עיבוד אותות דיגיטלי (DSP) ביסס את עצמו כאבן הפינה של אלקטרוניקה מודרנית, עם השפעתה להרחיב עמוק לתוך העיצוב ותפעול של מגברי כוח.מגברי כוח הם ubiquitous, המשמש את השלב הפעיל הסופי במערכות החל ממקבלי אודיו ביתי כדי להחליף מנגנונים אדמיניאליים מסיביים שידור לווייניים.

הבנת עיבוד אותות דיגיטליים במערכות Amplifier

בליבתו, DSP כרוך במניפולציה המתמטית של אותות שנדגם מהעולם האנלוגי המתמשך. בהקשר של מגבר כוח, אות קלט הוא הראשון דיגיטציה באמצעות ממיר אנלוגי-ל-דיגיטלי (ADC) הייצוג הדיגיטלי - זרם של מספרים בינאריים - מעובד על ידי אלגוריתמים ממריצים ייעודיים.

הכוח של DSP אינו רק דיוקו, אלא גם בגמישותו ובגמישותו. A מסנן המיושם עם קידוד קבוע של 32 סיביות יכול להציע טווח דינמי ועצימה פס כי הוא בלתי מעשי עם רכיבים אנלוגיים יותר, פלטפורמת DSP יחיד ניתן לתכנת מחדש כדי לתמוך במספר אלגוריתם של בקרת תאים, תדירות או ביצועים ללא שינוי של ניתוח תגובה בזמן אמתי הוא לעתים קרובות מעבד קריטי (DIRSP) כולל דחפים קבועים).

תהליך הדגימה מציג רעש קוונטי והתאמה פוטנציאלית, כל כך זהיר עיצוב של מסננים נגד הפליה ו- הרץ גבוה של ADCs (14 ביטים עד 18 ביטים הוא טיפוסי) הוא חיוני.הקריטריון של Nyquist קובע כי שיעור הדגימה חייב להיות לפחות כפול התדירות הגבוהה ביותר של עניין; ביישומים רחב כגון 5G, amplings 500 אלה הם מעלים אודיו סטנדרטיים, אפילו מגברים סטנדרטיים.

שיפורים מרכזיים באינטגרציה DSP

שילוב DSP לתוך ארכיטקטורת מגבר כוח פותח מספר שיפורים ברורים כי ישירות לטפל במגבלות של עיצובים אנלוגיים בלבד. שיפורים אלה ניתן לחלק לארבעה תחומים עיקריים: רעש והפחתה עיוות, שליטה הסתגלות, אופטימיזציה, לינאריזציה.

רעש ואכזבה

מגבר אנלוגי מסורתי סובל רעש תרמי, לחות אספקת חשמל, ועיוות הרמוני שהוצג על ידי מכשירים פעילים.DSP יכול ליישם אלגוריתמים של הפחתה רעש מתוחכמות שאינם אפשריים עם מסננים אנלוגיים.לדוגמה, אלגוריתם של ספקטרום בזמן אמת יכול לזהות ולדכא רעש כי הוא תקופתי או צריף.בממממממונים דיגיטליים יכולים להפריד להקות עם שלב נמוך ונמוך, המאפשרים באופן אופטימליים אלה לא להיות מופעלים על ידי ספקטרום ספציפי, בניגוד להפרעות של חומר זה, ללא ספקטרום ספציפי, כלומר, ללא מדגמי גלימות, ללא מדגמי DSP, ללא מדגמי אודיו, ללא מדגמי DSP.

בקרה הסתגלות ומימוש בזמן אמת

מגברי כוח פועלים לעתים קרובות בתנאים שונים: שינויים בעומס (למשל, דובר עם עקומת מעצורים תגובתית), תנודות טמפרטורה, וספק לולאות משוב אנליסטים יכול לפצות על תואר, אבל הם מוגבלים רוחב פס, ולעתים קרובות דורשים מערכות בקרה אדפטיות נוספות.

שיפור יעילות

יעילות היא מדד עיקרי בעיצוב מגבר כוח, במיוחד ביישומים מופעלים או בעלי עוצמה גבוהה.DSP מאפשר גם מספר טכניקות יעילות-encing Envelope מעקב (ET) משתמש DSP כדי להתאים באופן דינמי את המתח ההיצע של אדמירל-מתאים כדי לעקוב אחר המעטפת של אות RF, שמירה על המכשיר פועל ליד נקודת השיא שלו.

המונחים: Digital Predistortion (DPD)

אולי הטכניקה DSP המשפיעה ביותר עבור מגברי חשמל היא נטייה דיגיטלית (DPD) Power amplifiers הם לא ליניארית מכשירים, ייצור עיוות הרמוני ו intermodulation כי יש למזער כדי לענות מסכות ספקטרליות רגולטוריות וכדי להבטיח הפחתה נמוכה של אותות בתקשורת דיגיטלית.D לינארי פועל על ידי יישום תפקוד לא מולטי מול האות לפני שהוא מגיע לאפקטיבי תגובה - כמו גם הסתברות של רזולוציה, כמו גם שינויים הסתברותיים.

