КОРРЕКТОР НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ Российский патент 2004 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.

Обработка 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, т.е. 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, стр.107, рис.4.19, 4.20; заявку Японии, кл. H 03 F 1/32, №61-55283, заявл. 81.07.23, опубл. 86.11.27; пат. США №6075412 от 13.06.2000 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, стр.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 DE, кл. H 03 F 1/32, №3024533, заявл. 80.06.22, опубл. 82.01.21; статью Стевард Р.Д., Тусубира Ф.Ф. Линеаризация предискажениями 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. стр.1019 этой статьи), а возможность подавления искажений из-за нелинейности амплитудной характеристики усилителя экспериментально подтверждена 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, №2, стр.19). Этот 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 предискаженного сигнала. Поскольку обеспечение такой полосы пропускания практически невозможно, эффективность построенного таким образом корректора низка.

Известен корректор нелинейных искажений (см. заявку ЕРВ, кл. H 03 F 1/32, №0243898, опубл. 87.11.04). 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 эффективность корректора практически недостижима.

Известен корректор нелинейных искажений (см. авт. свид. СССР, кл. H 03 F 1/32, №1826123, опубл. 07.07.1993), являющийся прототипом предлагаемого изобретения. Структура этого корректора может быть синтезирована по комплексной амплитудной характеристике корректируемого нелинейного устройства (см. статью Яковенко В.А. 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, а также из-за необходимости применения дорогих и относительно сложных в применении перемножителей сигналов.

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, и сумматор канальных сигналов, выход которого является выходом устройства, введены n каналов, первый из которых состоит из усилителя, каждый из других квадратурный и состоит из квадратурного разветвителя сигнала, синфазного сумматора сигналов и двух идентичных по структуре ветвей, состоящих из первого усилителя, диодной секции, содержащей два встречно-параллельно включенных диода с цепями смещения по постоянному току, и второго усилителя, при этом первый выход разветвителя входного сигнала связан со входом усилителя первого канала, выход которого связан с первым входом сумматора канальных сигналов, каждый из других выходов разветвителя входного сигнала связан со входом квадратурного разветвителя одного из квадратурных каналов, каждый из выходов квадратурных разветвителей которых связан с первым усилителем с одной из ветвей одного из квадратурных каналов, выход которого связан со входом диодной секции этой ветви, выход диодной секции связан со входом второго усилителя этой ветви, выход этого усилителя связан с одним из входов синфазного сумматора этого квадратурного канала, а выходы каждого из синфазных сумматоров квадратурных каналов связаны с одним из входов сумматора канальных сигналов.

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 стр.102. На фиг.4 приведены амплитудные характеристики усилителя без коррекции (кривая 1) и с коррекцией (линия 2), на фиг.5 представлены фазоамплитудные характеристики усилителя без коррекции (кривая 1) и с коррекцией (кривая 2). На фиг.6 представлена структурная схема экспериментального образца корректора. Возможные реализации отдельных узлов предлагаемого корректора нелинейных искажений приведены на фиг.7 – синфазный разветвитель (сумматор), на фиг.8 - квадратурный разветвитель, на фиг.9 - усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, на фиг.10 - диодная секция с цепями смещения по постоянному току.

Корректор нелинейных искажений (фиг.1) состоит из разветвителя входного сигнала 1, n каналов 2.1, 2.2,...2.n, первый из которых включает усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 4.1, а каждый другой состоит из квадратурного разветвителя сигнала 3, двух идентичных по структуре ветвей, состоящих из первого усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 4.1 и 4.2, диодной секции с цепями смещения по постоянному току 5.1 и 5.2, второго усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 6.1 и 6.2, и синфазного сумматора сигналов 7, и сумматора канальных сигналов 8. При этом первый выход разветвителя входного сигнала 1 связан со входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 4.1 первого канала 2.1, выход которого связан с первым входом сумматора канальных сигналов 1, каждый из других выходов разветвителя входного сигнала связан со входом квадратурного разветвителя сигнала 3 одного из каналов, выходы которого связаны со входами первых усилителей с регулируемым коэффициентом усиления ветвей этого канала 4.1 и 4.2, выходы которых связаны со входами диодных секций этих ветвей 5.1 и 5.2, а выходы диодных секций этих ветвей связаны со входами вторых усилителей с регулируемым коэффициентом усиления этих ветвей 6.1 и 6.2, выходы которых связаны со входами синфазного сумматора этого канала 7, а выход синфазного сумматора каждого из этих каналов 7 связан с одним из входов сумматора канальных сигналов 8, вход разветвителя входного сигнала 1 является входом, а выход сумматора канальных сигналов 8 является выходом корректора нелинейных искажений.

Конкретная реализация отдельных узлов предлагаемого корректора нелинейных искажений - разветвителя 1 и синфазных сумматоров сигналов 7 и 8, квадратурного разветвителя 3, усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 4.1, 4.2, 6.1 и 6.2, диодных секций с цепями смещения по постоянному току 5.1, 5.2 не встречает принципиальных трудностей. В перспективном в отношении обеспечения широкой полосы пропускания корректора диапазоне СВЧ эти узлы могут быть реализованы в гибридном интегральном исполнении. Возможные варианты реализации этих узлов, приведенные на фиг.7-10 соответственно, описаны в обширной литературе (см. книги Радиопередающие устройства. Под ред. О.А.Челнокова. - М.: Радио и связь, 1982, стр.121; Радиоприемные устройства. Под ред. Л.Г.Барулина. - М.: Радио и связь, 1984, стр.141, 197; Аналоговые интегральные микросхемы: Справочник/ Б.П.Кудряшов и др. - М.: Радио и связь, 1981, стр.23; Монолитные интегральные приборы (краткий справочник и характеристики). - М.: ЦНИИ "Электроника", 1988, стр.36; Антенны и устройства СВЧ. Под ред. Д.И.Воскресенского. - М.: Радио и связь, 1981, стр.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 и фазоамплитудной характеристиками (фиг.2). Амплитудная и фазоамплитудная характеристики корректора (фиг.3) для компенсации нелинейных искажений этого усилителя рассчитаны по методике, изложенной в упомянутой выше книге Каганова на стр.102, 103. Комплексную амплитуду сигнала на выходе корректора (см. книгу Лосев А.К. Линейные радиотехнические цепи. - М.: Высш. школа, 1971, стр.58) можно представить в виде

,

где - амплитудная, - фазоамплитудная характеристики корректора; - огибающая входного сигнала.

Обозначим ; . Тогда нормированная комплексная амплитуда сигнала на выходе корректора, т.е. его нормированная комплексная амплитудная характеристика

.

Аппроксимируем вещественную и мнимую составляющие суммами линейного члена и членами, описывающими характеристики реальных полупроводниковых диодов

,

, i=1,2,…,n.

Здесь К^r, Кⁱ, , , и - нормированные параметры аппроксимации, а слагаемое a_oIR отражает реакцию нагрузки с сопротивлением R на характеристику диода при токе I через нагрузку, где a_o - нормированный параметр диода.

Комплексная амплитуда сигнала на выходе корректора может быть представлена в виде

Такому представлению соответствует структура корректора фиг.1. Действительно, первое слагаемое правой части (1) описывает канал прямого прохождения сигнала с его комплексным коэффициентом передачи . Поскольку абсолютное значение фазы сигнала в каналах корректора не имеет значения, а важна лишь разность фаз сигналов на входах сумматора канальных сигналов 8, то канал прямого прохождения сигнала может быть не квадратурным с коэффициентом передачи, равным модулю . При этом фазы сигналов на выходах остальных каналов должны быть скорректированы на величину фазы . Остальные слагаемые (1) соответствуют квадратурным каналам фиг.1, где параметрам аппроксимации и соответствуют первые усилители с регулируемым коэффициентом усиления 4.1 и 4.2, управляющие амплитудами напряжения на диодах диодных секций, параметрам аппроксимации и соответствуют вторые усилители с регулируемым коэффициентом усиления 6.1 и 6.2, управляющие амплитудами напряжения на выходах ветвей квадратурных каналов и тем самым обеспечивающие необходимые амплитудные и фазовые соотношения на выходах этих каналов. С увеличением числа каналов точность аппроксимации идеальной характеристики корректора повышается и, соответственно, повышается эффективность коррекции.

