Радиопередающее устройство с адаптивной коррекцией линейности

Полезная модель относится к области радиотехники и позволяет расширить функциональные возможности радиопередающего устройства, которое содержит блок цифровой обработки сигналов 1, вход1 которого является информационным входом радиопередающего устройства, первый и второй цифровые выходы и блока цифровой обработки сигналов 1 соединены с первым и вторым цифровыми входами соответственно цифрового линеаризатора 2, первый и второй цифровые выходы которого подключены к цифровым входам первого и второго цифро-аналоговых преобразователей 3 и 4 соответственно, аналоговые выходы этих преобразователей соединены с первым и вторым модуляционными входами квадратурного модулятора 5, выход которого соединен с входом усилителя мощности 6, соединенные между собой опорные входы Вход3 модулятора 5 и Вход2 демодулятора являются входом внешнего опорного сигнала несущей частоты радиопередающего устройства, выход усилителя мощности 6 соединен с входом направленного ответвителя 7, первый выход которого является радиочастотным выходом Радиопередающего устройства, второй выход направленного ответвителя 7 соединен с первым входом демодулятора 8, первый и второй выходы демодулятора 8 соединены соответственно со входами первого и второго аналого-цифровых преобразователей 9 и 10, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам второго блока вычисления отсчетов 11, выход второго блока вычисления отсчетов 11 соединен с входом второго блока преобразования Фурье 12, выход которого подсоединен к второму входу блока вычисления критерия качества 13. Первый и второй выходы блока цифровой обработки сигналов 1 соединены с первым и вторым входами блока вычисления отсчетов 14, выход которого подключен к входу первого блока преобразования Фурье 15, выход которого соединен с первый входом вычисления критерия качества 13, выход блока вычисления критерия качества 13 подключен к входу адаптационного процессора 16, первый и второй выходы которого подсоединены к третьему и четвертому параметрическим входам соответственно цифрового линеаризатора 2, при этом третий вход блока вычисления критерия качества 13 подключен выход регистра порога 17, вход которого является пороговым входом радиопередающего устройства. Входной цифровой сигнал в виде последовательности передаваемых бит информации, поступает на вход блока 1 цифровой обработки сигналов. На основе комбинаций входного кода, способа кодирования информации и с учетом требований к сглаживанию фронтов манипуляции фазы и амплитуды, на первом и втором выходах блока 1 формируются бинарные потоки квадратурных видеосигналов I ₀ и Q₀, которые поступают на сигнальные входы Вх1 и Вх2 цифрового линеаризатора 2. 1 илл

Полезная модель относится к области радиотехники.

Для уменьшения уровня интермодуляционных искажений выходного радиосигнала радиопередающего устройства, вызванных нелинейными явлениями насыщения и амплитудно-фазового преобразования в усилителе мощности, известно использование предыскажающего линеаризатора, который включается на радиочастотном входе усилителя мощности.

Наиболее близким техническим решением является Формирователь радиосигналов с цифровым линеаризатором по схеме патента РФ 2438241, который содержит блок цифровой обработки сигналов, цифровой линеаризатор, два цифро-аналоговых преобразователя и квадратурный модулятор, включаемых на входе линеаризируемого усилителя мощности. В таком радиопередающем устройстве цифровой линеаризатор вносит в массив кодов модулирующего сигнала предыскажения, компенсирующие нелинейные искажения радиосигнала в усилителе мощности.

Однако радиопередающее устройство с предварительно настроенным линеаризатором на входе усилителя мощности по схеме прототипа не может обеспечивать высокого качества линеаризации в условиях вариаций нелинейных характеристик усилителя, обусловленных изменением температурного режима активного элемента, его питающих напряжений и параметров окружающей среды, так как не имеет обратной связи и учитывает лишь начальные настройки.

Технической задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей радиопередающего устройства с цифровым линеаризатором на входе усилителя мощности для автоматической адаптации его к изменениям нелинейных характеристик усилителя мощности.

