Введение к работе
Актуальность работа. Задача повышения энергетических и качественных характеристик радиочастотных однополосных усилителей мощности диапазонов СЧ и ВЧ в последнее время все в большей степени привлекает взимание разработчиков радиоаппаратуры. Особенно актуальной эта задача является для радиопередатчиков, работающих в условиях ограниченных энергоресурсов -носимых, мобильных, аварийных, бортовых и т.д.
Успехи в создании эффективных транзисторных ключевых усилителей мощности вызвали особый интерес к цифровым методам усиления ОМ сигналов, которые в настоящее время считаются наиболее перспективными для подобного класса устройств.
Под цифровыми усилителями мощности (ЦУМ) здесь и в дальнейшем понимаются устройства, имеющие аналоговые вход и выход, но оперирующие при усилении не с абсолютной величиной значения сигнала, а с соответствующим ей цифровым кодом, т.е. устройства, имеющие в своем составе цифровой тракт усиления. В них усиливаемый ВЧ сигнал с переменной амплитудой либо непосредственно, либо после прохождения блока предварительной обработки (например, после разделения на ВЧ и НЧ составляющие) подвергается в АЦП дискретизации, квантованию и кодированию. Полученный при этом цифровой код после соответствующего преобразования уровней в блоке ПУ управляет работой мощного цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), который и формирует выходной сигнал непосредственно на заданном уровне мощности. Выделение усиленного сигнала осуществляется в блоке выходных фильтров , включаемых на выходе усилителя.
Из рассмотренного принципа действия цифровых усилителей следует, что весь процесс усиления сводится, по существу, к преобразованию постоянных уровней цифрового кода сигнала, что и определяет возможность улучшения ряда показателей усилителей радиочастотных колебаний. Их энергетическая эффективность может приближаться к эффективности разрядных ключевых генераторов (РКГ) блока ЦАП, электронный КПД которых достигает величины 82...95 . Это позволяет сократить габариты радиаторов, что, в свою очередь, наряду с использованием ИС, дает возможность улучшить массогабарит-ные показатели устройства в целом, повысить его надежность и т.п.
Вместе с тем, следует отметить, что наряду с указанными достоинствами, цифровым усилителям присущи и определенные недостатки, из которых основным является обогащение спектра выходного
сигнала продуктами цифровой обработки или их производными вследствие конечной величины разрешающей способности цифрового тракта. В отличие от традиционных способов построения усилительного тракта, спектр излучаемого цифровым усилителем сигнала медленно убывает в широкой полосе частот, что значительно ограничивает области использования рассматриваемых усилителей. Таким образом, проблема улучшения качественных показателей цифровых усилителей мощности является весьма актуальной, что и определяет цель диссертационной работы.
Целью диссертационной работы является развитие теории работы и методов построения цифровых усилителей мощности однополосных сигналов и создание макетов усилителей, имеющих малый уровень шумов квантования при высоких энергетических и улучшенных массогабаритных показателях. Для достижения составленной цели в диссертации решаются следующие задачи:
-
Проведение сравнительного анализа возможных вариантов построения цифровых усилителей мощности и способов уменьшения искажений, связанных с цифровым преобразованием ом сигнала.
-
Разработка нелинейной математической модели цифрового усилителя мощности, впервые учитывающей инерционность разрядных ключевых генераторов блока ЦШ. Исследование результатов совместного воздействия на состав спектра выходного сигнала выявленных автором и известных ранее факторов, позволяющее более строго сформулировть требования к структуре устройства и наложить ограничения на параметры его отдельных узлов.
3.. Разработка инерционной математической модели коллекторных цепей ключевых генераторов, учитывающей особенности их работы в блоке ЦАП. Исследование переходных характеристик известных типов ключевых генераторов, позволяющее определить области их применения в различных цифровых усилителях мощности.
4. Математическое моделирование влияния параметров канала компенсации ошибки квантования на выходной спектр и энергетическую эффективность усилителя мощности, позволяющее сформулировать требования к увлан канала компенсации.
. Б. Разработка рекомендаций по способам реализации мощного широкополосного усилителя постоянного тока (. УПТ ) для канала компенсации,-имеющего высокие энергетические и улучшенные массога-баритнае показатели, проведение оптимизации его параметров с учетом характеристик сигнала ошибки квантования в усилителе мощности с цифровда преобразованием огибающей ( УМЩО ).'
6. Создание макета УМЦПО с каналом компенсации ошибок квантования, удовлетворяхщего требованиям к бортовым усилителям, и его испытания.
Методы исследования. Для решения перечисленных задач используется квазистагический метод анализа нелинейных четырехполюсников, метод спектрального анализа, метода численного моделирования и- оптимизации на ЭВМ и некоторые другие методы теории линейных и нелинейных электрических цепей. Все основные результаты анализа подтверждены экспериментальными исследованиями разработанного макета усилителя и его узлов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработаны и защищены авторским свидетельствами новые варианты построения цифровых усилителей мощности СМ сигналов и способы уменьшения искажений квантования, предлокена их классификация и проведен сравнительный анализ, позволивший определелить структуры, наиболее перспективные для использования в диапазонах СЧ и ВЧ.
