основные узлы предлагаемой системы линеаризации:
1 - блока ввода нелинейных инерционных предыскажений;
2 - блока линейных инерционных предыскажений;
3 - ЦАП;
4 - преобразовательный тракт с повышением частоты;
5 - усилитель мощности;
6 - преобразовательный тракт с понижением частоты;
7 - аналого-цифровой преобразователь;
8 - блок алгоритма идентификации.
x(n)
Заявленный способ реализуется следующим образом. Квадратуры передаваемого сигнала  подают на вход блока ввода нелинейных инерционных предыскажений 1 двухблочного корректора, сигнал на выходе которого описывается полиномиальной моделью с памятью и имеет вид:
a
P
M
где  - параметры предыскажений, хранящиеся в памяти блока 1;  - степень нелинейности,  - величина задержки. Затем предыскаженный на первом этапе цифровой коррекции сигнал поступает на вход блока линейных инерционных предыскажений 2, выходной сигнал которого имеет вид:
b
Q -
где  - параметры предыскажений, хранящиеся в памяти блока 2; величина задержки. Сигнал с последовательно введенными предыскажениями затем поступает в цифро-аналоговый преобразователь 3, после чего в преобразовательный тракт с повышением частоты 4. Преобразованный сигнал усиливают с использованием усилителя мощности 5. Таким образом, первый блок двухблочного корректора (блок 1) отвечает за выравнивание нелинейно-динамических искажений, проявляемых усилителем мощности 5, а второй блок двухблочного корректора (блок 2) отвечает за линеаризацию линейно-динамических искажений, вносимых квадратурным модулятором в составе преобразовательного тракта 4.
z(n)
Нелинейно-динамическая характеристика аналогового радиотракта изменяется в соответствии с рабочими условиями и параметрами окружающей среды. Как и для устройства-прототипа, требуется, чтобы параметры первого и второго блоков цифрового корректора 1 и 2 адаптивно обновлялись. Часть сигналов, поступающих с выхода усилителя мощности 5, проходит назад на вход блока алгоритма идентификации 8 через преобразователь с понижением частоты 6 и АЦП 7. При этом другим входным сигналом блока 8 является сигнал на выходе блока 2. Таким образом, реализуется схема обратного обучения. Блок 8, используя сигнал обратной связи  с выхода АЦП 7 и сигнал  с выхода блока 2, осуществляет процесс многопараметрической оптимизации, в результате которого рассчитываются обновления параметров предыскажений блоков ввода предыскажений 1 и 2. При этом с первого выхода блока 8 обновленные параметры нелинейно-динамических предыскажений поступают на второй вход блока 1. Аналогично, со второго выхода блока 8 обновленные коэффициенты линейных инерционных предыскажений поступают на второй вход блока 2.
J
e
Для расчета параметров синтезированной модели корректора используется обратный метод обучения [4], подразумевающий построение обратной модели радиотракта. В основе большиства алгоритмов оптимизации лежит минимизация некоторой целевой функции , которая определяется сигналом ошибки , в данном случае принимающим вид:
где  и  - отсчеты сигнала на входе и выходе аналогового тракта.
Простейшим алгоритмом многопараметрической оптимизации выступает метод стохастического градиента [5], который оперирует целевой функцией вида . Обновление параметров предыскажений на основе метода стохастического градиента для предлагаемого способа сводится к системе уравнений:
где  - константы метода стохастического градиента. Таким образом, рассчитав необходимые производные, удается получить следующее итерационное правило расчета коэффициентов предыскажений:
Предлагаемый способ адаптивного расчета обновлений параметров предыскажений помимо нелинейности усилителя мощности и задержки преобразовательного тракта учитывает также влияние на передаваемый сигнал квадратурного дисбаланса внутри преобразовательного тракта. Стоит отметить, что предлагаемый способ позволяет осуществить более гибкий подход к реализации адаптивного обновления параметров предыскажений. В процессе работы аналоговые части радиотракта по-разному реагируют на изменение внешних и внутренних факторов системы, к которым можно отнести колебание температуры или смену рабочей частоты. Если, к примеру, с ростом температуры скорость изменения характеристики усилителя мощности оказывается существеннее скорости изменения свойств квадратурного модулятора, то предлагаемый способ построения корректора позволяет адаптивно подстраивать только коэффициенты блока ввода нелинейных инерционных предыскажений 1 при фиксированных параметрах блока ввода линейных инерционных предыскажений 2. Это приведет к снижению вычислительной нагрузки на решающее устройство, которое реализует алгоритм оптимизации параметров предыскажений.
В таблице 1 приведены результаты аппаратной реализации цифровых корректоров аналогового радиотракта с ярко выраженным квадратурным дисбалансом (10 градусов разности фаз и 1 дБ рассогласования), через который проходит сигнал с модуляцией QAM-16 и полосой 4 МГц. В качестве критериев оценки качества линеаризации использовались параметры EVM, характеризующий степень деформации сигнального созвездия, и ACPR, описывающий уровень внеполосного излучения в частотной области (причем под L3 и R3 понимают внеполосное излучение в соседних левом и правом каналах, а под L5 и R5 - внеполосное излучение в левом и правом дополнительных каналах).
Таблица 1
Тип корректора
EVM, %
ACPR, dB
L3
L5
R3
R5
Без корректора
13
-32.1
-54.1
-32.1
-52.9
Прототип
8.29
-47.9
-59.4
-47.8
-59
Предлагаемый
1.04
-52.5
-61.9
-52.5
-61.5
В таблице 2 приведены результаты аппаратной реализации цифровых корректоров аналогового радиотракта без проявления квадратурного дисбаланса.
Таблица 2
Тип корректора
EVM, %
ACPR, dB
L3
L5
R3
R5
Без корректора
9.1
-37.3
-55.3
-38.5
-56
Прототип
0.73
-52.5
-61.9
-52.6
-61.8
Предлагаемый
0.85
-52.2
-61.9
-52
-61.5
Из полученных результатов видно, что предлагаемый способ позволяет расширить область применения двухблочного цифрового корректора на системы с ярко выраженным квадратурным дисбалансом без потери качества линеаризации в системах не проявляющих рассогласование квадратур.
Пример линеаризации характеристик радиотракта, реализованный согласно предлагаемому устройству, представлен на фиг. 2 (амплитудная характеристика) и фиг. 3 (амплитудно-фазовая характеристика) до (1) и после цифровой коррекции с использованием прототипа (2) и предлагаемого способа (3).
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Cao H., Tehrani A., Fager C. et al. // IEEE Trans. 2009. V.57. № 3. P.513.
2. Tafuri F., Guaragnella C., Fiore M. // NORCHIP Proc. NY.: IEEE. 2012.
3. Патент РФ № 2676017; номер заявки - № 2017126829; дата публикации -25.12.2018; заявлен - 25.07.2017.
4. Eun C., Powers E.J. // IEEE Trans. 1997. V.45. № 1. P.223.
5. Джиган В.И. // Адаптивная фильтрация сигналов: теория и алгоритмы. М.: Техносфера, 2013.