- •210400– Радиотехника
- •210400.68 – Системы приема, передачи и обработки сигналов Диссертация на соискание академической степени магистра
- •Оглавление
- •Глава 1. Общая характеристика усилителей мощности, обзор методов линеаризации усилителей 13
- •Часть 1. Анализ технического задания, поиск информации по теме исследования
- •Часть 2. Разработка математической модели усилителя мощности с линеаризацией
- •Список используемых сокращений
- •Задание
- •Назначение работы:
- •Исходные данные:
- •Перечень вопросов, подлежащих разработке:
- •Часть 3 Исследование усилителя мощности с функцией линеаризации
- •Часть 4. Обработка полученных результатов исследования
- •Глава 1. Общая характеристика усилителей мощности, обзор методов линеаризации усилителей
- •1.1 Общие требования, предъявляемые к усилителям мощности
- •1.2 Анализ характеристик режимов активных элементов, используемых при построении усилителей мощности
- •1.2.1 Режим класса а
- •1.2.2 Режим класса ав
- •1.2.3 Режим класса в
- •1.2.4 Режим класса с
- •1.2.5 Режим класса e
- •1.3 Анализ основных характеристик усилителей
- •1.4 Искажения, методы измерения искажений
- •1.5 Методы повышения линейности выходных трактов
- •1.5.1 Анализ простейших методов повышения линейности
- •1.5.1.1 Метод с автоматической регулировкой режима работы класса а
- •1.5.1.2 Метод с автоматическим регулированием питающего напряжения
- •1.5.1.3 Метод квантования
- •1.5.1.4 Метод Догерти
- •1.5.2 Анализ методов повышения линейности при усилении сигналов со сложными видами модуляции
- •1.5.2.1 Методы организации обратной связи
- •1.5.2.2 Метод обратной связи на радиочастоте
- •1.5.2.3 Метод обратной связи по огибающей
- •1.5.2.4 Полярная обратная связь
- •1.5.2.5 Метод декартовой (квадратурной) обратной связи
- •1.5.2.6 Адаптивная связь вперед
- •1.5.2.7 Метод введения предискажений
- •1.5.2.8 Введение предискажений на радиочастоте и на промежуточной частоте
- •1.5.2.9 Метод адаптивного цифрового предискажения
- •1.5.2.10 Метод подавления и восстановления огибающей (eer)
- •1.5.2.11 Метод повышения линейности с помощью нелинейных компонентов linc и совмещенный аналоговый универсальный модулятор с автоподстройкой частоты callum
- •Особенности формирования сигналов при помощи dds
- •Формирование дефазированного сигнала
- •Формирование сигнала усилителя мощности с использованием четырех несущих
- •1.5.2.12 Метод организации связи вперед для подавления интермодуляционных искажений
- •1.6 Выводы по главе 1
- •Глава 2. Разработка математической модели усилителя мощности с функцией линеаризации
- •2.1 Модель структуры организации обратной связи усилителя мощности
- •Из уравнения (25) записываем также линейное уравнение
- •2.2 Анализ работы петли квадратурной обратной связи
- •2.2.1 Анализ стабильности квадратурной петли обратной связи
- •2.3 Спектральный анализ процесса линеаризации с помощью квадратурной петли обратной связи
- •2.4 Выбор параметров усилителя для проведения моделирования
- •2.4.1 Оценка влияния интермодуляционных искажений
- •2.4.2 Оценка влияния ам-ам и ам-рм искажений
- •2.5 Разработка математической модели усилителя мощности
- •2.5.1 Линейная модель
- •2.5.2 Модель на основе кубического полинома
- •2.5.3 Модель, использующая гиперболический тангенс
- •2.5.4 Модель Сале
- •2.5.5 Модель Горбани
- •2.5.6 Модель Раппа
- •2.6 Разработка модели возбудителя усилителя мощности с функцией линеаризации
- •2.6.1 Разработка блока коррекции ошибки
- •2.6.2 Разработка блока коррекции фазы
- •2.6.3 Разработка блока корректировки усиления
- •2.6.4 Разработка модели генератора входного сигнала
- •2.6.5 Общая модель схемы линеаризации
- •2.7 Выводы по главе 2
- •Глава 3. Исследование усилителя мощности с функцией линеаризации
- •3.1 Исследование влияния линейности усилителя мощности на процесс линеаризации
- •3.1.1 Оценка эффективности работы схемы линеаризации в моделях гиперболического тангенса и кубического полинома
- •3.1.2 Оценка эффективности работы схемы линеаризации в модели Раппа
- •3.2 Исследование влияния задержки цепи обратной связи
- •3.3 Исследование влияния полосы сигнала на линеаризацию
- •3.4 Исследование процесса линеаризации на выходную мощность
- •3.5 Исследование влияния процесса линеаризации на передаточную характеристику усилителя мощности
