Исследование и разработка тракта усиления мощности передатчика цифрового радиовещания диапазона ОВЧ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат технических наук Дулов, Иван Валерьевич

• Дулов, Иван Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дулов, Иван Валерьевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1 Проблематика построения передатчиков цифрового радиовещания диапазона ОВЧ

1.1 Анализ перспективных для РФ стандартов ЦРВ ОВЧ диапазона,

1.2 Анализ основных проблем построения тракта усиления мощности передатчика цифрового вещания диапазона ОВЧ

1.3 Критерии качества сигнала на выходе передатчика системы цифрового радиовещания

1.3.1 Обзор критериев

1.3.2 Спектральная маска

1.3.3 Характеристика MER

1.3.4 Точечная (констелляционная) диаграмма

1.4 Методы повышения энергетической эффективности тракта усиления мощности, перспективные для ОВЧ передатчика ЦРВ

1.4.1 Обзор методов

1.4.2 Метод Л. Кана

1.4.3 Метод дефазирования (метод М. Ширекса)

1.4.4 Метод АРР

1.4.5 Сравнительный анализ методов повышения энергетической эффективности

1.5 Методы линеаризации тракта усиления мощности, перспективные для передатчика ЦРВ ОВЧ диапазона

1.5.1 Обзор методов линеаризации

1.5.2 Метод «связь вперед»

1.5.2 Линеаризация отрицательной обратной связью

1.5.3 Линеаризация предыскажением

1.5.4 Адаптивная коррекция

1.5.5 Сравнительный анализ методов линеаризации УМ

1.6 Выводы по главе 1

2 Исследование энергетических характеристик усилителя мощности с АРР по

питанию

2.1 Задачи исследования

2.2 Построение компьютерной модели усилителя мощности и оценка его энергетических характеристик

2.3 Оценка величины АФК УМ без АРР

2.4 Теоретический расчет КПД усилителя мощности

2.5 Моделирование работы усилителя мощности с сигналом цифрового радиовещания

2.6 Моделирование работы АРР

2.6.1 Общие замечания

2.6.2 Линейная АРР

2.6.3 Нелинейная АРР

2.7 Исследование зависимости эквивалентного сопротивления каскада УМ по постоянному току от напряжения питания

2.8 Оценка величины АФК УМ с АРР

2.9 Закон распределения амплитуд огибающей сигнала цифрового радиовещания

2.10 Определение среднестатистического КПД усилителя мощности

2.11 Выводы по главе 2

3 Исследование влияния АРР по питающему напряжению на выходной сигнал усилителя мощности

3.1 Общие замечания

3.2 Моделирование усилителя мощности с АРР при работе

с сигналом ЦРВ

3.3 Коррекция характеристик усилителя с АРР

3.4 Функция регулирования питающего напряжения с учетом коррекции и

«запаса» по питающему напряжению

3.4.1 Оценка величины «запаса» по питающему напряжению и необходимой полосы пропускания тракта огибающей

3.4.2 Влияние «запаса» по питающему напряжению на КПД

усилителя мощности

3.4.3 Характеристики усилителя мощности с АРР с учетом «запаса» по питающему напряжению

3.4.4 Моделирование усилителя мощности с АРР при работе с сигналом ЦРВ с учетом «запаса» по питающему напряжению

3.4.5 Коррекция характеристик усилителя с АРР с «запасом» по питанию

3.5 Закон распределения амплитуд огибающей сигнала цифрового радиовещания с учетом коррекции входного сигнала и «запаса» по питанию

3.6 Расчет среднестатистического КПД усилителя мощности с учетом коррекции выходного сигнала и «запаса» по питанию

3.7 Выводы по главе 3

4 Исследование тракта огибающей АРР

4.1 Влияние энергетической эффективности тракта огибающей на КПД усилителя мощности

4.2 Разработка тракта огибающей

4.3 Разработка выходного ФНЧ ШИМ-регулятора

4.4 Уменьшение порядка выходного фильтра

4.5 Расчетное соотношение для КПД ШИМ-регулятора

4.6 Теоретическая оценка энергетической эффективности

ШИМ- регулятора

4.7 Энергетические характеристики УМ с АРР с учетом тракта огибающей

4.8 Выводы по главе 4

5 Моделирование и макетирование тракта огибающей

5.1 Задачи моделирования и макетирования

5.2 Построение компьютерной модели и исследование энергетических характеристик тракта огибающей

5.3 Натурное макетирование ШИМ-регулятора

5.3.1 Общие вопросы построения макета и его описание

5.3.2 Схема рабочего места для проведения натурного эксперимента

5.3.3 Методика проведения эксперимента

5.3.4 Результаты натурного эксперимента на макете ШИМ-регулятора

5.4 Выводы по главе 5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Приложение 1. Листинг программы для аналитического расчета энергетики

ШИМ-регулятора

Приложение 2. Акты внедрения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка тракта усиления мощности передатчика цифрового радиовещания диапазона ОВЧ»

Введение

Актуальность исследования

Сегодня многие развитые страны мира активно внедряют цифровые системы радиовещания взамен аналоговых. В России этот процесс пока находится на начальном этапе. Основные преимущества цифрового радиовещания перед аналоговым следующие:

а) значительная экономия частотного ресурса, например, в полосе частот шириной 207 кГц аналоговая система радиовещания ОВЧ диапазона позволяет передавать одну программу, в то время как, к примеру, отечественный цифровой стандарт ОВЧ диапазона РАВИС [1] в полосе частот 250 кГц позволяет передавать до 10-ти программ с тем же качеством;

б) несколько меньшая мощность радиопередатчиков при сохранении размеров зоны покрытия, что приводит к уменьшению потребляемой мощности и уменьшению нагрева усилительных приборов радиопередающей аппаратуры при условии одинаковости КПД;

в) возможность предоставления пользователю дополнительных мультимедийных сервисов: информация о пробках на дорогах, прогноз погоды, изображения обложек проигрываемых музыкальных альбомов и т.п.;

г) возможность организации одночастотной радиовещательной сети (англ. SFN-Single Frequency Network) [2, 3] - в этом случае используются несколько передатчиков, покрывающих соседние зоны, работающих на одной и той же центральной частоте и передающих одни и те же программы (один и тот же мультиплекс). При этом на приемной стороне, не происходит никакого мешающего влияния сигналов от разных передатчиков друг на друга. Такое решение позволяет значительно сэкономить частотный ресурс. Аналоговые же системы радиовещания очень чувствительны к взаимной интерференции сигналов и многолучевости, потому аналоговые сети функционируют по многочастотному принципу. Вещание на одних и тех же частотах, когда речь идет об аналоговых

системах, ведется только на территориях, находящихся на большом расстоянии друг от друга.

Решение о том, какой из стандартов цифрового радиовещания ОВЧ диапазона выбрать на территории России пока не принято. Однако можно сказать, что наиболее перспективными для внедрения на территории России, являются стандарты ОЯМ+, РАВИС и ЭАВ+ [4].

При внедрении в диапазоне ОВЧ цифрового радиовещания возникает целый ряд специфических проблем касательно построения радиопередатчиков. Традиционно в аналоговом радиовещании ОВЧ диапазона используются сигналы с частотной модуляцией, амплитуда которых постоянна. Это позволяет строить передатчики, использующие нелинейные режимы усиления мощности и имеющие высокие энергетические показатели.

В цифровом радиовещании, в частности диапазона ОВЧ, применяется сигнал с частотным мультиплексированием (ОРБМ-сигнал). Данный тип сигнала характеризуется переменной огибающей и высоким значением пик-фактора. Это означает, что к усилителям мощности (УМ) сигнала цифрового ОВЧ радиовещания предъявляются высокие требования по части линейности амплитудной и равномерности фазо-амплитудной характеристик. Следовательно, в таких УМ необходимо применять линейные режимы работы, отличающиеся низкой энергетической эффективностью. Помимо этого, при построении УМ цифрового ОВЧ радиовещания, должны использоваться высоколинейные усилительные приборы, стоимость которых значительно превышает стоимость усилительных приборов, использующихся при построении нелинейных трактов усиления.

В настоящее время существуют различные методы, направленные на повышение энергетической эффективности УМ при усилении сигналов с непостоянной огибающей. К числу наиболее эффективных методов относятся:

1) метод Л. Кана [5, 6, 7];

2) метод дефазирования [6];

3) метод автоматической регулировки режима (АРР) по питанию [6, 7].

Усилитель мощности, построенный по методу Л. Кана, очень чувствителен к рассинхронизации сигналов в НЧ и ВЧ трактах. Следует отметить, что требования к задержкам в НЧ и ВЧ трактах при использовании метода Кана тем жестче, чем шире полоса передаваемого сигнала. При дефазировании требуется обеспечить высокую идентичность двух трактов по коэффициентам усиления и по фазе, кроме того, комплексные нагрузочные сопротивления усилителя могут принимать значения включая ноль и бесконечность, что усложняет его построение.

