При проектировании связной аппаратуры необходимо учитывать динамические характеристики узлов (их перегрузку) и связанное с этим значение компрессии. Вследствие того, что в литературе понятие компрессии изложено достаточно сумбурно, а некоторые особенности оценки ее не излагались ранее вообще, автор в данной статье попытался в популярной форме изложить основные понятия компрессии и методику ее оценки.
Как известно, в самом общем случае под компрессией (от латинского "compressus" -сжимание) понимают уменьшение коэффициента передачи сигнала (чаще всего по мощности) данного блока при действии достаточно сильных входных сигналов. Например, в [1, с. 79] дано такое определение компрессии: "Точка компрессии (устройства) есть абсолютная граница практически линейной амплитудной характеристики (этого устройства)".
Из выполненного автором графического представления характера компрессии видно, что определение компрессии согласно [1] несколько неудачно. Так, понятие "абсолютная" не сочетается с понятием "практически" (т.е. определяемое опытным путем с использованием конкретной измерительной установки). Дело в том, что на практике нельзя определить сколь угодно малое отклонение амплитудной характеристики устройства от абсолютно прямой линии, нельзя точно сказать, когда линейная характеристика перестает быть таковой (т.е. искривляется). Фактически нельзя даже отличить кривую линию с крайне малой кривизной от абсолютно прямой линии, описываемой уравнением Y = аХ + b, где:
- a, b - некоторые действительные постоянные.
К тому же всегда следует помнить, что существуют еще и погрешности измерений. Например, на рис. 1 заметное отклонение амплитудной характеристики начинается где-то в точке В (местоположение точки В можно определить только примерно). Однако в точке С имеем уже достаточно выраженное отклонение от прямой ON. Еще большее отклонение от прямой ON имеет место в точке М. Таким образом, видно, что определение компрессии согласно [1] чрезмерно общее и плохо применимо на практике.
Рис.1.
С практической точки зрения можно предложить такое определение компрессии: компрессия есть заметное и явно фиксируемое приборами отклонение от прямопропорциональной зависимости (в сторону уменьшения) между мощностью выходного сигнала Роut и мощностью входного сигнала Pin устройства (блока) при достаточно большой мощности входного сигнала. Такое определение открывает путь для совершенствования методов оценки (измерения) компрессии.
Таким образом, амплитудная характеристика есть функциональная зависимость (в том числе и графическая, т.е. сплошная линия на рис. 1) между Роuт и Pin данного устройства, где Pin выступает в качестве независимой переменной X, а Роuт - в качестве зависимой переменной Y, т.е. функции. Как видно из рис. 1, реальное устройство имеет практически линейную характеристику зависимости Роuт от Pin (в пределах погрешности измерений) примерно до точки В. Но так как отклонение от прямой линии здесь слишком слабое, правильнее говорить о некоторой достаточно малой области в окрестности точки В, где заканчивается линейный участок амплитудной характеристики устройства.
Что касается, например, точки А, то можно уже однозначно говорить о наличии в этой точке линейной характеристики устройства (отклонения от прямопропорциональной зависимости между Роut и Pin не фиксируется). Однако для однозначной и точной характеристики компрессии недостаточно только указать, что компрессия имеет место. Необходимо еще и измерить компрессию, т.е. определить ее числовое значение. Логично с точки зрения практики сделать это следующим образом.
Пусть индекс компрессии X показывает, на сколько децибел (дБ) или децибел милливатт (дБм) отклоняется амплитудная характеристика реального устройства от идеальной прямой линии (на рис. 1 это отклонение точки М от точки N). Тогда значение компрессии (для данного индекса компрессии) обозначает мощность Pin, дБм, при которой отклонение реальной характеристики устройства от прямой линии и составляет индекс компрессии X, дБ (дБм).
Например, на рис. 1 компрессия по уровню -X, дБ (КР-ХдБ), т.е. индекс компрессии X, дБ, имеет место при мощности входного сигнала Pin, соответствующей точке Р на оси "Pin", а индекс компрессии 1 дБ (т.е. KPin-1дБ) - при мощности входного сигнала, обозначенного точкой G. То есть в самом общем случае компрессия по входу устройства KPin-ХдБ определена тем или иным конкретным значением входной мощности Pin.
В зависимости от индекса компрессии X будем иметь то или иное значение KPin-ХдБ, т.е. можно говорить о величине компрессии, если четко зафиксировать этот индекс компрессии. За точку компрессии по входу устройства на практике принято принимать величину Pin, которая дает компрессию с индексом-1 дБ, т.е. KPin-1дБ.
