Подписка на новости

Опрос

Нужно ли ввести комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

2011 №3

Практическая реализация систем с модуляцией стока при помощи детектирования огибающей ВЧ-сигнала

Нэш Имон (Nash Eamon)

Элгамрави Ашраф (Ashraf Elghamrawi)


Повышение КПД мощных усилителей было и остается важной проблемой для производителей оборудования систем беспроводной связи, которые стремятся выпускать более дешевые и менее габаритные устройства, которые потребляли бы как можно меньше электроэнергии от сети (меньший ток батарей в портативном оборудовании). В настоящее время предложен и исследуется целый ряд возможных решений этой задачи. В большинстве случаев коммерциализация того или иного метода зависит от появления принципиально новой технологии. В этой статье будут обсуждаться некоторые из методов, применяемых для повышения КПД, и некоторые из ВЧ-блоков, позволяющих реализовать данные методы на практике.

Отношение пикового уровня к среднему

На рис. 1 изображена временная диаграмма огибающей сигнала с ортогональным частотным мультиплексированием (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM), имеющего ширину полосы 20 МГц. Этот сигнал состоит из большого числа ортогональных поднесущих, каждая из которых модулируется по закону квадратурной амплитудной модуляции (Quadrature Amplitude Modulation, QAM) с низкой символьной скоростью. Беспроводная передача информации при помощи OFDM приобретает все большую популярность, во многом благодаря относительной устойчивости низкоскоростных сигналов к эффекту замираний (фэйдингу).

Данный метод используется в настоящее время в беспроводных локальных сетях (Wireless LAN) и системах WiMax, а также планируется к применению в мобильных сетях передачи речи и данных следующего поколения LTE (Long Term Evolution) — 3GPP. «Продвинутые» системы OFDM позволяют адаптивно изменять закон модуляции поднесущих в зависимости от рабочих условий и условий окружающей среды. Так, например, если абонент находится на границе соты, то система может принять решение о передаче на поднесущих сигналов с квадратурной фазовой манипуляцией (Quadrature Phase Shift Keying, QPSK), для успешной демодуляции которых достаточно сравнительно небольшого отношения сигналшум. Платой за это является относительно малая скорость передачи данных. С другой стороны, если абонент находится близко к центру соты и ему необходима высокая скорость, то для передачи сигналов на поднесущих может использоваться модуляция более высокого порядка.

Поскольку сигналы с QAM высоких порядков, например 64-QAM или 128-QAM, обладают большими отношениями пикового уровня к среднему, то и для составного OFDM-сигнала, который легко может включать в себя до 1024 поднесущих, данное соотношение также будет большим. Это отчетливо видно на рис. 1. Из диаграммы также следует, что в сигнале будут присутствовать глубокие провалы. Таким образом, хотя при анализе сигнала обычно ведут речь об отношении пикового уровня к среднему, на практике при проектировании усилителей с высоким КПД может иметь большое значение отношение пикового уровня к минимальному, которое может достигать 40 дБ.

Временная диаграмма сигнала с ортогональным частотным мультиплексированием

Рис. 1. Временная диаграмма сигнала с ортогональным частотным мультиплексированием, имеющего ширину полосы 20 МГц

На рис. 2 изображена сильно упрощенная блок-схема каскада усиления мощности. Ток, выдаваемый в нагрузку, обеспечивается напряжением питания усилителя высокой мощности (High Power Amplifier, HPA), которое в данном примере равно ±4 В. Выходной сигнал характеризуется среднеквадратическим (VRMS) и пиковым уровнями напряжения. Для поддержания хорошего качества сигнала необходимо, чтобы между его максимальным уровнем и напряжением питания имелся достаточный запас, который предотвращал бы усечение пиков в сигнале.

Усиление мощности сигнала с высоким отношением пикового уровня к среднему

Рис. 2. Усиление мощности сигнала с высоким отношением пикового уровня к среднему

Это требование к наличию запаса по напряжению является ключевой слабостью системы и приводит к уменьшению потенциально достижимого КПД. Если сигнал обладает высоким отношением пикового уровня к среднему, то напряжение должно выбираться исходя из пикового, а не среднеквадратического напряжения.

Представьте, что среднеквадратическое значение выходного напряжения равно 1 В, а отношение пикового уровня к среднему — 4 (12 дБ). Это означает, что сигнал будет иметь пики на уровне 4 В и максимальный полный размах напряжения 8 В. Таким образом, напряжение питания системы должно быть не ниже ±4 В (или 8 В в системах с однополярным питанием). Мощность, выдаваемая в нагрузку, равна 20 мВт (1 В × 1 В/50), а ток нагрузки равен 20 мА. В то же время мощность, потребляемая от источника питания, составляет 80 мВт (4 В × 20 мА). Таким образом, КПД равен 25% (100 × (20 мВт/80 мВт)). Несмотря на то, что в приведенном примере рассматривается некоторая абстрактная система, он хорошо иллюстрирует то, каким образом передача сигнала с высоким отношением пикового уровня к среднему снижает КПД каскада усиления мощности.

Модуляция стока

На рис. 3 показана альтернативная схема усиления мощности, в которой делается попытка нивелировать проблему запаса по напряжению.

