Усилитель мощности в системах с современными сигналами работает в режиме, где нелинейность определяется не схемой, а самим сигналом, и его пик-фактор требует запаса по насыщению, съедающего КПД. Линеаризация решает этот конфликт, возвращая линейность при меньшем запасе, и именно она определяет, где усилитель проходит требования по ошибке вектора и утечке в соседний канал. В статье разобраны нелинейные искажения и их измерение, работа с пик-фактором, цифровое предыскажение, обратная связь по огибающей, расчёт требований к точке пересечения и компромисс КПД с линейностью.
Нелинейные искажения и их измерение в двухтоновом тесте
Линейность усилителя измеряется в двухтоновом тесте, где два сигнала равной мощности порождают продукты интермодуляции третьего порядка на соседних частотах. Уровень продукта третьего порядка относительно несущей связан с точкой пересечения формулой IM3 = 2(P − IP3), где P мощность на тон на выходе, IP3 точка пересечения третьего порядка. Расчёт для практического случая даёт следующее, усилитель с точкой пересечения 50 дБм при работе с двумя тонами по 30 дБм каждый даёт IM3 = 2 × (30 − 50) = минус 40 дБн. Связь с запасом фундаментальна, снижение мощности на тон на 3 дБ опускает продукт третьего порядка на 6 дБ, и усилитель на 27 дБм даёт IM3 = минус 46 дБн. Продукты второго порядка работают по другой формуле, их уровень относительно несущей равен разности мощности и точки пересечения второго порядка, и для нулевой промежуточной частоты они попадают в полосу полезного сигнала. Измерение ведётся анализатором спектра с динамическим диапазоном, достаточным для продуктов на 60 дБ ниже несущей, и точность измерения ограничена собственными продуктами анализатора, с чем работает ослабление на входе. Двухтоновый тест даёт основу, а фактическая работа со сложным сигналом отличается от него на десятки децибел, с чем работает следующий раздел. Гармоники второго и третьего порядка работают и как отдельный класс искажений, и их вклад в широкополосных трактах заслуживает отдельного взгляда. Для передатчика с узкополосным сигналом гармоники работают вне полосы, и их уровень держится спектральной маской, для широкополосных сигналов продукты перекрываются с сигналом и работают на ошибку вектора. Порядок продуктов определяет их скорость роста, продукты третьего порядка растут втрое быстрее сигнала по мощности, и при росте выходной мощности на 1 дБ продукты растут на 3 дБ. Отсюда жёсткость требований к точке пересечения на верхних уровнях мощности, и расчёт ведётся по худшей точке рабочего диапазона, а не по средней.
Пик-фактор сложных сигналов и работа с запасом
Современные сигналы с множеством несущих имеют пик-фактор, измеряемый отношением пика к среднему, и для ортогонального частотного уплотнения с сотнями несущих он составляет 10-12 дБ. Связь с линейностью прямая, пики сигнала требуют запаса по насыщению, и усилитель со средней мощностью на 10 дБ ниже насыщения передаёт пики линейно. Работа с запасом 10 дБ при КПД класса AB опускает КПД в разы против работы у насыщения, и именно здесь конфликт КПД и линейности. Практическое решение без линеаризации, ограничение пиков сигнала в цифре на 2-4 дБ, и его цена измеряется ошибкой вектора и внеполосным излучением, которую ограничение добавляет само. Для требования по ошибке вектора 8 процентов для созвездия 64-QAM ограничение пиков работает на ошибку прямо, и его глубина выбирается измерением ошибки. Практическая работа с ограничением заслуживает отдельного взгляда. Ограничение с мягким склоном работает на ошибку мягче, чем жёсткий клип, и его форма выбирается по ошибке вектора при разных склонах. Спектральная регенерация от ограничения работает на внеполосное излучение, и её вклад в утечку в соседний канал считается измерением маски. Практические передатчики работают с ограничением и предыскажением в связке, где ограничение снимает редкие пики, предыскажение оставшуюся нелинейность, и их порядок в тракте работает на итог. Пик-фактор зависит от числа несущих и их фаз, и распределение пиков работает статистически, пики выше среднего на 8-10 дБ встречаются редко, и работа с ними через ограничение стоит ошибку, которую предыскажение вернуть не может. Отсюда связка, ограничение до разумного пика, линеаризация оставшейся нелинейности, и их порядок в проекте фундаментален.
