Система дистанционного повышения линейности высокочастотных усилителей мощности
REMOTE LINEARITY ENHANCEMENT SYSTEM FOR HIGH-FREQUENCY POWER AMPLIFIERS

Область техники
Изобретение относится к области радиотехники, в частности к радиопередающим устройствам для создания усилителей мощности с низким уровнем внеполосных излучений, используемых в системах мобильной радиосвязи, сотовых системах телерадиовещания и радиорелейных линиях.
Уровень техники
Современные средства радиосвязи такие, как мобильные системы связи, сотовое телевидение или радиорелейные линии строят на основе сети базовых станций, распределенных на территории обслуживания. Такие системы связи в своем составе в том или ином виде содержат подсистему управления, осуществляющую контроль и управление системой в целом и базовыми станциями в частности, а также могут содержать вынесенные блоки обработки сигнала, которые обслуживают несколько базовых станций и соединены с ними двунаправленными фиксированными цифровыми линиями связи. Например, в мобильных сетях стандарта GSM имеется контроллер базовых станций Base Station Controller (ВSC), в сетях стандарта UMTS контроллер Radio Network Controller (RNC).  Сети стандарта LTE имеют плоскую сетевую структуру, и базовые станции этого стандарта одновременно выполняют функции контроллера. (См. 3GPP TS 32.102 version 16.0.0 Release 16, Digital cellular telecommunications system (Phase 2+) (GSM); Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); LTE; Telecommunication management; Architecture). При этом широкое распространение получила распределенная структура базовых станций, при которой они разделены на радиоблок (RRU) и блок базового диапазона (BBU). Блок обработки BBU может обрабатывать сигналы от нескольких радиоблоков RRU.
Структура сетей 5G предполагает виртуализацию сетевых функций элементов сети с помощью облачных вычислений (3GPP TS 23.501 V17.2.0 (2021-09) Technical Specification 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Services and System Aspects; System architecture for the 5G System (5GS); Stage 2, стр. 28, 34, 279-286) в том числе функций блока BBU (ETSI White Paper No. 23 Cloud RAN and MEC: A Perfect Pairing, ISBN No. 979-10-92620-17-7).
Блоки базового диапазона BBU соединены с радиоблоками RRU и другими элементами сети фиксированными высокоскоростными двунаправленными цифровыми линиями связи.
Переход на цифровое программное формирование сигнала, объединение аппаратных средств блоков BBU, и более эффективная загрузка вычислительных ресурсов, путем их перераспределения, позволяют снизить стоимость строительства и эксплуатации сети. Однако требуемая емкость фиксированных линий связи между радиоблоками RRU и другими блоками системы связи существенно возрастает с переходом на новое поколение систем мобильной связи и с увеличением скорости передачи данных, что приводит увеличению количества и стоимости фиксированных линий связи. Таким образом существует задача снижения объема информации, передаваемой между блоками входящих в систему связи.
В патенте RU2364057C2 "СИСТЕМА РАСПРЕДЕЛЕННЫХ БАЗОВЫХ СТАНЦИЙ, СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ СЕТИ, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКУЮ СИСТЕМУ, И БЛОК БАЗОВОГО ДИАПАЗОНА" предложена система распределенных базовых станций, содержащая один или несколько блоков базового диапазона (BBU) и один или несколько радиоблоков (RRU). Блок базового диапазона (BBU) и радиоблоки (RRU) содержат интерфейсные блоки и соединены друг с другом через фиксированные высокоскоростные двунаправленные цифровые линии связи.  При этом радиоблок (BBU) в своем составе содержит радиопередающее устройство - блок усилителя мощности.
