Устройство линейного усиления сигнала с амплитудной и фазовой модуляцией с использованием нелинейных усилителей

Устройство линейного усиления сигнала с амплитудной и фазовой модуляцией с использованием нелинейных усилителей

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к технике связи и может использоваться в передающих и ретранслирующих устройствах для линейного усиления сигнала с амплитудной и фазовой модуляцией с использованием нелинейных усилителей.

Известно устройство линейного усиления сигнала с амплитудной и фазовой модуляцией с использованием нелинейных усилителей [1, 2], содержащее сумматор, выход которого является выходом устройства, два идентичных нелинейных усилителя мощности, выходы которых подсоединены к входам сумматора, и фазовращатель на угол 90°.

Недостатком этого устройства являются высокие искажения сигнала, появляющиеся на выходе устройства при малых значениях мгновенной мощности усиливаемого сигнала. Малые значения мгновенной мощности усиливаемого сигнала приводят к тому, что в известном устройстве сигнал, поступающий на усилитель с управляемым усилением с выхода транслинейного преобразователя, осуществляющего преобразование вида (где x, y - сигналы на входах транслинейного преобразователя), может быть сколь угодно большим при малых значениях y, пропорциональных мгновенной мощности огибающей усиливаемого сигнала. Таким образом, верхняя граница диапазона рабочих амплитуд сигналов на выходе транслинейного преобразователя и на входе усилителя с управляемым усилением, в котором блоки должны сохранять свою функциональность, равна бесконечности, что практически не реализуемо. Поэтому при малых значениях мгновенной мощности сигнала на входе известного устройства неизбежно появление искажений сигнала на его выходе.

Известны и другие устройства для линейного усиления сигнала с амплитудной и фазовой модуляцией с использованием нелинейных усилителей, содержащие сумматор, выход которого является выходом устройства, два идентичных нелинейных усилителя мощности, выходы которых подсоединены к входам сумматора, и фазовращатель на угол 90°.

В устройствах, предложенных в [3-7], для формирования составляющих входного сигнала устройства с постоянной амплитудой используются разнообразные обратные связи, общим недостатком которых являются искажения усиленного сигнала, вызванные задержкой в петле обратной связи [5].

В устройствах, предложенных в [8-13], применяется блок цифровой обработки квадратурных компонент входного сигнала на видеочастоте, использование которого подразумевает включение в схему двух квадратурных модуляторов, неидеальность и неидентичность которых приводит к искажениям усиленного сигнала [14].

Технический результат изобретения заключается в уменьшении искажений, возникающих при усилении сигнала.

Для достижения указанного технического результата предлагается устройство, содержащее сумматор, выход которого является выходом устройства, два идентичных нелинейных усилителя мощности, выходы которых подсоединены к входам сумматора, и фазовращатель на угол 90°, отличающееся тем, что в устройство введены ограничитель, вход которого подсоединен к входу устройства, а выход - к входу фазовращателя на угол 90°, блок формирования первой составляющей входного сигнала устройства с постоянной амплитудой (далее - блок формирования), выход которого подсоединен к входу первого нелинейного усилителя мощности, а первый, второй и третий входы блока формирования подсоединены соответственно к входу устройства, выходу ограничителя и выходу фазовращателя на угол 90°, и блок преобразования первой составляющей входного сигнала устройства с постоянной амплитудой во вторую составляющую входного сигнала с постоянной амплитудой (далее - блок преобразования), выход которого подсоединен к входу второго нелинейного усилителя мощности, а первый, второй и третий входы блока преобразования подсоединены соответственно к выходу блока формирования, выходу фазовращателя на угол 90° и выходу ограничителя, при этом блок преобразования содержит фазовращатель на угол 90°, вход которого является первым входом блока преобразования, перемножитель, входы которого являются вторым и третьим входами блока преобразования, смеситель, входы которого подсоединены к выходам перемножителя и фазовращателя на угол 90°, а выход является выходом блока преобразования, блок формирования содержит фазовый детектор, входы которого являются первым и вторым входами блока формирования, пиковый детектор, вход которого подсоединен к выходу фазового детектора, нелинейный преобразователь, осуществляющий преобразование отношения поступающих на его входы сигналов по закону арксинуса, один вход которого подсоединен к выходу фазового детектора, а другой вход - к выходу пикового детектора, и фазовый модулятор, один вход которого подсоединен к выходу нелинейного преобразователя, другой вход является третьим входом блока формирования, а выход - выходом блока формирования.

На фиг.1 представлена структурная электрическая схема предложенного устройства.

