Радиоприемное устройство с цифровой коррекцией нелинейности Российский патент 2024 года по МПК H04B1/10 

Изобретение относится к технике приема и обработки сигналов и может быть использовано для создания радиосредств с архитектурой программируемого радио с цифровой обработкой сигналов для работы в условиях сложной электромагнитной обстановки. Изобретение позволяет повысить линейность передаточной характеристики аналого-цифрового тракта (АЦТ) за счет коррекции нелинейных искажений в широкой полосе частот принимаемых сигналов.

Такие приемники описаны, например, в книге «Software defined radio: enabling technologies», John Wiley & Sons, Chichester, UK, 2002 - p.p. 440 автора W. Tuttlebee, Ed и "Digital front-End in wireless communications and broadcasting: circuits and signal processing / Cambridge University Press 2011.

Сущность известных устройств заключается в усилении и дискретизации сигналов на радиочастоте и дальнейшем приеме с помощью алгоритмов цифровой обработки сигналов (ЦОС).

Причиной появления сигнальных искажений является нелинейность передаточной характеристики АЦТ радиоприемника обусловленная не идеальностью его компонентов. Нелинейная передаточная характеристика АЦТ образуется путем взаимного влияния нелинейности двух ключевых компонентов: аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и предварительного усилителя (ПУ).

Современные радиочастотные АЦП являются широкополосными и нелинейность характеристики преобразования зависит от частоты оцифровываемого сигнала. Например, распространённый радиочастотный АЦП AD9680 фирмы Analog Devices имеет различную нелинейность на различных частотах: интермодуляционные искажения измеренные двухтоновым методом (IMD) составляют -82 dBFS для частот тонов измерительного сигнала 185 и 188 МГц и -78 dBFS для частот тонов измерительного сигнала 449 и 452 МГц [1].

Причиной нелинейности ПУ является несовершенство технологий изготовления и чистоты материалов. Нелинейность ПУ также зависит от частоты: например, high linearity Low Noise Amplifier (LNA) TQP3M9035 фирмы Qorvo на частоте 50 МГц имеет OIP3 34 дБм, а на частоте 100 МГц порядка 40 дБм [2].

Существующие радиоприемные устройства с цифровой коррекцией нелинейности построены по схеме с последовательным включением корректирующего нелинейного элемента в цифровом домене. Корректирующий нелинейный элемент имеет передаточную характеристику, которая предназначена для компенсации нелинейных искажения сигнала возникших в АЦТ. Синтез передаточной характеристики корректирующего нелинейного элемента как правило осуществляется путем измерения значений сигнала заранее известной формы на выходе АЦТ.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому является устройство, описанное в научной статье «Спектральный метод анализа и синтеза цифровых нелинейных элементов», Теория и техника радиосвязи. - 2010. - №4. - С. 55-65, автор Маковий В.А.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства-прототипа, где обозначено:

1 - предварительный усилитель (ПУ);

2 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

3 - корректирующий нелинейный элемент (КНЭ);

4 - блок цифровой обработки сигналов (ЦОС).

Устройство-прототип содержит последовательно соединенные предварительный усилитель 1, АЦП 2, корректирующий нелинейный элемент 3 и блок ЦОС 4, выход которого является информационным выходом устройства. Вход ПУ 1 является входом устройства.

В блоках 2, 3, 4 имеются стандартные тактовые входы, на которые подаются сигналы, обеспечивающие синхронизацию работы устройства в целом (на фиг. 1 не показаны).

Устройство-прототип работает следующим образом.

Входной радиочастотный сигнал, представляющий собой аддитивную смесь полезного сигнала и сосредоточенных помех, поступает на вход устройства и проходит через предварительный усилитель 1, где усиливается и претерпевает нелинейные искажения. С выхода ПУ 1 усиленный сигнал поступает на вход АЦП 2, который преобразовывает сигнал в цифровой домен и также вносит искажения, вызванные дифференциальной и интегральной нелинейностью. С выхода АЦП 2 сигнал поступает на вход КНЭ 3, который представляет собой искусственную нелинейность при воздействии которой корректируются искажения оцифрованного сигнала. Далее линеаризованный сигнал поступает на блок ЦОС 4 для дальнейшей селекции и детектирования.

Передаточная характеристика КНЭ 3 может быть описана таблицей соответствий (look up table, LUT). Соответствие значений входного и выходного кода может быть найдено с помощью гармонического измерительного сигнала [3].

Недостатком устройства-прототипа является отсутствие учета зависимости нелинейности передаточной характеристики аналого-цифрового тракта от частоты. Устройство-прототип позволяет проводить эффективную коррекцию искажений только в окрестности частоты измерительного сигнала, по результатам прохождения которого была синтезирована передаточная характеристика КНЭ. На частотах, значительно отличающихся от частоты измерительного сигнала, устройство-прототип может работать не эффективно и даже приводить к ухудшению параметров по сравнению с трактом без коррекции. Это ограничивает применение устройства-прототипа для линеаризации современных радиоприемных устройств с широким диапазоном принимаемых частот.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности цифрового корректора нелинейных искажений в радиоприемниках с широким диапазоном принимаемых частот.

Для решения поставленной задачи в радиоприемное устройство с цифровой коррекцией нелинейности, содержащее последовательно соединенные предварительный усилитель (ПУ) и блок аналого-цифрового преобразователя (АЦП), первый корректирующий нелинейный элемент (КНЭ), а также блок цифровой обработки сигналов (ЦОС), выход которого является выходом радиоприёмного устройства, причем вход предварительного усилителя является входом радиоприемного устройства, согласно изобретению, введены N бланк-фильтров, а также N-1 корректирующих нелинейных элементов; выходы N корректирующих нелинейных элементов соединены с соответствующими входами сумматора, выход которого соединен с входом блока ЦОС, при этом входы N бланк-фильтров объединены и соединены с выходом АЦП, выходы N бланк-фильтров соединены с входами соответствующих N корректирующих нелинейных элементов.

Это позволяет корректировать искажения принимаемого сигнала с учетом частотной зависимости нелинейности аналого-цифрового тракта.

Функциональная схема заявляемого устройства представлена на фиг. 2, где обозначено:

1 - предварительный усилитель (ПУ);

2 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

3.1-3.N - с первого по N-й корректирующие нелинейные элементы (КНЭ);

4 - блок цифровой обработки сигналов (ЦОС).

5.1-5.N - с первого по N-й бланк-фильтры;

6 - сумматор.

Заявляемое устройство содержит последовательно соединенные предварительный усилитель 1, аналого-цифровой преобразователь 2, выход которого соединен с входами N бланк-фильтров 5.1…5.N, выходы которых соединены с входами N соответствующих корректирующих нелинейных элементов (КНЭ) 3.1…3.N, выходы которых соединены с соответствующими N входами сумматора 6, выход которого соединен с входом блока цифровой обработки сигналов (ЦОС) 4, выход которого является информационным выходом устройства. Вход ПУ 1 является входом устройства.

В блоках 2, 3.1…3.N, 4, 5.1…5.N, 6 имеются стандартные тактовые входы, на которые подаются сигналы, обеспечивающие синхронизацию работы устройства в целом (на фиг. 2 не показаны).

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Принцип действия предлагаемого устройства поясняется фиг. 3, где обозначено:

1 - предварительный усилитель (ПУ);

2 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

3.1-3.N - с первого по N-й корректирующие нелинейные элементы (КНЭ);

4 - блок цифровой обработки сигналов (ЦОС);

5.1-5.N - с первого по N-й бланк-фильтры;

6 - сумматор.

Входной радиочастотный сигнал, представляющий собой аддитивную смесь полезного сигнала и сосредоточенных помех, поступает на вход устройства и проходит через ПУ 1, где усиливается и претерпевает нелинейные искажения. С выхода ПУ 1 усиленный сигнал поступает на вход АЦП 2, который преобразовывает сигнал в цифровой домен и также вносит искажения, вызванные дифференциальной и интегральной нелинейностью. С выхода АЦП 2 цифровой сигнал поступает на входы бланк-фильтров 5.1…5.N, которые разбивают частотный диапазон входного сигнала на N поддиапазонов. Цифровые сигналы с выхода каждого бланк-фильтра 5.1…5.N поступают на соответствующие входы КНЭ 3.1…3.N, где претерпевают постискажения индивидуально для сигналов в каждом поддиапазоне. С выходов КНЭ 3.1…3.N цифровые сигналы поступают на сумматор 6, где происходит их синхронное поотсчетное сложение. Результат суммирования поступает на вход блока ЦОС 4 для дальнейшей селекции и детектирования.

Бланк-фильтры 5.1…5.N представляют собой полосовые фильтры, сумма амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) которых в диапазоне радиочастот приемника равна единице.

Блоки КНЭ 3.1…3.N представляют собой запоминающее устройство, в котором хранятся отсчеты передаточной характеристики синтезированной индивидуально для каждого из N поддиапазонов по результатам прохождения измерительного сигнала на центральной частоте каждого бланк-фильтра.

В отличие от прототипа предлагаемое устройство позволяет эффективно корректировать нелинейные искажения независимо от частоты и полосы принимаемого сигнала.

Реализация блоков 1 и 2 заявляемого устройства аналогична блокам устройства-прототипа и может быть выполнена в соответствии с монографией Пауль Хоровиц и Уинфилд Хилл «Искусство схемотехники» в 2-х томах. Москва Мир 1986г. Блоки 3.1…3.N, 4, 5.1…5.N и 6 могут быть реализованы программно на аппаратной платформе, представляющей собой цифровой сигнальный процессор в связке с ПЛИС, например TMS320C6748 (Texas Instruments) и XC7K325T-2FFG900I (Xilinx), либо на системе на кристалле, например, семейства Zynq (Xilinx).

АЧХ бланк-фильтров 5.1…5.N может быть синтезирована методом взвешивания с помощью окна [4].

