CC BY
171
История и перспективы применения метода автоматической регулировки режима для повышения КПД радиопередатчиков
Рассмотрены основные этапы развития метода автоматической регулировки режима (АРР), именуемого в зарубежной литературе Envelope Tracking. Подчеркивается приоритет отечественных разработчиков в становлении и развитии этого перспективного метода повышения энергетической эффективности линейных усилителей мощности. Показаны основные преимущества внедрения метода АРР по питанию в современные системы цифровой радиосвязи, цифрового радиодоступа и цифрового радиовещания, использующие широкополосные многочастотные OFDM-сигналы.
Ключевые слова: линейны усилитель, автоматическая регулировка режима, КПД, сигналыы с переменной огибающей.
Иванюшкин Р.Ю.,
Дулов И.В.,
Овчинникова М.В.,
Тришина Ю.А.,
МТУСИ
Сигналы с переменной огибающей находят самое широкое применение в современных системах связи и телерадиовещания. Кроме традиционных аналоговых сигналов с амплитудной (АМ) и однополосной модуляцией (ОМ), огибающая непостоянна у большинства цифровых модулированных сигналов. К таковым относятся все разновидности сигналов с квадратурной амплитудно-фазовой модуляцией (QAM), сигналы с дискретной фазовой модуляцией (BPSK, QPSK, 8PSK и т. п.), а также все разновидности многочастотных сигналов (OFDM и их разновидности).
Как известно, при усилении таких сигналов предъявляются жесткие требования к линейности усилительного тракта. Это важно, как с точки зрения неискаженной передачи самого сигнала, так и с точки зрения недопущения расширения спектра сигнала за счет интермодуляционного продукта, что приводит к нарушению электромагнитной совместимости. С целью минимизации искажений, усилительные приборы должны работать режиме без отсечки выходного тока, то есть в классе А. Такой режим работы противоречит задаче достижения приемлемого КПД передатчика, поэтому, реальные тракты усиления мощности передатчиков, при предъявлении к ним жестких требований по линейности амплитудной характеристики, обычно работают в режиме АВ с отсечкой тока, применяющимся в совокупности со специальными мерами по линеаризации усилителя, таких как, корректирующая обратная связь, предыскажения и т. п.
Другой причиной невысокого КПД усилителей сигналов с непостоянной огибающей, является невозможность работы в высокоэффективных ключевых и слабоперенапряженных режимах. Для обеспечения линейности амплитудно-амплитудной характеристики усилителя мощности, его режим должен оставаться недонапряженным при любых значениях амплитуды огибающей. При этом, лишь в точке максимальной амплитуды огибающей усиливаемого сигнала, режим работы усилителя приближается к граничному. Поскольку КПД усилительного каскада прямопропорционален коэффициенту напряженности режима, максимально возможный КПД усилителя мощности сигнала с переменной огибающей достигается лишь в пиковой точке, когда амплитуда сигнала максимальна. Во все остальные моменты времени, — КПД усилителя более низкий. При этом, средний КПД усилителя мощности зависит от статистики распределения амплитуд огибающей конкретного усиливаемого сигнала и может быть в несколько раз меньше, чем КПД в пиковой точке.
На сегодняшний день известно достаточно большое количество методов повышения энергетической эффективности передатчиков
сигналов с непостоянной огибающей [1]. Большинство из них были разработаны еще на этапе активного внедрения систем вещания с амплитудной модуляцией, а также систем однополосной радиосвязи. Некоторые из этих методов на сегодняшний день потеряли свою актуальность. Другие же, — наоборот, получили возможность развития и внедрения в практику, вследствие развития современной элементной базы и вычислительной техники.
