автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Методы и устройства снижения интермодуляционных искажений в системах спутниковой связи с зональным обслуживанием

На правах рукописи

Абоелазм Мохамед Атта Абдельазиз

Методы и устройства снижения интермодуляционных искажений в системах спутниковой связи с зональным обслуживанием

Специальность 05.12.13 — Системы, сети и устройства телекоммуникаций

~ 7 ОКТ 2015

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2015

005563048

005563048

Работа выполнена на кафедре телекоммуникационных систем федерального государственного образовательного учреждения высшего образования «Московский государственный университет информационных технологий, радиотехники и электроники» (МИРЭА)

доктор технических наук, профессор Нефедов Виктор Иванович

доктор технических наук, профессор, Увайсов Сайгид Увайсович Лауреат премии правительства РФ в области науки и техники, зам. директора по научной работе Московский институт электроники и математики НИУ ВШЭ,

доктор технических наук, профессор, Васильев Константин Константинович

заведующий кафедрой телекоммуникаций заслуженный деятель науки и техники РФ Ульяновский государственный университет

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский технический

университет связи и информатики»

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Защита состоится 20 ноября 2015 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д212.131.01 при Московском государственном университете информационных технологий, радиотехники и электроники (МИРЭА) по адресу: 119454, г. Москва, пр. Вернадского, д. 78, ауд. Д-117.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИРЭА и на сайте https:/www■mirea■ru/science-and-innovatюn/dissertation-tips /(Н55е11аНопа1-соипсП-<1-212-131-01/

Автореферат разослан « 2-4-/.-гг. .<3.$!^.. 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

А.И. Стариковский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Технологии современных цифровых систем спутниковой связи (ССС) с малонаселенными регионами находятся в непрерывном совершенствовании. Главное при разработке таких систем (это также касается и систем подвижной связи) -снижение их энергопотребления. Это связано с тем. что практически все они имеют ограниченные энергетические ресурсы (солнечные батареи, аккумуляторы и т.д.), а это накладывает определенные ограничения на эффективность их работы.

По зоне обслуживания подвижные ССС Российской Федерации и других стран делятся на глобальные, региональные и зоновые (зональные). В этом контексте известны такие многозоновые российские системы спутниковой связи как «Экспрес-АМ4», «Ямал-300». зарубежные - Globalstar, Inmarsat-4, Intelsat, Milstar II, системы связи VSAT и другие, которые предназначены для предоставления пакета мультисервисных услуг (цифровое телерадиовещание, телефония, видеокон-ференцсвязь, передача данных, доступ к сети Интернет), создания сетей связи на основе технологии VSAT, а также поддержания подвижной специальной связи (рисунок 1). Они также осуществляют связь с кораблями, самолетами и управление войсками. Поэтому надежная, качественная, с высокими характеристиками связь при воздействии внутренних и внешних искажений и помех является необходимым условием достижения информационной независимости. Главным направлением в развитии перспективных систем спутниковой связи, безусловно, будет применение многолучевых (многозонных) диаграмм направленности (ДН) антенн для покрытия различных по площади малонаселенных районов. При этом для создания многолучевых зон обслуживания в перспективных ССС будут использоваться в основном фазированные решетки.

Требования к системам спутниковой связи с большим числом излучателей, разделением каналов и гибким сканированием ДН по зонам обслуживания выдвигают задачи, легче решаемые в системах с активными фазированными антенными решетками,, в которые интегрированы индивидуальные усилители мощности групповых сигналов УМГС (СВЧ-модули). Фактически специалисты считают, что антенная решетка является радиотехнической системой, в которой передатчик и приемник интегрированы в нее в виде распределенной структуры, включающей в качестве основных узлов приемопередающие активные модули.

Резкое увеличении числа спутниковых сетей связи ведет к постоянному усложнению сигнальной и помеховой обстановки на входах приемных устройств ССС, обострению проблемы повышения качества спутниковых и подвижных систем свя-

Рисунок 1 - Схема многозонной системы спутниковой связи

зи. Безусловно, качество работы таких систем отражается на многих их характеристиках. одной из основных из которых являются энергетическая эффективность

В каналах современных систем спутниковой связи используются многочастотные (групповые,) сигналы с различными видами цифровой модуляции. Групповой сигнал имеет сложную структуру, которая зависит от общего количества каналов, числа работающих из них в данный момент, затуханий абонентских линий, индивидуальных особенностей абонентов и т.д. Поэтому значения пик-фактора группового сигнала зависят от числа подключаемых абонентов и непостоянны во времени, что во многом определяет качество функционирования УМГС Так. например, если пиковые значения огибающей сигнала выходят за пределы линейных участков передаточных характеристик (ПХ) УМГС, то при усилении многочастотных сигналов, и их взаимодействии друг с другом возникают интермодуляционные искажения (ИМИ). Их появление нарушает работу передающих трактов, искажает диаграммы направленности излучения полезных сигналов и приводит к дополнительным расходам мощности.

