Способ формирования предварительно искаженного сигнала

Изобретение относится к технике связи и может быть использовано для коррекции нелинейности передающего тракта в условиях необходимости выполнения требований по электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств. Технический результат – уменьшение внеполосных излучений радиосредства с цифровой коррекцией нелинейности, уменьшение количества параметров функции предыскажения в случае высокой инерционности формируемой нелинейности и соответствие параметров предложенной функции предыскажения относительным амплитудам и фазам комбинационных составляющих двухтонового сигнала позволяет проводить прямое вычисление параметров, что обеспечивает однозначность найденного решения и уменьшает время их идентификации. Для этого проводится предварительная цифровая обработка сигнала, а именно интерполяция, перенос частоты вверх, предыскажение, обратный перенос частоты и фильтрация сигнала. Функция предыскажения задается в виде взвешенной суммы Е-полиномов. Идентификация параметров функции предыскажения может проводиться итерационным способом или путем прямого расчета по результатам измерений характеристик выходного сигнала радиосредства. 4 ил.

 

Изобретение относится к области формирования и передачи радиосигналов и может быть использовано для коррекции нелинейности передающего тракта в условиях необходимости выполнения требований по электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств.

В условиях ограниченного частотного ресурса обостряется проблема обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств и повышения спектральной эффективности передаваемых сигналов. При этом современные радиопередающие устройства работают в нелинейном режиме усиления сигнала, что обусловлено требованиями к минимизации потребляемой мощности радиосредства. Нелинейное усиление приводит к расширению спектра передаваемого сигнала и снижению эффективности чувствительных к искажениям видов модуляций. Для повышения линейности передаваемого сигнала без снижения КПД радиосредства широко применяются методы цифровой коррекции нелинейности, которые подразумевают предварительное искажение передаваемого сигнала для компенсации нелинейности усилительного элемента. В связи с этим, разработка способов формирования предварительно искаженного сигнала с заданными характеристиками является весьма актуальной задачей.

Известные способы [1, 2] формирования предварительно искаженного сигнала, как правило, отличаются различным методом формирования функции предыскажения, которая представляет собой нелинейную передаточную характеристику и обычно реализуется в виде таблицы соответствий. Основным направлением совершенствования способов формирования предварительно искаженного сигнала является совершенствование функции предыскажения, а именно уменьшение количества параметров, которыми описывается нелинейность и снижение их вычислительной сложности при сохранении приемлемой эффективности линеаризации. Наиболее часто в качестве функции предыскажения применяются различные полиномиальные выражения, коэффициенты которых определяются итерационными методами, например, методом адаптации.

Основной недостаток итерационных методов заключается в неоднозначности полученного решения. Применение методов прямого (не итерационного) вычисления коэффициентов ограничивается отсутствием явного соответствия коэффициентов применяемого полинома реальным характеристикам сигнала.

Так же, в известных способах формирования предварительно искаженного сигнала не уделяется внимание возникающим побочным излучениям радиосредства. Предварительные искажения вносятся не только в окрестности полосы передаваемого сигнала с центральной частотой F, но и в окрестности гармонических составляющих до n*F, где n – порядок внесенной нелинейности. В случае если формирование предыскаженного сигнала происходит до повышающего преобразователя частоты, побочные продукты нелинейности в окрестности гармоник также будут перенесены вверх по частоте линейно, без масштабирования, что приведет к появлению побочных излучений передатчика.

Корректная работа таких способов может быть обеспечена только при условии формирования предварительных искажений сигнала непосредственно на радиочастоте, что требует значительного увеличения вычислительных ресурсов, тактовой частоты обработки сигнала и применения радиочастотных цифро-аналоговых преобразователей. Выполнение данных условий приведет к значительному удорожанию радиосредства и повышению потребляемой мощности, а в случае работы в частотных диапазонах выше СВЧ формирование сигнала непосредственно на радиочастоте при текущем уровне технике не может быть реализовано.

Предлагаемое техническое решение является усовершенствованием направления формирования предыскаженного сигнала в цифровом виде, поэтому по большинству существенных признаков наиболее близким аналогом является способ формирования предварительно искаженного сигнала, описанный в [3], параграф 2.6, стр. 32, принятый за прототип.

Способ – прототип заключается в следующем.

