автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Исследование нелинейных искажений в усилителях мощности передатчиков телевизионных ретрансляторов

аШИОТЕРСТВО СВЯЗИ СССР

Московский ордена Трудового Красного Знамени институт связи

На правах рукописи ЗИНСУ Гальбер Рафыо

УДК 621.397.611

ИССЛЕДОВАНИЕ ШШЕПШХ ИСКАЕЕИЙ 3 УСИЛИТЕЛЯХ ШЩНОСТИ ПЕРЕДАТЧИКОВ ТЕЛЗЗИЗИОННЫХ ЖТШСЛЯТОРОВ

Специальность 05.12.17 - Радиотехнические и телевизионные системы и устройства

АВТОРЕ Ф Б Р А Т

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 ¡осква 1991

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени институте связи.

Научный руководитель ■- кандидат технических наук, доцент

НУЯНЗИН В.П.

Официальные оппоненты-г доктор технических наук, профессор

ЧИСТЯКОВ Н.И. - - кандидат технических наук, с.н.с. ЛОКШИН A.M.

Ведущая организация - Ленинградский электротехнический

институт связи

Защита состоится " t^&pi & 1991 г. в " часов на заседании специализированного совета К 118.06.03 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Московском ордена Трудового Красного Знамени институте связи.

Адрес: 105855, ГСП, Москва, ул. .Авиамоторная, д.8-а, ШС

Автореферат разослан 1991 г.

Ученый секретарь специализированного совета К 118.06.03, к.т.н., доцент

В.Н.Федосеева

ffo

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА PAEOIH

Актуальность te «si Тема нелинейных искажений (НИ) не нова. Она была исследована BaRtletloM в 1933 г., Котельниковым В.А. в 1936, 1947 и 1951 гг., Зейтяенком Г.А., Артамом А.Д. и Моделей З.И. в 1958 г., Сидоровым В.М., Крыловым Г.¡л:, Алексеевым 0.В., Кагановым В.И., Хотунцевым Ю.Л. и другигди советскими и зарубежными учеными.

И в настоящее время интерес к данной теме не. спадает, о чем свидетельствует довольно большое и непрерывно растущее число публикаций, книг, статей, диссертаций и описаний цатентов. Это объясняется тем, что с одной стороны неискаженная передача информации имеет одно из первостепенных значений, и с другой требования'к параметрам ЭЫС достаточно яестки.

Вопрос НИ з радиопередающих устройствах наиболее полно исследован применительно к связным передатчикам с ОМ и вещательным с AM колебаниями. Следует отметить работы Завранного Ю.В. .Foucaßfc S., SasaKi T.,HataD!<n Т., Sbinbo 0.. Лаврушенкова В.Г., Розова В.М., Gaudin D., Лисицкого А.П. и других.

С развитием ТВ вещания естественно возникает вопрос об обеспечении достаточно высокого качества вещания и требования к надежности и постоянной стабильности работы аппаратуры возрастают.

Исследование НИ в трактах ТВ передатчиков вообще посвящены работы следующих известных ученых: Лебедева-Караканова А.И., Тлазмана Э.С., Файнштейна A.A., Козловского МЛЛ., Воробьева A.A., Иванова В.К., Калинина Л.Б., Шабетника В.Д., Щурского В.И., Лок-шина A.M., Полонского А.Б., Попова A.A., Clumot С., Foucaßt S., Ostpoff N., Oppicci L, BeltzeR B.;Cofikel J. и других.

В развитии сетей ТВ вещания во всем мире все большее значе-

ние получают ретрансляторы ТВ сигналов небольшой мощности, заполненные на полупроводниках. Эти ретрансляторы в настоящее время наиболее целесообразно выполнять по принципу общего тракта усиления мощности радиосигнала ТВ вещания (РсТВВ) (сигналов изо-бракения (И3) и звукового сопровождения (ЗС). Применение такого принципа позволяет исключить из состава оборудования соответствующие каскады тракта 3G и мощный разделительный фильтр, т.е. упростить все оборудование и повысить его надежность, При этом возникает ряд проблем, наиболее острой из которых является возникновение взаимных помех между каналами Ид и ЗС, вызванных нелинейностью и несовершенством схемы общего тракта.

