автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Цифровое формирование радиосигналов с малыми интермодуляционными искажениями в радиопередающих устройствах бортовой спутниковой аппаратуры

На правах рукописи 005537915 .

КОНДРАШОВ Александр Сергеевич

ЦИФРОВОЕ ФОРМИРОВАНИЕ РАДИОСИГНАЛОВ С МАЛЫМИ ИНТЕРМОДУЛЯЦИОННЫМИ ИСКАЖЕНИЯМИ В РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВАХ БОРТОВОЙ СПУТНИКОВОЙ АППАРАТУРЫ

Специальность 05.12.04 -Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 4 НОЯ 2013

Москва-2013

005537915

Работа выполнена на кафедре Формирования колебаний и сигналов Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный

исследовательский университет «Московский энергетический институт» (ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»)

Научный руководитель; БЕЛОВ Леонид Алексеевич,

кандидат технических наук, профессор

Официальные оппоненты: ОКОНЕШНИКОВ Виктор Степанович,

доктор технических наук, старший научный сотрудник, зам. начальника Научно-технического центра «НИИРП»

ОАО «Головное системное конструкторское бюро Концерна ПВО «Алмаз-Антей», г. Москва

СОЛНЦЕВ Виктор Анатольевич,

доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры

Радиоэлектроники и телекоммуникаций Московского института электроники и математики Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики»

Ведущая организация: ОАО «Научно-производственное

предприятие «Алмаз» (г. Саратов)

Защита состоится 5 декабря 2013 г. в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.157.05 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: г. Москва, ул. Красноказарменная, 17, аудитория А-402.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направить по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»

Автореферат разослан «2.3 » октября 2013 г. Учёный секретарь

диссертационного совета Д 212.157.05

кандидат технических наук, доцент <^1 Т.И. КУРОЧКИНА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Одним из ключевых элементов спутниковой системы передачи информации, определяющих энергетику канала связи, является бортовое радиопередающее устройство, к которому в связи со спецификой эксплуатации в условиях космического пространства предъявляются дополнительные требования повышенной энергетической эффективности и допустимого уровня искажений передаваемой информации.

При синусоидальном входном сигнале усилитель мощности радиопередающего устройства обеспечивает получение максимальных значений выходной мощности и энергетического коэффициента полезного действия в нелинейном режиме, близком к насыщению. При модулированном или многочастотном сигнале на входе усилительного тракта работа в нелинейном режиме приводит к появлению недопустимых интермодуляционных искажений усиливаемых сигналов из-за зависимости выходной амплитуды и фазового набега от текущей амплитуды входного сигнала, что не позволяет использовать полностью паспортные характеристики усилительного прибора по выходной мощности и энергетической эффективности (коэффициенту полезного действия — КПД). Для уменьшения уровня таких искажений, улучшения энергетических показателей радиопередающего устройства и выполнения международных нормативов электромагнитной совместимости для системы передачи информации в целом применяют различные методы коррекции (линеаризации) амплитудных характеристик усилительного тракта радиопередающего устройства.

В зарубежной литературе обсуждаются вопросы линеаризации транзисторных усилителей мощности для сотовой связи. Известны работы Ямаучи К. и др. (Yamauchi К., et al.) по технике создания миниатюрных полупроводниковых линеаризаторов, работы Кусуноки С. и др. (Kusunoki S., et al.) по предыскажающим линеаризаторам для базовых станций сотовой связи, публикации Жао Ж. и др. (Zhao J., et al.),

описывающие системы линеаризации с цифровой обработкой сигналов, книги Г. Педро и Н. Карвальо (Pedro J.C. and Carvalho N.B.), A. Гребенникова (Grebennikov A.), С. Криппса (S.С. Cripps) no транзисторным усилителям мощности. В отечественной литературе можно выделить работы под руководством O.A. Челнокова и В.М. Рожкова по созданию аналоговых линеаризаторов, исследования В.А. Солнцева и

A.И, Шульги, которые предложили и разрабатывают новый способ аналоговой линеаризации, ряд исследований под руководством

B.И. Нефедова по линеаризации мощных транзисторных усилителей систем подвижной связи, недавние работы Е.Б. Соловьевой по нейронным линеаризирующим алгоритмам. Однако использование аналоговых устройств линеаризации в космической технике по ряду причин затруднительно.