Формируют низкочастотный цифровой сигнал, выполняют его цифро-аналоговое преобразование с переносом сигнала на радиочастоту, усиливают с помощью усилителя мощности (УМ) и излучают в эфир, при этом проводится измерение его параметров нелинейности. Далее низкочастотный сигнал формируется с предварительными искажениями, которые вводятся с учетом измеренных параметров согласно функции предыскажения, выполненной в виде полинома с памятью по формуле (1).

$$z\left(n\right)={\displaystyle \sum _{k=1}^K{\displaystyle \sum _{q=0}^Q{a}_{kq}x\left(n-q\right){\left|x\left(n-q\right)\right|}^{k-1}}}$$ (1)

где: $$x\left(n\right)$$ – комплексный входной сигнал, $$z\left(n\right)$$ – комплексный выходной сигнал, $$K$$ – порядок корректирующего полинома, $$Q$$ – глубина памяти, $$a_{kq}$$ – коэффициенты корректирующего полинома.

Способ-прототип осуществляется следующим образом.

На вход формирователя предварительных искажений поступает цифровой сигнал, где претерпевает предварительные нелинейные искажения. С выхода формирователя предварительных искажений сигнал поступает на вход цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), с выхода которого поступает на вход повышающего преобразователя частоты, где осуществляется перенос сигнала на радиочастоту. Далее сигнал поступает на усилитель мощности (УМ), где происходит нелинейное усиление до требуемого уровня. Усиленный сигнал поступает на антенну для передачи в эфир, при этом, часть передаваемого сигнала ответвляется на вход понижающего преобразователя частоты, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП), а выход АЦП подключен к входу устройства измерения параметров сигнала. Измеренные параметры сигнала поступают на вход устройства вычисления коэффициентов полинома, с выхода которого коэффициенты полинома поступают на вход формирователя предварительных искажений. Таким образом, обеспечивается формирование предварительно искаженного сигнала с заданными параметрами, что позволяет компенсировать нелинейные искажения передаваемого сигнала, которые возникают в УМ.

Способ-прототип за счет параметра глубина памяти позволяет формировать предварительные искажения с учетом эффекта памяти (инерционности), что позволяет компенсировать не только амплитудно-амплитудные, но и амплитудно-фазовые искажения [4]. Однако при этом отсутствует явное соответствия коэффициентов функции предварительного искажения реальным характеристикам сигнала, что вынуждает применять итерационные методы определения данных коэффициентов. В свою очередь, количество коэффициентов функции предварительного искажения (1), помимо порядка корректирующего полинома, определяется глубиной памяти, что приводит к увеличению времени сходимости итерационных алгоритмов, также повышает вероятность нахождения ложного решения.

Способ-прототип эффективно работает в случае невысоких требований к линейности передающего тракта и позволяет формировать нелинейные искажения для компенсации низкого порядка нелинейности.

Недостаток способа-прототипа заключается в том, что предварительные искажения сигнала формируются не только в окрестности полосы информационного сигнала, но и в окрестности его гармонических составляющих, номер которых соответствует порядку корректирующего полинома. При переносе предварительно искаженного сигнала на радиочастоту также происходит перенос паразитных продуктов нелинейности, которые порождают внеполосные излучения, что может приводить к несоответствию требованиям электромагнитной совместимости (ЭМС).

Задачей предлагаемого технического решения является разработка эффективного способа формирования предварительно искаженного сигнала не нарушающего требований ЭМС и возможностью прямого вычисления коэффициентов функции предварительного искажения по результатам измерений сигнала.

Для решения поставленной задачи в способе формирования предварительно искаженного сигнала, заключающемся во введении преднамеренных искажений информационного сигнала путем цифровой обработки сигнала согласно функции предыскажений, параметры которой определяются на основе результатов анализа выходного сигнала радиосредства, согласно изобретению, предыскажению предшествует интерполяция, перенос частоты вверх, а после предыскажения проводится обратный перенос частоты и фильтрация сигнала, при этом функция предыскажения задается в виде взвешенной суммы Е-полиномов, идентификация параметров функции предыскажения проводится итерационным способом или путем прямого расчета по результатам измерений характеристик выходного сигнала радиосредства.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом.