В патенте RU2556081C1 "СИСТЕМА СВЯЗИ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЕЮ" в состав системы связи помимо радиоблоков (RRU), блока базового диапазона (BBU) и централизованного вычислительного узла введены промежуточные (локальные) вычислительные уровни (узлы), осуществляющие промежуточную, частичную обработку сигнала в восходящем (UL) и нисходящем (DL) направлении связи. При этом обработка сигнала выполняет одну или несколько следующих функций: обработка данных, совместная обработка управления помехами, совместная обработка планирования ресурсов, совместная обработка планирования вычислительных задач, обработка нескольких систем связи различных стандартов и совместное управление режимом работы или состоянием включения-выключения удаленного радиоблока и/или блока основной полосы частот. Это позволяет использовать линии связи между блоками с меньшей пропускной способностью.
Интенсивное использование радиочастотного спектра обостряет проблему ЭМС радиосредств, работающих в соседних полосах частот.  Основным источником помех в таких условиях являются внеполосные излучения, которые возникают, в основном, в выходных высокочастотных усилителях мощности (УМ). Энергетически эффективные УМ с высоким КПД работают в нелинейных режимах и создают недопустимый уровень внеполосных излучений. В связи с этим современные радиопередающие устройства, входящие в состав базовых станций, как правило, содержат устройства линеаризующие такие усилители мощности или компенсирующие внеполосные излучения.
В патенте US 8,213,884 B2 "BASEBAND-DERIVED RF DIGITAL PREDISTORTION" описано цифровое устройство компенсации искажений высокочастотного УМ, основанное на введении предыскажений в сигнал на входе УМ. Формирование предыскажений осуществляется с использованием корректирующих коэффициентов, предварительно записанных в таблицу поиска (LUT). Заполнение таблицы поиска осуществляется в процессе работы УМ путем сравнения его входного и выходного сигналов, вычисления ошибки и корректирующих коэффициентов для соответствующих уровней входного сигнала. Эти вычисления проводятся в блоке алгоритма адаптации.
Данное устройство позволяет компенсировать искажения, возникающие при изменении амплитудной характеристики УМ в процессе эксплуатации, однако наличие в каждом радиопередающем устройстве блока алгоритма адаптации увеличивает его стоимость. Это особенно заметно при использовании в системе связи большого количества радиоблоков (RRU), каждое из которых содержит как минимум одно радиопередающее устройство.
При переносе функций блока алгоритма адаптации в блок базового диапазона (BBU) или при виртуализации его функций, например, на основе облачных вычислений необходимо существенное расширение пропускной способности фиксированных линий связи между блоками RRU и BBU или облачной платформой, т.к. потребуется передача по ним еще одного оцифрованного сигнала базовой полосы частот с выхода усилителя мощности.
В патенте RU 2 433 522 C1 "СИСТЕМА И СПОСОБ ЛИНЕАРИЗАЦИИ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ" описан способ линеаризации УМ, в котором на этапе его изготовления с помощью специализированного измерительного стенда выполняют индивидуальную калибровку каждого УМ и калибровочные коэффициенты записывают в таблицу поиска (LUT). При эксплуатации осуществляется формирование предыскажений сигнала путем извлечения из таблицы поиска (LUT) корректирующих коэффициентов, соответствующих уровню входного сигнала и условиям эксплуатации УМ.
Отсутствие в радиопередающем устройстве цепей, корректирующих коэффициенты таблицы поиска в процессе эксплуатации, снижает стоимость устройства, однако необходимость индивидуальной калибровки УМ для всех возможных условий эксплуатации ведет к дополнительным затратам времени при его изготовлении и увеличивает размер таблицы поиска. Кроме того, такой способ не позволяет учесть изменение характеристик УМ в процессе старения.
