eng
Выпуск #8/2020
А. Пивак, А. Репин
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНИКИ ФАЗОВЫХ КОМПЕНСАЦИЙ ДЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ ФОРМЫ И СПЕКТРА СИГНАЛОВ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНИКИ ФАЗОВЫХ КОМПЕНСАЦИЙ ДЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ ФОРМЫ И СПЕКТРА СИГНАЛОВ
Просмотры: 1312
DOI: 10.22184/1992-4178.2020.199.8.94.96
Рассмотрено использование техники фазовых компенсаций для изменения формы и спектра сигналов. Приведены примеры реализации данной техники с помощью векторного генератора сигналов R&S®SMW200A и векторного анализатора цепей R&S®ZNA компании Rohde & Schwarz.
Рассмотрено использование техники фазовых компенсаций для изменения формы и спектра сигналов. Приведены примеры реализации данной техники с помощью векторного генератора сигналов R&S®SMW200A и векторного анализатора цепей R&S®ZNA компании Rohde & Schwarz.
Теги: phase-coherent signals phase compensation technique vector network analyzer vector signal generator векторный анализатор цепей векторный генератор сигналов техника фазовых компенсаций фазокогерентные сигналы
Использование техники фазовых компенсаций для изменения формы и спектра сигналов
А. Пивак, к. т. н., А. Репин, к. т. н.
В настоящее время широкое применение для формирования сигналов с требуемыми формой и спектром находят цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). Однако, существующие сегодня методы по улучшению динамического диапазона ЦАП, такие как предыскажения или добавление шумовых сигналов [1], ограничены частотами до нескольких гигагерц.
Использование квадратурных модуляторов позволяет перенести преимущества ЦАП и на сверхвысокие частоты (СВЧ), но только в ограниченной полосе частот, например для генерации модулированных сигналов. Задачи же, требующие сверхшироких полос частот, такие как генерация видеоимпульсов или сигналов СВЧ с минимальными гармоническими искажениями, в основном решаются с помощью аналоговой техники. В статье приведено описание техники фазовых компенсаций, позволяющей решать такие задачи путем объединения цифрового и аналогового подходов.
Техника фазовых компенсаций основана на применении СВЧ фазокогерентных сигналов с регулируемым фазовым сдвигом между ними. Данные сигналы используются в различных устройствах, например в системах связи MIMO или пеленгаторных системах.
Компенсационные техники с применением данных сигналов используются и в измерительных задачах, например для расширения динамических диапазонов путем подавления несущей (при измерениях фазовых шумов на фазовом детекторе, измерениях интермодуляции и т. д.) и снижения уровня нежелательных гармонических составляющих нелинейных искажений [2]. Тем не менее эти сценарии являются относительно узкополосными. Тогда как генерация видеоимпульсов с коротким фронтом или сигналов СВЧ с минимальными фазовыми искажениями может требовать полос частот в десятки гигагерц.
Для таких задач предлагается использовать гармонические фазокогерентные сигналы с регулируемым фазовым сдвигом, получаемые от стандартных измерительных приборов.
При традиционном «аналоговом» подходе данные задачи решаются с помощью диодов и фильтров, которые обладают своими недостатками. В частности, для фильтров можно отметить зависимость подавления от ширины рабочей полосы частот. При этом необходимые аксессуары могут быть недоступны на конкретном рабочем месте в силу специфичности задачи. Тогда как универсальные приборы уже находятся под рукой.
Гармонические фазокогерентные сигналы с регулируемым фазовым сдвигом от измерительных приборов можно получить двумя способами. Первый способ – с помощью векторных генераторов сигналов, в которых формирование фазокогерентных сигналов достигается за счет связи по общему гетеродину, а регулировка фазы обеспечивается с помощью квадратурного модулятора и ЦАП векторного генератора.
Второй способ формирования гармонических фазокогерентных сигналов с регулируемым фазовым сдвигом возможен с помощью многоканальных генераторов, которые используют ЦАП как элемент прямого синтеза или в петле ФАПЧ. Примером данной реализации является векторный анализатор цепей (ВАЦ) R&S®ZNA, в котором по такому принципу работают встроенные источники сигналов. При этом ВАЦ содержит встроенные приемники, что позволяет производить настройку фазовых соотношений без дополнительных приборов.
