Исследование и разработка тракта усиления мощности передатчика цифрового радиовещания диапазона ОВЧ

Актуальность исследования.

Сегодня многие развитые страны мира активно внедряют цифровые системы радиовещания взамен аналоговых. В России этот процесс пока находится на начальном этапе. Основные преимущества цифрового радиовещания перед аналоговым следующие: а) значительная экономия частотного ресурса, например, в полосе частот шириной 207 кГц аналоговая система радиовещания ОВЧ диапазона позволяет передавать одну программу, в то время как, к примеру, отечественный цифровой стандарт ОВЧ диапазона РАВИС [1] в полосе частот 250 кГц позволяет передавать до 10-ти программ с тем же качествомб) несколько меньшая мощность радиопередатчиков при сохранении размеров зоны покрытия, что приводит к уменьшению потребляемой мощности и уменьшению нагрева усилительных приборов радиопередающей аппаратуры при условии одинаковости КПДв) возможность предоставления пользователю дополнительных мультимедийных сервисов: информация о пробках на дорогах, прогноз погоды, изображения обложек проигрываемых музыкальных альбомов и т. п.- г) возможность организации одночастотной радиовещательной сети (англ. SFN-Single Frequency Network) [2, 3] - в этом случае используются несколько передатчиков, покрывающих соседние зоны, работающих на одной и той же центральной частоте и передающих одни и те же программы (один и тот же мультиплекс). При этом на приемной стороне, не происходит никакого мешающего влияния сигналов от разных передатчиков друг на друга. Такое решение позволяет значительно сэкономить частотный ресурс. Аналоговые же системы радиовещания очень чувствительны к взаимной интерференции сигналов и многолучевости, потому аналоговые сети функционируют по многочастотному принципу. Вещание на одних и тех же частотах, когда речь идет об аналоговых системах, ведется только на территориях, находящихся на большом расстоянии друг от друга.

Решение о том, какой из стандартов цифрового радиовещания ОВЧ диапазона выбрать на территории России пока не принято. Однако можно сказать, что наиболее перспективными для внедрения на территории России, являются стандарты ОЯМ+, РАВИС и ЭАВ+ [4].

При внедрении в диапазоне ОВЧ цифрового радиовещания возникает целый ряд специфических проблем касательно построения радиопередатчиков. Традиционно в аналоговом радиовещании ОВЧ диапазона используются сигналы с частотной модуляцией, амплитуда которых постоянна. Это позволяет строить передатчики, использующие нелинейные режимы усиления мощности и имеющие высокие энергетические показатели.

В цифровом радиовещании, в частности диапазона ОВЧ, применяется сигнал с частотным мультиплексированием (ОРБМ-сигнал). Данный тип сигнала характеризуется переменной огибающей и высоким значением пик-фактора. Это означает, что к усилителям мощности (УМ) сигнала цифрового ОВЧ радиовещания предъявляются высокие требования по части линейности амплитудной и равномерности фазо-амплитудной характеристик. Следовательно, в таких УМ необходимо применять линейные режимы работы, отличающиеся низкой энергетической эффективностью. Помимо этого, при построении УМ цифрового ОВЧ радиовещания, должны использоваться высоколинейные усилительные приборы, стоимость которых значительно превышает стоимость усилительных приборов, использующихся при построении нелинейных трактов усиления.

В настоящее время существуют различные методы, направленные на повышение энергетической эффективности УМ при усилении сигналов с непостоянной огибающей. К числу наиболее эффективных методов относятся:

1) метод Л. Кана [5, 6, 7];

2) метод дефазирования [6];

3) метод автоматической регулировки режима (АРР) по питанию [6, 7].

Усилитель мощности, построенный по методу Л. Кана, очень чувствителен к рассинхронизации сигналов в НЧ и ВЧ трактах. Следует отметить, что требования к задержкам в НЧ и ВЧ трактах при использовании метода Кана тем жестче, чем шире полоса передаваемого сигнала. При дефазировании требуется обеспечить высокую идентичность двух трактов по коэффициентам усиления и по фазе, кроме того, комплексные нагрузочные сопротивления усилителя могут принимать значения включая ноль и бесконечность, что усложняет его построение.

Наличие данных недостатков делает крайне затруднительным применение этих методов в передатчиках цифрового радиовещания ОВЧ диапазона, где ширина полосы канала составляет 100 — 250 кГц. Таких принципиальных трудностей нет в случае применения метода APP. Также в пользу применения метода АРР говорит то, что, в отличие от метода J1. Кана, никаких нелинейных преобразований над исходным сигналом не производится.