Наиболее близким аналогом предлагаемого радиопередающего устройства, является устройство, предложенное в заявке на изобретение № 2020143494 от 28.12.2020 "СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЛИНЕЙНОСТИ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ". Радиопередающее устройство (1) (см. фигуру 1) содержит последовательно включенные первый сумматор (2) и УМ (3). Вход сумматора (2) является входом устройства, а выход УМ (3) – выходом устройства. Устройство также содержит контур регулирования (4) для взаимного выравнивания амплитуд, фаз и задержки входного и выходного сигналов. При этом один вход контура регулирования (4) подключен к выходу устройства, а другой - ко входу устройства. Устройство содержит второй сумматор (5), вычитающий вход которого подключен, к первому выходу контура регулирования (4), а другой вход сумматора (4) подключен ко второму выходу контура регулирования (4). При этом соответственно на первом и втором выходах контура регулирования (4) формируется входной и выходной сигналы УМ, сбалансированные по амплитуде, фазе и задержке. Устройство также содержит последовательно включенные блок расчета параметров функции предыскажений (6), ключ (7), блок функции предыскажений (8) и блок выравнивания фазы (9). При этом вход блока выравнивания фазы (9) подключен к выходу блока функции предыскажений (8), а его выход – ко второму входу первого сумматора (2). Второй вход блока функции предыскажений (8) подключен ко входу устройства. Первый вход блока расчета параметров функции предыскажений (6) подключен к первому выходу контура регулирования (4), а второй вход – к выходу второго сумматора (5). При выполнении контура регулирования (4), сумматора (5) и блока расчета параметров функции предыскажений (6) в цифровом виде, их функции могут быть объединены в вычислительном модуле (10).
Работа устройства осуществляется следующим образом. В вычислительном модуле (10) после выравнивания амплитуд, фаз и задержек входного и выходного сигнала в контуре регулирования (4), сигналы поступают на второй сумматор (5), на выходе которого формируется сигнал искажений. Используя сигнал искажений и входной сигнал, прошедший контур регулирования (4), в блоке расчета параметров функции предыскажений (6) вычисляют функциональную зависимость сигнала искажений от входного сигнала. Полученную функциональную зависимость передают в блок функции предыскажений (8) через замкнутый ключ (7). На второй вход блока функции предыскажений (8) поступает входной сигнал, по которому осуществляется вычисление значения функции предыскажений в данный момент времени. На выходе блока функции предыскажений (8) формируется компенсирующий сигнал. Затем в блоке выравнивания фазы (9) изменяется фаза компенсирующего сигнала так, чтобы в первом сумматоре (2) компенсирующий сигнал вычитался из входного сигнала устройства. Таким образом на выходе УМ искажения компенсируются.
Отклонение амплитудной характеристики УМ от первоначальной, является медленным процессом, связанным с изменениями условий окружающей среды и старением элементов, поэтому изменение параметров функции предыскажений также будет медленным процессом. Вычисление этих параметров в вычислительном модуле (10) можно проводить эпизодически в зависимости от условий эксплуатации радиопередающего устройства.
Таким образом данное устройство позволяет компенсировать искажения, возникающие при изменении амплитудной характеристики УМ в процессе эксплуатации, однако наличие в каждом радиопередающем устройстве вычислительного модуля (10) увеличивает его стоимость при производстве и эксплуатации, требует задействования в устройстве дополнительных вычислительных мощностей для расчета параметров функции предыскажений. При этом сам модуль используется эпизодически. Затраты возрастают при использовании технического решения в системах связи с большим количеством радиопередающих устройств.
Раскрытие сущности изобретения
Система дистанционного повышения линейности высокочастотных усилителей мощности содержит одно или несколько радиопередающих устройств (1) и расположенный удаленно вычислительный узел (11), которые взаимодействуют между собой через фиксированные двунаправленные цифровые служебные каналы передачи данных (12) (см. фигуру 2).
