Обзор методов построения высоколинейных усилителей мощности. Продолжение 4

3.7 Методы предискажений, обратных связей и адаптивной линеаризации

В последние годы разработчики все более активно стали рассматривать методы линеаризации путем введения предискажений в тракт передачи и применения методов адаптивной линеаризации. Это вызвано тем, что простые схемные решения, использующие относительно простые способы построения трактов передачи, обеспечивают линейность при передаче сигналов с несложными видами модуляции (АМ, ОМ, PSK, FSK).

Однако уже со сложными видами модуляции (QPSK, QAM, WCDMA, OFDM и т.п.), которые оказываются более восприимчивыми к нелинейным искажениям, данные методы не обеспечивают требуемого качества. При передаче таких сигналов кроме межсимвольной интерференции (ISI), увеличивающей коэффициент ошибок, нелинейность расширяет спектр передаваемого сигнала, создавая помехи другим радиосредствам.

В настоящее время используются три основных метода [34]:

• метод предискажений (the predistortion method);
• метод обратной связи (the feedback method);
• метод связи вперед (the feed forward method).

Эти методы линеаризации обеспечивают спектральную эффективность, которая помогает использовать сложные виды модуляции и высокую скорость передачи данных.

3.7.1 Сущность метода предискажений

Метод линеаризации путем предискажений иллюстрируется рисунком 13, где изображены графики амплитудной характеристики реального усилителя мощности (Power Amp.), идеального усилителя (Linear). Метод линеаризации путем введения предискажений заключается в формировании инверсной функции, называемой функцией предискажений, при сложении с которой амплитудная характеристика усилителя становится линейной.

3.7.2 Метод обратной связи на радиочастоте

Метод обратных связей на радиочастоте по принципу, аналогичному обратным связям, используемым в операционных усилителях, практически не применяется из-за снижения коэффициентов усиления каскадов и появляющейся неустойчивости усилителей.

3.7.3 Метод обратной связи по модулирующему сигналу

Другое решение организации обратной связи представлено на рисунке 14.
Здесь выходной сигнал нелинейного усилителя поступает на вход радиочастотного демодулятора, с выхода которого поступает на модуляционный вход тракта передачи, производя компенсацию искажений. Демодулятор должен быть линейным во всей рабочей полосе частот. Чтобы поддерживать устойчивость системы полоса пропускания петли должна быть в пределах мегагерца. Основной недостаток этой системы – узкая полоса пропускания и, в некоторых случаях, сложность реализации [34].

3.7.4 Метод полярной обратной связи

Метод полярной обратной связи устраняет основные недостатки коррекции искажений обратной связью по огибающей. Как видно из рисунка 15, полярная обратная связь является широкополосным видом обратной связи, в которой фазовая и амплитудная составляющие работают независимо.

Схема с полярной обратной связью обеспечивает относительно высокую эффективность усилителя мощности, который может быть полностью нелинейным, и устойчивым благодаря наличию двух видов обратной связи. Т.к. в полярной системе обратной связи производится корректировка, как амплитуды, так и фазы, она уменьшает влияние температуры и нагрузки на работу усилителя.

Основным недостатком полярной обратной связи является наличие двух различных цепей управления, имеющих различные полосы пропускания для кольца управления фазой и кольца управления амплитудой. Это обычно ведет к различным уточнениям характеристик АМ-АМ и АМ–ФМ, что ухудшает характеристики в целом от тех значений, которые достижимы в передатчике с эквивалентной схемой с декартовой (квадратурной) петлей обратной связи.

Хорошим примером различий в полосах пропускания является использование двухтонального испытательного сигнала, который заставляет фазовую петлю проводить коррекцию с разрывами в минимумах огибающей. В общем случае, для обеспечения допустимого значения задержки полоса пропускания фазового кольца должна быть от 5 до 10 раз больше полосы пропускания огибающей . В узкополосных применениях улучшение IMD двухтонального сигнала имеет типичное значение около 30 дБ [34].

3.7.5 Метод декартовой (квадратурной) обратной связи

Квадратурная обратная связь впервые была предложена Петровичем [35]. Основная идея метода заключается в применении I-Q модулятора для модуляции несущей перед тем как ее подать на нелинейный, но высокоэффективный усилитель (рисунок 16).

Основная цепь системы содержит главную управляемую петлю усиления с компенсирующими фильтрами, синхронный I-Q модулятор и антенну, как выходную нагрузку. Цепь обратной связи получает сигнал передатчика через радиочастотный ответвитель, который затем синхронно демодулируется и возвращается для линеаризации.

Характеристики петли управления зависят от усиления и компенсирующих фильтров. Уменьшение уровня интермодуляционных искажений по существу зависит от усиления петли, а компенсация стабилизирует поведение управляемой системы. Синхронизация модулятора и демодулятора обеспечивается делением общего радиочастотного сигнала несущей.

Из-за различий в прямой и обратной цепях необходимо регулирование по фазе, чтобы поддерживать правильное соотношение между входными сигналами и сигналами обратной связи. Квадратурная обратная связь может автоматически отслеживать температурные изменения нелинейности и изменение напряжения питания.

Однако такая схема только условно устойчива и ее регулирование является одной из ключевых проблем. Нелинейный усилитель также влияет на стабильность, т.к. создает фазовые сдвиги в чрезмерно широкой полосе. Другим ограничивающим фактором системы являются нелинейности смесителей при преобразовании вниз [34]. Но главным неудобством этой схемы является узкая полоса пропускания, которая присуща данным широкополосным системам обратной связи.

Заключение

В статье рассмотрены методы предискажений, обратной связи на радиочастоте, по модулирующему сигналу, полярной и квадратурной обратной связи. Приведены их структурные схемы и показаны достоинства и недостатки.

Продолжение следует.