Корректор нелинейных искажений усилителя мощности

Полезная модель относится к области радиотехники, системам беспроводной связи и может быть использована для автоматической коррекции искажений сигналов в трактах систем передачи телевизионных передатчиков, в ретрансляторах групповых сигналов и других устройствах, в которых осуществляется усиление радиосигналов с большим динамическим диапазоном амплитуд.
Известен корректор нелинейных искажений (статья Данилов Л.В., Романюк С.Ф. О синтезе электрических цепей, компенсирующих нелинейные искажения. Электронное моделирование, 1988, т. 10, №2, с. 19). Этот корректор включается на входе нелинейного устройства и представляет собой синтезируемый корректор нелинейных искажений. Недостатком данного корректора является чрезвычайно широкая полоса частот, занимаемая спектром сигнала на выходе корректора, в несколько раз превышающая среднюю частоту входного сигнала, так как в составе сигнала на выходе корректора присутствуют составляющие с высшими степенями входного сигнала. Полоса пропускания самого корректируемого устройства должна быть достаточной для пропускания предыскаженного сигнала. Поскольку обеспечение такой полосы пропускания практически невозможно, эффективность построенного таким образом корректора низкая.
Известен корректор нелинейных искажений [В.А. Яковенко, "Устройство коррекции нелинейных искажений" / Авторское свидетельство №1826123 H03F 1/32, 07.07.93. Бюл. №25], содержащий разветвитель и сумматор сигналов, объединяющих по входу и выходу несколько взаимосвязанных каналов прохождения сигнала, каждый из которых, кроме первого, состоит из аттенюатора, перемножителя, разветвителя сигнала и фазовращателя, а также амплитудного детектора с усилителем и разветвителем огибающей сигнала. Первый канал передает сигнал от точки разветвления входного сигнала до сумматора без изменения. На перемножитель второго канала поступает сигнал с разветвителя входного сигнала и огибающая сигнала с разветвителя огибающей. На множитель каждого последующего канала сигнал поступает с разветвителя сигнала предыдущего канала и огибающая сигнала с разветвителя огибающей. Построенный, таким образом, корректор существенно снижает сжатие огибающей и компенсирует амплитудно-фазовое преобразование в корректируемом нелинейном устройстве. С увеличением числа каналов эффективность корректора растет. Однако при этом возрастает сложность реализации и настройки корректора вследствие взаимосвязанности каналов и необходимости подстройки как амплитудных, так и фазовых соотношений сигналов в каждом из каналов. Особые сложности в процессе реализации и настройки корректора связаны с необходимостью подстройки фазы из-за отсутствия простых, компактных и эффективных подстроечных фазовращателей.
Известен корректор нелинейных искажений усилителя мощности [Елоннек Бьерн, "Способ и устройство для линеаризации характеристики усилителя мощности" / Патент RU 2406219, H03F 1/32, 2010.12.10], являющийся прототипом предлагаемого изобретения. В корректор включены блок адаптации; первый преобразователь, состоящий из интерполятора и первого модулятора; предысказитель усилителя мощности; сумматор; второй преобразователь, состоящий из преобразователя несущей частоты, цифроаналогового преобразователя и второго модулятора; усилитель мощности; аттенюатор; третий преобразователь, состоящий из демодулятора и аналого-цифрового преобразователя; блок управления, состоящий из пикового детектора, блока оценки нелинейных искажений усилителя мощности, блока системной идентификации; первый генератор импульсов. Известный корректор нелинейных искажений усилителя мощности является каскадным корректором нелинейных искажений усилителя мощности и работает следующим образом. Со входа корректора комплексный сигнал базовой полосы частот поступает на схему адаптации, в которой осуществляется ограничение базовой полосы частот входного сигнала. Регулирование схемы адаптации выполняется с помощью блока управления с его третьего выхода. С выхода схемы адаптации сигнал передается на первый преобразователь, где с использованием интерполятора и первого модулятора сигнал преобразуются в многочастотный сигнал. Преобразованный выходной сигнал первого преобразователя подается на первый вход блока управления и вход предысказителя усилителя мощности, который управляется посредством первого набора параметров, образованного на втором выходе (вых. 2) блока управления. В предысказителе формируется искаженный первый сигнал, который подается на сумматор сигналов. Дополнительно на сумматор подается тестовый сигнал, сформированный первым генератором импульсов, где путем аддитивной суперпозиции первого сигнала с тестовым сигналом формируется второй сигнал, который поступает на третий вход блока управления и вход второго преобразователя, состоящего из преобразователя несущей частоты, цифроаналогового преобразователя и второго модулятора. На выходе второго преобразователя формируется третий сигнал на несущей частоте, который поступает на усилитель мощности, имеющий нелинейную характеристику усиления. Выходной сигнал усилителя мощности на несущей частоте содержит, таким образом, как преобразованный входной сигнал, так и преобразованный тестовый сигнал. Выходной сигнал усилителя мощности путем ответвления выходного сигнала с помощью аттенюатора подается на вход третьего преобразователя, состоящего из демодулятора и аналого-цифрового преобразователя. С выхода третьего преобразователя сигнал поступает на блок управления. В блоке управления выполняется сравнение временных интервалов второго сигнала, содержащего тестовый и первый сигналы, а также временного интервала сигнала с выхода третьего преобразователя, в котором содержится составляющая тестового сигнала на выходе усилителя мощности. На основе этого сравнения в блоке управления образуется первый набор параметров, посредством которого осуществляется управление блоком предыскажения. Посредством этого управления реализуется линеаризация характеристики усилителя мощности. Для осуществления лучшей линеаризации характеристики усилителя мощности на первом выходе блока управления дополнительно формируется второй набор параметров, с помощью которого осуществляется управление первым генератором импульсов. Реализация в блоке управления наборов параметров осуществляется с помощью пикового детектирования.