Каждое радиопередающее устройство (1) содержит, но не ограничиваясь, включенные последовательно сумматор (2) и УМ (3). Первый вход сумматора (2) является входом устройства, а выход УМ (3) – выходом устройства. Каждое радиопередающее устройство (1) также содержит включенные последовательно блок функции предыскажений (8) и блок выравнивания фазы (9). При этом первый вход блока функции предыскажений (8) подключен ко входу устройства, а выход блока выравнивания фазы (9) подключен ко второму входу сумматора (2). Дополнительно в радиопередающее устройство (1) введены блок цифрового преобразования (13), вход которого подключен к выходу усилителя мощности (3), блок памяти (14), первый вход которого подключен ко входу устройства, а второй вход – к выходу блока цифрового преобразования (13). Веденный в устройство блок интерфейсов служебного канала 1 (15) обеспечивает передачу цифровых данных из блока памяти (14) через служебный канал (12) в вычислительный узел (11), прием данных из служебного канала (12) и распределение их в соответствии с принадлежностью между блоком функции предыскажений (8) и вновь веденным блоком управления 1 (16), который осуществляет управление блоком функции предыскажений (8), блоком памяти (14) и блоком интерфейсов служебного канала 1 (15).
Вычислительный узел (11) содержит программный вычислительный модуль (10), обменивающийся данными через блок интерфейсов служебного канала 2 (17) по служебному каналу (12) с радиопередающими устройствами (1) и блок управления 2 (18), который осуществляет управление вычислительным модулем (10) и радиоустройствами (1).
Работа системы осуществляется следующим образом.
В каждом радиопередающем устройстве (1) аналоговый выходной сигнал усилителя мощности (3) преобразовывается в цифровую форму в блоке цифрового преобразования (13) и запоминается в блоке памяти (14). Одновременно с этим входной сигнал радиопередающего устройства (1), имеющий цифровую форму также запоминается в блоке памяти (14). Таким образом в блоке памяти (14) сохраняются цифровые реализации входного и выходного сигнала радиопередающего устройства (1).
По команде блока управления 2 (18), подаваемой на одно из радиопередающих устройств (1) системы, блок управления 1 (16) организует передачу из блока памяти (14) хранящиеся в нем цифровые реализации входного и выходного сигнала радиопередающего устройства (1) в вычислительный модуль (10).
Вычислительный модуль (10) программно осуществляет выравнивание амплитуд, фаз и задержек цифровых реализаций входного и выходного сигнала радиопередающего устройства (1), и вычисляет значения параметров функции предыскажений. О завершении расчетов вычислительный модуль (10) сообщает блоку управления 2 (18) соответствующей командой. После чего, по команде блока управления 2 (18) вычисленные значения параметров функции предыскажений через служебный канал (12) записываются в блок функции предыскажений (8) радиопередающего устройства (1).
Аналогичным образом по запросу блока управления 2 (18) осуществляется вычисление и передача значений параметров функции предыскажений для других радиопередающих устройств (1), подключенных к вычислительному узлу (11).
Таким образом вычислительный узел (11) осуществляет последовательный опрос, считывание, вычисление и обновление значений параметров функции предыскажений радиопередающих устройств, использующихся в сети связи.  При этом не требуется непрерывная передача оцифрованного выходного сигнала УМ по фиксированными высокоскоростным двунаправленным цифровым линиям связи между элементами сети.
Непосредственно программный вычислительный узел в зависимости от конфигурации сети связи может быть полностью виртуализирован, или расположен в одном из стандартных блоков, предусмотренных структурой сети, например, но не ограничиваясь, в блоке базового диапазона (BBU), в контроллере базовых станций (BSC), в подсистеме управления сетью, или ином промежуточном вычислительном узле.
Размещение программного вычислительного модуля в удаленном вычислительном узле дает возможность его быстрой и дешевой замены на системном уровне при разработке более эффективных алгоритмов вычисления значений параметров функции предыскажений, а также упрощает его обслуживание.
Краткое описание чертежей
На фигуре Фиг. 1 показана функциональная схема прототипа устройства, осуществляющего способ повышения линейности высокочастотных усилителей мощности.
На фигуре Фиг. 2 приведена функциональная схема предлагаемой системы  дистанционного повышения линейности высокочастотного  усилителя мощности.
