КОРРЕКТОР НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ Российский патент 2002 года по МПК H03F1/32 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в телевизионных передатчиках, ретрансляторах групповых сигналов и других устройствах, в которых осуществляется усиление радиосигналов с большим динамическим диапазоном амплитуд.

Усиление таких сигналов является актуальной и в то же время сложной технической задачей. Сложность ее заключается в том, что для работы устройства в энергетически выгодном режиме его активные элементы (лампы, транзисторы) должны как можно полнее использоваться по напряжению и току, что приводит к нелинейности амплитудной характеристики устройства и зависимости фазы выходного сигнала от амплитуды входного, то есть комплексной нелинейности устройства.

Для снижения нелинейных искажений при сохранении приемлемых энергетических показателей применяют различные технические приемы, одним из которых является предварительные искажения входного сигнала с помощью включаемого на входе устройства, например усилителя, нелинейного корректора. Возможные типы корректоров можно объединить в два класса. К первому классу относятся управляемые корректоры, построенные по принципу систем автоматического регулирования (см. книгу Каганов В. И. Проектирование транзисторных радиопередатчиков с применением ЭВМ. - М. : Радио и связь, 1988, с. 107, рис. 4.19, 4.20; заявку Японии N 61-55283, кл. Н 03 F 1/32, заявл. 23.07.81, опубл. 27.11.86 и др. ). Недостатками этого типа корректоров являются их сложность и низкая эффективность в том случае, когда входной сигнал является широкополосным. Это объясняется трудностями обеспечения требуемой полосы пропускания каналов управления корректором, которая должна в несколько раз превышать ширину спектра огибающей входного сигнала (см. упомянутую выше книгу В. И. Каганова, с. 107), а также сложностями обеспечения устойчивости и необходимых фазовых соотношений между спектральными составляющими сигналов в каналах управления.

Ко второму классу относятся неуправляемые корректоры с эмпирически подобранными характеристиками и синтезированные корректоры. Корректоры с эмпирически подобранными характеристиками (см. заявку DЕ N 3024 533, кл. Н 03 F 1/32, заявл. 22.06.80, опубл. 21.01.82, статью Стевард Р. Д. , Тусубира Ф. Ф. Линеаризация предыскажениями в усилителях для подвижных радиостанций УВЧ диапазона, Conf. Proc. - Tunbringe Wells. 1988, р. 1017. . . 1022, - Англ. и др. ) не гарантируют высокого качества коррекции при произвольной комплексной нелинейности устройства и широкой полосе спектра входного сигнала, поскольку возможности изменения характеристик такого корректора с целью подстройки к характеристикам нелинейности конкретного устройства ограничены. Так, описанный в упомянутой статье Стеварда и Тусубиры корректор не способен компенсировать амплитудно-фазовое преобразование (см. с. 1019 этой статьи), а возможность подавления искажений из-за нелинейности амплитудной характеристики усилителя экспериментально подтверждены лишь при узкой ширине спектра усиливаемого сигнала (порядка 0,02 %).

Известен корректор нелинейных искажений (см. статью Данилов Л. В. , Романюк С. Ф. О синтезе электрических цепей, компенсирующих неинелинейные искажения. Электронное моделирование, 1988, т. 10, N 2, с. 19). Это корректор включается на входе нелинейного устройства и представляет собой синтезируемый корректор нелинейных искажений.

Недостатком этого корректора является чрезвычайно широкая полоса частот, занимаемая спектром сигнала на выходе корректора в несколько раз превышающая среднюю частоту входного сигнала, так как в составе сигнала на выходе корректора присутствуют составляющие с высшими степенями входного сигнала. Полоса пропускания самого корректируемого устройства должна быть достаточной для пропускания предыскаженного сигнала. Поскольку обеспечение такой полосы пропускания практически невозможно, эффективность построенного таким образом корректора низка.

Известен корректор нелинейных искажений (см. заявку ЕР N 0243898, кл. Н 03 F 1/32, опубл. 04.11.87). Корректор состоит из разветвителя и сумматора сигналов, объединяющих по входу и выходу несколько каналов прохождения сигнала. С увеличением числа каналов эффективность коррекции теоретически растет.

Однако из-за резкого расширения спектра сигнала на выходе корректора с увеличением числа каналов высокая эффективности корректора практически недостижима.

