CC BY
187
16 декабря 2011 r. 10:04
Т-Comm #9-2010
(Технологии информационного общества)
Проблематика построения передатчиков цифрового радиовещания ОВЧ-диапазона
Рассматриваются т'новные проблемы построения радиовещательных передатчиков ОВЧ-диапазона, предназначенных для цифрового вещания стандартов DRAI • и A VIS. Особенности применяемых способов передачи и модуляции при цифровом вещании требуют построения в передатчике высоколинейного тракта усиления мощности, что коренным образом отличает такие передатчики от ныне используемых д.ы аналогового вещания с ЧМ. Обсуждается возможность использования способов повышения энергетической эффективности тракта линейного усиления мощности применительно к пере(Уатчикам цифрового радиовещания диапазона ОВЧ. Учитывая жесткие требования к линейности таких передатчиков, применение мепнн)ов повышения КПД рассматриваются совместно с методами линеаризации тракта успения мощности.
Дулов И.В.. Инанюшкнн Р.Ю.,
МТУСИ
На сегодняшний день в нашей стране, как и во всем ра шитом мире, идет процесс внедрения цифровых технологий в телекоммуникации. Этот процесс затрагивает. как новые направления, так и те, где традиционно используются аналоговые виды работы. Разумеется, все эти процессы не обошли стороной область радиовещания — в диапазонах СЧ и ВЧ в России планируется к внедрению система цифрового радиовещания стандарта 1ЖМ [7|, разработанная в консорциумом европейских стран в конце 90-х - начале 2000-х гг. Что касается радиовещания в диапазоне ОВЧ. то здесь, на настоящий момент, еще не принято окончательное решение относительно стандарта.
Прежде чем рассматривать стандарты цифрового радиовещания, предполагающие внедрение в ОВЧ-диапазон, следует разобраться с вопросом целесообразности замены аналогового вещания в диапазоне ОВЧ цифровым. На сегодняшний день, качество аналогового радиовещания в этом диапазоне, в большинстве своем, устраивает рядового потребителя, да и прием в городе вполне устойчивый. Тем не менее, у цифрового вещания, по сравнению с аналоговым, есть неоспоримые преимущества:
I. Значительно более эффективное использование частотного ресурса - в одинаковой полосе частот анатоговая система будет передавать одну программу, в то время как. к примеру, стандарт ОКМ- позволяет передавать до 4-х программ в одном канале.
2. Несколько меньшая мощность передатчиков при сохранении той же зоны покрытия (вследствие лучшей помехоустойчивости). Отсюда вытекает меньшее потребление энергии (в случае одинакового КПД передатчиков) и. соответственно, большая экологичность.
3. В одном мультиплексе могут передаваться не только несколько радиопрограмм (о чем было сказано выше), но и различная дополнительная информация -электронная программа передач, прогноз погоды, ситуация на дорогах и т.п. Кроме того, могут передаваться и различные изображения (например, обложки музыкальных альбомов).
Как следует из вышесказанного, преимущества от замены аналоговой системы на цифровую очень весомые. Дело за выбором подходящего стандарта. Наиболее целесообразно рассматривать три стандарта -европейские DAB- [8. 9. 12), DRM+ [7| и
отечественный стандарт AV1S [4]. Некоторые характеристики этих трех стандартов представлены в табл. 1.
Все рассматриваемые стандарты весьма похожи по принципам формирования сигнала. Дтя кодирования звука в них используется хорошо зарекомендовавший себя кодек MPHG4, в процессе цифровой обработки сигнала применяется высокоэффективное помехозащитное кодирование и модуляция OFDM [12].
Таблица 1
Перспективные стандарт цифровою радиовещания
Нагвапие стандарта Диапаюны частот. МГц
DAB+ 47,9 67. 174.9 239.2,
1426 1491
DRM+ 47- 107.9
AVIS 87- 108
Полоса канала 1,5 МГц
100 кГц
200 кГц. 250 кГц
Вилы модуляции несущих QPSK
QPSK. 16-QAM QPSK. I6-QAM
Большим недостатком стандарта DAB- является то. что он не вписывается в существующую в России сетку вешания. Согласно российскому ГОСТ Р 51741-2001 fl|, ОВЧ радиовещание ведется в диапазоне 65,9-108.0 МГц. ширина полосы частот колеблется от 149.5 до
248.5 кГц. В стандарте DAB+ используются свои диапазоны частот: 47,9-67 МГц, 174.9-239,2 МГц. 14261491 МГц. ширина полосы частот составляет порядка
1.5 МГц. Очевидно, что внедрение такой системы вызовет целый ряд сложностей, прежде всего организационного плана. Нималоважно. что потребуется высвобождение частот, ныне занятых другими службами.