При режиме работы и предельных энергетических характеристиках системы (режим насыщения), одновременное включение нескольких лучей приводит к появлению «интермодуляционных» ДН и наложению их на ДН сигналов (рисунок 2). Это вызывает увеличение ширины основных лучей, повышению уровней боковых лепестков, сужению рабочей полосы про- до 6 пускания, снижению эффективной мощности излучения на 10...20 % и т.д. Для качественной работы мощность ИМИ в системах спутниковой связи должна быть, как правило, ниже мощности передаваемых сигналов на 45...50 дБ и более. Особенность работы УМГС радиопередатчика ССС состоит в том, что одновременно усиливаются сигналы различных частот и мощностей. Поэтому УМГС обладают ярко выраженными нелинейными передаточными характеристиками: амплитудной (АХ) - зависимостью выходной мощности от входной Р,ш.(Ргх) и фа-зоамплитудной (ФАХ) - зависимостью фазы от входной мощности Рисунок 2 - Модель двухлучевой Ф(РВХ) и в сочетании с инерционны- полярной ДН решетки и ДН ИМИ-3 ми входными и выходными цепями образует нелинейную динамическую систему с групповым сигналом (устройство с комплексной нелинейностью - УКН). Поэтому решение задачи совершенствования систем спутниковой связи и повышения качества их функционирования связано с обеспечением линейных свойств трактов прохождения группового сигнала, и особенно линейности ПХ УМГС. Отсюда, прежде всего, вытекает необходимость исследования комбинационного спектра (спектра сигналов и ИМИ) на выходе передающих трактов систем спутниковой связи.

Нелинейными явлениями в СВЧ-усилителях мощности занимались С.И. Ев-тянов, В.И. Каганов, Ш.И. Касымов, Б.М. Богданович, Ю.Л. Хотунцев, О. Shimbo, R. Westcott, Е. Sunde, S.A. Maas, E. Johari и другие, которыми разработан ряд методов исследования УМГС. Однако эти методы полностью до сих пор не решили всех вопросов. Причем с возрастанием потоков передаваемой информации, увеличением мощности передатчиков различных систем связи, уплотнением каналов, соответственно, с ухудшением электромагнитной обстановки, проблема становится весьма острой.

Решение возникающих в многозонных системах спутниковой связи проблем связано с обеспечением линейности УМГС антенных решеток. Важное значение имеет и анализ причин возникновения ИМИ и их влияние на характеристики в передающих сегментах ССС. Особый интерес представляет анализ комбинационного спектра и отдельно ИМИ, которые появляются в результате работы УМГС с несколькими несущими. Отмеченные проблемы тесно и органично связаны между собой, упираются в существенную нелинейность ПХ усилительных трактов и моделирование и исследования таких устройств и представляют собой комплексную задачу. Поэтому тема диссертации, посвященная вопросам разработки методов и устройств снижения интермодуляционных искажений в подвижных системах спутниковой связи с зональным обслуживанием, является актуальной.

Целью диссертации является разработка методов и устройств снижения ингермодуляционных искажений а, следовательно, уменьшения энергопотребления систем спутниковой связи с зональным обслуживанием.

Для достижения этой цели в диссертации: предложен компьютерно-ориентированный метод анализа комбинационного спектра выходного сигнала УМГС на основе аппроксимации их ПХ специальными функциями; разработаны алгоритмы и программы для расчета спектра; предложено устройство программно-аппаратной коррекции характеристик и ДН путем уменьшения ИМИ в передающих модулях систем спутниковой связи; разработаны численно-аналитические методики моделирования диаграмм направленности.

Методы исследования. В работе использованы теория связи, теория вероятностей и математическая статистика, методы аппроксимации нелинейных характеристик, спектральный анализ, компьютерное моделирование многолучевых диаграмм направленности систем спутниковой связи.

Научная новизна. Научная новизна заключается в следующем:

1. Предложен компьютерно-ориентированный метод анализа и расчета спектра выходного сигнала УМГС с аппроксимацией передаточных характеристик функциями Бесселя; метод обладает точностью (0,2.. .0,1) дБ.

2. Разработаны новые численно-аналитические методы моделирования многолучевых диаграмм направленности с нелинейными и линеаризированными УМГС; теоретические положения подтверждены экспериментальными исследованиями.

3. Впервые спроектирован программно-аппаратный корректор передаточных характеристик УМГС и многолучевых ДН, уменьшающий на 35...40 дБ ИМИ в передающих и излучающих модулях систем спутниковой связи; корректор позволяет на 10... 15 % повысить КПД УМГС и на 15...20 % снизить энергопотребление; полоса пропускания системы увеличивается на 5 %.

4. Рассчитан массив параметров и созданы модели главных и паразитных лепестков спектральных и полярных диаграмм направленности при наличии ИМИ в системах спутниковой связи с зональным обслуживанием. Анализ показывает, что помехи можно рассчитать теоретически, контролировать и корректировать многолучевые ДН спутниковой системы связи.

Практическая значимость полученных положений

Разработан программно-аппаратный корректор передаточных характеристик У МТС и многолучевых ДН. Корректор позволяет на 35...40 дБ снизить уровень ИМИ передающих трактов систем спутниковой связи и скомпенсировать получаемые при усилении в УМГС паразитные излучения. Значит, с уменьшением ИМИ будет снижаться потребляемая мощность передатчика и, следовательно, энергетическое потребление спутников и их массогабаритные показатели.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Новые алгоритмы и программы теоретического расчета и контроля комбинационного спектра и паразитного излучения, позволяющие путем линеаризации повысить на 10...15 % КПД передающих трактов и за счет этого снизить на 15...20 % энергопотребление систем спутниковой связи.

2. Компьютерно-ориентированный метод анализа комбинационного спектра УМГС, использующий аппроксимацию ПХ функциями Бесселя. Данный метод позволяет рассчитать теоретически ДН и затем контролировать и снижать паразитные излучения в функционирующих системах спутниковой связи.

3. Методика построения программно-аппаратного корректора передаточных характеристик УМГС и параметров паразитного излучения. Корректор позволяет на 35...40 дБ снизить уровень ИМИ передающих трактов систем спутниковой связи и скомпенсировать получаемые при усилении в УМГС паразитные излучения. При этом снижается потребляемая мощность передатчика, его нагрев, уменьшается количество устройств резервирования и, следовательно, масса и габариты спутника.

4. Методы теоретического исследования и моделирования многолучевых диаграмм направленности передающих трактов подвижных систем спутниковой связи с интегрированными в антенные решетки УМГС.

Внедрение результатов работы

Отдельные результаты диссертации применены в институте общей физики им. Л.М. Прохорова Российской академии наук. Результаты работы в виде программного обеспечения внедрены в учебный процесс на кафедре телекоммуникационных систем МИРЭА.

Программное обеспечение предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» и используются в курсовом проектировании по дисциплине «Общая теория связи».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались автором и обсуждались с 2012-го по 2015 год на научно-технических конференциях и семинарах в МИРЭА, на международных и Всероссийских научно-технических конференциях и симпозиумах.

Достоверность теоретических положений и практических результатов подтверждена компьютерным моделированием и экспериментальными исследованиями УМГС и ДН многолучевых решеток ССС; точностью расчетов, выполненных

численно-аналитическим методом УМГС с аппроксимацией ПХ по массивам экспериментальных данных; совпадением результатов с данными, полученными другими авторами, а также актами об использовании результатов диссертации.

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 14 работах. Из них 3 статьи в ведущих научных изданиях, рекомендуемых ВАК для публикации материалов диссертаций, представляемых на соискание ученой степени кандидата наук; монография, 10 статей в трудах международных, российских и Вузовских конференций.

Структура II объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений, списка использованных источников информации, включающего 128 наименований; содержит 152 страницы текста, 35 рисунков и 4 таблицы.

Лнчный вклад. Все результаты и положения, составляющие основное содержание диссертации, разработаны и получены лично автором или при его непосредственном участии.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика решаемой проблемы, обоснована актуальность темы, определены цели, задачи и методы исследования, отмечены научная новизна и практическая ценность работы, сформулированы положения, выносимые на защиту, приведены сведения по апробации, внедрении результатов, публикациях, структуре и объему диссертации.

Первая глава содержит обзор научно-технической литературы и материалы, дающие сведения о возможных методах и устройствах снижения интермодуляционных искажений систем спутниковой связи с зональным обслуживанием. Рассмотрены существующие методы анализа нелинейных УМГС в системах спутниковой связи. Дан анализ вопросов моделирования ДН сигналов и ДН ИМИ в антенных решетках и методы коррекции излучений.

В работе главное внимание уделено УМГС с существенной нелинейностью, так как вопросы анализа слабонелинейных схем практически решены Причина нелинейных искажений групповых сигналов вызвана нелинейным характером взаимодействия потока носителей заряда в транзисторе и электромагнитного поля. Внешним проявлением этого в УМГС является нелинейность АХ и зависимость фазы огибающей сигнала от амплитуды, т.е. появление амплитудно-фазовой конверсии (АФК). При усилении группового сигнала на выходе УМГС возникает еще и ряд типов ИМИ (рисунок 3)

гдециклические частоты усиливаемых сигналов; т, п, к - коэффициенты, равные 0, 1,2,...; 1,7,5 - номера гармоник интермодуляции. Каждую составляющую ИМИ характеризуют порядком, равным сумме т + п +...+ к. Для количественной оценки мощностей ИМИ принято использовать коэффициенты, вычисляемые при подаче на вход УМГС тестового двухтонального сигнала с частотами/ и/2 и равными амплитудами.

Наиболее опасны ИМИ-3 - гармоники на частотах (2/1 - /) и (2/2-/1). При этом коэффициент ИМИ-3 - отношение амплитуды составляющей 2/2 -/ (или 2/ -/2) к амплитуде одной гармоники на входе. Допустимые мощности ИМИ определяют соответствующими стандартами радиосвязи. Для ИМИ-3 они не должны превышать -45...-50 дБ мощности сигнала в канале.

ГЬих1 кокс хмтот

т

Тккка ккутяхчктг

Оюмшия коиотхтчк

Чюотиккуиео: /д /[ ^ -Я Прдшшпихкуша

ПС8ЮС% ПСЙКЙИК

иИМИ-2 1

«Г*

4

НИН

Шяоапрюм«

кИЫИ-3

1

3

1111

11

2/л

3/п

Рисунок 3 - Комбинационный спектр на выходе УМГС при входном двухчастотном тестовом сигнале Для оценки мощности ИМИ-З используют взаимосвязанные параметры: уровень интермодуляции, или точка компрессии (ее обозначают ИМИ-З). Их определяют с помощью ЛХ показанной на рисунке 4 в логарифмическом масштабе (линия АХ) Уровень интермодуляции - разность между уровнями сигнала и ИМИ при таком уровне последних, когда они начинает мешать. На практике для определения точки пересечения ИМИ-З (при появлении составляющих ИМИ-З в спектре) в качестве сигнала используют двухчастотные воздействия.