Исследованию НИ в общем тракте усиления мощности РсТВВ посвящено небольшое количество работ. Этот принцип обсуждается в трудах ученых фирм TboMbor\-CSF,Rohde & SckwaR2 и других. В СССР наиболее полно он рассмотрен учеными Файнштейном A.A., Глазманом Э.С., Козловским I.i.M., Поповым A.A., Ивановым В.К..

В работах первой группы ученых решение качественных вопросов имеет определяющее значение и достигается применением особых активных элементов (АЭ) и эффективных, методов уменьшения НИ.

В работах второй группы авторов предложенные методы позволяют найти компромисс между необходимым качеством сигнала и удовлетворительной энергетикой, при этом предполагается использовать тот не АЭ выходного каскада мощности передатчика Ид для усиления суммарного сигнала."

В упомянутых выше работах не всегда есть теоретическое обоснование отдельных предположений; иногда не рассматриваются или недостаточно полно освещены некоторые аспекты данного принципа применительно к ТВ'ретрансляторам.

Необходимость дальнейшего развития ТВ в моей стране Бенин

со сравнительно небольшой территорией и вытянутой формой предполагается также вести с использованием, главны;:: образом, ретрансляторов; желательно бы улучшить качественные показателя существующего ккяоэаттного передатчика, входящего в состав станции на юге.

С учетом вышеизложенного тему данной работы можно считать актуальной.

Цель работы. Она состоит з тогл, чтобы разобраться с возможностями выполнения трактов совместного усиления мопззос-ти РсТВЗ для ретрансляторов.

Осн.овные задачи исследования. 3 соответствии с поставленной целью диссертации рассматривается лишь один аспект данного вопроса, а именно: исследование комбинационных и перекрестных искажений (Ш и ПерИ) РсТЗЗ, анализ причин их возникновения, расчет и измерение их уровней, анализ г.е-тодов их уменьшения и даются рекомендации по рациональному построению подобных устройств. Эти задачи являются классическими для данной тэга.

>1 е г о д а исследования. При решении поставленных задач были использованы: метод комплексной огибающей; метод учитывающий совместное влияние неидеальностей амплитудной и казо-амплитудной характеристик (АХ и SAX); квазистационарный метод анализа НИ; численный метод интегрирования Симпсона; интерполяционный метод с использованием многочлена Лаграняа; метод моделирования на ЭВМ, а такке классические методы анализа, применяемые в теории линейных и нелинейных электрических цепей.

Научная новизна работы. Она состоит в следующем:

I. Предложено общее аналитическое представление всех бостав-

ляющих искаженного выходного РсТВЗ.

2. Получены простые а нагляднее формулы для расчета этих поставляющих, а такне ПерИ, в том числе и дифференциальных.

3. Установлена связь между уровнями КИ третьего порядка РсТВВ при трехчастотноы и двухтоновом методах испытаний, позволяющая использовать результаты измерений при двухтоновом воздействии для оценок уровней КИ при-трехтоновом методе испытания по- ГОСТ.

4/ На основе предыдущего предложена более точная методика расчета на ЭВд комбинационных-составляющих (КС) выходного РсТВЗ.

-5. Доказано теоретически' влияние отсутствия отдельных составляющих в "спектре предаскакенного входного радиосигнала на степень подавления КИ различных порядков.

Личный в, к л а" д. ч ~Все научные результаты, изложенные 1 в работе, получены автором лично. -

Иракт-ическа'я ценность "полученных результатов. Она состоит в том, что они могут быть использованы при измерении КИ третьего порядка, результат которого не зависит от начальных фаз отдельных тонов испытательного сигнала;"это значительно облегчит и упростит этот процесс, они могут'быть использованы также в учебном процессе при изучении ТВ передатчиков, при курсовом и дипломом проектированиях (программа расчета комбинационных составляющих на языке Бейсик, с учетом предложенной методика, более точна).

