Система автоматической подстройки фазы в петле синфазно-квадратурной обратной связи

Полезная модель относится к радиопередающей технике и может быть использована для подстройки фазы в синфазно-квадратурных петлях обратной связи, предназначенных для линеаризации передатчиков приёмопередающих устройств.
Известно, что для передачи амплитудно и амплитудно-фазо модулированных сигналов необходимо применение линейных усилителей мощности, поскольку нелинейные искажения сигнала приводят к появлению как гармонических, так и интермодуляционных составляющих, что повышает вероятность ошибок при приеме такого сигнала и снижает эффективность использования источника питания при усилении мощности, кроме того, интермодуляционные продукты третьего порядка плохо поддаются фильтрации, что загрязняет спектр внеполосными составляющими.  Одним из вариантов линеаризации усилителей мощности является синфазно-квадратурная обратная связь, принцип работы которой основан на сравнении исходного модулирующего сигнала с демодулированным сигналом, полученным с выхода линеаризуемого усилителя мощности в квадратурной форме. Часть сигнала, с выхода усилителя мощности ответвляется и переносится по частоте вниз квадратурным демодулятором на частоту модулирующего сигнала, после чего в блоке вычисления предыскаженного сигнала вычитается из исходного модулирующего квадратурного сигнала, в результате на выходе блока вычисления формируется предыскаженный квадратурный сигнал, который после преобразования вверх по частоте и суммирования подается на вход усилителя мощности,
Эффективность и устойчивость таких систем линеаризации, как вида систем с обратной связью, во многом определяется разностью фаз исходного модулирующего сигнала и демодулированного сигнала обратной связи на входах блока вычисления предыскаженного сигнала. Конечность быстродействия узлов, входящих в систему линеаризации приводит к возникновению ошибок разности фаз вычитаемых исходного и демодулированного сигналов, которые являются зависимыми от внешних воздействий, таких как температура, напряжение питания, средний уровень передаваемой мощности, что делает невозможным использование синфазно-квадратурной обратной связи без применения систем подстройки фазы в петле обратной связи, поскольку диапазон устойчивой работы петли в большинстве реализаций составляет 10…20 градусов. Следует отметить, что на краях диапазона устойчивости эффективность линеаризации снижается.
Известно применение синфазно-квадратурной обратной связи, где устойчивость системы обеспечивается подстройкой усиления и ступенчатым изменением фазы, также известной как система с плавным установлением, содержащей в своем составе регулируемый петлевой усилитель и ступенчатый фазовращатель, вносимый сдвиг фазы которого устанавливается статично для каждой конкретной реализации передающего тракта [Cartesian feedback amplifier with soft landing(Усилитель с синфазно-квадратурной обратной связью и плавным установлением)/ Y.Ohishi, M. Minowa, E. Fukuda, T. Takano// The Third IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications – Опубл. 19.10.1992]. Одной из основных проблем такого типа системы подстройки является низкая точность установления фазы в петле, при этом устойчивость достигается снижением коэффициента петлевого усиления, что приводит снижению эффективности линеаризации усилителя мощности, а также сложности работы в широком диапазоне перестройки несущей частоты.
