Способы повышения линейности высокочастотных усилителей мощности

— схема содержит минимальное число катушек индуктивности, величины которых могут быть выбраны одинаковыми и трансформированы до заданного наиболее приемлемого значения;

— данный фильтр при относительной полосе пропускания 3 • 6 % позволяет реализовать высокий коэффициент передачи при добротностях катушек индуктивности 200 — 300 и в двухзвенном включении обеспечивает затухание в полосе задерживания более 60 дБ.

Библиографический список

1. Великин, Я. И. Пьезоэлектрические фильтры [Текст] /

Я. И. Великин, З. Я. Гельмонт, Э. В. Зелях. — М. : Связь,

1966. - 396 с.

2. Гиллемин, Е. А. Синтез пассивных цепей / Е. А. Гилле-мин ; пер. с англ. ; под ред. М. М. Айзинова. — М. : Связь, 1970. — 720 с.

3. Черне, Х. И. Индуктивные связи и трансформации в электрических фильтрах / Х. И. Черне. — М. : Связьиздат, 1962. — 316 с.

ТЮМЕНЦЕВ Александр Иванович, аспирант кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики» Омского государственного технического университета (ОмГТУ).

ЯКОВЛЕВ Андрей Николаевич, кандидат технических наук, начальник сектора Омского научноисследовательского института приборостроения (ОНИИП).

ЯСИНСКИЙ Игорь Михайлович, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ОНИИП. АРЖАНОВ Валерий Андреевич, кандидат технических наук, профессор кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики» ОмГТУ.

Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.

Статья поступила в редакцию 13.12.2011 г.

© А. И. Тюменцев, А. Н. Яковлев, И. М. Ясинский, В. А. Аржанов

УДК 621.391.832.4 д. с. МОЛОДЦОВ

Омский государственный технический университет

СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ЛИНЕЙНОСТИ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ__________________________________________

В статье рассматриваются современные способы повышения линейности высокочастотных усилителей мощности, их особенности и основные характеристики.

Ключевые слова: усилитель, линеаризация, предыскажения, интермодуляция, обратная связь.

В настоящее время в радиотехнике широкое применение нашли цифровые радиосистемы передачи информации (ЦРСПИ), к которым относятся системы мобильной связи, цифровое телевидение, цифровое радиовещание, системы мобильного и фиксированного радиодоступа предполагают использование радиосигналов с мультиплексированием и с разделением по ортогональным частотам (OFDM). Также в современных ЦРСПИ часто обрабатываются групповые радиосигналы с двухпозиционной частотной манипуляцией (ДЧМ), матрицы дискретночастотных сигналов (ДЧС), квадратурной фазовой (QPSK) и амплитудной манипуляциями (QAM).

Большинство из перечисленных технологий и систем содержат многочастотный групповой сигнал, что, в свою очередь, предъявляет высокие требования к линейности аналогового тракта, а в частности, к линейности характеристик передающего усилителя мощности (УМ) по интермодуляции.

Существует достаточно большое число эффективных способов линеаризации характеристик усилителей мощности.

Несмотря на многообразие методов линеаризации, их можно разделить на несколько групп (рис. 1) [1].

К настоящему времени сложилась следующая классификация способов линеаризации высокочастотных (ВЧ) усилителей мощности:

1. Класс А с динамическим смещением.

Данный способ был введен Салехом (Saleh) [2]

как средство, с помощью которого была повышена эффективность усилителя класса А на FET-транзисторах, работающего с линейно-модулированными сигналами. Вместо фиксации напряжения на затворе FET-транзистора, на уровне половины напряжения отсечки Up и нолем вольт (условие работы в классе А), напряжение смещения затвора Ug динамически смещается пропорционально огибающей входного сигнала Us(t), при этом:

Ug=-Up + Us

Транзистор почти полностью закрывается, когда Us(t) достигает своего минимума, а среднее значение напряжения смещения затвора остается достаточным, для обеспечения динамического диапазона входного сигнала.