Недостатком данного технического решения является недостаточная линеаризация характеристики усилителя мощности из-за ограниченности преобразований в блоке управления при реализации тестового сигнала.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является улучшение линеаризации характеристики усилителя мощности, позволяющее получить технический результат, заключающийся в обеспечении более высокой эффективности (высокого уровня) подавления нелинейных искажений широкополосных радиосигналов с большим динамическим диапазоном амплитуд в усилителе мощности с комплексным характером нелинейности.
Для достижения указанного технического результата в заявляемой полезной модели, содержащей блок адаптации, первый вход которого соединен со входом корректора и вторым входом блока управления, выход блока адаптации соединен со входом первого преобразователя, выход которого - с первыми входами блока управления и предысказителя, выход предысказителя подключен к первому входу сумматора, выход которого - к третьему входу блока управления и входу второго преобразователя, выход второго преобразователя соединен со входом усилителя мощности, выход которого - с выходом корректора и входом аттенюатора, выход которого подключен ко входу третьего преобразователя, выход третьего преобразователя соединен с четвертым входом блока управления, первый, второй и третий выходы блока управления подключены ко входу первого генератора импульсов и ко вторым входам предысказителя и блока адаптации, дополнительно введен второй генератор импульсов, первый вход которого соединен с выходом первого генератора импульсов, а второй вход - с четвертым выходом блока управления, выход второго генератора импульсов соединен со вторым входом сумматора.
Возможность достижения технического результата обусловлена следующими выводами: достигается эффективное подавление нелинейных искажений в усилителе мощности с моделью Винера-Гаммерштейна за счет введения новых элементов и связей между ними, благодаря этому предлагаемая полезная модель реализует корректор нелинейных искажений усилителя мощности.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена схема функционального корректора нелинейных искажений усилителя мощности; на фиг. 2 - спектральная плотность мощности входного и выходного сигналов усилителя мощности; на фиг. 3 - нелинейная амплитудная характеристика и изменение фазовой характеристики усилителя мощности.
Корректор нелинейных искажений усилителя мощности (фиг. 1) содержит блок адаптации 1, первый вход которого соединен со входом корректора 11 и вторым входом блока управления 8, выход блока адаптации 1 соединен со входом первого преобразователя 2, выход которого - с первыми входами блока управления 8 и предысказителя 3, выход предысказителя 3 подключен к первому входу сумматора 4, выход которого - к третьему входу блока управления 8 и ко входу второго преобразователя 5, выход второго преобразователя 5 соединен со входом усилителя мощности 6, выход которого - с выходом корректора 12 и входом аттенюатора 13, выход которого подключен ко входу третьего преобразователя 7, выход третьего преобразователя 7 соединен с четвертым входом блока управления 8, первый, второй, третий и четвертый выходы блока управления 8 подключены ко входу первого генератора импульсов 9 и ко вторым входам предысказителя 3, блока адаптации 1 и второго генератора импульсов 10, соответственно, выход первого генератора импульсов 9 подключен к первому входу второго генератора импульсов 10, выход которого - ко второму входу сумматора 4.
k
1
k
k
k
k
k
k
k
k
вх.
вх.
