Вопросы коррекции характеристик усилителя мощности цифрового ОВЧ радиовещания с АРР по питающему напряжению

Вопросы коррекции характеристик усилителя мощности цифрового ОВЧ радиовещания с АРР по питающему напряжению

Pассматривается применение АРР по питающему напряжению в усилителях мощности цифрового ОВЧ радиовещания стандарта DRM+. Отмечены преимущества и недостатки АРР, работающей как по линейному, так и по нелинейному закону. Показано влияние АРР на выходной сигнал усилителя мощности. Рассмотрен нелинейный закон регулирования питающего напряжения усилителя с учетом запаса по питанию. Отмечена необходимость применения методов предварительной коррекции входного сигнала усилителя мощности с АРР. Приведены результаты моделирования усилителя мощности с предкор-Ключевые слова: передатчик, радиовещание, рекцией, демонстрирующие эффективность применения предкоррекции для обеспече-

коррекция, КПД, усилитель, OFDM. ния соответствия выходного сигнала усилителя требованиям спектральной маски.

Дулов И.В., МТУСИ

Исследование работы АРР

Введение

Переход на цифровое вещание с использованием частотного мультиплексирования (OFDM), требует построения радиовещательных передатчиков с высоколинейным трактом усиления мощности, поскольку OFDM-сигналы характеризуются переменной огибающей и значительным пик-фактором [1]. Это приводит к необходимости применения энергетически неэффективных режимов работы мощных каскадов усиления и к существенному недоиспользованию усилительного элемента по мощности, а, следовательно, - к существенному уменьшению коэффициента полезного действия тракта усиления мощности.

Среди известных методов повышения энергетической эффективности усилителя мощности [2, 3], для применения в усилителях передатчиков цифрового ОВЧ радиовещания наиболее целесообразно выбрать метод АРР по питающему напряжению [4]. Структурная схема реализации данного метода приведена на рис. 1.

При изменении амплитуды входного сигнала относительно точки максимально амплитуды степень напряженности режима работы усилителя уменьшается. Регулирование питающего напряжения с помощью АРР выполняется таким образом, чтобы, несмотря на изменение амплитуды входного РЧ сигнала, усилитель мощности всегда находился в недонапряженном режиме близком к граничному, и обеспечивалась требуемая линейность усиления. Именно в граничном режиме выходная мощность усилителя максимальна при высоком КПД [5].

Работа АРР исследовалась на специально разработанной модели усилителя мощности. При изменении уровня входного сигнала изменялся уровень напряжения питания в соответствии с линейным законом. При этом при каждом значении входного сигнала и соответствующем ему напряжении питания фиксировались значения КПД и выходной мощности. По результатам машинного эксперимента на компьютере были получены зависимости п(Рвых) без использования АРР и с использованием АРР (рис. 2).

Рис. 1. Усилитель мощности, построенный по методу АРР с цифровым выделением огибающей

Результаты машинного эксперимента наглядно показывают значительное повышение КПД усилителя мощности при использовании АРР по сравнению с КПД усилителя мощности без АРР! При этом сохраняется нарастающий характер зависимости при изменении выходного напряжения от 0 до максимального значения.

Однако применение линейной АРР не всегда позволяет получить наилучшее значение КПД по причине того, что из-за не идеальности характеристик транзистора (в первую очередь в области граничной линии) при изменении напряжения питания не всегда выдерживается режим близкий к граничному. Исходя из этого, целесообразно исследовать систему АРР в которой применяется нелинейная зависимость напряжения питания усилителя от входного напряжения.

Идея нелинейного регулирования питающего напряжения [6] состоит в том, что для каждого значения входного напряжения подбирается напряжение питания таким образом, чтобы усилитель всегда оставался в режиме близком к граничному.

При моделировании работы АРР напряжение питания усилителя подстраивается таким образом, чтобы при заданной выходной мощности усилитель находился в точке, близкой к точке перегиба амплитудной характеристики (немного не доходя ее) при любом уровне входного напряжения.