Известен корректор нелинейных искажений (см. авт. свид. СССР N 1826123, кл. Н 03 F 1/32, 13.10.92), являющийся прототипом предлагаемого изобретения. Структура этого корректора может быть синтезирована по комплексной амплитудной характеристике корректируемого нелинейного устройства (см. статью Яковенко В. Д. Корректор нелинейных искажений устройств с комплексной нелинейностью. Труды ИИЭР - Российской конференции "микроволновая электроника больших мощностей: измерения, идентификация, применение. ИПП-МЭ"97" - Новосибирск: 23-25 сентября, 1997, с. 45-49. ).

Устройство состоит из разветвителя и сумматора сигналов, объединяющих по входу и выходу несколько взаимосвязанных каналов прохождения сигнала, каждый из которых, кроме первого, состоит из аттенюатора, перемножителя, разветвителя сигнала и фазовращателя, и амплитудного детектора с усилителем и разветвителем огибающей сигнала. Первый канал передает сигнал от точки разветвления входного сигнала до сумматора без изменения. На перемножитель второго канала поступает сигнал с разветвителя входного сигнала и огибающая сигнала с разветвителя огибающей. На перемножитель каждого последующего канала поступает сигнал с разветвителя сигнала предыдущего канала и огибающая сигнала с разветвителя огибающей. Построенный таким образом корректор существенно снижает сжатие огибающей и компенсирует амплитудно-фазовое преобразование в корректируемом нелинейном устройстве. С увеличением числа каналов эффективность корректора растет.

Однако при этом возрастает сложность реализации и настройки корректора вследствие взаимосвязанности каналов и необходимости подстройки как амплитудных, так и фазовых соотношений сигналов в каждом из каналов. Особые сложности в процессе реализации и настройки корректора связаны с необходимостью подстройки фазы из-за отсутствия простых, компактных и эффективных подстроечных фазовращателей.

Задачей предлагаемого изобретения является создание корректора нелинейных искажений имеющего более простую реализацию и настройку при сохранении его эффективности подавления нелинейных искажений широкополосных радиосигналов с большим динамическим диапазоном амплитуд в нелинейных устройствах с комплексным характером нелинейности.

Поставленная задача достигается тем, что в известный корректор нелинейных искажений, содержащий разветвитель входного сигнала, вход которого является входом устройства, амплитудный детектор, усилитель огибающей сигнала и разветвитель огибающей введены n каскадов, каждый из которых состоит из квадратурного разветвителя сигнала, двух каналов, первый из которых состоит из усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, второй - из перемножителя, и синфазного сумматора сигнала, а выходом устройства является сумматор сигналов последнего из каскадов, при этом первый выход разветвителя входного сигнала связан с квадратурным разветвителем первого каскада, второй выход разветвителя входного сигнала связан со входом амплитудного детектора, выход которого связан со входом усилителя огибающей, выход усилителя огибающей связан со входом разветвителя огибающей, выходы которого связаны со вторыми входами перемножителей вторых каналов каскадов, первый выход квадратурного разветвителя каждого из каскадов связан с усилителем с регулируемым коэффициентом усиления, выход усилителя связан с первым входом синфазного сумматора сигналов, второй выход квадратурного разветвителя каждого из каскадов связан с первым входом перемножителя, выход перемножителя связан со вторым входом синфазного сумматора, а выход синфазного сумматора каждого предыдущего каскада связан со входом квадратурного разветвителя сигнала последующего каскада.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами, где на фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого корректора нелинейных искажений, на фиг. 2 - типичные амплитудная и фазоамплитудная характеристики устройства с комплексной нелинейностью (транзисторного усилителя), а также амплитудная и фазоамплитудная характеристики корректора, рассчитанные по методике, изложенной в упомянутой выше книге Каганова на с. 102. На фиг. 3а приведены амплитудные характеристики усилителя без коррекции (кривая 1) и с коррекцией (линия 2), на фиг. 3б представлены фазоамплитудные характеристики усилителя без коррекции (кривая 1) и с коррекцией (кривая 2). На фиг. 4 представлена структурная схема экспериментального образца корректора с усилителем, на фиг. 5 приведены результаты расчетов спектров сигналов на выходе усилителя без корректора (фиг. 5а) и на выходе усилителя с корректором (фиг. 5б). Возможные реализации отдельных узлов предлагаемого корректора нелинейных искажений приведены на фиг. 6 - синфазный делитель (сумматор), на фиг. 7 - квадратурный делитель, на фиг. 8 - амплитудный детектор, на фиг. 9 - усилитель огибающей, на фиг. 10 - перемножитель сигналов, на фиг. 11 - разветвитель огибающей, на фиг. 12 - усилитель с регулируемым коэффициентом усиления. На фиг. 13 представлен возможный вариант построения квадратичного амплитудного детектора.