Устройство содержит блок формирования 1, блок преобразования 2, два идентичных нелинейных усилителя мощности 6 и 14, сумматор 7, ограничитель 10, фазовращатель 11 на угол 90°. При этом блок формирования 1 содержит фазовый детектор 3, нелинейный преобразователь 4, осуществляющий преобразование отношения поступающих на его входы сигналов по закону арксинуса, фазовый модулятор 5, пиковый детектор 8, а блок преобразования 2 содержит фазовращатель 9 на угол 90°, перемножитель 12 и смеситель 13.

Устройство работает следующим образом.

На вход устройства поступает произвольный радиосигнал S_in(t), модулированный по амплитуде и фазе

который всегда может быть представлен в виде суммы двух сигналов, модулированных по фазе, с равными постоянными амплитудами

где A_m=max_tA(t) - максимальное значение амплитуды входного сигнала, а соответствующие представлению амплитуды входного сигнала в виде

Входной сигнал S_in(t) поступает на первый вход блока формирования 1 и на вход ограничителя 10.

Из входного сигнала S_in(t) в ограничителе 10 выделяется фазомодулированная составляющая p(t) с постоянной амплитудой, поступающая на второй вход блока формирования 1, на вход фазовращателя 11 на угол 90° и на третий вход блока преобразования 2,

Фазовращатель 11 поворачивает на 90° по фазе поступивший на его вход сигнал p(t) с выхода ограничителя 10. Получившийся сигнал q(t)

поступает на третий вход блока формирования 1 и на второй вход блока преобразования 2.

Сигналы S_in(t), p(t), q(t), поступившие на входы блока формирования 1, преобразуются в нем следующим образом.

Сигнал S_in(t) с первого входа блока совместно с сигналом p(t) со второго входа блока поступают на входы фазового детектора 3, в котором осуществляется их перемножение и фильтрация нижних частот, исключающая вторую гармонику сигнала. Таким образом, на выходе фазового детектора 3 формируется сигнал x(t), пропорциональный амплитуде A(t) входного сигнала S_in(t) и равный:

Далее сигнал x(t) подается на пиковый детектор 8, на выходе которого формируется максимальное значение сигнала x(t) во времени , и на нелинейный преобразователь 4, осуществляющий преобразование отношения поступающих на его входы сигналов x(t) и x_m по закону арксинуса. Таким образом, на выходе нелинейного преобразователя 4 формируется сигнал θ(t):

модулирующий в фазовом модуляторе 5 опорный сигнал q(t), поступающий с третьего входа блока формирования 1. Таким образом, на выходе фазового модулятора 5 (выходе блока формирования 1) формируется сигнал , пропорциональный первой компоненте входного сигнала (3):

Сигнал с выхода блока формирования 1 поступает на первый вход блока преобразования 2. Сигналы , q(t) и p(t), поступившие на входы блока преобразования 2, преобразуются в нем следующим образом.

В перемножителе 12 перемножаются сигналы q(t) и p(t) со второго и третьего входов блока преобразования 2, формируя сигнал с постоянной амплитудой и полной фазой, равной удвоенной полной фазе сигнала S_in(t):

Получившийся сигнал совместно с предварительно повернутым в фазовращателе 9 на угол 90° сигналом с первого входа блока преобразования 2 (10) поступают на смеситель 13, настроенный на разностную частоту, формируя на выходе блока преобразования 2 сигнал , пропорциональный второй компоненте входного сигнала (4):

Амплитуда сигнала K на выходе ограничителя 10 выбирается равной 2. В этом случае сигналы (10) и (12) на выходе блока формирования 1 и блока преобразования 2 имеют равные амплитуды.

Полученные на выходах блоков формирования 1 и преобразования 2 сигналы и :

раздельно усиливаются в идентичных нелинейных усилителях мощности 6 и 14. На выходах усилителей мощности 6 формируются усиленные копии и усиливаемых сигналов и :

где G - значение коэффициентов усиления идентичных усилителей 6 и 14 мощности, a Δt - значение задержки сигналов при их усилении.

Поступающие на вход усилителей мощности 6 и 14 сигналы (13) и (14) имеют постоянные амплитуды, следовательно, в течение всего времени работы усилители мощности «находятся» в фиксированных точках амплитудно-амплитудной и фазово-амплитудной характеристик. Такое функционирование усилителей мощности 6 и 14 приводит к отсутствию нелинейных искажений при усилении в каждом из трактов вне зависимости от выбора режима работы по выходной мощности. В том числе усилители мощности 6 и 14 могут работать в режимах с максимальными выходной мощностью и/или КПД, лучшим образом используя свой энергетический потенциал.