Линейность УМГС наглядно можно представить, построив график зависимости мощности сигнала на выходе от мощности входного сигнала УМГС, т.е. получив его АХ.

Рисунок 4 - Передаточная АХ нелинейного УМГС и линия ИМИ-З На рисунке 4 изображен и характер роста составляющей ИМИ-З (штриховая линия) Если подать на вход УМГС сигнал большого уровня, реальная АХ будет от-

клоняться от прямой из-за проявляющейся нелинейности. Точка ИМИ-3, где отклонение АХ устройства от идеальной характеристики составляет 1 дБ, называется точкой компрессии (однодецибельной точкой компрессии). Масштаб по осям графика часто удобнее выбирать логарифмическим и тогда для построения используют уровни сигнала, выраженные, как правило в дБм - децибелах относительно мощности несущей.

Проведенными исследованиями установлено, что приближенно нелинейная АХ УМГС моделируется функцией гиперболического тангенса

ЛР^-тор**)-

Итак, существующие в настоящее время УМГС не являются оптимальными по энергетическим параметрам, и вследствие их работы в нелинейных режимах требуется осуществлять коррекцию их ИХ, для чего необходимо проделать большую работу как по снижению потребляемой мощности, так и по эффективному исследованию причин возникновения ИМИ.

В этой главе рассмотрены вопросы создания с помощью персональных систем спутниковой связи многолучевых зон обслуживания. Для этого исследованы вопросы моделирования многолучевых диаграмм направленности антенных решеток с интегрированными в них УМГС как при линейном усилении, так и при воздействии на излучения интермодуляционных помех.

Структурная схема фазированной антенной решетки с УМГС показана на рисунке 5. Она состоит из К УМГС с К излучателями и N источников сигналов с несущими, которые имеют разные амплитуды и фазы. Особенность работы интегрированных УМГС в решетку систем спутниковой связи состоит в том, что они одновременно усиливают сигналы различной частоты и мощности. Поэтому, как отмечалось, для получения предельных мощностей модули УМГС должны работать в режиме насыщения.

Рисунок 5 - Упрощенная структурная схема передающей многолучевой решетки с интегрированными УМГС

Вторая глава диссертации посвящена рассмотрению известных методов и развитию метода анализа и расчета комбинационного спектра УМГС, интегрированных в

антенные решетки, с аппроксимацией их ПХ специальными функциями, среди которых наиболее удобны функции Бесселя.

Комбинационный спектр на выходе УМГС передающих трастов ССС

Для многолучевых ССС с узкополосными сигналами полезно рассматривать частотно-зависимую нелинейную квадратурную модель УМГС, которую можно использовать для анализа ИМИ. Это означает, что ПХ УМГС частотно-независимы во всем рабочем спектральном диапазоне.

Предложенный компьютерно-ориентированный метод спектрального анализа комбинационного спектра с аппроксимацией ПХ функциями Бесселя основан на непрерывном мониторинге составляющих группового сигнала и ИМИ. Суть метода заключается в представлении УМГС эквивалентной схемой с линейными ПХ, полученными на основе их аппроксимации по массивам экспериментальных данных. Затем по разработанной программе с помощью корректора характеристик осуществляется автоматическая компенсация ИМИ. Установлено, что односигнальные ПХ (од-носигнальная теория) в достаточной мере определяют свойства нелинейного УМГС. Но наиболее полно отражают его свойства многосигнальные ПХ (многосигнальная теория) групповые передаточные характеристики (ГПХ). В качестве математического аппарата при спектральном анализе нелинейных УМГС используются функции Бесселя, т.к. они обеспечивают быструю сходимость решений нелинейных задач.

Рассмотрим возможность применения функций Бесселя для аппроксимации ПХ нелинейных УГМС. Если воздействующее на УМГС напряжение состоит из суммы постоянной составляющей, первой и высших гармоник частоты со, (s =1,2,..., К):

К

COSO)/, (1)

5=1

u = U0+YU№

то, выходной ток схемы

П'о

5= 1 " к

П'А

5=1

-Z

и..

и„

dfjUp) dU0

dfjUp) : dUn

+2X-Z -

/>,=Й1 P2=h2 к

eos

®5 t,

где

2 m+p

(2)

(3)

^¿22т+р{т+Ру.т\ — функции Бесселя.

Формула (2) определяет все составляющие тока УМГС и каждую из них можно вычислить с помощью соотношения (3).

Комплексная модель коэффициента передачи УМГС запишется как:

К(и) = к(СОел*£/) = (4)

5=1

где = ]Ът - комплексные коэффициенты; - вещественная часть; Ь^ - мнимая часть модели; - функция Бесселя 1-го рода ¿-го порядка; 0,8 < а<1).

