УСТРОЙСТВО ЛИНЕЙНОГО УСИЛЕНИЯ СИГНАЛА С АМПЛИТУДНОЙ И ФАЗОВОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕЛИНЕЙНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Устройство линейного усиления сигнала с амплитудной и фазовой модуляцией с использованием нелинейных усилителей. Полезная модель относится к технике связи и может использоваться в передающих и ретранслирующих устройствах для линейного усиления сигнала с амплитудной и фазовой модуляцией с использованием нелинейных усилителей.
Известно устройство линейного усиления сигнала с амплитудной и фазовой модуляцией с использованием нелинейных усилителей [1], содержащее сумматор, выход которого является выходом устройства, два идентичных нелинейных усилителя мощности, выходы которых подсоединены к входам сумматора, фазовращатель на угол 90° и ограничитель, вход которого подсоединен к входу устройства, а выход - к входу фазовращателя на угол 90°.
Однако известное устройство не является достаточно простым, поскольку имеет два фазовых модулятора, являющихся относительно сложными устройствами, инвертор и амплитудный детектор. Кроме того, известное устройство приводит к высоким искажениям при усилении сигнала, возникающим вследствие неидентичности фазовых модуляторов. Известны и другие устройства линейного усиления сигнала с амплитудной и фазовой модуляцией с использованием нелинейных усилителей, содержащие сумматор, выход которого является выходом устройства и два идентичных нелинейных усилителя мощности, выходы которых подсоединены к входам сумматора. Так в устройствах, предложенных в [2-7], применяется блок цифровой обработки квадратурных компонент входного сигнала на видеочастоте, использование которого подразумевает включение в схему двух квадратурных модуляторов, неидентичность которых приводит к искажениям при усилении сигнала [8]. Кроме двух модуляторов и блока цифровой обработки в предложенных устройствах используются демодулятор для переноса входного сигнала на видеочастоту, аналого-цифровые преобразователи, цифро-аналоговые преобразователи и восстанавливающие фильтры, что приводит к относительной сложности устройства.
Технический результат полезной модели заключается в упрощении устройства и уменьшении искажений, возникающих при усилении сигнала. Для достижения указанного технического результата предлагается устройство, содержащее сумматор, выход которого является выходом устройства, два идентичных нелинейных усилителя мощности, выходы которых подсоединены к входам сумматора, фазовращатель на угол 90° и ограничитель, вход которого подсоединен к входу устройства, а выход - к входу фазовращателя на угол 90°, отличающееся тем, что в устройство введены блок формирования первой составляющей входного сигнала устройства с постоянной амплитудой (далее - блок формирования), выход которого подсоединен к входу первого нелинейного усилителя мощности, а первый, второй и третий входы блока формирования подсоединены соответственно к входу устройства, выходу ограничителя и выходу фазовращателя на угол 90°, и блок преобразования первой составляющей входного сигнала устройства с постоянной амплитудой во вторую составляющую входного сигнала с постоянной амплитудой (далее - блок преобразования), выход которого подсоединен к входу второго нелинейного усилителя мощности, а первый, второй и третий входы блока преобразования подсоединены соответственно к выходу блока формирования, выходу фазовращателя на угол 90° и выходу ограничителя, при этом, блок преобразования содержит фазовращатель на угол 90°, вход которого является первым входом блока преобразвания, перемножитель, входы которого являются вторым и третьим входами блока преобразования, смеситель, входы которого подсоединены к выходам перемножителя и фазовращателя на угол 90°, а выход является выходом блока преобразования, блок формирования содержит пиковый детектор, вход которого подсоединен к первому входу блока формирования, управляемый аттенюатор, один вход которого подсоединен ко входу блока формирования, а второй - к выходу пикового детектора, вычитатель, один вход которого подсоединен к выходу управляемого аттенюатора, а другой - к выходу блока формирования, фазовый детектор, один вход которого подсоединен к выходу вычитателя, а другой - к второму входу блока формирования, усилитель нижних частот, вход которого подсоединен к выходу фазового детектора, фазовый модулятор, один вход которого подсоединен к выходу усилителя нижних частот, другой вход - к третьему входу блока формирования, а выход - к выходу блока формирования.
На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема предложенного устройства. Устройство содержит блок формирования 1, блок преобразования 2, два идентичных нелинейных усилителя мощности 9 и 16, сумматор 10, ограничитель 11, фазовращатель 12 на угол 90°. При этом, блок формирования 1 содержит пиковый детектор 3, управляемый аттенюитор 4, вычитатель 5, фазовый детектор 6, усилитель нижних частот 7, фазовый модулятор 8, а блок преобразования 2 содержит фазовращатель 13 на угол 90°, перемножитель 14 и смеситель 15.
Устройство работает следующим образом.
in
На вход устройства поступает произвольный радиосигнал S(t), модулированный по амплитуде и фазе
который всегда может быть представлен в виде суммы двух сигналов, модулированных по фазе, с равными постоянными амплитудами
m
t
где A=maxA(t) - максимальное значение амплитуды входного сигнала, а , соответствующие представлению амплитуды входного сигнала в виде
in
Входной сигнал S(t) поступает на первый вход блока формирования 1 и на вход ограничителя 11.
in
Из входного сигнала S(t) в ограничителе 11 выделяется фазомодулированная составляющая p(t) с постоянной амплитудой, поступающая на второй вход блока формирования 1, на вход фазовращателя 12 на угол 90° и на третий вход блока преобразования 2,
Фазовращатель 12 поворачивает на 90° по фазе поступивший на его вход сигнал p(t) с выхода ограничителя 11. Получившийся сигнал q(t)
поступает на третий вход блока формирования 1 и на второй вход блока преобразования 2.