Заметим, что применение в диодных секциях вместо одного диода двух встречно-параллельно включенных диодов принципиально ничего не меняет и лишь увеличивает коэффициент передачи корректора приблизительно в два раза.

С целью проверки эффективности предложенного корректора нелинейных искажений был произведен расчет корректора для усилителя с амплитудной и фазоамплитудной характеристиками фиг.2 и его эффективности подавления вносимых усилителем нелинейных искажений. Вещественная и мнимая составляющие идеальной комплексной амплитудной характеристики корректора для этого усилителя (фиг.3) были аппроксимированы суммами линейного члена и характеристики одного полупроводникового диода

,

.

Расчетные значения нормированных коэффициентов аппроксимации

К^r=0,01; =2,94·10^-5; =7,29; a_o=38,46;

Кⁱ=-6,01·10^-4; =5,79·10^-5; =6,52.

В качестве входного сигнала использован испытательный трехтоновый телевизионный сигнал (см. журнал "Радио", №3, 1998, стр.49) с уровнями -8 дБ (несущая изображения f_o), -16 дБ (цветовая поднесущая f_o +4,43 МГц) и -7 дБ (несущая звукового сопровождения f₀ +6,5 МГц). Как следует из этих расчетов, уровень комбинационных составляющих третьего порядка на выходе усилителя без корректора не более -27 дБ, на выходе усилителя с корректором - не более -65 дБ. Экспериментальные исследования усилителя без корректора показали при том же входном сигнале уровень комбинационных составляющих на выходе не более -30 дБ, с корректором - не более -60 дБ.

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 труднореализуемых подстроечных фазовращателей, дорогих и сложных в применении перемножителей сигналов. Упрощение регулировки предлагаемого корректора достигается тем, что все каналы корректора независимы в отношении их подстроек, а подстройка, благодаря применению двух квадратурных каналов в каждом из каналов, 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.

Корректор (К) нелинейных искажений (НИ) предназначен для компенсации нелинейных искажений в радиотехнических устройствах с комплексной нелинейностью посредством предискажений входного сигнала. Технический результат заключается в более простой реализации и настройке при сохранении высокой эффективности подавления НИ. Основой К являются каналы (2.1.....2.n), первый из которых состоит из усилителя (У) с регулируемым коэффициентом усиления, а каждый из других квадратурный и состоит из квадратурного делителя сигнала (3), синфазного сумматора (7) и двух идентичных по структуре ветвей, состоящих из первого У с регулируемым коэффициентом усиления (4.1 и 4.2), диодной секции (5.1 и 5.2) и второго У с регулируемым коэффициентом усиления (6.1 и 6.2). Входом К является вход делителя входного сигнала (1), каждый из выходов которого связан со входом одного из каналов, а выходом К является выход сумматора канальных сигналов (8), каждый из входов которого связан с выходом одного из каналов прохождения сигналов. Предложенный корректор НИ при соответствующем выборе его параметров имеет комплексную амплитудную характеристику, обратную комплексной амплитудной характеристике корректируемого нелинейного устройства, чем и достигается компенсация НИ. 10 ил.

Корректор нелинейных искажений, содержащий разветвитель входного сигнала, вход которого является входом корректора, и сумматор канальных сигналов, выход которого является выходом устройства, отличающийся тем, что в него введены n каналов, первый из которых состоит из усилителя, каждый из других - квадратурный и состоит из квадратурного разветвителя сигнала, синфазного сумматора сигналов и двух идентичных по структуре ветвей, состоящих из первого усилителя, диодной секции, содержащей два встречно-параллельно включенных диода с цепями смещения по постоянному току, и второго усилителя, при этом первый выход разветвителя входного сигнала связан со входом усилителя первого канала, выход которого связан с первым входом сумматора канальных сигналов, каждый из других выходов разветвителя входного сигнала связан со входом квадратурного разветвителя одного из квадратурных каналов, каждый из выходов квадратурных разветвителей которых связан с первым усилителем одной из ветвей одного из квадратурных каналов, выход которого связан со входом диодной секции этой ветви, выход диодной секции связан со входом второго усилителя этой ветви, выход этого усилителя связан с одним из входов синфазного сумматора этого квадратурного канала, а выход каждого из синфазных сумматоров квадратурных каналов связан с одним из входов сумматора канальных сигналов.