Наиболее универсальной и относительно простой с точки зрения практической реализации является группа методов, направленная на поддержание режима работы линейного усилителя мощности близким к граничному, без необходимости совершать нелинейные преобразования над самим усиливаемым сигналом. Для реализации этой идеи, получившей название автоматической регулировки режима (АРР) [1,2,3], одновременно с изменением амплитуды огибающей усиливаемого сигнала, изменяется один или несколько других параметров режима работы усилительного прибора (питающие напряжения, сопротивление нагрузки), таким образом, чтобы режим работы каскада всегда поддерживался граничным. Например, если одновременно с уменьшением амплитуды усиливаемого сигнала одновременно увеличивать сопротивление нагрузки, то уменьшение напряженности режима за счет уменьшения амплитуды входного напряжения будет скомпенсировано увеличением напряженности режима за счет увеличения сопротивления нагрузки.
На практике, наибольшее распространение получила автоматическая регулировка режима по питанию [2,3] При этом, синхронно с изменением амплитуды огибающей усиливаемого сигнала изменяется напряжение питания. Другие виды автоматической регулировки режима получили гораздо меньшее распространение, либо в силу сложности практической реализации (автоматическая регулировка режима по сопротивлению нагрузки, также получившая название амплитудной модуляции связью), либо по ряду других причин.
Метод АРР изначально был предложен нашими соотечественниками Б.И. Рассадиным и К.С.Полянским-Майковым в середине 1950-х годов, применительно к передатчикам однополосных сигналов. В отличие от радиовещательных АМ-передатчиков, в которых успешно применялась высокоэффективная анодная модуляция, КПД однополосных передатчиков с линейным усилителем мощности получался достаточно низким. Внедрение однополосной радиосвязи в те гсды являлось важной народохозяйственной задачей, в силу чего, задачам построения высокоэффективных радиопередатчиков для магистральной радиосвязи уделялось значительное внимание.
Позднее, разработкой метода АРР по питанию активно занималась группа ученых под руководством А.Д. Артыма [2]. Разработчики предложили использование АРР по питанию с начальным порогом регулирования, что позволило отказаться от полного пропускания всей полосы частот огибающей усиливаемого сигнала через канал управления системы регулировки напряжением питания. Этой же группой разработчиков были исследованы основные причины нелинейных искажений, возникающих при АРР, а также методы их снижения.
Pис. 1. Принцип автоматической регулировки режима по питанию
Принцип действия АРР по питанию наглядно иллюстрируется рис.1, где показан пример динамической характеристики каскада усиления мощности, работающего в режиме близком к классу В. На рисунке 1. максимальной амплитуде усиливаемого сигнала соответствует точка I. Этот режим близок к граничному, при котором КПД каскада усиления достаточно высок. При снижении амплитуды усиливаемого сигнала, напряженность режима каскада уменьшается, что соответствует, например, точке II. Если при этом пропорционально уменьшать питающее напряжение, то уменьшение напряженности режима будет скомпенсировано ее увеличением, что соответствует точке III, где режим снова граничный. Разумеется, в реальности, статические характеристики усилительных приборов отличаются от идеализированных, показанных на рис. 1. Поэтому, на практике, закон регулирования не обязательно должен быть линейным. Регулирующее режим работы каскада колебание огибающей усиливаемого сигнала, не должно существенно запаздывать, относительно изменения во времени самого усиливаемого сигнала. В противном случае, это может привести к нелинейным искажениям, связанным с переходом в перенапряженный режим (если, например, регулирующее колебание не успеет увеличить напряжение питания вслед за увеличением амплитуды усиливаемого сигнала). Для обеспечения необходимой синхронности регулирования режима работы усилительного каскада, необходимо компенсировать задержку сигнала в канале управления, однако, временная точность совпадения регулирующего сигнала при использовании метода АРР требуется существенно меньшая, чем в синтетическом методе Л. Кана, где временная задержка является одной из наиболее значимых причин появления специфических нелинейных искажений сигнала [1,3].