Передаточная характеристика КНЭ 3.1…3.N может быть синтезирована с помощью гармонического измерительного сигнала на центральной частоте каждого из N бланк-фильтров [3] и реализована таблицей соответствий (look up table, LUT) входных и выходных значений цифрового сигнала.

Приведем доказательство эффективности работы заявляемого устройства.

Радиочастотные АЦП и предварительные усилители являются ключевыми нелинейными элементами аналого-цифрового тракта. В характеристиках АЦП и предварительного усилителя указаны параметры нелинейности в зависимости от частоты сигнала. Фактически, такой аналого-цифровой тракт относительно параметров нелинейности можно представить как N узкополосных аналого-цифровых трактов с различными передаточными характеристиками.

Если аналого-цифровые тракты имеют различную нелинейность, то использование корректирующего нелинейного элемента с одинаковой передаточной характеристикой, синтезированного для одного аналого-цифрового тракта, как в устройстве-прототипе, для остальных N-1 аналого-цифровых трактов будет неэффективно.

На фиг. 4 приведены передаточные характеристики g₁(s)…g_N(s) N аналого-цифровых трактов (АЦТ) и результаты их взаимодействия с фиксированной передаточной характеристикой f(s) корректирующего нелинейного элемента (КНЭ).

На фиг. 5 приведены передаточные характеристики g₁(s)…g_N(s) N аналого-цифровых трактов (АЦТ) и результаты их взаимодействия с различными передаточными характеристиками f₁(s)…f_N(s) N корректирующих нелинейных элементов (КНЭ).

Использование в предлагаемом устройстве различных передаточных корректирующих нелинейных элементов, синтезированных отдельно для каждого из N аналого-цифровых трактов, устраняет эту проблему.

Таким образом, в соответствии с поставленной задачей было реализовано радиоприемное устройство, в котором коррекция нелинейных искажений аналого-цифрового тракта проводится более эффективно во всем диапазоне принимаемых частот приемника, причем эффективность предлагаемого устройства пропорциональна количеству бланк-фильтров и КНЭ.

Достигаемый технический результат - уменьшение нелинейных искажений принимаемого сигнала во всем диапазоне рабочих частот радиоприемника.

Литература:

AD9680. 14-Bit, 1.25 GSPS/1 GSPS/820 MSPS/500 MSPS JESD204B, Dual Analog-to-Digital Converter / Analog Devices, inc. - 2019 (электронный ресурс https://www.analog.com/en/products/ad9680.html).

TQP3M9035. High Linearity LNA Gain Block / Qorvo, inc. - 2020 (электронный ресурс https://www.qorvo.com/products/p/TQP3M9035).

Маковий, В.А. Спектральный метод анализа и синтеза цифровых нелинейных элементов / В.А. Маковий // Теория и техника радиосвязи. - 2010. - № 4. - С. 55-65.

Теория и применение цифровой обработки сигналов / Л. Рабинер, Б. Гоулд. Перевод с английского А.Л. Зайцева, Э.Г. Назаренко, Н.Н. Тетекина. - Москва: Издательство «Мир», 1978, С. 103-106.

Изобретение относится к технике приема и обработки сигналов и может быть использовано для создания радиосредств. Технический результат – уменьшение нелинейных искажений принимаемого сигнала во всем диапазоне рабочих частот радиоприемника. Такой результат обеспечивается за счет того, что в радиоприемное устройство, содержащее предварительный усилитель (1), аналого-цифровой преобразователь (2), корректирующий нелинейный элемент (3.1) и блок цифровой обработки сигналов (ЦОС) (4), введены N бланк-фильтров (5.1…5.N), N-1 корректирующих нелинейных элементов (3.1…3.N) и сумматор (6), выход которого соединен с входом блока ЦОС (4). При этом входы N бланк-фильтров (5.1…5.N) объединены и соединены с выходом АЦП (2), а выходы N бланк-фильтров (5.1…5.N) соединены с входами соответствующих N корректирующих нелинейных элементов (3.1…3.N). 5 ил.

Радиоприемное устройство с цифровой коррекцией нелинейности, содержащее последовательно соединенные предварительный усилитель (ПУ) и блок аналого-цифрового преобразователя (АЦП), первый корректирующий нелинейный элемент (КНЭ), а также блок цифровой обработки сигналов (ЦОС), выход которого является выходом радиоприемного устройства, причем вход предварительного усилителя является входом радиоприемного устройства, отличающееся тем, что введены N бланк-фильтров, представляющих собой полосовые фильтры, сумма амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) которых в диапазоне радиочастот приемника равна единице, а также N-1 корректирующих нелинейных элементов, при этом N корректирующих нелинейных элементов представляют собой запоминающее устройство, в котором хранятся отсчеты передаточной характеристики, синтезированной индивидуально для каждого из N поддиапазонов по результатам прохождения измерительного сигнала на центральной частоте каждого бланк-фильтра; выходы N корректирующих нелинейных элементов соединены с соответствующими входами сумматора, выход которого соединен с входом блока ЦОС, при этом входы N бланк-фильтров объединены и соединены с выходом АЦП, выходы N бланк-фильтров соединены с входами соответствующих N корректирующих нелинейных элементов.