Техническим результатом использования полезной модели является снижение интермодуляционных искажений выходного сигнала, увеличение средней выходной мощности и повышение коэффициента полезного действия усилителя мощности в радиопередающем устройстве с изменяющимися параметрами нелинейных характеристик усилителя, который достигается тем, что известное радиопередающее устройство с адаптивной коррекцией линейности, содержащее блок цифровой обработки сигналов, цифровой линеаризатор, первый и второй цифро-аналоговыу преобразователи, квадратурный модулятор и усилитель мощности, снабжено направленным ответвителем, демодулятором, первым и вторым аналого-цифровыми преобразователями, первым и вторым блоками вычисления отсчетов, первым и вторым блоком преобразования Фурье, вычислителем критерия качества, регистром порога и адаптационным процессором, причем вход блока цифровой обработки сигналов является информационным входом Радиопередающего устройства, первый цифровой выход блока цифровой обработки сигналов подключен к соединенным между собой первым входам цифрового линеаризатора и первого блока вычисления отсчетов, второй цифровой выход блока цифровой обработки сигналов подключен к соединенным между собой вторым входам цифрового линеаризатора и первого блока вычисления отсчетов, первый цифровой выход линеаризатора соединен с цифровым входом первого цифро-аналогового преобразователя, второй цифровой выход линеаризатора - с цифровым входом второго цифро-аналогового преобразователя, аналоговый выход первого цифро-аналогового преобразователя соединен с первым модуляционным входом квадратурного модулятора, аналоговый выход второго цифро-аналогового преобразователя - со вторым модуляционным входом, соединенные между собой третий вход квадратурного модулятора и второй вход демодулятора являются входом несущего колебания Радиопередающего устройства, выход квадратурного модулятора соединен с входом усилителя мощности, выход которого соединен с входом направленного ответвителя, первый выход которого является радиочастотным выходом Радиопередающего устройства, второй выход направленного ответвителя соединен с первым входом демодулятора, первый и второй выходы которого соединены со входами первого и второго аналого-цифровых преобразователей соответственно, выходы которых соединены с первым и вторым входами второго блока формирования отсчетов соответственно, выход которого соединен со входом второго блока преобразования Фурье, выход которого соединен со вторым входом вычислителя критерия качества, вход первого блока преобразования Фурье соединен с выходом первого блока формирования отсчетов, выход первого блока преобразования Фурье соединен с первым входом вычислителя критерия качества, третий вход вычислителя критерия качества соединен с выходом регистра порога, вход которого является входом порога Радиопередающего устройства, выход вычислителя критерия качества соединен с входом адаптационного процессора, первый и второй выходы которого соединены с третьим и четвертым параметрическими входами цифрового линеаризатора соответственно.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором показана блок-схема

Радиопередающее устройство с адаптивной коррекцией линейности содержит блок цифровой обработки сигналов 1, вход 1 которого является информационным входом радиопередающего устройства, первый и второй цифровые выходы и блока цифровой обработки сигналов 1 соединены с первым и вторым цифровыми входами соответственно цифрового линеаризатора 2, первый и второй цифровые выходы которого подключены к цифровым входам первого и второго цифро-аналоговых преобразователей 3 и 4 соответственно, аналоговые выходы этих преобразователей соединены с первым и вторым модуляционными входами квадратурного модулятора 5, выход которого соединен с входом усилителя мощности 6, соединенные между собой опорные входы Вход3 модулятора 5 и Вход2 демодулятора являются входом внешнего опорного сигнала несущей частоты радиопередающего устройства, выход усилителя мощности 6 соединен с входом направленного ответвителя 7, первый выход которого является радиочастотным выходом Радиопередающего устройства, второй выход направленного ответвителя 7 соединен с первым входом демодулятора 8, первый и второй выходы демодулятора 8 соединены соответственно со входами первого и второго аналого-цифровых преобразователей 9 и 10, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам второго блока вычисления отсчетов 11, выход второго блока вычисления отсчетов 11 соединен с входом второго блока преобразования Фурье 12, выход которого подсоединен к второму входу блока вычисления критерия качества 13. Первый и второй выходы блока цифровой обработки сигналов 1 соединены с первым и вторым входами блока вычисления отсчетов 14, выход которого подключен к входу первого блока преобразования Фурье 15, выход которого соединен с первый входом вычисления критерия качества 13, выход блока вычисления критерия качества 13 подключен к входу адаптационного процессора 16, первый и второй выходы которого подсоединены к третьему и четвертому параметрическим входам соответственно цифрового линеаризатора 2, при этом третий вход блока вычисления критерия качества 13 подключен выход регистра порога 17, вход которого является пороговым входом радиопередающего устройства.