k
k
k
k
k
k
ka
k
k
1
k
2
3
1
2
3
Заявляемый корректор нелинейных искажений усилителя мощности работает следующим образом. Сигнал базовой полосы частот со входа корректора поступает в блок адаптации 1 и затем - в первый преобразователь 2, где преобразуется в многочастотный выходной сигнал х(n), причем сигнал х(n), например, при использовании дискретизации с повышенной частотой переносится на промежуточную частоту. Образованный выходной сигнал х(n) подается в предысказитель 3, где он подвергается предыскажению, за счет чего формируется предварительно искаженный первый сигнал e(n). Предысказитель 3 управляется первым сигналом управления Su, поступающим со второго выхода блока управления 8. Первый сигнал e(n) подается на сумматор 4, на который дополнительно подается тестовый сигнал z(n), сформированный вторым генератором импульсов 10. С помощью сумматора 4, путем аддитивной суперпозиции первого сигнала e(n) с тестовым сигналом формируется второй сигнал s(n)=e(n)+z(n). Второй сигнал s(n) подается на второй преобразователь 5, в котором второй сигнал s(n) преобразуется в третий сигнал х несущей частоты. Третий сигнал подается на усилитель мощности 6, на выходе которого из третьего сигнала х на несущей частоте образуется усиленный по мощности выходной сигнал, который является искаженным из-за нелинейности характеристики усиления усилителя мощности. С выхода усилителя мощности 6 сигнал подается на выход корректора 12 и аттенюатор 13. С выхода аттенюатора 13 ослабленный сигнал y(t) подается на третий преобразователь 7. Выходной сигнал y(z(n)) третьего преобразователя 7 поступает на четвертый вход блока управления 8, на который также подается второй сигнал s(n). Второй сигнал s(n) содержит, в виде суперпозиции первый сигнал e(n) а также тестовый сигнал z(n). В блоке управления 8 анализируется передача тестового сигнала z(n) путем сравнения временного интервала составляющей z(n) тестового сигнала выходного сигнала y(z(n)) с соответствующим временным интервалом тестового сигнала z(n). На основе этого сравнения на втором выходе блока управления 8 формируется первый сигнал управления Su, посредством которого осуществляется управление предысказителем 3. При этом реализуется подавление нелинейных искажений сигналов в усилителе мощности 6. Для повышения уровня подавления нелинейных искажений сигналов в усилителе мощности 6 в блоке управления 8 осуществляется дополнительное сравнение содержащейся в выходном сигнале y(z(n)) составляющей входного сигнала х(n) с сигналом со входа корректора 11. На основе дополнительного сравнения на первом и третьем выходах блока управления 8 формируются второй Su и третий Su сигналы управления, посредством которых осуществляется управление первым генератором импульсов 9 и блока адаптации 1, соответственно. Сигналы управления Su, Su и Su формируются в блоке управления 8 с использованием операций оценки выходной мощности усилителя мощности 6, системной идентификации и детектирования сигналов управления.
k
1
k
2
k
1
2
k
1
2
1
2
Два каскадно-соединенных генератора импульсов в корректоре выполняют функцию каскадного адаптивного цифрового предкомпенсатора (digital predistorter, DPD), в котором используется алгоритм прямого его обучения с целью повышения уровня подавления нелинейных искажений сигналов в усилителе мощности 6 [Zhou D., DeBrunner V.Е. Novel adaptive nonlinear predistorters based on the direct learning algorithm // IEEE Trans. SP. - 2007 - Vol. 55 - №1 - P. 120-133]. Применение каскадно-соединенных генераторов импульсов позволяет компенсировать нелинейные искажения усилителя мощности 6, путем внесения нелинейных предыскажений на входе усилителя мощности 6. Первый генератор импульсов 9 и второй генератор импульсов 10 описываются соответствующими операторными уравнениями: zd(n)=S[x(n)]; z(n)=S[zd(n)], где S[⋅] и S[⋅] - нелинейные операторы, n - нормированное дискретное время, х(n) - входной сигнал предысказителя 3 и zd(n) - выходной сигнал первого генератора 9. Нелинейные операторы S[⋅] и S[⋅] находятся последовательно (вначале - нелинейный оператор S[x(n)], затем нелинейный оператор S[zd(n)]) с помощью итерационного метода (метода простых итераций [Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы - М: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2003.].
а
На фиг. 2 представлена спектральная плотность мощности входного и выходного сигналов усилителя мощности 6:  - мощности без каскадной структуры (DPD); b - мощности выходного сигнала усилителя мощности с лучшей моделью каскадной структуры предкомпенсатора.
На фиг. 3 представлена нелинейная амплитудная характеристика и изменение фазовой характеристики модели усилителя мощности 6, для которой входной сигнал являлся комплексной огибающей GSM-сигнала с четырьмя несущими в основной полосе частот с полосой пропускания 20 МГц, а частота дискретизации комплексной огибающей GSM-сигнала составляла 184,32 МГц.
Из вышеизложенного следует, что предлагаемый корректор нелинейных искажений усилителя мощности обеспечивает эффективное подавление нелинейных искажений в усилителе мощности с комплексной нелинейностью, за счет использования в корректоре второго генератора сигналов, каскадно-соединенного с первым генератором сигналов, что обеспечивает высокую эффективность компенсирования нелинейных искажений усилителя мощности, путем внесения нелинейных предыскажений на входе усилителя мощности, а также за счет использования блока управления, который обеспечивает равенство времени задержки сигнала на входе сумматора, где к входному сигналу усилителя мощности добавляется сигнал, компенсирующий искажения, возникающие в тракте усилителя мощности. Применение заявленного корректора нелинейных искажений усилителя мощности возможно в системах беспроводной связи и системах автоматической коррекции искажений сигналов трактов передачи в телевизионных передатчиках, ретрансляторах групповых сигналов и других устройствах, в которых осуществляется усиление радиосигналов с большим динамическим диапазоном амплитуд.