Учитывая вышеназванные проблемы, повышение энергетических характеристик УМ передатчика цифрового радиовещания ОВЧ диапазона с помощью метода АРР по питающему напряжению является актуальным предметом исследования, предпринятого в данной работе.

Степень разработанности темы.

Впервые АРР по питающему напряжению была предложена, применительно к однополосным передатчикам, советскими специалистами Б. М. Рассадиным и К.С. Полянским-Майковым в 1953 г [8]. Дальнейшее развитие этот метод получил в работах В. М. Розова и В. Ф. Кузьмина (1969 г.) [9], которыми было показано как полное плавное регулирование питающего напряжения, так и неполное регулирование с начальным порогом, а также дискретное (ступенчатое) регулирование питающего напряжения.

Большой вклад в развитие данного метода в 70-е — 80-е г. г. 20 века внесла группа разработчиков под руководством А. Д. Артыма [10] в составе М. В. Кондратьева, А. Е. Антонова, A.B. Тюрина. В частности этим коллективом была исследована энергетическая эффективность АРР, а также нелинейные искажения, возникающие при использовании АРР в усилителе однополосного сигнала.

Сегодня к АРР проявляют интерес и зарубежные специалисты. Так, применению АРР (англ. Envelope Tracking) в УМ OFDM сигналов (применительно к технологиям WLAN и WCDMA), посвящен целый ряд работ коллектива из США под руководством Питера Асбека (Peter Asbeck), Дональда Кимбала (Donald Kimball) и Лоуренса Ларсена (Lawrence Larson) [11, 12]. Также передатчики цифрового телевидения DVB-T с УМ, построенными по методу АРР, разрабатывает французская компания Thomson [13].

Объектом исследования является УМ передатчика сигналов цифрового радиовещания диапазона ОВЧ, построенный на основе метода АРР по питающему напряжению.

Предмет исследования — энергетическая эффективность и показатели качества УМ передатчика цифрового радиовещания диапазона ОВЧ, построенного по методу АРР.

Цель исследования — определение возможности и целесообразности применения метода АРР по питающему напряжению для повышения энергетической эффективности УМ передатчика цифрового радиовещания диапазона ОВЧ.

Задачи исследования: а) сравнительный обзор методов повышения энергетической эффективности и линеаризации УМ сигналов с непостоянной огибающейб) компьютерное моделирование и сравнительный анализ энергетической эффективности усилителя мощности с линейной и нелинейной АРРв) анализ влияния АРР на линейность характеристики Рвых=/(Рвх) и равномерность характеристики Л (р~/(Рвых) усилителя мощностиг) оценка энергетического выигрыша от использования АРР с учетом статистических характеристик сигнала цифрового радиовещанияд) оценка величины необходимого «запаса» регулирования питающего напряжения для обеспечения требуемых показателей качествае) исследование влияния АРР на выходной сигнал усилителя мощностиж) анализ требуемых характеристик корректирующего элемента для линеаризации усилителя мощностиз) аналитическое определение энергетических характеристик тракта огибающей усилителя мощности, построенного по методу АРРи) моделирование тракта огибающей усилителя мощности, построенного по методу АРР. Исследование его энергетических характеристик на моделик) экспериментальное исследование энергетических характеристик усилителя мощности с АРР на основе натурного макета тракта огибающей.

Методы исследования.

Решение представленных выше задач было выполнено с использованием: компьютерного моделирования, методов теории вероятностей и математической статистики, математического анализа, теории цепей, спектрального анализа, численных методов, гармонического анализа, а также натурного макетирования.

Обоснованность научных результатов определяется: а) применением апробированных методик расчета и моделированияб) применением специализированных систем автоматизированного проектирования (САПР), с мощным математическим аппаратом, достоверность результатов которых подтверждена на практикев) использованием компьютерных моделей элементов, разработанных самими производителями элементов, которые максимально полно отражают свойства и характеристики реальных элементовг) частичным совпадением полученных результатов с известными результатами, опубликованными в открытой печати и литературе.

Достоверность результатов работы подтверждена результатами сравнения данных теории, компьютерного моделирования и натурного макетирования.

Научная новизна диссертации состоит в следующем: а) исследована реализация метода АРР по питанию применительно к УМ передатчика цифрового ОВЧ радиовещания, построенному на современном полевом транзистореб) предложена нелинейная функция плавного регулирования питающего напряжения для УМ передатчика цифрового ОВЧ радиовещания, построенного по методу АРР, применение которой позволяет существенно повысить энергетическую эффективность усилителя. Показаны основные преимущества плавного нелинейного регулирования питающего напряжения перед линейнымв) исследовано влияние линейной и нелинейной АРР на выходной сигнал усилителя мощности передатчика цифрового ОВЧ радиовещания, а также предложена функция линеаризующей коррекции характеристик Рвых=/(Рвх), Л (р=/(Рвых) такого усилителя.