Корректор нелинейных искажений (фиг. 1) состоит из разветвителя входного сигнала 1, амплитудного детектора 2, усилителя огибающей сигнала 3, разветвителя огибающей 4, n каскадов 5.1, 5.2. . . 5. n, каждый из которых состоит из квадратурного разветвителя сигнала 6, двух каналов, первый из которых состоит из усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 7, а второй - из перемножителя 8, и синфазного сумматора сигналов 9. При этом первый выход разветвителя входного сигнала 1 связан со входом квадратурного разветвителя сигнала 6 первого каскада 5.1, первый выход каждого из каскадов которого связан со входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 7, выход которого связан с первым входом синфазного сумматора сигналов 9 этого каскада, второй выход квадратурного разветвителя сигнала каждого из каскадов 6 связан с первым входом перемножителя 8, выход которого связан со вторым входом синфазного сумматора сигналов 9 этого канала, выход синфазного сумматора сигналов предыдущего каскада 9 связан со входом квадратурного разветвителя сигнала 6 последующего каскада, второй выход разветвителя входного сигнала 1 связан со входом амплитудного детектора 2, выход амплитудного детектора 2 связан со входом усилителя огибающей сигнала 3, выход которого связан со входом разветвителя огибающей 4, каждый из выходов которого связан со вторым входом перемножителя 8 одного из каскадов корректора 5.1, 5.2. . . 5. n, вход разветвителя входного сигнала 1 является входом предлагаемого устройства, выход синфазного сумматора сигналов 9 последнего каскада 5. n является выходом корректора нелинейных искажений.

Конкретная реализация отдельных узлов предлагаемого корректора нелинейных искажений - разветвителя 1 и синфазного сумматора сигналов 9, квадратурного разветвителя 6, амплитудного детектора 2, усилителя огибающей сигнала 3, перемножителя 8, разветвителя огибающей сигнала 4, усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 7 не встречает принципиальных трудностей. В перспективном в отношении обеспечения широкой полосы пропускания корректора диапазоне СВЧ эти узлы могут быть реализованы в гибридном интегральном исполнении с использованием специализированных микросхем. Возможные варианты реализации этих узлов, приведенные на фиг. 6, . . . , 12 соответственно, описаны в обширной литературе (см. книги Радиопередающие устройства. Под ред. О. Д. Челнокова. - М. : Радио и связь, 1982, с. 121; Радиоприемные устройства. Под ред. Л. Г. Барулина. - М. : Радио и связь. 1984, с. 141, 197; Аналоговые интегральные микросхемы: Справочник /Б. П. Кудряшов и др. - М. : Радио и связь, 1981, с. 23; Монолитные интегральные приборы (краткий справочник и характеристики). - М. : ЦНИИ "Электроника", 1988, с. 36; Антенны и устройства СВЧ. Под ред. Д. И. Воскресенского. -М. : Радио исвязь, 1981, с. 366 и др. ). Принципы построения и способы реализации этих устройств общеприняты, известны специалистам и дополнительных пояснений не требуют.

Поскольку корректор нелинейных искажений включается на входе корректируемого устройства (например, усилителя), то он работает в режиме малых сигналов, что облегчает реализацию его отдельных узлов.

Предположим, что имеется усилитель с типичными амплитудной U_вых ^y(U_вх) и фазоамплитудной Ф_вых ^y(U_вх) характеристиками (фиг. 2). Амплитудная U_вых ^y(U_вх) и фазоамплитудная Ф_вых ^y(U_вх) характеристики корректора (фиг. 2) для компенсации нелинейных искажений этого усилителя рассчитаны по методике, изложенной в упомянутой выше книге Каганова на с. 102, 103. Комплексную амплитуду сигнала на выходе корректора (см. книгу Лосев А. К. Линейные радиотехнические цепи. - М. : Высш. школа, 1971, с. 58) можно представить в виде

где U_вых ^y(U_вх) - амплитудная, Ф_вых ^y(U_вх) - фазоамплитудная характеристики корректора; U_вх= U_вх(t) - огибающая входного сигнала.