Наличие фазокогерентных сигналов позволяет применять технику фазовых компенсаций для снижения уровня гармонических составляющих нелинейных устройств.
Впервые метод фазовой компенсации гармонических составляющих нашел практическое применение в радиопередающих устройствах с использованием ламп бегущей волны [3].
Сравнительно недавно были представлены теоретические исследования [2, 4, 5] и результаты применения данного метода для подавления гармонических составляющих в усилителе мощности декаметрового диапазона [6].
Метод заключается в добавлении на выход нелинейного устройства сигнала с той же частотой и амплитудой, но противоположной по фазе гармонической составляющей нелинейных искажений.
Рассмотрим реализацию техники фазовых компенсаций второй гармоники нелинейных искажений с помощью векторного генератора сигналов R&S®SMW200A.
Для этого требуется прибор R&S®SMW200A, оснащенный аппаратной опцией формирования фазокогерентных сигналов R&S®SMW-B90. Данная опция предусматривает наличие выхода сигнала гетеродина и обеспечивает фазовую когерентность сигналов гетеродина на гетеродинном выходе и в сигнальном тракте генератора.
В диапазоне рабочих частот векторного генератора сигналов от 6,5 до 13 ГГц частота гетеродина на гетеродинном выходе генератора в два раза меньше частоты гетеродина в сигнальном тракте. В данном случае гетеродинный выход может служить в качестве основного канала формирования сигнала. Для компенсации второй гармоники, возникающей в нелинейном тракте гетеродина, можно использовать сигнальный тракт векторного генератора сигналов (рис. 1).
С помощью установки уровня выходного сигнала генератора задается уровень сигнала компенсации второй гармоники, равный ее уровню. В настройках фазового сдвига квадратурного модулятора задается фаза, противоположная фазе второй гармоники на выходе гетеродина.
Благодаря фазовой когерентности сигналов гетеродина на гетеродинном выходе и в сигнальном тракте генератора, на выходе сигнального тракта формируется гармонический сигнал, противоположный по фазе второй гармонике сигнала гетеродина на гетеродинном выходе генератора. В сумматоре происходит компенсация второй гармоники сигнала основного канала.
Техника фазовой компенсации может быть также реализована с помощью векторного анализатора цепей R&S®ZNA. Традиционно ВАЦ используются для измерения S‑параметров пассивных устройств. Современные ВАЦ позволяют измерять параметры активных устройств, такие как коэффициент шума и коэффициент усиления усилителей, интермодуляционные искажения, уровень гармоник активных устройств [7].
При измерениях уровня гармоник собственный уровень гармонических составляющих ВАЦ –40 дБ может оказаться недостаточным для проведения измерений. Уменьшить уровень собственных гармоник ВАЦ можно за счет фильтрации, например, с применением фильтров гармоник на основе ЖИГ в составе блока расширения ВАЦ R&S®ZVAX24. Диапазон работы фильтров при этом ограничен и составляет от 1 до 23 ГГц. В то время как, благодаря наличию фазовой когерентности генераторов ВАЦ R&S®ZNA, эту задачу можно решить, применив технику фазовых компенсаций в широком диапазоне частот.
В данном случае используются два внутренних фазокогерентных генератора и два порта ВАЦ, один из которых служит для формирования основного сигнала с присутствующими нелинейными искажениями в виде второй гармоники, другой – для формирования сигнала компенсации. С помощью настройки уровня и фазы сигнала компенсации обеспечивается подавление второй гармоники основного сигнала на выходе сумматора, подключенного к портам ВАЦ.
Результаты экспериментальных исследований подавления уровня второй гармоники нелинейных искажений с применением векторного генератора сигналов R&S®SMW200A и ВАЦ R&S®ZNA приведены в табл. 1. Уровень второй гармоники на гетеродинном выходе векторного генератора сигналов до применения техники фазовой компенсации составляет –24,7 дБ относительно несущей. В то время как основной выход генератора имеет уровень гармонических составляющих не более –55 дБ для моделей прибора с верхней граничной рабочей частотой от 12 ГГц. Различие в уровнях подавления между приборами связано с более высокой разрешающей способностью элементов настройки амплитуды и фазы фазокогерентных сигналов в генераторе по сравнению с ВАЦ.
