Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ методов многостанционного доступа и современных усилительных модулей 16
1.1. Сравнительная характеристика методов многостанционного доступа в системах связи 16
1.2. Нелинейные искажения сигналов в мощных усилительных СВЧ-модулях 21
1.3. Анализ современных усилительных модулей для систем многостанционного доступа 25
1.4. Методы построения современных усилительных модулей со сложением мощностей 31
1.5. Формирование CDMA-сигнала и минимизация ощибок при передаче данных 34
Глава 2. Исследование нелинейных искажений в усилителях систем радиосвязи с многостанционным доступом 43
2.1. Анализ ИМИ на выходе мощного усилителя мощности в многосигнальном режиме 43
2.2. Спектральный анализ CDMA-сигналов на выходе мощного нелинейного усилителя мощности 53
2.3. Оптимизация регулирования мощности в прямом и обратном каналах связи 60
Глава 3. Разработка и исследование оптимальных схем коррекции характеристик мощных усилителей 73
3.1. Методы линеаризации и современные схемы корректоров характеристик мощных усилителей 73
3.2. Разработка высокоэффективных схем корректоров характеристик мощных усилителей 82
3.3. Разработка схемы блока управления корректором и математическое моделирование его работы 98
3.4. Разработка широкополосных усилителей и экспериментальное подтверждение результатов исследования 111
Глава 4. Методы повышения надежности работы мощных усилительных модулей в системах радиосвязи с многостанционным доступом 129
4.1. Оптимальные методы резервирования, применяемые в современных системах радиосвязи 129
4.2. Разработка эффективной методики расчета показателей надежности мощного усилительного модуля 131
4.3. Разработка алгоритма и программы для расчета вероятности безотказной работы мощного усилительного модуля 137
4.4. Анализ результатов вычисления и оптимизации величин вероятностей безотказной работы мощного усилительного модуля 143
4.5. Исследование явления ухода параметров мощного усилительного модуля и оценка стабильности характеристик усилителя 145
Заключение 160
Список литературы 162
Приложения 168
- Нелинейные искажения сигналов в мощных усилительных СВЧ-модулях
- Спектральный анализ CDMA-сигналов на выходе мощного нелинейного усилителя мощности
- Разработка высокоэффективных схем корректоров характеристик мощных усилителей
- Разработка эффективной методики расчета показателей надежности мощного усилительного модуля
Введение к работе
При передаче информации необходимо обеспечить ее достоверность, а также такой уровень мощности, который был бы достаточен для ее адекватного приема абонентом, находящимся на другом конце линии связи. Большинство современных систем связи работают но принципу многостанционного доступа, под которым понимают возможность обращения нескольких мобильных станций к одной базовой станции или спутниковому ретранслятору, при котором абоненты могут одновременно передавать и получать через нее информацию. Подобные системы связи работают с многочастотным сигналом и поэтому их рабочие полосы всегда велики.
В последнее время, было разработано несколько алгоритмов формирования сигналов, использующихся в современных системах передачи информации, и принципов построения многоканальных радиотехнических систем. Из наиболее перспективных следует отметить системы типа CDMA -с многостанционным доступом с кодовым разделением каналов (МДКР).
Актуальность проблемы
К радиотехническим системам, в которых реализованы сложные алгоритмы обработки сигналов, всегда предъявляется ряд технических требований по надежности, по уровню и контролю выходной мощности, а главное - по минимизации нелинейных искажений в широкой полосе частот.
Важной проблемой для систем передачи информации является создание на выходе передающего устройства многочастотных сигналов достаточной мощности с малыми искажениями и линейными характеристиками. Одним из вариантов решения этой проблемы является применение широкополосных сумматоров мощности с малыми потерями. Очевидно, что каким бы мощным ни был выходной усилитель, существует
оборудование, которое практически невозможно построить без использования схем суммирования и деления мощностей (передатчики базовых станций сотовой связи, передатчики служб персональной связи, спутниковые ретрансляторы, передающие устройства радиолокационных станций).
Говоря о современной элементной базе для усилителей мощности, можно отметить, что хотя значительный прогресс в этом направлении был достигнут благодаря разработке в начале 90-х годов XX столетия современных транзисторов, характеристики которых были существенно улучшены по сравнению с традиционными устройствами, удовлетворение непрерывно ужесточающихся требований по минимизации нелинейных искажений, увеличению КПД и выходной мощности, стабильности коэффициента усиления вдоль всей полосы частот и его независимости от мощности входного сигнала существенно затруднено.
Требования по увеличению пиковой мощности усилителей часто противоречат требованиям минимизации нелинейных искажений и
обеспечению линейности амплитудной Рвых(Рвх) и иазоамплитудной (р(Рвх)
характеристик (АХ, ФАХ). Кроме того, применение избыточных многомодульных схем обеспечивает высокую надежность устройств, но усложняет конструкцию всей системы и значительно повышает ее стоимость. Достижение линейности основных характеристик усилителей мощности, включающих схемы суммирования, крайне необходимо, особенно в многоканальных системах связи, где требуется обеспечить линейность характеристик в широком диапазоне частот. Среди основных задач, которые возникают при проектировании передающей аппаратуры систем связи с многостанционным доступом, необходимо назвать обеспечение равномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) усилителя мощности Рвых(/), коэффициента усиления по мощности Кр(/), а также линейности его амплитудной характеристики РВЫх(РВХ) и фазочастотной
характеристики (ФЧХ) ф(/) во всей полосе частот; подавление составляющих интермодуляционных искажений (ИМИ) в выходном спектре при многочастотном сигнале. Поскольку типовые характеристики усилителей снимаются в определенном установившемся режиме до настоящего времени не были предъявлены требования по обеспечению необходимой стабильности АЧХ и, особенно, ФЧХ широкополосных усилителей при изменении различных дестабилизирующих факторов (температуры, напряжений питания и смещения). Уход параметров усилителя, под влиянием указанных (Ьакторов ухудшает линейность его характеристик и снижает показатели надежности
Для минимизации ИМИ в выходном спектре, в передающем устройстве применяются корректоры характеристик усилителей. Однако, устройства коррекции характеристик могут также вносить дополнительные искажения или не полностью подавлять ИМИ в результате наличия амплитудных и фазовых ошибок в петлях прямой или обратной связи.
Исходя из этого, можно отметить ряд проблем, которые возникают при конструировании и работе выходных транзисторных усилительных модулей. 1. К современным модулям СВЧ-усилителей предъявляются жесткие требования по линейности их амплитудных и фазоамплитудных характеристик (АХ, ФАХ). В результате нелинейности данных характеристик на выходе многочастотного СВЧ-усилителя появляются ИМИ, которые не поддаются никакой фильтрации и значительно ухудшают параметры системы радиосвязи. Высокая линейность характеристик может быть достигнута путем снижения КПД до 25%, однако это неприемлемо для сложных и дорогих мощных усилительных модулей, которые работают на участке АХ, близкой к мощности насыщения.
При работе на участках АХ, близкой к мощности насыщения нельзя рассматривать нелинейные искажения в усилителе только на основе ИМИ 3-го порядка. Необходим учет ИМИ 5-го порядка.
Для подавления ИМИ на выходе усилителя необходимо минимизировать амплитудные и фазовые ошибки в самом корректоре.
Степень подавления ИМИ сильно зависит от амплитудных и фазовых ошибок, то есть значительно ухудшается при росте нестабильности АЧХ и, особенно, ФЧХ. Подобные нестабильности не только ухудшают показатели системы и сужают полосу частот, в которой возможна минимизация ИМИ, но и снижают показатели надежности многомодульного усилителя.
С учетом того, что данные проблемы остро стоят перед проектировщиками радиоэлектронной аппаратуры, выбранная тема диссертационной работы является актуальной.
Цель работы и задачи исследования
Основными целями научного исследования являются:
исследование современных широкополосных мощных СВЧ-усилительных модулей, применяемых в системах связи с многостанционным доступом;
расчет ИМИ в спектре на выходе усилителя мощности и определение доли ИМИ 5-го порядка в общих нелинейных искажениях;
выявление зависимости степени подавления ИМИ в корректоре от амплитудных и фазовых ошибок;
анализ существующих схем линеаризации характеристик и разработка оптимальных корректоров, в которых минимизированы амплитудные и фазовые ошибки;
определение зависимости АЧХ и ФЧХ широкополосных усилителей от различных дестабилизирующих факторов (температуры, напряжений
питания и смещения), и постановка требований по минимизации нестабильности характеристик в заданном диапазоне частот;
- разработка математического аппарата и программного обеспечения, для
расчета показателей надежности схем, построенных с применением схем
сложения мощностей.
