- •210400– Радиотехника
- •210400.68 – Системы приема, передачи и обработки сигналов Диссертация на соискание академической степени магистра
- •Оглавление
- •Глава 1. Общая характеристика усилителей мощности, обзор методов линеаризации усилителей 13
- •Часть 1. Анализ технического задания, поиск информации по теме исследования
- •Часть 2. Разработка математической модели усилителя мощности с линеаризацией
- •Список используемых сокращений
- •Задание
- •Назначение работы:
- •Исходные данные:
- •Перечень вопросов, подлежащих разработке:
- •Часть 3 Исследование усилителя мощности с функцией линеаризации
- •Часть 4. Обработка полученных результатов исследования
- •Глава 1. Общая характеристика усилителей мощности, обзор методов линеаризации усилителей
- •1.1 Общие требования, предъявляемые к усилителям мощности
- •1.2 Анализ характеристик режимов активных элементов, используемых при построении усилителей мощности
- •1.2.1 Режим класса а
- •1.2.2 Режим класса ав
- •1.2.3 Режим класса в
- •1.2.4 Режим класса с
- •1.2.5 Режим класса e
- •1.3 Анализ основных характеристик усилителей
- •1.4 Искажения, методы измерения искажений
- •1.5 Методы повышения линейности выходных трактов
- •1.5.1 Анализ простейших методов повышения линейности
- •1.5.1.1 Метод с автоматической регулировкой режима работы класса а
- •1.5.1.2 Метод с автоматическим регулированием питающего напряжения
- •1.5.1.3 Метод квантования
- •1.5.1.4 Метод Догерти
- •1.5.2 Анализ методов повышения линейности при усилении сигналов со сложными видами модуляции
- •1.5.2.1 Методы организации обратной связи
- •1.5.2.2 Метод обратной связи на радиочастоте
- •1.5.2.3 Метод обратной связи по огибающей
- •1.5.2.4 Полярная обратная связь
- •1.5.2.5 Метод декартовой (квадратурной) обратной связи
- •1.5.2.6 Адаптивная связь вперед
- •1.5.2.7 Метод введения предискажений
- •1.5.2.8 Введение предискажений на радиочастоте и на промежуточной частоте
- •1.5.2.9 Метод адаптивного цифрового предискажения
- •1.5.2.10 Метод подавления и восстановления огибающей (eer)
- •1.5.2.11 Метод повышения линейности с помощью нелинейных компонентов linc и совмещенный аналоговый универсальный модулятор с автоподстройкой частоты callum
- •Особенности формирования сигналов при помощи dds
- •Формирование дефазированного сигнала
- •Формирование сигнала усилителя мощности с использованием четырех несущих
- •1.5.2.12 Метод организации связи вперед для подавления интермодуляционных искажений
- •1.6 Выводы по главе 1
- •Глава 2. Разработка математической модели усилителя мощности с функцией линеаризации
- •2.1 Модель структуры организации обратной связи усилителя мощности
- •Из уравнения (25) записываем также линейное уравнение
- •2.2 Анализ работы петли квадратурной обратной связи
- •2.2.1 Анализ стабильности квадратурной петли обратной связи
- •2.3 Спектральный анализ процесса линеаризации с помощью квадратурной петли обратной связи
- •2.4 Выбор параметров усилителя для проведения моделирования
- •2.4.1 Оценка влияния интермодуляционных искажений
- •2.4.2 Оценка влияния ам-ам и ам-рм искажений
- •2.5 Разработка математической модели усилителя мощности
- •2.5.1 Линейная модель
- •2.5.2 Модель на основе кубического полинома
- •2.5.3 Модель, использующая гиперболический тангенс
- •2.5.4 Модель Сале
- •2.5.5 Модель Горбани
- •2.5.6 Модель Раппа
- •2.6 Разработка модели возбудителя усилителя мощности с функцией линеаризации
- •2.6.1 Разработка блока коррекции ошибки
- •2.6.2 Разработка блока коррекции фазы
- •2.6.3 Разработка блока корректировки усиления
- •2.6.4 Разработка модели генератора входного сигнала
- •2.6.5 Общая модель схемы линеаризации
- •2.7 Выводы по главе 2
- •Глава 3. Исследование усилителя мощности с функцией линеаризации
- •3.1 Исследование влияния линейности усилителя мощности на процесс линеаризации
- •3.1.1 Оценка эффективности работы схемы линеаризации в моделях гиперболического тангенса и кубического полинома
- •3.1.2 Оценка эффективности работы схемы линеаризации в модели Раппа
- •3.2 Исследование влияния задержки цепи обратной связи
