ПРОБЛЕМЫ ПОСТРОЕНИЯ СВЧ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ С ГАРАНТИРОВАННЫМИ ЧАСТОТНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ СИСТЕМ БЕСПРОВОДНЫХ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И АНАЛИЗ ПУТЕЙ ИХ РЕШЕНИЯ
А.М. Геращенко, студент группы ТКС 07м
Статья для Международной конференции «Проблемы телекоммуникаций – 2008», Институт телекоммуникационных систем НТУУ «КПИ»
Данная статья посвящена рассмотрению основных проблем построения высоколинейных СВЧ усилителей мощности передатчиков беспроводных систем связи. Рассматриваются конкретные решения для обеспечения гарантированных частотных и временных характеристик радиосигнала посредством аналогового предварительного искажения с применением двух типов звеньев предискажения. С помощью программного обеспечения инженерного моделирования производится оценка эффективности предложенных решений и измерение основных показателей качества усиленного сигнала. Эффективность предложенного метода обеспечения линейности усилителя мощности оценивается с помощью сигналов с модуляции типа QPSK.
Вступление
К современным системам беспроводной связи предъявляются достаточно высокие требования, как относительно скорости передачи информации, так и обеспечения качества обслуживания. Тенденция развития данных систем демонстрирует постоянное увеличение скоростей передачи данных, вызванное прежде всего смещением приоритета пользователей на мультимедийные, бизнес-приложения, интернет.
Для достижения высоких скоростей передачи применяются сложные, комплексные методы модуляции, которые характеризуются значительными изменениями уровня огибающей сигнала. Прежде всего это 3G, 4G системы с модуляцией типа КАМ-16, КАМ-64, однако и сигналы фазовой модуляции вследствие полосовой фильтрации, используемые в системах как третьего, так и второго поколений также не могут характеризоваться наличием постоянного уровня огибающей [1, с. 46]. Как правило для них значение коэффициента отношения пикового значения амплитуды огибающей к среднему значению ( peak to average ratio) равно 3.2 дБ [3, с 13]. Кроме того данные системы характеризуются повышенной спектральной эффективностью, максимальным уплотнением и сближением спектров соседних каналов, например системы, использующие методы доступа с ортогональным частотным разделением каналов. Всё это ведёт к росту требований линейности выходных каскадов аппаратуры базовых станций с целью минимизации интермодуляционных искажений сигнала, появлению паразитных спектральных компонент в соседних каналах.
При построении СВЧ усилителей мощности возникают несколько взаимосвязанных проблем, таких как обеспечение одновременно и высокой линейности характеристик усилителей мощности (УМ) и высокой энергетической эффективности .
Обеспечение высокой энергетической эффективности является крайне важным требованием, предъявляемым к усилителям мощности, поскольку тем самым минимизируется потребляемая мощность от источников питания, снижаются расходы на энергопотребление базовой станции. Кроме того это приводит к увеличению срока службы активных элементов усилителя и упрощению системы охлаждения, что в конечном итоге приводит к уменьшению размеров усилителя. Это является достаточно важным особенно для ТМА усилителей, монтируемых непосредственно возле антенны базовой станции с целью компенсации потерь в фидерах и устранения дисбаланса каналов передачи/приёма (uplink/downlink) систем мобильной связи.
Высокая энергетическая эффективность достигается за счёт выбора класса работы активного элемента в режиме с отсечкой. Применяемые классы АВ, С, В позволяют получать высокие показатели эффективности, однако приводят к крайне нелинейной передаточной характеристике усилителя мощности.
Основным путём решения проблемы обеспечения как высокой степени линейности усилителя, так и высокой энергетической эффективности является применение специальных внешних методов линеаризации характеристик УМ. Существует несколько способов повышения линейности характеристик усилителя: предварительное искажение входного радиосигнала, введение цепи обратной связи, применение специальных техник отдельного усиления радиочастотного сигнала и огибающей с последующей модуляцией радиосигнала ( Envelope elimination and restoration) и другие. [ 3, с 135]
В данной статье рассмотрен метод аналогового предварительного искажения радиосигнала перед непосредственным усилением с целью компенсации нелинейностей передаточной характеристики усилителя.
При моделировании используется сигнал с квадратурной фазовой модуляцией QPSK, имеющий битовую скорость 384 Кбит/с на частоте 1.8 ГГц.
Основная часть
Общая структура усилителя мощности представлена на рис. 1 и состоит из звена предварительного искажения и непосредственно нелинейного модуля усиления.
Рис 1. Общая структура усилителя мощности
В практической реализации модуль усиления является высокоэффективным усилителем мощности, работающем в одном из классов с отсечкой тока. В данном случае при моделировании была выбрана абстрактная модель нелинейного усилителя с ярко выраженными нелинейными амплитудными и фазовыми характеристиками.
Для осуществления предварительного искажения сигнала используется два вида звеньев с целью сравнения их возможностей линеаризации характеристики усилителя мощности, выработки рекомендаций применения того или иного типа.
Анализ эффективности предложенной техники линеаризации проводится с помощью измерений таких параметров как Adjacent channel power ratio (ACPR) ( отношение мощности гармоник сигнала в соседних каналах к уровню спектра рассматриваемого канала), а также Error vector magnitude ( EVM ) ( амплитуда вектора ошибки), который определяется как:
где
Perror – комплексная мощность анализируемого сигнала;
Preference – комплексная мощность идеального сигнала.
В качестве каскада предварительного искажения используются диодные звенья отражательного типа. Одно звено является активным [5] с подачей питающего напряжения с целью смещения рабочей точки диодов, а другое пассивное [6].