Основными задачами, исходящими из поставленной цели исследования, являются:
анализ параметров существующих мощных усилительных модулей и исследование ИМИ на выходе мощных усилительных модулей систем многостанционного доступа на основе спектрального и корреляционно-регрессионного анализа;
разработка математического аппарата, учитывающего ИМИ 5-го порядка и определепие уровня выходной мощности, при которой необходимо брать в расчет ИМИ 5-го порядка;
анализ современных схем коррекции (линеаризации) характеристик усилительных модулей и определение зависимости степени подавления искажений от амплитудных и фазовых ошибок в корректоре;
разработка современных схем коррекции характеристик мощных усилителей систем связи с многостанционным доступом с минимальными амплитудными и фазовыми ошибками;
разработка современной методики и программного обеспечения расчета оптимальных значений параметров надежности многомодульных усилителей;
формулировка требований к стабильности внешних параметров для обеспечения стабильности АЧХ и ФЧХ и минимизации ИМИ.
Объект научного исследования
Объектом научного исследования является структура и состав мощных выходных усилителей систем мобильной связи с многостанционным доступом (на примере систем CDMA), а также процессы, протекающие в мощных транзисторных усилительных модулях.
Методы научного исследования
Исследования выполнены с применением методов:
спектрального анализа;
теории линейных и нелинейных цепей;
математического и схемотехнического моделирования;
корреляционно-регрессионного анализа;
линейной алгебры и функций комплексного переменного;
теории вероятностей и математической статистики;
анализа и синтеза усилительных устройств;
теории надежности.
Научная новизна
Выполнены расчеты и анализ структуры ИМИ в спектре на выходе усилителя мощности системы связи с многостанционным доступом; с применением корреляционно-регрессионного и спектрального анализа определены составляющие ИМИ 3-го порядка в выходном спектре, вероятности возникновения ИМИ для разного количества каналов связи.
Разработаны требования по учету ИМИ 5-го порядка в общих нелинейных искажениях.
Проведен комплексный анализ существующих схем линеаризации характеристик широкополосных усилителей мощности.
Разработана схема оптимального корректора, в котором до минимума уменьшены амплитудные и фазовые ошибки.
Разработаны современные методика, алгоритм и программное обеспечение расчета оптимальных значений параметров надежности усилителей, построенных по принципу сложения мощностей.
Впервые сформулированы требования к стабильности внешних параметров для обеспечения линейности АЧХ и ФЧХ усилителей и минимизации ИМИ в выходном спектре в корректорах с прямой связью.
Практическая ценность результатов
Практическая ценность результатов состоит в следующем.
На основе корреляционно-регрессионного анализа АХ и ФАХ при помощи рядов Тейлора, а также спектрального анализа широкополосных сигналов, определены ИМИ 3-го порядка в выходном спектре.
Сформулированы требования по учету ИМИ 5-го порядка на выходе нелинейного усилителя. Рассчитана вероятность возникновения ошибки для разного количества кодовых каналов в зависимости от уровня ИМИ в выходном спектре.
Показано, что при построении многоканальной системы связи для обеспечения вероятности ошибки менее 10"^..!10"4 необходимо обеспечить уровни ИМИ не выше -45..,-53 дБ.
По результатам работы была модернизирована измерительная СВЧ-установка, в которой существенно уменьшены амплитудные и фазовые ошибки при использовании направленных ответвителей.
Разработан десятидецибельный несимметричный направленный ответвитель, не вносящий существенного подавления несущих на выходе. При применении разработанного направленного ответвителя в качестве выходного сумматора, степень подавления несущих снижается до 0,52 дБ, что составляет всего 12,7 % от входной мощности.
Рассчитана и разработана высокоэффективная схема линеаризации характеристик усилителей для систем радиосвязи, позволяющая
минимизировать нелинейности АХ и ФАХ и подавить ИМИ на 22 дБ в полосе частот 15 МГц при работе с многочастотным сигналом СВЧ-диапазона.
На основании полученных результатов проведена точная настройка ряда многомодульных усилителей СВЧ-диапазона при построении широкополосных систем радиосвязи, проведена оценка влияния степени подавления ИМИ на качество передачи информации в системах передачи информации с многостанционным доступом.
Разработанное программное обеспечение позволило рассчитать допустимые вероятности безотказной работы ряда разрабатываемых СВЧ-усилителей и осуществить контроль надежности работы мощных усилительных модулей при отказе одного или нескольких усилительных каскадов, входов сумматоров или выходов делителей мощности.