- •3.3 Исследование влияния полосы сигнала на линеаризацию
- •3.4 Исследование процесса линеаризации на выходную мощность
- •3.5 Исследование влияния процесса линеаризации на передаточную характеристику усилителя мощности
- •3.6 Выводы по главе 3
- •Глава 4. Систематизация полученных данных в процессе исследования
- •4.1 Результаты исследования влияния линейности усилителя на процесс линеаризации
- •4.2 Результаты исследования влияния задержки цепи обратной связи на линеаризацию
- •4.3 Результаты исследования влияния полосы сигнала
- •4.4 Результаты исследования влияния линеаризации на выходную мощность
- •4.5 Описание структуры для реализации в плис
- •Список используемой литературы
Глава 1. Общая характеристика усилителей мощности, обзор методов линеаризации усилителей
1.1 Общие требования, предъявляемые к усилителям мощности
В современных системах подвижной связи декаметрового диапазона, работающих с однополосными сигналами и сложными сигналами типа OFDM, используются транзисторные широкополосные каскады и схемы со сложением мощностей. К усилителям, в которых реализованы сложные алгоритмы обработки сигналов, всегда предъявляется ряд технических требований по надежности, уровню и контролю выходной мощности, а главное – по минимизации нелинейных искажений в широкой полосе частот.
Изучение состояния проектирования усилителей мощности у нас в стране и за рубежом показывает, что в настоящее время подавляющая часть усилителей разрабатывается с применением активных режимов работы транзисторов класса А, АВ и В в оконечных каскадах. Это обусловлено большим опытом проектирования и хорошо развитой теорией построения подобных устройств, что позволяет проводить разработки в достаточно сжатые сроки.
Однако имеется ряд проблем, которые возникают при разработке и конструировании выходных транзисторных усилительных модулей, включающих схемы сложения (деления) мощности и работающих со сложным многочастотным сигналом:
при работе мощных усилительных модулей с коэффициентом полезного действия (КПД) более 40 % трудно обеспечить высокую линейность амплитудной характеристики (АХ) и фазоамплитудной характеристики (ФАХ);
в спектре выходных сигналов многочастотного усилителя мощности всегда появляются интермодуляционные искажения (ИМИ), которые практически не фильтруются и значительно ухудшают параметры системы связи. Высокая линейность характеристик может быть достигнута путем снижения КПД до 10…20 %, что в свою очередь энергетически неэффективно [1];
чтобы подавить ИМИ в выходном спектре сигналов усилителей необходимо применять в передатчике различные способы повышения линейности: линейная и нелинейная обратные связи, предискажения и адаптивная коррекция [2].
Все эти способы резко усложняют схемотехническое построение ВЧ трактов, но, хотя они направлены главным образом на повышение линейности, их применение может давать, пусть даже небольшой, выигрыш в КПД.
В течение последних 60-ти лет исследователями был предложен целый ряд различных методов повышения энергетической эффективности усилителей мощности сигналов с переменной амплитудой. Применение некоторых из них позволяет резко увеличить КПД передатчиков с сохранением линейности усилительного тракта на требуемом уровне. Для исключения неоднозначности в понимании термина высоколинейные усилители определим допустимый уровень нелинейных искажений, по которому мы будем проводить условное деление усилителей на линейные и высоколинейные классы. В существующей нормативной документации отсутствуют критерии такого деления радиопередающих устройств на классы линейные и высоколинейные, хотя для радиостанций, работающих со сложными видами сигналов (OFDM, CDMA и т.п.), возможно возникла уже такая необходимость.
Поэтому условно определим, что к высоколинейным усилителям мы будем относить усилительные устройства с уровнем составляющих продуктов взаимной модуляции 3-его и 5-ого порядка менее минус 35 дБ для радиостанций подвижной службы, что выше требований ГОСТ 22579 [3]и менее минус 45 дБ для стационарных передатчиков, что выше требований ГОСТ Р 51903 [4].