Низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные радиовещательные передатчики обычно имеют выходную мощность на несущей частоте порядка нескольких сотен киловатт, и любое усовершенствование, которое может быть сделано для повышения к. п. д., имеет большое значение.
Для сравнительной оценки различных типов передатчиков рассмотрим различные режимы работы выходных усилителей, так как они имеют определяющее воздействие на энергетическую эффективность системы.
В классе, А потенциал сетки (базы) в отсутствии входного сигнала регулируется так, что анодный ток имеет половину своего максимального значения. При полном уровне возбуждения к. п. д. составляет менее 50%.
В классе В потенциал сетки (базы) в отсутствии входного сигнала устанавливается равным требуемому значению для отсечки анодного (коллекторного) тока. Теоретический к. п. д. составляет 78,5%.
В классе С на сетку дается сильное отрицательное смещение. На выходе присутствует сигнал только в период, определенный утлом отсечки 0. К. п. д. также зависит от этого угла. Если 0 =60 что является значением, широко используемым на практике, то теоретический к. п. д. составляет 89,7% при полном уровне возбуждения [10, 21].
В классе Д, усилительный элемент работает в режиме переключений. Теоретический к. п. д. в режиме переключений составляет 100%.
На практике общий к. п. д. значительно ниже, чем теоретическое значение [76] (рис. 1).
Из режимов, используемых на практике, заслуживает внимания анодная модуляция в классе В. Последняя используется чаще всего не столько из-за своей эффективности, сколько вследствие ее эксплуатационной надежности, незначительных искажений и простоты частотной перестройки.
Значительный выигрыш в к. п. д. позволяет получить использование широт-но-импульсной модуляции [76]. Этот метод, начиная с 1967 года применяется практически во всех СВ передатчиках. Наивысший показатель к. п. д. ШИМ ламповых передатчиков составляет около 73%. Теоретический к. п. д. -100% (рис. 1).
На рис. 2 проводится сравнение к. п. д. процесса с ШИМ с к. п. д. анодной модуляции класса В.
Общий к. п. д. передатчика с ШИМ почти не зависит от коэффициента модуляции, тогда как при анодной модуляции класса В он резко падает при средних коэффициентах модуляции в пределах от 30% до 40%.
Представляет интерес еще один способ повышения энергетической эффективности — амплитудная модуляция с регулируемой несущей. В 1930;х годах это привело к тому, что был предложен способ, в котором амплитуда несущей изменялась в соответствии с коэффициентом модуляции. Этот процесс, известный как процесс НА PUG (названный по начальным буквам фамилий изобретателей) не вышел за стадию экспериментальных работ. В то время технические и экономиче.
— теоретическое значение.
Рис. 1. Соотношение теоритического и практического значения к.п.д. для различных режимов работы усилителя.
Рис. 2. Сравнение к.п.д. процесса с ШИМ с к.п.д. анодной модуляции класса В. ские факторы не позволяли регулировать уровень несущей посредством регулировки анодного напряжения [71].
В настоящее время в передатчиках с ШИМ стало возможным делать изменение мощности на несущей посредством изменения частоты амплитудно-импульсной модуляциив результате получается ШИМ с динамическим управлением (ДШИМ) [72]. Фирма AEG-Telefunken изготовила экспериментальный передатчик с ДШИМ [73].
Хорошие энергетические показатели могут быть получены при использовании однополосной модуляции. Однако, современные вещательные приемники предназначены для приема сигналов с двумя боковыми полосами. Однополосные сигналы будут приниматься только с плохим качеством.
Европейский Союз Радиовещания провел исследования [1,75] метода, при котором может быть осуществлен переход к однополосной передаче.
Рассматривается также вопрос об использовании ШИМ передатчиков для формирования однополосных сигналов.
Обобщая сказанное, исходя из того, что наиболее широко используется анодная модуляция, можно сделать сравнение между различными системами модуляции. Для данных, приведенных на рис. 3, в качестве эталона взят передатчик, работающий в режиме модуляции класса В при мощности несущей порядка 500 кВт. При среднем коэффициенте модуляции порядка 40% и к. п. д. порядка 60% потребляемая от источника питания энергия составляет 900 кВт. Передатчик с ШИМ с к. п. д. на 10% выше потребляет 771 кВт. И, наконец, передатчик с ДШИМ с не.