Впервые сформулированные положения по обеспечению стабильности внешних факторов предъявляют требования по достижению и контролю необходимой стабильности АЧХ и ФЧХ широкополосных СВЧ-усилителей систем радиосвязи с многостанционным доступом .
Защищаемые положения и результаты
Автор защищает:
Результаты исследования и минимизации ИМИ 3-го порядка в спектре сигналов на выходе широкополосных СВЧ-усилителей мощности систем радиосвязи с многостанционным доступом.
Впервые полученные результаты исследования зависимостей вероятности ошибки от уровня ИМИ, а также методы анализа вклада ИМИ 5-го порядка в общие нелинейные искажения.
Впервые разработанную схему оптимального корректора характеристик искажений, позволяющую минимизировать амплитудные и
фазовые ошибки и подавить ИМИ в полосе 15 Мгц на частотах 1805... 1880 МГц,
Разработанные современные методики, алгоритмы и программное обеспечение расчета оптимальных значений параметров надежности усилителей, построенных по принципу сложения мощностей.
Впервые сформулированные требования к стабильности внешних параметров для обеспечения линейности АЧХ и ФЧХ и минимизации ИМИ в выходном спектре.
Внедрение результатов работы
Результаты работы внедрены в учебном процессе в МИРЭА и использованы в ФГУП «МНИИП», ФГУП «НПП Волна», НИИКС филиале ГКНПЦ им М.В. Хруничева, ОАО «МНИИРС», сервисном центре Rohde & Schwarz ЗАО «Специальная электронная техника».
Апробация результатов исследования
Основные положения и научные результаты работы обсуждались в 1999 - 2002 годах на Второй Международной конференции: цифровая обработка сигналов и ее применения - DSPA'99 - Москва, 1999; на Шестой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов: радиотехника, электротехника и энергетика - Москва, МЭИ, 2000; на Седьмой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов: радиотехника, электротехника и энергетика - Москва, МЭИ, 2001; на Третьей Международной конференции: цифровая обработка сигналов и ее применения - DSPA'2000 - Москва, 2000; на 49-й научно-технической конференции МИРЭА - Москва, 2000; на 50-й научно-технической конференции МИРЭА - Москва, 2001; на Четвертой Международной конференции: цифровая обработка сигналов и ее применение - DSPA'2002 - Москва, 2002; на 51-й научно-технической конференции МИРЭА- Москва, 2002.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 11 научных статей и докладов на конференциях.
Объем и структура работы Работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы из 59 наименований и приложений. Объем диссертации составляет 175 страниц, включая 161 страницу машинописного текста, 6 страниц списка литературы, 14 таблиц, 65 рисунков и 8 листов приложений.
Нелинейные искажения сигналов в мощных усилительных СВЧ-модулях
Помехи, которые существуют в радиоканале, возникают в результате искажения сигнала при прохождении им через нелинейные устройства, а также из-за воздействия на сигнал радиоволн от внешних источников. Для технологии CDMA воздействие внешних (даже узкополосных) помех легко устраняется, путем применения широкополосных шумоподобных сигналов и корреляционной обработки. Алгоритм фильтрации помехи в системе CDMA показан на рис. 1.1.
Поскольку структура помеховых сигналов во многом известна, это облегчает задачу их подавления. Известны следующие методы борьбы с помеховыми сигналами:- увеличение мощности передатчика и коэффициента усиления антенны;- снижение уровня собственных шумов приемника;- снижение уровня внешних помех на воде приемника за счет их компенсации;- групповая обработка сигналов и определение различий между помехой и полезным сигналом;- увеличение отношения сигнал/помеха за счет использования новых методов кодирования и цифровой модуляции.
Внешние интермодуляционные помехи возникают в приемнике в результате наличия более одного помехового сигнала с интенсивностью, достаточной для проявления нелинейных свойств приемного тракта, или как результат сложения мешающих сигналов с гармониками гетеродина. Также интермодуляционные помехи возникают в передатчике при попадании на его вход мощных сигналов от близко расположенных передающих станций.
Однако, наибольшую опасность для передатчиков базовых станций представляют не внешние, а внутренние нелинейные искажения полезных сигналов, возникающие в мощном усилителе. Нелинейные искажения в спектре выходного сигнала возникают в результате нелинейности характеристик отдельных усилительных модулей, а также нелинейностей, имеющих место в направленных ответвителях (сумматорах, делителях) в мощном выходном усилителе. Типичный вид амплитудной (АХ) и фазоамплитудной (ФАХ) характеристик нелинейного усилителя мощности представлены на рис. 1.2.