2. Линеаризация с прямым каналом.

Схема с прямым каналом была предложена как средство уменьшения искажений в усилителях

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) 2012 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ

РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) 2012

%

Класс А

Динамическое смещение

Рис. 1. Методы повышения линейности

ж

Входной

делитель

ВЧ вход

УМ

Делитель

мощности

Задержка

Т2

Задержка

Т1

1L

v

>Вычитател1

11

сигнал

ошибки

Дополнительный усилитель

Рис. 2. Линеаризация с прямым каналом

Блэком (В1аск) [3, 4]. Эта схема используется непосредственно на ВЧ и состоит из двух частей (рис. 2).

В первой части схемы происходят сравнения линейно масштабированного значения выходного сигнала УМ с входным сигналом, для выделения искажений, генерируемых УМ. Далее сигнал ошибки проходит через дополнительный усилитель, и суммируется с ВЧ сигналом в прямом канале. Итогом является получение сигнала без искажений. На входе имеет место двухтоновый сигнал, два элемента временных задержек (Т1 и Т2) обеспечивающих согласование с частотно-зависимыми фазовыми сдвигами в соответствующих усилителях. Любое отклонение от точного согласования по амплитуде и фазе ухудшает процесс компенсации искажений.

Эффективность систем с прямым каналом уменьшается из-за энергопотребления вспомогательного усилителя, который должен быть линейным и обладать достаточным запасом усиления, для компенсации потерь в вычитающих узлах. Данный способ позволяет создать устойчивый усилитель с хорошими показателями линейности (на уровне 20^ 40 дБ) в относительно широкой полосе (3^ 50 МГц).

3. Способ ЫЫС (линейное усиление нелинейных компонент).

Линейное усиление нелинейных компонент [5, 6] — особый случай векторного суммирования. Здесь используется два сигнала с постоянной амплитудой для получения необходимого выходного сигнала (рис. 3).

Разделитель компонент использует аналоговые или цифровые методы генерирования сигналов с

постоянными амплитудами (S1(t) и S2(t)) так, чтобы, будучи усиленными и просуммированными, эти сигналы синтезировали необходимый выходной сигнал (g'S(t)) [5, 6]. Достижимая эффективность — 21 %. Данный способ чувствителен к амплитудной и фазовой асимметрии плеч схемы. Несимметричность плеч схемы может существенно снизить эффективность, и поэтому часто применяют различные обратные связи для компенсации разброса характеристик усилителей [6].

4. Способ CALLUM (универсальный модулятор с аналоговой петлей обратной связи).

Универсальный модулятор с аналоговой петлей обратной связи, предложенный Бейтменом (Bateman) [7] исключает необходимость использовать сложные схемы DSP с одновременным решением проблемы амплитудной и фазовой асимметрии в двух каналах схемы (рис. 4).

Способ использует две петли обратной связи и два ГУНа для генерирования ВЧ сигналов с постоянной амплитудой. При отсутствии входных сигналов, ГУНы автоматически работают на частоте местного гетеродина LO. Далее ГУНы возбуждаются необходимыми LINC-сигналами с постоянной амплитудой (S1(t) и S2(t)). Бейтменом было получено подавление интермодуляционных искажений величиной 55 дБ для сигнала с модуляцией QPSK. Следует отметить, что система CALLUM использует петлю обратной связи, которая может быть нестабильна и вносить ошибки из-за разброса параметров компонентов петли (главным образом конвертирующих вниз смесителей).

S

Рис. 3. Метод LINC

5. Способ LIST (линейное усиление методом сэмплирования).