Наличие данных недостатков делает крайне затруднительным применение этих методов в передатчиках цифрового радиовещания ОВЧ диапазона, где ширина полосы канала составляет 100 - 250 кГц. Таких принципиальных трудностей нет в случае применения метода APP. Также в пользу применения метода АРР говорит то, что, в отличие от метода J1. Кана, никаких нелинейных преобразований над исходным сигналом не производится.

Учитывая вышеназванные проблемы, повышение энергетических характеристик УМ передатчика цифрового радиовещания ОВЧ диапазона с помощью метода АРР по питающему напряжению является актуальным предметом исследования, предпринятого в данной работе.

Степень разработанности темы

Впервые АРР по питающему напряжению была предложена, применительно к однополосным передатчикам, советскими специалистами Б.М. Рассадиным и К.С. Полянским-Майковым в 1953 г [8]. Дальнейшее развитие этот метод получил в работах В.М. Розова и В.Ф. Кузьмина (1969 г.) [9], которыми было показано как полное плавное регулирование питающего напряжения, так и неполное регулирование с начальным порогом, а также дискретное (ступенчатое) регулирование питающего напряжения.

Большой вклад в развитие данного метода в 70-е — 80-е г.г. 20 века внесла группа разработчиков под руководством А.Д. Артыма [10] в составе М.В. Кондратьева, А.Е. Антонова, A.B. Тюрина. В частности этим коллективом была

исследована энергетическая эффективность АРР, а также нелинейные искажения, возникающие при использовании АРР в усилителе однополосного сигнала.

Сегодня к АРР проявляют интерес и зарубежные специалисты. Так, применению АРР (англ. Envelope Tracking) в УМ OFDM сигналов (применительно к технологиям WLAN и WCDMA), посвящен целый ряд работ коллектива из США под руководством Питера Асбека (Peter Asbeck), Дональда Кимбала (Donald Kimball) и Лоуренса Ларсена (Lawrence Larson) [11, 12]. Также передатчики цифрового телевидения DVB-T с УМ, построенными по методу АРР, разрабатывает французская компания Thomson [13].

Объектом исследования является УМ передатчика сигналов цифрового радиовещания диапазона ОВЧ, построенный на основе метода АРР по питающему напряжению.

Предмет исследования - энергетическая эффективность и показатели качества УМ передатчика цифрового радиовещания диапазона ОВЧ, построенного по методу АРР.

Цель исследования - определение возможности и целесообразности применения метода АРР по питающему напряжению для повышения энергетической эффективности УМ передатчика цифрового радиовещания диапазона ОВЧ.

Задачи исследования:

а) сравнительный обзор методов повышения энергетической эффективности и линеаризации УМ сигналов с непостоянной огибающей;

б) компьютерное моделирование и сравнительный анализ энергетической эффективности усилителя мощности с линейной и нелинейной АРР;

в) анализ влияния АРР на линейность характеристики Рвых=/(Рвх) и равномерность характеристики Л(р~/(Рвых) усилителя мощности;

г) оценка энергетического выигрыша от использования АРР с учетом статистических характеристик сигнала цифрового радиовещания;

д) оценка величины необходимого «запаса» регулирования питающего напряжения для обеспечения требуемых показателей качества;

е) исследование влияния АРР на выходной сигнал усилителя мощности;

ж) анализ требуемых характеристик корректирующего элемента для линеаризации усилителя мощности;

з) аналитическое определение энергетических характеристик тракта огибающей усилителя мощности, построенного по методу АРР;

и) моделирование тракта огибающей усилителя мощности, построенного по методу АРР. Исследование его энергетических характеристик на модели;

к) экспериментальное исследование энергетических характеристик усилителя мощности с АРР на основе натурного макета тракта огибающей.

Методы исследования

Решение представленных выше задач было выполнено с использованием: компьютерного моделирования, методов теории вероятностей и математической статистики, математического анализа, теории цепей, спектрального анализа, численных методов, гармонического анализа, а также натурного макетирования.

Обоснованность научных результатов определяется:

а) применением апробированных методик расчета и моделирования;

б) применением специализированных систем автоматизированного проектирования (САПР), с мощным математическим аппаратом, достоверность результатов которых подтверждена на практике;

в) использованием компьютерных моделей элементов, разработанных самими производителями элементов, которые максимально полно отражают свойства и характеристики реальных элементов;

г) частичным совпадением полученных результатов с известными результатами, опубликованными в открытой печати и литературе.

Достоверность результатов работы подтверждена результатами сравнения данных теории, компьютерного моделирования и натурного макетирования.

Научная новизна диссертации состоит в следующем:

а) исследована реализация метода АРР по питанию применительно к УМ передатчика цифрового ОВЧ радиовещания, построенному на современном полевом транзисторе;

б) предложена нелинейная функция плавного регулирования питающего напряжения для УМ передатчика цифрового ОВЧ радиовещания, построенного по методу АРР, применение которой позволяет существенно повысить энергетическую эффективность усилителя. Показаны основные преимущества плавного нелинейного регулирования питающего напряжения перед линейным;

в) исследовано влияние линейной и нелинейной АРР на выходной сигнал усилителя мощности передатчика цифрового ОВЧ радиовещания, а также предложена функция линеаризующей коррекции характеристик Рвых=/(Рвх), Л(р=/(Рвых) такого усилителя.

Практическая ценность результатов, полученных в диссертации состоит в следующем:

а) сформулированы рекомендации по определению необходимой величины «запаса» по питающему напряжению в УМ с линейной и нелинейной АРР для обеспечения допустимого уровня искажений выходного сигнала УМ цифрового ОВЧ радиовещания;

б) разработано программное обеспечение, позволяющее оценить энергетические характеристики ШИМ-регулятора тракта АРР с учетом паразитных параметров электронных компонентов;

в) показана необходимость использования предварительной коррекции характеристик Рвых=/(Рвх), А(р=/(Рвых) УМ при введении линейной и нелинейной АРР по питанию;

г) получен закон распределения амплитуд сигнала цифрового ОВЧ радиовещания для случаев отсутствия и наличия предварительной коррекции;

д) даны практические рекомендации относительно выбора тактовой частоты ШИМ тракта огибающей, а также относительно построения выходного ФНЧ ШИМ-регулятора тракта огибающей усилителя мощности, построенного по методу APP.

Основные положения, выносимые на защиту:

а) метод АРР по питающему напряжению является наиболее перспективным методом повышения энергетической эффективности УМ передатчика цифрового ОВЧ радиовещания;

б) с точки зрения энергетической эффективности, АРР с нелинейной функцией плавного регулирования питающего напряжения, значительно превосходит АРР с линейной функцией регулирования;

в) при использовании АРР как с линейной, так и с нелинейной функцией регулирования необходима коррекция характеристик Рвых=/(РвAq>=f(Peblx} УМ, в противном случае выходной сигнал не соответствует требованиям к внеполосным излучениям;

г) в тракт АРР целесообразно пропускать сигнал огибающей, полоса которого, ограничена до величины равной ширине полосы частот передаваемого сигнала цифрового ОВЧ радиовещания.

Личный вклад автора

Все основные результаты исследований, изложенные в работе, получены, лично автором. При подготовке работ, написанных в соавторстве, личный вклад автора наиболее существенен.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 16 работ: в том числе 4 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК; 12 статей и докладов в сборниках всероссийских и международных конференций. В том числе без соавторов 9.

Апробация результатов работы

Основные результаты работы были доложены и обсуждены на всероссийских и международных научно-технических конференциях. Доклад на Х-й Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (Intermatic-2011) в г. Москва, отмечен дипломом за лучший доклад в области техники и технологий цифрового радиовещания. Результаты работы были внедрены в учебный процесс кафедры радиооборудования и схемотехники МТУСИ, а также в ОКР ОАО «Российские космические системы» (г. Москва), что подтверждено соответствующими актами.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, заключения и 2-х приложений общим объемом 188 стр.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, описаны цели и задачи исследования, показана научная и практическая ценность работы, отмечены основные положения, выносимые на защиту, и описана структура диссертации.

В первой главе анализируются стандарты цифрового радиовещания диапазона ОВЧ, наиболее перспективные для внедрения на территории России. Приведены критерии качества сигнала на выходе передатчика. Проведен сравнительный анализ методов повышения энергетической эффективности усилителя мощности, а также методов линеаризации амплитудной и фазо-амплитудной характеристик усилителя мощности. Выполнена постановка задач исследования.

Во второй главе проведено компьютерное моделирование усилителя мощности. На полученной модели исследована работа линейной и нелинейной APP. Вводится понятие нелинейной APP. Получены и проанализированы энергетические характеристики, а также, характеристики Рвых=/(Рвх) и А(р=/(Рвыу) усилителя мощности без АРР, а также с линейной и нелинейной APP. Проведена оценка величины АФК усилителя мощности с АРР.