-
Разработана математическая модель усилителя мощности с цифровым преобразованием огибающей ОМ сигнала, позволяхщая анализировать состав спектра сигнала на выходе усилителя с учетом инерционности разрядных ключевых генераторов блока ЦАП. С ее помощь»:
- определены предельно достижимые качественные характеристики усилителя с учетом инерционности РКГ блока НАЛ;
-определены требования к переходным характеристикам разрядных ключевых генераторов при различной разрешающей способности цифрового тракта.
-
Разработана инерционная математическая модель цепей питания ключевых генераторов, учитывающая особенности юс работы в блоке ЦШ, на основании которой исследовано влияние элементов коллекторной цепи на переходные характеристики генераторов, обоснован выбор генераторов с переключением напряжения для использования в блоке ЦМІ в качестве разрядных генераторов и определены критерии выбора элементов генераторов с переключением напряжения, обеспечивающие требуемую инерционность.
-
Исследовано влияние параметров канала компенсации ошибок квантования на выходной спектр и энергетическую эффективность усилителя мощности, в результате чего определены предельно 'ости-жимые качественные характеристики усилителя в зависимости от полосы пропускания канала компенсации;
- выявлена зависимость результирующего КЦЦ усилителя от его разрешающей способности и КЦЦ канала компенсации ошибки;
-обоснована целесообразность использования усилителя с квантованием входного сигнала (УКВС) в качестве широкополосного усилителя постоянного тока канала компенсации ошибки квантования и проведена оптимизация его параметров в соответствии с характеристиками сигнала ошибки.
Основные научные положения, выносимые на защиту, заключаются в следующем:
-
Компенсация ошибок квантования наиболее эффективна в малоразрядных усилителях мощности с цифровым преобразованием огибащей посредством линеаризации проходной характеристики и обратной связи по огибащей.
-
Инерционность разрядных ключевых генераторов в области больших времен приводит к перераспределению уровней комбинационных составляющих, причем уровни искажений низких порядков возрастают, а высоких - уменьшаются.
-
Для обеспечения требуемых переходных характеристик блока ЦАП в качестве разрядных генераторов целесообразно использовать ключевые генераторы по схемам с переключением напряжения.
-
Для обеспечения малого уровня потерь в системе сложения мощностей при суммировании сигналов цифрового тракта и канала компенсации следует использовать непосредственное сложение мощностей ключевых генераторов по схемам с переключением напряжения.
-
Канал компенсации ошибок квантования уменьшает уровень комбинационных составляющих на выходе усилителя в полосе частот, примерно равной полосе пропускания канала компенсации, причем с приближением к границе полосы пропускания эффективность подавления искажений уменьшается.
-
Для обеспечения высоких энергетических показателей усилителя мощный щирокоголосный УНТ канала компенсации целесообразно выполнять в вида усилителя с квантованием входного сигнала с оіргимизированншя для сигнала ошибки параметрами.
Пра-к ти.ческа я ценность диссертационной работы заключается в следующем:
I. Проведено обоснование выбора метода построения цифрового усилителя мощности с .компенсацией ошибок квантования, наиболее перспективного для практической реализации с учетом существукщей элементной базы.
2.Разработана программа расчета уровней комбинационных иска-
жений в цифровом усилителе мощности, учитывающая инерционные параметры разрядных ключевых генераторов и позволяющая накладывать ограничения на характеристики отдельных узлов и структуру усилителя в целом для обеспечения заданного уровня комбинационных искажений и внеполосных излучений.
-
Разработана инерционная модель коллекторной цепи ключевых генераторов, позволяющая определять их переходные характеристики в условиях работы в составе блока ЦАП цифрового усилителя мощности.
-
Определены требования к параметрам канала компенсации ошибок квантования в зависимости от заданных качественных и энергетических характеристик усилителя мощности.
-
Разработаны рекомедации по способам построения мощного широкополосного усилителя постоянного тока для канала компенсации с высокими энергетическими и массогабаритными показателями.
б.Впервые создан и испытан макет цифрового усилителя мощности ОМ сигнала с компенсацией ошибки квантования с высокими качественными и энергетическими показателями.
Реализация результатов . Основные ре-зультаты^исследования, вывода и рекомендации, изложенные в диссертационной работе, нашли отражение в отчетах по НИР в 1986 -1991 _гг. и использованы на промышленных предприятиях, что подтверждается приводимым актом о внедрении.
Апробация работы . Основные положения диссерта-ционой работы докладывались автором, обсуждались и получили положительную оценку на научно- технических конференциях профессорско-преподавательского состава, сотрудников и аспирантов МЭИС в 1987, 1988 _гг., МИС в 1989, 1990, 1991, 1992 гг.,на научно-технических конференциях "Передача, прием и обработка сигналов в системах радиосвязи" в Ростове в 1990 г., "Элементы и узлы современной приемной и усилительной техники" в Ужгороде в 1991 г., на семинарах "Транзисторные усилители мощности" на ВДНХ в 1987 г. и "Автоколебательные системы и усилители в радиопередащих устройствах" в Симферополе в 1988 г.
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано семь печатных работ.
Структурные схемы разработанных усилителей мощности, а также отдельные схемотехнические решения защищены пятью авторскими' свидетельствами.
Структура и об'єм работ ы . Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 131
странице машнописного текста, содержит 62 рисунка, 7 таблиц и два приложения. В библиографию включено 66 наименований отечественной и зарубежной литературы.
