CC BY
27
КОРРЕЛЯТОР НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ ДЛЯ СИСТЕМ СВЯЗИ С КАМ
© Седун Д.Г.
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, Республика Беларусь, г. Минск
В данной работе будут рассмотрены системы связи с использованием квадратурной (амплитудной) модуляцией, способы коррекции сигналов в данных системах связи.
В настоящее время в современных системах цифровой передачи информации используются различные виды модуляции, методы кодирования и обработки сигналов. Используемая модуляция определяет ширину излучаемого спектра, требуемую ширину полосы излучаемого приемопередатчика и пороговое отношение сигнал / шум в демодуляторе. Наиболее популярной модуляцией, используемой в некоторых беспроводных стандартах и в частности, в ЦРРСП является квадратурная амплитудная модуляция (quadrature amplitude modulation - QAM). На сегодняшний момент, в современных цифровых радиорелейных системах применяется модуляция высокого уровня, такая как 256-КАМ, без снижения качества и надежности. Однако следует отметить, что применение многопозиционных видов модуляции с числом уровней 64 и выше требует большей линейности амплитудной характеристики радиотракта, поскольку все форматы модуляции КАМ высокого уровня чувствительны к нелинейным искажениям.
Нелинейные искажения являются главной причиной появления помех и увеличения внеполосных спектральных составляющих в выходном сигнале усилителя мощности и оказывают влияние на ряд важных технических показателей качества радиотехнических устройств: точность воспроизведения сигналов, разрешающую и пропускную способность, помехозащищенность и т.д. При этом повышение линейности трактов способствует решению проблемы электромагнитной совместимости радиоэлектронной аппаратуры.
58
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИИ
Требования к степени линейности в настоящее время ужесточились настолько, что приходится проектировать и создавать радиотехнические устройства, в которых искажения передаваемых, усиливаемых и преобразуемых сигналов должны быть минимальны, например, значения коэффициента гармоник должны составлять тысячные доли процента.
Нелинейные искажения на выходе передающего тракта разделяются на гармонические и комбинационные. Большую сложность представляет уменьшение нелинейных комбинационных искажений (НКИ), спектральные составляющие которых группируются вблизи спектра полезного сигнала и попадают поэтому в полосу пропускания фильтрующей системы передатчика, достаточно эффективно снижающей уровень гармонических искажений выходного сигнала.
Каждая активная цепь представляет собой потенциальный источник нелинейностей. Однако обычно их основным источником являются сверхвысокочастотные (СВЧ) усилители мощности. Номинальная мощность на выходе преобразователя ПЧ/РЧ составляет порядка нескольких милливатт, и, следовательно, требуется усиление для получения необходимого выходного уровня. Обычно для прямого усиления сигнала РЧ используют устройства на GaAs полевых транзисторах. Мощные транзисторы могут характеризоваться параметром P<ыха который соответствует минимальной выходной мощности, при которой сжатие усиления каскада составляет 1 дБ. Следовательно, точка передаточной функции выбирается вблизи участка насыщения, когда устройство начинает терять линейность. Начиная с этой точки, быстро возрастающее искажение амплитуды вызывает ухудшение BER для сигнала, содержащего значительную величину амплитудной модуляции, подобно формату модуляции КАМ.
Чтобы гарантировать линейность комплексной амплитудной характеристики усилителя даже в присутствии пиков амплитуды модулированного сигнала, необходимо, чтобы максимальное значение мощности усилителя было больше пикового значения мощности сигнала при КАМ. Однако это приводит к увеличению стоимости усилителя и не всегда приемлемо в диапазоне СВЧ, где мощность твердотельных усилителей ограничена. Поэтому для компенсации нелинейных искажений, возникающих в усилителе, в сиг-
Телекоммуникационные системы и компьютерные сети
59
нал передатчика вводят нелинейный корректор. Комплексная амплитудная характеристика корректора выбирается таким образом, чтобы значение произведения коэффициента передачи корректора на коэффициент передачи нелинейного усилителя было постоянно во всем диапазоне изменения амплитуд входного сигнала. На рис. 1 представлена типичная нелинейная характеристика усилителя и максимальное значение мощности при которой характеристику усилителя еще можно считать линейной (обычно характеристика считается линейной до тех пор, пока значение коэффициента передачи не уменьшится на 1 дБ). Наличие нелинейных искажений приводит к тому, что увеличение мощности выходного сигнала передатчика, приводит не к уменьшению вероятности ошибки при приеме цифрового сигнала, а к ее увеличению [1].
Рис. 1. Типичная амплитудная характеристика усилителя
Существует довольно много путей уменьшения НКИ: применение усилительных приборов с большей линейностью передаточных характеристик; оптимизация статических и динамических режимов работы приборов в
60
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИИ
усилительном тракте для повышения его линейности; использование схемотехнических методов, которые в свою очередь можно разделить на 2 группы: 1) применение линейных и нелинейных отрицательных обратных связей; 2) компенсация НКИ с помощью предыскажений усиливаемого сигнала, корректирующих обратных связей, «связи вперед» и др.
Поскольку использование схемотехнических способов уменьшения НКИ сопровождается введением в схему тракта дополнительных элементов и узлов, эффективность их применения должна учитываться с учетом следующих критериев: степени и стабильности уменьшения НКИ; степени ухудшения энергетических характеристик устройства, степени усложнения тракта; возможность каскадирования линеаризующих цепей.
Для уменьшения НКИ узкополосных высокочастотных сигналов используется отрицательная обратная связь (ОС). Полоса частот усиливаемого сигнала при этом в значительной степени определяется задержкой в цепи ОС. Важным элементом ОС, соединяющей вход и выход высокочастотного усилителя, является узкополосный фильтр. Однако, применение ОС, при которой соединяются выходная и входная цепи отдельного усилительного каскада, может обусловливать значительный неустранимый набег фазы в цепи ОС, что приводит к сужению полосы частот усиливаемого сигнала. Этот недостаток в значительной степени устраняется при реализации «внутренней» ОС, соединяющей вход и выход непосредственно усилительного прибора.
Для сигналов сравнительно узкополосной модуляции целесообразно применение корректирующих ОС по амплитуде и фазе, заключающихся в дополнительной амплитудной и фазовой модуляции входного сигнала тракта, уменьшающей уровень искажений выходного сигнала тракта.
При компенсации НКИ широкополосного сигнала находит применение способ «связь вперед». Реализация его сопровождается значительным усложнением ВЧ тракта. При этом необходимо реализовать суммирование выходного сигнала главного усилителя корректирующего сигнала, что при больших уровнях мощности затруднительно и приводит к падению уровня выходной мощности устройства. Достоинства схемы - широкополосность и возможность каскадирования. Суммирование мощности отдельных усили-
Телекоммуникационные системы и компьютерные сети
61
тельных модулей позволяет реализовать дополнительное подавление нелинейных искажений. Выходной сигнал с нелинейными искажениями вычитается из части входного сигнала устройства. Разностный сигнал, представляющий НКИ одного усилительного модуля, дополнительно усиливается и поступает на сумматоры, в которых суммируется со входным сигналом каждого из остальных усилительных модулей, что приводит к компенсации НКИ на выходе этих модулей. При реализации такой схемы трудно обеспечить достаточно полное подавление НКИ из-за разброса характеристик усилительных и других блоков.
Определенные преимущества имеет метод формирования корректирующих сигналов на основе разностного сигнала, полученного вычитанием частей входного и выходного сигналов тракта.
Эффективная компенсация НКИ обеспечивается при использовании метода предыскажений. Он состоит в дополнении входного сигнала усилительного тракта сигналом предыскажений, который компенсирует НКИ усилительного тракта. Процесс достаточно точно описывается кусочно-линейной аппроксимацией характеристик тракта. Для более полного моделирования характеристик тракта формируется тракт с выделением синфазного и квадратурного каналов.
При реализации метода предыскажений формируется структурная схема, подобная модели с квадратурными каналами: синфазный и квадратурный сигналы поступают в отдельные блоки предыскажений, после чего производится суммирование предыскаженных сигналов и подача суммарного сигнала в усилительный тракт.