Линейное усиление методом сэмплирования [8] (рис. 5) подобно LINC в том, что при этом используются два сигнала с постоянными амплитудами, которые суммируются на выходе для получения требуемого линейно-усиленного сигнала. Главное отличие от LINC в том, что каждый из двух сигналов может иметь два дискретных значения фазы и складываться друг с другом как квадратуры. Квадратурные соотношения двух сигналов с постоянными амплитудами дают четыре возможных значения фаз на выходе. Дельта модуляторы (обведены пунктирной линией) выдают любое из четырех значений фазы на скорости, определяемой тактовой частотой. Фильтрация на выходе восстанавливает сигнал для получения сглаженного линейно усиленного сигнала.

Кокс (Cox) продемонстрировал подавление интермодуляционных продуктов на 40 дБ для двухтонового сигнала (100 кГц между тонами) в схеме усилителя на 70 МГц [8]. Преимущество метода — относительная простота формирования двух сигналов с постоянной амлитудой.

6. Низкочастотные предыскажения с использованием DSP.

Цифровые сигнальные процессоры дают возможность синтезировать сложные характеристики предыскажений (рис. 6). Из-за скоростных ограничений элементной базы, предыскажения вводят на низких частотах (НЧ). Таким образом, полоса ограничена возможностями цифровой обработки. В прямой тракт поступает оцифрованный сигнал модуляции, предыскажается комплементарно искажениям УМ.

Далее сигнал конвертируется в аналоговый, преобразуется вверх и усиливается нелинейным УМ. Преобразование вверх выполняется, как правило, квадратурным модулятором, однако возможно и преобразование на ПЧ.

Предыскажения могут быть выполнены с использованием полиномиального представления или с помощью табличных значений. Полиномиальное представление — это НЧ эквивалент [9] кубического предысказителя, описанного выше. Так как DSP имеет большие вычислительные возможности, полиномы большей степени приводят к лучшему приближению требуемым характеристикам. Главный недостаток — относительная трудность в создании стабильных и эффективных алгоритмов адаптации.

Табличный предысказитель более популярен с DSP. Таблицы предыскажений могут принимать различные формы. Самый простой вариант — полярная комплексная форма усиления ( рис. 7 а ). Этот предыс-казитель состоит из двух одноразмерных таблиц. С помощью таблицы амплитуд вносятся АМ/АМ предыскажения, а таблицы фаз — АМ/ФМ.

Адреса обеих таблиц определяются амплитудой входного сигнала. Адаптивный полярный предыска-зитель, выполненный по данному способу, был представлен Фолкнером (Faulkner) [9]. Интерполяция между точками в таблицах позволила использовать относительно небольшой размер таблиц. Было обнаружено, что потенциальной проблемой является вычислительная операция, необходимая для преобразования полярная система/прямоугольная. Общая вычислительная нагрузка была довольно большой, и на DSP (TMS320C25) было достигнуто подавление

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) 2012 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ

РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) 2012

конвертр вниз

Рис. 6. Метод низкочастотных предыскажений

интермодуляционных искажений 30 дБ в полосе, ограниченной 2 кГц.

Картезианские таблицы комплексного усиления позволяют избежать полярных преобразований и меньше загружают DSP при вычислениях (рис. 7 б). Кэйверс (Cavers) [10] предложил использовать картезианские таблицы с адресацией в соответствии с мощностью сигнала. Для получения предыскажений используется комплексное умножение. Предыска-зитель обеспечивет быстрое время сходимости (4 мс) благодаря низким требованиям к памяти и особого алгоритма адаптации.

Системы, использующие таблицы комплексного усиления (и полярные, и картезианские) не исключают ошибки, вносимые квадратурной модуляцией в прямом канале.

Полные картезианские таблицы — еще один табличный метод [4]. Здесь требуются большой объем памяти, чтобы преобразить входную точку на комплексной плоскости в выходную точку на комплексной плоскости (рис. 7 с). Нагатой (Nagata) [11] в своей работе было продемонстрировано подавление продуктов искажений минус 60 дБ на соседнем канале для скорости 32 кбит/сек с модуляцией p/4 QPSK.

7. Системы линеаризации с картезианской петлей обратной связи.