На рис. 1 KPin-1дБ соответствует такой точке (точка G на оси "Pin"), где отклонение амплитудной характеристики реального устройства (отрезок DC) от прямой линии ON как раз и составляет 1 дБ (т.е. длина отрезка DC равна 1 дБ).
Такое отклонение в 1 дБ уже четко фиксируется измерительными приборами и заметно на графике "PIN-P0UT". Вот почему такую компрессию называют компрессией по уровню -1 дБ по входу устройства, понимая при этом такую мощность входного сигнала, при котором мощность выходного сигнала становится на 1 дБ меньше, чем это имело бы место при сохранении прямой пропорциональности между P in и Роut (т.е. в отсутствие компрессии).
В этой связи понятно, почему компрессию выражают в единицах мощности, т.е. в децибел милливаттах (дБм). При достаточно малой входной мощности PIN компрессия не возникает, поэтому в линейной области (где нет компрессии) увеличение (уменьшение) Pin на А (дБм) приводит к увеличению (уменьшению) на эти же А (дБм) и Роut.
Таким образом, при всех значениях Pin, при которых компрессия отсутствует (не может быть выявлена на практике) изменение Роut децибел в децибел (или децибел милливатт в децибел милливатт) следует за изменением Pin!
При такой линейной зависимости Роut от Pin имеет место следующая простая формула:
Роut = Рin + Кр, ДБм, (1) где:
- Роut - мощность на выходе данного устройства, дБм;
- Pin - мощность на выходе данного устройства, дБм;
- Кр - коэффициент передачи (усиления) устройства, выраженный в дБ (мощности).
В самом общем случае формула (1) соответствует формуле:
Pout = Kp1 - Pin, Bt, (2) где:
- Кр1- коэффициент усиления по мощности (безразмерная величина).
Формулы (1) и (2) универсальны и применимы к любым устройствам (смесителям, фильтрам, усилителям, аттенюаторам) при условии отсутствия компрессии. Естественно, если имеет место четко фиксируемая компрессия, формулами (1) и (2) пользоваться нельзя, поскольку компрессия по своей сути представляет уменьшение коэффициента передачи устройства при достаточно больших сигналах (мощности сигнала) на входе устройства.
В этой связи при наличии компрессии по мере увеличения Pin прирост Рout всегда оказывается меньше прироста Pin, т.е. коэффициенты Кр и/или Кр1 начинают уменьшаться по мере роста Pin. Как быстро будут уменьшаться Кр или Кр1, можно определить только при соответствующих измерениях.
Например, если известно, что устройство имеет KPin-1дБ = 3 дБм, то, не имея опытного графика испытаний, мы не можем сказать - при какой входной мощности должна получаться точка KPin-1дБ , <
KPin-20дБ и т.д.
Единственное, о чем можно говорить, исходя из общих положений определения компрессии и обобщающего графика (рис. 1), что
KPin-1дБ <
KPin-10дБ <
KPin-20дБ ….., (3) или в самом общем случае, что:
KPin-AдБ <
KPin-BдБ <
KPin-CдБ <
KPin-ZдБ (4), где обязательно А<
В<
С <
… <
Z.
Понятно, что назвать конкретные числовые значения компрессии, исходя только из соображений (4), невозможно. Более того, не известно - будут ли физически измеримы числовые значения, например, KPin-10дБ или KPin-20дБ и т.д., поскольку измерение этих значений может потребовать столь высоких мощностей PIN, что они могут просто вывести из строя исследуемое устройство!
Так как компрессия в 1 дБ, т.е. KPin-1дБ вызывает уменьшение Кр на 1дБ по сравнению с прямолинейной зависимостью (когда нет компрессии), то, соответственно, KPin-10дБ будет свидетельствовать о том, что Кр уменьшилось на 10дБ от того значения, которое имело место при отсутствии компрессии. То есть получилось уже отклонение от прямой на 10 дБ в сторону меньших значений при данном значении KPin (числовые значения KPin-10дБ и данной KPin, вызывающей 10 дБ компрессию, будут равны). По этой же причине, чтобы определить допустимое значение KPin по тому или иному уровню (чаще всего это именно уровень -1 дБ), необходимо вначале провести измерения, т.е. для ряда значений Pin снять соответствующие им значения Роut, выразив Pin и Роut в дБм.
Далее строим график зависимости Роut от Pin согласно рис. 1. И только исходя из графика, построенного на основании опытных данных, можно найти KPin по тому или иному уровню, с тем или иным индексом компрессии X, т.е. KPin-ХдБ. Если имеет место компрессия, из построенного графика можно определить изменение Кр в зависимости от величины Pin. При этом точка "ноль" на графике (рис.1) в общем случае нулем может и не являться, а может быть просто начальной точкой графика. Например, точке "ноль" по оси Pin может соответствовать значение -10 дБм, а по оси Роut - значение -15 дБм, и т.д. (по этой причине на рис.1 использован "перечеркнутый" ноль). Однако масштаб по осям лучше выбирать одинаковым. По графику легко найти компрессию по тому или иному уровню, если только имеется достаточной длины кривая, построенная по экспериментальным точкам.