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсундались_ на конференциях профессорско-' преподавательского состава ;<1ИС_в 1987-1989 гг. Справедливость результатов подтверждается близостью результатов, полученных"различными методами, сопоставимостью по частным случаям р рззульта-

таи1, известными из экспериментальных работ других авторов. Косвенно ;е достоверность определяется также применением апробированных г.етодов исследования.

II у б л и к а ц и и. По материалам диссертации опубликованы две печатные работа.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 142 страницах машинописного текста, иллюстрирована 68 рисунками и таблицам, содержит введение, четыре главы, заключение, четыре приложит на 34 листах, в которые вынесены вспомогательные расчеты, выкладки, описание програи.к. Список литературы включает 99 наименований.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Классификация основных методов з реализации принципов раздельного и совместного усиления (РУ и СУ) РсТВВ.

2. Представление составляющих выходного РсТВВ в виде комбинаций гармоники несущей частоты сигнала изображения с гармониками поднесущих частот сигналов цветности и звукового сопровокдения.

3. Получение наглядных и простых формул расчета КИ и ПерИ РсТВВ в зависимости от степени неидеаяьностей АК и ФАХ.

4. Разработка двухтонового метода измерения третьего порядка РсТВВ и выявление его преимуществ перед трехчастотным способом. Сравнение результатов расчета уровней КС при предложенном методе и при методе Каганоза В.И.

5. Разработка рекомендаций но рациональному построению трак-то.) СУ мощности для передатчиков ТВ ретрансляторов.

КРАТИЭй СОДЖЛНЙЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы выбор, актуальность теш сформулированы цель диссертационной работы, а так:хе основные положения,

выносимые на защиту.

В первой главе работы приводится обзор литературы, посвященной. основным концепциям развития техники ТБ передатчиков малой и средней мощности вообще и исследованию усилителей мощности ретрансляторов с совместным прохождением радиосигналов и ЗС. Анализируются связанные с этим способом проблемы и пути их решения.

Дана классификация основных методов реализации принципа СУ (табл. I). Здесь же рассматриваются особенности радиосигнала ТЗ вещания и сравниваются качественные показатели ТВ передатчиков с обычными вещательными с А1.1 и связанными с 01»1 колебаниями."

Формируются также задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели диссертационной работы.

Из обзора следует, что:

- тенденция ограничения мощности ретрансляторов до киловатта оказывается устаревшей; в современных устройствах мощность может достигать 5000 Вт и название "ретранслятор" таким образом связано с их местом расположения и их ролью в сети передачи ТВ программ и информаций;

- все технические и технологические решения направлены в ос-

ч

новном на обеспечение высокой надежности и в первую очередь улучшения качественных показателей (более жестких, чем в вещательных и связных передатчиках) в сочетании с допустимым ухудшением энергетических (Ршх и КПД);

- среди основных мероприятий по достижению высокой надежности особое место занимает принцип СУ РсТВВ; выявлено, что он определяется тем, на каком уровне мощности (на малом и среднем, в отличии от принципа РУ, при котором он происходит исключительно на высоком) формируется РсТВВ на РЧ или на 114; последний .вариант

на малом

!

КМ -

! *

« !

X

АФМ

КМ

амплитудно фазовая модуляция

квадратурная • модуляция

+ - лучше чем- среднее О - лучше чем ^

Табл. I. Блок схема методов реализации принципов СУ и РУ

предпочтителен из-за возможности более полной коррекции различного рода искажений и простого формирования АЧХ тракта передачи;

- основной причиной энергетической неэффективности является значительный размах изменения амплитуды при простом сложении, поскольку для-реализации этого принципа предполагается использовать активный элемент (АЭ) оконечного каскада мощности передатчика И .

