بخشی از مقاله
خلاصه:
تقویت کننده هاي قدرت RF در زمره مهمترین عناصر غیرخطی تشکیل دهنده سیستمهاي مخابراتی هستند . در کاربرد هاي مخابراتی با سیگنالهاي با پهناي باند بالا مانند WCDMA یا OFDM اثرات حافظه تقویت کننده هاي قدرت دیگر قابل چشم پوشی نیست.براي جبران اثر حافظه تقویت کننده هاي قدرت RF روشهاي گوناگونی از قبیل استفاده از حافظه چند جمله اي - MP - ، طراحی فیلترهاي وفقیFIR و ... وجود دارد . در این مقاله روش جدیدي بر اساس استفاده از شبکه هاي عصبی مصنوعی - ANN - جهت جبران اثر حافظه پیشنهاد شده است .در پایان میزان بهبود در میزان خطی سازي توسط این روش پیشنهادي نسبت به حالت بدون حافظه مقایسه شده است ، نتایج بدست آمده نشان میدهند که روش پیشنهادي کاهش قابل توجهی را در نسبت توان کانال مجاور ایجاد کرده است .
کلمات کلیدي: پیش اعوجاج ساز،تقویت کننده هايRF، خطی سازي، فیلتر .FIR
- 1 مقدمه
بازده طیفی امروزه در فناوري ارتباطی اهمیت زیادي پیدا کرده است.مدولاسیون هاي دیجیتالی که داراي پوش غیر ثابتی هستند در بسیاري از سیستم هاي بی سیم استفاده می شوند و این سیستم ها نیاز به تقویت کننده هاي قدرت خطی دارند و این مطلب اهمیت خطی سازي این تقویت کننده ها را دو چندان کرده است. معمولا خطی سازي یا با کاهش بهره بدست میآید و یا با استفاده از تکنیک هاي خطی سازي. همه تکنیک هاي خطی سازي یکسان نیستند و می توان به عنوان نمونه به روش هاي فیدبک، فیدفوروارد و پیش اعوجاج اشاره کرد. هریک از این روشها براي دستیابی به بیشترین درجه خطی سازي داراي محدودیت هایی هستند.
پیش اعوجاج دیجیتالی براي خطی کردن پاسخ غیر خطی یک تقویت کننده قدرت در محدوده توان مورد نظر استفاده می شود.پیش اعوجاج ساز دیجیتالی سیگنال را در باند پایه تولید می کنند یعنی قبل از اینکه مدوله شود و توسط تقویت کننده تقویت گردد. در نتیجه ترکیب پاسخ پیش اعوجاج ساز و تقویت کننده یک پاسخ خطی مطلوب ایجاد می شود. شکل - 1 - نحوه انجام کار را نشان می دهد. بهره تقویت کننده قدرت به عنوان یک تابع لحظه اي از اندازه ورودي تقویت کننده مدل شده وفرض می کنیم این تابع غیر خطی و بدون حافظه باشد.استفاده از مدل بدون حافظه که تنها وابسته به اندازه سیگنال ورودي است یک نوع ساده سازي پاسخ حقیقی براي تقویت کننده هاي معمولی است.
مشابه تقویت کننده مدار پیش اعوجاج ساز نیز تابعی از سیگنال ورودي است در نتیجه ترکیب این دو تابع یک تابع خطی از سیگنال ورودي ایجاد می کند.در مواردي که پهناي باند سیگنال هاي ورودي بالا باشد مانند حالات WCDMA و OFDM دیگر نمی توان از اثر حافظه در تقویت کننده هاي خدمات RF صرف نظر کرد و استفاده از مدل بدون حافظه جهت طراحی پیش اعوجاج ساز در این گونه موارد ، سبب بروز خطاي زیادي در خطی سازي می شود . تاکنون روش هاي مختلفی جهت جبران اثر حافظه در تقویت کننده هاي قدرت RFمانند الگوریتم هاي حافظه چند جمله اي - RLS,MP - مطرح شده است .
با توجه به اینکه شبکه هاي عصبی مصنوعی - ANN - می توانند با دقت خوبی ، توابع غیرخطی را تخمین بزنند ، در این مقاله به جاي استفاده از روش حافظه چند جمله اي براي طراحی فیلتر FIR از یک طراحی جدید مبتنی بر شبکه عصبی مصنوعی MLP جهت جبران اثر حافظه استفاده شده است .در ادامه نتایج بدست آمده توسط این روش پیشنهادي با سایر نتایج مقایسه شده است .می کنیم. پیش اعوجاج ساز هاي دیجیتالی به علت استفاده از تکنیک هاي دیجیتالی داراي دقت بسیار بالایی هستند. در شکل - - 3،اثر پیش اعوجاج سازهاي دیجیتالی روي تقویت کننده هاي قدرت نشان داده شده است. همان طور که در شکل مشخص است بهبود قابل ملاحظه اي در هر دو نوع اعوجاج دامنه - AM-AM - و اعوجاج فاز AM- - PM - به دست آمده است.