יישום מתקדם DPD אפקטים זיכרון מודל (התלות של עיוות על ערכי אות העבר) באמצעות סדרת וולטירה או רשתות עצביות.מודלים אלה יכולים ללכוד amplitude-to-amplitude (AM) ו amplitude-to-phase (AM-PM) עיוות עם דיוק גבוה.DSP יש לבצע את הפונקציה predistortion ב רוחב הפס המלא (לעתים קרובות 5 ל 10× 10x דרישות רוחב פס מקורי כדי להתאים את חומרתמיידיות).

אסטרטגיות ואתגרים

מימוש היתרונות של DSP במגבר כוח דורש מבחר זהיר של רכיבי חומרה ותוכנה, כמו גם תשומת לב למגבלות מעשיות כגון שקיפות, צריכת חשמל, ועלות. סעיף זה מתאר גישות יישום נפוצות ואת העסקאות כי מהנדסים חייבים לנווט.

פלטפורמות חומרה

הבחירה של מעבד דיגיטלי מונעת על ידי שיעור הדגימה הנדרש, מורכבות אלגוריתמית, ותקציב השקיפות.שלוש אפשרויות עיקריות קיימות:

  • (FLT:0) תהליכי אותות דיגיטליים (DSPs)BuildFLT) 1:1 - שבבים למטרות כלליות אופטימיזציה עבור פעולות מצטברות.הם מציעים גמישות וקלות של תכנות אבל לא יכול להשיג את שיעורי הדגימה הגבוהים ביותר או הכדאיות הנמוכה ביותר עבור יישומים רחבים.
  • (FLT:0)Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) ,(FevolveFLT:1) - לאפשר מקבילות חומרה מקבילות מותאם אישית, אידיאלי עבור תפוקה גבוהה DPD וסינון. FPGAs יכול לעבד דגימות מרובות מחזור שעון ושילוב של transceivers במהירות גבוהה עבור ממשקי DAC/ADC.
  • (FLT:0System-on-Chips (SoCs)veFLT) 1 - שלב מעבד (ARM Cortex, RISC-V) עם בד FPGA.דוגמאות כוללות Xilinx Zynq ו- Intel Stratix 10. SoCs מציעים את הטוב ביותר של שני העולמות: קוד בקרה פועל על המעבד בעוד DSP אלגוריתמים לבצע לוגיקה סבירה.

רבים מודרניים כוח מגבר מודולים, במיוחד עבור תשתיות 5G, להשתמש SoCs עם בלוקים DPD ייעודי. in אודיו, ערכת DSP זולים (למשל, Analog מכשירים SigmaDSP, TI TLV320) מספיק עבור שיעורי מדגם טיפוסי עד 192 kHz.

פיתוח תוכנה ו-Algorithm Development

פיתוח אלגוריתמים DSP עבור מגברי חשמל כרוך מודלים של התנהגות המגבר בסימולציה (באמצעות כלים כמו MATLAB ו- Simulink), יצירת קוד C או HDL, ואמת ביצועים עם בדיקות חומרה-ב-the-loop. for DPD, זיהוי של הפרמטרים המודל נעשה באמצעות אלגוריתמים אדפטיים (למשל, לפחות ריבועים עם QR decom) כי לעקוב אחר מעבד ה-DI-i-Ric2 חייב להיות מספיק כדי למנוע העדכונים המהירים של מערכת ההפעלה.

סחר-offs: Latency, Power Contion, ועלויות

כל פעולה DSP מוסיפה עיכוב כלשהו דרך נתיב האות.בממגברי אודיו, שקיפות מתחת 10 מ"ס בדרך כלל מקובל, אבל עבור חיזוק קול חי, תת-1 מ"מ הוא רצוי.מממממממממממממ של כוח RF לתחנות בסיס יכול לסבול שקיפות גבוהה יותר (כמה מיקרו שניות) כי הסגירה היא איטי יותר.

בדיקות ואימות

אימות של מגבר כוח DSP-enhanced דורש הן דיגיטליות והן RF או מדידות אודיו. עבור RF, דמויות מפתח כוללות יחס כוח ערוץ צמוד (ACPR), גודל וקטור שגיאה (EVM), ולהשיג שטוחות. מגברי אודיו נמדדים עם עיוות הרמוני מוחלט בתוספת רעש (THD+N), עיוות בין-מודולציה (IMD), ויחס אותות ל-to-noise (NRS) חייבים לבדוק את הספקטרום המלא של מערכות אותות סביבתיים.