Другим важным вопросом, который требует своего рассмотрения (особенно после знакомства с [1]), является вопрос наличия (определения) компрессии по уровню -1 дБ по выходу устройства, т.е. KPin-1дБ. Снова обратимся к рис.1. Допустим, мы имеем мощность Pin, соответствующую точке G на оси X графика. Поднимаясь вертикально от точки G до пересечения с кривой ОМ (характеристикой реального устройства), получаем точку С. Опуская перпендикуляр из точки С на ось Роит (ось Y графика), получаем точку F, - это и будет KPin-1дБ.
Если компрессия отсутствует, вместо точки F мы попадаем в точку Е. Легко заметить, что между точками Е и F (как и между точками D и С) расстояние составляет 1 дБ (1 дБм), т.е. для каждой точки Е получаем завышенное на 1 дБм значение по сравнению с истинным (точка F). То есть формула (1) дает завышенное значение для КPоut -ХдБ, и притом на столько дБ, на сколько падает коэффициент передачи в данной точке Pin на графике по сравнению с прямолинейной зависимостью.
Таким образом, Pin + Kp - x
= Pout (5)
В данном случае в (5) наличие суммы (Pin + Kp), как бы полагает, что мы находимся на прямой ON, но значение x
, как раз и учитывает наличие компрессии в реальном устройстве (кривая ОМ идет ниже прямой ON). Следуя приведенному выше определению компрессии, величина i как раз и определяет уровень (степень) компрессии, т.е. то, что мы называли ранее индексом компрессии X.
Таким образом, если мы имеем дело с компрессией по уровню -1 дБ. x
= 1 дБ при компрессии по уровню -10 дБ имеем x
= 10 дБ и т.д., т.е. фактически
x
= X.(6)
Теперь можно записать, что:
КPоut -ХдБ = КPin -ХдБ + КрдБ - ХдБ, (7), где:
- КPоut -ХдБ - величина компрессии по выходу устройства по уровню -X дБ, выраженная в дБм.
Так, например, величину компрессии (по выходу устройства) по уровню -6 дБ следует записать как:
КPоut-6дБ = КPin-6дБ + КpдБ - 6дБ, где:
- КPin-6дБ - величина компрессии по входу устройства по уровню -6 дБ, выраженная в дБм.
Коэффициент передачи устройства по мощности Кр (в случае отсутствия компрессии), дБ, может быть в общем случае больше, меньше нуля или равен нулю, а уровень (индекс) X компрессии, показывающий, по какому уровню мы рассматриваем компрессию дБ, всегда больше или равен нулю (Х > 0). Из выражения (7) легко можно получить выражение для определения величины КPin -ХдБ, если известны величины КPоut -ХдБ и Кр:
КPin -ХдБ = КPin-6дБ - КpдБ - 6дБ, (8)
Таким образом, формулы (7) и (8) показывают, что если необходимо найти КPоut -ХдБ надо знать и КPin -ХдБ и наоборот, если необходимо найти КPin -ХдБ, надо знать обязательно и КPоut -ХдБ. В заключение еще раз подчеркнем, что величины КPin -ХдБ и/или КPоut -ХдБ ± можно определить только на основании опытного графика, построенного по типу рис. 1.То есть величины КPin -ХдБ и КPоut -ХдБ являются реальными (измеренными) величинами, имеющими четкий физический смысл! И этим они отличаются от ряда других величин, которые также часто используются для оценки (характеристики) блоков связной аппаратуры. Например, такая величина, как IP3in (точка перехвата третьего порядка по входу устройства) не является величиной физической (натуральной), поскольку не может быть измерена непосредственно (экспериментально), а получается только в результате расчетов, основанных на ряде допущений!
Кроме того, на основании выполненного анализа можно говорить о том, что широко используемые в литературе заключения типа "компрессия устройства имеет величину +20 дБм" (например), без указания данных о реальных величинах КPin -ХдБ и КPоut -ХдБ. в сущности ничего не выражают. Имеет смысл говорить в этом случае о величине КPin -ХдБ и/или КPоut -ХдБ, а говорить просто о величине компрессии (столько-то дБм) без указания индексов "IN" и/или "OUT" и собственно индексов компрессии X некорректно.
В. Артеменко, (UT5UDJ)
Литература:
1. Ред Э. Т. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике. - М.: Мир, 1990.
РЛ11-2003
