Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ЦИФРОВОЙ КОРРЕКЦИИ НЕЛИНЕЙНОСТИ

Изобретение относится к схемам передающих устройств и может использоваться для исправления искажения радиосигналов.

Известны различные устройства, корректирующие искажение сигналов (нелинейность) в усилителях.

Из патента США US 8498591 известно устройство цифровой коррекции нелинейности, в котором используется обратная связь и включен оценочный блок для коррекции. В известном устройстве выполняется выбор оценочных характеристик для внесения декомпенсационных параметров в выходной сигнал.

Линеаризатор согласно патенту США US 8498590 содержит нелинейный передатчик, приемник обратной связи, устройство ввода предыскажений, регулятор усиления, блок адаптивного контроля предыскажений, блок адаптивного контроля усиления, контроллеры предыскажений, контроллеры усиления. Линеаризатор является достаточно сложным и требует больших аппаратных затрат. Из-за необходимости контролирования параметров линеаризации это устройство характеризуется невысоким быстродействием.

Наиболее близким аналогом настоящего изобретения является устройство цифровой коррекции нелинейности согласно патенту США US 8213884, использующее таблицу соответствий (или «look-up-table»), которая корректирует цифровой выходной сигнал в зависимости от искажений в усилителе. В этом известном устройстве имеется адаптивный алгоритм, выходы которого в совокупности с входными данными поступают в таблицу соответствий (look-up-table), на выходе которой коэффициенты образуют массив корректирующих сигналов для компенсационного процесса. В данном варианте реализации требуется большой объем памяти и настройка таблицы под каждый тип усилителя. Это влечет за собой существенные аппаратные затраты и снижает быстродействие устройства в целом.

Решаемая изобретением задача состоит в улучшении технико-эксплуатационных характеристик устройства цифровой коррекции нелинейности.

Технический результат, полученный при использовании изобретения, заключается в упрощении конструкции устройства цифровой коррекции нелинейности, снижении потребляемой им мощности и повышении его быстродействия.

Для решения поставленной задачи с достижением заявленного технического результата устройство цифровой коррекции нелинейности содержит соединенные последовательно первый усилитель, первый аналогово-цифровой преобразователь, первый цифровой фильтр, первый конвертор, понижающий частоту, устройство автоматического усиления сигнала, цифро-аналоговый преобразователь и второй усилитель. Вход первого усилителя служит входом устройства, а выход второго усилителя - выходом устройства. Устройство также содержит соединенные последовательно второй аналогово-цифровой преобразователь, второй конвертор, повышающий частоту, и второй цифровой фильтр. Кроме того, выход первого конвертора соединен со вторым входом второго цифрового фильтра; выход второго усилителя соединен с входом второго аналогово-цифрового преобразователя; выход второго конвертора соединен со вторым входом устройства автоматического усиления сигнала; и выход второго цифрового фильтра соединен со вторым входом первого цифрового фильтра.

Возможен дополнительный вариант выполнения устройства, в котором целесообразно, чтобы был введен третий усилитель. При этом выход второго усилителя соединен с входом второго аналогово-цифрового преобразователя через третий усилитель.

В сравнении с известными аналогами, включая наиболее близкий аналог, заявляемое устройство характеризуется более простой конструкцией, повышенным быстродействием и пониженным потреблением мощности.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются с помощью варианта его выполнения со ссылками на фигуры.

Фиг. 1 изображает функциональную схему заявленного устройства.

Фиг. 2 представляет результат моделирования работы устройства в среде Matlab/Simulink.

Перечень позиций, использованных на фиг. 1:

1 - первый усилитель

2 - первый аналогово-цифровой преобразователь

3 - первый цифровой фильтр

4 - первый конвертор, понижающий частоту

5 - устройство автоматического усиления сигнала

6 - цифро-аналоговый преобразователь

7 - второй усилитель

8 - третий усилитель

9 - второй аналогово-цифровой преобразователь

10 - второй конвертор, повышающий частоту

11 - второй цифровой фильтр

12 - вход устройства

13-19 - шины данных

20 - выход устройства

21-23 - шины данных.

Словарь используемых терминов:

DPD - устройство цифровой коррекции искажений

РА - усилитель

FIR - фильтр нерекурсивный

DUC - конвертор, повышающий частоту переданных данных

DDC - конвертор, понижающий частоту переданных данных

AGC - устройство автоматического усиления сигнала

ADC - аналого-цифровой преобразователь

DAC - цифро-аналоговый преобразователь.

Устройство цифровой коррекции нелинейности содержит первый усилитель 1, первый аналогово-цифровой преобразователь 2, первый цифровой фильтр 3, первый конвертор 4, понижающий частоту, устройство 5 автоматического усиления сигнала, цифро-аналоговый преобразователь 6 и второй усилитель 7, соединенные посредством шин 13, 14, 15, 16, 18, 19 последовательно, как показано на фиг. 1. Вход первого усилителя 1 служит входом 12 устройства, а выход второго усилителя 7 служит выходом 20 устройства.

Второй аналогово-цифровой преобразователь 9, второй конвертор 10, повышающий частоту, и второй цифровой фильтр 11 соединены посредством шин 21, 22, 17, 23 последовательно. Выход первого конвертора 4 соединен со вторым входом второго цифрового фильтра 11.

Выход второго усилителя 7 соединен с входом второго аналогово-цифрового преобразователя 9. Выход второго конвертора 10 соединен со вторым входом устройства 5 автоматического усиления сигнала. Выход второго цифрового фильтра 11 соединен со вторым входом первого цифрового фильтра 3.

Кроме того, в устройство может быть введен третий усилитель 8 (на фиг. 1 показан пунктирной линией). Тогда выход второго усилителя 7 соединяется с входом второго аналогово-цифрового преобразователя 9 через третий усилитель 8.