Кроме техники фазовых компенсаций, наличие нескольких встроенных в ВАЦ R&S®ZNA фазокогерентных источников сигналов при суммировании позволяет создавать видеосигнал типа «псевдомеандр» с полосой до 67 ГГц.
Известно, что любой периодически изменяющийся во времени сигнал можно представить в виде ряда Фурье. Аналитическая форма записи сигнала «меандр» имеет вид:
,
где А – амплитуда прямоугольных импульсов, n – целое, нечетное.
В данном случае разложение сигнала «меандр» в ряд Фурье представляет собой ряд гармоник, где четные составляющие равны нулю. При ограниченном числе нечетных гармоник и правильном подборе их амплитуд и фаз можно сформировать сигнал типа «псевдомеандр».
Так, объединив пять фазокогерентных источников сигналов четырехпортового ВАЦ R&S®ZNA (четыре основных генератора портов и опциональный выход сигнала гетеродина) с помощью широкополосного сумматора, можно создавать гармоники 1, 3, 5, 7 и 9, образующие сигнал типа «псевдомеандр».
На рис. 2 представлена временная диаграмма сигнала типа «псевдомеандр», полученная экспериментальным путем с помощью ВАЦ R&S®ZNA.
Таким образом, применение СВЧ фазокогерентных сигналов, получаемых от стандартных измерительных приборов, позволяет решать задачи генерации широкополосных видеосигналов и СВЧ‑сигналов с минимальными гармоническими искажениями.
Литература
Kuleshov V. N., Repin A. V. Theoretical Approach to the DAC Glitch Spurious Signal Reduction in DDFS // Proceedings 1998 International Symposium on Acoustoelectronics, Frequency Control and Signal Generation. St. Petersburg, 1998. PP. 134–139.
Кащенко И. Е. Линеаризация радиопередающих устройств декаметрового диапазона радиоволн с помощью цифровых предыскажений и инжекции гармоник / Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.12.04. – Омск, 2018. 142 с.
Hamilton J. J., Zavadil D. Harmonically-enhanced two-octave TWTA // Microwave J. 1972. V. 15. PP. 24–25.
Wohlbier J. G., Booske J. H., Dobson I. On the Physics of harmonic injection in a traveling wave tube // IEEE Transactions on Plasma Science. 2004. V. 32. № 3. PP. 1073–1085.
Singh A., Scharer J. E., Booske J. H., Wohlbier J. G. Second- and third-order signal predistortion for nonlinear distortion suppression in a TWT // IEEE Transactions on electron devices. 2005. V. 52. № 5. PP. 709–717.
Kashchenko I. The Harmonic Injection Technique for Short-Wave HF Power Amplifier // XI International IEEE Scientific and Technical Conference «Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines». 2017.
Пивак А., Репин А. Измерение параметров усилителей, смесителей и дифференциальных устройств с помощью векторного анализатора цепей // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2018. № 5. С. 120–127.
А. Пивак, к. т. н., А. Репин, к. т. н.
В настоящее время широкое применение для формирования сигналов с требуемыми формой и спектром находят цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). Однако, существующие сегодня методы по улучшению динамического диапазона ЦАП, такие как предыскажения или добавление шумовых сигналов [1], ограничены частотами до нескольких гигагерц.
Использование квадратурных модуляторов позволяет перенести преимущества ЦАП и на сверхвысокие частоты (СВЧ), но только в ограниченной полосе частот, например для генерации модулированных сигналов. Задачи же, требующие сверхшироких полос частот, такие как генерация видеоимпульсов или сигналов СВЧ с минимальными гармоническими искажениями, в основном решаются с помощью аналоговой техники. В статье приведено описание техники фазовых компенсаций, позволяющей решать такие задачи путем объединения цифрового и аналогового подходов.
Техника фазовых компенсаций основана на применении СВЧ фазокогерентных сигналов с регулируемым фазовым сдвигом между ними. Данные сигналы используются в различных устройствах, например в системах связи MIMO или пеленгаторных системах.
Компенсационные техники с применением данных сигналов используются и в измерительных задачах, например для расширения динамических диапазонов путем подавления несущей (при измерениях фазовых шумов на фазовом детекторе, измерениях интермодуляции и т. д.) и снижения уровня нежелательных гармонических составляющих нелинейных искажений [2]. Тем не менее эти сценарии являются относительно узкополосными. Тогда как генерация видеоимпульсов с коротким фронтом или сигналов СВЧ с минимальными фазовыми искажениями может требовать полос частот в десятки гигагерц.