Исследования показали, что нелинейность АХ проявляется в виде нелинейного АМ/АМ преобразования, а неравномерность ФАХ проявляется в паразитном преобразовании амплитудной модуляции в фазовую модуляцию (АМ/ФМ), называемом в радиотехнике амплитудно-фазовой конверсией (АФК). Нелинейные искажения, вызванные появлением на выходе дополнительных гармоник при подаче напряжения на вход мощного усилителя, могут быть оценены путем разложения многочастотного выходного сигнала в ряд Фурье:
Величину подобных нелинейных искажений можно найти либо, оценив уровни дополнительных спектральных составляющих, либо определив коэффициент гармоник:
Допустимые уровни гармоник определяются соответствующими стандартами радиосвязи и, как правило, они составляют: -35 дБ для второй и -45 дБ для третьей гармоники сигнала в одном канале,
В результате нелинейности характеристик, после прохождения через усилитель многочастотного сигнала, на выходе кроме полезного усиленного сигнала появляются паразитные комбинационные составляющие полезных сигналов:
Комбинационные составляющие, попадающие в полосы частот полезных сигналов, образуют интермодуляционные искажения (ИМИ). ИМИ, появляющиеся на выходе передатчика, не поддаются никакой фильтрации, складываются с шумами приемников и значительно ухудшают показатели системы связи. Именно поэтому борьба с ИМИ является наиболее важной задачей при проектировании мощных широкополосных усилителей мощности.
Как правило, усилители мощности строят на основе усилительных модулей, которые представляют собой конструктивно законченные радиотехнические устройства с заданными параметрами, определенными техническим заданием. В качестве активного элемента в современных мощных усилительных модулях обычно применяются полевые транзисторы. Биполярные транзисторы применяются на частотах до 5...6 ГГц и лишь в тех случаях, когда не требуется высокая линейность характеристик. Полевые транзисторы сравнимы с биполярными по выходной мощности, однако, только на частотах до 1 ГГц. Применительно к системам мобильной связи, отметим, что на частоте 1 ГГц выходная мощность биполярных транзисторов значительно выше мощности, которую могут обеспечить полевые транзисторы. Например, при работе в режиме ЛВ, выходная мощность насыщения биполярных транзисторов составляет порядка 150 Вт, а полевых - от 30 до 90 Вт. Данные показатели обуславливают преимущественное применение биполярных транзисторов в выходных каскадах мощных усилительных модулей для систем с низкой линейностью характеристик.
Однако, даже при их более высокой стоимости, по сравнению с биполярными, полевые транзисторы нашли широкое применение в каскадах мощных усилительных модулей передатчиков систем сотовой связи, обеспечивая большую линейность характеристик и обладая достаточным коэффициентом усиления. Так, на частоте 1 ГГц горизонтальные двухдиффузионные МОП-транзисторы способны работать, обеспечивая коэффициент усиления по мощности 11 дБ, а полевые транзисторы, выполненные на арсениде галия (GaAs) - 14 дБ.У полевых транзисторов стоит отметить меньшую зависимость их свойств от температуры, отрицательный температурный коэффициент для
Спектральный анализ CDMA-сигналов на выходе мощного нелинейного усилителя мощности
Зная, как определяются нелинейные искажения на выходе мощного усилителя, можно математически определить спектр CDMA-сигнала на выходе данной нелинейной системы. Для этого необходимо сначала определить сигнал, который подается на вход. Исходя из того, что CDMA-сигнал, подаваемый в аналоговый РЧ блок является QPSK-модулированным, и каждому каналу связи соответствует своя функция Уолша, можно записать, что входной сигнал описывается рядом:где rm(t) - модулирующая квадратурная ФМ (цифровой КФМ-сигнал); d(t) - пссвдошумовая кодовая последовательность (функция Уолша)) fo - центральная несущая частота;(pt(t) - начальная фаза z-ro CDMA-сигналл аканала).
Ширина полосы псевдошумовой кодовой последовательности - В, намного больше ширины полосы модулирующего сигнала. Поэтому ширина полосы пропускания, в которой требования но равномерности АЧХ усилителя мощности должны строго соблюдаться, принимается равной В МГц.