Проведем раздельную аппроксимацию ПХ функциями Бесселя для действительных и мнимых частей нелинейной модели УМГС (4):

К8(С/) = к(Г/)со8ф(£/) = £ ¿^(сиС/),

J=l

Кт([/) = к(С/)япф(ЕО = ¿¿тЛ(аз[/).

¿ = 1

Аппроксимацию выполним методом наименьших квадратов

I

к=1

Кк СОвфk-Y|bgSJL(asU) Г 1

-Ш1П,

(5)

(6)

(7)

(8)

где 2 - число точек аппроксимации ПХ.

Формулы (5) и (7) отражают соответственно аппроксимацию действительной части модели, а (б) и (8) - мнимой. В формулах к,, и ф/, - к-е значения координат АХ и ФАХ в точках гк. Соотношения (7) - (8) приводят к простой формуле для вычисления комплексных амплитуд сигналов и ИМИ

М(КиК2,...,К„) = ЪsY\^Jy.L (9)

¿=1 .=1

Из приведенных формул и расчетов следует, что влияние неравномерности ФАХ имеет существенное значение и при А"ф> (2...2,5) уровни ИМИ могут превышать уровень, вызванный нелинейностью АХ. На рисунке б приведена структурная схема программы аппроксимации ПХ УМГС и расчета комбинационного спектра.

Библиотека программ

Е

Начало

Ввод исходных данных

Аппроксимация передаточных характеристик функциями Бесселя

Блок вычисления коэффициентов аппроиикацнн

Блок вычисления отношения мощностей _сигналов и состалягещнх НМИ_

Стоп

г

Банк неходких данных

1

Пакет прикладных программ

>

Банк выходных данных

Рисунок б - Структурная схема программы аппроксимации ПХ УМГС и расчета комбинационного спектра

В третьей главе рассмотрены вопросы моделирования многолучевых сигнальных и помеховых (излучений ИМИ) ДН систем спутниковой связи. Общее выражение уравнения любой диаграммы направленности линейной решетки

ЯО = |>,£/>(6,ф)еА'\ (10)

где N - количество элементов решетки; а, - амплитуда элемента; ЕР, - ДН каждого элемента; к = 2лЛ, - волновое число; r¡ - координатный вектор ¡'-го элемента; г -пространственный единичный вектор; kr¡f - фаза элемента.

С учетом управления положением ДН из уравнения (10) получим

F(r) = j^afiPíQ^y^e-^, (11)

где г0 - единичный вектор, соответствующий углу сканирования.

Формула (11) есть модель уравнения для дальнего поля излучения, в котором суммарное поле равно произведению ДН каждого элемента и множителя решетки

F[r) = ЕР,(в,у)ЛРХг), (12)

где AF(r) - множитель ДН решетки в дальней зоне

AF(r) = fjalejkr'fe'jkr-f« . (13)

i-i

Трехмерное пространство отображается в двухмерное с помощью синус-косинусного пространства координат, которое представлено переменными: и= sinOcoscp, v = sinüsincp и w = cos8. В двумерном случае шаг решетки в х иу размерности обозначим соответственно как dx и dy. Количество элементов в направлении х будет представлен Л/, а вд' направлении -N. Общее число элементов A/xjV.

Уравнения для координат л>у позиции к-то элемента в решетке:

хш = [т-0,5(Л/ + 1)K, rn = 1,... ,М (14)

у,г [" - 0,S(Ar + 1)К, п = 1,..., N, (15)

Тогда в полярной системе координат уравнение ДН сигналов и ИМИ

Н N

AF(B,q) = ^о,ехр{/[/ос, sm(0)соз(ф) + sm(0)sinfa)]}. (16)

Выражение (16) при сканировании лучей ДН модифицируется как:

Л/. V

AF(0, ф) = £ smt°)co»i(i,>f'« япСв^ицчоь/Ш впи:«,)«»^^^ подилвь)] ^^

Моделирование излучаемых ИМИ в УМГС ССС. Сигнал на входе к-го УМГС

= (18)

»•i

где U„t - амплитуда, ср,,* - начальная фаза,/, - несущая частота л-го сигнала. Выходной сигнал состоит из суммы амплитуд несущих и ИМИ:

"о(*.0 = ZM(¿í->xP J'ílWj + (?пк) b i »-1 где Lp - вектор принадлежит множеству

(19)

Здесь У^ |/„ I - 1 несущие, а составляющие -ИМИ-3

Для индексов р существуют целые числа от I] до /„. Мощность ИМИ

«■=1 »=1

Элементарные поля складываются и суммарное поле рассчитывается и для несущих и для ИМИ на основе коэффициентов возбуждения и ИМИ в дальней зоне. Суммарная ДН Рдв) для сигналов и ИМИ определяется суммированием по (21)

ехр

у'2я

(соэфл. +81Пф|1ул)8тен

(22)

где Хр - длина волны р-го входного сигнала, частота которого задается согласно ¿/„/„ в декартовых координатах элементов массива и (Э,„ ф„).

На рисунке 7 показаны модели нелинеаризованных (а,6) и линеаризированных (и,г) диаграмм мощности 5-лучевой 16-элементной решетки.

