Результат интеллектуальной деятельности: Цифровое устройство предыскажения радиосигналов четными гармониками

Изобретение относится к области радиопередающих устройств и может быть использовано в составе бортовой аппаратуры космических аппаратов.

При усилении радиочастотного сигнала в усилителе мощности в составе радиопередающего устройства неизбежно возникают нелинейные искажения усиливаемого сигнала. Продукты этих искажений – паразитные спектральные компоненты, часть из которых попадает в полосу усиления и существенно нарушает качество канала связи. Наиболее значительными по величине являются спектральные компоненты интермодуляционных искажений третьего и пятого порядка.

Из уровня техники известен формирователь радиосигналов с цифровым предыскажением четными гармониками, который содержит цифровой блок вычисления четных гармоник, цифровой блок инвертирования, цифровой блок масштабирования, цифровой блок суммирования, цифровой блок временной задержки, цифроаналоговый преобразователь и модулятор (патент РФ №2538306). Данное техническое решение снижает уровень продуктов интермодуляции за счёт предыскажения чётными гармониками, однако оно не обеспечивает подавления спектральных компонент интермодуляции пятого и более высоких порядков.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является формирователь радиосигналов с цифровым линеаризатором, который состоит из квадратурного модулятора, двух цифроаналоговых преобразователей, блока цифровой обработки сигналов и цифрового линеаризатора, при этом на вход блока цифровой обработки сигналов подается цифровой информационный сигнал, на выходах блока цифровой обработки сигналов формируются две бинарные комбинации, определяющие фазу и амплитуду формируемого формирователем радиосигнала. Данное техническое решение для использования требует предварительного измерения характеристик амплитудных и фазовых преобразований в усилителе мощности, расчета таблиц обратных преобразований и представления их в виде подробных таблиц квадратурных функций предыскажения, что требует для реализации большого объёма вычислительных ресурсов.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, уменьшение величины продуктов интермодуляционных искажений третьего и пятого порядка.

Сущность изобретения поясняется следующим.

Для формирования радиосигналов с цифровой модуляцией в составе радиопередающих устройств в основном применяют квадратурный метод, который основан на том, что любое гармоническое колебание с произвольной фазой можно представить линейной комбинацией двух гармонических составляющих: синфазной I(t) и квадратурной Q(t), сдвинутых по фазе на 90°.

Если в качестве опорного (синфазного) колебания выбрана синусоидальная функция , где ω₀ = 2πf₀ , а f₀ – частота несущего колебания, то радиосигнал формируется по закону

, (1)

где амплитуда А(t) и фаза φ(t) формируемого сигнала определяются как

, (2)

. (3)

В радиопередающих устройствах, когда формирование радиосигналов осуществляется квадратурным методом, используется цифроаналоговое преобразование и сигналы I(t) и Q(t) формируются в цифровой области.

Для снижения уровня продуктов интермодуляционных искажений в формирователе радиосигналов в составе радиопередающего устройства на выходах цифрового блока, формирующего в цифровой области сигналы I(t) и Q(t), которые соединяются с входами цифроаналоговых преобразователей, предлагается устанавливать цифровое устройство предыскажения радиосигналов чётными гармониками.

Структурная схема предлагаемого цифрового устройства предыскажения радиосигналов четными гармониками представлена на фиг. 1.

В его состав входят:

– блоки умножения(1.1-1.7);

– блоки суммирования(2.1-2.3);

– блоки масштабирования(3.1, 3.2);

– блок инвертирования (4);

– блоки временной задержки (5.1-5.3).

В таком устройстве цифровой сигнал, соответствующий сигналу I(t), поступает на первый вход устройства Вх.1, который соединен с первым и вторым входами первого блока умножения (1.1) и входом первого блока временной задержки (5.1).

Цифровой сигнал, соответствующий сигналу Q(t), поступает на второй вход устройства Вх.2, который соединен с первым и вторым входами второго блока умножения (1.2) и входом второго блока временной задержки (5.2).

Сигналы с выходов первого и второго блоков умножения поступают на первый и второй входы первого блока суммирования (2.1) соответственно. Выходной сигнал первого блока суммирования поступает на второй вход третьего блока умножения (1.3), первый вход которого соединен с выходом первого блока масштабирования (3.1).

Кроме того, выходной сигнал первого блока суммирования поступает на первый и второй входы четвертого блока умножения (1.4) и на вход блока инвертирования (4). Сигнал с выхода четвертого блока умножения поступает на второй вход второго блока суммирования (2.2), на первый вход которого поступает сигнал с выхода блока инвертирования.

Выходной сигнал второго блока суммирования поступает на второй вход пятого блока умножения (1.5), первый вход которого соединен с выходом второго блока масштабирования (3.2).

Сигнал с выхода пятого блока умножения подается на второй вход третьего блока суммирования (2.3), на первый вход которого подается выходной сигнал третьего блока временной задержки (5.3), вход которого соединен с выходом третьего блока умножения.

Выходной сигнал третьего блока суммирования поступает на второй вход шестого блока умножения (1.6), первый вход которого соединен с выходом первого блока временной задержки. Также выходной сигнал третьего блока суммирования поступает и на первый вход седьмого блока умножения (1.7), второй вход которого соединен с выходом второго блока временной задержки.

Выходы шестого и седьмого блоков умножения являются первым Вых.1 и вторым Вых.2 выходами соответственно предлагаемого цифрового устройства предыскажения радиосигналов четными гармониками в целом.

