СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛИНЕАРИЗАЦИИ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ
METHOD AND DEVICE FOR LINEARISATION OF POWER AMPLIFIER CHARACTERISTIC

Изобретение относится к способу линеаризации характеристики усилителя мощности согласно родовому понятию пунктов 1 и 3 формулы изобретения, а также к устройству линеаризации характеристики усилителя мощности.
Для передачи сигналов сообщений применяются усилители мощности, которые должны усиливать максимально линейным образом широкополосные сигналы на несущей частоте. Для того чтобы характеристику усилителя мощности оптимизировать в отношении ее линейности, известны способы предыскажения. При этом для формирования линейно усиленного выходного сигнала передаваемый сигнал перед его усилением подвергается предыскажению таким образом, что нелинейности характеристики усилителя компенсируются.
Предыскажение предпочтительным образом осуществляется в так называемом диапазоне промежуточных частот или в комплексной базовой полосе сигнала, то есть перед преобразованием в диапазон несущей частоты, причем предыскажение устанавливается с помощью параметров. Параметры, в свою очередь, получают в результате сравнения выходного сигнала усилителя мощности с сигналом перед предыскажением и/или после проведенного предыскажения. Тем самым, полученные параметры являются зависимыми как от свойств передаваемого сигнала, так и от рабочих параметров усилителя мощности, и, тем самым, на них оказывают влияние не только электрические характеристики усилителя, но и температура окружающей среды последнего.
Параметры управления предыскажением обычно сохраняются в многомерной таблице и могут вновь применяться при соответствующих обстоятельствах, причем могут приниматься во внимание и изменяющиеся характеристики окружающей среды.
Ввиду вышеуказанных зависимостей параметров подобные таблицы являются очень громоздкими, и согласование параметров может проводиться только с большими временными затратами.
Из документа US 2002/68023 А1 известен способ предыскажения, при котором ответвленный после блока предыскажения сигнал усиливается и затем анализируется.
Из WO 00/02324 А1 известен способ предыскажения, при котором ответвляется пилот-сигнал перед проведением предыскажения, который после выполненного усиления анализируется.
Задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства для быстрой и точно выполняемой линеаризации характеристики усилителя мощности, причем линеаризация должна осуществляться путем предыскажения сигнала.
Задача изобретения решается способом с признаками пункта 1 или 3 формулы изобретения, а также способом с признаками пункта 12 или 14 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления приведены в соответствующих зависимых пунктах.
В предложенном изобретении на первый сигнал, который представляет собой, например, сигнал множества несущих частот, накладывается тестовый сигнал, и, тем самым, образуется второй сигнал. Второй сигнал переносится в положение, соответствующее несущей частоте, и подается в усилитель мощности для формирования выходного сигнала. В частности, путем сравнения содержащейся в выходном сигнале сигнальной составляющей тестового сигнала с тестовым сигналом, получают параметры для управления предыскажением.
В первом варианте осуществления изобретения входной сигнал подвергается предыскажению, чтобы образовать первый сигнал, при этом входной сигнал представляет собой сигнал множества несущих частот в комплексной цифровой базовой полосе или сигнал, перенесенный в положение, соответствующее промежуточной частоте.
Во втором варианте осуществления первый сигнал представляет собой сигнал множества несущих в комплексной цифровой базовой полосе или сигнал, перенесенный в положение, соответствующее промежуточной частоте, и подвергается предыскажению только после выполнения наложения тестового сигнала.
Тестовый сигнал имеет особые спектральные свойства. Предпочтительным образом применяется импульсный сигнал, который имеет предварительно известное изменяющееся по времени распределение амплитудных значений. Отдельные амплитуды выбираются таким образом, что образуются только пренебрежимо малые, обусловленные тестовым сигналом помеховые составляющие в тех частотных диапазонах, которые являются смежными с используемым диапазоном несущей частоты.
Предпочтительным образом, из составляющей тестового сигнала, содержащейся в выходном сигнале, путем сравнения с тестовым сигналом получают другие параметры, посредством которых осуществляется управление формированием тестового сигнала. Тем самым, обеспечивается возможность подавления вышеназванных помеховых составляющих в смежных частотных диапазонах.
В предпочтительном варианте изобретения в базовой полосе над сигналом, который в последующем процессе должен применяться для наложения на тестовый сигнал, осуществляется способ ограничения базовой полосы. За счет анализа выходного сигнала становится возможным сформировать параметры для управления способом ограничения базовой полосы.