٢-یک پیش اعوجاج ساز دیجیتالی با قابلیت تطبیق
یک نماي بلوکی از سیستم پیش اعوجاج دیجیتالی در شکل - 2 - نشان داده شده است. در این ساختار در هر مرحله ضریب مشخصی از LUT در سیگنال ورودي ضرب می شود و در حقیقت همان کار خطی کردن سیگنال ورودي را انجام می دهد. سیستم تطبیق دهنده نیز با استفاده از سیگنال تاخیر یافته ورودي و سیگنال فیدبک شده خروجی ضرایب LUT را به روز می کند. اندازه LUT وابسته به تعداد نقاطی است که تابع پیش اعوجاج در هر مرحله نیاز دارد. معمولا در سیستم تطبیق دهنده از مدار هاي بسیار پیچیده استفاده می شود که توسط نرم افزارهاي کامپیوتري کنترل می شوند و این مطلب هم مدار را پیچیده می کند و هم هزینه ساخت آن را بالا میبرد.
در این مقاله یک پیش اعوجاج ساز دیجیتالی قابل تزبیق با ساختار نسبتا ساده پیشنهاد میکنیم و کارایی آن را توسط شبیه سازي بررسیدر سالهاي اخیر با توجه به پیشرفت روز افزون سیستمهاي دیجیتال استفاده از این سیستم ها در ترکیب با سیستم هاي آنالوگ گسترش یافته است. یک مثال از این ترکیب استفاده از سیستم هاي پیش اعوجاج ساز دیجیتالی در ترکیب با تقویت کننده هاي قدرت RF براي بهبود کارایی و افزایش رنج خطی بودن این تقویت کننده ها است. پیش اعوجاج سازهاي دیجیتالی داراي دقت بالایی هستند ولی همانطورکه اشاره شد مشکل اصلی پیچیدگی آنها است که هزینه و انرژي مصرفی را بالا می برد.
همچنین نوع ساده این مدارها قابلیت تطبیق ندارند و دراثر تغییر شرایط کار به هر دلیلی، از حالت بهینه فاصله می گیرند.[2] دراین مقاله در ابتدا الگوریتمی براي تطبیقی کردن پیش اعوجاج سازهاي دیجیتالی پیشنهاد می کنیم. ساختار کلی روش پیشنهادي در شکل - - 4 نمایش داده شده است. همانطور که در شکل مشخص است این مدار داراي یک تطبیق دهنده است که با یک سیگنال فیدبک از خروجی و همچنین سیگنال تأخیر داده شده ورودي تغذیه می شود. در این مدار با توجه به سرعت مورد نیاز میتوان از مبدل هاي آنالوگ به دیجیتال و دیجیتال به آنالوگ بسیار سریع یا مدل هاي ساده تري استفاده کرد.
ساختار داخلی مدار پیش اعوجاج ساز دیجیتالی پیشنهاد شده در شکل - - 5 نشان داده شده است. اساس کار این مدار به این صورت است که به ازاي هر مقدار مشخص از دامنه سیگنال ورودي یک ضریب پیش اعوجاج مختلط تولید می کند و آن را درسیگنال ورودي ضرب می کند این ضریب باید به گونه اي باشد که تابع غیر خطی تقویت کننده را درآن دامنه خاص خطی کند یعنی پس از اینکه این ضریب در سیگنال ورودي ضرب شد و سیگنال حاصل توسط تقویت کننده غیر خطی در آن دامنه مشخص تقویت شد سیگنال خروجی خطی شود. علت مختلط بودن این ضریب این است که علاوه بر اعوجاج اندازه بتوانیم اعوجاج فاز را نیز خنثی کنیم .