Цифровое предыскажение и его модели
Цифровое предыскажение работает на нелинейность прямо, в сигнал перед усилителем вносятся предыскажённые составляющие, которые на выходе сокращают интермодуляцию. Практические тракты с предыскажением поднимают подавление утечки в соседний канал на 10-20 дБ и позволяют работать с запасом 6-8 дБ вместо 10-12, возвращая КПД. Модель усилителя строится полиномом с памятью, где нелинейные члены пятого-седьмого порядка и члены с памятью по задержкам описывают фактическую нелинейность широкополосного сигнала, и память здесь обязательна, поскольку широкополосный сигнал заставляет усилитель помнить предыдущие уровни. Таблицы соответствия работают на модель без памяти, и их комбинация с полиномиальными членами закрывает оба случая. Адаптация модели работает по обратному приёмнику, который снимает фактический сигнал на выходе, и модель подстраивается по разнице между переданным и фактическим. Требование к обратному тракту известно, его динамический диапазон должен закрывать продукты на 60 дБ ниже несущей, и его пропускная способность работает на скорость адаптации. Плата за предыскажение известна, вычислительные ресурсы и обратный тракт, и для передатчиков с малой мощностью они могут съесть выигрыш в КПД, с чем выбор работает честно. Качество модели предыскажения заслуживает отдельного взгляда. Модель с памятью по задержкам описывает нелинейность, и число задержек работает на точность, для широкополосных сигналов достаточно двух-трёх задержек, для сверхширокополосных больше. Число членов полинома работает на ресурсы и на точность одновременно, и его избыток работает на шум модели при слабых данных адаптации. Адаптация модели идёт непрерывно, её скорость ограничена обратным трактом, и дрейф усилителя с температурой отслеживается адаптацией. Проверка качества модели идёт по остаточной ошибке вектора после предыскажения, и её уровень показывает, сколько нелинейности модель закрыла.
Обратная связь по огибающей и КПД
Отдельное направление линеаризации, работа с питанием по огибающей. Технология слежения за огибающей подстраивает напряжение питания усилителя под мгновенную огибающую сигнала, и транзистор работает у насыщения на пиках и при пониженном питании в паузах. КПД при этом растёт на 20-40 процентов, и для передатчика базовой станции это единицы и десятки киловатт сэкономленной энергии. Плата за слежение известна, ширина полосы питания должна закрывать огибающую сигнала, и для широкополосных сигналов это мегагерцы, недостижимые для стандартных стабилизаторов, с чем работают импульсные преобразователи с высокой частотой. Задержка питания работает на ошибку вектора, рассогласование между огибающей и питанием в десятки наносекунд заметно, и его компенсация задержкой тракта входит в настройку. Класс работы усилителя работает на компромисс сам по себе, класс А даёт КПД 25-30 процентов при лучшей линейности, класс AB 35-45 процентов, и их разница в линейности закрывается предыскажением. Сумма технологий, класс AB с запасом 6-8 дБ, предыскажение и слежение за огибающей, даёт одновременно и линейность, и КПД, и именно эта сумма определяет современные передатчики. Практическая настройка слежения за огибающей заслуживает отдельного взгляда. Задержка тракта подбирается измерением, и её остаточное рассогласование работает на ошибку вектора прямо. Форма питающего напряжения работает на КПД и на линейность одновременно, и её профиль выбирается по компромиссу с ошибкой. Проверка идёт измерением КПД и ошибки вектора при разных профилях, и рабочий профиль держит оба параметра. Для передатчиков с несколькими несущими слежение работает на огибающую суммы, и её пик-фактор работает на глубину модуляции питания.