Мослгот.. пБ

Моиоссгь, яЕ

'Лол свширокиои. град

90

120

150

/

1№ 210

150

-

¡¡¿О

120

е 'Лол оанлрсчшв'л. град 90

во

210

300

240

350

е 279 г т

Рисунок 7 - Диаграммы распределения мощности сигналов и ИМИ 5-лучевой 16-элементной решетки: а, б - нелинеаризованные; в, ¿-линеаризированные

В четвертой главе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, оценки предложенных методов и устройств линеаризации передающих трактов перспективных систем спутниковой связи с зональным обслуживанием. В диссертации разработаны линеаризированные УМГС с программно-аппаратным корректором передаточных характеристик и параметров паразитного излучения многолучевых ДН антенных решеток систем спутниковой связи.

В частности был рассмотрена модель УМГС в виде обобщенной функциональной модели (ОФМ), АХ которого описана нелинейным функциями Урысона

N

/о

Уп-Т./к1*п.к) ■ (23)

к=1

На рисунке 8 представлены результаты работы системы линеаризации на основе нормированной нелинейной и «инверсной» передаточных АХ УГМС.

Р.*

ое

08

0.4

02

о -I-1-!-!-I

0 01 02 03 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 09 Рисунок 8 - Результат работы корректора УМГС на основе функций Урысона: 1 - нормированная нелинейная АХ; 2 - график требуемой «инверсной» нормированной АХ, 3 - график линеаризованной нормированной АХ

В основном в диссертации исследован разработанный численно-аналитический метод анализа с помощью специализированного софта компьютерной математики нелинейных УМГС по экспериментальным ПХ и по результатам их аппроксимации функциями Бесселя. В системе применены алгоритмы и программа для расчета комбинационного спектра и автоматической линеаризации ПХ нелинейных УМГС; для этого используется специализированный банк экспериментальных данных зависимостей ПХ реальных УМГС. Разработанная структурная схема адаптивного программно-аппаратного корректора АХ УМГС с двумя тестовыми входными сигналами, показана на рисунке 9. Пары аттенюаторов и фазовращателей в 1-ой петле подавления сигналов и 2-ой петле подавления ИМИ подключены через направленный ответвитель к выходному сигналу и устройством управления. Расчеты комби-

национного спектра на выходе нелинейного ИМИ были проведены для 5-ти и 10-ти групповых сигналов в диапазоне 4,125 ГГц.

Рисунок 9 - Разработанный корректор передаточных характеристик УМГС Основная проблема при разработке корректоров - минимизация амплитудных и фазовых ошибок в сигналов на их выходах. Для подавления ИМИ на выходе корректора, на один вход которого подается входной сигнал, а на второй вход -усиленный сигнал с ИМИ, необходимо, чтобы амплитуды несущих были одинаковы, а сдвиг фаз был к (задержки т-1 и х-2).

В результате того, что амплитуды и фазы сигналов не одинаковы, существует определенный порог ограничения сигналов в обеих петлях корректора. Подавление ИМИ на выходе петли взаимного подавления сигналов в зависимости от порогов ограничения

О,1др

Рвых(ДР,ДФ) = 101ё[1 + 10

-2-10 соэАф] — .Р^ .

(24)

Составляющую Р^ = 3 дБ в (24) вносит симметричный сумматор (£). Для исключения влияния порогов срабатывания элементов корректора введены схемы управления, отслеживающие изменения амплитуды и фазы. При возникновении в цепи коррекции фазы ошибки, фазовая ошибка, на выходе петли подавления ИМИ составит

Дф = 1 - 0,5 сое

1-10

О.КСЛ^ (4Р,5)-4/>+Л0 100,1ДР

2 10

(25)

Зная фазовую ошибку на выходе петли подавления ИМИ, рассчитаем степень их подавления от порогов ограничения мощности и фазы

, = 101g

1 + 1010 -2

102

l-0,5cos"

1-10

-101

-А, (26)

¿p 2 ■ 10 20

В результате расчетов и моделирования получено, что после включения корректора уровни ИМИ подавлены на 35...40 дБ в полосе 15 МГц.

На основе расчетов параметров схемы разработанного корректора УМГС сделаны выводы о том, что амплитудная погрешность в петле компенсации несущих составила не более 0,2 дБ. Для выходного сумматора системы при амплитудной ошибке не более 0,2 дБ и при Pv = 0,52 дБ подобная степень подавления ИМИ возможна при максимальной фазовой ошибке около 0,4. ..0,5°. Полученные при моделировании результаты подтверждают достоверность выполненных расчетов.

На основе предложенного программно-аппаратного корректора ПХ разработан линеаризированный УМГС, включающий схемы подавления ИМИ и управления в реальном времени. Расчеты и экспериментальные исследования показали, что увеличение линейности УМГС наЗ дБ эквивалентно увеличению КПД на 15...20%.

Из графиков нормированной ПХ и графиков ИМИ-3 можно сделать вывод, что корректор выполнил задачу линеаризации АХ УМГС (рисунок 10).