RAM با تغییرات بزرگتري از سیگنال ورودي تغییر مقدار دهد و در دامنه هاي بزرگتر با تغییرات کوچکتري ازسیگنال ورودي تغییر مقدار دهد. براي پیاده سازي این روش کافی است سیگنال ورودي را به توان 2برسانیم و سپس به تولید کننده آدرس وصل کنیم تا ضرایب براي دامنههاي بالاتر تراکم بیشتري پیدا کنند.[2] اما براي تطبیق مقادیر ذخیره شده در RAMو تغییر این ضرایب متناسب با تغییر شرایط باید هربار که تولید کننده آدرس به خانه اي از RAM اشاره می کند علاوه برضرب محتواي خانه مزبور درسیگنال ورودي و تولید سیگنال پیش اعوجاج، این مقدار ذخیره شده بایک تأخیر در سیگنال حاصل از مدار تطبیق ضرب شده تا ضرایب جدید متناسب با شرایط مدار در RAM ذخیره شود یا به عبارتی ضرایب RAM به روز شود.
الگوریتم تطبیق پیشنهادي به این صورت است که ابتدا سیگنال فیدبکی که ازخروجی گرفته شده را بر بهرة تقویت کننده تقسیم می کنیم و سپس سیگنال حاصله در همان لحظه را معکوس کرده و در سیگنال تأخیر یافته ورودي ضرب میکنیم تا ضریب تطبیق مورد نظر بدست آید. لازم به ذکر است که مقدار این تاخیر باید متناسب با سرعت مبدل هاي بکار رفته وهمچنین تاخیر مدار معکوس کننده تنظیم شود. حال اگر مقدارسیگنال فیدبک شده خروجی از مقدارمطلوب کمتر باشد ضریب تطبیق بیشتر ازیک می شود و سیگنال خروجی را افزایش میدهد و اگر سیگنال فیدبک شده خروجی از مقدارمطلوب بیشتر باشد ضریب تطبیق کمتر از یک شده و سیگنال خروجی را کاهش میدهد.
پس نیاز به یک حافظه موقت داریم تا این ضرایب را به ازاي مقادیر مختلف دامنه سیگنال ورودي درآن ذخیره کنیم. این حافظه موقت را می توان با یک RAM پیاده سازي کرد. یک تولید کننده آدرس سیگنال ورودي بهRAM را تولید می کند و به ازاي دامنه سیگنال ورودي در هر پالس به یکی ازخانه هاي RAM اشاره می کند. پس فقط کافی است براي هر تقویت کننده دراین خانه هاي RAM ضرایبی را قرار دهیم که به ازاي هر مقدار از دامنه ورودي بهره مدار یک مقدار ثابت باشد. این ضرایب را می توان به نسبت دامنه در فاصله هاي مساوي تقسیم کرد. یعنی مثلاً اگرRAM گنجایش 100 ضریب را دارد پیک دامنه سیگنال ورودي را به 100 قسمت مساوي تقسیم کنیم و براي هر قسمت یک خانه RAM را اختصاص دهیم.
ولی راه حل بهتري نیز وجود دارد و آن این است که در دامنه هاي کم سیگنال ورودي که خود تقویت کننده حالت خطی دارد و هنوز فشردگی بهره اتفاق نیفتاده تعداد ضرایب را کمتر کنیم و در دامنههاي زیاد که تقویت کننده حالت غیر خطی بیشتري دارد تعداد ضرایب را بیشتر کنیم. به عبارت دیگر در دامنه هاي کم سیگنال ورودي، تولیدکننده آدرس علت استفاده از مدار تأخیر همفاز کردن سیگنال ورودي و سیگنال خروجی فیدبک شده است . مقدار تاخیر را میتوان به طور دقیق تنظیم کرد تا دیگر نیازي به تنظیم کننده فاز در مدار نباشد و این خود به طور قابل ملاحظه اي به سادگی مدار کمک می کند. با شبیه سازي این مدار براي یک موج ورودي WCDMA متوجه می شویم که با وجود بهبود در قابلیت خطی سازي مدار داراي اعوجاج است و نسبت توان کانال مجاور نیز کاهش قابل ملاحظه اي نیافته است.
این مطلب به وضوح در شکل - - 7 نشان داده شده است. علت این امر وجود اثر حافظه است، مدارهاي پیش اعوجاج ساز رایج با وجود کارایی نسبتا خوب همگی داراي یک مشکل اصلی هستند و آن اثر حافظه است. اثر حافظه باعث می شود خروجی مدار در هر لحظه علاوه بر ورودي به خروجی لحظات قبل نیز وابسته باشد و این امر تا حدي باعث غیر خطی شدن مدار می شود. پس در ادامه سعی می کنیم یک پیش اعوجاج ساز دیجیتالی طراحی کنیم که اثر حافظه را نیز کاهش دهد.براي این منظور ابتدا روش حافظه چند جمله اي را توضیح میدهیم و در ادامه روش پیشنهادي مبتنی بر شبکه عصبی جهت