Радиопередающее устройство с адаптивной коррекцией линейности работает следующим образом.

Входной цифровой сигнал в виде последовательности передаваемых бит информации, поступает на вход блока 1 цифровой обработки сигналов. На основе комбинаций входного кода, способа кодирования информации и с учетом требований к сглаживанию фронтов манипуляции фазы и амплитуды, на первом и втором выходах блока 1 формируются бинарные потоки квадратурных видеосигналов I₀ и Q ₀, которые поступают на сигнальные входы Вх1 и Вх2 цифрового линеаризатора 2.

Назначение линеаризатора 2 - внесение предыскажений, компенсирующих искажения, вызванные амплитудной компрессией и амплитудно-фазовой конверсией в усилителе мощности. Цифровой линеаризатор 2 на своих выходах формирует два информационных потока I и Q в соответствии с выражениями:

где K(A₀) - функция предыскажения амплитуды, - поток отсчетов ординат модулирующего сигнала, (A₀) - функция предыскажения амплитудно зависимого фазового сдвига, вносимого линеаризатором 2.

Если функция предыскажения амплитуды выбрана по соотношению K(A ₀)=1-a(1-A₀²), то при фиксированном значении параметра адаптации 0a1 в линеаризаторе 2 заполняется таблица корректирующих коэффициентов K(A₀) при значениях 0A₀1, причем максимальному значению A₀=1 соответствует максимальное значение отсчета сигнала с предыскажением. Значение параметра а поступает на параметрический вход Вх3 линеаризатора 2 от адаптационного процессора 16.

На выходе первого блока вычисления отсчетов формируется поток отсчетов передаваемого видеосигнала A₀, отрезки которого на выходе первого блока преобразования Фурье 15 преобразуются в массив опорного спектра модулирующего сигнала F₀, поступающий на первый вход блока вычисления критерия качества 13.

Если функция предыскажения фазового сдвига (A₀) выбрана по соотношению

(A₀)=0.5·b·(A₀·K(A₀)) ², то при фиксированном значении параметра адаптации b в цифровом линеаризаторе 2 заполняются таблицы корректирующих коэффициентов. Значение параметра b поступает на параметрический вход Вх4 линеаризатора 2 от адаптационного процессора 16, а его знак противоположен знаку амплитудно-фазовой конверсии в усилителе мощности 6.

Потоки I и Q цифровых отсчетов предыскаженного по амплитуде и по фазе модулирующего сигнала с первого и второго выходов цифрового линеаризатора 2 преобразуются в цифро-аналоговых преобразователях 3 и 4 в аналоговые напряжения, которые являются модулирующими сигналами I(t) и Q(t) на первом и втором входах квадратурного модулятора 5, где передаваемая информация переносится на несущую частоту. Внешнее опорное колебание с несущей частотой f₀ поступает на опорный вход Вх3 модулятора 5, а на его выходе формируется предыскаженный радиосигнал в соответствии с выражением:

где - амплитуда, (t)=arctg[Q(t)/I(t)] - вариация фазы несущего колебания сигнала, поступающего на вход усилителя мощности 6.

