А.А. Максимов1, С.Ф. Горгадзе2

1,2 Московский технический университет связи и информатики (Москва, Россия)

1 a.a.maksimov@mtuci.ru; 2 s.f.gorgadze@mtuci.ru

Постановка проблемы. Для обеспечения требований по уровню внеполосных излучений и повышения скорости передачи информации в цифровых каналах связи используется линеаризация радиочастотного тракта усиления сигналов с амплитудной и фазовой модуляциями, которая неизбежно сопровождается снижением его энергетической эффективности.

Цель. Рассмотреть аспекты линеаризации усилителей мощности (УМ) и предложить энергетически эффективные варианты, построенные на базе электрической эквивалентной схемы активного элемента и обеспечивающие линейность усиления сигналов с амплитудной и фазовой модуляциями.

Результаты. Разработана методика расчета оператора безынерционных нелинейных преобразований сигнала с амплитудной и фазовой модуляциями в УМ на основе его электрической эквивалентной схемы для исследования режимов его работы при наличии/отсутствии раздельного усиления и регулирования по питающему напряжению при резонансной или широкополосной нагрузке. Рассмотрены варианты усиления при линейном регулировании напряжения питания УМ и при его работе в граничном и недонапряженном режимах, а также при раздельном усилении высокочастотной составляющей и амплитудной огибающей сигнала с восстановлением последней при перенапряженном режиме работы, а также в ключевом режиме класса D. Выявлено, что в ключевом режиме класса D легко компенсируемые, но существенные амплитудные и фазовые искажения сигнала, имеют место только при низком уровне его амплитуды, не превышающем (20-25)% от его максимально допустимого значения, а при увеличении уровня амплитуды сигнала (вплоть до максимально допустимого) нелинейные искажения практически отсутствуют. Показано, что в остальных рассмотренных случаях (кроме восстановления амплитудной огибающей сигнала в перенапряженном режиме работы УМ) можно практически полностью скомпенсировать нелинейные искажения сигнала при сходных итоговых значениях характеристик остаточных нелинейных искажений и при выходной полезной мощности УМ, на (32-36)% больше чем в случае восстановления амплитуды сигнала на основе регулирования по питающему напряжению в сочетании с его ключевым режимом работы. Установлено, что при регулировании по питающему напряжению в сочетании с восстановлением в УМ амплитудной огибающей сигнала в перенапряженном режиме работы не удается скомпенсировать нелинейные искажения сигнала при уровне его амплитуды на входе, превышающем приблизительно 0,8 от максимально допустимого. Для решения данной проблемы предложено уменьшить амплитуду входного сигнала, что приведет к уменьшению выходной мощности УМ после линеаризации примерно на (60-64)% по сравнению с отсутствием регулирования. Следовательно, в этом случае целесообразно использовать комбинированное усиление с использованием не менее двух усилительных каскадов в сочетании с их линеаризацией.

Практическая значимость. Представленные результаты могут быть использованы при создании линейных энергетически эффективных радио-трактов усиления сложных композитных сигналов с амплитудной и фазовой модуляциями цифровых каналов передачи информации перспективных радиосистем.

Максимов А.А., Горгадзе С.Ф. Линеаризация усилителя мощности с раздельным усилением и регулированием режима по питающему напряжению // Радиотехника. 2025. Т. 89. № 1. С. 5−23. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202501-01

1. Горгадзе С.Ф. СВЧ-усилители мощности для мобильной связи и радиодоступа. Монография. М.: Горячая линия - Телеком. 2022. 456 с.
2. Сечи Ф., Буджатти М. Мощные твердотельные СВЧ-усилители. Монография. М.: Техносфера. 2016. 416 с.
3. Ghannouchi F., Hammi O., Helaoui M. Behavioral modelling and predistortion of wideband wireless transmitters. Monograph. John Wiley & Sons Ltd. 2015. 250 p.
4. Yu C., Lu Q., Yin H., Cai J. Linear-Decomposition digital predistortion of power amplifiers for 5G ultrabroadband applications // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2020. V. 68, № 7. P. 2833-2844.
5. Byrne D., Farrell R., Dooley J. Hardware and latency optimization for 5G digital predistortion // 2019 30th Irish Signals and Systems Conference (ISSC). 2019. Р. 1-6.
6. Gilabert P.L., Braithwaite R.N., Montoro G. Beyond the moore-penrose inverse: strategies for the estimation of digital predistortion linearization parameters // IEEE Microwave Magazine. 2020. V. 21. № 12. P. 34-46.
7. Петушков С.В. Адаптивное устройство предыскажающей линеаризации для бортовых радиопередающих устройств // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2020. Т. 12. № 6. С. 11-17.
8. Максимов А.А., Комаров И.В., Горгадзе С.Ф. Моделирование компенсации нелинейных искажений в усилителе мощности на основе его цифровой поведенческой модели // Телекоммуникации и информационные технологии. 2022. Т. 9. № 2. С. 92-99.
9. Schuartz L., et al. Comparison between direct and indirect learnings for the digital pre-distortion of concurrent dual-band power amplifiers // Proceedings of the 32nd Symposium on Integrated Circuits and Systems Design. São Paulo. Brazil: Association for Computing Machinery (SBCCI’19). 2019.
10. Горгадзе С.Ф., Максимов А.А. Теория гармонического баланса для схемотехнического проектирования // T-Comm: Теле-коммуникации и транспорт. 2020. Т. 14. № 11. С. 21-32.
11. Горгадзе С.Ф., Пилюгин И.С. Самонастраивающийся алгоритм линеаризации характеристики усилителя мощности на основе LUT // REDS: Телекоммуникационные устройства и системы. 2020. Т. 10. № 2. С.34-39.
12. Горгадзе С.Ф. Выбор поведенческой модели нелинейного твердотельного усилителя мощности // Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов. 2018. Т. 9. № 1. С. 54-58.
13. Варламов О.В., Нгуен Д.К., Грычкин С.Е. Комбинирование синтетических методов высокоэффективного высокочастотного усиления // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2021. Т. 15. № 9. С. 11-16.
14. Raab F.H. Drive modulation in Kahn-technique transmitters// 1999 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest (Cat. No.99CH36282). Anaheim. CA. USA. 1999. V. 2. Р. 811-814. DOI: 10.1109/MWSYM.1999.779883.
15. Rautio T., Harju H., Hietakangas S., Rahkonen T. Effects of different VDD-drives in ET & EER transmitters // Norchip 2007. Aalborg. Denmark. 2007. Р. 1-4. DOI: 10.1109/NORCHP.2007.4481031. 
16. Нгуен Д.К. Методы снижения требований к полосе пропускания антенны для передатчика с разделением составляющих // Радиотехника. 2023. Т. 87. № 9. С. 96-112. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202309-09.
17. Zhu A., Draxler P., Jonmei J., Brazil T.J. Open-Loop digital predistorter for RF power amplifiers using dynamic deviation reduction-based volterra series // IEEE Transactions on Microwave Theory Techniques. 2008. July. V. 56. P. 1524-1534.
18. Смирнов А.В., Горгадзе С.Ф. Потенциальный КПД усилителей сложных композитных сигналов // Электросвязь. 2016. № 2. С. 68-74.
19. Коколов А.А., Шеерман Ф.И., Бабак Л.И. Обзор математических моделей СВЧ полевых транзисторов с высокой подвиж-ностью электронов //Доклады ТУСУРа. 2010. № 2(22). Ч. 1. С. 118-123.
20. Кобболд Р. Теория и применение полевых транзисторов. Монография. Ленинград: Энергия. 1975. 304 с.
21. Каганов В.И. Проектирование транзисторных радиопередатчиков с применением ЭВМ. Монография. М.: Радио и связь. 1988. 256 с.
22. Gorgadze S.F. Choice of the behavioral model of the non-linear solid-state power amplifier // В сб.: 2018 Systems of Signal Synchronization, Generating and Processing in Telecommunications (SYNCHROINFO 2018). 2018. С. 8457034.
23. Горгадзе C.Ф. Асимметричные модификации обобщенного быстрого преобразования Фурье и Фурье-Адамара // Радио-техника и электроника. 2005. Т. 50. № 3. С. 302-308.
24. Gorgadze S.F. Composite spread spectrum signals with uniform amplitude envelope for satellite radio-navigation systems // Journal of Communications Technology and Electronics. 2017. V. 62. № 47. Р. 346-359.
25. Брюханов Ю.А., Красавин К.А. Нелинейные искажения сигналов в мощных выходных усилителях // Радиотехника. 2019. Т. 83. № 8. С. 28-37. DOI: 10.18127/j00338486-201908(11)-04.
26. Брюханов Ю.А., Красавин К.С. Искажения сигналов с угловой модуляцией в мощных выходных усилителях // Радио-техника. 2021. Т. 85. № 9. С. 86-94. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202109-08.
27. Донцов Д.Е., Горгадзе С.Ф Анализ и сравнение вариантов построения усилителей мощности для мобильных сетей 5G // Телекоммуникации и информационные технологии. 2022. Т. 9. № 1. С. 83-90.
28. Комаров И.В., Мыльников А.С., Горгадзе С.Ф. Разработка и исследование характеристик твердотельного усилителя мощности S-диапазона для бортового ретранслятора // Телекоммуникации и информационные технологии. 2023. Т.10. № 1. С. 80-89.