Усиленные копии и усиливаемых сигналов и складываются в сумматоре 7, формируя выходной сигнал устройства. С учетом (15) сигнал на выходе устройства выражается следующим образом:

и представляет собой линейно усиленную в раз и задержанную во времени на Δt реплику входного сигнала S_in(t) (2):

Таким образом, предлагаемое устройство осуществляет линейное усиление сигнала с амплитудной и фазовой модуляцией с использованием нелинейных усилителей. При этом в устройстве достигается технический результат, заключающийся в уменьшении искажений на выходе устройства.

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ

1. Shi В., Sundström L. A translinear-based chip for linear LINC transmitters. - Proc. IEEE ISCAS, Geneva, Switzerland, 2000, vol.1, pp.64-67.

2. Shi В., Sundström L. An IF CMOS signal component signal separator chip for LINC transmitters. - Proc. IEEE Conf. Custom Integr. Circuits, 2001, pp.49-52.

3. Cox D.C. Linear amplification with nonlinear components. - IEEE, 1974. - 4 p.

4. Сох D.C., Leek R.P. Component signal separation and recombination for linear amplification with nonlinear components. - IEEE, 1975. - 7 p.

5. Rustako A.J. Jr., Yeh Y.S. A wide-band pahse-feedback inversesine phase modulator with application toward a LINC amplifier. - IEEE Trans. Commun., vol.COMM-24, pp.1139-1143, Oct. 1976.

6. Shi В., Sundström L. A LINC transmitter using a new signal component separator architecture. - Proc. IEEE 51st VTC-Spring, May 15-18, 2000, vol.3, pp.1909-1913.

7. Shi В., Sundström L. A 200 MHz IF BiCMOS signal component separator for linear LINC transmitters. - IEEE J. Solid State Circuits, vol.35, no.7, pp.987-993, Jul. 2000.

8. Bateman A., Wilkinson R.J., Marvill J.D. The application of digital signal processing to transmitter linearization. - IEEE, 1988. - pp.64-67.

9. Bateman A., Haines D.M., Wikinson K.J. Linear tranceiver architectures. - 38th IEEE Veh. Technol. Conf. May 1988, pp.478-484.

10. Casadevall F.J. The LINC transmitter. - RF Design, pp.41-48, Feb. 1990.

11. Hetzel S.A., Bateman A., and McGeehan J.P. A LINC transmitter. - IEEE Electron. Lett., vol.27, no.10, pp.844-846, May 1991.

12. Casadevall F.J., Valdovinos A. Performance analysis of QAM modulations applied to the LINC transmitter. - IEEE Trans. Veh. Technol., vol.42, no.4, pp.399-406. Nov. 1993.

13. Wang Q., Zhong Z., Lin X. An improved SCS algorithm based on LINC transmitter. - IEEE, 2010. - pp.789-792.

14. Sundström L. Spectral sensitivity of LINC transmitters to quadrature modulator misalignments. - IEEE Trans. Veh. Technol., vol.49, no.4, pp.1474-1487, Jul. 2000.

Устройство линейного усиления сигнала с амплитудной и фазовой модуляцией с использованием нелинейных усилителей, содержащее сумматор, выход которого является выходом устройства, два идентичных нелинейных усилителя мощности, выходы которых подсоединены к входам сумматора, и фазовращатель на угол 90°, отличающееся тем, что в устройство введены ограничитель, вход которого подсоединен к входу устройства, а выход - к входу фазовращателя на угол 90°, блок формирования первой составляющей входного сигнала устройства с постоянной амплитудой (далее - блок формирования), выход которого подсоединен к входу первого нелинейного усилителя мощности, а первый, второй и третий входы блока формирования подсоединены соответственно к входу устройства, выходу ограничителя и выходу фазовращателя на угол 90°, и блок преобразования первой составляющей входного сигнала устройства с постоянной амплитудой во вторую составляющую входного сигнала с постоянной амплитудой (далее - блок преобразования), выход которого подсоединен к входу второго нелинейного усилителя мощности, а первый, второй и третий входы блока преобразования подсоединены соответственно к выходу блока формирования, выходу фазовращателя на угол 90° и выходу ограничителя, при этом блок преобразования содержит фазовращатель на угол 90°, вход которого является первым входом блока преобразования, перемножитель, входы которого являются вторым и третьим входами блока преобразования, смеситель, входы которого подсоединены к выходам перемножителя и фазовращателя на угол 90°, а выход является выходом блока преобразования, блок формирования содержит фазовый детектор, входы которого являются первым и вторым входами блока формирования, пиковый детектор, вход которого подсоединен к выходу фазового детектора, нелинейный преобразователь, осуществляющий преобразование отношения поступающих на его входы сигналов по закону арксинуса, один вход которого подсоединен к выходу фазового детектора, а другой вход - к выходу пикового детектора, и фазовый модулятор, один вход которого подсоединен к выходу нелинейного преобразователя, другой вход является третьим входом блока формирования, а выход - выходом блока формирования.