Определен закон распределения амплитуд огибающей сигнала цифрового радиовещания ОВЧ диапазона. Рассчитан среднестатистический КПД усилителя мощности как с линейной, так и с нелинейной АРР.

В третьей главе проведено моделирование работы усилителя мощности с сигналом DRM+ при линейной и нелинейной АРР. Отмечена необходимость проведения коррекции характеристик усилителя с линейной и нелинейной АРР. Показано, что применение предкоррекции входного сигнала усилителя мощности позволяет получить выходной сигнал, удовлетворяющий требованиям по уровню внеполосных составляющих.

Определена величина «запаса» по питающему напряжению. Скорректирована нелинейная функция плавного регулирования питающего напряжения с учетом введения «запаса». Приведены характеристики Рвых=/(Р&J и А(р=/(Рвых) усилителя, а также результаты моделирования усилителя мощности с сигналом DRM+ с учетом изменения нелинейной функции плавного регулирования питающего напряжения. Также с учетом «запаса» несколько изменены характеристики предкоррекции.

Определен закон распределения амплитуд огибающей сигнала цифрового радиовещания ОВЧ диапазона с учетом коррекции сигнала. Рассчитан среднестатистический КПД усилителя мощности с учетом введения «запаса» по питающему напряжению как для случая линейной, так и для случая нелинейной АРР, а также с учетом введения коррекции.

В четвертой главе проведен теоретический анализ и исследование энергетических характеристик ШИМ-регулятора тракта огибающей усилителя мощности, построенного по методу АРР, с помощью специально разработанного

автором программного обеспечения. Показана возможность повышения КПД ШИМ-регулятора за счет увеличения, границы полосы заграждения ФНЧ, при неизменной границе полосы пропускания, что приводит к уменьшению порядка фильтра и, следовательно, потерь в нем. При этом повышается тактовая частота ШИМ-регулятора. Проведен анализ результатов моделирования, приведены практические рекомендации относительно использования различных тактовых частот работы ШИМ-регулятора.

В пятой главе разработана компьютерная модель ШИМ-регулятора. С помощью данной модели исследованы энергетические характеристики ШИМ-регулятора. Проведено сравнение результатов моделирования с теоретическими результатами.

Разработан натурный макет ШИМ-регулятора тракта огибающей усилителя мощности, построенного по методу APP. Приведены энергетические характеристики, полученные при проведении натурного эксперимента на макете. Проведено сравнение данных, полученных в ходе натурного эксперимента с результатами теории и компьютерного моделирования.

В заключении приведены основные результаты, полученные в диссертации.

1 Проблематика построения передатчиков цифрового радиовещания

диапазона ОВЧ

1.1 Анализ перспективных для РФ стандартов ЦРВ ОВЧ диапазона,

На сегодняшний день в нашей стране для диапазонов СЧ и ВЧ на официальном уровне принят стандарт БЯМ [14, 15], разработанный в Европе. Данный стандарт вполне успешно опробован за рубежом. К примеру, вещание в этом стандарте осуществляет британская корпорация ВВС [16]. В нашей стране опытные передачи на ВЧ в стандарте ВЯМ ведет радиокомпания Голос России.

Относительно стандарта, который придет на замену аналоговой вещательной системе диапазона ОВЧ, решение на настоящий момент не принято. Однако можно предположить, что это будет какой либо из трех стандартов: ОЯМ+ [14], РАВИС [1] и ЭАВ+ [17]. Основные характеристики этих стандартов представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1— Основные характеристики стандартов цифрового радиовещания, перспективных для внедрения на территории России

Название стандарта Диапазоны частот, МГц Ширина полосы канала Количество несущих ОРБМ Виды модуляции несущих

ОЯМ+ 47-107,9 100 кГц 213 (^К, 16-, 64-<2АМ

РАВИС 65,8-74,0; 87,5108,0 100, 200, 250 кГц 215,439, 553 (^РБК, 16-, 64-(}АМ

БАВ+ 47,9-67; 174,9239,2; 1426- 1491 1,5 МГц 192 - 1536 0Р8К

Наименее вероятно внедрение стандарта ОАВ+. Причиной этому является не совсем удачное, с точки зрения отечественного ГОСТа [18], частотное

планирование стандарта DAB+. Дело в том, что отечественный ГОСТ разбивает диапазон ОВЧ на две части: 65,9 — 74,0 МГц с полосами частот 149,5 кГц и 179, 4 кГц и 87,5 — 108 МГц с полосами частот 207 кГц и 248,4 кГц, а в стандарте DAB+ определены диапазоны частот 47,9 - 67, 174,9 - 239,2, 1426 - 1491 МГц с полосой частот 1,5 МГц. Как видно, это совсем не совпадает с требованиями действующего ГОСТа, а потому, на переходном этапе неизбежно возникнут большие проблемы совместимости аналоговой и цифровой систем. Явных преимуществ, ради которых стоило бы пойти на радикальную смену частотного плана, у DAB+ перед DRM+ и РАВИС нет, так что его внедрение находится под большим вопросом.

Стандарты DRM+ и РАВИС, с точки зрения частотного планирования [19] гораздо больше подходят для внедрения в России.

DRM+ охватывает весь диапазон ОВЧ, отведенный для вещания отечественным ГОСТом и имеет полосу частот для одного канала равную 100 кГц, что укладывается в полосы существующих каналов.

Стандарты РАВИС, как и DRM+ предназначены для вещания во всем ОВЧ диапазоне и имеют полосы частот 100, 200 и 250 кГц для одного канала, что также укладывается в существующие полосы. В остальном, характеристики DRM+ и РАВИС практически одинаковы. В пользу DRM+ говорит тот факт, что этот стандарт является, по сути, расширенной версией уже внедряемого в России (в диапазонах СЧ и ВЧ) стандарта DRM.

Транспортный_ _ _ _ _ _Сформированный

поток Рандомизация Кодирование и Формирование Модуляция ЦАП Преобразование сигнал

перемежение символов OFDM частоты

Рисунок 1.1- Общая схема формирования сигнала цифрового радиовещания

При формировании сигнала стандартов DRM+, DAB+, и РАВИС (см. рисунок 1.1) используется метод ортогонального частотного разделения с мультиплексированием (OFDM), при котором сигнал представляет собой совокупность многих несущих, промодулированных методами квадратурной модуляции (QPSK, QAM-16, QAM-64).

Именно благодаря использованию метода OFDM в сочетании со специальным помехоустойчивым кодированием цифровые системы радиовещания обладают большинством из тех преимуществ, которые отмечены во введении.

1.2 Анализ основных проблем построения тракта усиления мощности передатчика цифрового вещания диапазона ОВЧ

При внедрении в диапазоне ОВЧ цифрового радиовещания возникает целый ряд специфических проблем касательно построения радиопередатчиков [20]. Ныне существующие радиовещательные передатчики диапазона ОВЧ работают с частотной модуляцией (с коррекцией АЧХ 6 дБ/октава) [21, 22], что позволяет строить нелинейный тракт усиления мощности, используя высокоэффективные режимы работы усилительных приборов. Это обеспечивает, как достаточно высокий промышленный КПД, так и относительно простую реализацию систем охлаждения мощных каскадов усиления. Кроме того, не нужны специальные дорогостоящие усилительные приборы, предназначенные для линейного усиления, а также не требуется принятие мер по линеаризации усилителя мощности.

Переход на цифровое вещание с OFDM-сигналом, т.е., по сути, к многоканальной передачи с частотным разделением, потребует построения радиовещательных передатчиков с высоколинейным трактом усиления мощности, поскольку OFDM-сигналы характеризуются переменной огибающей и значительным пик-фактором [23], что приведет сразу к нескольким проблемам:

а) к необходимости использования специальных высоколинейных усилительных приборов (транзисторов, ламп), стоимость которых (при равной мощности) существенно выше, чем приборов, не предназначенных для высоколинейного усиления;

б) к необходимости применения энергетически неэффективных режимов работы мощных каскадов усиления и к существенному недоиспользованию

усилительного элемента по мощности, а, следовательно, - к существенному уменьшению коэффициента полезного действия тракта усиления мощности. Кроме того, необходимо применение специальных методов линеаризации усилителей. Это, в свою очередь, приводит к следующим проблемам:

а) существенное увеличение энергопотребления передатчика при той же полезной мощности;

б) значительное усложнение и удорожание систем охлаждения мощных каскадов передатчика, а также увеличение его массогабаритных показателей;

в) удорожание и усложнение передатчика, т.к. при использовании методов линеаризации потребуется введение дополнительных элементов, а также средств цифровой обработки сигнала.

Учитывая вышеназванные проблемы, целесообразно исследовать возможность применения методов повышения КПД усилителей сигналов с меняющейся амплитудой в сочетании с методами линеаризации применительно к построению усилителей мощности передатчиков цифрового ОВЧ радиовещания.

1.3 Критерии качества сигнала на выходе передатчика системы цифрового радиовещания

1.3.1 Обзор критериев

При разработке радиопередающей аппаратуры очень важную роль играет вопрос критериев качества выходного сигнала. Для оценки выходного сигнала усилителя радиосигналов с цифровыми видами модуляции в качестве критериев используются следующие основные характеристики:

а) спектральная маска;

б) коэффициент модуляционных ошибок МЕЯ;

в) точечная (констелляционная) диаграмма (сигнальное созвездие).

Данные характеристики оцениваются с помощью специальных тестовых

приемников, которые подключаются напрямую к радиопередатчику. Тестовые

приемники имеют очень низкий уровень собственных искажений, что позволяет максимально точно оценить характеристики тракта усиления мощности передатчика.

1.3.2 Спектральная маска

Спектральная маска - условная кривая [24], ограничивающая уровень внеполосных излучений. Спектральная маска задается таблично и сопровождается графическим изображением.

В таблице 1.2 приведены маски для сигнала передатчиков, задаваемые отечественными Нормами на ширину полосы радиочастот и внеполосные излучения, и стандартом ОЯМ+, приведенные в [25] и [26], соответственно, на рисунке 1.2 показано их графическое отображение.

Таблица 1.2 - Требования к максимально допустимым значениям уровня внеполосных радиоколебаний (В -ширина полосы радиоканала)

Нормы 19-02 В=100 кГц Стандарт ОЯМ+ В=100кГц

Отстройка от центральной частоты, кГц, нормированная относительно В Нормируемый уровень, дБ Отстройка от центральной частоты, кГц, нормированная относительно В Нормируемый уровень, дБ

-3.24 -60 -2.98 -60

- - -2.12 -54,08

- - -1.06 -42,04

-0.6 -30 -0.53 -30

-0.5 0 -0.5 0

0.5 0 0.5 0

0.6 -30 0.53 -30

- - 1.06 -42,04

- - 2.12 -54,08

3.24 -60 2.98 -60

Отстройка от центральной частоты. кГц -DRM+--Нормы 19-02

Рисунок 1.2 - Спектральные маски

1.3.3 Характеристика MER

Качество передаваемого сигнала оценивается с помощью характеристики MER (Modulation Error Ratio) — среднеквадратичного значения коэффициента ошибок модуляции несущей радиосигнала [26, 27]. Из-за искажений в передатчике точки сигнального созвездия (символы) передаваемого сигнала отклоняются от своего идеального положения. В результате этого могут иметь место ошибки в демодуляторе при приеме сигнала, т.е. демодулятор не сможет правильно определить место точки в сигнальном созвездии. Задача особенно усложняется из-за наличия помех в канале.

При измерении MER для каждого принятого тестовым приемником символа вычисляется вектор ошибки, модуль которого равен расстоянию между положением символа (в сигнальном созвездии) в идеальном случае и его реальным положением. Этот вектор может быть представлен как: (SIj,SQj). Вектор

ошибки наглядно показан на рисунке 1.3.

I ^^^ й и&ольнап с/учае

/Ъшме aiHtcsa ' иЗе/тш с/цчве

Рисунок 1.3 - Вектор ошибки

Значение MER вычисляется по формуле (1.1) [23]:

( N

MER = 101og10

КЛ+е2,)

j='_

f^iSI2; +SQ2J) V j=i

дБ

(1.1)

В некоторых случаях для оценки качества сигнала вместо MER используют амплитуду вектора ошибки (см. рисунок 1.3) - EVM (Error Vector Magnitude) [27]. По сути, MER и EVM служат для оценки одного и того же, а именно - степени отклонения точки сигнального созвездия от идеального положения.

1.3.4 Точечная (констелляционная) диаграмма

Констелляционная (от англ. Constellation - созвездие) диаграмма [27] показывает расположение символов на сигнальном созвездии, накопленное за определенное время. Диаграмма позволяет выполнить качественную оценку искажений цифрового радиосигнала - чем более «размытой» выглядит диаграмма, тем больше степень искажения сигнала. Констелляционная диаграмма измеряется с помощью специального тестового приемника. Пример диаграмм для сигнала QAM-16 показан на рисунке 1.4.

• « «• * т ч ч * в | » » * * .. | » * ♦ * \ * Г...... | } { 1 * ■; I • • | с; ! .Ф'ФМ^М-' \

Заключение диссертации по теме «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения», Дулов, Иван Валерьевич

Основные результаты работы

1) Разработана компьютерная модель усилителя мощности цифрового радиовещания, позволяющая исследовать энергетические характеристики усилителя, в том числе, построенного по методу АРР.

2) Введено понятие плавной нелинейной АРР.

3) Показана необходимость введения «запаса» по питающему напряжению, рассчитана величина «запаса».

4) С помощью аппроксимации получена функция регулирования питающего напряжения при нелинейной АРР.

5) Показана необходимость применения специальных методов коррекции характеристик Рвых=/(Рвх), Аср=/(Рвых) усилителя мощности.

6) Аппроксимированы характеристик Рвых=/(Рвх), Л(р=/(Рвых) корректирующего нелинейного элемента.

7) Разработана компьютерная модель формирования сигнала цифрового радиовещания позволяющая исследовать статистические характеристики сигнала, а также моделировать работу усилителя мощности при подаче на него сигнала цифрового радиовещания.

8) Получен закон распределения огибающей сигнала цифрового радиовещания стандарта DRM+.

9) Даны рекомендации по выбору тактовой частоты ШИМ-регулятора тракта огибающей APP.

10) Создана специальная компьютерная программа для теоретического расчета энергетических характеристик ШИМ-регулятора тракта огибающей АРР с учетом параметров электронных компонентов, входящих в схему регулятора.

11) Создан натурный макет ШИМ-регулятора тракта огибающей АРР. Данные полученные по результатам исследования макета подтвердили высокую энергетическую эффективность АРР.

12) Показано, что применение АРР по питающему напряжению позволяет существенно повысить КПД усилителя мощности передатчика цифрового радиовещания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе решена задача повышения энергетической эффективности УМ передатчика цифрового радиовещания ОВЧ диапазона с помощью метода АРР по питающему напряжению.

Применительно к задаче построения УМ ОВЧ передатчика ЦРВ теоретически обоснованы преимущества метода АРР по питающему напряжению перед другими перспективными методами повышения энергетической эффективности усилителя, такими как метод JI. Кана и метод дефазирования.

Разработана компьютерная модель, которая позволила промоделировать работу усилителя мощности передатчика цифрового радиовещания и исследовать его энергетические характеристики как без применения АРР, так и с АРР. По результатам исследования, проведенного на модели усилителя, был сделан вывод о том, что АРР по питающему напряжению позволяет очень существенно повысить КПД усилителя мощности. При этом наряду с традиционной АРР, при которой напряжение питания усилителя линейно зависит от амплитуды входного сигнала, была исследована АРР с нелинейной функцией плавного регулирования питающего напряжения. В результате было отмечено, что нелинейная АРР значительно превосходит линейную по энергетическому выигрышу. Так среднестатистический КПД усилителя с нелинейной АРР составляет 42%, КПД усилителя с линейной АРР равен 33%, а КПД усилителя без АРР 15 %. Также, с помощью аппроксимации, была получена необходимая функция регулирования питающего напряжения.

Наряду с этим было показано, что использование АРР по питанию ведет к искажениям характеристик Рвых=/(Рвх), А(р=/(Рвых) усилителя, однако характер искажений позволяет скорректировать их, применяя методы линеаризации характеристик усилителя. Для корректирующего нелинейного элемента были математически получены требуемые характеристики РRblx=f(P«у). А(р=/(Рвых).

С помощью методов математической статистики и теории вероятности был получен закон распределения огибающей сигнала ОВЧ радиовещания стандарта DRM+.

С помощью разработанной модели формирования сигнала DRM+ была проведена оценка «запаса» регулирования питающего напряжения усилителя и тактовой частоты работы ШИМ-регулятора тракта огибающей APP. Результат исследования показал, что для ШИМ-регулятора целесообразно использовать тактовую частоту бООкГц.

Для теоретического анализа энергетических характеристик тракта огибающей АРР автором была разработана специальная компьютерная программа. Результаты, полученные теоретически, для различных тактовых частот работы ШИМ-регулятора показали, что КПД ШИМ-регулятора составляет величину порядка 90 - 95% при высоких уровнях выходного напряжения (напряжения питания усилителя).

Проведенное моделирование ШИМ-регулятора и исследование полученных на модели энергетических характеристик подтвердили результаты теории.