Формируется информационный сигнал, который интерполируется и цифровым смесителем переносится на промежуточную частоту. Предварительные искажения осуществляются функцией предыскажения (формула (2)), которая представляет собой взвешенную сумму Е-полиномов, причем промежуточная частота выбирается таким образом, чтобы искажения в окрестности гармоник сигнала не накладывались на внесенные предварительные искажения в окрестности полосы передаваемого сигнала. Предыскаженный сигнал переносится цифровым смесителем на исходную частоту, при этом искажения в окрестности гармоник фильтруются фильтром нижних частот. Сформированный предыскаженный низкочастотный сигнал поступает на цифро-аналоговый преобразователь и переносится повышающим преобразователем частоты на радиочастоту. Усилителем мощности сигнал усиливается до требуемого уровня и передается в эфир. При этом вносимые усилителем искажения компенсируются предыскажениями сигнала. Ответвленный сигнал с выхода усилителя мощности поступает на понижающий преобразователь частоты, далее на АЦП и измеритель параметров сигнала. Результат измерения сигнала поступает в формирователь предыскаженного сигнала в виде амплитудных и фазовых коэффициентов суммы Е-полиномов.

$$\begin{array}{l}s{i}_{out}={\displaystyle \sum _{i=1}^n\left(a_i\cdot \cos \left({\varphi }_i\right)\cdot E_i\left(si\right)+a_i\cdot \sin \left({\varphi }_i\right)\cdot E_i\left(sq\right)\right)},\\ s{q}_{out}={\displaystyle \sum _{i=1}^n\left(a_i\cdot \cos \left({\varphi }_i\right)\cdot E_i\left(sq\right)-a_i\cdot \sin \left({\varphi }_i\right)\cdot E_i\left(si\right)\right)}\end{array}$$ , (2)

где: n – порядок вносимых нелинейных искажений;

a_i – амплитудный коэффициент порядка i;

φ_i – фазовый коэффициент порядка i;

E_i(s) – Е-полином порядка i.

Е-полином порядка i определяется согласно формуле (3).

$$E_i\left(s\right)={\displaystyle \sum _{m=0}^{\lfloor \frac{i}{2}\rfloor }{\left(-1\right)}^{\text{m}}\cdot \frac{i}{2}\cdot \frac{\left(i-m-1\right)!}{m!\cdot \left(i-2m\right)!}}\cdot \frac{\left(\frac{i-2m-1}{2}\right)!\cdot \left(\frac{i-2m+1}{2}\right)!}{\left(i-2m\right)!}\cdot {\left(2s\right)}^{i-2m}$$ , (3)

где $$\lfloor \rfloor$$ – операнд взятия целой части от дробного числа.

Таким образом, задача формирования предварительно искаженного сигнала решена применением нескольких операций: нахождением пути формирования предыскаженного сигнала без побочных внеполосных излучений, применением функции предыскажений с меньшим количеством коэффициентов по сравнению со способом-прототипом, а также возможностью определения коэффициентов как итерационным способом, так и путем прямого расчета по результатам измерений характеристик сигнала.

Первое решение состоит в предварительной цифровой обработке сигнала, а именно интерполяции, переносе частоты вверх, предыскажении, обратного переноса частоты и фильтрации сигнала, что дает возможность формирования предварительно искаженного сигнала только в окрестности полосы передаваемого сигнала. Отметим, что цифровая обработка сигнала выполняется программным путем с использованием вычислительных ресурсов радиосредства, что сводится к простому и дешевому обновлению конфигурационных файлов.

Второе решение состоит в применении функции предыскажения в виде взвешенной суммы Е-полиномов, которое, в отличие от полинома с памятью, имеет меньшее число коэффициентов и возможность их прямого вычисления, что повышает точность и эффективность формирователя предварительных искажений.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на фиг. 1, где обозначено:

6 – блок цифровой обработки сигналов, включающий в себя: 1 – фильтр-интерполятор, 2 – первый комплексный смеситель, 3 – предысказитель, 4 – второй комплексный смеситель, 5 – фильтр нижних частот (ФНЧ).

Простейшая реализация способа (фиг. 1) подразумевает программную реализацию в блоке цифровой обработки сигналов 6, входящего в состав передающего тракта цифрового радиопередающего устройства с коррекцией нелинейных искажений, структурная схема которого представлена на фиг. 2, где обозначено;

6 – блок цифровой обработки сигналов;

7 – цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП);

8 – повышающий преобразователь частоты;

9 – усилитель мощности;

10 – понижающий преобразователь частоты;

11 – аналогово-цифровой преобразователь (АЦП);

12 – измеритель характеристик сигнала;

13 – вычислитель коэффициентов.

Устройство содержит последовательно соединенные блок цифровой обработки сигналов 6, ЦАП 7, повышающий преобразователь частоты 8 и усилитель мощности 9, выход которого является выходом устройства и через последовательно соединенные понижающий преобразователь частоты 10, АЦП 11, измеритель характеристик сигнала 12 и вычислитель коэффициентов 13 подключен ко второму входу блока цифровой обработки сигналов 6, первый вход которого является входом устройства.

Устройство работает следующим образом.

На первый вход блока цифровой обработки сигналов 6 подается информационный сигнал, где интерполируется в блоке 1 и поступает на первый комплексный смеситель 2, который переносит входной сигнал на промежуточную частоту. Промежуточная частота выбирается таким образом, чтобы при внесении предварительных искажений синтезированные частотные компоненты помимо комбинационных составляющих в окрестности передаваемого сигнала не сворачивались в полосу передаваемого сигнала. Далее сигнал поступает на вход предысказителя 3, передаточная характеристика которого реализуется по формуле (2). Сигнал с выхода предысказителя 3 вторым комплексным смесителем 4 переносится на исходную частоту и поступает на вход ФНЧ 5, который фильтрует искажения вне окрестности полосы передаваемого сигнала и передает сигнал на выход блока цифровой обработки сигналов 6. Таким образом, обеспечивается формирование предварительно искаженного сигнала только в окрестности полосы передаваемого сигнала, что позволяет исключить внеполосные излучения, которые свойственны введением предварительных искажений на частоте отличной от эфирной частоты передаваемого сигнала.

Реализация способа поясняется на фиг. 3 на примере предыскажения спектра двухтонового сигнала.

Заявляемый способ легко реализуем известными и давно освоенными промышленностью программными алгоритмами.

Фильтр-интерполятор 1, комплексные смесители 2, 4 и ФНЧ 5 могут быть спроектированы и реализованы, например, в соответствие с алгоритмами представленными в книге «Цифровая обработка сигналов. Практическое руководство для инженеров и научных работников». Смит С. – Додэка-XXI, 2012.

Предысказитель 3 может быть реализован как вычислительный модуль на умножителях и сумматорах на ПЛИС или сигнальном процессоре, либо в виде предварительно вычисленной таблицы соответствий входных и выходных отсчетов, которая хранится в памяти с быстрым доступом.

Заявляемый способ внедрен в радиопередающее устройство путем программной реализации.

Проведем доказательство эффективности заявляемого способа.

Принцип действия заявляемого способа для формирования предварительно искаженного сигнала заключается в создании условий для фильтрации паразитных спектральных компонент, порождаемых функцией предыскажения, что обеспечивает подавление внеполосных излучений на величину подавления в зоне заграждения ФНЧ.

Для введения предыскажений порядка N заявляемому способу требуется 2*N параметров, при этом способу-прототипу требуется согласно формуле (1) и [2] N*Q параметров, где Q является глубиной памяти. Таким образом, количество параметров заявляемого способа зависит только от порядка формируемой нелинейности и не зависит от величины инерционности. Кроме того, параметры заявляемого способа соответствуют измеряемым характеристикам двухтонового сигнала, а именно относительной амплитуде и фазе комбинационных составляющих. Это свойство является значительным преимуществом, которое позволяет по результатам измерения двухтонового сигнала однозначно определить параметры функции предыскажения для компенсации нелинейных искажений.

Эффективность линеаризации передающего тракта при использовании заявляемого способа формирования предварительно искаженного была проверена в радиопередающем устройстве с цифровой коррекцией нелинейности, где объектом линеаризации являлся усилитель мощностью 1000 Вт. В качестве измерительного сигнала был выбран двухтоновый сигнал согласно методике измерения нелинейных искажений по ГОСТ Р 51903-2002 «Передатчики радиосвязи стационарные декаметрового диапазона волн. Основные параметры, технические требования и методы измерений» - М.: Издательство стандартов, 2002 г. – 48с. Спектры двухтонового сигнала до коррекции (а) и после коррекции (б) нелинейности усилителя мощностью 1000 Вт представлены на фиг. 4. Как видно на представленных спектрах, внедрение заявляемого способа позволило уменьшить уровень комбинационных составляющих 3-го порядка на выходе УМ на 30 дБ до уровня -66 дБс.

Таким образом, предлагаемые изменения способа формирования предварительно искаженного сигнала позволяют простыми средствами получить несомненно значимый технический результат.