На рис. 3 показана зависимость КПД от выходной мощности усилителя без АРР и с АРР, работающими как по линейному, так и по нелинейному законам.

0.6

0.5

0,4-

0,3

0.2

0.1

у І

✓

/

/ і .і

/

/

/

1 - I-  Т-

усилитель без АРР

Полученная зависимость была проинтерполирована с помощью метода наименьших квадратов (МНК). В результате интерполяции был получен следующий многочлен, описывающий закон регулирования напряжения питания:

Ес(иех} = 0,067-

+1.014 - ивх + 0,577

Исследование влияния АРР по питающему напряжению на АХ и ФАХ усилителя мощности

На разработанной модели усилителя мощности, была получена зависимость выходной мощности от входной при нелинейном законе регулирования питающего напряжения (характеристика АМ-АМ).Эта характеристика позволит оценить степень нелинейности, которую вносит применение системы АРР! Данная зависимость изображена на рис. 5. Для сравнения на том же рисунке приведена зависимость Рвых(Рвх) для случая линейной АРР и усиления без АРР!

_______ усилитель с линейной АРР

- . - . усилитель с нелинейной АРР

Рис. 3. Оценка эффективности усилителя мощности

Рис. 3 наглядно показывает 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. Кроме того, при использовании нелинейной АРР КПД усилителя мощности поддерживается неизменно высоким на большей части диапазона изменения амплитуды выходного сигнала (от 20 Вт до максимума).

Это дает основания утверждать, что в УМ цифрового радиовещания целесообразно использовать АРР именно с нелинейным законом регулирования питающего напряжения. Поскольку, в современных системах АРР процесс выделения огибающей осуществляется с помощью цифровых методов, реализация нелинейного закона регулирования на практике является вполне осуществимой задачей.

На рис 4 изображен закон регулирования напряжения питания усилителя мощности с нелинейной АРР, полученный в результате проведения эксперимента на компьютерной модели.

Рис. 5. Зависимость выходной мощости усилителя мощности от входной при нелинейном законе регулирования питающего напряжения

Анализируя графики на рис. 5 можно сделать следующие выводы:

1) применение системы АРР снижает коэффициент усиления усилителя мощности: при нелинейной АРР коэффициент усиления снижается сильнее, чем при линейной АРР;

2) использование нелинейного закона регулирования питающего напряжения вносит более значительную нелинейность, чем при использовании линейного закона.

Искажения амплитудной характеристики связаны с тем, что проходная характеристика транзистора (зависимость тока стока от напряжения затвора) зависит от напряжения питания, а наклон этой характеристики определяет коэффициент усиления транзистора, соответственно при изменении напряжения питания меняется и коэффициент усиления транзистора.

Также на модели было проведено исследование фазо-ампли-тудной характеристики. Полученные результаты показаны на рис. 6.

Нормированный спектр мощности

(. МГц

. . — усилитель без АРР _ _ спектральная маска _____усилитель с линейной АРР

300

Рис. 7. Нормированный спектр выходной мощности

Нормированный спектр мощности

усилитель без АРР

---_ . усилитель С ЛИНЄЙНОЙАРР

— • - • усилитель с нелинейнойАРР

Рис. 6. Фазо-амплитудная характеристика усилителя мощности

Зависимости на рис. 6 показывают, что применение АРР ухудшает фазо-амплитудную характеристику усилителя мощности. Искажение фазо-амплитудной характеристики вызвано наличием в транзисторе параметрических входных и вьходньх емкостей [7], а также емкости обратной связи, которые нелинейно зависят от питающего напряжения [8]. Особенно сильно данная нелинейность проявляется при малых значениях напряжения питания. В усилителе с АРР малому значению питающего напряжения соответствуют малые значения входного и выходного сигналов. Таким образом, проведенное моделирование подтверждает теорию — именно при малых значениях выходного напряжения сильнее проявляется неравномерность фазо-амплитудной характеристики.

Исследование влияния АРР по питающему напряжению на выходной сигнал усилителя мощности

Спектр мощности выходного сигнала усилителя должен укладываться в "спектральную маску" [9], т.е. должен соответствовать требованиям по уровню внеполосных составляющих спектра (УВСС). На рис. 7. показан полученный на модели спектр мощности выходного сигнала усилителя мощности без АРР и усилителя с линейной АРР. На рис. 8 показан спектр мощности выходного сигнала усилителя с нелинейной АРР.

I, МГц

— . — усилитель без АРР

------ усилитель с нелинейной АРР

______ спектральная маска

Рис. 8. Нормированный спектр выходной мощности

Анализируя полученные результаты можно сказать, что значительные искажения, присутствующие в выходном сигнале с усилителя с линейной АРР обусловлены нелинейностью его амплитудной характеристики (АМ-АМ) (см. рис. 5), а также неравномерностью фазовой характеристики (АМ-РМ) (см. рис. 6).

Для, того чтобы выходной спектр усилителя укладывался в требования спектральной маски, необходимо применять методы цифровой предкоррекции (предыскажения) входного сигнала.

Коррекция характеристик усилителя с АРР

Коррекция амплитудной и фазо-амплитудной характеристик усилителя мощности производится с помощью метода предыскажения [10]. Структурная схема реализации метода предыскажения представлена на рис. 9.

Рис. 10. Расчет АХ корректирующего элемента

Корректирующий элемент представляет собой нелинейный элемент (НЭ), у которого табличным способом задаются АХ и ФАХ.

АХ и ФАХ корректирующего элемента подбираются таким образом, чтобы АХ и ФАХ системы "корректирующий элемент — усилитель" были близки к идеальным. Алгоритм расчета АХ корректирующего элемента иллюстрируется на рис. 10.

Расчет АХ корректирующего элемента выполняется по следующему алгоритму:

1) Задается значение сигнала Рвх_корр

2) По известной зависимости Рвых(Рвх) для усилителя мощности находится значение Рвых, соответствующее данному значению Рвх.

3) Далее по известной зависимости Рвх_лин(Рвых_лин) для линейного усилителя мощности находится значение входного сигнала Рвх_лин, которое является значением входного сигнала для корректирующего элемента (входного сигнала усилителя без коррекции) Рвх_б_корр.

При коррекции ФАХ компенсируется фазовый сдвиг, вносимый усилителем. Принцип коррекции ФАХ показан на рис. 11.

- ФАХ усилителя мощности

-------- ФАХ элемента предыскажения

Рис. 11. Принцип коррекции ФАХ

АХ корректирующего элемента для случая усилителя с линейной АРР графически представлена на рис. 12.

Рис. 12. АХ корректирующего элемента для усилителя с линейной АРР

Данная зависимость была интерполирована с помощью метода наименьших квадратов в результате был получен полином 6-й степени (2).

Кыхкэ Ркэ) = 3,76  10-  РвЖЭ6 + 2,09-10-7  РвЖЭ5 - 3,98  10-7  РвхЮ4 -

- 4

1 вхКЭ Р

1 ехКЭ

ФАХ корректирующего элемента для случая усилителя с линейной АРР графически представлена на рис. 13.

20 - 0 0 1 ) 2 3 Ї

-120-

Рис. 13. ФАХ корректирующего элемента для усилителя с линейной АРР

Данная зависимость также была проинтерполирована с использованием метода наименьших квадратов, в результате был получен полином 4-й степени (3).

Фаза(рвыхКэ) = -1,6 10 6  рвыхкэ + 5,8 104  рвЫхкэ - 0,018  Реыхкэ -

Нормированный спектр выходной мощности усилителя с линейной АРР с предкоррекцией входного сигнала представлен на рис 14.

0,35 - РвшЮ - 89,2

66

Т-Сотт, #9-2013

Нормированный спектр мощности

« -40 0.