Тем самым, способ ограничения базовой полосы применяется к комплексному сигналу базовой полосы, из которого, после проведенного способа ограничения базовой полосы, после интерполяции и модуляции и после, в необходимом случае, проведенного предыскажения, в первом варианте осуществления формируется первый сигнал.
Способ ограничения базовой полосы применяется, чтобы возможные максимальные значения мощности передачи выходного сигнала снизить до жестко заданного значения. При меньших амплитудах сигнала базовой полосы способ ограничения базовой полосы не применяется.
Предпочтительным образом, при этом применяется гибко устанавливаемый порог ограничения, который может изменяться в соответствии с мгновенным значением имеющейся максимальной мощности усилителя мощности. Это мгновенное значение имеющейся максимальной мощности зависит, в частности, от температуры окружающей среды усилителя мощности. Параметры для управления способом ограничения определяются в зависимости от окружающей температуры и сохраняются в таблице для последующего изменения порога ограничения.
За счет формирования тестового сигнала и применения тестового сигнала для оценки режима работы усилителя мощности обеспечивается возможность уменьшения количества элементов записей в таблице. Свойства или рабочие состояния усилителя быстрее определяются и компенсируются. Такая уменьшенная таблица является предпочтительной, особенно при скачкообразных изменениях комплексного входного сигнала базовой полосы.
Возможно также рассматривать способ ограничения базовой полосы и способ предыскажения единым образом для соответствующей формы выполнения в целом, за счет чего с помощью соответствующей установки обеспечивается возможность взаимного дополнения.
Адаптивное отслеживание порога ограничения в способе ограничения базовой полосы может быть реализовано простыми средствами.
Изобретение поясняется далее более подробно на примере выполнения со ссылками на чертежи, на которых представлено следующее:
фиг.1 - блок-схема соответствующего изобретению первого устройства для линеаризации характеристики усилителя мощности,
фиг.2 - блок-схема соответствующего изобретению второго устройства для линеаризации характеристики усилителя мощности,
фиг.3 - пример тестового сигнала, применительно к показанному на фиг.1 и фиг.2,
фиг.4 - изменение частоты тестового сигнала согласно фиг.3,
фиг.5 - изменение выходного сигнала в зависимости от времени для вариантов по фиг.1 и фиг.2,
фиг.6 - комплексное представление выходного сигнала применительно к вариантам по фиг.1 и фиг.2,
фиг.7 - изменение частоты выходного сигнала применительно к показанному на фиг.1 и фиг.2,
фиг.8 - изменение частоты выходного сигнала, измеренное на стороне приемника,
фиг.9 - сравнение полученного результата адаптации на нелинейной характеристике усилителя.
На фиг.1 показана блок-схема соответствующего изобретению первого устройства для линеаризации характеристики усилителя мощности для усилителя мощности PA1.
Один или более комплексных сигналов BBS базовой полосы поступают в блок IP1 интерполяции и преобразуются с применением первого модулятора MOD11 в многочастотный входной сигнал IN11, причем входной сигнал IN11, например, с использованием дискретизации с повышенной частотой переносится на промежуточную частоту. Образованный входной сигнал IN11 подается в блок PRE1 предыскажения, где он подвергается предыскажению, за счет чего формируется предварительно искаженный первый сигнал S11. Блок PRE1 предыскажения управляется посредством первого набора PAR11 параметров.
Первый сигнал S11 подается в блок ADD1 наложения, на который дополнительно подается тестовый сигнал TS1, сформированный генератором PG1 импульсов.
С помощью блока ADD1 наложения, например, путем аддитивной суперпозиции первого сигнала S11 с тестовым сигналом TS1 формируется второй сигнал S12.
Второй сигнал S12 подается через блок UP1 преобразования несущей частоты, цифроаналоговый преобразователь DAW1 и второй модулятор MOD12 в виде третьего сигнала S13 несущей частоты на усилитель PA1 мощности, который имеет нелинейную характеристику усилителя. Усилитель PA1 мощности образует из третьего сигнала S13 усиленный по мощности выходной сигнал OUT1 на несущей частоте.
Выходной сигнал OUT1 на несущей частоте содержит, таким образом, как составляющие входного сигнала IN11, так и составляющие тестового сигнала TS1. Они далее упоминаются как составляющая TSA1 тестового сигнала и составляющая INA11 входного сигнала.