Работает устройство цифровой коррекции нелинейности следующим образом.

На вход 12 первого усилителя 1 поступают данные в аналоговой форме, которые в первом аналогово-цифровом преобразователе 2 пересчитываются в цифровую форму заданной разрядности. Первый цифровой фильтр 3 (FIR1) выполняет основную роль в заявленном устройстве, которое, по сути, является обучающейся системой. Коррекция нелинейности осуществляется по обратной связи по шине 23, по которой на второй вход первого цифрового фильтра 3 поступают вычисленные коэффициенты с выхода второго цифрового фильтра 11 (FIRA). Количество вычисленных коэффициентов зависит от окна (порядка) фильтра первого цифрового фильтра 3, если это нерекурсивный фильтр. Чем больше окно данных, тем вернее выбор величин коэффициентов (статистически точнее). Однако в случае очень большого окна данных реакция устройства на изменчивость параметров и условий (например, окружающей среды, характеристик усилителя) будет медленнее. Это эквивалентно принципу неопределенности, где частота - временной домен сигнала.

Первый цифровой фильтр 3 и второй цифровой фильтр 11 работают известным образом при использовании нерекурсивных или рекурсивных фильтров (см., например, http://portal.tpu.ru/SHARED/v/VOS/study/discl/Tab/tema09.pdf, с. 124, рис. 9.15 и с. 122, рис. 9.12). Роль второго входа играют коэффициенты фильтра, например, обозначенные в указанном источнике на рис. 9.15 как b0, b1, … bn-1. Второй цифровой фильтр 11 выполняет функцию адаптивного элемента.

На первый цифрового фильтра 3 поступает входной сигнал по шине 14, а на его второй вход (отмечен символом «2» на фиг. 1) по шине 23 - рассчитанные коэффициенты в процессе адаптации с выхода второго цифрового фильтра 11. Изменения этих коэффициентов показано в виде кривых на фиг. 2, представляющей результаты моделирования работы устройства в среде Matlab/Simulink.

Первый конвертор 4, понижающий частоту переданных данных, используется для повышения пропускной способности канала. Представленная структурная схема фактически отражает устройство для беспроводной связи, например мобильной связи стандарта LTE.

Сигнал с выхода первого конвертора 4, понижающего частоту, поступает на второй вход (отмечен символом «2» на фиг. 1) второго цифрового фильтра 11, на его первый вход по шине 17 (обратной связи) поступает сигнал каскада блоков (устройства 5 автоматического усиления сигнала, цифро-аналогового преобразователя 6, второго усилителя 7, третьего усилителя 8, второго аналогово-цифровой преобразователя, второго конвертора 10). Указанные сигналы, поступающие на первый и второй входы второго цифрового фильтра 11, сравниваются во втором цифровом фильтре 11 (адаптационном), изменяя в зависимости от разницы этих сигналов адаптационные коэффициенты (фиг. 2).

Таким образом, во втором цифровом фильтре 11 вычисляются коэффициенты коррекции, поскольку на основной сигнал с выхода по шине 16 первого конвертора 4, понижающего частоту переданных данных, и поступающий на второй вход второго цифрового фильтра 11, а также сформированный по обратной связи по шине 17 сигнал, поступающий на первый вход второго цифрового фильтра 11 с выхода второго конвертора 10, повышающего частоту, накладываются искажения из-за нелинейности первого усилителя 7 и третьего усилителя 8, а также влияния окружающей среды. При этом окно данных второго цифрового фильтра 11 выбирается эквивалентным окну данных первого цифрового фильтра 3 по количеству коэффициентов или порядку фильтра.

Третий усилитель 8 может отсутствовать, если не требуется значительного усиления сигнала для выдачи информации в эфир.

После прохождения сигналов во внешней среде с выхода 20 через третий усилитель 8 посредством шины 21 на вход второго аналогово-цифрового преобразователя 9, а с него посредством шины 22 - на второй конвертор 10, повышающий частоту переданных данных, замыкается обратная связь через устройство 5 автоматического усиления сигналов, которое, в дополнение к адаптивному процессу, осуществляемому в первом цифровом фильтре 3 и втором цифровом фильтре 11, корректирует сигнал по амплитуде.

Устройство 5 автоматического усиления сигналов работает известным образом (см., например, Коновалов Г.Ф. Радиоавтоматика: Учеб. для вузов по спец. «Радиотехника». - М.: Высш. шк., 1990, рис. 1.13).

Процесс адаптации (обучения) (фиг. 2) виден по стабилизационным областям кривых (величины) коэффициентов. Коэффициенты через некоторое время выходят на стабильный уровень, что характеризует работоспособность устройства.

Таким образом, предложенное устройство обеспечивает автоматическую настройку исправления искажений (нелинейности) в реальном времени без использования предварительных оценочных расчетов корректирующих данных с их занесением в соответствующую память таблицы соответствий или настройкой устройства под каждый конкретный усилитель. Это обеспечивается соответствующей обратной связью с включением адаптивных алгоритмов и автоматическим расчетом коэффициентов для цифровых фильтров.

Заявленное устройство является универсальным. Во-первых, отсутствует необходимость настраивать каждый раз таблицы соответствий в зависимости от типа используемого усилителя или изменчивости внешних условий. Во-вторых, снижаются аппаратные затраты, поскольку элементы памяти и таблицы коррекции отсутствуют. В-третьих, повышается быстродействие, а устройство работает в реальном масштабе времени.

Наиболее успешно заявленное устройство цифровой коррекции нелинейности промышленно применимо в передающих устройствах и позволяет обеспечить технический и экономический эффекты при изготовлении аппаратуры, в частности, при реализации в интегральном исполнении.