Стандарты DRM- и AVIS приспособлены для вешания в традиционном диапазоне до 108 МГц. и потому, скорее всего, выбор будет делаться именно между ними. Эти системы, по существу, очень близки и различаются в основном лишь полосами частот, выделяемыми на канат - у DRM+ полоса частот составляет ИХ) кГц. а у AVIS 200-250 кГц.
В соответствии с российским ГОСТ Р 51741-2001 [1) весь диапазон, выделенный под ОВЧ вешание делится на два поддиапазона: 65.9-74.0 МГц и 87.5108.0 МГц. В первом поддиапазоне ширина полосы частот составляет 149.5 кГц при вешании в режиме «моно» и 179.4 кГц при вещании в режиме «стерео». Для второго поддиапазона ширина полосы частот для режимов «моно» и «стерео» составляет, соответственно, 207.0 кГц и 248.4 кГц. Отсюда видно, что с точки зрения ширины полосы частот, для поддиапазона 87,5-108.0 МГц больше подходит система AVIS. Что касается поддиапазона 65.9-74.0 МГц, то у обоих систем ширина полосы частот не вполне соответствует существующему ГОСТ Р 51741-2001. Потому вполне возможна ситуация, при которой DRM-и AVIS будут использоваться вместе — первая для поддиапазона 65,9-74.0 МГц. а вторая для поддиапазона 87.5-108.0 МГц. Не следует забывать и о том. что стандарт AVIS пока не получил международной поддержки, в отличие от стандарта DRM-.
Переход на систему цифрового радиовещания с аналоговой в диапазоне ОВЧ повлечет за собой дополнительные трудности при разработке передающего оборудования. Поскольку в диапазоне ОВЧ традиционно применялась ЧМ модуляция [3]. не требовалось применять усилители мощности с линейной амплитудной характеристикой, что позволяло использовать в передатчиках энергетически эффективные нелинейные режимы работы (перенапряженные режимы, режим класса С и т.д.). С переходом на систему цифрового вещання ситуация совершенно иная: OFDM сигнал — это сигнал с меняющейся амплитудой и с большим значением пик-фактора по мощности. Потому для его усиления необходимо использовать высоколинейные усилители мощности. Таким образом, переход на цифровое радиовещание в диапазоне ОВЧ путем простой замены аналогового модулятора на цифровой невозможен, -необходимо также полностью заменять и тракт усиления мощности передатчика.
Требования к линейности тракта усиления
мощности передатчика цифрового радиовещания влекут за собой необходимость использования дорогостоящих высоколинейных усилительных приборов, работу каскадов усиления мощности в энергетически неэффективном недонапряженном режиме класса АВ вкупе со специальными методами повышения линейности тракта усиления мощности, что неизбежно при работе с отсечкой тока и из-за неидеадьности реальных статических характеристики усилительных приборов. В результате перехода к линейным режимам усиления, промышленный КПД передатчиков цифрового радиовещания окажется в 2-3 раза ниже, чем у существующих передатчиков аналогового вещания с ЧМ. Это чревато, как увеличением энергопотребления, так и удорожанием передатчиков, вследствие существенного
недоиспользования усилительных приборов по мощности и усложнения систем охлаждения. Решением этой проблемы является использование методов повышения КПД трактов линейного усиления мощности. Вследствие ряда недостатков, присущих таким методам повышения КПД. их применение неизбежно повлечет за собой некоторое дополнительное ухудшение линейности тракта усиления мощности, что делает еще более необходимым применение методов линеаризации усилителя мощности.
На сегодняшний день известен целый ряд методов повышение энергетической эффективности линейных усилителей мощности, а также ряд методов их линеаризации. Среди методов, повышения энергетической эффективности линейных усилителей мощности. на сегодняшний день наиболее перспективными являются [2. 10, 11, 13,14]:
1. Метод Л. Кана (метод раздельного усиления огибающей и фазомодулированного заполнения);
2. Метод автоматической регулировки режима по питанию (АРР);
3. Метод дефазировання (метод М. Ширекса).