Известна система детектирования и компенсации фазовых сдвигов [Патент US5894496A. Method and apparatus for detecting and compensating for undesired phase shift in a radio transceiver. (Способ и устройство для обнаружения и компенсации нежелательного фазового сдвига в радиопередатчике) /Jones M.A. — Опубл. 16.09.1996],  содержащая, помимо  блока вычисления предыскаженного сигнала, подключенного к модулятору, формирующему модулированный сигнал, демодулятора, осуществляющего преобразование модулированного сигнала после усиления по частоте в квадратурной форме, петлевого фильтра, усилителя мощности, дополнительный демодулятор, на входы которого подаются модулированный исходный сигнал и часть сигнала, ответвленного с выхода линеаризуемого усилителя мощности, а также дополнительный модулятор, включенный в цепь сигнала гетеродина, подаваемого на вход основного демодулятора. Дополнительной демодулятор, перемножая исходный модулированный сигнал и сигнал с усилителя мощности формирует на выходе сигнал фазовой ошибки, возникающей в усилителе мощности, ответвителя и аттенюаторе, который поступает на детекторы, в результате на выходе детекторов представлена информация о фазовой ошибке в квадратурной форме в виде уровней постоянных напряжений. Напряжение с выходов детекторов подается на дополнительный модулятор, который, умножая постоянное напряжение на сигнал гетеродина, сдвигает фазу сигнала гетеродина на своем выходе, сигнал с которого поступает на основной демодулятор, подстраивая фазу демодулированного сигнала в петле синфазно-квадратурной обратной связи, так чтобы минимизировать разность фаз на входах блока вычисления предыскаженного сигнала.
Данная система обладает следующими недостатками:
- контур подстройки фазы охватывает не все блоки, входящие в петлю обратной связи, в частности основные модулятор и демодулятор, петлевые усилители, а также блоки вычисления предыскаженного сигнала, что снижает точность подстройки фазы всей системы в целом, ввиду не корректируемых фазовых сдвигов блоков обратной связи, не охваченных системой подстройки фазы;
- точность установки фазы в синфазно-квадратурной петле во многом зависит от внешних факторов, таких как напряжение питания, пороговое напряжение элементов, входящих в состав амплитудного детектора, а также от возникновения смещений постоянных составляющих сигналов, вызванных технологическим разбросом, а также нестабильностью источников опорного напряжения, поскольку сигнал фазовой ошибки представлен в виде уровня постоянного напряжения.
Известна система подстройки фазы с использованием цифровой обработки сигналов [Патент US7787565B2. System and method for performing baseband phase shifting in a Cartesian feedback system (Система и способ для выполнения фазового сдвига в основной полосе в синфазно-квадратурной системе обратной связи). / Joshua E. Dorevitch, John J. Bozeki, Paul H. Gailus, Mark Rozental – Опубл. 05.03.2007], содержащая, помимо модулятора, подключенного к усилителю мощности, демодулятора усиленного сигнала, ответвителя, аттенюатора, петлевого фильтра и блока вычисления предыскаженного сигнала, соединенного через аналоговые ключи с фазовращателем два аналого-цифровых преобразователя, один из которых подключен к выходам блоков вычисляющих предыскаженный сигнал, в второй параллельно входам модуляторов, один цифро-аналоговый преобразователь и процессор для формирования тестового сигнала, оценки фазовых сдвигов и генерирования управляющего воздействия на фазосдвигающее устройство. Система подстройки фазы имеет 2 режима: режим установления, в котором петля обратной связи размыкается аналоговыми ключами в цепи соединения блоков вычисления предыскаженного сигнала с фазовращателем, при этом происходит первичное установление разности фаз исходного и демодулированного сигналов, и рабочий режим, в котором производится коррекция фазы в небольшом диапазоне, при изменении внешних воздействий. В режиме установления полезный сигнал на вход синфазно-квадратурной петли не подается, процессор с помощью цифро-аналогового преобразователя формирует тестовый сигнал, который подается непосредственно на модулятор, с которого модулированный сигнал поступает на усилитель мощности. Часть сигнала с усилителя мощности демодулируется и, проходя через блок вычисления сигнала ошибки, поступает на аналого-цифровой преобразователь, поскольку в режиме установления полезный входной сигнал отсутствует, выходной сигнал блока вычисления предыскаженного сигнала полностью соответствует входному, сдвинутому на 180 градусов. Процессор на основании сигнала с аналого-цифрового преобразователя оценивает значение фазы демодулированного сигнала, после чего производит первичную настройку фазовращателя и замыкает синфазно квадратурную петлю, переводя систему в рабочий режим. В рабочем режиме процессор анализирует сигналы с обоих аналого-цифровых преобразователей, оценивая измерения фазовых сдвигов в петле, возникающих в процессе работы.