Достигаемый технический результат – уменьшение внеполосных излучений радиосредства с цифровой коррекцией нелинейности. Уменьшение количества параметров функции предыскажения в случае высокой инерционности формируемой нелинейности. Также соответствие параметров предложенной функции предыскажения относительным амплитудам и фазам комбинационных составляющих двухтонового сигнала позволяет проводить прямое вычисление параметров, что обеспечивает однозначность найденного решения и уменьшает время их идентификации.

Литература:

1. Kenington P.B. High-linearity RF amplifier design. – Norwood: Artech House, 2000. pp. 531.

2. Патент №2676017 РФ. Устройство и способ адаптивной линеаризации аналогового радиотракта с помощью двухблочного цифрового корректора – Л.И. Аверина, Г.А. Гриднев, С.С. Лавлинский и др. МПК: H03F 1/32, H04B 7/005 – Опубл. 2018, Бюл. 36.

3. Gozde Erdogdu. Linearization of RF power amplifiers by using memory polynomial digital predistortion technique. – Department of Electrical and Electronics Engineering, June 2012. pp. 88.

4. Vuolevi Joel H. K., Timo Rahkonen, Manninen Jani P.A. Measurement technique for characterizing memory effects in RF power amplifiers // in Proceedings of IEEE Radio and Wireless Con-ference, 2000. pp. 195-198.

5. Маковий В.А. Спектральный метод синтеза корректирующих нелинейных элементов для передающих трактов / В.А. Маковий, М.А. Евсеев // Радиотехника. –2016. – №5. – C.67-75.

Способ формирования предварительно искаженного сигнала в радиосредстве с цифровой коррекцией нелинейности, заключающийся во введении преднамеренных искажений информационного сигнала путем цифровой обработки сигнала согласно функции предыскажений, параметры которой определяются на основе результатов анализа выходного сигнала радиосредства, отличающийся тем, что цифровую обработку сигнала осуществляют путем приема информационного сигнала, его интерполяции в фильтре-интерполяторе и переносе комплексным смесителем информационного сигнала на промежуточную частоту, при этом промежуточная частота выбирается таким образом, чтобы искажения в окрестности гармоник сигнала не накладывались на внесенные предварительные искажения в полосы передаваемого сигнала, предыскаженный сигнал комплексным смесителем переносится на исходную частоту, при этом искажения в окрестности гармоник подавляются фильтром нижних частот, а сформированный предыскаженный сигнал после цифроаналогового преобразования, переноса на радиочастоту и усиления излучается в эфир, ответвлённый с выхода усилителя сигнал поступает на понижающий преобразователь частоты для его измерения, результат измерения в виде амплитудных и фазовых коэффициентов суммы Е- полиномов подается для предыскажения сигнала, при этом функция предыскажения задается в виде взвешенной суммы Е-полиномов:

$$\begin{array}{l}s{i}_{out}={\displaystyle \sum _{i=1}^n\left(a_i\cdot \cos \left({\varphi }_i\right)\cdot E_i\left(si\right)+a_i\cdot \sin \left({\varphi }_i\right)\cdot E_i\left(sq\right)\right)},\\ s{q}_{out}={\displaystyle \sum _{i=1}^n\left(a_i\cdot \cos \left({\varphi }_i\right)\cdot E_i\left(sq\right)-a_i\cdot \sin \left({\varphi }_i\right)\cdot E_i\left(si\right)\right)}\end{array}$$

где: n – порядок вносимых нелинейных искажений;

a_i – амплитудный коэффициент порядка i;

φ_i – фазовый коэффициент порядка i;

E_i(s) – Е-полином порядка i;

Е-полином порядка i определяется согласно формуле

$$E_i\left(s\right)={\displaystyle \sum _{m=0}^{\lfloor \frac{i}{2}\rfloor }{\left(-1\right)}^{\text{m}}\cdot \frac{i}{2}\cdot \frac{\left(i-m-1\right)!}{m!\cdot \left(i-2m\right)!}}\cdot \frac{\left(\frac{i-2m-1}{2}\right)!\cdot \left(\frac{i-2m+1}{2}\right)!}{\left(i-2m\right)!}\cdot {\left(2s\right)}^{i-2m}$$

где $$\lfloor \rfloor$$ – операнд взятия целой части от дробного числа,

при этом идентификация параметров функции предыскажения проводится на основе результатов измерений характеристик выходного сигнала радиосредства итерационным способом или путем прямого расчета.