На выходах такого цифрового устройства формируются цифровые сигналы, соответствующие предыскаженным сигналам I_п(t) и Q_п(t). В составе радиопередающего устройства формируемые цифровые сигналы поступают на входы цифроаналоговых преобразователей формирователя радиосигналов и в соответствии с (1) формируется радиосигнал с предыскажением, которое компенсирует интермодуляционные искажения третьего и пятого порядка, вызванные нелинейностью усилительного тракта радиопередающего устройства.

Функционирование предлагаемого цифрового устройства предыскажения радиосигналов чётными гармониками ниже поясняется на примере формирования и усиления мощности двухчастотного сигнала.

Для двухчастотного сигнала в формирователе радиосигналов можно использовать следующие синфазный и квадратурный сигналы:

, (4)

, (5)

где Ω – частота отстройки гармоник двухчастотного сигнала от несущей частоты. Тогда без предыскажения в соответствии с (1) на выходе формирователя радиосигналов в составе радиопередающего устройства формируется радиосигнал

. (6)

Передаточную характеристику активного элемента усилителя мощности можно аппроксимировать полиномом вида

, (7)

где а₁> 0, а₃, а₅< 0 – коэффициенты аппроксимации.

После тригонометрических преобразований при подстановке (6) в (7) видно, что в спектре сигнала на выходе усилителя мощности в полосе усиления возникают интермодуляционные составляющие третьего и пятого порядка:

, (8)

, (9)

, (10)

. (11)

Для внесения предыскажения в формируемый радиосигнал цифровые сигналы, соответствующие (4) и (5), подаются на входы Вх1 и Вх2 цифрового устройства предыскажения радиосигналов соответственно. Тогда на выходе первого блока суммирования формируется цифровой сигнал, который в соответствии с (2) равен квадрату огибающей формируемого радиосигнала. В спектре сигнала на выходе первого блока суммирования формируется вторая гармоника огибающей формируемого радиосигнала

(12)

Третий блок умножения осуществляет операцию умножения второй гармоники огибающей формируемого радиосигнала на масштабный коэффициент C₃, значение которого записано в первом блоке масштабирования. Описываемое преобразование можно представить в виде следующей замены:

(13)

На выходе четвертого блока умножения формируется цифровой сигнал, в спектре которого присутствуют вторая и четвертая гармоники огибающей формируемого радиосигнала

. (14)

В блоке инвертирования происходит смена знака цифрового сигнала (12) и на выходе второго блока суммирования формируется сигнал:

. (15)

Таким образом, на выходе второго блока суммирования присутствует только четвертая гармоника огибающей формируемого радиосигнала.

Пятый блок умножения осуществляет операцию умножения четвертой гармоники огибающей формируемого радиосигнала на масштабный коэффициент C₅, значение которого записано во втором блоке масштабирования. Описываемое преобразование можно представить в виде следующей замены:

. (16)

Третий блок временной задержки компенсирует задержку выходного сигнала пятого блока умножения относительно выходного сигнала третьего блока умножения и на выходе третьего блока суммирования формируется цифровой сигнал :

. (17)

Первый и второй блоки временной задержки компенсируют задержку выходного сигнала третьего блока суммирования относительно входных сигналов с входов Вх.1 и Вх.2 соответственно и на выходах шестого и седьмого блоков умножения, которые являются соответственно выходами Вых.1 и Вых.2 цифрового устройства предыскажения радиосигналов четными гармониками в целом, формируются цифровые предыскаженные сигналы I_п(t)и Q_п(t). Для рассматриваемого двухчастотного сигнала

, (18)

. (19)

В составе радиопередающего устройства формируемые цифровые предыскаженные сигналы I_п(t)и Q_п(t) поступают на входы цифроаналоговых преобразователей формирователя радиосигналов и в соответствии с (1) формируется радиосигнал с предыскажением x_п(t).

При подстановке x_п(t) в выражение (7) после тригонометрических преобразований видно, что в спектре сигнала на выходе усилителя мощности в полосе усиления возникают интермодуляционные составляющие третьего и пятого порядка:

, (20)

, (21)

, (22)

. (23)

При этом коэффициенты аппроксимации передаточной характеристики активного элемента а₃, а₅ и масштабные коэффициенты C₃ и C₅ соответственно противоположны по знаку. Таким образом, подбором величин масштабных коэффициентов C₃ и C₅ достигается уменьшение уровня продуктов интермодуляционных искажений третьего и пятого порядка.

При формировании и усилении полосового сигнала процессы взаимодействия будут идентичны описанным выше.

Оптимальные значения коэффициентов масштабирования подбираются при регулировании цифрового устройства предыскажения радиосигналов чётными гармониками в составе радиопередающего устройства при известных нелинейных характеристиках используемого усилителя мощности.

Результаты модельных и экспериментальных исследований устройства предыскажающей цифровой линеаризации чётными гармониками для радиопередающего устройства показали, что при произвольном полосовом передаваемом сигнале по предлагаемой схеме удаётся значительно снизить уровень интермодуляционных искажений третьего и пятого порядка, что подтверждает возможность достижения технического результата.

Таким образом, введение цифрового устройства предыскажения радиосигналов чётными гармониками по предлагаемой схеме в состав радиопередающего устройства обеспечивает достижение технического результата – уменьшение в спектре выходного сигнала величины продуктов интермодуляционных искажений третьего и пятого порядка.