2.4 Выбор параметров усилителя для проведения моделирования
2.4.1 Оценка влияния интермодуляционных искажений
Как видно из главы 1, один из основных параметров, характеризующих качество усиливаемых сигналов, это коэффициент интермодуляционных искажений. По выражению (58) произведем оценку нелинейных искажений ИМИ3. Для этого обратимся к рисунку 34.
Рис. 34 Передаточная характеристика нелинейного усилителя
Поскольку зависимости изменения выходных уровней групповых сигналов (верхняя линия на рис.34) и ИМИ 3-го порядка (нижняя линия на рис. 34) от входного тестового воздействия (1) различны, существует точка, в которой они сравняются. Точку и называют – точкой пересечения и обозначают IP3.
Суммарная выходная мощность основных составляющих падает с увеличением РВХ, и при РВХ = РВХ.1дБ (рис. 37, точка 1) коэффициент усиления KP уменьшается на 1 дБ. При дальнейшем увеличении входной мощности наcтупает режим насыщения, и суммарная выходная мощность не превосходит значения РВЫХ.НАС. Уровень нелинейных составляющих второго порядка изменяется пропорционально квадрату РВХ и характеризуется мощностью входного мультичастотного сигнала, при которой он был бы равен уровню основных компонент в отсутствие явления насыщения, т.е. значением РВХ.IP2.
Уровень ИМИ 3-го порядка на выходе УМ возрастает пропорционально Рвх3, и при Рвх = Рвх.IP3 их суммарная мощность может быть равна мощности сигнала в отсутствии явления насыщения (рис. 34, точка пересечения пунктирных прямых IP3).
Из рисунка 34 нетрудно заметить, что чем больше параметр IP3, тем ниже пролегает прямая роста интермодуляционных искажений и тем шире динамический диапазон УМ. Минимальный уровень сигнала на фоне шумов, который еще может быть обработан системой обычно принимают равным уровню шумов на входе УМ.
При достижении сигналом на входе определенного уровня он начинает постепенно ограничиваться по амплитуде. Точка на кривой коэффициента передачи, в которой реальный выходной сигнал отличается на 1 дБ от иде-ального в случае линейной передачи, называется точкой компрессии в 1 дБ. Для приемников систем связи параметр интермодуляции IP3 является одним из важнейших. Это точка пересечения прямой роста интермодуляционных искажений (IMD) с прямой линейного коэффициента передачи. Именно на корректировку этого параметра направлено исследование в данной работе. Обычно компрессия сигнала при достижении верхней границы динамического диапазона происходит раньше, чем достигается данная точка пересечения, поэтому она лежит на воображаемом продолжении прямых и является теоре- тической.
На рисунка 34 видно, что чем больше параметр IP3, тем ниже пролегает прямая роста интермодуляционных искажений и тем шире динамический диапазон УМ.
2.4.2 Оценка влияния ам-ам и ам-рм искажений
В качестве еще одних величин искажений в данной диссертации применены величины AM-AM (амплитуда к амплитуде) искажений и AM-PM (амплитуда к фазе) искажений.
AM-AM искажения определяют поведение усилителя, при котором амплитуда сигнала на выходе изменяется согласно нелинейности передаточной характеристики усилителя и отличается от фазы входного сигнала на этой же частоте. Измеряется как изменение усиления на дБ относительно увеличения уровня входного сигнала, единицы измерения дБ/дБ.
АМ-РМ искажения определяют поведение усилителя, при котором фаза сигнала на выходе на определенной частоте изменяется согласно нелинейности передаточной характеристики усилителя. Измеряется как изменение фазы на дБ относительно увеличения уровня входного сигнала, единицы измерения градусы/дБ.
На рисунке 35 показаны изменения амплитуды и фазы сигнала при увеличении уровня входного сигнала.
а) б) в)
Рис. 35 Изменения амплитуды и фазы посредством колебания третьего порядка: а) AM-AM сжатие; б) АМ-АМ расширение; в) АМ-РМ.
На рисунке 35а в показан случай сжатия амплитуды выходного сигнала при высоких уровнях входного сигнала из-за наличия колебания третьего порядка, причем основное колебание и колебание третьего порядка имеют противоположные знаки, данная ситуация описана в пункте 2.4.1 и представлена на рисунке 35.
На рисунке 35б показана противоположная ситуация. В противоположность ситуации сжатия амплитуды, здесь происходит расширение амплитуды выходного сигнала при высоких уровнях входного сигнала из-за наличия колебания третьего порядка, причем основное колебание и колебание третьего порядка имеют либо положительные знаки, либо отрицательные знаки. Именно этот эффект и положен в основу линеаризации и выработке так называемого сигнала предискажений.
На рисунке 35в показано изменение фазы (AM-PM искажения), девиация которой находится в пределах от 0о до 180о . Это происходит также из-за наличие в основном колебании на выходе усилителя колебания третьего порядка.
Рисунок 36 показывает зависимость функции АМ-РМ от функции сжатия амплитуды сигнала АМ-АМ с величиной аппроксимации 3,5о на сжатии 1-дБ. Стоит отметить, что система оперирующая с 1-дБ компрессией сильно нелинейна. Для достижения линейности необходимо, чтобы усилитель обладал значительно меньшей точкой компрессии и его АМ-PM искажения должны быть меньше чем 1о или 2о .
Рис. 36 АМ-РМ искажения усилителя как функция от АМ-АМ искажений
Величина AM-PM очень маленькая и вычислить ее с достаточной точность затруднительно. Изменения фазы сигнала с помощью параметра АМ-РМ, как было сказано выше, зависят непосредственно от амплитуды сигнала и для достижения более точных результатов возможно только при большой амплитуде входного сигнала.
Аналогичная сложность относительно величины АМ-АМ искажений. Проблема применения преобразования амплитуды для отображения нелинейности состоит в том, что помимо нелинейных составляющих конечное выражение сигнала содержит линейный член, амплитуда которого высока. Таким образом, нелинейные составляющие оказываются небольшими по амплитуде, а значит величины АМ-АМ и АМ-РМ искажений очень чувствительно к погрешности измерений.
В настоящей диссертации нелинейность передаточной характеристики измеряется по параметру IP3 (описанном в 2.4.1), потому что это позволяет получить более простую и точную оценку уровня интермодуляционных искажений.