Рассмотрим каждый отдельный CDMA-сигнал (канал) в системе связи, как стохастический случайный процесс с нулевым средним значением. Следовательно, сигнал, описанный уравнением (2.16), можно определить, как: Согласно центральной предельной теореме Ляпунова, а также по закону больших чисел в статистике, при и- со нн важнн каким будет распределение каждого из п сигналов. При ограниченной полосе частот данный процесс будет эквивалентен стохастическому гауссовому случайному процессу с нулевым математическим ожиданием. Данное положение позволяет сделать вывод, что выражение для входного CDMA-сигнала может быть сведено к следующему виду: где -начальная фаза; Unit) - гауссовский процесс, стационарный в широком смысле со спектральной плотностью мощности: Необходимо отметить, что начальная фаза (р, не оказывает влияния на статистическое поведение входного сигнала. Определив, таким образом, входной сигнал, мы можем рассчитать спектр на выходе нелинейного усилителя мощности. Энергетический спектр выходного сигнала можно вычислить, зная спектр среднеквадратического значения: Сначала необходимо найти PUeblx(f), используя теорему Винера-Хинчина, Спектр связан с автокорреляционной функцией выражением: -со Uebix{t), можно найти сначала АКФ среднеквадратического значения входного сигнала R- (г): а затем, АКФ среднеквадратического значения выходного сигнала R- (г): Зная RUeblx(r), можно определить энергетический спектр PUeux(J). Для этого подставим выражение (2.27) в (2.23). Найдя, таким образом, величину Рту (/), и подставив получившийся результат в формулу (2.22), возможно на основе данных стандарта IS-95 [41, 42] определить энергетический спектр CDMA-сигнала. В полосе [-В, В], выражение для Рвыхф будет иметь вид: Далее, считаем, что нелинейные искажения ограничены ИМИ 5-го порядка и при работе в полосе: 5В \f-f0\ считаем, что Рвых(Л = 0. Здесь: ро = йх - линейная составляющая энергетического спектра; Римиз - соссавляющая ИМИ 3-го порядка; Рими5 - составляющая ИМИ 55го порядка. Одна из реализаций рассчитанного спектра CDMA-сигнала показана на рис. 2.7 (В = 625 кГц - половина от 1,25 МГц - от ширины одного канала в системе связи стандарта IS-95). Проанализировав данный график, можно сделать следующие выводы. Существует несколько частотных диапазонов, в которых составляющие спектра значительно различаются. Первая область: \f - f0\ В. В данной области спектр составляет, главным образом, линейная составляющая - Р(/(2В), характеризующая линейную спектральную плотность мощности. Составляющие ИМИ в данной полосе частот обычно незначительны по сравнению с линейной составляющей спектра. Поэтому можно сказать, что при \f - f0\ В, перекрестная модуляция между каналами крайне мала.
Вторая область: В \f - f0\ SB. В данном диапазоне в спектре CDMA-сигнала проявляются составляющие ИМИ 3-го и 5-го порядков. На графике видно, что спектр расширяется в результате того, что основу внеполосных излучений составляют ИМИ 3-го и 5-го порядков. Величина ИМИ в данном диапазоне максимальна. Третья область: SB \f-f0\ 5В. Спектральная ялотность ьощности и данном диапазоне генерируется только за счет ИМИ 5-го порядка. В случае, когда величина Ро мала, или составляющая ИМИ 5-го порядка для данного конкретного усилителя мощности незначительна, то можно сказать, что мощность ИМИ 5-го порядка сопоставима с уровнем шума. Четвертая область: \f-f0\ 5В. Спектральная плотность мощности в данном диапазоне равна нулю, поскольку считается, что сигнал ограничен в полосе частот [-В, +BJ. Естественно, на практике сигнал не является абсолютно ограниченным полосой частот [-В, +BJ, но ввличина PsebixW на данном участке, скорее всего не будет различима на фоне шумов. Особый интерес представляют усилители мощности для систем связи, в которых величина РИм5 мала, по сравнению с РИМІ- Как кыло оассмотрено выше, подобная ситуация может наблюдаться, когда выходная мощность усилителя Рвых нн а... 10 0д Бижж еощности иасыщения ятс, или уровень составляющих ИМИ 5-го порядка при двухтоновом тестовом сигнале более, чем на 20 дБ ниже уровня составляющих ИМИ 3-го порядка. В этом случае, можно значительно упростить уравнения (2.28 - 2.30). Спектральная плотность мощности будет определяться следующим образом:
Разработка высокоэффективных схем корректоров характеристик мощных усилителей
В главе 2 было показано, что практически все рассмотренные схемы обладают рядом недостатков, к которым можно отнести наличие задержки сигнала при прохождении им петли обратной связи, необходимость введения дорогостоящих цифровых сигнальных процессоров и т.п.Основные задачи, стоящие перед исследователями и разработчиками -это линеаризация амплитудной характеристики и сведение к минимуму интермодуляционных искажений (ИМИ) при прохождении через усилитель многочастотного сигнала. Рассматривая ФАХ и ФЧХ исследуемого усилителя мощности можно отметить, что величина общего фазового набега складывается из фазовых набегов во входной и выходной согласующих цепях, а также в активном элементе усилителя:
Из уравнения видно, что фазовые набеги во входной и выходной согласующих цепях являются функциями частоты, в то время, как величина фазового набега в активном элементе зависит также от уровня входной мощности, В результате, предъявляются жесткие требования к АХ усилителя. Методы синтеза согласующе-трансформирующих цепей достаточно хорошо описаны в современной литературе. Следовательно, схемотехническая реализация корректора характеристик, описанного ниже, является сложной, но вполне реализуемой задачей.
