Нелинейные искажения в усилительных трактах

В подавляющем большинстве практических случаев напряжение сформированного в ССЧ радиосигнала не превышает 1…3 В на нагрузке 50 или 75 Ом. Мощность такого сигнала оказывается недостаточной для его непосредственного использования в том или ином радиоустройстве и требует дальнейшего значительного увеличения. Типичным примером подобных устройств служат передатчики радиотехнических систем различного назначения, мощность выходного сигнала которых может достигать десятков и сотен киловатт и более.

Одним из основных требований, предъявляемых к трактам усиления мощности (ТУМ), является обеспечение высокого КПД, что возможно только при использовании нелинейных режимов работы генераторных приборов, входящих в их состав . При этом нелинейные преобразования усиливаемого сигнала приводят к искажению его спектра и появлению в выходном сигнале ТУМ спектральных составляющих, отсутствующих во входном воздействии.

Изменение спектра внутри полосы усиливаемого радиосигнала связано с тем, что комплексная амплитудная характеристика ТУМ, под которой будем понимать зависимость комплексной амплитуды первой гармоники выходного сигнала от амплитуды входного воздействия, становится нелинейной. Поэтому при усилении сигналов с изменяющейся амплитудой (например, сигналов с амплитудной, балансной и однополосной модуляциями) возникают нелинейные искажения, проявляющиеся не только в искажении огибающей радиосигнала, но и в возникновении паразитной угловой модуляции, связанной с явлением амплитудно-фазовой конверсии. При этом снижаются качественные характеристики передаваемого сообщения, а при

большом уровне искажений может произойти частичная или даже полная потеря передаваемой информации. Аналогичная ситуация возникает и при многоканальном режиме работы ТУМ, даже если в каждом из каналов присутствует сигнал только с угловой модуляцией.

Спектральные составляющие, возникающие в области частот, непосредственно примыкающей к полосе радиосигнала, увеличивают уровень внеполосных колебаний, а в областях, соответствующих гармоникам усиливаемого сигнала, – уровень побочных колебаний. Допустимый уровень как внеполосных, так и побочных колебаний регламентирован требованиями электромагнитной совместимости данного устройства с другими радиоэлектронными средствами, устанавливается на основе рекомендаций МККР и зависит от назначения и мощности радиопередатчика.

Несмотря на то, что реальные усиливаемые сигналы случайно изменяются во времени и имеют непрерывный спектр, нелинейные искажения, возникающие в ТУМ, и уровни внеполосных и побочных колебаний определяются с помощью измерительных сигналов с дискретным спектром.

Так, для определения уровня побочных колебаний на частотах гармоник достаточно подать на вход ТУМ моногармонический сигнал заданной амплитуды и измерить абсолютный или относительный уровень высших гармоник в выходном сигнале.

Качество усиления однополосного сигнала и уровень комбинационных составляющих при многоканальной работе можно оценить с помощью испытательного сигнала, состоящего из двух или более синусоидальных колебаний с равными амплитудами. Нелинейные искажения в данном случае характеризуются относительным уровнем возникающих комбинационных составляющих нечетных порядков.

Оценка нелинейных искажений при усилении амплитудно-модулиро-ванных колебаний производится при подаче на вход ТУМ сигнала с дискретным спектром, получающегося в результате амплитудной модуляции колебания несущей частоты одним или двумя низкочастотными синусоидальными сигналами. Выделив с помощью амплитудного детектора огибающую усиленного сигнала, можно определить амплитуды спектральных составляющих, отсутствующих во входном сигнале и характеризующих нелинейность ТУМ.

Паразитные спектральные компоненты, возникающие в области спектров высших гармоник, даже в широкодиапазонных передатчиках могут быть подавлены с помощью коммутируемых фильтров. Восстановление спектра внутри полосы усиливаемого сигнала и подавление внеполосных колебаний требует использования специальных технических решений. К таким решениям в первую очередь относятся введение различных видов отрицательной обратной связи (ООС) и применение связи вперед. Отдельным классом устройств, одновременно обеспечивающих и высокое значение КПД и малый уровень искажений сигнала с изменяющейся амплитудой, является усилитель с цифровым формированием огибающей, рассматриваемый в 5.4.