СПОСОБ И УСТРОЙСТВО УСИЛЕНИЯ МОЩНОСТИ ИЗЛУЧАЕМОГО РАДИОСИГНАЛА ДЛЯ ЦИФРОВОГО РАДИОВЕЩАНИЯ
DIGITAL BROADCASTING EMITTED RADIO SIGNAL POWER AMPLIFICATION METHOD AND DEVICE

Изобретение относится к технике цифрового телевизионного, мультимедийного и звукового радиовещания с применением ортогонального частотного разделения каналов (ОЧРК) и может быть использовано с целью организации телерадиовещания в ОВЧ диапазонах радиочастот с применением ортогонального частотного разделения каналов (ОЧРК) как при фиксированном, так и при мобильном приеме в движущемся транспорте в городских условиях с плотной застройкой, многолучевостью и отсутствием прямой видимости антенны передатчика, а также в районах со сложным рельефом, в горной местности и в густых лесных массивах, где в указанных условиях телерадиовещание с известными на сегодня системами не может обеспечить требуемого усиления мощности излучаемого радиосигнала с высокой энергоэффективностью для удовлетворительного качества передачи и приема ОЧРК сигналов вещания.
Организация телерадиовещания в ОВЧ диапазонах радиочастот с применением ортогонального частотного разделения каналов (ОЧРК) как при фиксированном, так и при мобильном приеме в движущемся транспорте в городских условиях с плотной застройкой, многолучевостью и отсутствием прямой видимости антенны передатчика, а также в районах со сложным рельефом, в горной местности и в густых лесных массивах, где в указанных условиях телерадиовещание с известными на сегодня системами не может обеспечить требуемого усиления мощности излучаемого радиосигнала с высокой энергоэффективностью для удовлетворительного качества передачи и приема ОЧРК сигналов вещания.
При разработке вещательных передатчиков, использующих сигналы с ОЧРК, обладающие большим пик-фактором, возникает проблема уменьшения потерь, возникающих в трактах прохождения полезного сигнала. В общем случае основные потери возникают в усилителе мощности, блоке питания и выходном фильтре.
Для уменьшения потерь в усилителе мощности используются различные методы, которые можно разделить на две большие группы: методы для каскадов, работающих в линейном режиме (классы А, В, АВ) и методы для каскадов, работающих в нелинейном режиме (классы С, D, Е) (Радиопередающие устройства: Учебник для вузов / Под ред. В.В. Шахгильдяна. - М: Радио и связь, 2003. 560 с).
В то же время, методам уменьшения потерь в блоках питания уделяется значительно меньше внимания, хотя их вклад в общей сумме потерь также является значительным. Наличие мощных пиковых составляющих предъявляет повышенные требования к динамическому диапазону используемого усилителя мощности: при его недостаточности происходит ограничение по амплитуде усиливаемого радиосигнала, его деградация и, как следствие, увеличение внеполосных излучений и уменьшение зоны надежного приема.
По результатам исследований, приведенным в Jason Т. Stauth, Seth R. Sanders "Dynamic Power Supply Design for High-Efficiency Wireless Transmitters", Technical Report No. UCB/EECS-2006-72, University of California at Berkley, 2006., отмечается, что пик-фактор по отношению к среднему значению излучаемой мощности для ОЧРК сигналов может составлять 6-17 дБ. В то же время, статистические исследования показывают, что вероятность появления максимальных значений сигналов зачастую меньше 1%, и передатчик в течение 90% времени излучает менее 5% от максимальной мощности. Таким образом, большую часть времени передатчик работает в недогруженном режиме.
Известно устройство, описанное в US8 587271 В2, содержащее направленный ответвитель, детектор огибающей, усилитель мощности высокочастотных сигналов и схему питания усилителя мощности высокочастотных сигналов со слежением за огибающей, которая содержит источник питания, управляемый ключ, диод, катушку индуктивности, сенсорный резистор, компаратор, операционный усилитель. Предлагаемое устройство обеспечивает питание усилителя мощности высокочастотных сигналов напряжением, которое меняется синхронно с огибающей усиливаемого сигнала. Вследствие этого при малых значениях входного сигнала усилитель мощности высокочастотных сигналов питается малым напряжением, а при пиковых значениях -большим напряжением, что приводит к значительному уменьшению средней мощности, рассеиваемой усилителем мощности высокочастотных сигналов и повышению в целом КПД данного устройства. Однако для эффективной работы в таком устройстве должен быть использован мощный источник питания, обеспечивающий достаточный ток питания на пиках усиливаемого сигнала. Применение мощного источника питания, обеспечивающего необходимый запас по току, приводит к дополнительным энергетическим потерям и снижению КПД.