Практическая ценность результатов, полученных в диссертации состоит в следующем: а) сформулированы рекомендации по определению необходимой величины «запаса» по питающему напряжению в УМ с линейной и нелинейной АРР для обеспечения допустимого уровня искажений выходного сигнала УМ цифрового ОВЧ радиовещанияб) разработано программное обеспечение, позволяющее оценить энергетические характеристики ШИМ-регулятора тракта АРР с учетом паразитных параметров электронных компонентовв) показана необходимость использования предварительной коррекции характеристик Рвых=/(Рвх), А (р=/(Рвых) УМ при введении линейной и нелинейной АРР по питаниюг) получен закон распределения амплитуд сигнала цифрового ОВЧ радиовещания для случаев отсутствия и наличия предварительной коррекциид) даны практические рекомендации относительно выбора тактовой частоты ШИМ тракта огибающей, а также относительно построения выходного ФНЧ ШИМ-регулятора тракта огибающей усилителя мощности, построенного по методу APP.

Основные положения, выносимые на защиту: а) метод АРР по питающему напряжению является наиболее перспективным методом повышения энергетической эффективности УМ передатчика цифрового ОВЧ радиовещанияб) с точки зрения энергетической эффективности, АРР с нелинейной функцией плавного регулирования питающего напряжения, значительно превосходит АРР с линейной функцией регулированияв) при использовании АРР как с линейной, так и с нелинейной функцией регулирования необходима коррекция характеристик Рвых=/(РвAq>=f (Peblx} УМ, в противном случае выходной сигнал не соответствует требованиям к внеполосным излучениямг) в тракт АРР целесообразно пропускать сигнал огибающей, полоса которого, ограничена до величины равной ширине полосы частот передаваемого сигнала цифрового ОВЧ радиовещания.

Личный вклад автора.

Все основные результаты исследований, изложенные в работе, получены, лично автором. При подготовке работ, написанных в соавторстве, личный вклад автора наиболее существенен.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 16 работ: в том числе 4 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК- 12 статей и докладов в сборниках всероссийских и международных конференций. В том числе без соавторов 9.

Апробация результатов работы.

Основные результаты работы были доложены и обсуждены на всероссийских и международных научно-технических конференциях. Доклад на Х-й Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (Intermatic-2011) в г. Москва, отмечен дипломом за лучший доклад в области техники и технологий цифрового радиовещания. Результаты работы были внедрены в учебный процесс кафедры радиооборудования и схемотехники МТУСИ, а также в ОКР ОАО «Российские космические системы» (г. Москва), что подтверждено соответствующими актами.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, заключения и 2-х приложений общим объемом 188 стр.

Основные результаты работы.

1) Разработана компьютерная модель усилителя мощности цифрового радиовещания, позволяющая исследовать энергетические характеристики усилителя, в том числе, построенного по методу АРР.

2) Введено понятие плавной нелинейной АРР.

3) Показана необходимость введения «запаса» по питающему напряжению, рассчитана величина «запаса».

4) С помощью аппроксимации получена функция регулирования питающего напряжения при нелинейной АРР.

5) Показана необходимость применения специальных методов коррекции характеристик Рвых=/(Рвх), Аср=/(Рвых) усилителя мощности.

6) Аппроксимированы характеристик Рвых=/(Рвх), Л (р=/(Рвых) корректирующего нелинейного элемента.

7) Разработана компьютерная модель формирования сигнала цифрового радиовещания позволяющая исследовать статистические характеристики сигнала, а также моделировать работу усилителя мощности при подаче на него сигнала цифрового радиовещания.

8) Получен закон распределения огибающей сигнала цифрового радиовещания стандарта DRM+.

9) Даны рекомендации по выбору тактовой частоты ШИМ-регулятора тракта огибающей APP.

10) Создана специальная компьютерная программа для теоретического расчета энергетических характеристик ШИМ-регулятора тракта огибающей АРР с учетом параметров электронных компонентов, входящих в схему регулятора.

11) Создан натурный макет ШИМ-регулятора тракта огибающей АРР. Данные полученные по результатам исследования макета подтвердили высокую энергетическую эффективность АРР.

12) Показано, что применение АРР по питающему напряжению позволяет существенно повысить КПД усилителя мощности передатчика цифрового радиовещания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе решена задача повышения энергетической эффективности УМ передатчика цифрового радиовещания ОВЧ диапазона с помощью метода АРР по питающему напряжению.