Обозначим Y = U_вых ^K/U_выхmax ^K: А = U_вх/ U_выхmax. Тогда нормированная комплексная амплитуда сигнала на выходе корректора

а комплексный коэффициент передачи корректора по первой гармонике

Произведем аппроксимацию степенным полиномом с комплексными коэффициентами (см. книгу И. И. Привалов. Введение в теорию функций комплексного переменного. - М. : Наука, 1967, с. 197)

и представим в виде произведения элементарных сомножителей (см. книгу Курош Ф. Г. Курс высшей алгебры. -М. : Наука, 1971, с. 156)

где - корни полинома в общем случае комплексные.

Комплексная амплитуда сигнала на выходе корректора

Такому представлению соответствует структура корректора фиг. 1. Действительно, комплексная амплитуда сигнала на первом входе синфазного сумматора 9 (на выходе первого канала) первого каскада корректора с учетом сдвига фазы сигнала в квадратурном разветвителе сигнала 6 равна JK₁₁'A . Величина коэффициента передачи этого канала K₁₁' регулируется управляющим напряжением U₀₁' на управляющем входе усилителя с регулируемым коэффициентом усиления (см. фиг. 12). Сигнал на втором входе синфазного сумматора 9 (на выходе второго канала) первого каскада корректора равна K₁₁''A+K₁₂''A², где K₁₁'' - коэффициент передачи второго канала первого каскада корректора по амплитуде сигнала (управляется напряжением U₀₁'' на втором входе перемножителя 8), K₁₂'' - коэффициент передачи второго канала первого каскада корректора по квадрату амплитуды сигнала (управляется величиной огибающей снимаемой с первого выхода разветвителя огибающей сигнала 4; см. фиг. 10). Отсюда комплексная амплитуда сигнала на выходе синфазного сумматора 9 первого каскада корректора 5.1

где а₁' = K₁₂''; Аналогично находится комплексная амплитуда сигнала на выходе сумматора сигналов 9 второго каскада корректора 5.2

где K₂₁'' - коэффициент передачи второго канала второго каскада корректора по амплитуде входного сигнала Y₁(А); JK₂₁' - коэффициент передачи первого канала второго каскада корректора по комплексной амплитуде ;
K₂₂'' - коэффициент передачи второго канала второго каскада корректора по комплексной амплитуде
Рассуждая далее по аналогии, легко показать, что комплексная амплитуда сигнала на выходе n-го каскада корректора находится из соотношения

которое с точностью до множителя совпадает с выражением (1).

Таким образом, увеличение степени аппроксимирующего комплексный коэффициент передачи корректора по первой гармонике полинома на единицу добавляет в структуре предлагаемого корректора один каскад.

В том случае, когда аппроксимация коэффициента передачи корректора по первой гармонике сигнала осуществляется полиномом почетным степеням, что в ряде случаев целесообразно с точки зрения сокращения числа членов полинома и, следовательно, упрощения структуры корректора, то

Здесь А' = А², а А₁' - корни полинома по степеням А' = А². Комплексная амплитуда сигнала на выходе корректора

Эта зависимость реализуется корректором со структурой фиг. 1, если в качестве амплитудного детектора 2 взять квадратичный амплитудный детектор. Действительно, комплексная амплитуда сигнала с выхода синфазного сумматора 9 первого каскада корректора 5.1 в этом случае при использовании обозначений аналогичных прежним

а комплексная амплитуда сигнала на выходе корректора

Это равенство с точностью до постоянного множителя совпадает с выражением (2).

Квадратичный амплитудный детектор может быть реализован на микросхеме перемножителя сигналов по схеме фиг. 13, в которой на оба входа перемножителя подается один и тот же входной сигнал, а параллельно выходу подключен конденсатор, закорачивающий нагрузку перемножителя по высокочастотной составляющей выходного сигнала перемножителя, имеющей в два раза более высокую частоту, чем средняя частота входного сигнала. При этом напряжение на выходе перемножителя

С целью проверки предложенного решения было произведено экспериментальное исследование корректора нелинейных искажений усилителя на микросхеме М42116. представляющего собой сверхширокополосный монолитный усилитель с полосой пропускания (1.5. . . 1200) МГц и выходной мощностью по уровню сжатия усиления на 1 дБ не менее 10 мВт. Все измерения в процессе эксперимента проводились на частоте 400 МГц. Измеренные на этой частоте амплитудная и фазоамплитудная характеристики усилителя представлены на фиг. 3а, б (зависимости 1). Там же приведены рассчитанные по указанной выше методике амплитудная и фазоамплитудная характеристики усилителя с корректором в виде одного двухканального каскада с квадратичным детектором (зависимости 2). Функциональная схема усилителя с корректором приведена на фиг. 4. С целью снижения уровня обрабатываемого корректором сигнала на его выходе включен маломощный широкополосный усилитель на микросхеме M42177. Все перемножители корректора выполнены на микросхемах М43209, синфазный делитель детектора, синфазный сумматор, квадратурный делитель (реализованный как комбинация синфазного делителя и четвертьволнового отрезка линии) выполнены на отрезках стандартных коаксиальных линий.