Практическая реализация метода автоматической регулировки режима по питанию осуществляется (см. рис. 2) путем введения в цепи питания мощных каскадов усиления (оконечного ОК и предоконечного ПОК) высокоэффективных импульсных ключевых регуляторов питающего напряжения (ИКР). Использование в качестве таких регуляторов усилительных приборов, работающих в ключевом режиме, обеспечивает высокий КПД регулятора, что снижает дополнительные потери, неизбежно возникающие в устройстве регулирования. Кроме самих регуляторов, устройство регулирования также включает широтно-импульсный модулятор (ШИМ), формирующий из непрерывной огибающей A(t) усиливаемого сигнала и колебаний тактовой частоты 1т последовательность управляющих импульсов; предварительный усилитель импульсов (ПУИ); а также фильтры нижних частот (ФНЧ), в задачу которых входит восстановление огибающей A(t) из последовательности ШИМ-импульсов. В тракте радиочастоты усилительного тракта передатчика с АРР, показанного на рис.2., также обозначены каскады предварительного усиления (КПУ), обычно не охватываемые системой АРР, а также выходная фильтрующая система (ВФС).
В настоящее время, в связи с активным внедрением цифровых способов передачи сигналов, сигналы с переменной огибающей широко используются в различных системах фиксированной и мобильной радиосвязи, широкополосного радиодоступа, цифрового телевидения и цифрового радиовещания [4]. Многие из этих сигналов имеют достаточно широкополосную огибающую, что существенно затрудняет применение таких высокоэффективных способов построения усилителей сигналов с переменной огибащей, как метод Л. Кана и метод дефазирования. Несмотря на то, что в настоящее время, структуры с так называемой полярной модуляцией (по сути являющейся разновидностью метода Л. Кана), постепенно внедряются в средства мобильной связи, применение автоматической регулировки режима по питанию (Envelope Tracking) уже находит широкое применение там, где используются широкополосные OFDM-сигналы.
Важнейшим преимуществом использования метода АРР при построении передатчиков OFDN-сигналов, является относительно узкая требуемая полоса пропускания канала управления, и, соответственно, относительно низкие тактовые частоты ШИМ-регуляторов напряжения питания, что делает их КПД весьма значительным. Возможность существенного снижения полосы пропускания канала управления и тактовой частоты ШИМ, связана с тем, что у огибающей OFDM-сигналов наибольшая часть энергии сосредоточена в области постоянной составляющей близких к ней частоты. Большая часть энергии огибающей содержится в 1/10 части ее полосы, а, исходя из практических соображений, при использовании АРР с порогом регулирования, полоса пропускания канала управления напряжением питания может сужена еще более значительно. В тоже время, при использовании метода Л. Кана, требуется пропускать всю полосу частот огибающей, полоса которой, как правило, в 3-4 раза превосходит занимаемую полосу частот радиоканала. При этом, ключевые схемы тракта огибающей становятся неэффективны, что существенно сдерживало применение методов повышения КПД передатчиков цифрового телевидения и широкополосного радиодоступа. Внедрение метода АРР по питанию, теоретически уже сегодня позволяет решать эти проблемы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шахгильдян В.В., Розов В.М., Козырев В.Б. Методы построения усилителей однополосных транзисторных передатчиков. // Электросвязь.
_ 1976. - №10. - С.47-55.
2. Повышение эффективности мощных радиопередающих устройств / АД Артым, А.Е. Бахмутский, Е.В. Козин и др.; Под ред. АД Артыма. — М.: Радио и связь, 1987. — 176 с.
3. Иванюшкин Р.Ю. Методы повышения энергетической эффективности линейных усилителей мощности. Учебное пособие (для специальности 201100). МТУСИ — М.,2006.
4. Дулов И.В., Иванюшкин Р.Ю. Моделирование тракта огибающей системы АРР вещательного передатчика. Сборник трудов IX международной научно-технической конференции "Перспективне технологии в средствах передачи информации ПТСПИ-2011", Владимир-Суздаль 2011.
Ivanyushkin R.U., Dulov I.V., Ovchinnikova M.V., Trishina UA
Abstract: The history and the main principles of automatic adjustment of a mode of the power amplifier on voltage of a power supply are considered. The great of the Russian scientists of the development of this method are described. The main advantages of a method of automatic adjustment of a mode are shown at strengthening of signals from a variable envelope.
Keywords: Linear Amplifier, Automatic Adjustment of the Mode Method, Envelope Tracking, Power Efficiency, Signals with the Variable Envelope.