Осуществление изобретения
Изобретение может быть осуществлено в соответствии со схемой, представленной на фигуре 2.
x
(t)
y(t)
I(t)
Q(t)
x
(t)
I
(t)
Q
(t)
in
in
in
in
Практически все функциональные блоки, входящие в состав радиопередающего устройства (1), могут быть выполнены в цифровом виде за исключением усилителя мощности (3), на выходе которого формируется аналоговый сигнал. Таким образом можно принять, что входной сигнал  имеет цифровую форму, а выходной сигнал  - аналоговую. Блок цифрового преобразования (13) преобразовывает аналоговый сигнал в цифровую форму. Преобразование может быть выполнено различными способами, например, в соответствии с общеизвестной схемой путем переноса аналогового сигнала на промежуточную частоту с последующим аналогово-цифровым преобразованием. Такой способ применим для узкополосных сигналов. Блок цифрового преобразования (13) также может быть выполнен в виде известного квадратурного преобразователя сигнала в основную полосу частот с последующим аналого-цифровым преобразованием квадратурных каналов  и  в цифровую форму. Аналогично этому входной сигнал  может быть представлен в цифровой форме на промежуточной частоте или в виде квадратурных компонент  и .
x
(t)
y(t)
x
(t)
y(t)
in
in
Блок памяти (14) предназначен для хранения цифровых реализаций входного и выходного  сигнала и может быть выполнен в виде общеизвестного оперативного запоминающего устройства (ОЗУ). Размер необходимой памяти определяется разрядностью цифровых сигналов и , частотой выборки и необходимым количеством отсчетов сигнала для вычисления коэффициентов функции предыскажений. Например, при вычислении коэффициентов функции предыскажений по методу наименьших квадратов количество отсчетов должно быть много больше количества вычисляемых коэффициентов функции предыскажений.
Блоки интерфейсов служебного канала 1 (15) и 2 (17) осуществляют согласование цифровых потоков с параметрами служебного канала связи (12) и обеспечивают двухсторонний обмен информацией между радиопередающими устройствами (1) и вычислительным узлом (11). В предлагаемой системе по служебному каналу не требуется обмен данными в реальном масштабе времени и с высокой скоростью, при этом объем данных ограничен, что позволяет использовать практически любой из широко известных протоколов обмена данными, например, Ethernet. Функции блоков интерфейсов служебного канала 1 (15) и 2 (17) также можно возложить на уже имеющиеся в устройствах систем связи аналогичные блоки (например, на интерфейсные блоки в базовых станциях, радиоблоках (RRU), блоках основной полосы (BBU), вынесенных вычислительных центах и т.п.).
Учитывая малый объем данных и невысокую скорость обмена ими между радиоустройством (1) и вычислительным узлом (11), служебный канал (12) может быть организован на логическом или физическом уровне на основе уже имеющихся в системе связи фиксированных цифровых линий, соединяющих разнесенные блоки.
Блоки управления 1 (16) и 2 (18) реализуют процедуру взаимодействия элементов, входящих в систему дистанционного повышения линейности усилителя мощности, и могут быть выполнены на основе типовых контроллеров, микроЭВМ, интегральных схем специализированного назначения (ASIC), а также программируемых пользователем вентильных матриц и логических интегральных схем (ППВМ/ПЛИС, FPGA). Также функции этих блоков программно могут быть возложены на уже имеющиеся в устройствах систем связи аналогичные блоки.
x
(t)
y(t)
in
Вычислительный модуль (10) может быть реализован программно и выполняет выравнивание амплитуд, фаз и задержек цифровых реализаций входного  и выходного  сигнала, полученных из блока памяти (14) радиопередающего устройства (1), выделяет искажения выходного сигнала и вычисляет коэффициенты функции предыскажений.
Функционально модуль (10) может быть выполнен в соответствии с аналогичным модулем, описанным в прототипе (см. фигуру 1)
Блок функции предыскажений (8) совместно с блоком выравнивания фазы (9) может быть выполнен на основе ПЛИС, компьютера, DSP-процессора и прочих вычислительных устройств, как это описано в прототипе и выполняет аналогичные функции.