— анодная модуляция, класса В.
— ШИМ т=0.4.
— ДШИМ.
— однополостный передатчик с 6-дБ ослаблением несущей.
— однополостный передатчик с 12-дБ ослаблением мощности.
— однополостный передатчик с переменной модуляцией огибающей (6-дБ ослаблением мощности несущей).
— однополостный передатчик со сжатой несущей.
500 1000 1500 2000 Рпм" ^.
Рис. 3. Сравнение энергетической эффективности различных систем модуляции.
Рис. 4. Обобщенная структурная схема цифрового передатчика. сущей порядка 60% наблюдается экономия приблизительно половины мощности несущей, а мощность боковой полосы остается неизменной. Источник питания должен обеспечивать только 414 кВт, что меньше, чем мощность одной ВЧ несущей в передатчике с анодной модуляцией класса В.
При современной стоимости электроэнергии 240 рублей за кВт/ ч, годовая экономия составит 102 тысячи рублей на март 1998 г.
В противоположность этому, переход к однополосным передачам имеет значительно меньшее преимущество и едва оправдывается, если требуется обеспечить фактическую совместимость во время переходного периода от двухполосных сигналов к однополосным. Даже однополосный передатчик с модуляцией огибающей и 6-дБ ослаблением мощности несущей будет потреблять 1160 кВт. Преимущества системы однополосных передач не станут очевидными до тех пор пока не закончится переходный период, когда можно будет предположить, что специальные приемники для однополосных передач будут использоваться.
При 12 дБ ослаблением мощности несущей и при модуляции огибающей потребляемая энергия будет составлять только одну шестую часть той энергии, которую потребляет передатчик с анодной модуляцией класса В.
Таким образом, обобщая сказанной, в настоящее время следует отдать предпочтение широтноимпульсной модуляции при построении мощных связных передатчиков в средневолновом диапазоне волн. К недостаткам этого способа формирования выходного сигнала можно отнести необходимость использования в оконечном усилителе мощности таких передатчиков мощных электровакуумных приборов. Это не позволяет использовать преимущества современной полупроводниковой элементной базы.
В транзисторных передатчиках с выходной мощностью больше нескольких сотен ватт усилители оконечного каскада строятся по блочномодульному принципу. При типовом варианте построения таких устройств осуществляется сложение мощностей отдельных транзисторных усилительных модулей, работающих в классе В. Кроме достоинств, обусловленных применением полупроводниковой элементной базы, такие передатчики обладают лучшей надежностью по сравнению с ламповыми. Выход из строя одного или части усилительных модулей приведет к ухудшению характеристик передатчика, но не приведет к полной потере его работоспособности.
Однако, энергетическая эффективность таких устройств соответствует к. п. д. ламповых передатчиков, работающих в классе В.
Таким образом, актуальной является задача построения передатчика сочетающего высокий к. п. д. (не хуже, чем в передатчиках с ШИМ) с достоинствами блочномодульного принципа построения транзисторных передатчиков.
Следующим шагом в проектировании высокоэффективных радиопередатчиков стали цифровые методы формирования выходного сигнала.
В настоящее время новой системой генерирования AM сигнала высокого качества является цифровая амплитудная модуляция. Эта новая система модуляции была представлена в 1987 году корпорацией Harries [67]. Данный способ цифровой модуляции в сочетании с другими идеями проектирования позволяет довести общий к. п. д. до 86%. Новые идеи в проектировании передатчиков, в свою очередь, позволяют значительно улучшить частотную характеристику, уровни гармоник и интермодуляционных искажений, а также случайную квадратурную модуляцию.
Обобщенная структурная схема цифрового передатчика приведена на рис.
4.