Среди недостатков этой системы подстройки фазы можно выделить следующие:
- в режиме установления система не учитывает фазовые характеристики петлевого фильтра, входящего в синфазно-квадратурную петлю, поскольку тестовый сигнал подается непосредственно на модулятор, минуя петлевой фильтр, в результате точность установки начальной фазы снижается;
- в рабочем режиме возникающие под воздействием внешних условий фазовые ошибки не могут быть компенсированы с высокой точностью, поскольку аналого-цифровое преобразование и цифровая обработка сигналов производится на выходе блока вычисления предыскаженного сигнала, где информация о фазе исходного сигнала искажена вычитанием демодулированного сигнала обратной связи.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является полностью аналоговая система автоматической подстройки фазы, вычисляющая фазовую ошибку путем перемножения демодулированных и исходных квадратурных составляющих с последующим интегрированием [Патент US 7177366B1. Automatic phase alignment for high-bandwidth cartesian-feedback power amplifiers (Автоматическое выравнивание фазы для широкополосных усилителей мощности с синфазно-квадратурной обратной связью) / Joel L. Dawson,  Thomas H. Lee. — опубл. 09.06.2001], содержащая первый блок вычисления предыскаженного сигнала, неинвертирующий вход которого соединен с входом квадратуры I, выход первого блока вычисления предыскаженного сигнала подключен к первому входу первого модулирующего смесителя, при этом второй вход первого модулирующего смесителя, ко второму входу которого соединен с выходом регулируемого фазовращателя, вход которого подключен ко входу гетеродина, а также второй блок вычисления предыскаженного сигнала неинвертирующий вход которого подключен ко входу квадратуры Q, а его выход соединены с первым входом второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом регулируемого фазовращателя через первый фазовращатель с фиксированным сдвигом, обеспечивающий сдвиг фазы на 90 градусов, выходы первого и второго модулирующих смесителей соединены со входом линеаризуемого усилителя мощности, к выходу которого через направленный ответвитель подключена нагрузка, при этом второй выход направленного ответвителя соединен с первым входом первого демодулирующего смесителя,  ко второму входу которого, подключен вход гетеродина, выход первого демодулирующего смесителя соединен с инвертирующим входом первого блока вычисления предыскаженного сигнала, кроме того, второй выход направленного ответвителя подключен к первому выходу второго демодулирующего смесителя, ко второму входу которого подключен выход второго фиксированного фазовращателя, обеспечивающего фазовый сдвиг на 90 градусов, вход которого соединен со входом гетеродина,  а выход второго демодулирующего смесителя подключен инвертирующему входому второго блока вычисления предыскаженного сигнала, при этом выход первого блока вычисления предыскаженного сигнала и выход второго демодулирующего смесителя подключены ко выходам первого умножителя, а выход второго блока вычисления предыскаженного сигнала и выход первого демодулирующего смесителя подключены ко входам второго умножителя, выходы первого и второго умножителей соединены со входами сумматора, выход которого соединен со входом масштабирующего усилителя, выход которого подключен ко входу интегратора, при этом выход интегратора содиенен с управляющим входом регулируемого фазовращателя.
Данная система подстройки фазы обладает следующими недостатками:
- точность установки фазы в петле чувствительна к изменению напряжения питания, уровней опорных напряжений, постоянных составляющих напряжений на выходах блоков, входящих в систему, неизбежно возникающих при серийном производстве в силу возможного технологического разброса, поскольку вычисленная фазовая ошибка представлена в форме уровня постоянного напряжения;
-точность установки фазы и устойчивость системы подстройки  во многом зависит от точности установки коэффициентов усиления в петле фазовой подстройки, что приводит к необходимости их подстройки при изменении режима работы усилителя мощности, изменении его коэффициента усиления, а также отклонении свойств усилителя от исходных под влиянием внешних факторов в процессе эксплуатации.
