CC BY
169
Принципы повышения эффективности усиления сигнала с большим пик-фактором
Ключевые слова: OFDM-сиrнал, энергетическая эффективность, линейность радиотракта, автоматическая регулировка режима, схема Догерти, метод Кана, цифровая компенсация.
Проблема повышения энергетической эффективности оборудования является одной из наиболее актуальных на данный момент в отрасли связи. Низкая эффективность использования электрической энергии накладывает ограничения на дальность связи, вызывает трудности с отводом тепла от электроприборов, и, наконец, определяет эксплуатационные расходы. В настоящее время радиотракты усиления систем связи с OFDM модемом работают со средней энергетической эффективностью менее 15%. Это обусловлено тем, что, являясь амллитудно-модулированными, сложные групповые сигналы очень требовательны к высокому уровню линейности радиотракта. Причем чем шире динамический диапазон вариаций амплитуд сигнала, тем ниже оказывается средняя эффективность работы усилителя. Проведен анализ ряда известных подходов к построению высокоэффективных трактов усиления (автоматическая регулировка режима, схема Догерти, метод раздельного усиления Кана). С помощью имитационного моделирования обоснован простой метод повышения эффективности линейного усилителя мощности OFDM-сигнала за смет адаптации питающего напряжения под изменения амплитудной огибающей. Показана необходимость учета статистических свойств усиливаемого сигнала и применения цифровой компенсации нелинейных искажений.
Смирнов А.В., Горгадзе С.Ф., МТУСИ
Взаимосвязь статистических свойств огибающей сигнала и энергетической эффективности его усиления
Основное направление развития современных систем связи предполагает максимальное повышение спектральной эффективности используемых радиочастотных ресурсов. При этом высокая спектральная эффективность систем, разработанных в соответствии со стандартами широкополосной связи IEEE, 3GPP LTE, а также цифровыми вещательными стандартами DVB, T-DMB, базирующихся на применении модуляции OFDM, сочетается со значительной величиной амплитудного динамического диапазона результирующего канального сигнала. Эффективное усиление таких сигналов оказывается затруднительным при соблюдении линейности радиотракта из-за особенностей амплитудных характеристик усилителей мощности.
В практических ситуациях для описания непостоянства амплитуды сигнала пользуются понятием пик-фактора, характеризующегося отношением максимальной мощности сигнала к ее среднеквадратическому значению (Peak-to-Average Power Ratio, PAPR).
, тах[х(/)дг»(/)], (1)
PAPR =
-Jx\t)dt
тической литературе [2] напряженность режима характеризуется с помощью коэффициента использования выходного напряжения:
е _ Иис — Ывых (2)
* ' Е„ = и„
где Еп - напряжение питания. От значения £ зависит мгновенный КПД усилителя. Так, для идеального усилителя класса В выражение для КПД примет вид:
(3)
где множитель _ соответствует отношению переменной 4
составляющей тока в нагрузке к постоянной составляющей при условии, что угол отсечки тока равен 90°. Введем отношение ^ — 20 • которое можно интер-
претировать как коэффициент использования выходной мощности. Зависимость КПД от ^ , построенная в соответствии с (3), показана на рис.1 сплошной линией.
где - оператор комплексного сопряжения, х(1) -
мгновенное значение огибающей сигнала. При этом одной из основных задач разработки радиопередающего устройства является нахождение компромисса между линейностью усиления сигнала и поддержанием высокой энергетической эффективностью усилителя. Она характеризуется значением КПД и полезной выходной мощностью, максимальные значения которых достигаются при работе усилителя в граничном режиме, когда уровень выходного напряжения оказывается равным некоторому уровню игр [1,2]. При отклонении напряжения в нагрузке в сторону меньших или больших значений возникает недонапряженный или перенапряженный режим. В тема-
Рис. 1 ФПВ огибающей OFDM сигнала, сопоставленная с зависимостью КПД от уровня сигнала
Поведение огибающей OFDM-сигнала во времени удобно описывать ее функцией распределения вероятностей (ФПВ). На рис. 1 пунктиром приведена ФПВ огибающей OFDM-сигнала, выраженная через параметр <£ и построенная с использованием компьютерного мо-
делирования в системе МАТЬАВ. Как следует из анализа рис. 1, среднему уровню сигнала, соответствует КПД порядка 20%. Такая эффективность усилителя может быть достигнута при выборе средней точки его характеристики на уровне:
Ргт = Ргр[дБ\ - РАРЯ[дБ]. (4)
С / о
где Ргр — выходная мощность, соответствующая граничному режиму.
В общем случае амплитудная характеристика (АХ) усилителя является более линейной в недонапряженной области. Поэтому в целях обеспечения требований по уровню внеполосного излучения и искажениям формы сигнала напряженность режима может быть дополнительно понижена. Такой допуск обозначим термином «коэффициент потери мощности» (КПМ) и определим как отступ средней точки относительно уровня Рст. На рис. 1 штрих-пунктирной линией показана ФПВ для той же реализации ОРОМ-сигнала, что и показанная пунктиром на рис. 1, но с КПМ, равным 5 дБ. Как видно из анализа рисунка при этом КПД составляет лишь 10%. Предварительная коррекция сигнала в цифровой области с целью компенсировать эффекты нелинейности АХ усилителя может позволить снизить КПМ системы при сохранении уровня искажений на допустимом уровне [3].