Известно устройство, описанное в US 6064269, содержащее передающую антенну, усилитель мощности высокочастотных сигналов, источник усиливаемых высокочастотных сигналов, сенсорный резистор, токовый датчик, пороговый детектор, ступенчатый источник питания. Известное устройство определяет уровень тока, потребляемый усилителем мощности высокочастотных сигналов и подключает в соответствии с этим током необходимую ступень ступенчатого источника питания. Недостатком известного устройства является ограниченное количество используемых ступеней, что не позволяет оптимальным образом выставлять уровень питающего напряжения. Другим недостатком известного устройства является необходимость использования источника питания с избыточным запасом по току (мощности) для обеспечения линейного усиления высокочастотных сигналов на их пиках.
Наиболее близким известным устройством является устройство, описанное в US 6157253, содержащее ответвитель, детектор огибающей, компаратор, схему слежения и управления током покоя, схему слежения и управления напряжением питания, набор источников напряжения, набор управляемых переключателей со схемами раскачки, разветвитель высокочастотных усиливаемых сигналов, усилители мощности, комбайнер усилителей мощности, нагрузку (антенну). В этом устройстве увеличение КПД выходного каскада достигается использованием для питания усилителей мощности напряжения, пропорционального огибающей; сам усилитель мощности состоит из ряда усилителей, подключаемых в зависимости от значения уровня огибающей. Для увеличения КПД источника питания он состоит из парциального набора источников напряжения, оптимизированных под соответствующий уровень огибающей. Таким образом, при появлении пиков в усиливаемом сигнале подключается соответствующий усилитель с соответствующим питающим напряжением. Такой режим позволяет сокращать энергетические потери как в выходном каскаде, так и в применяемом источнике питания. Недостаток такого решения заключается в его сложности: для получения положительного эффекта (КПД) необходимо использовать большое количество парциальных источников питания и переключаемых усилителей мощности.
Задачей настоящего изобретения является увеличение энергоэффективности усилителя мощности ОЧРК сигналов за счет выравнивания пиков ОЧРК сигналов и уменьшения избыточности по току/мощности используемого источника питания благодаря компенсации возрастающего на пиках сигнала тока потребления разрядным током от специального рекуператора.
Данная задача решается при помощи способа усиления мощности для цифрового радиовещания, применяющего ортогональное частотное разделение каналов, преобразование ОЧРК цифровых сигналов в аналоговый сигнал, его усиление до необходимой мощности и излучение, за счет того, что в процессе формирования сигнала ОЧРК производят уменьшение его пик-фактора в определенной последовательности: сначала реализуют метод резервных несущих, а затем применяют алгоритм адаптивного расширения активного I/Q созвездия для преобразования области пиков ОЧРК сигналов и используют рекуперационный блок питания, обеспечивая значительное уменьшение потерь в блоке питания передатчика
Другим объектом настоящего изобретения является устройство для реализации указанного выше способа, содержащее ответвитель, детектор огибающей, схему слежения и управления напряжением питания, парциальные источники напряжения, управляемые ключи, усилитель мощности, нагрузку высокочастотного выходного сигнала, отличающееся тем, что устройство дополнительно включает токоограничивающий зарядный резистор, формирователь стартового импульса, таймер, блок выравнивания пиков ОЧРК сигналов, для реализации метода резервных несущих и алгоритма адаптивного расширения активного I/Q созвездия для преобразования области пиков ОЧРК сигналов и рекуперационный блок питания.
Технический результат выражается в существенном повышении эффективности излучения радиосигналов на передающей стороне при использовании ортогонального частотного разделения каналов для увеличения зоны бесперебойного приема. Также техническим результатом является значительное уменьшение потерь в блоке питания передатчика, уменьшение более чем на порядок требований к его номинальной мощности и, как следствие, повышение энергетической эффективности передатчика в целом, повышение его надежности и уменьшение эксплуатационных издержек. Дополнительные технические результаты: упрощение устройства, повышение его надежности, расширение динамического диапазона усиливаемых сигналов без увеличения мощности блока питания, уменьшение нелинейных искажений.
Очевидно, что динамический диапазон передатчика в значительной степени определяется возможностью используемого блока питания отдавать в нагрузку (усилитель мощности) достаточную пиковую мощность.
ср
Например, при средней мощности передатчика Р=500 Вт с пик-фактором 12 дБ (при таком пик-факторе выбросы на сигнале практически не искажаются - Фиг. 1), усилитель мощности должен иметь возможность развивать на пиках сигнала мощность более 8 кВт.
Это означает, что и блок питания должен обеспечивать соответствующий значительный запас по мощности. Обеспечить такую мощность в нагрузке можно двумя способами:
1/2
- используя высоковольтный блок питания (для рассматриваемого примера он должен обеспечивать напряжение на нагрузке R=50 Ом на пиках сигнала U≥(PR)=632,5 В; недостатком такого решения является необходимость использования дополнительных конструктивных мер по защите от высокого напряжения и применение дорогих высоковольтных компонентов);
0
0
- используя блок питания в виде источника напряжения с внутренним сопротивлением, стремящимся к 0, и большой перегрузочной способностью (для рассматриваемого примера при стандартном напряжении питания U=+48 V, такой блок питания должен отдавать в нагрузку на пиках сигнала ток I≥P/U=166,7 А).
Так как современные блоки питания имеют к.п.д. не более 90%, то при использовании блока питания, способного обеспечить ток нагрузки не менее 166,7 А, потери мощности в блоке питания для приведенного примера составят не менее 800 Вт.
При этом, ток в цепи питания будет меняться от 10,4 А и меньше (при средней мощности 500 Вт) до 166,7 А на пиках сигнала. Причем, как уже отмечалось, длительность таких всплесков, превышающих средний уровень мощности, составляет менее 5% на среднестатистическом интервале наблюдения. Это означает, что во время пауз между всплесками имеется возможность достаточно длительно накапливать энергию и кратковременно отдавать ее при необходимости достаточно мощными порциями. Такими свойствами обладают системы рекуперации энергии.
Сравнительно недавно промышленность освоила выпуск мощных конденсаторов (High Power Pulse Supercapacitors) с уникальным свойством накапливать значительную энергию и емкостью, достигающей несколько сотен Фарад. Широкому использованию таких конденсаторов для рекуперационных систем питания до недавнего времени препятствовало высокое значение эквивалентного последовательного сопротивления (ESR - Equivalent Series Resistance), которое составляет несколько Ом для обычных суперконденсаторов и ограничивает сферу их применения.
ESR
ESR
Для таких конденсаторов пиковый ток, оцениваемый в интервале времени 1 с, определяется как I=0,5CU/(1+RC), где С - емкость в Ф, U - рабочее напряжение конденсатора, обычно 2,5-2,7 В, R - эквивалентное последовательное сопротивление, Ом.
ESR
Для нового поколения конденсаторов удалось существенно снизить значение R до 0,002-0,004 Ом.
ESR
ESR
Для реализации пикового тока I=166,7 А и R=0,003 Ом требуется конденсатор емкостью С=I/(0,5U-I⋅R)=166,7/(0,5U-166,7⋅0,003)=196 Ф (стандартное значение - 200 Ф).
ESR
ESR
Падение напряжения на внутреннем сопротивлении конденсатора AU составит при этом ΔU=IR=166,7⋅0,003=0,5 В, что несущественно при номинальном напряжении питания +48 В и недостижимо при R=1-2 Ом для конденсаторов предыдущего поколения.
Рассмотренный подход в создании передатчика с усилителем мощности с рекуперационным блоком питания особенно эффектно реализуется с применением блока подавления пиков ОЧРК сигналов. Так в случае реализации комбинированного метода уменьшения пик-фактора в последовательности использования метода резервных несущих (порядка 5% от общего числа несущих) и алгоритма адаптивного расширения активного I/Q созвездия (TR + AdaptiveACE), обеспечивается уменьшение пик фактора примерно на 5 дБ (Фиг. 2а - Фиг. 2б) и соответствующее снижение требований к используемому блоку питания (уменьшение величины требуемого тока по крайней мере в два раза).
Указанный технический результат достигается тем, что заявляемое устройство содержит блок уменьшения пик-фактора ОЧРК сигнала и рекуперационный блок питания, структурная схема которых приведена на Фиг. 3.
На Фиг. 4 приведены временные диаграммы, поясняющие работу этого блока питания: а) - импульс включения блока питания 1, б) - формирование стартового импульса, в) -формирование таймером 9 (Фиг. 3) импульса включения ключа 4, г) - формирование таймером 9 импульса включения ключа 11.
Фиг. 1. Выбросы в ОЧРК сигнале практически не искажаются при ограничении на уровне 12 дБ;
Фиг. 2. Пример пиков в ОЧРК сигналах;
Фиг. 3. Структурная схема устройства с рекуперационным блоком питания;
Фиг. 4. Диаграммы, поясняющие работу устройства с рукуперационным блоком питания.
Устройство повышения энергоэффективности усилителя мощности ОЧРК сигналов содержит:
0
1 - блок питания AC-DC или DC-DC с выходным напряжением U. Это стандартный блок питания, выбираемый из условия обеспечения средней мощности УМ с учетом его реального к.п.д.
2 - ответвитель входного высокочастотного сигнала. Устройство, обеспечивающее ответвление небольшой части сигнала для последующей обработки.
3 - токоограничивающий зарядный резистор R. Ограничивает ток заряда рекуператора в момент включения питания. Предотвращает перегрузку блока питания 1.
4 и 11 - управляемые ключи. Подключают выход сетевого блока питания 1 после заряда рекуператора 8 через схему слежения и управления напряжением питания 12 к усилителю мощности 10. В качестве ключей 4 и 11 могут использоваться мощные транзисторы, имеющие в открытом состоянии сопротивление СТОК-ИСТОК менее 0,01-0,02 Ом.
5 - формирователь стартового импульса. Одновибратор, формирующий короткий импульс сброса при включении питания. Используется для начальной установки.
6 - детектор огибающей. Обеспечивает выделение огибающей усиливаемого высокочастотного сигнала.
7 - блок выравнивания пиков ОЧРК сигналов, последовательно использующий метод резервных несущих и алгоритм адаптивного расширения активного I/Q созвездия.
0
C
0
8 - рекуператор. Блок суперконденсаторов нового поколения со сверхнизким внутренним сопротивлением ESR. Осуществляет накопление энергии при небольших уровнях усиливаемых сигналов и ударный выброс тока при пиках сигнала. Т.к. такие конденсаторы в большинстве случаев выпускаются на напряжение 2,5 или 2,7 В, то для получения необходимого рабочего напряжения они соединяются последовательно в батарею из N конденсаторов. Количество конденсаторов N выбирается из условия N≥U/U, где U - номинальное выходное напряжение сетевого блока питания 1; Недопустимое рабочее напряжение конденсатора.
0
Для блока питания с U=+48 В и конденсаторов с рабочим напряжением 2,7 В потребуется не менее N=18 конденсаторов. Для выравнивания потенциалов параллельно каждому конденсатору подключены резисторы r.
0
9 - таймер. Представляет собой реле времени, которое запускается на время, необходимое для заряда рекуператора 8 до напряжения, близкого к номинальному питающему напряжению U - Может быть использован стандартный микроконтроллер или цифровая схема на двоичных счетчиках.
10 - усилитель мощности. Оконечный усилитель ОЧРК сигналов, относящийся к линейному или нелинейному классу, при использовании которого возникает высокодинамическая пульсирующая нагрузка по питанию. Осуществляет финальное усиление высокочастотного сигнала и передачу его через полосовой фильтр в нагрузку 13.
12 - схема слежения и управления напряжением питания. Формирует на своем выходе постоянное напряжение, меняющееся пропорционально двухполупериодному выпрямленному напряжению огибающей.
13 - нагрузка. В качестве нагрузки выступает передающая антенна с фидером.
0
C
C
0
0
1
2
-t/τ
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом (Фиг. 3, Фиг. 4а): при включении питания U формирователь стартового импульса 5 генерирует короткий импульс (Фиг. 4б), по фронту которого устанавливается таймер 9 в исходное состояние. Ключи 4 и 11 закрыты. Одновременно, по фронту стартового импульса (Фиг. 4б) через токоограничивающий зарядный резистор 3 начинается заряд конденсаторов рекуператора 8. Напряжение U(t) на выходе рекуператора 8 определяется выражением: U(t)=U(1-е), где U - постоянное напряжение на выходе сетевого блока питания 1; τ=RC/N - постоянная времени цепи заряда; R - сопротивление токоограничивающего зарядного резистора 3; С - емкость конденсаторов С=С=…=CN; t - текущее время.
C
0
0
2
0
3
Из приведенного соотношения для U(t) следует, что при t=2τ напряжение на рекуператоре 8 достигнет значения 86,5% от U, при t=3τ-95% от U. Исходя из этого, устанавливается время срабатывания таймера 9 (Фиг. 4в). Ключ 4 в момент времени t замыкается, и блок питания 1 подключается непосредственно к рекуператору 8. После завершения процесса дозаряда рекуператора 8 до напряжения U, спустя (0,01…0,1)τ в момент времени t таймер 9 формирует импульс (Фиг. 4г), открывающий ключ 11.
Происходит подача через схему слежения и управления напряжением питания 12 напряжения на усилитель мощности 10.
При возникновении пиков поднесущих усиливаемого ОЧРК высокочастотного сигнала и резком увеличении тока потребления, схема слежения и управления напряжением питания 12 увеличивает уровень питающего напряжения, подаваемого на усилитель мощности 10, возросший ток потребления компенсируется разрядным током рекуператора 8, который предотвращающий перегрузку блока питания. Благодаря наличию рекуператора 8, последний отдает в нагрузку ток, значительно превышающий средний ток потребления. Вследствие этого существенно увеличивается динамический диапазон усилителя мощности 10 и отсутствуют ограничения на максимальных размахах (пиках)сигналов.
Список используемых обозначений
1 - блок питания
2 - ответвитель входного высокочастотного сигнала
3 - токоограничивающий зарядный резистор
4 и 11 - управляемые ключи
5 - формирователь стартового импульса
6- детектор огибающей
7 - блок выравнивания пиков ОЧРК сигналов
8 - рекуператор
9 - таймер
10 - усилитель мощности
12 - схема слежения и управления напряжением питания
13 - нагрузка