Коррекция ФАХ усилителя мощности может быть реализована несколькими способами.1. Схемно-режимный способ. При этом в усилитель вводится дополнительный контур, настроенный на частоту, близкую ко второй обработки сигналов, здесь коррекция характеристик происходит практически в режиме реального времени.
Структурная схема корректора с прямой связью показана на рис. 3.7. Принцип работы данного устройства заключается в следующем. Часть сигнала, поступающего на вход нелинейного усилителя мощности, подается на вход смесителя. На второй вход смесителя подается сигнал с выхода усилителя. Естественно, что в результате нелинейности АХ и ФАХ усилителя, в выходном спектре будут наблюдаться паразитные комбинационные составляющие. Для того чтобы выделить сигнал ИМИ, необходимо, чтобы искаженный и неискаженный сигналы, подаваемые на входы смесителя, были бы сдвинуты относительно друг друга на 180. Для обеспечения дополнительного фазового набега в схему включены линии задержки. Таким образом, в первой петле происходит подавление несущей, выделение ИМИ, и инвертирование их по фазе.
Вторая петля предназначена для подавления ИМИ в выходном спектре. Сигнал ошибки (ИМИ), инвертированный по фазе, с выхода смесителя через электронно-управляемые аттенюатор и фазовращатель поступает на вход промежуточного линейного усилителя и далее на выход передатчика. В это же время, искаженный сигнал с выхода усилителя, пройдя линию задержки, поступает на сумматор, в котором происходит сложение данного сигнала с ИМИ, инвертированными по фазе. В результате, на выходе корректора имеем выходной усиленный сигнал, в котором подавлены нелинейные составляющие.
Для линеаризации АХ в корректоре установлен электронно-управляемый аттенюатор, а для коррекции ФАХ - электронно-управляемый фазовращатель. Для того чтобы определить требуемые фазовые характеристики усилителя необходимо рассмотреть систему, в которую входит корректор, включающий в себя аттенюатор и фазовращатель и нелинейный усилитель мощности.
Примем следующие условные обозначения: X - амплитуда сигнала на входе корректора; Y - амплитуда сигнала на входе усилителя; Z - амплитуда сигнала на выходе усилителя; px,cpy,(pz- фазы сигналов; Ак - амплитудная характеристика корректора; Ау - амплитудная характеристика усилителя; Аук амплитудная характеристика усилителя с корректором; Ф - фазо-амплитудная характеристика корректора; Ф - фазо-амплитудная характеристика усилителя; Ф - фазо-амплитудная характеристика усилителя с корректором. При подаче на вход устройства сигнала X, на выходе усилителя будет наблюдаться сигнал: Аналогично, сигнал на выходе корректора будет определяться, как: следовательно: определить графическим методом. На рис. 3.8 изображена векторная диаграмма сигналов. В секторе «X-Z» изображена амплитудная характеристика усилителя мощности с корректором - Аук. В секторе «Y-Z» изображена реальная амплитудная характеристика усилителя мощности - Ау. Так как амплитудная характеристика Аук является векторной суммой амплитудных характеристик корректора и усилителя, то по имеющимся данным, можно узнать амплитудную характеристику проектируемого корректора. Она строится по точкам в местах пересечения линий, проведенных из задаваемых точек оси X (уровень входного сигнала) и проекцией функции Ау на ось Y (ось уровней выходного сигнала корректора). В результате выполненных построений в секторе «X-Y» будет изображена требуемая амплитудная характеристика проектируемого корректора. Для того чтобы определить фазо-амплитудную характеристику корректора запишем основные фазовые соотношения:
Разработка эффективной методики расчета показателей надежности мощного усилительного модуля
Надежность любого прибора может характеризоваться несколькими параметрами:1. P (t) - вероятность безотказной работы прибора (многомодульного усилителя) за определенный промежуток времени.где N(t) - количество модулей, исправных к моменту времени t; N0 - общее число модулей.2- Q (t) - вероятность отказа прибора за определенный промежуток времени.где n(t) - количество модулей, отказавших к моменту времени t; N0 - общее число модулей.