Для таких задач предлагается использовать гармонические фазокогерентные сигналы с регулируемым фазовым сдвигом, получаемые от стандартных измерительных приборов.
При традиционном «аналоговом» подходе данные задачи решаются с помощью диодов и фильтров, которые обладают своими недостатками. В частности, для фильтров можно отметить зависимость подавления от ширины рабочей полосы частот. При этом необходимые аксессуары могут быть недоступны на конкретном рабочем месте в силу специфичности задачи. Тогда как универсальные приборы уже находятся под рукой.
Гармонические фазокогерентные сигналы с регулируемым фазовым сдвигом от измерительных приборов можно получить двумя способами. Первый способ – с помощью векторных генераторов сигналов, в которых формирование фазокогерентных сигналов достигается за счет связи по общему гетеродину, а регулировка фазы обеспечивается с помощью квадратурного модулятора и ЦАП векторного генератора.
Второй способ формирования гармонических фазокогерентных сигналов с регулируемым фазовым сдвигом возможен с помощью многоканальных генераторов, которые используют ЦАП как элемент прямого синтеза или в петле ФАПЧ. Примером данной реализации является векторный анализатор цепей (ВАЦ) R&S®ZNA, в котором по такому принципу работают встроенные источники сигналов. При этом ВАЦ содержит встроенные приемники, что позволяет производить настройку фазовых соотношений без дополнительных приборов.
Наличие фазокогерентных сигналов позволяет применять технику фазовых компенсаций для снижения уровня гармонических составляющих нелинейных устройств.
Впервые метод фазовой компенсации гармонических составляющих нашел практическое применение в радиопередающих устройствах с использованием ламп бегущей волны [3].
Сравнительно недавно были представлены теоретические исследования [2, 4, 5] и результаты применения данного метода для подавления гармонических составляющих в усилителе мощности декаметрового диапазона [6].
Метод заключается в добавлении на выход нелинейного устройства сигнала с той же частотой и амплитудой, но противоположной по фазе гармонической составляющей нелинейных искажений.
Рассмотрим реализацию техники фазовых компенсаций второй гармоники нелинейных искажений с помощью векторного генератора сигналов R&S®SMW200A.
Для этого требуется прибор R&S®SMW200A, оснащенный аппаратной опцией формирования фазокогерентных сигналов R&S®SMW-B90. Данная опция предусматривает наличие выхода сигнала гетеродина и обеспечивает фазовую когерентность сигналов гетеродина на гетеродинном выходе и в сигнальном тракте генератора.
В диапазоне рабочих частот векторного генератора сигналов от 6,5 до 13 ГГц частота гетеродина на гетеродинном выходе генератора в два раза меньше частоты гетеродина в сигнальном тракте. В данном случае гетеродинный выход может служить в качестве основного канала формирования сигнала. Для компенсации второй гармоники, возникающей в нелинейном тракте гетеродина, можно использовать сигнальный тракт векторного генератора сигналов (рис. 1).
С помощью установки уровня выходного сигнала генератора задается уровень сигнала компенсации второй гармоники, равный ее уровню. В настройках фазового сдвига квадратурного модулятора задается фаза, противоположная фазе второй гармоники на выходе гетеродина.
Благодаря фазовой когерентности сигналов гетеродина на гетеродинном выходе и в сигнальном тракте генератора, на выходе сигнального тракта формируется гармонический сигнал, противоположный по фазе второй гармонике сигнала гетеродина на гетеродинном выходе генератора. В сумматоре происходит компенсация второй гармоники сигнала основного канала.
Техника фазовой компенсации может быть также реализована с помощью векторного анализатора цепей R&S®ZNA. Традиционно ВАЦ используются для измерения S‑параметров пассивных устройств. Современные ВАЦ позволяют измерять параметры активных устройств, такие как коэффициент шума и коэффициент усиления усилителей, интермодуляционные искажения, уровень гармоник активных устройств [7].
При измерениях уровня гармоник собственный уровень гармонических составляющих ВАЦ –40 дБ может оказаться недостаточным для проведения измерений. Уменьшить уровень собственных гармоник ВАЦ можно за счет фильтрации, например, с применением фильтров гармоник на основе ЖИГ в составе блока расширения ВАЦ R&S®ZVAX24. Диапазон работы фильтров при этом ограничен и составляет от 1 до 23 ГГц. В то время как, благодаря наличию фазовой когерентности генераторов ВАЦ R&S®ZNA, эту задачу можно решить, применив технику фазовых компенсаций в широком диапазоне частот.