Данные системы являются вариантом относительно узкополосных систем с обратной связью (ОС). В картезианской петле используется отрицательная ОС по синфазной и квадратурной компонентам.

Понятие «картезианская петля» было введено Петровичем (Petrovic) [12]. На рис. 8 изображен базовый принцип работы картезианской петли ОС.

Низкочастотный входной сигнал в формате I и О компонент поступает на вход схемы. Прямой канал содержит петлевой усилитель, компенсационный фильтр, синхронный 1-0 модулятор, нелинейный, но эффективный УМ, антенну, являющуюся выходной нагрузкой. В канал обратной связи поступает часть выходной мощности с ВЧ ответвителя, которая далее синхронно демодулируется. Полученный демодули-рованный низкочастотный сигнал в формате 1-0 используется как сигнал ОС для вычитания из входного сигнала. В результате полученный необходимым образом предыскаженный сигнал поступает на УМ. Благодаря петлевому принципу работы обеспечивается автоматическая компенсация небольших изменений свойств УМ из-за температуры и напряжения источника питания. Главные характеристики петли устанавливаются петлевым усилителем и компенсационными фильтрами, от параметров которых зависит уровень подавления интермодуляционных искажений и стабильная работа схемы. Синхронизм между модулятором и демодулятором получается путем разделения общей ВЧ несущей. Из-за разности в электрической длине для ВЧ сигнала в прямом и обратном каналах, необходимо использовать регулятор фазы для поддержания корректных фазовых соотношений прямого и обратного каналов. Неправильная установка регулятора приводит к перекрестной взаимосвязи между I и О компонентами, к нестабильной работе петли. Как и другие замкнутые петли ОС, данную петлю можно считать условно стабильной и установка регулятора с целью поддержания стабильности — это одна из ключевых проблем. Нелинейности УМ также влияют на стабильность, т. к. вносят большой фазовый сдвиг в низкочастотный сигнал.

преобразователи картезианская полярная-

комгшекснын

Рис. 7. Варианты табличных предысказителей

Рис. 8. Линеаризация с картезианской петлей ОС

Таблица 1

Характеристики методов линеаризации

б

а

с

Метод линеаризации Подавление искажений 3-го порядка

ВЧ обратная связь 12 дБ

Полярная петля ОС 30 дБ

Картезианская петля ОС 30 дБ

Прямой канал 20 - 40 дБ

Адаптивные НЧ предыскажения 30 дБ

Метод ЬШС 35 дБ

Общая эффективность схемы ограничена качеством петли ОС. Ошибки и искажения в схеме ОС, особенно в демодуляторе, приведут к ошибкам и искажениям на выходе независимо от величины петлевого усиления. Однако применение даже относительно простых схем ОС могут дать хорошие результаты. Так, например, Петровичем (Ре1гоу1с) [12] было получено соотношение 70 дБ между основным сигналом и интермодуляционными продуктами, при двухтоновом тестовом сигнале, для усилителя с мощностью 1 Вт на частоте 2,5 МГц. В работе [12] автором сообщалось о подавлении интермодуляционных искажений на 70 дБ уже для усилителя в 100 Вт для двухтонового теста. Эти результаты были получены для КВ диапазона (1,6*30 МГц).

В табл. 1 приведены методы для уменьшения продуктов интермодуляционных искажений 3-го порядка и их потенциальные возможности [13].

Проведенный анализ показал, что современные способы линеаризации усилителей мощности значительно отличаются друг от друга по сложности реализации и получаемым характеристикам системы в целом.

Библиографический список

1. Linearization of RF Power Amplifiers, Mark A. Briffa, Victoria University of Technology, Melbourne, AUSTRALIA, December, 1996.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) 2012 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ

РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) 2012

2. Adel A. M. Saleh and Donald C. Cox, «Improving the Power-Added Efficiency of FET Amplifiers Operating with Varying-Envelope Signals», IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 31, January 1989, pp. 51 — 56.