В методе Л. Кана (см. рне.1) предъявляются высокие требования к синхронизации трактов огибающей и ФМ заполнения. Исследования метода Л. Кана, проведенные в МТУСИ [13. 14 ] применительно к цифровым радиовещательным ВЧ передатчикам с полосой сигнала 10 кГц, показывают, что для корректной работы необходима синхронизация двух трактов с точностью до нескольких микросекунд. В диапазоне ОВЧ. где полоса сигнала на порядок больше, требование к синхронизации будет существенно жестче, что вполне может стать неразрешимой на практике задачей. Кроме того, в псрсмножителс сигналов двух трактов возникает паразитная амплитудно-фазовая конверсия (АФК). требования к которой также весьма жесткие.
Рис. 1. Структурная схема УМ. построенного по методу Л. Кана
ОМ-сигнап
ВЧ-1
тракт
у ВФС
ЄЧ-2
тракт
Рис. 2. Структурная схема (слева) I) векторная диаграмма сигналов (справа) усилителя мощности, построенного по методу дефазирования
При использовании метода дефазирования [2, 13) (см. рис. 2) пожалуй, самой большой проблемой является обеспечение крайне малой неидентичности амплитудных и фазовых характеристик двух трактов. Допустимый разбаланс усилительных трактов по фазе составляет около одного градуса. Помимо этого необходимо суммировать две фазомодулированные компоненты на высоком уровне мощности. Учитывая, что фазовый сдвиг между сигналами может достигать 180 градусов. эквивалентные нагрузочные сопротивления в этот момент становятся комплексно сопряженными и равными либо нулю, либо бесконечности (зависит от способа суммирования). Это обстоятельство сильно усложняет построение, как самих трактов, так и выходного сумматора, В СЧ диапазоне такое сложение легко выполняется с помощью усилителя, работающего в ключевом режиме класса Я однако в диапазоне ОВЧ реализовать ключевой усилитель ис представляется возможным.
Использование метод АРР [2,3], в отличие от двух предыдущих, нс требует каких-либо нелинейных преобразований над сигналом, что является его главным достоинством. Этому методу часто присуща паразитная АФК, возникающая в оконечном каскаде при регулировке питающего напряжения по закону изменения огибающей сигнала. Кроме того, необходимо принимать меры по борьбе с запаздыванием регулировки, вызванным инерционностью элементов тракта огибающей.
Выигрыш по КПД при использовании метода АРР несколько меньше чем при использовании метода Л. Кана и дефазирования. Однако в пользу метода АРР говорят относительная простота его практической реализации и отсутствие проблем специфических нелинейных искажений, присущих методам Л. Капа и дефазирования, что ставит под сомнение возможность практической реализации последних при построении передатчиков цифрового радиовещания диапазона ОВЧ.
К наиболее применяемым методам линеаризации тракта усиления мощности относятся [6, 10. И]:
1. Связь "вперед";
2. Корректирующая обратная связь (ОС. связь "назад");
3. Предыскажения;
4. Адаптивная коррекция.
Метод связь "вперед" (см. рис. 4) является наиболее сложным для практического использования, главным образом, по причине использования большого количества дополнительных компонентов, в число которых входит дополнительный усилитель. При этом по качеству линеаризации он даже уступает другим методам [6].
[>игні>
0 О —- > г^1 1 ►- [> ► ВФС — т
АД —»- > I МУО Ц
Рис. 3. Структурная схема усилителя мощности, построенного но схеме АРР
Рис. 4. Структурная схема усилителя мощности, построенного с применением метола «связь вперед»
^ 1—L
♦КІН*------?
Otm дет I
ФД
Рис. 5. Структурная схема усилителя мощности, линеарн зируемого с помощью корректирующей ОС
Применение корректирующей ОС (см. рис.5) является весьма эффективным способом линеаризации усилителя при относительной простоте реализации. Этот метол широко используется в инженерной практике. Он позволяет, в отличие от метола предыскажения, рассмотренного ниже, эффективно корректировать амплитудную и фазоамплитудную характеристики усилителя с учетом изменения его характеристик и параметров в процессе эксплуатации.
F(W,\)
Рис. 6. Структурная схема применения метода предыскажения
Достоинством метода предыскажения [6| является то, что при его применении не нужно использовать какие-либо дополнительные компоненты, поскольку предыскажение реализуется программным способом в возбудителе. Однако коэффициенты предыскажения задаются на этапе настройки передатчика при тестовом измерении характеристик. таким образом, предыскажение не может автоматически подстроиться под изменение характеристик передатчика вызванное условиями эксплуатации. что можно считать недостатком данного метода.
Последние достижения в цифровой обработке сигналов позволили согть метод адаптивной коррекции. По сути, он является сочетанием методов корректирующей ОС и предыскажений. Сигнал ошибки, получаемый при помощи ОС. анализируется сигнальным процессором, который вносит необходимые поправки в коэффициенты предыскажения. Таким образом. этот метод сочетает в себе простоту реализации, которой обладает метод предкоррекции с возможностью оперативно отслеживать изменение характеристик усилителя, что является плюсом метода корректирующей ОС.
В заключение стоит еще раз обозначить основную мысль: сегодня перед разработчиками передатчиков для цифрового радиовещания в диапазоне ОВЧ стоит задача построения высокоэффективных высоколинейных усилителей мощности. Для се решения необходимо исследовать возможности применения различных методов линеаризации и повышения энергетической эффективности. Итогом этой работы должна стать выработка конкретных рекомендаций по построению тракта усиления мощности ОВЧ передатчиков цифрового радиовещания.
Литература
1. ГОСТ Р 51741- 2001. Передатчики
радиовещательные стационарные диапазона ОВЧ. Основные параметры, технические требования и методы измерений.
2. Методы повышения энергетической эффективности линейных усилителей мощности. Учебное пособие./ Иванюшкин Р.Ю. МТУСИ. - М.. 2006.- 28 с.
3. Радиопередающие устройства: учебник для вузов/ В.В. Шахгильдян. В.Б. Козырев. А.А. Ляховкин и др.; Под ред. В.В. П1ахгиль,1яна. - 3-е изд.. перераб. и дон. - М.: Ра<чно и связь. 2003. - 560 с.: ил.
4. Система мобильного мультимедийного вещания AVIS. Дворкович В.П.. Дворкович А.В. Семинар «Переход от аналогового к цифровому вещанию». Бюро развития электросвязи МСЭ совместно с МТУСИ. 09-11.12.2008.
5. Digital Prcdislortion Linearizes Wireless Power Amplifiers. Wan-Jong Kim. Shawn P. Stapleton. Jong Hcon Kim. Cory bdclman. 11:1:1: Microwave Magazine. September 2005.
6. Linearizing High Power Amplifiers. Allen Katz. Linearizer Technology. Inc. http: \%\\ \\.Iintech.com
7. LTSI LS 201 980 V3.I.I (2009-08). Digital Radio Mondialc (DRM): System Specification.
8. ETSI TR10I 496-3 VI.1.2 (2001-05). Digital Audio Broadcasting (DAB): Guidelines and rules lor implementation and operation: Part 3: Broadcast network.
9. LTSI TS 102 563 VI. 1.1 (2007-02). Digital Audio Broadcasting (DAB): Transport of Advanced Audio Coding (AAC) audio.
10. High-lincarity RF Amplifier Design / Peter B. Kcnington. Artcch House Microwave Library 2000.
11. RF power amplifiers / Marian K. Kazimicrczuk. John Wiley & Sons, Ltd. 2008.
12. Рихтер С. Г. Цифровое радиовещание. - М.: Горячая линия - Телеком. 2008. — 351 с.
13. Иванюшкин Р.Ю.. Варламов О.В.. Сягаев А.К. Нелинейные искажения сигнала стандарта DRM в синтетических схемах линейного усиления / Материалы пятнадцатой межрегиональной научно-технической конференции "Обработка сигналов в системах наземной ралиосвязи и оповещения'' / Москва - Нижний Новгород. 2007.
14. Иванюшкин Р.Ю.. Рычагов Д.А.. Афонин А.И. Проблемы модернизации РВ-передатчнков / Broadcasting Телевидение и радиовещание N97-2004.