in
Сигналы S(t), p(t), q(t), поступившие на входы блока формирования 1, преобразуются в нем следующим образом.
in
m
in
in
Сигнал S(t) с первого входа блока поступает на вход пикового детектора 3, на выходе которого формируется максимальное значение A входного сигнала S(t) во времени, и на вход управляемого аттенюатора 4, в котором сигнал S(t) ослабляется в . Полученный на выходе управляемого аттенюатора сигнал x(t)
in
поступает на вход вычитателя 5. На другой вход вычитателя 5 поступает сигнал S(t) с выхода фазового модулятора 8, образованный путем модуляции сигнала q(r) с третьего входа блока формирования 1 сигналом θ*(t) с выхода усилителя нижних частот 7:
Сигнал на выходе вычитателя 5 представляет собой разность d(t) сигналов x(t) и :
Сигнал d(t) с выхода вычитателя 5 совместно с сигналом p(t) со второго входа блока формирования 1 поступают на входы фазового детектора 6, в котором осуществляется их перемножение и фильтрация нижних частот, исключающая вторую гармонику сигнала. Таким образом, на выходе фазового детектора 6 формируется сигнал u(t), равный:
УНЧ
Далее сигнал u(t) усиливается в усилителе нижних частот 7 в G раз, формируя на выходе усилителя нижних частот 7 сигнал θ*(t):
m
Из (12) следует, что большое значение коэффициента  приводит к равенству A(t)=A·sin(θ*(t)), сопоставление которого с (5) позволяет сделать вывод о равенстве сигнала θ*(t) углу θ(t) и о том, что сигнал (9) на выходе фазового модулятора 8 (выходе блока формирования 1) представляет собой первую составляющую (3) входного сигнала, умноженную на :
in
Сигнал S(t) с выхода блока формирования 1 поступает на первый вход блока преобразования 2. Сигналы , q(t) и p(t), поступившие на входы блока преобразования 2, преобразуются в нем следующим образом.
in
В перемножителе 14 перемножаются сигналы q(t)и p(t) со второго и третьего входов блока преобразования 2, формируя сигнал с постоянной амплитудой и полной фазой, равной удвоенной полной фазе сигнала S(t):
Получившийся сигнал совместно с предварительно повернутым в фазовращателе 13 на угол 90° сигналом с первого входа блока преобразования  (9) поступают на смеситель 15, настроенный на разностную частоту, формируя на выходе блока преобразования сигнал
пропорциональный второй компоненте входного сигнала (4) с коэффициентом пропорциональности :
Амплитуда сигнала К на выходе ограничителя 11 выбирается равной 2. В этом случае сигналы  (13) и  (16) на выходе блока формирования 1 и блока преобразования 2 имеют равные амплитуды.
Полученные на выходах блоков формирования 1 и преобразования 2 сигналы  и  раздельно усиливаются в идентичных нелинейных усилителях мощности 9 и 16. На выходах усилителей мощности 9 и 16 формируются усиленные копии  и  усиливаемых сигналов  и :
где G - значение коэффициентов усиления идентичных усилителей 9 и 16 мощности, а Δt - значение задержки сигналов при их усилении. Поступающие на вход усилителей мощности 9 и 16 сигналы  и  имеют постоянные амплитуды, следовательно, в течение всего времени работы усилители мощности «находятся» в фиксированных точках амплитудно-амплитудной и фазово-амплитудной характеристик. Такое функционирование усилителей мощности 9 и 16 приводит к отсутствию нелинейных искажений при усилении в каждом из трактов вне зависимости от выбора режима работы по выходной мощности. В том числе, усилители мощности 9 и 16 могут работать в режимах с максимальными выходной мощностью и/или КПД, лучшим образом используя свой энергетический потенциал.
Усиленные копии  и  усиливаемых сигналов  и  складываются в сумматоре 10, формируя выходной сигнал устройства. С учетом (17) сигнал на выходе устройства выражается следующим образом:
in
и представляет собой линейно усиленную в  раз и задержанную во времени на Δt реплику входного сигнала S(t) (2):
Таким образом, предлагаемое устройство осуществляет линейное усиление сигнала с амплитудной и фазовой модуляцией с использованием нелинейных усилителей.
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ
1. Сох D.C. Linear amplification with nonlinear components. - IEEE, 1974. - 4 p.
2. Bateman Α., Wilkinson R.J., Marvill J.D. The application of digital signal processing to transmitter linearization. - IEEE, 1988. - pp. 64-67
3. Bateman Α., Haines D.M, Wikinson K.J. Linear tranceiver architectures. - 38th IEEE Veh. Technol. Conf. May 1988, pp. 478-484.
4. Casadevall F.J. The LINC transmitter. - RF Design, pp. 41-18, Feb. 1990.
5. Hetzel S.A., Bateman Α., and McGeehan J.P. A LINC transmitter. - IEEE Electron. Lett., vol. 27, no. 10, pp. 844-846, May 1991.
6. Casadevall F.J., Valdovinos A. Performance analysis of QAM modulations applied to the LINC transmitter. - IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 42, no. 4, pp. 399-406, Nov. 1993.
7. Wang Q., Zhong Z., Lin X. An improved SCS algorithm based on LINC transmitter. - IEEE, 2010. - pp. 789-792.
8. Sundström L. Spectral sensitivity of LINC transmitters to quadrature modulator misalignments. - IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 49, no. 4, pp. 1474-1487, Jul. 2000.