V 02 = c1 os (t) + os[2 (t)] + os[3 (t)] ϕ2 cϕ 3c ϕ (3.5)
02 d1 os[ (t) 180 ]+V os[2 (t) 180 ]+V os3[ (t) 180 ]
3.4 Lùi công suất (Back off)
Hình 3.14 Đặc tuyến khuếch đại công suất và điểm nén 1 dB
Để tận dụng công suất của các bộ khuếch đại công suất lớn nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng của hệ thống, công suất đầu ra của bộ khuếch đại công suất xấp sỉ điểm nén 1 dB (vùng phi tuyến). Tuy nhiên cái giá phải trả cho điều này là do sự không tuyến tính của bộ khuếch đại công suất mà các sóng mang tác động tương hỗ lẫn nhau, ở đầu ra phát sinh ra các hài không mong muốn và các méo IM làm suy giảm đáng kể công suất của tín hiệu, do đó để khắc phục hiện tượng này người ta phải chấp nhận độ thiệt thòi nhất định về công suất để giảm ảnh hưởng của nó bằng cách lùi điểm làm việc của bộ khuếch đại xuống một khoảng cách nhất định trên đặc tuyến làm việc của bộ khuếch đại, điểm này được gọi là điểm lùi. Trong hình 3.14 thể hiện trường hợp độ lùi so với điểm nén của công suất đầu ra bộ khuếch đại (điểm nén : điểm công suất bão hoà của bộ khuếch đại )
Vấn đề đặt ra là tính toán độ lùi một cách thích hợp sao cho điểm lùi phải nằm trong vùng tuyến tính nhưng điểm lùi không quá sâu để không bị thiệt quá nhiều về công suất, trong hệ thống Intelsat người ta tính được độ lùi tối ưu là từ 7 ÷ 8dB
đơn giản nhất. Về cơ bản, để đảm bảo hoạt động tuyến tính trong một bộ khuếch đại công suất sử dụng Back off thiết kế công suất đầu ra cực đại phải lớn hơn một ngưỡng đã biết.
Mặc dù thực hiện đơn giản, nhưng BO có hiệu quả âm. Hiệu quả khuếch đại của bộ khuếch đại tăng khi bộ khuếch đại làm việc gần điểm nén. Hiệu quả cao nhất đạt được tại điểm nén, ở chế độ phi tuyến. Do giảm công suất dưới điểm nén, hiệu quả của công suất đầu ra cực đại giảm rất lớn. Ví dụ trong một bộ khuếch đại IC RF điển hình được thiết kế cho hệ thống CDMA IS-95 hoạt động ở tần số 1,9 GHZ, Back off được yêu cầu từ 2-3 dB ở công suất đầu ra thì hiệu quả mức công suất đầu ra cực đại giảm 20%.
Số lượng Back off yêu cầu thường là một hàm của phương pháp điều chế cũng như méo AM-to-AM và AM-to-PM trong bộ khuếch đại. Đôi khi Back off bổ sung được yêu cầu để giảm méo pha.
3.5 Méo trước
Như ta đã biết, nguyên nhân chủ yếu phát sinh ra hiện tượng điều chế tương hỗ đó là do tính phi tuyến của đặc tuyến bộ khuếch đại công suất lớn. Do đó, để khắc phục hiện tượng này người ta thường mắc thêm vào phía trước của tầng khuếch đại công suất lớn một mạch phi tuyến có đặc tuyến ngược với đặc tuyến của bộ khuếch đại công suất lớn và như vậy sau khi bù ta nhận được một đặc tuyến gần như tuyến tính
Tính phi tuyến của đặc tuyến khuếch đại có thể được sửa ở đầu vào bằng cách làm méo trước tín hiệu vào. Sự làm méo trước ở đầu vào, tạo ra hàm truyền đạt tuyến tính. Nếu biên độ và pha của hàm truyền khuếch đại công suất đã biết, thì bất cứ sự sai lệch nào về hằng số pha và độ lợi đều về lý thuyết đều có thể sửa được ở đầu vào. Việc sửa ở tín hiệu băng gốc thuận tiện hơn khi sửa nó ở tần số vô tuyến. Hệ thống méo trước được trình bày trong hình 3.15:
Hình 3.15 Hệ thống méo trước
Nếu giả sử rằng bộ khuếch đại công suất tạo ra méo pha và độ lợi ở các mức cao của công suất đầu ra, tín hiệu băng gốc có thể được tiền khuếch đại và dịch pha để bù méo của bộ khuếch đại. Việc thiết kế các khối méo trước sử dụng công nghệ analog trong thực tế là rất khó khăn, do đó hàm truyền đạt của mạch méo trước nên loại bỏ tính không lý tưởng hàm truyền đạt của bộ khuếch đại ở tất cả các mức tín hiệu. Ví dụ, hệ số khuếch đại của mạch méo trước phải tăng khi hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại giảm. Việc bám theo đặc tính truyền đạt là việc rất khó khăn khi sử dụng công nghệ analog. Việc làm thích hợp nhất là có một bảng tra số, bảng này lưu giữ các số liệu sửa lỗi pha và hệ số khuếch đại cần thiết (đạt được bằng cách đo đặc tính truyền đạt của bộ khuếch đại chính ). Dữ liệu sửa lỗi về pha và độ lợi số sau đó cần thiết phải lấy lại cho mỗi mức tín hiệu và được sử dụng để điều khiển mạch điều chỉnh pha và độ lợi trong khối méo trước.
Nhận xét: Phương pháp tuyến tính hoá đặc tuyến của bộ khuếch đại công suất lớn khá đơn giản và tương đối hiệu quả, đặc tuyến ra của mạch gần như tuyến tính nên các sóng mang ít ảnh hưởng lẫn nhau do đó hạn chế được điều chế tương hỗ. Nhưng thực tế một vài vấn đề nảy sinh khi thực hiện. Do phải chèn vào phía trước tầng khuếch đại một mạch bù mạch tiền khuếch đại do đó thiết bị trở nên cồng kềnh và phức tạp, dẫn đến giá thành thiết bị tăng lên. Và để sử dụng bảng tra cứu, bộ khuếch đại công suất phải
được mô tả để xác định hàm truyền của nó. Tuy nhiên đáp ứng pha và độ lợi của bộ khuếch đại công suất là một hàm phức tạp có các tham số như nhiệt độ, điều kiện thiên áp, nguồn cung cấp. Các tham số này có thể thay đổi khi nhiệt độ thay đổi, nguồn điện áp thay đổi, tuổi của mạch thay đổi, hoặc sự thay dôi trong quá trình sản suất. Do vậy, tất cả các hệ số có thể đạt được dưới mức bù hoàn hảo cho tính phi tuyến của bộ khuếch đại công suất. Bất chấp những khó khăn khi thực hiện, méo trước vẫn được quan tâm như là một giải pháp khả thi cho điều khiển và tuyến tính hoá bộ khuếch đại công suất. Hơn nữa, các kỹ thuật đã được phát triển, để giảm độ nhạy đối với các thay đổi của thiên áp, nhiệt độ và quá trình sản suất. Phương pháp này chỉ được sử dụng ở giai đoạn đầu của thông tin vệ tinh.
