СПОСОБ ЛИНЕАРИЗАЦИИ АМПЛИТУДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК УСИЛИТЕЛЬНОГО ТРАКТА РАДИОСИГНАЛА
METHOD OF LINEARISING AMPLITUDE CHARACTERISTICS OF RADIO SIGNAL AMPLIFICATION PATH

Способ линеаризации амплитудных характеристик усилительного тракта радиосигнала относится к области формирования линейных амплитудных характеристик усилительных трактов радиосигналов, в том числе к усилителям мощности с использованием в трактах исходно нелинейных усилителей.
Известны способы формирования линейных амплитудных характеристик усилительных трактов - усилителей мощности, основанные на использовании дополнительных усилителей, работающих параллельно с основным, выполняющих функцию усилителя ошибок, компенсирующих нелинейные искажения, вносимые основным усилительным каналом, то есть компенсирующих отклонение амплитудной характеристики от линейной или коэффициента передачи тракта от номинального значения. Известные способы предполагают формирование сигналов ошибки, масштабирование, формирование и сложение в нагрузке основного искаженного сигнала с сигналом ошибки, формируемом в параллельном усилительном канале.
Все известные способы линеаризации решают одну и ту же задачу: устранить или минимизировать зависимость коэффициента передачи тракта от уровня входного сигнала, что соответствует линейной амплитудной характеристике, отсутствию искажения огибающей. Способы отличаются приемами достижения цели: предискажения, компенсация, коррекция - отдельно и в сочетании.
Наиболее близким к заявленному способу линеаризации амплитудных характеристик усилительного тракта является патент US №6111462 «RF power amplifier linearization using parallel RF power amplifiers having intermod-complementing predistortion path» от 29 августа 2000 года, МПК7 H03F 1/26, который взят за прототип.
В известном способе, близком к заявляемому по формированию сквозного постоянного коэффициента передачи, а значит и отсутствию нелинейных искажений, в том числе интермодуляционных, путем компенсации нелинейности характеристики основного усилителя с помощью другого параллельного усилителя, выходной сигнал которого компенсируют как ошибку отклонения характеристики основного усилителя от значения, определяющего его как линейный усилитель.
Компенсация продуктов нелинейности, порождаемых основным нелинейным усилителем, включает следующие операции:
1. Сравнение выходного искаженного сигнала с выхода основного нелинейного усилителя с эталонным сигналом и выделение сигнала искажения.
2. Суммирование сигнала ошибки с неискаженным эталонным входным сигналом и фазирование этих сигналов в противофазе.
3. Фазирование, усиление с нормированием уровня сигнала искажений и неискаженного сигнала в параллельном канале (усилителе) таким образом, чтобы в выходном сигнале параллельного усилителя фаза полезного неискаженного сигнала совпадала с фазой неискаженной составляющей выходного сигнала основного нелинейного усилителя, а выходные сигналы искажений основного и параллельного усилителей были бы равны по уровню и противофазны.
Последнее и определяет степень компенсации составляющих искажения сигналов в нагрузке, то есть качество линеаризации. Такой способ линеаризации, базирующийся на применении параллельного усилителя как усилителя ошибки, сопряжен с многократно выполняемыми операциями нормирования уровней и сопряжения фаз сигналов, к тому же параллельный усилитель не должен порождать дополнительные сигналы, то есть должен быть линейным.
На фиг.1 показана функциональная схема реализации способа компенсации сигналов, являющихся продуктами нелинейности амплитудной характеристики основного усилителя (по прототипу).
Функциональная схема известного изобретения содержит: основной нелинейный усилитель 1, параллельный усилитель 2, устройство сравнения 3, формирователь 4, суммирующее устройство 5, линии 6, 7, 8 задержки, процессор 9, аттенюаторы 11, 12, 13, управляемые фазовращатели 15, 16.
Входной сигнал как эталонный подается на вход основного нелинейного усилителя 1 и одновременно на первый вход устройства сравнения 3, на второй вход которого поступает масштабированный выходной сигнал основного усилителя 1, в котором кроме полезного неискаженного сигнала присутствуют составляющие спектра, образованные нелинейностью амплитудной характеристики основного усилителя 1. Выходное напряжение сравнивающего устройства 3 и эталонный входной, сбалансированный по амплитуде сигнал, поступают на входы формирователя 4, компенсирующего сигнал для канала параллельного усилителя в фазах и уровнях, обеспечивающих сдвиг фаз сигналов искажений на π при сохранении фазы полезного сигнала. Выходной сигнал формирователя 4, усиленный параллельным усилителем 2, поступает на суммирующее устройство 5, выход которого соединен с нагрузкой. Баланс фаз и амплитуд, совмещение по времени прихода сигнала на сравнивающее устройство 3, формирователь 4, суммирующее устройство 5 обеспечивается линиями задержки 6, 7, 8, процессором 9, аттенюаторами 11, 12, 13 и управляемыми фазовращателями 15, 16.
