Усилители мощности с высокой линейностью для базовых станций беспроводной связи

Часть 2. Расчёт нелинейных критериев УМ. Определение нелинейных критериев каскадного соединения

А. Курушин, В. Недера

Источник: журнал ChipNews, выпуск №7, 2002г.

Расчёт нелинейных критериев, связанных с искажением реальных сигналов, выполняется методами анализа нелинейных устройств во временной области. Такие методы реализованы в нескольких широко известных программах, и самая известная из них — ADS (Advanced Design System). Методы косимуляции, то есть одновременного расчёта и цифровой и аналоговой частей схем заключаются в применении многомерного интеграла Дюамеля, то есть фактической реализации многомерного комплексозначного ряда Вольтерра во временной области. Эта функция выполнена в программе PTOLEMY. В этой программе выполнен анализ прохождения потока данных, возбуждающих аналоговую схему через временные отрезки, и собираемых в сборниках данных на выходе, в соответствии с теоремой Котельникова (рис. 1).

Рис 1. Схема для анализа искажения модуляционных характеристик усилителя мощности: RHo, EVM и других. Эти чисто цифровые характеристики можно рассчитать на Ptolemy

Рис 2. Цифровой процессор Paladin и схема предыстортера

Большой выбор библиотек в программе Ptolemy, специально разработанных для анализа системы CDMA2000, позволяет анализировать передающий тракт базовой станции на системном уровне, используя реальный сиг-нал CDMA2000 на входе элементов передающего тракта.

Тестирование УМ становится основой для построения модели нелинейного усилителя, необходимой не только в теоретических расчётах, но для синхронной работы их совместно с программируемыми процессорами. Для примера рассмотрим работу предыстортера, который является очень перспективным направлением для улучшения энергетических характеристик усилителя мощности.

Линеаризация УМ с помощью предварительного искажения входного сигнала — один из способов компенсации нелинейности. Для реализации этого метода в полосе частот модуляции применяется адаптивное цифровое предыскажение сигна-ла. Адаптация основана на уменьшении разности между фактической мощностью сигнала желательной модуляции и CDMA-сигнала на выходе усилителя (целевой функцией становится ACPR, как меры искажения сигнала).

В этом алгоритме модель усилителя сохранена в виде LUT (Look Up Table) - таблицы добавлений, которая представляет собой коэффициенты многомерного ряда Вольтерра, описывающего усилитель мощности во временной области и области переменных амплитуд. Работа алгоритма сводится к анализу входного сигнала и затем внесения в него искажений, так чтобы усилившись в нелинейном усилителе, эти искажения скомпенсировались. Алгоритм предыстортера может работать без обратной связи. Однако для повышения его эффективности, для учёта температурных изменений, изменений параметров усилителя, связанных со старением, то есть долговременных изменений, а также, быть может самое важное, для учёта нагрузки (количества пользователей) линии, вводится обратная связь для коррекции коэффициентов таблицы LUT. Наиболее ценным является алгоритм для широкополосных CDMA-сигналов. Разработка схемы предыстортера, вносящей такие искажения, что усилившись в усилителе мощности, они скомпенсируют собственно искажения усилителя мощности, сулит большие перспективы, поскольку позволяет увеличить КПД усилителя при сохранении его габаритов и почти не увеличивая цену. Это объясняется тем, что схема предыстортера, выполненная в интегральном исполнении, потребляет незначительную, по сравнению с УМ, мощность. Включение такой микросхемы позволяет улучшить ACPR на 10...15 дБ. Недостаток такого решения: 1) система настраивается на конкретный сигнал, например CDMA, W-CDMA (то есть точный вид модуляции) и 2) должна иметься модель данного усилителя мощности в виде алгоритма расчёта. Сложности, которые встречаются на пути создания предыстортера, сводятся к выбору компромисса между требуемой памятью для хранения модели усилителя мощности в LUT и скоростью быстродействия алгоритма расчёта и адаптации модели.

Система без памяти (или применительно к усилителю мощности, без AM/PM) будет иметь более простую LUT, и амплитудную характеристику, измеренную в статическом режиме, когда сигнал, изменяясь, проходит те же значения, увеличиваясь, и уменьшаясь. Система с памятью или амплитудно-фазовая конверсия, напротив, имеет мгновенную амплитудную характеристику с характерным гистерезисным видом. В настоящее время работы по реализации предыстортера ведутся в нескольких крупных центрах и вступают в стадию промышленного производства.

Определение нелинейных критериев каскадного соединения.

Очень часто в практике проектирования необ- ходимо найти нелинейные характеристики каскадного соединения. Имея зависимости для соединения двух каскадов, далее можно найти эти параметры для любого каскадного соединения. Поставим задачу связать ACPR двух каскадов и общий ACPR каскадного соединения.