Увеличение стабильности уровня подавления НИ возможно при реализации контроля и корректировки блока предыскажений.
Если верхняя частота модулирующих сигналов достаточно мала, то корректировка уровней амплитудной и фазовой модуляции реализуется цифровыми методами. Предыскажение уровней амплитудной и фазовой модуляции производится обращением к памяти, встроенной в цифровой блок, в которой хранятся соответствующие оптимальные значения уровней модулирующих сигналов, при этом происходит постоянное обновление отсчетов, хранимых в памяти, на основе анализа искажений выходного сигнала тракта.
62
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИИ
Важной особенностью метода предыскажений является необходимость усложнения лишь маломощной части устройства, что не приводит к существенному ухудшению энергетической эффективности тракта при выходном сигнале большой мощности и обусловливает относительную простоту реализации ВЧ тракта.
Хотя применимость того или иного метода определяется совокупностью большего числа критериев, можно сделать вывод, что для простых маломощных передатчиков рационально использовать ОС, а в остальных случаях оптимальной совокупностью характеристик обладает способ предыскажений. Метод предыскажений не связан с вмешательством в структуру и параметры его элементов усилительного тракта, а предполагает лишь использование на входе усилителя дополнительного маломощного устройства (корректора), осуществляющего предварительное искажение входного сигнала с целью уменьшения нелинейных искажений на выходе усилителя.
Существуют корректоры нелинейных искажений, принципы действия которых основаны на эмпирическом применении одного или нескольких нелинейных элементов (обычно диодов). Поскольку передаточные характеристики корректора определяются амплитудной и амплитудно-фазовой характеристиками корректируемого усилителя, практически невозможно целенаправленно управлять параметрами корректора, с тем, чтобы максимально скомпенсировать нелинейные искажения усилителя.
Цифровой корректор в значительной мере свободен от этого недостатка, однако из-за несовершенства необходимой для этих целей элементной базы цифровых схем применение его пока возможно только для коррекции усилителей сигналов с узкой абсолютной шириной спектра, [1].
В [2] предложена структура корректора нелинейных искажений, синтез которой осуществляется в рамках квазистатического приближения на основе аппроксимации его идеальной комплексной амплитудной характеристики степенным полиномом с комплексными коэффициентами. Достоинство метода в том, что последовательным усложнением корректора (увеличением числа его каналов) можно теоретически неограниченно повышать точность коррекции, т.е. неограниченно улучшать характеристики линейности усилительного тракта.
Телекоммуникационные системы и компьютерные сети
63
И все же наибольший интерес представляет способ предварительной коррекции характеристик передачи схемы обработки, с помощью которого точность сигнала на выходе передатчика может быть улучшена благодаря анализу неточности схемы обработки сигналов и введению предварительного искажения в сигнал, передаваемый в схему обработки сигнала. Сущность способа заключается в том, что по результатам разности между выходным сигналом схемы обработки сигналов и входным сигналом функции коррекции, которая получается путем сравнения огибающих указанных входных и выходных сигналов, аппроксимируют градиент указанной разности и обновляют контрольные значения указанной функции коррекции на основе указанного аппроксимированного градиента.
Список литературы:
1. Прокис Джон. Цифровая связь: пер. с англ. / Под ред. Д.Д. Кловского. -М.: Радио и связь. 2000. - 800 с.
2. Муравьев В.В. Сверхвысокочастотные технологии в системах телекоммуникаций: учебно-метод. пособие по дисциплинам «Спутник. и радиорелейные системы передачи» для студентов специальностей I-45 01 01 «Мно-гокан. системы телекоммуникаций», I-45 01 02 «Радиосвязь, радиовещание и телевидение» всех форм обучения: в 3 ч. Ч. 1: Приемопередающие устройства, направляющие системы передачи и пассивные компоненты диапазона СВЧ / В.В. Муравьев, С.А. Кореневский, В.Н. Мищенко. - Мн.: БГУИР, 2007. - 80 с.: ил.
3. Величко В.В. Передача данных в сетях мобильной связи третьего поколения. - М.: «Радио и связь», 2005.