- из построенных графиков, наилучшие характеристики по энергетике получаются при методе фазовой модуляции (И) (мощность суммарного сигнала Р^- и напряжение питания Ц^ не сильно отличаются соответственно от суммы мощностей и от напряжения питания АЭ Ц^ передатчика Ид); в то же время увеличивается вероятность "загрязнения" выходного сигнала, а при линейном суммировании наблюдается противоположное явление; метод квадратурной модуляции (Ш) занимает промежуточное положение.

Во второй главе дана рростейшая классификация НИ РсТВЗ. Из нее следует, что все составляющие спектра на выходе тракта усиления мощности (№1), т.е. основные, внеполосные и побочные могут быть представлены в виде сигналов комбинационных частот:

(т+ £ ) 10ц3+ П аЦв+ I 03ь ( I )

где СО^з -угловая частота несущей изображения;

О и -угловые частоты поднесущих сигналов соответственно

Ц6 °

цветности к звука;

; И, -коэффициенты, принимающие любые значения, в том чис-

ле нуль и отрицательные, удовлетворяют условиям:

ГГ. + П+^г: р . ( 2 )

1

и+ы+1е|=Кр. (з >

р - номор гаршник частоты сигнала изображения (I) прзд-

стазляет собой KG р -о?, гармоники вокруг которой находятся низкочастотные составляющие И 0ц-4-(? i)-^ ;

К

р^Кр^К

vp - четные или нечетные числа, прячем

" ' ( 4 )

( К - степень полинома аппроксшгарующего нелинейности тракта).

Таким образом различают спектры сигналов нулевой, первой, второй, третьей и т.п. гармоник, т.е. при р , равном соответственно О, I, 2, 3 и т.д.

Если составляющие входного сигнала модулированы, то в выражении сигнала кахдой комбинационной частоты 4;окно легко определить компонент перекрестной модуляции.

Детально анализируются причины возникновения ICI и ПерИ. Выявлено, что для их отсутствия недостаточно условие, при котором коэффициенты при нечетных степенях (кроме первой) аргумента равны нулю; необходимо, чтобы коэффициенты при . ,четных степенях также равнялись нулю, т.е. кроме рационального построения радиочастотных каскадов, необходимо применять схемотехнические методы уменьшения этих искажений..

Выбирается квазистатический метод анализа и расчета НИ, учитывающий совместное действие амплитудной нелинейности (АН) и амплитудно-^фазовой конверсии (А5К).

Такой выбор правомерен, так как ширина полосы Д(л) радиоканала ТВ вещания значительно меньше наименьшей частоты спектра

Дсо « ы„5 .

Яотучсга формулы для расчета перексослм:х ::с7'л,..еши1, з тс;.: члсде и дп^форенццалышх, a такте д«я КС и ьалгсимост;; с? */а v..--тернст.и; тракта передачи. 11ч. правильность подтверждена в i1 i при naci-TO i:a 03.;.

3 связи с ограничешим объемом автореферата, эти с?юр:;ули здесь rie приводятся. С Ними мо;;то ознакомиться в диссертации. Они отличаются от общеизвестных простотой, точностью и наглядностью.

3 третьей главе проводится сопоставление методов измерения уровней комбинационных искажений (КИ) в передатчиках ТЗ ретрансляторов ц в передатчиках 0;,j колебаний.

В первых они измер'яются при трехчастотном входном воздействии с различными ашяктудаш

Ug^O-^lioCOSW^t+^COSW^t+^COS^l , (6)

где О, «2= , . ( 7 J

Uo ^о Uo

а в последних - двухтонозом с разными амплитудами

110С05СОи1 +o(^U0COSCU3bt , (8)

причем 0<2 =0/3 — (о{1 + 0(г + 0(-5)//2 • ( 9 )

> С "Цо). иЦБ и \]Ъь - амплитуды несущих сигналов соответственно изображения, (©¿1 = I), цветности и звукового сопровождения. При этом предполагается установить номинальный уровень входного сигнала равный 0,904 В или 0 дБ при КИ не выше -43 дБ [2].в передатчиках ОМ колебания он составляет 0,775 В при КИ не вшпе —35 дБ.