- •3.6 Выводы по главе 3
- •Глава 4. Систематизация полученных данных в процессе исследования
- •4.1 Результаты исследования влияния линейности усилителя на процесс линеаризации
- •4.2 Результаты исследования влияния задержки цепи обратной связи на линеаризацию
- •4.3 Результаты исследования влияния полосы сигнала
- •4.4 Результаты исследования влияния линеаризации на выходную мощность
- •4.5 Описание структуры для реализации в плис
- •Список используемой литературы
2.7 Выводы по главе 2
Подводя итоги второй главы отметим ряд выводов:
1) Если представить структуру обратной связи усилителя мощности как нелинейную систему с помощью многомерных линейных дифференциальных уравнений, то рабочая точка Pвх(t), Рвых(t) нестационарна, так как она зависит от времени t и описывает некоторую траекторию в координатах [Pвх(t), Рвых(t)], где время t является параметром. В итоге получается нелинейная передаточная характеристика усилителя мощности. Линеаризация проводится в каждый момент времени t, а необязательно в точках равновесия управляемой системы, в которых производная вектора состояния равна нулю;
2) От обычной петли обратной связи квадратурная петля ОС отличается смесителями и преобразователями, которые разделяют сигнал на I и Q составляющие. На этом этапе появляется основная сложность, а именно обеспечение устойчивости. На сдвиг фазы φ влияет очень много параметров, такие как сдвиг фазы в усилителе мощности, температура и другие, которые должны учитываться в цепи ОС и, перед сложением с исходным сигналом, корректироваться;
3) Устойчивость цепи обратной связи принято оценивать параметром, называемым эффективностью обратной связи. Выражение эффективности цепи обратной связи показывает ухудшение стабильности в связи с изменением фазы от 0 до π/2;
4) В результате спектрального анализа усилителя мощности было математически получено выражение спектра сигнала на выходе усилителя в квадратурной петле обратной связи, из которого видно что для тональной модуляции выходная мощность усилителя на частотах и находится в квадратичной зависимости от обоих сигналов ошибки модулятора и нелинейности усилителя мощности. Для улучшения линейности усилительного тракта необходимо с помощью петли корректировать именно сигналы ошибки;
5) Существует ряд основных параметров, характеризующих искажения усилительных трактов. В настоящей диссертации представлены три основных: IP3, AM/AM, AM/PM. Параметр интермодуляции IP3 является одним из важнейших. Это точка пересечения прямой роста интермодуляционных искажений с прямой линейного коэффициента передачи. Чем больше параметр IP3, тем ниже пролегает прямая роста интермодуляционных искажений и тем шире динамический диапазон УМ. 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. АМ-РМ искажения определяют поведение усилителя, при котором фаза сигнала на выходе на определенной частоте изменяется согласно нелинейности передаточной характеристики усилителя;
6) В качестве моделей усилителя мощности были исследованы следующие: линейная, модель на основе кубического полинома, модель гиперболического тангенса, модель Сале, модель Горбани, модель Раппа. В моделях на основе кубического полинома и гиперболического тангенса чтобы промоделировать работу реального усилителя необходимо задать коэффициент IP3, соответствующий коэффициенту IP3 реального усилителя, а также, исходя из характеристики AM/PM реального усилителя задать нужное значение изменения фазы в градусах на децибел. В моделях Сале и Горбани необходимо с помощью задания собственных коэффициентов (для каждой модели они свои) получить характеристики AM/AM и AM/PM подобные таким же характеристикам реальных усилителей. В модели Раппа необходимо с помощью подбора фактора гладкости S и уровня насыщения Qbat получить передаточную характеристику модели усилителя близкую передаточной характеристике реального усилителя;
7) После исследования моделей усилителя мощности была разработана модель возбудителя передатчика с функцией линеаризации на основе декартовой петли обратной связи. Блок линеаризатора состоит из блока АРУ, блока коррекции фазы сигнала обратной связи и блока коррекции ошибки сигнала. Вычисленная ошибка сигнала суммируется с передаваемым сигналом в качестве поправки.