В данном случае используются два внутренних фазокогерентных генератора и два порта ВАЦ, один из которых служит для формирования основного сигнала с присутствующими нелинейными искажениями в виде второй гармоники, другой – для формирования сигнала компенсации. С помощью настройки уровня и фазы сигнала компенсации обеспечивается подавление второй гармоники основного сигнала на выходе сумматора, подключенного к портам ВАЦ.
Результаты экспериментальных исследований подавления уровня второй гармоники нелинейных искажений с применением векторного генератора сигналов R&S®SMW200A и ВАЦ R&S®ZNA приведены в табл. 1. Уровень второй гармоники на гетеродинном выходе векторного генератора сигналов до применения техники фазовой компенсации составляет –24,7 дБ относительно несущей. В то время как основной выход генератора имеет уровень гармонических составляющих не более –55 дБ для моделей прибора с верхней граничной рабочей частотой от 12 ГГц. Различие в уровнях подавления между приборами связано с более высокой разрешающей способностью элементов настройки амплитуды и фазы фазокогерентных сигналов в генераторе по сравнению с ВАЦ.
Кроме техники фазовых компенсаций, наличие нескольких встроенных в ВАЦ R&S®ZNA фазокогерентных источников сигналов при суммировании позволяет создавать видеосигнал типа «псевдомеандр» с полосой до 67 ГГц.
Известно, что любой периодически изменяющийся во времени сигнал можно представить в виде ряда Фурье. Аналитическая форма записи сигнала «меандр» имеет вид:
,
где А – амплитуда прямоугольных импульсов, n – целое, нечетное.
В данном случае разложение сигнала «меандр» в ряд Фурье представляет собой ряд гармоник, где четные составляющие равны нулю. При ограниченном числе нечетных гармоник и правильном подборе их амплитуд и фаз можно сформировать сигнал типа «псевдомеандр».
Так, объединив пять фазокогерентных источников сигналов четырехпортового ВАЦ R&S®ZNA (четыре основных генератора портов и опциональный выход сигнала гетеродина) с помощью широкополосного сумматора, можно создавать гармоники 1, 3, 5, 7 и 9, образующие сигнал типа «псевдомеандр».
На рис. 2 представлена временная диаграмма сигнала типа «псевдомеандр», полученная экспериментальным путем с помощью ВАЦ R&S®ZNA.
Таким образом, применение СВЧ фазокогерентных сигналов, получаемых от стандартных измерительных приборов, позволяет решать задачи генерации широкополосных видеосигналов и СВЧ‑сигналов с минимальными гармоническими искажениями.
Литература
Kuleshov V. N., Repin A. V. Theoretical Approach to the DAC Glitch Spurious Signal Reduction in DDFS // Proceedings 1998 International Symposium on Acoustoelectronics, Frequency Control and Signal Generation. St. Petersburg, 1998. PP. 134–139.
Кащенко И. Е. Линеаризация радиопередающих устройств декаметрового диапазона радиоволн с помощью цифровых предыскажений и инжекции гармоник / Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.12.04. – Омск, 2018. 142 с.
Hamilton J. J., Zavadil D. Harmonically-enhanced two-octave TWTA // Microwave J. 1972. V. 15. PP. 24–25.
Wohlbier J. G., Booske J. H., Dobson I. On the Physics of harmonic injection in a traveling wave tube // IEEE Transactions on Plasma Science. 2004. V. 32. № 3. PP. 1073–1085.
Singh A., Scharer J. E., Booske J. H., Wohlbier J. G. Second- and third-order signal predistortion for nonlinear distortion suppression in a TWT // IEEE Transactions on electron devices. 2005. V. 52. № 5. PP. 709–717.
Kashchenko I. The Harmonic Injection Technique for Short-Wave HF Power Amplifier // XI International IEEE Scientific and Technical Conference «Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines». 2017.
Пивак А., Репин А. Измерение параметров усилителей, смесителей и дифференциальных устройств с помощью векторного анализатора цепей // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2018. № 5. С. 120–127.
Отзывы читателей