3. Harold S. Black, «Translating System», U.S Patent No. 1 686 792, October 1928.

4. Harold S. Black, «Wave Translation System», U.S Patent No. 2 102 671, December 1937.

5. S. Tomisato, K. Chiba and K. Murota, «Phase Error Free LINC Modulator», IEE Electronic Letters, vol. 25, No. 9, April 1989, pp. 576-577.

6. S. A. Hetzel, A. Bateman and J. P. McGeehan, «A LINC Transmitter», IEE Electronic Letters, vol. 25, No. 10, 1991, pp. 844-845.

7. A. Bateman, «The Combined Analogue Locked Loop Universal Modulator», in Proceedings of the 42nd IEEE Vehicular Technology Conference, Denver, USA, VTC-92, May 1992, pp. 759-763.

8. Donald C. Cox, «Linear Amplification by Sampling Techniques: A New Application for Delta Coders», IEEE Transactions on Communications, vol. COM-23, August 1975, pp. 793-798.

9. Michael Faulkner and Mats Johansson, «Adaptive Linearisation using Predistortion Experimental Results», IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol.43, No. 2, May 1994, pp. 323-332.

10. James K. Cavers, «Amplifier Linearization Using a Digital Predistorter with Fast Adaptation and Low Memory Requirements», IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol.39, No. 4, November 1990, pp. 374-382.

11.Yoshinori Nagata, «Linear Amplification Technique for Digital Mobile Communications», in Proceedings of the 39th IEEE Vehicular Technology Conference, USA, VTC-89, May1989 pp. 159-164.

12. V. Petrovic and A. N. Brown, «Application of Cartesian Feedback to HF SSB Transmitters», in Proceedings of IEE Conference on HF Communications Systems and Techniques», February 1985, pp. 81-85.

13. A New Linnerization Method for Cancellation of Third Order Distortion, Konrad Miehle, the University of North Carolina, Charlotte, USA, 2003.

МОЛОДЦОВ Александр Сергеевич, аспирант кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики».

Адрес для переписки: ya_one@mail.ru

Статья поступила в редакцию 12.12.2011 г.

© А. С. Молодцов

УДК 004 056 В. А. МАИСТРЕНКО

И. В. АЮТОВА

Омский государственный технический университет

Сургутский государственный университет

ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС АНАЛИЗА ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ ПЕРСОНАЛЬНЫХ ДАННЫХ ВУЗА

Рассматривается решение актуальной задачи приведения информационной системы персональных данных вуза в соответствие с требованиями законодательства. Применение разработанного программного комплекса на этапе предпроектного обследования позволяет оптимизировать решение задачи защиты персональных данных в вузе.

Ключевые слова: персональные данные, вуз, защита информации, программный комплекс.

Вопросы информационной безопасности, в том числе касающиеся защиты персональных данных (ПДн), необходимость их эффективного решения, признаются в числе приоритетных и требуют мобилизации усилий как на основе анализа ситуации и использования накопленного за предыдущие годы опыта работы, так и посредством применения новых подходов в деятельности, связанной с защитой информации [1].

С 1 января 2007 г. вступил в силу Федеральный закон «О персональных данных» [2]. ПДн — это важная и ценная информация о человеке, поэтому, заботясь о соблюдении прав своих граждан, государство требует от организаций и физических лиц обеспечить надежную защиту ПДн [3].

В рамках реализации функции по осуществлению государственного контроля (надзора) за соответствием обработки персональных данных требованиям законодательства Российской Федерации, Уполномоченным органом в 2010 году проведены 1253 проверки в отношении операторов, осуществляющих обработку персональных данных, из них 804 плановые и 449 внеплановых проверок [1].

По результатам проведенных проверок выдано 1908 предписаний об устранении выявленных нарушений, составлено и направлено на рассмотрение в суды 2996 протоколов об административных правонарушениях [1].

Оператор — государственный орган, муниципальный орган, юридическое или физическое лицо, орга-