Эффективность цифровой коррекции нелинейностей (предискажения) в усилителях мощности (PA, Power Amplifier) во многом зависит от точности математической модели усилителя. Одной из ключевых нелинейностей, которая затрудняет линейзацию, является эффект памяти. В этой статье мы рассмотрим, что это такое, откуда берётся и как его измеряют на практике.
Что такое эффект памяти?
В идеальной ситуации выход усилителя мощности зависит только от текущего значения входного сигнала. Однако в реальности выходной сигнал зависит не только от текущего, но и от предыдущих значений входа. Это и называется эффектом памяти.
Проявление эффекта памяти означает, что усилитель не реагирует мгновенно и одинаково на одинаковые входные значения. Например, один и тот же уровень сигнала на входе может привести к разным уровням на выходе в зависимости от того, растёт ли сигнал или падает. Это поведение напоминает гистерезис.
Аналогия с пассивными цепями
Чтобы понять, откуда возникает эффект памяти, достаточно вспомнить, что конденсаторы и индуктивности накапливают энергию. Поэтому выход, скажем, RC-цепи в каждый момент зависит не только от текущего входа, но и от истории сигнала. То же самое происходит в усилителях мощности, но причины там более разнообразные.
Классификация электрических систем
Все электрические цепи можно условно разделить на четыре типа:
- Линейные без памяти (например, цепь из одних резисторов)
- Линейные с памятью (добавлены конденсаторы или индуктивности)
- Нелинейные без памяти (например, диод)
- Нелинейные с памятью (например, усилитель с тепловыми эффектами и ёмкостями)
Усилители мощности относятся к последней категории: они нелинейны и обладают памятью.
Источники эффекта памяти в усилителях
Эффект памяти может возникать из-за:
- паразитных ёмкостей и индуктивностей транзисторов;
- частотно-зависимых согласующих и смещающих цепей;
- тепловых процессов (нагрев корпуса, переходов);
- эффекта захвата носителей в полупроводниках;
- колебаний питающего напряжения.
Все эти процессы развиваются со временем, а значит, зависят от предшествующих состояний схемы.
Как измерить эффект памяти?
Для измерения эффекта памяти применяются модулированные сигналы с переменной амплитудой и широкой полосой. Типичная методика включает:
- Генерация тестового сигнала (например, LTE) при помощи AWG (генератора произвольной формы сигнала).
- Усиление сигнала в PA.
- Захват выходного сигнала с помощью векторного анализатора сигналов (VSA).
- Сравнение исходного и обработанного сигнала.
Зная входной x(i) и выходной y(i) сигналы, можно анализировать:
- AM/AM — зависимость амплитуды выхода от амплитуды входа;
- AM/PM — фазовый сдвиг выхода от амплитуды входа.
Если при одном и том же уровне входного сигнала на выходе наблюдаются разные значения — это явный признак дисперсии, вызванной эффектом памяти.
Пример: влияние эффекта памяти при разных уровнях мощности
В одном из исследований, проведённом с LTE-сигналом, было обнаружено, что дисперсия AM/AM и AM/PM характеристик возрастает при более низких уровнях входного сигнала. Это означает, что даже при слабом сигнале усилитель может проявлять эффект памяти, особенно если воздействуют дополнительные факторы, такие как температура или паразитные цепи.
Сложности в предискажении
Предискажение (predistortion) работает тем лучше, чем точнее мы знаем нелинейную модель усилителя. В простейшем случае (без эффекта памяти) мы можем использовать таблицу соответствий вход-выход. Но при наличии памяти требуется модель, учитывающая историю сигнала.
Для этого применяются такие модели, как:
- Полиномы с памятью (memory polynomials)
- Модели Вольтерры
- Модели Винера и Хаммерастайна
Они позволяют описать сложную нелинейную динамику усилителя и применять соответствующую коррекцию на входе.
Итоги
Эффект памяти — важный фактор, определяющий поведение усилителя мощности. Он вызывает расхождения в усилении и фазе при одинаковом входе и мешает линейной передаче сигнала.
Для точной коррекции (линеаризации) усилителей необходимо:
- учитывать влияние памяти в модели;
- использовать модулированные тестовые сигналы;
- анализировать AM/AM и AM/PM характеристики;
- применять более сложные алгоритмы цифрового предискажения.
Понимание и учёт эффекта памяти — обязательное условие для построения современных высокоэффективных передающих трактов, особенно в беспроводной связи и широкополосных системах.
Обеспечьте себе и своим близким комфорт и безопасность, посетите наш интернет-магазин измерительного оборудования pribor-x.ru! Наши специалисты всегда готовы помочь вам с выбором и ответить на все ваши вопросы.
Свяжитесь с нами по почте sales@pribor-x.ru или по телефону 8-800-777-24-67.