50,0

О 5 10

Входная мощность, дБ/мВт

Рисунок 10 - Зависимость выходной мощности и мощности ИМИ-3 от входной мощности нелинейного и линеаризированного УМГС

При анализе получено, что выражение, аппроксимирующее АХ имеет вид

-0,03РВ,

(27)

В результате проведенной аппроксимации ФАХ получено, что

Ф = — 64,1Р,* + 4,1РВХ3. (28>

При этом использовался компьютерно-ориентированный метод аналнза комбинационного спектра УМГС решетки с помощью прикладной компьютерноима-тематики, основанный на аппроксимации передаточных характеристик в базисе

функцтБесселя^^ ^^ вычислений аппроксимация комплексных записей

АХ и ФАХ проводилась отдельно для действительной и мнимои частей.

Коэффициенты аппроксимации находились методом наименьших квадратов для точек ПХ и экспериментальных данных. В качестве исходных экспериментальных данных вводились параметры входной и выходной мощности и разности фаз сигналов на входе и выходе исследуемых УМГС. В расчетах используются координаты до 75 точек АХ и ФАХ.

Упрощения, используемые в предложенном спектральном методе анализа.

• все сигналы на входе УМГС считаем узкополосными;

• амплитуда и фаза огибающей входного сигнала изменяются медленно по сравнению с частотой несущей; ппппсе

• передаточные АХ и ФАХ УМГС не зависят от частоты, то есть АЧХ в полосе

частот полезных сигналов - равномерна, а ФЧХ - линейна.

Для подтверждения эффективности предложенного численно-аналитического метода анализа нелинейных УМГС проведена оценка точности Расчета мощности при изменении реальных данных. Для этого задавались: число точек.г аппроксимируемой ПХ и их расположение; число членов I ряда; начальных комбинации ^эф-фициенгов Ь. При расчете коэффициентов К для разного I членов суммы (9) установлено, что наиболее точны результаты при £ = 25 и значении а - 0,5.. .0/75

В данной главе также дана оценка основным соотношениям по определению мощности сигналов и составляющих ИМИ-3 и ИМИ-5 на выходе нелинейных УМГС Показано, что при групповом сигнале отношение PJPmш можно приоли-™ вычислять как сумму значений, полученных путем раздельного учета влияния Нелинейности АХ Гнеравномерносги ФАХ. Определено, ™вре«н^

щения УМГС, разница в расчетах при раздельном и суммарном учете АХ и ФАХ

составляет 0,4...0,5 дБ. ____та1ГЯ,

В результате экспериментальных и теоретических исследовании, а также

расчетов на компьютере было установлено что: ^МГС

• абсолютная точность расчетов Р/Рими на выходе линеаризированных УМГС соизмерима с погрешностью измерительных приборов и составляет значение

^'^'точность расчетов отношения мощностей Р^Рими =/(Р.*) в зависимости от мощности входного группового сигнала для наиболее интенсивных продуктов

ИМИ-31 ИМИ-32 составляет 2,5...5,0%.

В работе оценены инструментальные ошибки (положительная и отрицательная! определения ИМИ при использовании бесселевой аппроксимации ИХ.

} Максимальные положительная (сигналы в фазе) и отрицательная (сигналыв противофазе) абсолютные погрешности (или ошибки) соответственно определяются формулами:

= 201ё

Ри

] + 1 у-ГИМИвих

Д = 201ё

1-10

■Римик \

^ИМИвых

(29)

В соотношениях (29) Римивх - абсолютная мощность ИМИ на входе УМГС и ■Римигых - абсолютная мощность ИМИ на его выходе. В результате расчетов получено, что погрешности: Д+ = 2.53дЕ; =-3,52дБ.

В этой главе также представлены материалы по экспериментальным исследования диаграмм направленности антенных решеток с интегрированными в их каналы УМГС ( рисунок 11).

На рисунке 11 ,а, показан экспериментальный стенд для измерения ДН двух-лучевой решетки системы спутниковой связи. Для экспериментального использования в активной антенной решетке интегрирован один из линеаризированных УМГС, который позволяет существенно уменьшить мощность паразитных лепестков ДН ИМИ и «выправить» сигнальные ДН (трехмерная модель ДН решетки с малыми ИМИ; рисунок 11,6).

а о

Рисунок 10 - К экспериментальным исследованиям и результатам: а - экспериментальный стенд для измерения ДН; б - 3-мерная модель ДН

В приложениях приведены электрическая принципиальная схема разработанной схемы программно-аппаратного корректора передаточных характеристик УМГС и ДН решетки, программы расчета комбинационного выходного спектра, программы моделирования различных спектральных диаграмм и многолучевых диаграмм направленности сигналов и ИМИ антенных решеток с интегрированными УМГС.

Заключение

В процессе выполнения диссертации получены новые научные результаты в области разработки методов и устройств снижения интермодуляционных искажений в системах спутниковой связи с зональным обслуживанием.

Для этого автором:

• предложен новый компьютерно-ориентированный метод анализа и расчета комбинационного спектра на выходе УМГС с аппроксимацией передаточных характеристик функциями Бесселя:

ТС МИРЭА

• разработана методика построения программно-аппаратного корректора передаточных характеристик УМГС и параметров паразитного излучения. Корректор позволяет на 35...40 дБ снизить уровень ИМИ передающих трактов ССС и скомпенсировать получаемые при усилении в УМГС паразитные излучения. При этом на 15...20 % снижается потребляемая мощность передатчика, его нагрев, уменьшается количество устройств резервирования и, следовательно, энергопотребление масса и габариты спутника;

• разработаны и подтверждены экспериментально новые численно-аналитические методы моделирования многолучевых ДН антенных решеток с нелинейными и линеаризированными УМГС;

• рассчитан массив параметров и созданы модели главных и паразитных лепестков спектральных и полярных диаграмм направленности при наличии ИМИ в системах спутниковой связи. Анализ показывает, что помехи можно рассчитать теоретически, контролировать и корректировать многолучевые ДН спутниковых систем связи с зональным обслуживанием.