'И / Ь • \ • \

«ч V

(, МГц

---- без коррекции

— * — усилитель с коррекцией ---- - спектральная маска

Рис. 14. Нормированный спектр выходной мощности усилителя с линейной АРР

0 - 0 0 1 ) 2 Ї 3

лілХУ

ли

Рис. 16. ФАХ корректирующего элемента для усилителя с нелинейной АРР

Из рис. 14 видно, что применение предкоррекции позволяет успешно решить задачу линеаризации выходного сигнала усилителя с линейной АРР, таким образом, что выходной сигнал усилителя мощности соответствует требованиям на уровень внеполосных составляющих выходного спектра (требованиям спектральной маски).

По аналогии выполняется исследование случая усилителя с нелинейной АРР. АХ корректирующего элемента для усилителя с нелинейной АРР графически представлена на рис. 15.

/

РвшКЭд Ем

30 20 0 0 1 ) Р 2 дБ* І і 3 1

( -2П-

Рис. 15. АХ корректирующего элемента для усилителя с нелинейной АРР

Данная зависимость была интерполирована с помощью метода наименьших квадратов, в результате был получен многочлен 5-й степени (4).

Р„ЖЭ (Ро) = 3,07  10 -7  Р^ +1,5  10-6  Р^э4 - 3,4  10-4  Р^э3 -3,7  10-3 Рк 2 + 0,91  Ракэ + 8,7

ФАХ корректирующего элемента для случая усилителя с линейной АРР графически представлена на рис. 16.

Данная зависимость была проинтерполирована с использованием метода наименьших квадратов, в результате интерполяции был получен многочлен 7-й степени (5).

1,0810-5  Р^

-2,2  10-4  Р^ 3 - 8,7 -10 -3  Р

- 0,19  Рв1,

-89

Результаты работы предкоррекции представлены на рис 17, где показано, что применение предкоррекции позволяет успешно решить задачу коррекции входного сигнала усилителя с нелинейной АРР, таким образом, что выходной сигнал усилителя мощности соответствует требованиям на уровень внеполосных составляющих выходного спектра (требованиям спектральной маски).

Нормированный спектр мощности

1, МГц

без коррекции _ . — усилитель с коррекцией ------спектральная маска

17. Нормированный спектр выходной мощности усилителя с нелинейной АРР

Коррекция характеристик усилителя с учетом введения запаса по питающему напряжению

В такте АРР применяется фильтрация огибающей (см. рис. 1), поскольку основная часть информации расположена в сравнительно небольшой полосе частот и, следовательно, пропускать всю огибающую в тракт АРР не имеет смысла. Помимо этого, увеличение полосы! частот огибающей приводит к повышению тактовой частоты ШИМ-регу-лятора, что в свою очередь, ведет к снижению КПД, или даже к невозможности реализовать ШИМ-регулятор на практике из-за ограничений, накладываемых на частоту переключения транзистора.

6 . г- лг- і л-7 т-> 5

Фаза(Рхэ) = -6,7  10-10  Р ' + 2,57 10-  Р” + 5,05-10-'  Рю

Нормированный спектр мошиопн

О / О*1 \

^ л;* ч *Vi*

Г МГц

— • — с линейной АРР с запасом по питанию

------ с нелинейной АРР с запасом по питанию

------спектральная маска

Рис. 18. Нормированный спектр выходной мощности усилителя

Из-за ограничения полосы частот огибающей, амплитуда напряжения на входе ШИМ-регулятора становится меньше, чем реальная амплитуда усиливаемого сигнала на входе УМ. При малой амплитуде сигнала на входе усилителя мощности, ШИМ-регулятор 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. Для решения данной проблемы вводится запас по питаю-

щему напряжению, т.е. в каждый момент времени напряжение питания будет выше требуемого по закону регулирования (линейному или нелинейному) на величину запаса.