Очевидно, что средняя эффективность усиления зависит как от статистических свойств сигнала, так и от величины КПМ, поэтому интегральный КПД системы может быть вычислен как
/^= |[фПВ(£л)-КПМ ]■»;(£.)■</£. (5)
Перманентная фиксация величины КПМ при заданных требованиях к уровню нелинейных искажений приводит к крайне неэффективному усилению сигналов с большим пик-фактором. Это объясняется тем, что большую часть времени выходное напряжение усилителя этих сигналов существенно меньше Цгр-
Повышение эффективности усиления при
адаптации усилителя к параметрам сигнала
Известен ряд подходов, обеспечивающих повышение энергетической эффективности усиления сигналов с непостоянной амплитудой. В литературе в настоящее время широко обсуждается применение схемы Догерти, метода раздельного усиления Кана и метода автоматической регулировки режима (АРР) [2,3].
Схема Догерти была предложена 1936 г., но остается актуальной и до сих пор. Она базируется на идее динамического управления нагрузкой усилителя с целью поддержания максимально эффективного режима его работы. В простейшем случае усилитель схемы Догерти состоит из двух усилительных элементов (УЭ), причем напряжение отсечки второго из них превышает напряжение отсечки первого. При этом первый УЭ работает во всем диапазоне входных значений сигнала, в то время как второй включается при превышении сигналом некоторого уровня, который, обычно, задается на уровне -3 дБ по мощности относительно максимально допустимого [3].
Кроме схемы Догерти в последнее время широко применяется адаптация питающего напряжения УРЧ под изменения огибающей усиливаемого сигнала, то есть метод АРР по питающему напряжению [4,7]. Закон изменения огибающей РЧ-сигнала можно выделить в цифровом тракте в соответствии с выражением:
К„("П| = у]Яе(0(пТ))2 + 1т(0(пТ)?, (6)
где 0(пТ) - цифровой сигнал в комплексной форме.
Регулировка величины питающего напряжения Еп (/) позволяет поддерживать режим усиления близким к граничному для любых уровней усиливаемого сигнала. За счет этого удается минимизировать количество рассеиваемой тепловой мощности, не нарушая линейности усиления при соблюдении условия Еп(1) > !«„(/)!. Очевидно, что выигрыш от использования АРР по питающему напряжению проявляется тем сильнее, чем выше пик-фактор усиливаемого сигнала. Принцип данного подхода отражен на рис. 26.
Использование тракта усиления огибающей (УО) также предполагает метод Кана, впервые предложенный в 1952 году. Ее отличие от схемы АРР заключается в том, что на УРЧ подается фазомодулированный сигнал постоянной амплитуды. Его можно выделить из цифрового комплексного сигнала, представленного в полярной форме, то есть
и,(пТ) = е™*[Ш*П)} (7)
Поскольку теоретически такой сигнал обладает нулевым пик-фактором, в качестве УРЧ может быть использован высокоэффективный нелинейный усилитель, а с помощью сигнала огибающей |«(1Х.(/)| может осуществляется высокоэффективная амплитудная модуляция. При этом КПД сохраняется на постоянном уровне для любых значений огибающей РЧ сигнала за счет того, что амплитудная модуляция применяется на выходном электроде усилительного элемента УРЧ. Принцип функционирования схемы Кана представлен на рис. 2в.
а) Потери на нагрев 6) •)
Рис. 2 а) - традиционная усилителя схема с фиксированным напряжением питания; б) - схема АРР по питающему напряжению; в) - схема Кана.
Применительно к двум рассмотренным выше схемам актуальными являются две проблемы: обеспечение точной синхронизации между трактом обработки огибающей и РЧ трактом и максимально эффективное построение тракта У О. Неточность временной синхронизации возникает как из-за схемотехнического различия двух трактов, так и из-за различия спектральных характеристик усиливаемых ими сигналов. При работе с широкополосными OFDM сигналами погрешность в синхронизации не должна превышать единиц не для соответствия требованиям по искажениям [8].
В отличие от АРР, схема Кана предполагает точное усиление амплитудной огибающей сигнала, что ужесточает требования к синхронности чрактов и усложняет задачу обеспечения высокой эффективности УО при работе с широкополосными сигналами типа OFDM. Напротив, как показано далее, схема АРР позволяет добиться существенного повышения эффективности по сравнению
ficiency enhancement principles for high papr signals amplifying
Smirnov A.W., Gorgadze S.F., MTUCI
Abstarct The problem of efficiency improvement is one of the key issues in modern telecommunications field. Consumption of electrical energy with lower efficiency leads to severe limitations in the operating range, raises the problem of the heat extraction from the amplify'ng element, finally it defines the OPEX costs in a general way. Particularly, for a present-day OFDM communication system there is a mean efficiency of the RF amplifying path that is lesser than 15 %. Such a low product is based on the fact that sophisticated group signals demands a high linearity level of the RF path. And the higher is signal's amplitude range — the lower is mean efficiency it has to be operated with. Several of most efficient power amplifying techniques has been analyzed. The research concerned such methods as: Envelope Tracking, Doherty amplifier and Kahn's Envelope Restoration. By the means of computer modeling a simple way of boosting linear PA's efficiency that involves signal envelope tracking has been explained. Also the requirements of accounting statistical behavior of the signal and the capabilities of digital predistortion were shown to be an essential part of the system design.
Keywords: OFDM-signal, efficiency enhancement, RF path linearity, envelope tracking, Doherty amplifier, envelope restoration, digital predistortion.