Для проверки результатов, полученных теоретически и при выполнении моделирования, был создан натурный макет ШИМ-регулятора и проведено исследование его энергетических характеристик. Результаты исследования показали, что КПД натурного макета ШИМ-регулятора отличается от КПД, полученного теоретически, и КПД, полученного при моделировании, на величину порядка 4-5% . Однако характер зависимости КПД от величины выходного напряжения, полученной на натурном макете, полностью соответствует характеру этой зависимости полученной теоретически, и при компьютерном моделировании - с ростом выходного напряжения ШИМ-регулятора его КПД также возрастает. Меньшее значение КПД, полученное при исследовании макета, по сравнению с теоретическим значением, а также значением, полученным при компьютерном моделировании объясняется тем, что ни теория, ни компьютерное моделирование, не позволяют учесть всех параметров реального устройства.

Анализ результатов проведенного исследования позволяет сделать следующие выводы:

1) метод АРР по питающему напряжению применим и целесообразен для усилителей мощности передатчиков цифрового ОВЧ радиовещания;

2) нелинейная АРР значительно превосходит линейную АРР по части повышения КПД усилителя мощности (среднестатистический КПД равен 33% при линейной АРР, и 42% при нелинейной АРР);

3) АРР как с линейной, так и с нелинейной функцией регулирования ухудшает линейность характеристики Рвых=/(Рю), и равномерность харктеристики А(р=/(Рвыз), причем нелинейная АРР искажает эти характеристики сильнее (фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами изменятся на 2 градуса при линейной АРР, и на 2,5 градуса при нелинейной АРР);

4) совместно с АРР по питанию необходимо применять методы линеаризации характеристик РвЫх=/(Рвх), А(р=/(Рвых) усилителя. Наиболее предпочтительными методами линеаризации являются методы предкоррекции и адаптивной коррекции. Как показало моделирование применение предкорекции позволяет успешно решить задачу линеаризации выходного сигнала усилителя;

5) тактовую частоту ШИМ-регулятора тракта АРР усилителя мощности цифрового радиовещания целесообразно выбрать равной ширине полосы радиоканала.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дулов, Иван Валерьевич, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.ГОСТ Р 54309-2011. // Аудиовизуальная информационная система реального времени (РАВИС). Процессы формирования кадровой структуры, канального кодирования и модуляции для системы цифрового наземного узкополосного радиовещания в ОВЧ диапазоне. Технические условия..

2. Stott J. DRM - key technical features // EBU Technical Review. — March

2001.

3. Bumiller G. Single Frequency Network Technology for Medium Access and Network Management // [Официальная страница компании iAd] URL: http://www.iad-de.com/plcsym/SFN_paper02.pdf (дата обращения 01.04.2013).

4. Дулов И. В. Обзор современных стандартов цифрового радиовещания, перспективных для внедрения в России. — Москва: Международная конференция и выставка «Цифровая обработка сигналов и ее применение - DSPA 2010», 2010.

5. Dietmar R. Out-of-Band Emissions of Digital Transmissions Using Kahn EER Technique // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. — 2002. — vol. 50, 8 ed.- 1983— p. 1979.

6. Kenington Peter, B. High-linearity RF amplifier design. — London, Boston: Artech House microwave library, 2000 — p. 531.

7. Акопян H.M., Баханович B.B., Дулов И.В., и др. Архитектуры построения передатчиков цифрового телерадиовещания с повышенным КПД. — Москва: RDC 2012, 67-я всероссийская конференция с международным участием, 2012 — с. 443-447 .

8. Полянский-Майков К.С., Рассадин Б.И. Авторское свидетельство № 14140. —МО СССР, 1953.

9. Розов В.М., Кузьмин В.Ф. Однополосные коротковолновые передатчики - часть 2. — М : МЭИС, 1970. - 76с..

10. Артым А.Д., Бахмутский А.Е., Козин Е.В. и др. Повышение эффективности мощных радиопередающих устройств.; под ред. А.Д. Артыма.. — М : Радио и связь, 1987 — 176 с.

11. Asbeck P. M., Kimball D.F., Larson L.E., Wang F., Yang A.H. Design of Wide-Bandwidth Envelope-Tracking Power Amplifiers for OFDM Applications // IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES. — APRIL 2005. — Vol. 53, 4. — p.p. 1244 - 1255.

12. Asbeck P., Kimball D., Larson L., Ojo A., Wang F. Envelope tracking power amplifier with pre-distortion linearization for WLAN 802.1 lg. // IEEE MTT-S Digest, University of California at San Diego, Dept. of Electrical and Computer Engineering. — La Jolla, CA, 2004. — p.p. 1543-1546.

13. Thomson [официальная страница компании Thomson] // URL: http://www.thomson-broadcast.com/sites/default/files/White_Papers/Efficiency_ Improvement-PBU.pdf (дата обращения 07.04.2013).

14. ETSI ES 201 980 V3.1.1 (2009-08) // Digital Radio Mondiale (DRM), System Specification. — 2009.

15. Комаров С., Ставиская P., Николаев В. DRM - национальный стандарт цифрового радиовещания // Broadcasting, Каталог «Оборудование для радиовещания». — 2010.

16. Cable J. DRM - the BBC World Service distribution chain // EBU Technical Review. — April 2006.

17. ETSI TS 102 563 VI.1.1 // Digital Audio Broadcasting (DAB); Transport of Advanced Audio Coding (AAC) audio. — 2007-02.

18. ГОСТ P 51741- 2001 // Передатчики радиовещательные стационарные диапазона ОВЧ. Основные параметры, технические требования и методы измерений. — 2001.

19. Инванчин А., Рихтер С., Ставиская Р., Лисицкая О. О совместной передаче цифровой и аналоговой информации при вещании в форматах DRM и DRM+ // Broadcasting. Телевидение и радиовещание. — 2007. №7.

20. Дулов И.В., Иванюшкин Р.Ю. Проблематика построения новых вещательных ОВЧ передатчиков стандарта DRM // INTERMATIC-2009, Материалы Международной научно-технической конференции

«Фундаментальные проблемырадиоэлектронного приборостроения». — Москва, 2009, часть 4. — с. 215-217.

21. Шахгильдян В.В., Козырев В.Б., Ляховкин А.А. и др. Радиопередающие устройства, 3-е изд., перераб. и доп / Под ред. Шахгильдяна В.В. — М.: Радио и связь, 2003 — 560 с.

22. Шахгильдян В.В., Шумилин М.С., Козырев В.Б., и др. Проектирование радиопередатчиков: Учеб.пособие для вузов., 4-е изд., перераб. и доп / Под ред. В.В Шахгильдяна. — М.: Радио и связь, 2000 — 656 с.

23. Волков JI.H., Немировский М.С., Шинаков Ю.С. Системы цифровой радиосвязи: базовые методы и характеристики. Учеб.пособие. — М.: Эко-трендз, 2005,- 392 с.

24. Spectrum Emission Mask Measurement Description // [Официальный сайт компании Agilent] URL:http://wireless.agilent.com/rfcomms/refdocs/wcdma/ wcdma_meas_spec_em_mask_desc.html (дата обращения 08.04.2013).

25. Нормы 19-02. «Нормы на ширину полосы радиочастот и внеполосные излучения радиопередатчиков гражданского применения». Дополнение №1 Системы цифрового звукового и телевизионного вещания с использованием модуляции COFDM. — 2003 — 9с.

26. ETSI EN 302 245-1 v 1.1.1 // Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters (ERM); Transmitting equipment for the Digital Radio Mondiale (DRM) broadcasring service; Part 1: Technical characteristics and test methods.. — 2004-11.

27. Конорев А. Особенности измерения параметров каналов с цифровой модуляцией // Теле-Спутник. — сентябрь 2010. — с. 14-23.

28. Иванюшкин Р.Ю. Методы построения высокоэффективных линейных усилителей мощности. — М.: МТУСИ, 2006. — 7с.

29. Kazimierczuk M. RF Power Amplifiers. — JohnWiley&Sons, Ltd. 2008. —

428 p.

30. Cripps S. RF Power Amplifiers for Wireless Communications. — Boston, London: Artech House Microwave Library, 2006. — 2 ed. — 473 p.

31. Kahn L. Single sideband transmission by envelope elimination and restoration // in Proc. IRE. — 1952. — p. 803-806.

32. Chireix H High Power Outphasing Modulation // Proceedings of the Institute of Radio Engineers. — November 1935. — Vol. 23, 11 ed. — p.p. 1370-1392.

33. Cripps S. Advanced techniques in RF power amplifier design. — Boston, London: Artech House microwave library, 2002. — 339 p.

34. Дулов И.В., Иванюшкин Р.Ю. Проблематика построения передатчиков цифрового радиовещания ОВЧ диапазона // T-Comm, Телекоммуникации и транспорт. — 2010. №9 — с.6-9.

35. Stauth J. // Energy Efficient Wireless Transmitters: Polar and Direct-Digital Modulation Architectures, PHD dissertation. — Berkeley: University of California, 2009. —199 p.