Электрическая схема диодного звена предискажения пассивного типа представлена на рис. 3. Оно состоит из двух пар диодов, включённых встречно-параллельно, пары резисторов и микрополосковых линий в каждой ветви линеаризатора для осуществления фазовых сдвигов. Кроме того в состав цепи входит квадратурный мост с целью распределения входного и объединения отражённых сигналов.
Рис 2. Диодное звено предварительного искажения пассивного типа
В данном случае входной сигнал с помощью квадратурного моста распределяется между двумя ветвями линеаризатора с 90 – градусным фазовым сдвигом. При малом уровне сигнала диодная цепь имеет высокое сопротивление и сигнал практически полностью рассеивается на параллельном резисторе. При поступлении сигнала высокого уровня и выходе рабочей точки на линейный участок характеристик диодов, диоды имеют очень маленькое сопротивление и диодная пара по сути является короткозамкнутой цепью. В результате чего поступивший сигнал отражается обратно в квадратурный мост с определённым фазовым сдвигом в зависимости от длин микрополосковых линий. Т.е. импеданс отражательной цепи является функцией от уровня входного сигнала и таким образом амплитуда отражённой волны также является функцией от уровня входного сигнала. На выходе моста происходит суммирование отражённых сигналов двух ветвей линеаризатора, имеющих различные фазовые сдвиги. Регулирование степени нелинейности характеристики звена осуществляется с помощью подбора значений резисторов и длин микрополосковых линий.
Во втором случае используется диодное звено активного типа, позволяющее с помощью цепей питания осуществлять вывод рабочей точки диодов, тем самым регулируя его сопротивление.
Электрическая схема звена приведена на рис. 3. Она включает два диодных каскада, объединённых с помощью квадратурных мостов, каждый из которых состоит из двух диодных ветвей. Каждый диод имеет собственную цепь питания.
Рис 3. Диодное звено предварительного искажения активного типа
Управление передаточной характеристикой осуществляется посредством изменения напряжения источника питания и сопротивления резистора, т.е. смещения рабочей точки диодов с помощью цепей питания.
Для оценки эффективности применения данного типа линеаризации измеряется спектр сигнала на выходе усилителя мощности без предискажения и с использованием звена предварительного искажения. Спектры сигналов для данных двух случаев приведены на рис. 4 и совмещены в одних координатных осях.
Из графиков видно, что в результате осуществления предварительного искажения с помощью звена перввого типа удалось уменьшить уровни интермодуляционных компонент в соседнем канале на 20 дБ.
Степень искажения сигнала при усилении можно оценить с помощью показателя EVM, в случае без применения предискажения он был равен в среднем 30%, в то время как с использованием звена линеаризации пассивного типа EVM составил 16%.
Звено активного типа показывает значительно лучшие результаты уменьшения степени нелинейности сигнала на выходе усилителя мощности. Как видно из графика данное звено линеаризации позволяет уменьшить показатель ACPR на 40 дБ и для данного сигнала на выходе усилителя он равен -60дБ, что вполне соответствует требованиям стандартов систем мобильной связи. В свою очередь среднее значение показателя EVM при реализации данного типа цепи предварительного искажения равно 6%.
Рис 4. Спектры сигналов на выходе УМ с использованием предискажения и без
Заключение
В результате выполненных исследований был проведён анализ проблем обеспечения одновременно как высокой энергетической эффективности так и высокой линейности характеристик СВЧ усилителей мощности. С целью решения данных проблем был предложен метод предварительного искажения радиосигнала посредством двух типов звеньев предискажения: активного и пассивного. Результаты исследований на основе измерений ACPR и EVM сигнала до усиления и после показали преимущество использования активного предискажающего звена, поскольку оно позволяет уменьшить уровни интермодуляционных гармоник в соседних каналах на 40 дБ, в то время как звено пассивного типа лишь на 20дБ. В свою очередь показатель EVM для сигнала, искажённого с помощью активного звена составил 6%, в то время как пассивного – 16%.
Данные результаты свидетельствуют о большей гибкости и возможностях применения в технике линеаризации звена предварительного искажения именно активного типа, поскольку позволяет на различных диодных участках управлять фазовыми сдвигами сигнала с любым уровнем амплитуды, посредством принудительного вывода рабочей точки диода на линейный низкоомный участок. Таким образом гармонические компоненты малого уровня не рассеиваются в диодной ветви как это происходит в звене первого типа, а отражаются и объединяются в результирующем сигнале с определёнными фазовыми сдвигами. Тем самым активное звено предварительного искажения имеет больший диапазон мощностей входного сигнала, при котором имеется возможность управления степенью нелинейности передаточной характеристики звена.
Список литературы:
- “RF/Microwave circuit design for wireless applications”, Ulrich Rohde, David Newkirk, John Wiley & Sons, 2000.
- “Advanced techniques in RF power amplifier design ”, Steve C. Cripps, Artech House, 2002.
- “High linearity RF amplifier design”, Peter B. Kenington, Artech House, 2000
- “A Microwave Miniaturized Linearizer Using a Parallel Diode with a Bias Feed Resistance”, Kazuhisa Yamauchi, IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 45, NO. 12, DECEMBER 1997
- “An independently controllable AM/AM and AM/PM predistortion linearizer for CDMA2000 multi-carrier applications”, Chan-Wang Park, Gary Carangelo, AmpliX Wireless & Satcom.
- "Radio frequency system having reflective diode linearizer with balanced tunable impedance load", US Patent 6018266, Shih-Chang Wu