Итак, в результате теоретических и экспериментальных исследований, а также компьютерного моделирования разработана методика по снижению интермодуляционных искажений в системах спутниковой связи с зональным обслуживание. Характерные экспериментальные данные подтверждаются результатами измерений. Исследования показали, что помехи можно рассчитать теоретически и контролировать и корректировать ДН многолучевой антенной решетки спутниковой системы связи с зональным обслуживанием.

Список основных публикаций Публикации в виде статей, рекомендованных ВАК РФ

1. Абоелазм М.А., Нефедов В.И., Кругов М.М., Пикуль А.И., Егорова Е.В., Му-ад Х.М. Искажение сигналов в многолучевых спутниковых антеннах // Антенны. -2014.-№ 12(211). С. 15-21.

2. Абоелазм М.А., Нефедов В.И., Решетняк С.А., Третьяков Г.Н. Исследование цифровой модели нелинейного активного фильтра первого порядка // Цифровая обработка сигналов. 2014. №4. С. 62-64.

3. Абоелазм М.А., Нефедов В.И. Многоканальные волоконно-оптические телекоммуникационные системы // Успехи современной радиоэлектроники. 2014. № 1. С. 55-59.

Монография

1. Абоелазм М.А., Нефедов В.И., Шпак A.B. / Под ред. В.И. Нефедова. Оптимизация параметров усилителей мощности. -М.: Энергоатомиздат, 2013.239 с.

Доклады на конференциях

1. Абоелазм М.А., Муад Х.М., Нефедов В.И., Шпак A.B., Дементьев А.Н. Нелинейные искажения в системах связи с многолучевыми активными антенными решетками. // Сб. научных трудов П-ой НМПК «Актуальные проблемы и перспективы развитая радиотехнических и инфокоммуникационных систем «Радиоинфоком-2015», 14-18 апреля 2015 г., МИРЭА, г. Москва. С. 236-241.

2. Абоелазм М.А., Нефедов В.И., Муад ХМ., Кругов М.М., Копсяев Д.А. Многолучевые спутниковые антенны. Материалы Международной научно-технической конференции «INTERMATIC - 2014», 1 - 5 декабря 2014 г., МИРЭА. Москва. С. 205-210.

3. Абоелазм MA. Программно-управляемые системы подвижной радиосвязи. // Сборник научных трудов 1-ой Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развитая радиотехнических и инфокоммуникационных систем «Радиоинфоком-2012», 28-30 марта 2012 г. МИРЭА. Москва С. 149-151.

4. Абоелазм М.А, Ветрова В.В., Нефедов В.И., Муад Х.М., Пивоваров Ю.С. Групповые сигналы в радиосистемах различного назначения. // Сб. научных трудов XIМНПК «ИНФО-2014», 1-10.11.2014г,г. Сочи. С. 196-200.

5. Абоелазм М.А., Халимов С.С., Муад Х.М., Савченко А.С., Самарин Д.В. Исследование нелинейных устройств. ИНФО-2014», 1-10 октября 2014 г., г. Сочи. С. 234-236.

6. Абоелазм М.А, Дементьев А.Н., Трефилов Д.Н., Шпак АВ. Численные методы моделирования антенн. //Сб. трудов П-ой Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развитая радиотехнических и инфокоммуникационных систем «Радиоинфоком-2015», 14-18 апреля 2015 г, МИРЭА Москва С. 247-252.

7. Aboelazm М.А., Nefedov V.I. A Proposed Integrated Multibeam Active Phased Antenna Array Transmission System for Interference Cancellation in Satellite Communications. // (ЕСУ), ISSN 2575-7999, ч. 1, журнал № 1 (18)/ 2015.

8. Абоелазм MA, Кругов MM, Трефилов НА, Халимов С.С., Мудц ХМ Автоматизация проектирования многослойных конструкций систем связи. // Сборник научных трудов XI Международной научно-пракгаческой конференции «ИНФО-2014», 1-10 окгабря 2014 г г. Сочи. С. 360-361.

9. Абоелазм М.А., Башмакова B.C. Системы программно-управляемой радиосвязи. // Сб. трудов X МНПК « ИНФО-2013», 1-10 октября 2013 г., г. Сочи. С. 286-291.

10. Aboelazm М.А., Nefedov V.I. Interference Study in a Proposed Integrated Multi-beam Active Phased Antenna Array Transmission System for Satellite Communications. The Seventh International Conference on Advances in Satellite and Space Communications SPACOMM 2015, Barcelona, 19-24 April 2015.

Подписано в печать: 17.09.15

Объем 1,0 усл.п.л. Тираж: 100 экз. Заказ № 129 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинский проспект, д.2 +7(495)978-66-63, www.reglet.ru