Используя метод суперпозиции, мощность продуктов нелинейных искажений на выходе каскадного соединения можно записать в виде

где Pn1 - мощность шума на выходе первого каскада, причём эта мощность меньше сигнала на величину ACPR1; Kp2 - коэффициент усиления 2-го каскада на частоте канала ACPR; Pn2 - мощность шума в канале измерения ACPR на выходе 2 каскада.

Мощность сигнала в тракте можно расписать следующим выражением:

где - мощность сигнала на выходе 2-го каскада; Pс1out - мощность сигнала на выходе 1-го каскада, равная мощности на входе 2-го каскада; Kp2 - коэффициент усиления 2-го каскада на частоте несущей (считаем, что это усиление равно усилению на частоте канала CDMA).

Разделив (1) на (2), получаем

(3)

Используя определение ACPR, получаем

ACPR[ед] = ACPR1[ед] + ACPR2[ед] , (4)

где ACPR выражены в единицах, причём

ACPR[dBc] = 10 log(ACPR[ед]) (5)

(приписка c означает, что берётся отношение относительно мощности несущей или мощности во всём канале базового сигнала, то есть 1,23 MГц). Точность формулы (4) для практики, с учётом разброса нелинейной модели УМ, оценивается от 0,5 до 2 дБ.

Пример 1. Пусть имеем каскадное соединение тракта передатчика и усилителя мощности с параметрами, показанными в табл. 2.

Отметим, что значения ACPR зависят от входной мощности, поэтому данные, приведённые в таблице, соответствуют сигналу на входе второго каскада -10 дБм.

Пример 2. Рассмотрим соединение двух усилителей с одинаковым ACPR1 = ACPR2 = -50 dBc (отметим, что эти усилители будут отнюдь не одинаковые, поскольку эти значения достигаются при разных, а именно, отличных на Kp1, мощностях).

Тогда, согласно формуле (4), ACPR общего каскадного соединения будет равен -47 dBc (и формально не зависит от коэффициентов передачи).

Если использовать ACPR для определения мощности насыщения по заданному критерию, то выберем значение -50 dBc как предельное значение, при котором удобно оценивать нелинейные свойства усилителя мощности. Тогда из [3] можно записать, что мощность насыщения каскадного соединения 2-х каскадов P находится из формулы:

(6)

где P - выходная мощность насыщения соединения 1-2, то есть мощность на выходе всего соединения, при которой достигается ACPR = -50 dBc; P2 - выходная мощность насыщения соединения второго каскада, то есть мощность на выходе 2-го каскада, при которой достигается ACPR = -50 dBc, при автономном измерении этого параметра на 2-м каскаде; P1 - выходная мощность насыщения соединения второго каскада, то есть мощность на выходе 1-го каскада, при которой достигается ACPR = -50 dBc, при автономном измерении этого параметра на 1-м каскаде; Kp2 - коэффициент передачи по мощности 2-го каскада. Отметим, что в формулу не входит коэффициент усиления 1-го каскада. Если рассматривать мощность насыщения по входу, то наоборот, в формулу не будет входить усиление 2-го каскада. Если при оценке динамического диапазона приёмника, как в [3], удобно пользоваться мощностью насыщения по входу, то при оценке нелинейных искажений усилителя мощности удобно пользоваться мощностью насыщения по выходу.

Выводы

В статье рассмотрены характеристи- ки усилителей мощности, применяемых в базовых станциях сотовой телефонии 3-го поколения, и критерии, которые можно применять для их спецификации. Наряду с описанием таких нелинейных параметров, как сжатие усиления, точка пересечения третьего порядка, коэффициент полезного действия, основное внимание обращается на характеристики, наиболее интересные разработчику современных систем связи.

Современные УМ, применяемые в базовых станциях беспроводной связи, обладают высокой линейностью, и поэтому традиционные характеристики становится трудно измерить с высокой точностью. Поэтому для оценки качества усилителей мощности применяются характеристики, ранее используемые для оценки качества системы, а именно ACPR, RHo, EMV и IQ Offset.

Измерительная аппаратура, а также методы расчёта этих характеристик в настоящее время позволяют внедрять это в практику проектирования современных систем, использующих сложные широкополосные сигналы.

В цикле "Проектирование - тестирование - поиск неисправности", которую проходят аналоговые блоки базовой станции, на долю аналоговой части остаётся всё меньше и меньше объёма: даже смарт-антенны в большей степени становятся цифровым блоком; УМ с предыстортером также имеет сложный управляемый процессор. Поэтому аналоговые части, такие как усилители мощности, необходимо стандартизировать цифровыми характеристиками.

 

Литература