К недостаткам известного изобретения относится то, что система линеаризации, основанная на способе компенсации, эффективна только на фиксированной частоте или в узком диапазоне частот, где временные задержки условно постоянны и фазовые характеристики усилителей стационарны.
Целью заявленного изобретения является повышение линеаризации усилительного тракта, достижение эффективной работы усилительного тракта в широком диапазоне частот.
Заявленный технический результат достигается тем, что способ линеаризации амплитудных характеристик усилительного тракта радиосигнала, формируемый усилительными характеристиками двух параллельных усилителей, отличается тем, что номинальное значение коэффициента передачи усилительного тракта формируют как передаточную функцию двух усилителей параллельно включенных по входам и выходам и раздельно по управлению на двух взаимно исключающих участках амплитудной характеристики, причем на начальном малосигнальном участке амплитудной характеристики общий коэффициент передачи по модулю формируют как сумму коэффициентов передачи двух направленных звеньев: неуправляемого основного усилителя и вспомогательного управляемого параллельного усилителя, а на остальном вплоть до максимального входного уровня - регулировкой  коэффициента передачи основного усилителя при коэффициенте передачи вспомогательного параллельного усилителя, равном нулю при закрытом обесточенном режиме по току его выходных транзисторов, а компенсацию фазовых отклонений проводят по общему для обоих усилителей входному сигналу.
вх.гp
вх
вх.гp
Согласно заявленному способу комплексный коэффициент передачи усилительного тракта формируется как векторная сумма передачи синфазно сориентированных двух усилителей, состоящая из выходного уровня вспомогательного усилителя, управляемого в интервале уровней входного сигнала от до 0 до граничного для него уровня U, при котором основной усилитель имеет коэффициент передачи, равный номинальному, а вспомогательный параллельный усилитель при U, большем или равном U, имеет коэффициент передачи, равный нулю, и соответствие коэффициента передачи усилительного тракта из двух параллельных усилителей номинальному значению обеспечивается управляемым коэффициентом передачи основного усилителя.
Функциональная схема реализации заявленного способа приведена на фиг.2 и содержит: общий корректор 17 фазы, регулятор 18 основного усилителя 19, регулятор 20 вспомогательного параллельного усилителя 21, фильтр гармоник 22, процессор 23.
Входной сигнал через общий корректор 17 фазы подается на входы элементов управления уровнями входных сигналов, поступающих на входы каскадов усилителей через регулятор 18 на вход основного нелинейного усилителя 19 и через регулятор 20 на вход вспомогательного нелинейного усилителя 21, выходы которых подключены ко входу общего для обоих усилителей фильтра гармоник 22. Регуляторы 18 и 20, выходные каскады вспомогательного параллельного усилителя 21 и общий корректор 17 фазы управляются процессором 23, формирующим сигналы управления.
Заявленный способ включает установки необходимых сигналов управления для регулировок коэффициентами передачи усилителей, что заключается в следующем:
1. В тестовом режиме устанавливают коэффициент передачи вспомогательного параллельного усилителя 21 равным 0 и закрывают выходные каскады этого усилителя, устанавливают коэффициент передачи регулятора 18 основного усилителя 19 в номинальное значение.
вх.гp
2. Увеличивают пошагово от нулевого значения уровень входного сигнала усилительного тракта и фиксируют минимальную величину входного уровня, при котором коэффициент передачи основного усилителя будет равен номинальному (этот уровень и есть U).
3. Открывают и приводят в рабочий режим канал вспомогательного параллельного усилителя 21.
4. Пошагово (от нулевого значения) изменяя уровень входного сигнала генерируя коды, управляющие коэффициентов передачи регулятора 20 сигналов, фиксируют и табулируют (создают таблицу) значения управляющих сигналов регулятора 20, при которых для каждого входного уровня суммарный коэффициент передачи управляемого вспомогательного параллельного усилителя 21 и неуправляемого основного усилителя 19 равен номинальному значению управляющих сигналов (коды), которые заносят в ОЗУ в виде:
вх.гp
Адрес: код уровня входного сигнала от 0 до U
Данные: код управляющего сигнала для канала вспомогательного параллельного усилителя, обеспечивающего при уровне входного сигнала (код которого служит адресом ячейки ОЗУ) суммарный коэффициент передачи усилителя тракта, равного номинальному.
вх
вх.гp
Естественно, что при U, равном U, коэффициент передачи вспомогательного параллельного усилителя 21 равен нулю, а основной усилитель 19 в номинальном режиме имеет необходимый номинальный коэффициент передачи.
5. Сохраняя управляющее напряжение регулятора 20 вспомогательного параллельного усилителя 21, обеспечивающее равенство нулю его коэффициента передачи специальным сигналом, запирают выходные каскады вспомогательного параллельного усилителя 21 и шунтирует входы (базы, затворы) транзисторов для исключения инверсных токов.
вх.гp
maх
вх.гp
6. Тестово пошагово увеличивая уровень входного сигнала от U до U, как и для начального интервала 0 - U, и генерируя коды управляющих сигналов для регулятора 18 основного усилителя 19, фиксируют значения кодов для каждого установленного уровня входного сигнала, которые обеспечивают равенство управляемого коэффициента передачи основного нелинейного усилителя 19 номинальному значению.
Значения управляющих сигналов табулируют в ОЗУ:
вх.гp
max
Адрес: код уровня входного сигнала от U до U
Данные: соответствующий этому входному уровню управляющий сигнал для регулятора 18, обеспечивающий номинальное значение коэффициента передачи линеаризируемого усилительного тракта.
вх.гp
вх.гp
max
7. Усилительный тракт подготовлен к работе с реальным входным сигналом. В процессе работы непрерывно измеряется уровень входного сигнала, оцифровывается и в зависимости от интервала значений уровня (0 - U или U - U) из ОЗУ считываются коды управляющих сигналов, формируется кодовое или аналоговое воздействие на регулятор 20 или регулятор 18 соответственно, устанавливающее значение коэффициента передачи усилительного тракта, равное номинальному.
Изложенный выше способ линеаризации, как и все известные, сводящиеся к формированию постоянного независящего от уровня входного сигнала коэффициента передачи усилительного тракта, включает также и компенсацию паразитных отклонений фазовой характеристики от постоянной величины фазового сдвига выходного сигнала относительно фазы входного сигнала. Для чего в процессе тестирования и формирования данных для ОЗУ при равенстве коэффициента передачи усилительного тракта номинальному значению одновременно генерируют и фиксируют коды управления по коррекции фазы общего входного сигнала, обеспечивающего приведение разности фаз между выходным и входным сигналами усилительного тракта к принятому постоянному значению при всех градациях уровня входного сигнала, табулируют и вносят в ОЗУ Δφ как
Адрес: код уровня входного сигнала
0
Данные: код сигнала (напряжения) управления фазовым корректором, компенсирующим отклонение фазы при уровне входного сигнала, код которого является номером ячейки от номинального значения Δφ.
В заявленном способе сохранен общий для всех способов линеаризации принцип: обеспечение приемами управления уровнями сигналов, поступающих на входы нелинейных каскадов усилителей, таких значений уровней, которые обеспечивают постоянное значение коэффициента передачи сигнала по первой гармонике несущей от входа усилительного тракта до нагрузки при любом уровне входного сигнала в пределах динамического диапазона.
В заявленном способе постоянство коэффициента передачи усилительного тракта определяет постоянство суммы двух коэффициентов передачи основного и вспомогательного параллельного усилителей, отслеживаемой через автоматическую систему управления коэффициентами передачи раздельно для указанных усилителей.
Преимущество предлагаемого способа состоит в простоте реализации усилительного тракта, так как способ не предусматривает сложно удерживаемых в диапазоне частот динамических действий, как фазирование и совмещение времен задержек в каналах усилителей основного и вспомогательного параллельного для балансировки амплитуд.
вх.гp
вх.max
Запирание выходного каскада вспомогательного параллельного усилителя в интервале большого уровня входного сигнала снимает проблему суммирования сигналов по мощности, так как усилительный тракт в интервале входных сигналов от U до U - одноканальный.
Заявленный способ исключает режим сложения мощностей (коэффициентов передачи) двух параллельных усилителей, работающих при средних и больших (предельных) уровнях входного сигнала в режимах генераторов напряжений.
Заявленный способ линеаризации амплитудных характеристик усилительного тракта радиосигнала значительно упрощает работу усилителя и не накладывает жестких требований на фазовые соотношения сигналов в каналах усилителей. Разделение зон (по уровню входного сигнала) по управлению коэффициентами передачи усилителей, ограничение активного режима вспомогательного параллельного усилителя только начальной малосигнальной зоны и полное выключение вспомогательного параллельного усилителя как активного элемента вне этой зоны позволяет сформировать линейную амплитудную характеристику усилительного тракта даже при сугубо нелинейной характеристике основного усилителя вплоть до режима класса С.
На фиг.3 изображен график работы усилительного тракта, где
1
вх
K(U) - коэффициент передачи основного нелинейного усилителя (по модулю) как функция уровня входного сигнала;
вх
Δφ(U) - разность фаз между входным и выходным сигналами усилительного тракта (без коррекции фазы) как функция уровня входного сигнала;
0
К - коэффициент передачи усилительного тракта с управлением в интервале входных уровней 0-200 мВ коэффициентом передачи вспомогательного параллельного усилителя и в интервале 200-1000 мВ коэффициентом передачи основного усилителя;
0
Δφ - номинальное значение разности фаз (при коррекции отклонений до условного номинала 30°);
2
вх
упр
К(UЕ) - управляемый в интервале 0-200 мВ коэффициент передачи вспомогательного параллельного усилителя.