Устранение и восстановление огибающей (модуляция стока)

Рис. 3. Устранение и восстановление огибающей (модуляция стока)

В данном случае входной сигнал разделяется на две ветви. В одной из них сигнал подвергается ограничению, то есть усиливается до вхождения в состояние насыщения. При этом информация о фазе сохраняется неизменной. Во второй ветви сигнал подается на детектор огибающей. Выходной сигнал детектора огибающей, в свою очередь, используется для модуляции напряжения питания усилителя мощности (УМ). Этим гарантируется, что напряжение смещения УМ будет высоким только тогда, когда это действительно необходимо, что может привести к значительному сокращению потребляемой энергии и повышению КПД.

Реализация подобной схемы, которую часто называют системой с устранением и восстановлением огибающей (Envelope Elimination and Restoration, EER) или модуляцией стока (термин «сток» в данном случае относится к стоку мощного полевого транзистора), сопряжена с рядом трудностей, наиболее значимые из которых связаны с трактом вычисления огибающей. У сигнала несущей, имеющего ширину полосы 20 МГц, огибающая также имеет ширину полосы 20 МГц. Это означает, что во избежание фазовых задержек ширина полосы детектора и источника напряжения питания УМ должна, по меньшей мере, быть равна, а, вероятно, и значительно превышать 20 МГц. Данное требование особенно трудновыполнимо для источников питания, которые должны обеспечивать десятки или сотни ватт. На сегодня модуляция стока получила распространение в основном в узкополосных системах, таких как мобильные телефоны стандарта GSM/EDGE с одной несущей, имеющих ширину полосы порядка сотен килогерц.

Последние достижения в технологии детектирования огибающей помогают сделать реализацию данной архитектуры на практике реальностью. На рис. 4 изображена блок-схема недавно анонсированного компанией Analog Devices детектора огибающей и среднеквадратического напряжения TruPWR ADL5511.

Блок-схема ADL5511

Рис. 4. Блок-схема ADL5511

Микросхема ADL5511 формирует два независимых выходных сигнала из одного входного ВЧ-сигнала. Напряжение на выходе VRMS соответствует среднеквадратическому напряжению входного сигнала (с коэффициентом усиления 3). Напряжение на выходе VENV соответствует огибающей входного сигнала. Выходной сигнал VENV изменяется относительно фиксированного опорного напряжения 1,1 В, которое доступно на выходе EREF. Благодаря привязке выходного напряжения огибающей к ненулевому уровню гарантируется, что полное напряжение огибающей (VENV–ЕREF) может изменяться вплоть до 0 В с малыми погрешностями напряжения смещения постоянной составляющей.

Сигнал на входе ADL5511 может иметь мощность в диапазоне –25–+15 дБм; то есть динамический диапазон входного сигнала равен 40 дБ. Погрешность выходных напряжений среднеквадратического уровня и огибающей во всем рабочем температурном диапазоне не превышает ±0,25 дБ. Кроме того, детектор работает в широком диапазоне частот от 1 МГц до 4 ГГц без применения внешнего «балуна» или реактивных цепей согласования. Задержка вычисления сигнала огибающей в ADL5511 минимизирована и составляет менее 5 нс. Это позволяет поддерживать довольно точную синхронизацию между передаваемым сигналом и сигналом огибающей, используемым для модуляции стока, без необходимости в длинных линиях задержки.

Временные диаграммы сигналов среднеквадратического напряжения и огибающей ADL5511

Рис. 5. Временные диаграммы сигналов среднеквадратического напряжения и огибающей ADL5511

Помимо реализации модуляции стока, выходы VRMS и VENV могут использоваться разработчиком УМ для вычисления отношения пикового уровня входного сигнала к среднему при помощи внешней усилительной схемы, запоминающей пиковое значение. Также для измерения отношения пикового уровня к среднему может использоваться детектор среднеквадратического напряжения и огибающей ADL5502 компании Analog Devices, который имеет внутреннюю схему запоминания пикового значения.

На рис. 5 показаны выходные сигналы среднеквадратического напряжения и огибающей, формируемые детектором ADL5511 при подаче на его вход сигнала WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) с одной несущей. Желтая сплошная линия соответствует сигналу несущей WCDMA. Синяя линия — это выходной сигнал VENV. При скорости следования элементов кодовой последовательности 3,84 Мчип/с ширина полосы сигнала WCDMA равна примерно 3,84 МГц. Поскольку выходной каскад тракта вычисления огибающей ADL5511 имеет ширину полосы приблизительно 80 МГц, выход VENV способен точно воспроизводить быстро изменяющуюся огибающую. Кроме того, благодаря ширине диапазона детектирования 40 дБ (и по выходу среднеквадратического напряжения, и по выходу огибающей) детектор способен точно воспроизводить как пики, так и провалы в огибающей.

На рис. 5 также изображена прямая линия (розового цвета), которая соответствует среднеквадратическому напряжению входного сигнала (умноженному в 1,5 раза). Этот выходной сигнал подвергнут усреднению при помощи конденсатора номиналом 1 мкФ, подключенного к выходу FLT4. Данная емкость существенно замедляет время отклика выхода среднеквадратического напряжения, но при этом не влияет на отклик выхода огибающей.

Благодаря широкой полосе тракта вычисления огибающей и диапазону детектирования сигналов 40 дБ микросхема ADL5511 помогает упростить реализацию чисто аналоговых схем модуляции стока, в которых сигнал огибающей, подаваемый на быстродействующий источник питания, формируется из сигнала модулированной несущей. Дополнительный выход среднеквадратического напряжения может быть полезен в подобных системах для масштабирования мощности выходного сигнала.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Беспроводные технологии PDF


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке