ФОРМИРОВАТЕЛЬ РАДИОСИГНАЛОВ С ЦИФРОВЫМ ПРЕДЫСКАЖЕНИЕМ ЧЕТНЫМИ ГАРМОНИКАМИ
RADIO SIGNAL FORMER WITH DIGITAL EVEN HARMONIC PREDISTORTION

Область техники
Изобретение относится к области радиопередающих устройств и может быть использовано в составе бортовой аппаратуры космических аппаратов.
Уровень техники
При усилении сигналов в усилителе мощности в составе радиопередающего устройства из-за свойственных активному элементу усилителя явлений амплитудной компрессии и амплитудно-фазовой конверсии возникают интермодуляционные искажения [1]. Продукты этих искажений - паразитные спектральные компоненты, некоторые из которых попадают в полосу усиления и не поддаются частотной фильтрации. Из таких компонент наиболее значительны по величине продукты интермодуляционных искажений третьего порядка.
Известны методы снижения продуктов интермодуляции третьего порядка [2] - это системы линеаризации, среди которых выделяются системы линеаризации предыскажением и цифровые системы предыскажения.
Однако аналоговые линеаризаторы сложны в предварительной настройке, имеют заметные ограничения по ширине полосы частот усиливаемых сигналов и не обеспечивают оперативной коррекции параметров линеаризации при изменении характера сигнала или режима работы усилителя.
Описанные цифровые системы предыскажения требуют большой логической емкости для реализации. Предлагаемое устройство формирования радиосигналов с предыскажением четными гармониками также относится к классу цифровых предыскажающих систем, однако требует меньших, чем у аналогов, логических ресурсов и таким образом устраняет указанные недостатки цифровых систем предыскажения.
В качестве ближайшего аналога можно выделить формирователь радиосигналов с цифровым линеаризатором по схеме патента RU №2438241, опубл. 27.12.2011. Однако для реализации такого цифрового линеаризатора требуется значительно большая логическая емкость, чем для предлагаемого решения.
Раскрытие изобретения
Заявленное техническое решение направлено на устранение недостатков аналога.
Технический результат заключается в уменьшении величины продуктов интермодуляционных искажений третьего порядка, расширении функциональных возможностей формирователя радиосигналов в составе радиопередающего устройства с малыми затратами логических ресурсов на реализацию.
Технический результат достигается тем, что формирователь радиосигналов с цифровым предыскажением четными гармониками, состоящий из цифрового блока вычисления четных гармоник, цифрового блока инвертирования, цифрового блока масштабирования, цифрового блока суммирования, цифрового блока временной задержки, цифроаналогового преобразователя и модулятора, причем первый вход формирователя радиосигналов с цифровым предыскажением четными гармониками является входом цифрового блока временной задержки и входом цифрового блока вычисления четных гармоник, причем выход цифрового блока вычисления четных гармоник соединен с входом цифрового блока инвертирования, выход которого соединен с входом цифрового блока масштабирования, выход которого соединен со вторым входом цифрового блока суммирования, первый вход которого соединен с выходом цифрового блока временной задержки, а выход цифрового блока суммирования соединен с входом цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с первым входом модулятора, второй вход модулятора является вторым входом формирователя радиосигналов с цифровым предыскажением четными гармониками, а выход модулятора является выходом формирователя радиосигналов с цифровым предыскажением четными гармониками.
Краткое описание чертежей
Заявляемый формирователь радиосигналов с цифровым предыскажением четными гармониками состоит из следующих частей (фиг.1):
1 - цифровой блок вычисления четных гармоник;
2 - цифровой блок инвертирования;
3 - цифровой блок масштабирования;
4 - цифровой блок временной задержки;
5 - цифровой блок суммирования;
6 - цифроаналоговый преобразователь;
7 - модулятор.
Осуществление изобретения
Входной цифровой сигнал формирователя в составе радиопередающего устройства, у которого старший разряд является знаковым, поступает на первый вход формирователя Вх1, который соединен с входом цифрового блока вычисления четных гармоник (блок 1 на фиг.1) и цифрового блока временной задержки (блок 4 на фиг.1). В блоке вычисления четных гармоник операцией возведения в квадрат формируется вторая гармоника входного сигнала. После возведения в квадрат из полученных отсчетов вычитается половина размаха полученного сигнала и, таким образом, из сигнала удаляется постоянная составляющая. Выходной сигнал блока вычисления четных гармоник поступает на вход блока инвертирования (блок 2 на фиг.1), где выполняется операция смены знака, что фактически означает инверсию старшего знакового разряда. С выхода блока инвертирования сигнал поступает на вход блока масштабирования (блок 3 на фиг.1), где осуществляется операция умножения на масштабирующий коэффициент, определяющий величину предыскажения. Далее выходной сигнал блока масштабирования поступает на второй вход блока суммирования (блок 5 на фиг.1), на первый вход которого поступает задержанный во времени блоком временной задержки (блок 4 на фиг.1) входной сигнал. Величина задержки определяется задержкой вычисления в цифровых блоках вычисления четных гармоник, инвертирования и масштабирования и, таким образом, на выходе цифрового блока суммирования формируется сигнал суммы входного сигнала и его инвертированной второй гармоники. С выхода цифрового блока суммирования суммарный сигнал подается на вход цифроаналогового преобразователя (блок 6 на фиг.1), на выходе которого формируется аналоговый сигнал, который поступает на первый модуляционный вход блока модулятора (блок 7 на фиг.1). На второй вход модулятора, который является вторым входом формирователя в целом Вх2, подается колебание несущей частоты от внешнего источника. Модулятор в соответствии с модулирующим сигналом модулирует несущую радиочастоту и на выходе модулятора, который является выходом формирователя в целом, формируется радиосигнал с предыскажением, которое компенсирует интермодуляционные искажения третьего порядка, вызванные нелинейностью усилительного тракта радиопередающего устройства.
Суть работы формирователя радиосигналов с цифровым предыскажением четными гармониками наглядно поясняется на примере формирования и усиления двухчастотного сигнала. Для формирования такого сигнала на вход формирователя подается цифровой сигнал соответствующий сигналу:
где Ω - частота отстройки гармоник двухчастотного сигнала от среднего значения. Тогда при отключенном блоке вычисления четных гармоник на выходе модулятора формируется сигнал
0
0
где ω - частота несущего колебания, φ - начальный фазовый сдвиг несущего колебания.
<mrow><msubsup><mi>ω</mi><mi>I</mi><mo>−</mo></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><mn>3</mn><mi>Ω</mi></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ω</mi><mi>I</mi><mo>+</mo></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mn>3</mn><mi>Ω</mi></mrow>
+
-
3
+
-
0
0
При усилении такого сигнала в спектре выходного сигнала усилителя из-за явлений амплитудной компрессии и амплитудно-фазовой конверсии активного элемента возникают интермодуляционные составляющие третьего порядка на частотах
,
. Это нетрудно подтвердить аналитически, если сумму полученных в выражении (2) косинусов возвести в куб: (cos(Ωt)-cos(Ωt)), где Ω=ω+Ω, a Ω=ω-Ω. В результате несложных алгебраических и тригонометрических преобразований получаются выражения для продуктов интермодуляционных искажений третьего порядка:
<mrow><msubsup><mi>Ω</mi><mi>I</mi><mo>+</mo></msubsup><mo>=</mo><mn>2</mn><msup><mi>Ω</mi><mo>+</mo></msup><mo>−</mo><msup><mi>Ω</mi><mo>−</mo></msup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Ω</mi><mi>I</mi><mo>−</mo></msubsup><mo>=</mo><mn>2</mn><msup><mi>Ω</mi><mo>−</mo></msup><mo>−</mo><msup><mi>Ω</mi><mo>+</mo></msup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Ω</mi><mi>I</mi><mo>+</mo></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>ω</mi><mi>I</mi><mo>+</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Ω</mi><mi>I</mi><mo>−</mo></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>ω</mi><mi>I</mi><mo>−</mo></msubsup></mrow>
где
, а
, причем
, а
.
При работе цифрового блока вычисления четных гармоник производится операция возведения в квадрат и удаление постоянной составляющей. При указанном входном сигнале эти преобразования можно представить в следующем виде:
Преобразования в цифровом блоке инвертирования можно представить в следующем виде:
Преобразования в цифровом блоке масштабирования можно представить в следующем виде:
а
где  - масштабный множитель.