Введение запаса по питающему напряжению означает изменение вида амплитудных и фазо-амплитудных характеристик усилителя, а это влечет за собой необходимость изменения характеристик корректора.

На рис. 18 показаны спектры мощности выходного сигнала усилителя с линейной и нелинейной APP с учетом введения запаса по питающему напряжению.

Из приведенного рисунка хорошо видно, что спектр мощности выходного сигнала усилителя не укладывается в требования спектральной маски. По аналогии со случаем APP без запаса по питающему напряжению была проведена коррекция характеристик. Pе-зультаты работы коррекции показаны на рис. 19, 20.

Анализ результатов моделирования показывает, что применение предкоррекции позволяет с успехом решить задачу линеаризации выходного сигнала усилителя и обеспечить соответствие выходного сигнала требованиям спектральной маски.

Выводы

Исследовано влияние APP на выходной сигнал усилителя. Показано, что APP ухудшает линейность амплитудной и равномерность фазо-амплитудной характеристики. В результате чего выходной сигнал усилителя не соответствует требованиям спектральной маски. Применение метода предварительной коррекции позволяет успеш-

Нормированный спектр мощности

Г МГц

— • — с линейной АРР с запасом по питанию с линейной АРР без запаса по питанию

- — — спектральная маска

PkB. 19. Нормированный спектр выходной мощности усилителя

Нормированный спектр мощности

I МГц

— • — с нелинейной АРР с запасом по питанию

------ с нелинейной АРР без запаса по питанию

------ спектральная маска

Рис. 20. Нормированный спектр выходной мощности усилителя

(МГц

68

T-Comm, #9-2013

но скорректировать амплитудную и фазо-амплитудную характеристику усилителя добившись, таким образом, соответствия требованиям спектральной маски.

Литература

1. Волков Л.Н., Немировский М.С., Шинаков Ю.С. Системы цифровой радиосвязи: базовые методы и характеристики: Учеб. пособие. — М.: Эко-Трендз, 2005. — 392 с.: ил.

2. Иванюшкин Р!Ю. Методы построения высокоэффективных линейных усилителей мощности. МТУСИ. — М., 2006.

3. АД Артым, А.Е. Бахмутский, Е.В. Козин и др. Повышение эффективности мощных радиопередающих устройств / Под ред. АД Артыма. — М.: Радио и связь, 1987.

4. Дулов И.В, Иванюшкин Р.Ю. Проблематика построения передатчиков цифрового радиовещания ОВЧ диапазона // Т-Сотт —Телекоммуникации и транспорт, 2010. — №9. — С. 6- 9.

5. Шахгильдян В.В., Козырев В.Б., Ляховкин АА. и др. Радиопередаю-

щие устройства / Под ред. В.В. Шахгильдяна. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 2003. — 560 с.

6. Дулов И.В. Исследование системы АРР с линейным и нелинейным законом регулирования для передатчиков цифрового радиовещания // Доклады V Всероссийской научно-технической конференции "Радиолокация и радиосвязь" 21-25 ноября 2011г., Москва. — С. 443-447.

7. Дулов И.В. Влияние АРР по питающему напряжению на амплитудную и фазо-амплитудную характеристики усилителя мощности цифрового радиовещания, RDC 2012 // Доклады 67-й всероссийской конференции с международным участием "Научная сессия, посвященная Дню радио". — Москва, 2012. — С. 440-443.

8. RF transmitting transistor and power amplifier fundamentals. Transmitting transistor design. — Philips Semiconductors. 23 Mar 1998. http://www.nxp.com/ documents/handbook/RF_Fundamentals.pdf.

9. ETSI EN 302 245-1 v 1.1.1 (2004-11). Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters (ERM); Transmitting equipment for the Digital Radio Mondiale (DRM) broadcasring service; Part 1: Technical characteristics and test methods.

10. Cripps, Steve C., RF power amplifiers for wireless communications. — 2nd ed. (Arlech House microwave library), 2006.

T-Comm, #9-2013

69