Усилитель 6 для достижения наибольшей выходной мощности и максимального к.п.д. функционирует в нелинейном режиме, близком к насыщению. Однако усиление мощности в таком режиме сопровождается амплитудными искажениями сигнала - амплитудной компрессией и амплитудно-фазовой конверсией. Именно эти искажения компенсируются за счет предыскажения сигнала в линеаризаторе 2.

Для достижения эффекта адаптации к изменениям параметров усилителя 6 часть его выходной мощности со второго выхода направленного ответвителя 7 подается на сигнальный вход Вх1 демодулятора 8, на опорный вход Вх2 которого подключен опорный сигнал несущей частоты f₀. Демодулятор 8 представляет собой известную схему когерентного детектора с выделением синфазного I₁(t) и квадратурного Q ₁(t) сигналов на первом и втором выходах соответственно (см., например, книгу Б.Скляр «Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение». Изд. 2-е, испр.: пер. с англ. - М., Издательский дом «Вильямс», 2003, стр.217, рисунок 4.12).

Выходные сигналы I₁(t) и Q₁(t) демодулятора 8 в первом и втором аналого-цифровых преобразователях 9 и 10 соответственно создают цифровые потоки I₁ и Q₁, которые поступают соответственно на первый и второй входы второго блока формирования отсчетов 11, на выходе которого формируется поток отсчетов выходного сигнала . На выходе второго блока преобразования Фурье 12 отрезки потока данных A₁ преобразуются в массив амплитудного спектра мощности выходного сигнала F₁, поступающий на второй вход Вх2 вычислителя критерия качества 13. На первый вход Вх1 вычислителя 13 поступает массив неискаженного спектра мощности модулирующего сигнала F₀ с выхода первого блока преобразования Фурье 15.

В вычислителе 13 массивы F₀ и F₁ нормируются по максимальному значению и отсчеты массива F₀ вычитаются из отсчетов массива F₁ с теми же значениями частоты. Полученный массив отсчетов =F₁-F₀ определяет мощность мешающих спектральных составляющих, появившихся в выходном сигнале усилителя 6. Их сумма является нормированной суммарной мощностью интермодуляционных искажений выходного сигнала и принимается в качестве критерия качества М. Значение L порога допустимых значений критерия качества записано в регистре порога 17 при первичной настройке через пороговый вход радиопередающего устройства Вход3.

Если значение критерия М при очередном сеансе проверки качества линейности превысит значение порога L, то логический сигнал с выхода вычислителя 13, поступающий на вход адаптационного процессора 16, запускает процедуру адаптивной подстройки параметров оптимизации в блоке 16.

Адаптация производится при помощи процессора 16 и вычислителя 13 на протяжении нескольких циклов итерационного процесса. При первичной настройке процессора 16 задаются начальные значения параметров a₀ и b₀ в середине его разрядной сетки. Производится i=8 пробных шагов отклонений сочетания параметров (a, b) от исходного с вычислением значений M_i на каждом из них. Наименьшее значение M_i определяет направление градиента, по которому достижение оптимального сочетания (a_опт, b_опт ) займет наименьшее количество шагов. Полученное сочетание ( a, b) принимается в качестве исходного на очередном цикле итерации. Если пробные шаги не приводят к уменьшению значения критерия по сравнению с исходным, то уменьшается вдвое величина шага по оптимизируемым параметрам. Процесс адаптации заканчивается, если после очередного цикла итерационного процесса значение критерия М становится меньше заданного в регистре 17 порога L или, если шаг вариации параметров станет равным младшему значащему разряду параметра в процессоре 16. Найденные значения a_опт , и b_опт сохраняются на первом и втором выходах адаптационного процессора 16 до следующего сеанса адаптации.