На выходе блока суммирования формируется цифровой суммарный сигнал, который преобразуется цифроаналоговым преобразователем в аналоговое модулирующее напряжение:
Тогда на выходе модулятора формируется сигнал в следующем виде:
+
-
+
<mrow><msubsup><mi>Ω</mi><mi>I</mi><mo>+</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Ω</mi><mi>I</mi><mo>−</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Ω</mi><mn>2</mn><mo>+</mo></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>Ω</mi></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Ω</mi><mi>I</mi><mo>+</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>Ω</mi><mo>+</mo></msup><mi>t</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>Ω</mi><mn>2</mn><mo>+</mo></msubsup><mo>⋅</mo><mi>t</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>3</mn></msup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Ω</mi><mi>I</mi><mo>+</mo></msubsup></mrow>
При усилении такого сигнала в спектре выходного сигнала усилителя из-за явлений амплитудной компрессии и амплитудно-фазовой конверсии при интермодуляционном взаимодействия третьего порядка составляющих на частотах Ω, Ω возникают спектральные составляющие на частотах,
,
в соответствии с (3), (4). При интермодуляционном взаимодействии третьего порядка составляющих на частотах Ω,
возникает спектральная составляющая на частоте
. Причем, если рассмотреть аналитически
, в результате несложных алгебраических и тригонометрических преобразований можно получить выражение для интермодуляционной гармоники на частоте
:
которая противоположна по знаку, то есть противофазная, составляющей по выражению (3) и таким образом при сложении они компенсируются.
-
<mrow><msubsup><mi>Ω</mi><mn>2</mn><mo>−</mo></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><mn>2</mn><mi>Ω</mi></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Ω</mi><mi>I</mi><mo>−</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>Ω</mi><mn>2</mn><mo>−</mo></msubsup><mo>⋅</mo><mi>t</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>Ω</mi><mo>−</mo></msup><mo>⋅</mo><mi>t</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>3</mn></msup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Ω</mi><mi>I</mi><mo>−</mo></msubsup></mrow>
Также и при интермодуляционном взаимодействии третьего порядка составляющих на частотах Ω,
возникает спектральная составляющая на частоте
. Причем, если рассмотреть аналитически
, в результате несложных алгебраических и тригонометрических преобразований можно получить выражение для интермодуляционной гармоники на частоте
:
которая противофазная составляющей по выражению (4) и таким образом при сложении они компенсируются.
Очевидно, что при формировании и усилении полосового сигнала процессы взаимодействия будут идентичны описанным выше.
<mrow><msubsup><mi>Ω</mi><mn>2</mn><mo>+</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Ω</mi><mn>2</mn><mo>−</mo></msubsup></mrow>
Таким образом, введение в сигнал при формировании в цифровой области предыскажения четными гармониками вызывает компенсацию интермодуляционных составляющих третьего порядка. Однако при полной компенсации этих составляющих в спектре выходного сигнала остаются значительные по величине составляющие введенных предыскажением четных гармоник (на частотах
и
для рассмотренного примера), что решается подбором величины масштабного множителя в цифровом блоке масштабирования.
При недостаточной величине масштабного множителя интермодуляционные составляющие третьего порядка компенсируются незначительно, а при увеличении масштабного множителя они уменьшаются, но растут по величине введенные предыскажением четные гармоники. Наиболее оптимальным значением масштабного множителя является значение, при котором величина интермодуляционных компонент третьего порядка равна величине введенных предыскажением четных гармоник. Причем полученная величина интермодуляционных компонент третьего порядка будет много меньше, чем без внесения предыскажения, что было подтверждено экспериментально.
Таким образом, достигается технический результат - уменьшение величины продуктов интермодуляционных искажений третьего порядка, причем такой формирователь обладает некоторыми преимуществами перед указанным аналогом, а именно:
- для реализации описанных математических вычислений требуется меньше логических ресурсов, чем для аналога;
- формирователь с цифровым предыскажением четными гармониками более прост в предварительной настройке в сравнении с аналогом.
Список использованной литературы
1. Pedro J.C., Carvalho N.B. Intermodulation Distortion in Microwave and Wireless Circuits. Artech House, N.Y., 2003, pp.10-22.
2. Белов Л.А., Кондратов A.C., Рожков B.M., Ромащенко К.В. Повышение линейности и энергетической эффективности усилителей мощности широкополосных СВЧ-сигналов //-М.: Электросвязь, 2012, №5, с.23-25.