Это еще раз свидетельствует о более иестких нормах на уровень КИ в ТЗ передатчиках с СУ (при большом уровне входного сигнала требуется более низкий уровень КИ). Правомерность данного предложения подтверждается измерениями, проведенными в работах Ор-

picci L.,CoRbeI j., Cluniat С.Соответствующие уровни Х7Л при трехтоновок ( 1Гц)£) н двухчастотнои ( U (_»_)') метода;;:я разни:

3 2 2 2 2

Voji ). со)

K g 2 a3

V^-^fo.VoiU )o(-fu) , (П) к 8 6 a3

где" Яд, a5 - Е03-®зцЕентн, аппроксимирующие нелинейности третьего к пятого порядков. Отсюда находим, что

Uto^ — (7,3f — 7,85 ), дБ, О)^ = а;Из4 соЗБ-соЦб- . аз)

где

¿Ыцв-СО^' . (14)

Данный метод прост и удобен. Получена Формула для расчета комбинационных искажений 1\1вых; на выходе Т/ш, если известны характеристики элементарного, усилителя (ЭУ), на оснозе которого модуль построен, его выходная мощность и уровень искажений выходного сигнала.

Построены графики для частного случая, позволяющие оценивать уровень КИ на выходе данного модуля и его оптимизировать по качественным и энергетическим характеристикам.

В этой же главе проведено тагов исследование комбинационных искажений на 33:.i, Па основе работ З.ИЛСагака ргссчитатш ;;:•: ypj.j-ни при различных вэдах АХ и ¿АХ. Вияздено, что H&;i."'eiii;:;;il уровень КИ имеет ьесто ш ливойюГ АХ и постоянной I-ЛХ, а ¡¡-.-з-

С

моу.ных реальных характеристик предшлтс::гс следу;,'; отдать j

разным видам пли ^- образной и вогнуто-образной, с выраженным минимумом, формах АХ и =ЙХ соответственно.

Учитывается такне влияние начальных маз несущих сигналов яркости, цветности и звука на эти уровни. Зависимость уровня КО от изменения начальных фаз трех составляющих входного сигнала подтверждает правильность предложенного двухтонового метода измерения КИ в ТВ передатчиках с СУ,

В четвертой главе сравниваются основные методы уменьшения КС. Выявлено, что широкое применение динамического и регулируемого предыскажения обусловлено его эффективностью по сравненшо с 00С, несмотря на некоторое осложнение схемы; оно также менее чувствительно к неравномерностям АЧХ и ГВЗ цепей по сравнению со "связью вперед" и ее разновидностями.

Доказано, что при двухтоновом воздействии биения составляющих и их гармоники могут вызывать появление комбинационных составляющих внутри полосы .спектра полезного сигнала; последние могут быть использованы для уменьшения КИ. Показано, что качественные характеристики выходного сигнала при этом могут 1ыть лучше, чем характеристики входного сигнала.

Выявлено, что если в спектре предцскакенного сигнала не присутствует КС какого-то порядка, то'КН этого же порядка не подавляется, а подавление КИ низких порядков зависит от уровня входного сигнала, их уровень больше, чем при случае широкополосного спектра прэдыскакенного сигнала на величину, зависящую от входного сигнала. В работе В.И.Каганова такое oбcтoятeл¿cтвo экспериментально доказано,

Выявлена такке, что метод, предлог.снкый Глазманом Э.С., Файн-птейном А.А., Козловским Д1.М. и ■Поповым А. А. является ничем шшм кш; метод прсдаскахепкя входного сигнала та. Таким образом, раз

летают две разновидности метода предыскажения:

- при первом добавляют к спектру входного сигнала составляющие либо комбинационных частот ( ОаисЬ'п I).;: С1ып1 аЬ С -) 1 либо ниш'.их■ боковых частот сигналов цветпости и ЗС (Э.С.Глазг.ан

и другие); в этом случае подавляются только КС, находящиеся внутри спектра полезного сигнала;

- при зторой разновидности добавляются к сгшктру входного сигнала -все составляющие продуктов нелинейного преобразования (генератор сигнала искажений) как в случае "связи вперед", то есть стремятся подавить все КС как внутри, так и вне полосы спектра полезного сигнала; в последнем случае схема значительно усложняется. Поэтому предпочтительно применять первую разновидность, а для подавления побочных составляющих использовать пассивные метода уменьшения НИ.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы, которые сводятся к следующему:

1. Предложена наглядная картина основных методов реализации принципа СУ радиосигналов И3 и ЗС. Ока мокет слуяить основой для дальнейшего развития известных и разработки новых методов.

2. ¿дна простейшая классификация 151 РсТЗВ, согласно которой любая составлягащая спектра на выходе ТУ7Л монет быть представлена в виде комбинационных частот (I).

Такое упрощение удобно и необходимо, так как позволяет разобраться в многообразия типов Ш радиосигнала.

3. Получены простеизие и наглядные формулы расчета уровней коибннацпонних составляющих, в том числе основных, а тапке перекрестных искажений, учитывающее совместное действие амплитудной нелинейности и ашлж?удно-'|агс:иоГ. кспл-зрогд при различных -¿х проявлениях в отличие от основных нзвестшх формул.

4. Выявлено, что существуют две разновидности принципа предыскажений входного сигнала и отмечены их преимущества перед другими методами подавления КИ, чем и объясняется его широкое применение в технике ТВ передатчиков в сочетании с микропроцессорами. Доказано влияние ширины спектра предыскаженного сигнала на степень подавления КИ различных порядков. - 5. Предложена унификация методов измерения уровней КИ третьего порядка в передатчиках ТВ ретрансляторов и передатчиках 0..1 колебаний. Полученные в работе Clunicit С. данные подтверждают этот результат.

6. Получена формула для расчета уровня комбинационных искажений на выходе модуля тракта усиления мощности, выполненного по блочно-модульному принципу, если известны характеристики элементарного усилителя. На ее основе построены графики, позволяющие оптимизировать ТШ по этим характеристикам.

7. При анализе влияния комплексной нелинейности тракта усилителя мощности выявлено, что кроме идеальных случаев (линейной АХ и постоянной §АХ, трудно достижимых) следует предпочесть АХ с J -образной формой и SAX - вогнуто-образной с выраженным минимумом. Они достигаются применением специальных схем. для дополнительного подавления КИ следует пришнять принцип предыскажения и пассивные методы.

В приложении I, которое относится к главе I, даются векторные представления спектров суммарных сигналов при различных методах реализации принципа СУ и определяются их амплитуды и фазы.

В приложении 2 даются сведения о способах аппроксимации амплитудной и фазо-амплитудной характеристик ТУш. Обосновывается выбор критерия цриближения по наименьшей сумме квадратурных ошибок.

В приложении 3 доказывается каким способом мозшо переходить от сложных комплексных величин сигналов комбинационных частот к мгновенным значениям.

В приложение 4 внесены текст программы расчета'КС, а также часть результатов вычислений.

В приложении 5 приведены программа расчета КС и некоторые выкладки и объяснения, относящиеся к ней.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ОПУБЛИКОВАНЫ В ШДУЩ-К РАБОТАХ:

1. Зинсу Г.Р. Комбинационные искажения в ТВ ретрансляторах и передатчиках малой и средней мощности. Депонирована в ЦНТИ "Информсвязь" 08.01.90 за И 1634-СВ.

2. Зинсу Г.Р. "Об одном методе измерения комбинационных искажений при совместном усилении радиосигналов изображения и зву- ' кового сопровождения, клонирована в ЦНТИ "Информсвязь" 08.01.90 за 1635-СВ.

Зодпнсано в печать 22.01.91. Формат 60x84/16. Печать офоотнал, )бъем 1,0 усл.п.л. 'Tupas 100 экз. Заказ 110. Бесплатно.

)тдел оперативной полиграфии ШС. Москва, ул. АЕиагл.тфтиьП.