На фиг. 5а, б приведены рассчитанные с помощью ЭВМ спектры сигналов на выходе усилителя без корректора и на выходе усилителя с корректором соответственно. В качестве входного сигнала при этом использован испытательный трехтоновый телевизионный сигнал (см. журнал "Радио", N 3, 1998, с. 49) с уровнями -8 дБ (несущая изображения f_о), -16 дБ (цветовая поднесущая f_о+4,43 МГц) и -7 дБ (несущая звукового сопровождения f_о+6,5 МГц). Как следует из этих расчетов, уровень комбинационных составляющих на выходе усилителя без корректора не более -27 дБ, на выходе усилителя с корректором не более -52 дБ. Экспериментальные исследования усилителя без корректора показали при том же входном сигнале уровень комбинационных составляющих на выходе не более -25 дБ, с корректором - не более -50 дБ. При расчетах и экспериментальных исследованиях уровни комбинационных составляющих отсчитывались от пикового уровня выходного сигнала 10 мВт.

Из вышеизложенного следует, что предлагаемый корректор нелинейных искажений имеет более простую реализацию и настройку при сохранении высокой эффективности подавления нелинейных искажений в устройствах с комплексной нелинейностью. Простота реализации достигается тем, что предлагаемый корректор в сравнении с прототипом не содержит в своем составе трудно реализуемых подстроечных фазовращателей и состоит из идентичных каскадов, наращивание числа которых может быть произведено без изменения структуры имеющихся каскадов. Упрощение регулировки предлагаемого корректора достигается тем, что все каскады корректора независимы в отношении их подстроек, а подстройка, благодаря применению двух квадратурных каналов в каждом из каскадов, осуществляется с помощью регулировочных резисторов. Упрощение реализации и настройки предлагаемого корректора не привело к снижению его эффективности в отношении подавления нелинейных искажений, о чем свидетельствуют приведенные выше результаты расчетов и эксперимента.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в телевизионных передатчиках, ретрансляторах групповых сигналов и других устройствах, в которых осуществляется усиление радиосигналов с большим динамическим диапазоном амплитуд. Комплексная амплитудная характеристика данного корректора обратна комплексной амплитудной характеристике корректируемого нелинейного устройства и обеспечивает компенсацию искажений за счет предискажения входного сигнала. При сохранении высокой эффективности подавления нелинейных помех упрощается реализация и настройка устройства. Корректор нелинейных искажений содержит разветвитель входного сигнала, амплитудный детектор, усилитель огибающей, разветвитель огибающей, а также n каскадов, каждый из которых содержит квадратурный разветвитель сигнала, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, перемножитель сигналов, синфазный сумматор сигналов. 13 ил.

Корректор нелинейных искажений, содержащий разветвитель входного сигнала, вход которого является входом корректора, амплитудный детектор, усилитель огибающей сигнала и разветвитель огибающей, второй выход разветвителя входного сигнала связан со входом амплитудного детектора, выход амплитудного детектора связан со входом усилителя огибающей, выход которого связан со входом разветвителя огибающей, отличающийся тем, что в него введены n каскадов, каждый из которых состоит из квадратурного разветвителя сигнала, двух каналов, первый из которых содержит усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, а второй содержит перемножитель сигналов, и синфазного сумматора сигналов, при этом первый выход разветвителя входного сигнала связан со входом квадратурного разветвителя сигнала первого каскада, первый выход квадратурного разветвителя каждого из каскадов связан со входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления первого канала этого каскада, второй выход квадратурного разветвителя каждого из каскадов связан с первым входом перемножителя сигналов второго канала этого каскада, выход усилителя с регулируемым коэффициентом усиления каждого из каскадов связан с первым входом синфазного сумматора сигналов этого каскада, выход перемножителя сигналов каждого из каскадов связан со вторым входом синфазного сумматора этого каскада, каждый из выходов разветвителя огибающей связан со вторым входом перемножителя сигналов соответствующего каскада, выход синфазного сумматора сигналов предыдущего каскада связан со входом квадратурного разветвителя сигнала последующего каскада, а выход синфазного сумматора сигналов последнего каскада является выходом корректора.