1.4 Искажения, методы измерения искажений

SSB модуляция используется главным образом в ВЧ (КВ) диапазоне частот от 1,5 до 30 МГц. При испытании транзисторов, например на Philips, используется частота 28 МГц.

Для оценки искажений взаимной модуляции используются различные методы. Наиболее широко используемым методом оценки взаимной модуляции является двухтоновый метод. При этом методе два равноамплитудных сигнала с разносом 1 кГц подводятся ко входу усилителя. Практически усилители всегда являются нелинейными устройствами и основными продуктами искажений, которые они производят, являются продукты 3-его (ИМИ3 – IP3) и 5-ого (ИМИ5 – IP5) порядка, потому, что они находятся в полосе пропускания приемников.

Рис. 4 Спектр сигнала на входе усилителя

Рис. 5 Часть спектра сигнала в нагрузке

На рисунке 4 показан пример спектра сигнала на входе усилителя, а на рисунке 5 часть спектра выходного сигнала, прошедшая без изменений в нагрузку. На рисунке 4 показаны только амплитуды комбинационных составляющих третьего, пятого порядков. Их амплитуда достаточно быстро убывает с возрастанием порядкового номера, поэтому для оценки линейных свойств усилителя обычно достаточно измерить амплитуды наибольших из них, а именно третьего и пятого порядков.

Принцип измерения IP3 состоит в том, что после достижения требуемого уровня мощности Р_ВЫХ измеряется отношение наибольшей из двух амплитуд комбинационных частот 2ω₁–ω₂ и 2ω₂–ω₁ к амплитуде основных тонов U (см. рисунок 4) [6]. Выражения для определения IP3, IP5 (в децибелах) имеют вид:

(5)

(6)

У двух интермодуляционных помех одного и того же порядка возможны не одинаковые амплитуды. Причиной такого явления может быть не идеальность или не эффективность развязки источника питания на этих частотах.

Рис. 6 Осциллограмма двухтонального сигнала

Если каждый из тонов имеет мощность 10 Вт, то средняя мощность их комбинации составляет 20 Вт. При формировании высокочастотного сигнала тоны могут смешиваться в фазе или противофазе. Когда два тона совпадают по фазе, амплитуда суммарного тона становится равной удвоенной амплитуде одного тона, мощность при этом увеличивается в четыре раза по сравнению с однотональным режимом (в нашем примере – 40 Вт). Это мощность называют пиковой мощностью огибающей (PEP). Когда два тона находятся в противофазе, суммарная амплитуда становится равной нулю. В идеальном случае огибающая суммарного сигнала состоит как бы из половин синусоиды (рисунок 6).

При использовании режима класса А продукты искажения почти всегда определяются относительно амплитуды одного из тонов испытательного входного сигнала. В области линейных усилителей класса А, каждое снижение выходной мощности на 1 дБ приводит к снижению уровня взаимной модуляции 3-его порядка на 2 дБ [5].

В отличие от усилителя класса А, где взаимная модуляция уменьшается при снижении мощности, в усилителе класса АВ взаимная модуляция изменяется так, как изображено на рисунке 7 [5].

Рис. 7 Зависимость уровня искажений от входной мощности сигнала

Увеличение искажений при снижении мощности обуславливается появлением так называемых «переходных» искажений, т.е. искажений, появляющихся при переходе из режима класса А в режим класса АВ.

Суммарные искажения многокаскадного усилителя d_∑ могут быть определены по формуле [5]:

, (7)

где d₁ и d₂ и т.д. – продукты взаимной модуляции 1-ого, 2-ого и т.д. каскадов усилителя в дБ.

По результатам анализа применяемых режимов работы активных элементов и возникающих искажений при усилении сигналов можно сделать следующие выводы:

• анализ используемых режимов работы активных элементов в усилителях мощности показывает, что установленным требованиям для высоколинейных усилителей радиостанций подвижной службы удовлетворяют только усилители, работающие в классе А. Усилитель класса А, может обеспечивать уровень взаимной модуляции не более минус 40 дБ с КПД не превышающем 25 %.Требованиям по линейности для стационарных передатчиков (не более минус 45 дБ) могут удовлетворять усилители класса А, работающие с КПД ~ 15 % и обеспечивающие продукты интермодуляции 3-его порядка не более минус 55…60 дБ. Вследствие низкого КПД усилителей класса А при высоких требованиях к энергетической эффективности средств радиосвязи такой режим работы передатчиков в чистом виде становится неприемлемым для практического использования;

• применение высокоэффективных классов режимов работы каскадов усилителей таких, как АВ, В, С и Е, без применения специальных методов уменьшения искажений, не приемлемо вследствие значительных искажений сигналов на выходе усилителей - порядка минус 30 дБ и более;

• применение энергетически выгодных режимов работы требует поиска и исследования новых специальных методов повышения линейности.