Применительно к задаче построения УМ ОВЧ передатчика ЦРВ теоретически обоснованы преимущества метода АРР по питающему напряжению перед другими перспективными методами повышения энергетической эффективности усилителя, такими как метод JI. Кана и метод дефазирования.

Разработана компьютерная модель, которая позволила промоделировать работу усилителя мощности передатчика цифрового радиовещания и исследовать его энергетические характеристики как без применения АРР, так и с АРР. По результатам исследования, проведенного на модели усилителя, был сделан вывод о том, что АРР по питающему напряжению позволяет очень существенно повысить КПД усилителя мощности. При этом наряду с традиционной АРР, при которой напряжение питания усилителя линейно зависит от амплитуды входного сигнала, была исследована АРР с нелинейной функцией плавного регулирования питающего напряжения. В результате было отмечено, что нелинейная АРР значительно превосходит линейную по энергетическому выигрышу. Так среднестатистический КПД усилителя с нелинейной АРР составляет 42%, КПД усилителя с линейной АРР равен 33%, а КПД усилителя без АРР 15%. Также, с помощью аппроксимации, была получена необходимая функция регулирования питающего напряжения.

Наряду с этим было показано, что использование АРР по питанию ведет к искажениям характеристик Рвых=/(Рвх), А (р=/(Рвых) усилителя, однако характер искажений позволяет скорректировать их, применяя методы линеаризации характеристик усилителя. Для корректирующего нелинейного элемента были математически получены требуемые характеристики РRblx=f (P"у). А (р=/(Рвых).

С помощью методов математической статистики и теории вероятности был получен закон распределения огибающей сигнала ОВЧ радиовещания стандарта DRM+.

С помощью разработанной модели формирования сигнала DRM+ была проведена оценка «запаса» регулирования питающего напряжения усилителя и тактовой частоты работы ШИМ-регулятора тракта огибающей APP. Результат исследования показал, что для ШИМ-регулятора целесообразно использовать тактовую частоту бООкГц.

Для теоретического анализа энергетических характеристик тракта огибающей АРР автором была разработана специальная компьютерная программа. Результаты, полученные теоретически, для различных тактовых частот работы ШИМ-регулятора показали, что КПД ШИМ-регулятора составляет величину порядка 90 — 95% при высоких уровнях выходного напряжения (напряжения питания усилителя).

Проведенное моделирование ШИМ-регулятора и исследование полученных на модели энергетических характеристик подтвердили результаты теории.

Для проверки результатов, полученных теоретически и при выполнении моделирования, был создан натурный макет ШИМ-регулятора и проведено исследование его энергетических характеристик. Результаты исследования показали, что КПД натурного макета ШИМ-регулятора отличается от КПД, полученного теоретически, и КПД, полученного при моделировании, на величину порядка 4−5%. Однако характер зависимости КПД от величины выходного напряжения, полученной на натурном макете, полностью соответствует характеру этой зависимости полученной теоретически, и при компьютерном моделировании — с ростом выходного напряжения ШИМ-регулятора его КПД также возрастает. Меньшее значение КПД, полученное при исследовании макета, по сравнению с теоретическим значением, а также значением, полученным при компьютерном моделировании объясняется тем, что ни теория, ни компьютерное моделирование, не позволяют учесть всех параметров реального устройства.

Анализ результатов проведенного исследования позволяет сделать следующие выводы:

1) метод АРР по питающему напряжению применим и целесообразен для усилителей мощности передатчиков цифрового ОВЧ радиовещания;

2) нелинейная АРР значительно превосходит линейную АРР по части повышения КПД усилителя мощности (среднестатистический КПД равен 33% при линейной АРР, и 42% при нелинейной АРР);

3) АРР как с линейной, так и с нелинейной функцией регулирования ухудшает линейность характеристики Рвых=/(Рю), и равномерность харктеристики А (р=/(Рвыз), причем нелинейная АРР искажает эти характеристики сильнее (фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами изменятся на 2 градуса при линейной АРР, и на 2,5 градуса при нелинейной АРР);

4) совместно с АРР по питанию необходимо применять методы линеаризации характеристик РвЫх=/(Рвх), А (р=/(Рвых) усилителя. Наиболее предпочтительными методами линеаризации являются методы предкоррекции и адаптивной коррекции. Как показало моделирование применение предкорекции позволяет успешно решить задачу линеаризации выходного сигнала усилителя;

5) тактовую частоту ШИМ-регулятора тракта АРР усилителя мощности цифрового радиовещания целесообразно выбрать равной ширине полосы радиоканала.