Выходной сигнал OUT1 путем частичного ответвления подается через демодулятор DEM1 и аналого-цифровой преобразователь ADW1 на блок SE1 управления, на который также подается второй сигнал S12. Второй сигнал S12 содержит, как описано выше, ввиду суперпозиции, наряду с первым сигналом S11, также тестовый сигнал TS1.
Блок SE1 управления анализирует передачу тестового сигнала TS1 путем сравнения временного интервала с составляющей TSA1 тестового сигнала выходного сигнал OUT1 с соответствующим временным интервалом тестового сигнала TS1. На основе этого сравнения блок SE1 управления образует первый набор PAR11 параметров, посредством которого осуществляется управление блоком PRE1 предыскажения. Посредством этого управления реализуется линеаризация характеристики усилителя (РА1) мощности.
Для более точного определения первого набора PAR11 параметров также возможно дополнительное сравнение содержащейся в выходном сигнале OUT1 составляющей INA11 входного сигнала с входным сигналом IN11.
В другом предпочтительном варианте осуществления с помощью блока SE1 управления формируется второй набор PAR12 параметров, с помощью которого осуществляется управление генератором PG1 импульсов. Этот набор PAR12 параметров также формируется путем сравнения составляющей TSA1 тестового сигнала выходного сигнала OUT1 с тестовым сигналом TS1.
Путем управления формированием тестового сигнала TS1 можно минимизировать мешающие составляющие TSA1 на несущей частоте тестового сигнала в тех частотных диапазонах, которые являются смежными с используемым диапазоном несущей частоты выходного сигнала OUT1. При этом можно избежать перерегулирования усилителя мощности.
Определение наборов PAR11 и PAR12 параметров осуществляется с помощью пикового детектирования PD, оценивания мощности PE и/или так называемого «способа NL-системной идентификации» (NLSYSIDENT) с целевой функцией. Эти методы известны, например, из книги «Digital Communications», John G. Proakis, стр.601-635. Соответствующие алгоритмы целевой функции описаны в этой книге на стр.636-679.
Способы предыскажения известны, например, из патентной заявки Германии DE 103 20 420 A1, поданной 07.05.2003 в Патентное ведомство Германии. В ней вычисляется проекция выходного сигнала аналого-цифрового преобразователя с пониженной частотой дискретизации на различные базовые векторы, которые получены из педыскаженного сигнала. Проекция может быть получена в форме разложения в ряд по степеням.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения на блок SE1 управления дополнительно подается комплексный сигнал BBS базовой полосы, который дополнительно сравнивается с содержащейся в выходном сигнале OUT1 составляющей INA11 входного сигнала и/или с содержащимся во втором сигнале S12 первым сигналом S11. Тем самым, обеспечивается более точное определение набора PAR11 параметров.
Дополнительно к комплексному сигналу BBS базовой полосы может быть применен способ ограничения базовой полосы (ВВС). В этом случае блок SE1 управления формирует другой набор PAR13 параметров, который применяется для управления способом ограничения базовой полосы. При формировании набора PAR13 параметров, наряду с выходным сигналом OUT1, также учитываются второй сигнал S12 и/или входной сигнал IN11.
Реализуется адаптивная установка порога ограничения способа ВВС ограничения базовой полосы, при этом он адаптивно согласуется со всем устройством или его характеристиками передачи. Такое согласование может проводиться, например, как описано ниже. За счет вычисленных параметров набора PAR11 параметров или за счет применения способа PD пикового детектирования становится известной максимальная амплитуда усилителя PA1 мощности, которая намного превышает максимальное значение третьего сигнала S13. Тем самым, порог ограничения может быть согласован с характеристиками усилителя PA1 мощности, в частности с его температурой окружающей среды, старением, рассеянием и т.д. или с зависящими от этого пиковыми значениями выходной мощности выходного сигнала OUT1.
Кроме того, при грозящем перерегулировании усилителя PA1 мощности высокие уровни сигнала для сигнала BBS базовой полосы снижаются с помощью способа ВВС ограничения базовой полосы в большей степени, чем это было бы в случае нормальной ситуации применения. Дополнительно, тогда первый сигнал S11 накладывается на тестовый сигнал TS1 в фазе, но с отрицательной амплитудой, чтобы снизить максимальную амплитуду выходного сигнала OUT1.
На фиг.2 показана блок-схема соответствующего изобретению второго варианта выполнения устройства для линеаризации характеристики усилителя РА2 мощности.
Один или более комплексных сигналов BBS базовой полосы поступают в блок IP2 интерполяции через блок для осуществления способа ВВС ограничения базовой полосы или непосредственно и преобразуются с применением первого модулятора MOD21 в многочастотный входной сигнал IN21, причем входной сигнал IN21, например, с использованием дискретизации с повышенной частотой переносится на промежуточную частоту.
Входной сигнал IN21 подается в виде первого сигнала S21 в блок ADD2 наложения, на который дополнительно подается тестовый сигнал TS2, сформированный генератором PG2 импульсов.
С помощью блока ADD2 наложения, например, путем аддитивной суперпозиции первого сигнала S21 с тестовым сигналом TS2 формируется второй сигнал S22.
Второй сигнал S22 подается на блок PRE2 предыскажения, где он подвергается предыскажению, в результате чего формируется третий сигнал S23. Блок PRE2 предыскажения управляется посредством первого набора PAR21 параметров.
Третий сигнал S23 поступает через блок UP2 преобразования несущей частоты, цифроаналоговый преобразователь DAW2 и второй модулятор MOD22 в виде четвертого сигнала S24 несущей частоты на усилитель PA2 мощности, который имеет нелинейную характеристику усилителя. Усилитель PA2 мощности образует из четвертого сигнала S24 усиленный по мощности выходной сигнал OUT2 на несущей частоте.
Выходной сигнал OUT2 на несущей частоте содержит, таким образом, как составляющие первого сигнала S21 или входного сигнала IN21, так и составляющие тестового сигнала TS2. Они далее упоминаются как составляющая INA21 входного сигнала и составляющая TSA2 тестового сигнала.
Выходной сигнал OUT2 путем частичного ответвления подается через демодулятор DEM2 и аналого-цифровой преобразователь ADW2 на блок SE2 управления, на который также подается второй сигнал S22 и/или третий сигнал S23.
Второй сигнал S22 содержит, как описано выше, ввиду суперпозиции, наряду с первым сигналом S21, также тестовый сигнал TS2.
Блок SE2 управления анализирует передачу тестового сигнала TS2 путем сравнения составляющей TSA2 тестового сигнала выходного сигнал OUT2 с тестовым сигналом TS2, содержащимся во втором сигнале S22. На основе этого сравнения блок SE2 управления образует первый набор PAR21 параметров, посредством которого осуществляется управление блоком PRE2 предыскажения. Посредством этого управления реализуется линеаризация характеристики усилителя PA2 мощности.
Для более точного определения первого набора PAR21 параметров также возможно дополнительное сравнение содержащейся в выходном сигнале OUT2 составляющей INA21 входного сигнала с содержащимся во втором сигнале S22 первым сигналом S21 и/или с третьим сигналом S23, согласно предпочтительному варианту осуществления.
В другом предпочтительном варианте осуществления с помощью блока SE2 управления формируется второй набор PAR22 параметров, с помощью которого осуществляется управление генератором PG2 импульсов. Для формирования набора PAR22 параметров составляющая TSA2 тестового сигнала, содержащаяся в выходном сигнале OUT2, сравнивается с содержащимся во втором сигнале S22 тестовым сигналом TS2 на соответствующих временных интервалах.
В предпочтительном варианте осуществления дополнительно выполнятся оценка соответствующих друг другу сигнальных составляющих выходного сигнала OUT2 или второго сигнала S22.
Путем управления формированием тестового сигнала TS2 можно минимизировать мешающие составляющие TSA2 тестового сигнала в тех частотных диапазонах, которые являются смежными с используемым диапазоном несущей частоты выходного сигнала OUT2.
Определение наборов PAR21 и PAR22 параметров осуществляется способами, описанными выше со ссылками на фиг.1.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения на блок SE2 управления дополнительно подается комплексный сигнал BBS базовой полосы. Путем дополнительного сравнения комплексного сигнала BBS базовой полосы с содержащейся в выходном сигнале OUT2 составляющей INA21 входного сигнала и/или с содержащимся во втором сигнале S22 входным сигналом IN21, который соответствует первому сигналу S21, и/или с соответствующей составляющей входного сигнала третьего сигнала S23 также обеспечивается более точное определение набора PAR21 параметров.
При применении способа ВВС ограничения базовой полосы блок SE2 управления формирует другой набор PAR23 параметров, который применяется для управления способом ограничения базовой полосы. При формировании набора PAR23 параметров, наряду с выходным сигналом OUT2, также учитываются комплексный сигнал BBS базовой полосы и/или второй сигнал S22, и/или третий сигнал S23.