Из исходного АМ сигнала выделяется ВЧ и НЧ составляющие. После усиления ВЧсоставляющая поступает на делитель мощности и затем на входы ключевых генераторов. ИИсоставляющая сигнала поступает на вход АЦП, с выхода которого снимается сигнал, управляющий работой ключевых генераторов. Выходы усилителей соединены со схемой сложения мощностей, где формируется выходной сигнал. Уровень выходного сигнала в каждый момент времени будет определяться количеством усилителей, отдающих мощность в нагрузку, т. е. соответствовать огибающей исходного сигнала. В данном случае усилители совместно со схемой сложения образуют мощный ЦАП. В рассматриваемом устройстве сочетаются достоинства ключевого режима, позволяющего получать высокий к. п. д., и блочномодульного принципа построения транзисторных передатчиков.
Обобщенная структурная схема цифрового передатчика приведена на рис. 4. Из исходного АМ сигнала выделяется ВЧ и НЧ составляющие. После усиления ВЧсоставляющая поступает на делитель мощности и затем на входы ключевых генераторов. НЧсоставляющая сигнала поступает на вход АЦП, с выхода ко- • торого снимается сигнал, управляющий работой ключевых генераторов. Выходы усилителей соединены со схемой сложения мощностей, где формируется выходной сигнал. Уровень выходного сигнала в каждый момент времени будет определяться количеством усилителей, отдающих мощность в нагрузку, т. е. соответствовать огибающей исходного сигнала. В данном случае усилители совместно со схемой сложения образуют мощный ЦАП. В рассматриваемом устройстве сочетаются достоинства ключевого режима, позволяющего получать высокий к. п. д., и блочно-модульного принципа построения транзисторных передатчиков.
Метод цифровой амплитудной модуляции позволяет заменить модулятор на скоростной АЦП, цифровое модуляционное кодирующее устройство и мощный ЦАП. Это позволяет исключить традиционно используемый модулятор и существенно повысить к. п. д. всего устройства.
Практическую реализацию данный способ формирования сигналов получил только в передатчиках СВдиапазона серии ЭХ, выпускаемых корпорацией Наглее. (.'Габл. 1).
Открытым остается вопрос использования цифровой модуляции в КВдиапазоне и при формировании однополосных сигналов. Это направление исследований в настоящее время актуально.
Данный вывод сделан на основе анализа публикаций в отечественных и зарубежных литературных источниках и проведенного патентного исследования. Отсутствует однозначное толкование ответа на вопрос о возможности использования рассматриваемого метода в передатчиках КВдиапазона. Не определены частотные ограничения. В литературе достаточно полно рассмотрен вопрос особенностей построения ключевых генераторов, но отсутствует четкое определение требований к.
Таблица 1 модель. диапазон изменения выходной мощности коэффициент полезного действия частотный диапазон.
ОХ 10 1−11 кВт 84% 531−1705 кГц.
ВХ 15 2−15 кВт 84% 531−1705 кГц.
ВХ 25 10−27,5 кВт 83% 531−1705 кГц.
ЭХ 50 10−60 КВТ 83% 531−1705 кГц.
ОХ 100 20−100 кВт 83% 531−1705 кГц.
ЭХ 300 30−300 кВт 83% 525−1605 кГц.
БХ 2 002 100 83% 531−1605 кГц ним при использовании в цифровых передатчиках. Практически полностью отсутствует анализ работы схемы сложения мощностей разрядных генераторов. Не проведен анализ возможности использования метода цифровой модуляции в передатчиках с ОБП модуляцией.
Целью настоящей работы является исследование цифровой модуляции, как способа формирования выходного сигнала, и особенностей построения передатчиков, использующих этот принцип для различных частотных диапазонов.
В соответствии с этим в ходе диссертационной работы необходимо решить следующие основные задачи:
1. Изучить особенности построения оконечных каскадов усилителя мощности цифровых передатчиков основываясь на существующих образцах, публикациях в литературных источниках и патентах.
2. Определить значения качественных характеристик передатчиков, использующих цифровой метод формирования огибающей.
3. Исследовать влияние схемы сложения мощностей на работу оконечного усилителя мощности. Разработать способы улучшения качественных характеристик цифровых передатчиков.
5. Выработать рекомендации по построению устройства сложения для цифровых передатчиков КБдиапазона.
Исследования проводились путем анализа математической модели устройства. Для разработки модели за основу взяты экспериментальные данные полученные в результате макетирования оконечного каскада передатчика. Результаты эксперимента, проведенного на математической модели устройства, соответствуют результатам, полученным при исследовании макета устройства. Вывод подтверждается актом внедрения результатов исследования.
В первой главе рассматриваются общие принципы преобразования аналоговых сигналов в цифровые. Рассмотрены особенности построения различных узлов цифровых передатчиков. Сформулированы требования к ним и проанализированы достигнутые результаты в отечественных и зарубежных разработках.
Во второй главе дается количественная оценка искажений, вызываемых цифровым преобразованием. Определяются частотные ограничения на использование цифровой модуляции. Анализируется влияние разброса параметров ключевых генераторов на уровень нелинейных искажений.
В третий главе основное внимание уделяется анализу работы устройства сложения мощностей разрядных генераторов. Рассматриваются различные варианты исполнения данного функционального узла. Разработана математическая модель устройства сложения. На ее основе произведены расчеты, учитывающие влияние особенностей устройства сложения на характеристики выходного сигнала, и работу других функциональных узлов радиопередатчика. Установлено наличие токов коммутации транзисторов разрядных генераторов, входящих в ЦАП, вызванных расфа-зировкой напряжения возбуждения генераторов и тока в устройстве сложения. Произведена количественная оценка этих токов. Произведена оценка нелинейных искажений, возникающих за счет особенностей конструкции устройства сложения.
В четвертой главе рассматриваются способы, позволяющие улучшить линейность выходной характеристики усилителя и уменьшить значения токов коммутации транзисторов разрядных генераторов. Дается их сравнительная оценка.
В пятой главе содержатся рекомендации по построению устройства сложения передатчиков КВдиапазона. Приведена методика расчета устройства.
5. 7. ВЫВОДЫ.
В результате исследования проведенного в пятой главе установлено:
1. Для построения устройства сложения в коротковолновом диапазоне может быть рекомендован вариант комплексного использования отрезков эквивалентной длинной линии и фазокорректирующих звеньев. При этом нелинейные искажения и токи коммутации будут определяться максимальной электрической длиной одного участка устройства сложения.
2. В качестве фазокорректирующих звеньев целесообразно использовать ФВЧ и ФНЧ. Данные схемы не обеспечивают широкополосную работу передатчика. Для перекрытия коротковолнового диапазона необходимо осуществлять перестройку фильтров.
3. Разработанная методика позволяет производить расчет основных элементов устройства сложения с учетом возможной работы во всем коротковолновом диапазоне волн.
4. Анализ работы устройства сложения и определение значений основных элементов устройства сложения может производиться на ЭВМ.
5. Для избежания резкого увеличения токов коммутации на частотах резонанса высших гармоник необходимо определить «запрещенные «частоты работы передатчика. Уход от «запрещенных «частот может осуществляться изменением реактивного сопротивления нагрузки устройства сложения.
6. Высшие гармоники в сумме с первой могут уменьшить токи коммутации при соответствующей настройке фильтрующей нагрузке устройства сложения. Если есть конструктивная возможность настроить эквивалентную длинную линию на частоты близкие к резонансной для высших гармоник, можно добиться уменьшения токов коммутации.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Модуляция с цифровым формированием огибающей сигнала является очередным этапом развития радиопередающих устройств. Идея замены традиционно используемого аналогового сигнала на цифровой возникла еще в 60-х годах. Однако, это направление не получило широкого распространения. Анализ публикаций показал, что ни одна из ведущих отечественных и зарубежных фирм длительное время не вели активных работ по проектированию цифровых радиопередатчиков. Можно предположить, что это было вызвано рядом причин:
• отсутствием строгого анализа работы и законченных методик расчета и проектирования;
• отсутствием соответствующей элементной базы;
• высокой стоимость;
•отсутствием объективной необходимости разработки принципиально нового метода формирования изучаемого сигнала с изменяющейся амплитудой.
Определяющей можно считать последнюю из указанных причин.
Резкое увеличение числа радиопередающих систем в 70-х годах, постоянное повышение цен на электроэнергию, необходимость уменьшения массогабаритных показателей радиопередатчиков и улучшения их качественных характеристик заставили искать новые пути построения радиопер здающих устройств.