Исходя из вышеприведенных соотношений отметим, что:3.V - эксплуатационная интенсивность отказов прибора.-132 Как правило, в целях технологичности процесса производства и упрощения расчетов, каждый мощный усилительный каскад выполняется путем суммирования мощностей транзисторов одного типа, которые работают в одинаковом режиме и выдают равную мощность. При последовательном соединении усилительных каскадов, имеющих одинаковые параметры надежности, вероятность безотказной работы будет равна произведению вероятностей безотказной работы отдельных каскадов:
Соответственно, зная вероятность безотказной работы каждого из транзисторов за определенное время работы устройства, можно определить вероятность безотказной работы всего каскада, выполненного на базе нескольких однотипных транзисторов. Аналогично, зная вероятности безотказной работы каждого из каскадов модуля, можно определить вероятность безотказной работы всего модуля.
В передатчиках систем связи, построенных с применением схем сложения мощностей, избыточность обеспечивается параллельным включением нескольких однотипных усилительных модулей (УМ). При параллельном включении УМ вероятность отказа прибора за время его работы будет равна:
Рассмотрим анализ надежности работы на примере логической схемы, приведенной на рис. 4.1, в качестве узлов которой выступают активные элементы (транзисторы) с заданными вероятностями безотказной работы - р\
Критерием отказа выходного мощного усилительного модуля (а, следовательно, и всего передатчика) служит уменьшение выходной мощности на X %. Другими словами, можно сказать, что для того, чтобы знать отказал передатчик или нет, сначала необходимо задать минимальный уровень мощности на выходе передатчика - Т, рассчитываемый от номинального (максимального расчетного) значения в %,
Кроме этого в расчете необходимо учитывать нелинейную зависимость выходной мощности усилителя от входной. В расчетах, приводимых ниже, данная зависимость учтена следующим образом.
Как было отмечено выше, как правило, каждый мощный усилительный каскад выполняется путем суммирования мощностей транзисторов одного типа, которые работают в одинаковом режиме и выдают равную мощность. Для каждого транзистора введем коэффициент В, равный отношению выходной мощности транзистора к его номинальной (максимальной) мощности:
Таким образом, если на М из N входов внутримодульных сумматоров не подается мощность, а остальные N-M входов возбуждаются синфазно, равной мощностью, то выходная мощность снизится в Т раз:
Следовательно, зная минимальный уровень сигнала на выходе -Т, можно найти максимально допустимое количество отказавших (незапитанных) входов выходного сумматора каскада при данном В,
Пусть выходы сумматоров, входы делителей, вентили и источники питания работают безотказно. Вероятность, что ни один транзистор первого каскада мощного усилительного модуля не откажет равна:
Зная вероятность безотказной работы транзисторов первогокаскада - рц, максимально допустимое количество отказавшихусилителей первого каскада - М, можно найти вероятность егобезотказной работы при условии безотказной работы последующихкаскадов:
Рассматривая последующие каскады, можно отметить, что для них, максимально допустимое число отказавших транзисторов - М, говорит не о выходе из строя транзисторов именно данного, рассматриваемого каскада, а говорит лишь о понижении мощности на выходе сумматора данного каскада. Ведь выйти из строя могли не только транзисторы данного конкретного каскада, но и транзисторы предыдущих каскадов,
Таким образом, пересчитывая мощность со входа усилителя на выход рассматриваемого каскада, мы находим вероятности безотказной работы каждого усилительного каскада при условии безотказной работы последующих по формуле (4.13).
После этого, когда становятся известными вероятности безотказной работы каждого из каскадов, по формуле (4,6) находим общую вероятность безотказной работы всего мощного усилительного модуля.