Тем самым, реализуется адаптивная установка порога ограничения, применяемого в способе ВВС ограничения базовой полосы. Этот порог ограничения адаптивно согласуется со всем устройством или его характеристиками передачи.
Такое согласование может проводиться, например, как описано ниже. За счет вычисленных параметров набора PAR21 параметров или за счет применения способа PD пикового детектирования становится известной максимальная амплитуда усилителя PA2 мощности, которая намного превышает максимальное значение четвертого сигнала S24. Тем самым, порог ограничения может быть согласован с характеристиками усилителя PA2 мощности, в частности с его температурой окружающей среды, старением, рассеянием и т.д. или с зависящими от этого пиковыми значениями выходной мощности выходного сигнала OUT2.
В другом случае применения, при угрозе перерегулирования усилителя PA2 мощности, высокие уровни сигнала для сигнала BBS базовой полосы дополнительно снижаются. На входной сигнал IN21 накладывается тестовый сигнал TS2 в фазе, но с отрицательной амплитудой. Тем самым, снижается максимальная амплитуда выходного сигнала OUT2.
На фиг.3 показан имеющий отношение к фиг.1 и фиг.2 примерный тестовый сигнал TS1 или TS2, который имеет изменяющуюся по времени статистику амплитуды.
По горизонтальной оси отложено время, а по вертикальной оси - соответствующие импульсные сигналы. Тестовый сигнал TS1 или TS2 выбран здесь в виде чебышевской разработки с 41 коэффициентом и затуханием в полосе задерживания, равным 50 дБ. При этом целью для тестового сигнала было определение сигнала, ограниченного временными значениями в количестве 31, для которых существенные спектральные компоненты лежат в используемой полосе несущей частоты.
На фиг.4 представлена, по отношению к фиг.3, частотная характеристика тестового сигнала TS1 или TS2, причем по горизонтальной оси отложена частота, а по вертикальной оси отложены соответствующие амплитудные значения.
При этом тестовый сигнал содержит ту же комплексную фазу, что и максимальный полезный сигнал S11 или S21 в комплексной базовой полосе.
5
На фиг.5 представлен, по отношению к фиг.1 и фиг.2, выходной сигнал OUT1 или OUT2 в зависимости от времени, причем по горизонтальной оси отложено время, а по вертикальной оси - амплитуды. При этом наложенный тестовый сигнал отчетливо распознается при t=2*10.
На фиг.6 показан, по отношению к фиг.1 и фиг.2, выходной сигнал OUT1 или OUT2 в комплексном представлении. При этом наложенный тестовый сигнал отчетливо распознается по лепестковой форме характеристики.
На фиг.7 показано, по отношению к фиг.6, изменение в зависимости от частоты выходного сигнала OUT1 или OUT2, причем по горизонтальной оси отложена частота, а по вертикальной оси отложены соответствующие амплитудные значения.
На фиг.8 показано, по отношению к фиг.7, изменение в зависимости от частоты выходного сигнала, измеренного на стороне приемника, причем по горизонтальной оси отложена частота, а по вертикальной оси отложены соответствующие амплитуды принимаемого сигнала. При этом предполагается, что на измеренный сигнал действует аддитивно накладываемый белый шум с гауссовским распределением.
На фиг.9 показано сравнение достигнутого результата адаптации на нелинейной характеристике усилителя, обозначенной как «нелинейность tanh(abs(x))». При этом речь идет о показанной на фиг.9 средней характеристике.
На горизонтальной оси представлен вклад, создаваемый амплитудой третьего сигнала S13 или четвертого сигнала S24. На вертикальной оси представлен вклад, создаваемый амплитудой выходного сигнала OUT1 или OUT2 - после проведенной демодуляции и аналого-цифрового преобразования.
Можно видеть отклонение традиционной оценки нелинейности характеристики усилителя при увеличении амплитуды - эта характеристика обозначена на чертеже как «аппроксимация с использованием только сигнала». При этом речь идет о показанной на фиг.9 слева линии.
По сравнению с этим оценка нелинейности для соответствующего изобретению применения тестового сигнала, обозначенного как «импульсный», существенно длиннее, в соответствии с нелинейной характеристикой усилителя - характеристикой, обозначенной как «аппроксимация с использованием сигнала+импульс». При этом речь идет о характеристике, показанной справа на фиг.9.