יישומים בתעשייה

נישואיו של DSP עם מגברי חשמל מצאו אימוץ על פני מגוון רחב של תעשיות, כל אחת עם דרישות ספציפיות משלה והטבות.

אודיו Amplifiers

ב- אודיו מקצועי מגבר לקונצרטים ואולפנים, DSP מאפשר ניהול קולר מתקדם: קרוסברות, השווה, עיכוב, הגבלת טווח דינמי ודחיסה - כל שניתן להתאים דיגיטלית ללא סחף רכיב אנלוגי. מקלטי תיאטרון ביתי משתמשים DSP לתיקון חדר (למשל, Dirac Live, Audyssey), אשר מודד חדר אקוסטי ומתפקד בפילטרים.

רדיו תדירות ו Wireless

תשתיות אלחוטיות - 4G, 5G, ועתיד 6G - מתפרסות בכבדות על DPD כדי לעמוד במפרט לינאריות מחמירים.מספקי כוח התחנה הבסיסית חייבים להתמודד עם אותות גבוהים-PAR (למשל, שלDM) עם יעילות טובה.DSP מאפשר גם להובלת ggregregation על ידי שילוב אותות דיגיטליים רבים לפני הגדלה.

שידור ו-Radar

משדרי שידור לטלוויזיה ולרדיו דורשים לינאריות גבוהה כדי להימנע מהתערבות עם ערוצים סמוכים.DSP predistortion הוא סטנדרטי.מערכות Radar להשתמש במגברי חשמל עם DSP עבור beamforming והתאמה של שידור משקל. in-array מכ"ם, כל אלמנט אנטנה עשוי להיות בעל כוח משלו מגבר ומודול DSP; בקרה דיגיטלית מאפשרת שלב מאמפודה והתאמה עבור להיותaming ו-decing.

מגמות עתידיות וטכנולוגיות מתפתחות

האבולוציה של DSP ושילוב מגבר כוח ממשיכה בקצב מהיר. מגמות מספר מבטיח לשפר עוד ביצועים ומאפשרות יכולות חדשות.

(FLT:0) אינטליגנציה מלאכותית ולמידה מכונה.FLT:1 במקום מודלים בעלי ידיים עבור DPD, רשתות עצביות יכולות ללמוד את התנהגותו של המגבר מהנתונים אימון.DPD למידה עמוקה יכול ללכוד אפקטים זיכרון מורכבים ולהתאים לשינויים בתנאים חזקים יותר. FPGA מבוסס מנועים עכשיו לאפשר הפעלה בזמן אמת.

(FLT:0Wide Bandgap Semiconductors.earFLT:1) GaN ו- SiC מכשירים מציעים מתח התמוטטות גבוה ויעילות טובה יותר מאשר סיליקון LDMOS. הם גם מאפשרים פעילות רוחב פס רחב יותר.DSP חייב להתמודד עם הקצוות המהירים יותר ואת דרישות לינאריות גבוהות יותר של GaN amplifiers. co-packing של GaN HEMT עם בקרים ייעודי הוא אזור מחקר פעיל.

(FLT:0) מלא כוח דיגיטלי Amplifiers.veFLT:1) הרעיון של "מגבר כוח דיגיטלי" שבו השלב הסופי הוא שלב כוח מחלף ללא משוב אנלוגי - רק מודולציה דיגיטלית ותיקון - הוא צובר מתח.יתרונות כוללים יכולת שינוי וחסינות לסובלנות רכיב אנלוגי.

(FLT:0) אינטגרציה ומיניטוריזציה.IRLT:1 , פתרונות חד-כייפ המשלבים ADC, DSP, ואת שלב הכוח בחבילה קטנה מתעוררים עבור IoT ויישומים בעלי יכולת ללבוש.

(ב) לקריאה נוספת על עקרונות הקידום הדיגיטלי, מתייחס למדריך יישום התקנים של DPDFLT:1 ; סקירה מפורטת של יישום ניתן למצוא ב-FLT:2Texas Instruments Note על מנת להגביר את ההנעה באמצעות TMS320x DSPFLT 3 .

מסקנה

עיבוד אותות דיגיטליים עבר משיפור אופציונלי למרכיב חיוני בעיצוב בעל ביצועים גבוהים של כוח מגבר.על ידי מתן ירידה מדויקת של רעש, שליטה אדפטיבית, יעילות דרמטית, לינאריזציה מתקדמת באמצעות נטייה דיגיטלית, DSP מאפשר למגברים לספק fidelity מעולה ו- ספקטרום יעילות תוך פחות כוח.המימוש ייעודי של DSP, FPGAs, ו-SoCoffs - כמו גם פתרונות בקרת תפקודים מתקדמים, לא פחות.