Задачей создания полезной модели является повышение точности подстройки фазы в петле синфазно-квадратурной обратной связи с целью повышения эффективности линеаризации.
Поставленная задача достигается тем, что автоматическая подстройка фазы в синфазно-квадратурной петле обратной связи, содержащей модуляторы, демодуляторы, фильтры и усилители ошибки, согласно заявляемому техническому решению, осуществляется контуром слежения за задержкой, состоящим из усилителей-ограничителей, дифференциальных компараторов, фазового детектора, схемы накачки заряда, а также регулируемой линии задержки сигнала гетеродина, подаваемого на демодулятор, точность задержки которой не зависит от напряжения питания, опорных напряжений и других внешних факторов.
Сущность полезной модели поясняется чертежом (фиг.), на котором приведена структурная схема синфазно-квадратурной обратной связи с системой автоматической подстройки фазы с управляемой линией задержки сигнала гетеродина, принцип работы которой основан на  контуре слежения за задержкой.
Система автоматической подстройки фазы в петле синфазно-квадратурной обратной связи состоит из первого и второго блоков вычисления предыскаженного сигнала (сумматоров) 1, 2, неинвертирующие входы которых подключены к входам исходных квадратур I и Q соответственно, выход первого сумматора 1 подключен к первому модулирующему смесителю 3, а выход второго сумматора 2 ко второму смесителю 5. Вход сигнала гетеродина LO соединен с входом первого смесителя 3 непосредственно, а со входом второго смесителя 5 через первый фиксированный фазовращатель 4, обеспечивающий фазовый сдвиг на 90 градусов. Выходы первого и второго смесителей 3, 5 подключены к квадратурному сумматору 6, выход которого соединен со входом нелинейного линеаризуемого усилителя мощности 7. Выход усилителя мощности 7 через направленный ответвитель 8 соединен с нагрузкой 9. Второй выход направленного ответвителя 8 через аттенюатор 10 подключен ко входам первого и второго демодулирующих смесителей 11, 13, кроме того, ко второму входу первого демодулирующешго смесителя 11 подключен вход сигнала гетеродина LO через управляемую линию задержки 16, а ко второму входу второго демодулирующего смесителя 13 подключен второй фиксированный фазовращатель 12, осуществляющий сдвиг фазы на 90 градусов, вход которого соединен с выходом управляемой линии задержки 16. Выходы первого и второго демодулирующих смесителей 11, 13 подключены ко входам первого и второго фильтров нижних частот 14, 15 соответственно, выходы которых через первый и второй ключи 17, 18 соединены с инвертирующими входами сумматоров 1, 2 соответственно. Выход второго фильтра нижних частот 15 также подключен ко входу второго усилителя-ограничителя 19, выход которого соединен со входом второго компаратора 21 с гистерезисом. Вход исходного сигнала квадратуры Q также соединен со входом первого усилителя-ограничителя 20, выход которого соединен со входом первого компаратора 22 с гистерезисом. Выходы компараторов 21, 22 подключены ко входам фазового детектора 23, выходы которого соединены с управляющими входами блока накачки заряда 24 двумя линиями передачи. Выход блока накачки заряда 24 через петлевой фильтр 25 подключен к управляющему входу управляемой линии задержки 16. Входы детектора установления 26 включены параллельно входам блока накачки заряда 24, при этом выход детектора установления 26 подключен к управляющим входам первого и второго ключей 17, 18.