Работоспособность полезной модели подтверждена результатами имитационных испытаний радиопередающего устройства с адаптивной коррекцией линейности. В них усилитель мощности 6 был представлен известными из литературы нормированными характеристиками амплитудной компрессии U₁=U₀/(1+U₀²) и амплитудно-фазовой конверсии ₁=cU₀²/(1+U₀²), аппроксимирующими результаты измерения параметров СВЧ усилителя на лампе бегущей волны (см. например, книгу «Спутниковая связь и вещание»: справочник. - 3-е изд., под. ред. Л.Я.Кантора. - М.: Радио и связь, 1997, стр.87, рис.4.1 и рис.4.2) и паспортные данные серийных усилительных приборов, в которых параметр с<0 соответствует фазовому сдвигу до 40 угловых градусов при максимальной мощности в точке насыщения. Адаптационный процесс позволяет за 4-6 итерационных циклов или увеличить критерий качества до допустимого значения, когда суммарная мощность интермодуляционных компонент спектра не более -15 дБ от мощности полезного сигнала, или уменьшить величину очередного итерационного шага по параметрам адаптации до 1% от их максимального значения.

Использование полезной модели обеспечивает расширение функциональных возможностей устройства за счет введения адаптации параметров цифрового линеаризатора. Технический результат получается в виде адаптивного снижения до допустимого уровня интермодуляционных искажений сигнала в усилителе мощности радиопередающего устройства при сохранении максимальной полезной мощности и высокого коэффициента полезного действия в условиях изменения нелинейных характеристик усилителя.

Радиопередающее устройство с адаптивной коррекцией линейности, содержащее блок цифровой обработки сигналов, цифровой линеаризатор, первый и второй цифроаналоговый преобразователи, квадратурный модулятор и усилитель мощности, отличающееся тем, что оно снабжено направленным ответвителем, демодулятором, первым и вторым аналого-цифровыми преобразователями, первым и вторым блоками вычисления отсчетов, первым и вторым блоком преобразования Фурье, вычислителем критерия качества, регистром порога и адаптационным процессором, причем вход блока цифровой обработки сигналов является информационным входом радиопередающего устройства, первый цифровой выход блока цифровой обработки сигналов подключен к соединенным между собой первым входам цифрового линеаризатора и первого блока вычисления отсчетов, второй цифровой выход блока цифровой обработки сигналов подключен к соединенным между собой вторым входам цифрового линеаризатора и первого блока вычисления отсчетов, первый цифровой выход линеаризатора соединен с цифровым входом первого цифроаналогового преобразователя, второй цифровой выход линеаризатора соединен с цифровым входом второго цифроаналогового преобразователя, аналоговый выход первого цифроаналогового преобразователя соединен с первым модуляционным входом квадратурного модулятора, аналоговый выход второго цифроаналогового преобразователя - со вторым модуляционным входом, соединенные между собой третий вход квадратурного модулятора и второй вход демодулятора являются входом несущего колебания радиопередающего устройства, выход квадратурного модулятора соединен с входом усилителя мощности, выход которого соединен с входом направленного ответвителя, первый выход которого является радиочастотным выходом радиопередающего устройства, второй выход направленного ответвителя соединен с первым входом демодулятора, первый и второй выходы которого соединены со входами первого и второго аналого-цифровых преобразователей соответственно, выходы которых соединены с первым и вторым входами второго блока формирования отсчетов соответственно, выход которого соединен со входом второго блока преобразования Фурье, выход которого соединен со вторым входом вычислителя критерия качества, вход первого блока преобразования Фурье соединен с выходом первого блока формирования отсчетов, выход первого блока преобразования Фурье соединен с первым входом вычислителя критерия качества, третий вход вычислителя критерия качества соединен с выходом регистра порога, вход которого является входом порога радиопередающего устройства, вычислитель критерия качества оценивает уровень нелинейных искажений в усилителе мощности, выход вычислителя критерия качества соединен с входом адаптационного процессора, который вычисляет оптимальные параметры предыскажения для цифрового линеаризатора, первый и второй выходы адаптационного процессора соединены с третьим и четвертым параметрическими входами цифрового линеаризатора соответственно.