36. Козырев В.Б., Лаврушенков В.Г., Леонов В.П. и др. Транзисторные генераторы гармонических колебаний в ключевом режиме / Под ред. И.А. Попова. — М.: Радио и связь, 1985. — 192 с.

37. Conardi С. LINC Transmitter Linearization Techiques. // A Thesis submitted to the facility of graduate studies in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of science. — Calgary, Alberta, January 2000. — 122 p.

38. Couch L. Walker J.L. A VHF LINC Amplifier // Conf. Proc. IEEE SOVTHEA STCON 82, Destin Fla. — New York, 4-7 April 1982. № 4.

39. D.C. Cox Linear Amplification with Nonlinear Components // IEEE Trans. Commun. Tech.. — December 1974.

40. Иванюшкин Р.Ю. Исследование и разработка высокочастотного тракта радиовещательного СЧ передатчика, построенного по методу дефазирования // Автореферат дисс. канд. техн. наук.. — М : МТУ СИ, 2001. — 21 с.

41. Godoy P., Perreault D., Dawson J Outphasing Energy Recovery Amplifier With Resistance Compression for Improved Efficiency // Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions. — 2009.

42. Gerhard W., Knochel R. WCDMA outphasing power amplifier with a software defined // Advances in Radio Science . — 2006 №4. — p.p. 125 - 133.

43. Midya P., Haddad K., Connel L., Bergstedt S., Roeckner B. Tracking Power Converter for Supply Modulation of RF Power Amplifiers // Power Electronics Specialists Conference. IEEE 32nd Annual. — 2001. — Vol. 3. — p.p. 1540-1545.

44. Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовещании. — М.: Связь, 1980 — 209 с.

45. 802.1 lg IEEE Standard for Information technology- Local and metropolitan area networks- Specific requirements-Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications: Further Higher Data Rate Extension in the 2.4 GHz Band. — 2003.

46. Guo D., Power Amplifier and Front End Module Requirements for IEEE 802.1 In Applications // High Frequency Electronics. — September 2011.

47. Switched-mode Power Amplifier Using Lumped Element Impedance Inverter for parallel combining // United States Patent No.: 6,879,209 B2. — April 12, 2005.

48. Kimball D., Jeong J., etc. High-Efficiency Envelope Tracking W-CDMA Base Station Amplifier Using GaN HFETs // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. — 2006. —p.p. 1-9.

49. Kimball D., Kwak M. etc. High Efficiency WCDMA Envelope Tracking Base-Station Amplifier Implemented withGaAs HVHBTs // [Официальный сайт компании TriQuint] URL: http://www.dbmengineering.com/products/tech-connect/resources/UCSD%20Profs%20find%20TriQuint%20TriPower%20Most%20Ef ficient.pdf (дата обращения 03.04.12).

50. Katz A. Linearizing High Power Amplifiers [официальный сайт компании Linearizer Technology]. URL: http://www.lintech.com/PDF/hpa.pdf (дата обращения 07.04.2013).

51. Гудкова H. Адаптивное цифровое устройство компенсации нелинейности амплитудной характеристики усилителя мощности // Современная электроника. — 2010 № 4. — с. 72-75.

52. Mayer М., Arthaber Н. RF Power Amplifier Design // [сайт о радиоэлектронике http://www.epanorama.net/] URL: http://www.epanorama.net/sff7 Radio/RF%20Power%20Amplifier%20Design.pdf (дата обращения 07.04.2013).

53. McCune E. Practical Digital Wireless Signals. — Cambridge University Press, 2010. —p.p. 359-371.

54. Дулов И.В. Моделирование усилителя мощности сигналов OFDM в среде AWR // INTERMATIC-2009, Материалы Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» / Под ред. члена-корреспондента РАН Сигова A.C. — Москва, 7-11 декабря 2009 г.. — Т. 3. — С. 117-120.

55. Gentzier C.G., Leong S.K. VHF/UHF Amplifer Design Using Coaxial Transformers // High Frequency Electronics. — May 2003. — p.p. 42-51.

56. Галушка Д.М., Дулов И.В., Харитонов A.B. Оптимизация параметров тракта усиления мощности передатчика цифрового телевидения с использованием программы MicrowaveOffice // T-Comm, Телекоммуникации и транспорт. Спецвыпуск "Технологии информационного общества". — июнь 2009 г.. — т. 1. — с. 100-101.

57. Бабак Л.И., Баров A.A., Вьюшков В.А., Шеерман Ф.И. Проектирование монолитного усилителя мощности диапазона 8-12 ГГц с помощью программ автоматизированного синтеза // Сборник докладов конференции «Электронные средства и системы управления». — Томск : ТУ СУР, 2005. — с. 154-159.

58. BLF573S HF / VHF power LDMOS transistor. Datasheet. [Официальный сайт компании NXP] URL: http://www.nxp.com/documents/data_sheet/ BLF573_BLF573S.pdf (дата посещения 08.04.2013).

59. NXP RF Manual 16th edition // [Официальный сайт компании NXP] URL:http://www.nxp.com/documents/selection_guide/75017272.pdf (дата обращения 08.04.2013).

60. Theeuwen S.J.C.H., Sneijers W.J.A.M., Klappe J.G.E., de Boet J.A.M. High Voltage RF LDMOS Technology // [Официальный сайт компании NXP] URL: http://www.nxp.com/documents/other/high_voltage_rf_ldmos_technology_for_broadca st_applications.pdf (дата посещения 08.04.2013).

61. Technical Bases for DRM Services Coverage Planning. EBU Tech-3330. Report // [Официальный сайт европейского вещательного союза EBU] http://tech.ebu.ch/docs/tech/tech3330.pdf (дата обращения 08.04.2013).

62. Андреев B.C. Теория нелинейных электрических цепей: Учебное пособие для вузов. — М.: Радио и связь, 1982. — 280с.

63. Крылов Г.М., Пруслин, В.З., Богатырев Е.А. и др. Амплитудно-фазовая конверсия / Под ред. Крылова Г.М.. — М.: Связь, 1979. — 256 с.

64. RF transmitting transistor and power amplifier fundamentals. Transmitting transistor design. // [Официальный сайт компании Philips Semiconductors] URL:http://www.nxp.com/documents/handbook/RF_Fundamentals.pdf. (дата обращения 08.04.2013).

65. Lazlo В. Design And Application Guide For High Speed MOSFET Gate Drive Circuits // [Официальный сайт компании Texas Instruments] URL:http://www.ti.com/lit/ml/slupl69/slup 169.pdf (дата обращения 08.04.2013).

66. Дулов И.В. Моделирование сигналов систем цифрового радиовещания DRM, DRM+ и AVIS в программном пакете AWR // 12-я Международная конференция и выставка «Цифровая обработка сигналов и ее применение - DSPA 2010», доклады. — Москва, 2010. — с. 288 -290.

67. Дулов И.В. Исследование системы АРР с линейным и нелинейным законом регулирования для передатчиков цифрового радиовещания // V Всероссийская научно-техническая конференция "Радиолокация и радиосвязь" 21-25 ноября 2011 г, доклады. — Москва, 2011. — с. 443-447.

68. Дулов И.В., Иванюшкин Р.Ю. Моделирование тракта огибающей системы АРР вещательного передатчика // Перспективные технологии в средствах передачи информации: Материалы 9-й международной научно-технической конференции / Под ред. А.Г. Самойлова и др. — Владимир : ВлГУ, 2011. — т. 2. — с. 138-141.

69. Дулов И.В., Иванюшкин Р.Ю. Исследование энергетических характеристик системы АРР каскада усиления мощности передатчика цифрового

ОВЧ радиовещания // T-Comm, Телекоммуникации и транспорт. . — Москва, 2011 №9. —с. 71-73.

70. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. — М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. — 13-е изд., исправленное: с 490-522.

71. Дулов И.В. Вопросы применения АРР в передатчиках цифрового радиовещания ОВЧ диапазона // Материалы Международной научно-технической конференции INTERMATIC - 2 0 1 2. — Москва, 2012. — т. 6. — с. 71-74.

72. Городецкий С.Э. Радиопередающие устройства магистральной радиосвязи. — M : Связь, 1980. — 176 с.

73. Дулов И.В. Влияние АРР по питающему напряжению на амплитудную и фазо-амплитудную характеристики усилителя мощности цифрового радиовещания // RDC 2012, 67-я всероссийская конференция с международным участием,. — Москва, 16-17 мая 2012 г. — с 440-443.

74. Дулов И.В. Энергетическая эффективность системы АРР передатчика цифрового ОВЧ радиовещания с учетом статистики огибающей входного сигнала // Материалы Международной научно-технической конференции, INTERMATIC -2011.—2011. —т. 3, —с. 97-100.

75. Тюрин Ю.Н., Макаров A.A. Анализ данных на компьютере / Под ред. Фигурнова В.Э. — М.: ИНФРА-М, 2003. — 3-е изд., перераб. и доп. — с. 49-51.

76. Артамонов Н.В. Теория вероятностей и математическая статистика: углубленный курс. — М.: МГИМО-Университет , 2008. — 97 с.

77. Кобзарь А.И. Прикладная математическая статистика. Для инженеров и научных работников. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. — 816 с.

78. Заездный A.M. Основы расчетов по статистической радиотехнике. — M : Связь, 1969. —424 с.

79. Rahman M., Pearson L. M., Heien H.C. A Modified Anderson-Darling Test for Uniformity // Bulletin of the Malaysian Mathematical Sciences Society . — 2006. — 29(1). —c. 11-16.

80. Дулов И.В. Применение метода АРР в усилителях мощности сигнала DRM+ // V Всероссийская научно-техническая конференция "Радиолокация и радиосвязь". — Москва, 2012. — с. 2. — с. 88-92.

81. Edelman К., Kim J.H., Kim W., etc. Digital Predistortion Linearizes Wireless Power Amplifiers // IEEE Microwave Magazine. — September 2005 — p.p. 54-61.

82. Дулов И.В., Иванюшкин Р.Ю. Применение метода АРР для построения вещательных ОВЧ передатчиков систем цифрового радиовещания // Материалы VII Международной научно-технической конференции, INTERMATIC - 2010, часть 3. — Москва : МИРЭА, 23-27 ноября 2010 г.. — с. 150-154.

83. Дулов И.В. Энергетика усилителя мощности цифрового ОВЧ радиовещания с линейной и нелинейной АРР по питающему напряжению // Журнал радиоэлектроники (электронный журнал) URL:http://jre.cplire.ru/jre/marl2/9/text.pdf (дата обращения 08.04.2013). — ИРЭ РАН, 2012.—№3.

84. Дулов И.В., Иванюшкин Р.Ю. Исследование энергетической эффективности пеердатчика цифрового радиовещания с автоматической регулировкой режима по питанию // Электросвязь. — 2013, №1. — с. 46-47.

85. Schelle D., Castoreña J. Buck-Converter Design Demystified // Power Electronics Technology. — June 2006. —p.p. 46-53.

86. Wuidart L., Topologies for switched mode power supplies. Application Note. // [Официальный сайт группы компаний STMicroelectronics] URL:http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/ application_note/CD00003910.pdf (дата обращения 08.04.2013).

87. Rahman M.S., Buck Converter Design Issues, Master thesis performed in division of Electronic Devices // [Сайт университета Линчёпинга, Швеция] URL:http://liu.diva-portal.org/smash/record.jsf?searchId=l&pid=diva2:24104 (дата обращения 08.04.2013). — 2007.

88. IRF HEXFET Power MOSFET IRFB4615PbF, Datasheet // [Официальный сайт компании International Rectifiers] URL:http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irfb4615pbf.pdf (дата обращения 08.04.2013).

89. R&S®NGM, NGK, NGB Single output benchtop Power Supplies // [Официальный сайт компании Rohde-Schwarz] URL:http://www.rohde-schwarz.com/en/product/ngm-ngk-ngb-productstartpage_63493 -8317.html (дата обращения 08.04.2013).

90. Медный эмалированный провод // [официальный сайт компании Electrisola] URL:http://www.elektrisola.com/ru/conductor-materials/copper.html (дата обращения 08.04.2013).

91. ГОСТ 7399-97 . Провода и шнуры на номинальное напряжение до 450/750В. Технические условия. . — Минск: Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 2003.

92. Aluminum electrolytic capacitors. Axial-lead and soldering star capacitors. Series/Type: B41691, B41791. // [Официальный сайт компании Epcos]

http://whttp://www.epcos.com/inf/20/30/db/aec_2011 /В41691_B41791 .pdf (дата

обращения 08.04.2013).

93. Семенов Б.Ю. Еще раз об использовании электролитических конденсаторов // [Авторская радиотехническая страница] URL:http://www.radioland.mrezha.ru/dopolnenia/capasit_02/capasit_02.htm (дата обращения 08.04.2013).

94. TDK. Radial Lead Inductors. TSL Series // [официальный сайт компании TDK] URL:http://www.tdk.co.jp/tefe02/e532_tsl.pdf (дата обращения 08.04.2013).

95. Дьяконов М.Н., Карабанов В.И., Присняков В.И. и др. Справочник по электрическим конденсаторам / Под ред. В.Ф. Четверткова И.И. и Смирнова. — М : Радио и связь, 1983. — с. 174-208.

96. IRF6775. Datasheet // [Официальный сайт компании IRF] url:http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irf6775mpbf.pdf (дата обращения 08.04.2013).

97. HIGH CURRENT 2LP. Low Profile Power Inductors. // [официальный сайт компании Cooper Bussmann] URL: http://www.cooperindustries.com/content/ dam/public/bussmann/Electronics/Resources/Data%20Sheets/Bus_Elx_DS_PM%20411 4_HC2LP_Series.pdf (дата обращения 08.04.2013).

98. Выпрямитель стабилизированный Б1-21. Паспорт.

99. Осциллограф С1-65А. Паспорт.

100. Генератор прямоугольных импульсов Г5-65.

101. Источник постоянного тока Б5-21. Паспорт.

102. Вольтметр В7-34А. Паспорт.

103. Ампервольтметр Ц3411. Паспорт.

104. Astrodyne Corporation. nV300LF NanoVerter Series. // [Официальный сайт компании Astrodyne] URL:http://www.astrodyne.com/smartcat/pdf/ NV300LF.pdf (дата обращения 08.04.2013).

105. Mean Well. 350W Single Output DC-DC Converter. SD-350 Series // [Официальный сайт компании Mean Well] URL:http://www.meanwell.com/ search/sd-350/default.htm (дата обращения 08.04.2013).

106. Current Logic Isolated DC-DC Converter 100-200 W // [Официальный сайт компании Current Logic] URL:http://www.current-logic.com/dcdc/CDM100.pdf (дата обращения 08.04.2013).

Приложение 1. Листинг программы для аналитического расчета энергетики ШИМ-регулятора

class I'.valuation .YUhds {

//—И сход) п,1 с да! i! i ые.....................................

//public double loutMax;

public double U_diode;//iiaflcunc напряжения на диоде (0.7 В для обычного диода. 0.3 для Шотгки)

public double RLoad;//nai ручка клоча

public double R_DS_ON;//conpoгивление транзистора

public double Tj_hot;/ne.Miieparypa нагретого корпуса

public double Igate;//TOK затвора

public double Crss;/7npoxo4naH емкость ключа

public double[] ESR;//conpornFijienHe конденсатора

public doublef] ОСЯ;//соиротивленис кап шки

public double[] Ь;//неличины индуктивностей

public double C_drain_ground;//Bc.in4iiHa конденсатора сток-земля

public double E S R_C_d ra i n_gro un d; // в с л и ч и 11 а сопротивления конденсатора сток-земля

public double LIR = 0.3;

CheekBox Dyn_R_Load_NL;//ra;ra4Ka. определяющая как изменяется сопротивление нагрузки - постоянно оно или нет

СЬсскВоч Dyn_R_Load_L;//ra.no4Ka. определяющая как изменяется сопротивление нагрузки - постоянно оно или пег

public Evaluation_Mthds(double UdiodeCL, double RLoadCL, double RDSONCL, double TjhotCL, double Crss CL, double IgateCL, doublef] ESRCL, double[] DCR_CL, doublef] L_CL, CheekBox Dyn_R_Load_CL_NL,

{/heck Box DynRLoadCLL, double ESR_C_drain_ground_CL)

{

Udiode = U_diode_CL;

DynRLoadNL = DynRLoadCLNL;

DynRLoadL = DynRLoadCLL;

RLoad = RLoadCL;

RDSON = R_DS_ON_CL;

Tjhot = Tj_hot_CL;

Igate = IgateCL;

Crss = Crss_CL;

ESR = ESRCL;

DCR = DCR CL;

L = L_CL;

ESR_C_drain_ground = ESRCdraingroundCL;

}

//— Изменение сопротивление----------------------------

public double Resistanee_NL_function(double U) {

return

-0.2768188786 + 3.370439028 * U - .9638986965 * Math.Pow(U, 2) + .1363277523 * Math.Pow(U, 3) - 0.01100350482 * \lath.Pow(U, 4) + 0.0005376380039 * Viath.Pow(U, 5) - 0.00001616097108 * Math.Pow(U,

6)

+ 0.0000002918849614 * Math.Pow(U, 7) - 0.000000002904053133 * Ma»h.Pow(U, 8) +

0.00000000001222838989 * Matli.Pow(U, 9); }

public double Resistance_L_function(double U) {

return

0.09668998862 + 2.442288570 * U - 0.3594873444 * Math.Pow(U, 2) + 0.02568352238 * Math.Pow(U, 3)

- 0.001022705565 * Math.Pow(U, 4) + 0.00002300571987 * Vlath.Pow(U, 5) - Math.Pow(10, -7) * 2.726332994 * Math.Pow(U, 6)

+ 1.320880780 * Math.Pow(10, -9) * Math.Pow(U, 7);

}

//-—Мощность, рассеиваемая на диоде..........................

public double Power_Diss_Diode(double Uin, double UoutMax) {

double result;

i f (Dyn_R_Load_NL.Checked)

RLoad = ResistanceNLfunction(UoutMax); if (Dyn_R_Load_L.Checked)

RLoad = Resistance_L_function(UoutMax); double IoutMAX = UoutMax/RLoad; result = (1 - UoutMax / Uin)*IoutMAX*U_diode; return result;

}

//—Потери на сопротивлении ключевого транзистора-............

public double Power_Cond_Key_Transistor(double Uin, double UoutMax) {

double result;

i f (Dyn_R_Load_NL.Checked)

RLoad = Resistance_NL_function(UoutMax); i f (Dyn_R_Load_L .Checked)

RLoad = Resistance_L_function(UoutMax); double IoutMAX = UoutMax / RLoad;

double R DS ON hot = (1 + (double)0.005 * (Tj_hot - 25)) * R_DS_ON; result = (UoutMax / Uin) * Math.Pow(IoutMAX,2) * RJDSON _hot; return result;

}

/7—Потери на переключение-----------------------------------

public double Power_Switching_losses(double Uin, double UoutMax, double Fsw) {

double result;

i f (Dyn_R_Load_NL.Checked)

RLoad = Resistance_NL_function(UoutMax); i f (Dyn_R_Load_L.Checked)

RLoad = ResistanceLfunction(UoutMax); double IoutMAX = UoutMax / RLoad; result = (Crss * Uin * Fsw * IoutMAX) / Igate; return result;

}

//—Мощность, рассеиваемая па конденсаторе сток-земля................

public double Power_Diss_Cap_drain_ground(double Uin, double UoutMax) {

double result;

double 1_сар_прр1е;//Величина пульсаций тока через конденсатор if (Dyn_R_Load_NL.Checked)

RLoad = Resistance_NL_function(UoutMax); if (Dyn_R_Load_L.Checked)

RLoad = ResistanceLfunction(UoutMax); I_cap_ripple = (UoutMax / RLoad) * Math.Sqrt(UoutMax * (Uin - UoutMax)) / Uin; result = Math.Pow(I_cap_ripple, 2) * ESR_C_drain_ground; return result;

}

//—Мощность, рассеиваемая на конденсаторе фильтра................—

public double Power_Diss_Capacitance(double Uin, double UoutMax, double Fsw)

{

double result = 0; double delta_I=0;

double IoutMAX = UoutMax / RLoad;

for (int i = 0; i < ESR.Length; i++) {

delta l =IoutMAX*LIR;//HHKOBb!ii ток через индуктивность result = result + (Math.Pow(delta_I * (Malh.Sqrt(3)), 2) * ESR[i]);

}

return result;

}

//—Мощность, рассеиваемая на катушке фильтра........................

public double Power_Diss_Inductor(double Uin, double UoutMax, double Fsw) {

double result = 0; double delta l = 0;

double IoutMAX = UoutMax / RLoad; if (DynRLoadNL.Checked)

RLoad = ResistanceNLfunction(UoutMax); if (Dyn_R_Load_L.Checked) RLoad = ResistanceLfunction(UoutMax);

for (int i = 0; i < DCR.Length; i++) {

delta l = IoutMAX * LIR;//nHKOBbifi ток через индуктивность

result = result + (Maih.Pow(delta_I * (Math.Sqrt(2))+(UoutMax/RLoad), 2) * DCR[i]);

}

return result;

}

//-—кпд......................................................

public double Efficiency(double Uin, double UoutMax, double Fsw) {

if (DynRLoadNL.Checked)

RLoad = Resistance_NL_function(UoutMax); if (Dyn_R_Load_L.Checked)

RLoad = ResistanceLfunction(UoutMax); double Pout = Ylath.Pow(UoutMax,2) / RLoad;; double result;

result = Pout / (Pout + 1.09*(Power_Diss_Diode(Uin, UoutMax)

+ Power_Cond_Key_Transistor(Uin, UoutMax) + Power_Switching_losses(Uin, UoutMax, Fsw) + Power_Diss_Inductor(Uin, UoutMax, Fsw) + Power_Diss_Capacitance(Uin, UoutMax, Fsw) + Power_Diss_Cap_drain_ground(Uin, UoutMax))); return result;

}

/7,7—Метод, считывающий данные для выполнения моделирования из файла------------------

public doublef] File_read(string Par) {

iileStream Fstr = new rileStreamCPWM_Conv_Paranieters.txt", I'ileYlode.Open);

StrcamRcader FStrRd = new StreamRender(Fstr, Encoding.Default);

l.ist<double> M_Ar= new l.ist<double>();

int i = 0;//счетчик количества строк в файле

string m_txt;//3na4enne параметра, считанного из файла

//—Подсчет количества строк в файле.............................

while (true) {

if (FStrRd.ReadLine() == "End_of_iile")

break; else

}

Fstr.Position = 0; int k=0;

//—Переход на строку с названием параметра.......................

while (k < i) {

if (FStrRd.ReadLine() == Par)

break; k++;

}

int п=0;//'номер племен га в списке

while (n < i) {

mtxt = FStrRd.ReadLine(); if (m_txt == "End") break;

else {

if (Par =="Fsw")

M_Ar.Insert(n, double.Parse(m_txt)*lE6);//B случае, если считывается частота, //каждое значение умножается на 10Л6. так как в файле записывается значение в МГц else

M_Ar.Insert(n, Com ei t.ToDouble(m_txt)); n++;

}

}

FStrRd.Close(); Fstr.Close();

double[] Darr = new double[M_Ar .Count];

M_Ar.CopyTo(D_arr);

return D arr;

}

«УТВЕРЖДАЮ» Проректор ФГОБУ ВПО МТУСИ по учебной работе к.т.и, доцент

Титов Е.В.

об использовании рсзульгато^^серггй^Глой работы Дулова ИМ. «Исследование и разработка тракт^^&ния мощности передатчика цифрового радиовещания диапазона ОВЧ» » учебном процессе ФГОБУ ВПО МТУСИ

Мы, нижеподписавшиеся, декан факультета «Радио и телевидение» ФГОБУ ВПО МТУСИ. профессор ПЕСТРЯКОВ АЗ. и заместитель заведующего кафедрой Радиооборудования и схемотехники (РОС), доцент ДМНГЕС С.И., настоящим подтверждаем, то результаты диссертационной работы соискателя Дулова И.В используются с 2011 года в учебном процессе кафедры РОС в леки ионном курсе «Современные телевизионные и радиовещательные передатчики» для студентов специальности 210405 «Радиосвязь, радиовещание и телевидение», а также в дипломном проектировании и при подготовке выпускных квалификационных работ 3-х бакалавров и 3-х магистров.

Зам. за», кафедрой РОС ФГОБУ ВПО МТУСИ, к.т.н., доцент

Декан факультета РиТ ФГОБУ ВПО МТУСИ д.т.н., профессор

Дингсс СМ.

Пестряков Л.В.

л «о ч>

о

и о

н»

Открытое акционерное обшсство «Российская корпорация ракстио-космнческого приборостроения и информационных систем» (ОАО «Российские космические системы»)

Ляал* :«рйз» >.1, г $1 Шжк»,ШЗЙ

омнии*шт тт т*ты»тт «в» птшш шн лштп

. Я.

«гг

УТВЕРЖДАЮ

ИсриыК тамео «tc.ii, гсмсрад>»| г/> директора, первый ттс^фй^еф^^^ | конструктора

«}о* гс<

АКТ

С".А. Ежов

об мсполыованнн научных иоложснпЦ м выводов днемргаапн Ду.шиа Меям* Валерьевич»

Комиссий в сосгаяе: прелссдаггсля чамееттеш начавши® отделения 012 Колышшоьа Е.В.. членов, зачл-титедя тачалмм» отдела 1241 Разина С.А., ученого секретаря Федотова С,А. коистятируст, что предложенный в кандидатской диссертации Дуло» И.В. закон плавного нелинейного регулирования напряжения питания усилителя мощности использован и СЧ ОКР «БортсокЛ источник ншнпадиояиш ашааи 13» (БИНС-ЬЗ) при разработке импульсного источишш питания бортового усилителя моишостн. что позволило поднять средний КПД усилителя мощности «а 15%,

Председатель комиссии

Члены комиссии:

Е.8. Кшмванов

лм- 2013 г.