Система автоматической подстройки фазы в петле синфазно-квадратурной обратной связи имеет два режима работы: режим установления и рабочий режим, и работает следующим образом. В режиме установления сигналы квадратур I и Q поступают на неинвертирующие входы первого и второго сумматоров 1, 2 соответственно. С выходов первого и второго сумматоров 1, 2 сигналы поступают на первый и второй модулирующие смесители 3, 5, где смешиваясь с сигналом гетеродина LO и сигналом гетеродина LO со сдвинутой первым фиксированным фазовращателем 4 фазой на 90 градусов соответственно, происходит преобразование частоты сигналов вверх. Преобразованные по частоте вверх сигналы квадратур I и Q первым и вторым модулирующими смесителями 3, 5 поступают на квадратурный сумматор 6, на котором формируется полный радиочастотный сигнал, который усиливается линеаризуемым нелинейным усилителем 7, далее усиленный искаженный нелинейным усилителем 7 сигнал, через направленный ответвитель 8 поступает на нагрузку 9. Часть радиочастотного сигнала посредством направленного ответвителя 8 через аттенюатор 10 подается на первый и второй демодулирующие смесители 11, 13, где происходит преобразование вниз частоты выходного искаженного усилителем 7 сигнала, путем смешивания его с сигналом гетеродина LO, прошедшим через регулируемую линию задержки 16 в первом демодулирующем смесителе 11 и с сигналом гетеродина LO, прошедшим через регулируемую линию задержки 16 и второй фиксированный фазовращатель 12, обеспечивающий сдвиг фазы 90 градусов, во втором демодулирующем смесителе 13. С выходов первого и второго смесителей 11, 13 сигналы поступают на входы первого и второго фильтров нижних частот 14, 15 соответственно, на которых происходит фильтрация демодулированных квадратурных  сигналов от высокочастотных составляющих удвоенной частоты гетеродина LO, возникающих на выходах первого и второго смесителей 11, 13. С выходов первого и второго фильтров нижних частот 14, 15 сигнал поступает на первый и второй аналоговые ключи 17, 18 соответственно, которые находятся в разомкнутом состоянии. Исходный и демодулированный сигналы квадратуры Q, со входа системы и выхода второго фильтра нижних частот 15 подаются на входы первого и второго усилителей-ограничителей 19, 20 соответственно, что позволяет исключить паразитную амплитудную модуляцию. С выходов первого и второго усилителей-ограничителей 19, 20 сигналы подаются соответственно на входы первого и второго компараторов 21, 22, обладающих гистерезисом с целью исключения дребезга, в результате на выходах первого и второго компараторов 21, 22 формируются импульсные сигналы, положение фронтов во временной области которых содержит информацию о фазе исходного и демодулированного сигналов квадратуры Q. С выходов первого и второго компараторов 21, 22 импульсные сигналы подаются на вход фазового детектора 23, построенного на логических элементах, который в зависимости от взаимного положения между входными сигналами формирует на своих выходах импульсные управляющие сигналы заряда или разряда схемы накачки заряда 24, ширина которых равна временному интервалу между импульсными сигналами с выходов первого и второго компараторов 21, 22. Управляющие сигналы с выходов фазового детектора 23 поступают на входы схемы накачки заряда 24, которая в зависимости от наличия импульсов заряда или разряда подключает к выходу схемы накачки заряда 24 источник вытекающего или втекающего тока соответственно, что приводит к увеличению или уменьшению уровня напряжения на емкостях пропорционально – интегрирующего фильтра 25, играющего роль петлевого фильтра в контуре слежения за задержкой. Напряжение с выхода фильтра 25 подается на управляемую линию задержки 16, которая изменяя время задержки сигнала гетеродина LO, сдвигает его фазу, а, следовательно, и фазу демодулированных сигналов на выходах первого и второго демодулирующих смесителей 11, 13. Одновременно управляющие импульсы с выходов фазового детектора 23 поступают на входы детектора установления 26, на выходе которого при наличии любых управляющих импульсов поддерживается низкий логический уровень. Таким образом, детектор установления 26 поддерживает первый и второй ключи 17, 18 в разомкнутом состоянии в режиме установления. При установлении разности фаз между исходной и демодулированной квадратурой Q равной нулю временной интервал между импульсными