Расчёт требований к точке пересечения
Требования к точке пересечения считаются от норм системы, и расчёт работает в обратную сторону от допустимой интермодуляции. Для требования утечки в соседний канал минус 45 дБн и пикового уровня сигнала усилитель должен иметь точку пересечения, при которой продукты третьего порядка на пиках остаются ниже нормы. Расчёт для практического случая даёт следующее, средняя мощность 30 дБм при пик-факторе 10 дБ означает пики на 40 дБм, и для продуктов ниже минус 45 дБн на пиках требуется точка пересечения выше 40 + 45/2 = 62,5 дБм, что для одиночного транзистора недостижимо и закрывается предыскажением. Расчёт показывает работу линеаризации прямо, предыскажение поднимает эффективную точку пересечения на 10-15 дБ, и требование становится достижимым. Ошибка вектора работает на ту же планку со своей стороны, продукты третьего порядка в полосе сигнала создают ошибку вектора, и её бюджет делится между нелинейностью, шумом и фазовыми искажениями. Проверка требований идёт измерением фактического сигнала на анализаторе с измерением ошибки вектора, и её расхождение с расчётом указывает на недооценённую нелинейность с памятью. Разделение бюджета ошибки между слагаемыми заслуживает отдельного взгляда. Ошибка вектора складывается из нелинейности, фазового шума и теплового шума тракта, и бюджет делится между ними с весами по вкладам. Для передатчика с предыскажением остаточная нелинейность занимает долю бюджета, и оставшийся бюджет распределяется между шумом и фазовыми искажениями. Такой порядок исключает ситуацию, когда предыскажение закрыло нелинейность, а шум или фазовый шум съели бюджет, и разделение ведётся до выбора компонентов, а не после. Запас по точке пересечения закладывается в 3-5 дБ к расчётному, поскольку фактическая нелинейность широкополосного сигнала хуже двухтонового теста.
Компромисс КПД и линейности
Компромисс КПД и линейности работает на каждую технологию по-своему, и честное сравнение требует его посчитать. Класс А с запасом 10 дБ даёт КПД в единицы процентов, класс AB с тем же запасом 10-15 процентов, и линеаризация возвращает КПД в разы при том же уровне линейности. Предыскажение с запасом 6-8 дБ и классом AB даёт КПД 30-40 процентов, слежение за огибающей добавляет к нему 20-40 процентов относительного роста, и сумма технологий выводит КПД за 50 процентов. Высококлассные режимы с переключением дают КПД выше 80 процентов, но их линейность хуже на порядки, и там предыскажение работает на порядок глубже. Практическое решение для передатчиков связи, класс AB с предыскажением как рабочая точка компромисса, и его экономика считается прямо, КПД на 10 процентов выше на передатчике в сотни ватт означает десятки ватт сэкономленной энергии непрерывно. Для радиолюбительской и портативной техники экономия веса батареи и нагрева работает так же, и каждый процент КПД конвертируется во время работы от батареи. Выбор точки компромисса считается от требований системы, и его перестройка с ростом требований работает через линеаризацию, а не через запас.
Порядок линеаризации в проекте
Работа с линейностью усилителя укладывается в шесть шагов:
- расчёт требований по утечке в соседний канал и ошибке вектора от норм системы;
- выбор класса усилителя и запаса по пик-фактору сигнала;
- измерение фактической нелинейности с памятью на рабочем сигнале;
- расчёт эффективной точки пересечения и её прироста от предыскажения;
- настройка цифрового предыскажения с обратным трактом и адаптацией;
- проверка на анализаторе с измерением ошибки вектора и спектральной маски.
Такой порядок превращает линейность из измеряемой констатации в управляемый параметр, и его дисциплина определяет, где усилитель проходит требования. Практика разработки подтверждает масштаб, тракты с предыскажением работают с запасом на 4-6 дБ меньше, чем тракты без него, и каждый снятый децибел запаса конвертируется в КПД, охлаждение и вес батареи напрямую. Линеаризация остаётся той частью усилительного тракта, где цифра и схемотехника работают вместе, и умение строить их совместную работу отличает современный передатчик от усилителя с запасом, купленным за КПД.