Наилучших результатов удалось добиться фирме «Harries» США. Разработчикам удалось на практике реализовать идеи цифрового формирования огибающей сигнала, воплотив их в радиопередатчиках серии БХ. Однако, как показало изучение разработок фирмы, успешно освоенным оказался только средневолновый диапазон. Переход на более высокие частоты связан с рядом трудностей.
Анализ работы цифровых передатчиков показал, что значительное влияние на качественные характеристики оказывает устройство сложения мощностей разрядных генераторов. В настоящее время в литературе практически отсутствует исследование функционирования этого устройства. Целью настоящей работы был анализ работы устройства сложения, создания его математической модели. На этой базе произведена оценка качественных характеристик передатчика, определение частотного диапазона, в котором возможно цифровое формирование сигнала.
Несомненным достоинством рассмотренных радиопередатчиков является высокая энергетическая эффективность. .Это обусловлено использованием ключевого режима работы разрядных генераторов и последовательной трансформаторной схемы сложения мощностей, которая не уменьшает к. п. д. оконечного усилителя.
В результате анализа установлено, что схема сложения оказывает влияние на уровень нелинейных искажений. В ходе работы определена зависимость коэффициента гармоник выходного сигнала от особенностей конструктивного исполнения трансформаторов, входящих в устройство сложения. Предложены методы уменьшения нелинейных искажений:
• выбор оптимального порядка включения разрядных генераторов;
• изменение напряжения источников питания разрядных генераторов по определенному закону.
Разработана специальная расчетная программа для ЭВМ, позволяющая определять оптимальный порядок включения разрядных генераторов для достижения наилучшей линейности статической модуляционной характеристики оконечного усилителя мощности при заданных параметрах системы сложения.
Кроме этого, на основании проведенного математического анализа сделан важный вывод о возможности использования рассматриваемой схемы устройства сложения для работы в передатчиках с ОБП.
При использовании последовательной трансформаторной схемы сложения мощностей возникает еще одна проблема — токи коммутации транзисторов разрядных генераторов. В результате проведенной работы разработана методика количественной оценки токов коммутации. Предложены способы их уменьшения:
• несинхронное включение разрядных генераторов;
• использование в качестве устройства сложения эквивалентной неоднородной длинной линии;
• соответствующий подбор величины и характера нагрузки.
Математический анализ предложенных способов уменьшения токов коммутации показал, что они не будут эффективны при переходе в КВ-диапазон.
Увеличение рабочей частоты передатчика сильно влияет на линейность статической модуляционной характеристики оконечного усилителя мощности и приводит к резкому возрастанию токов коммутации.
При переходе на более высокие частоты необходимо применение специальных конструктивных решений.
В работе предлагается вариант построения устройства сложения, которое может использоваться при работе на высоких частотах. Разработана специальная расчетная программа для ЭВМ, позволяющая анализировать предлагаемую схему. Произведена количественная оценка процессов в устройстве сложения, влияющих на уровень нелинейных искажений и величину токов коммутации.
Предложенная методика расчета позволяет сформулировать основные конструктивные требования к устройству сложения для цифрового передатчика отвечающего заданным качественным характеристикам.
Таким образом, в ходе проведенной диссертационной работы решены следующие задачи:
1. Произведен анализ современных достижений отечественных и зарубежных разработчиков в области. цифровой модуляции. Определены нерешенные проблемы.
2. Рассчитаны значения качественных характеристик цифровых передатчиков. Сделан вывод о возможности получения уровня нелинейных искажений не хуже, чем в передатчиках, использующих традиционные принципы построения. При этом очевидным является выигрыш цифровых передатчиков в энергетической эффективности и надежности.
3. Разработана эквивалентная схема и, на ее основе, математическая модель устройства сложения. Исследовано влияние схемы сложения на работу разрядных генераторов.
— 2164. Разработаны способы улучшения качественных цифровых передатчиков. Определены ограничения на применение этих способов.
5. Разработан вариант построения устройства сложения для цифровых передатчиков коротковолнового диапазона. Разработана методика расчета и, на ее основе, вычислительная программа для расчета таких устройств.