сигналами, формируемыми первым и вторым усилителями-ограничителями 19, 20, а также первым и вторым компараторами 21, 22 также будет равен нулю, в результате формирование управляющих импульсов на выходе фазового детектора 23 будет прекращено. В отсутствии управляющих импульсов на выходе фазового детектора 23, а, следовательно, на входах схемы накачки заряда 24 источники тока будут отключены от выхода схемы накачки заряда 24, при этом управляющее напряжение на выходе петлевого фильтра 25 будет поддерживаться емкостями, входящими в состав петлевого фильтра 25. При отсутствии управляющих импульсов на выходе фазового детектора 23 детектор установления 26 устанавливает на своем выходе высокий логический уровень, в результате первый и второй ключи 17, 18 замкнутся и система перейдет в рабочий режим. В рабочем режиме демодулированные сигналы с выходов первого и второго фильтров нижних частот 14, 15 через замкнутые ключи 17, 18 поступают на инвертирующие входы первого и второго сумматоров 1, 2, формируя на их выходах предыскаженный сигнал в квадратурной форме. Предыскаженный квадратурный сигнал с выходов первого и второго сумматоров 1, 2 преобразуется вверх по частоте первым и вторым модулирующими смесителями 3, 5, и суммируется квадратурным сумматором 6, формируя предыскаженный модулированный радиочастотный сигнал, который усиливается линеаризуемым усилителем мощности 7, в результате его искажения будут компенсироваться. Возникающие в результате воздействия дестабилизирующих факторов ошибки разности фаз исходного и демодулированного сигналов на входах первого и второго сумматоров 1, 2 компенсируются воздействием фазового детектора 23, блока накачки заряда 24 и петлевого фильтра 25 на регулируемую линию задержки 16. Детектор установления 26 при возникновении управляющих импульсов на выходах фазового детектора 23 не изменяет выходное состояние, поддерживая первый и второй ключи 17, 18 в замкнутом положении.
Положительный эффект точной подстройки разности фаз исходного и демодулированного сигнала обратной связи на входах блоков вычисления предыскаженного сигнала в синфазно-квадратурной петле достигается путем перехода от амплитудного представления разности фаз между исходным и демодулированным сигналом к представлению в виде временного интервала, не зависящего от амплитуд сигналов на входах блока вычисления предыскаженного сигнала, что позволяет получить систему не восприимчивую к воздействию напряжения питания, уровней опорного напряжения, уровней постоянных составляющих, изменению коэффициента усиления блоков, входящих в состав системы, усилителя мощности, а также температуры.
Система автоматической подстройки фазы в петле синфазно-квадратурной обратной связи была реализована как поведенческая модель в системе Matlab, а также как модель на транзисторном уровне в среде Cadence Virtuoso, в качестве модулятора и демодулятора использовались смесители, построенные по схеме ячейки Гилберта, сумматоры, и усилительные блоки были построены с использованием дифференциальных операционных усилителей. В качестве фазового детектора была применена схема на интегральных логических элементах, схема накачки заряда построена с использованием подключаемых источников тока. Регулируемая линия задержки построена на многокаскадном массиве КМОП инверторов с ограничением тока. Линия задержки с фильтром, входящая в состав детектора установления, построена на основе D-триггера, с подключенным ко входу конденсатором, заряжаемым источником постоянного тока и разряжаемым аналоговым ключом. Путем изменения количества каскадов инверторов можно добиться диапазона перестройки фазы гетеродина до 360 градусов для любого частотного диапазона, ограничиваемого лишь быстродействием использованного технологического процесса. При моделировании в техпроцессе 180 нм КМОП время подстройки фазы при включении составили 50 мкс, при частоте входного сигнала QAM16 10 кГц, полученная точность установки разности фаз составила не более 5 градусов.
Достигаемый технический результат заявленной полезной модели заключается в обеспечении высокой точности установления фазы в петле синфазно-квадратурной обратной связи, а также в отсутствии необходимости внесения изменений в систему, при изменении схемотехники линеаризуемых усилителей, применении линеаризуемых усилителей мощности различных типов и смены структуры радиотракта.