Современные требования к системам спутниковой связи по скорости передачи информации заставляют применять сигналы с более сложными видами модуляции и с повышенной спектральной эффективностью. Вместе с тем, использование таких сигнальных структур приводит к ужесточению требований к линейности радиопередающего устройства. Это связано с дефицитом частотного ресурса для космических линий передачи информации в соответствии с нормативами электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств, с использованием несущих частот коротковолновой части сантиметрового диапазона, с ужесточением требований к спектральной эффективности таких систем, к массогабаритным показателям и к энергопотреблению бортового спутникового радиопередающего устройства. При этом опыта исследований и реализации таких устройств в наземной аппаратуре недостаточно для построения бортовых устройств, функционирующих в специфических условиях эксплуатации космического аппарата.

Известные аналоговые методы линеаризации при помощи обратной связи или связи вперед применять затруднительно из-за явлений

амплитудно-фазовых преобразований, широкополосности сигналов, высокой выходной мощности бортовых радиопередающих устройств и нестабильных фазовых соотношений при повышенной до десятков гигагерц несущей частоте. Аналоговые способы создания компенсирующих предыскажений сигналов трудны в реализации при широкой полосе спектра сигнала и значительных вариациях дестабилизирующих факторов, характерных для космической среды.

Изучение состояния проблемы показывает, что необходим анализ и разработка цифровых методов линеаризации усилителей мощности сложных сигналов диапазона сверхвысоких частот (СВЧ), способных улучшить энергетические характеристики спутниковых радиопередающих устройств в широком интервале дестабилизирующих воздействий при допустимом уровне искажений выходного сигнала. При этом необходимо решить ряд новых теоретических вопросов, связанных с оптимизацией параметров таких устройств, и выполнить экспериментальные работы для широкополосных усиливаемых сигналов с учетом специфики бортовой аппаратуры спутниковых систем связи. Таким образом, являются актуальными вопросы построения радиопередающих устройств с высокими характеристиками энергетической и спектральной эффективности при допустимом уровне интермодуляционных искажений.

Цель работы заключается в исследовании новых цифровых методов и устройств линеаризации для создания бортовых радиопередающих устройств, обладающих одновременно высокой спектральной и энергетической эффективностью при допустимом уровне интермодуляционных и межсимвольных искажений, которые функционируют в необслуживаемом режиме при широком интервале изменения параметров окружающей среды космического пространства и параметры излучения которых удовлетворяют строгим нормативам электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств.

Дня достижения поставленной цели в представленной диссертационной работе решаются следующие основные задачи:

¡.Проводится аналитический обзор литературы по вопросам снижения интермодуляционных искажений сигналов в радиопередающих устройствах СВЧ диапазона.

2. Разрабатываются новые структурные решения для бортовых радиопередающих устройств, которые отличаются высокой энергетической и спектральной эффективностью при допустимом уровне интермодуляционных искажений и автоматической адаптацией к вариациям параметров окружающей среды.

3. Исследуются новые цифровые технические решения для определения предельных возможностей одновременной цифровой линеаризации и достижения высокой выходной мощности с целью выработки рекомендаций по построению спутниковых радиопередающих устройств.

4. Проводятся экспериментальные радиочастотные исследования линеаризованных радиопередающих устройств для проверки выработанных рекомендаций и применения новых технических решений при построении отечественной спутниковой радиопередающей аппаратуры.

Методы исследования. В работе использовались методы: медленно меняющихся амплитуд; теории линейных и нелинейных электрических цепей; численного моделирования процессов в нелинейных цепях СВЧ; преобразования Фурье; корреляционной оценки уровня искажений сигнала; спектрального анализа; экспериментальных исследований; аппроксимации нелинейных характеристик; цифрового представления сигналов; квадратурной модуляции и квадратурных преобразований радиосигналов.

Достоверность. Полученные результаты не противоречат известным теоретическим данным и подтверждены экспериментально.

Научная новнзна работы заключается в том, что в ней впервые:

1. Проведены исследования предельных возможностей полностью цифровой предыскажающей системы линеаризации, которые показали, что ее применение обеспечивает незначительные отклонения от потенциально достижимых значений параметров линейности радиопередающего устройства.

3. Сформулированы и обоснованы рекомендации по выбору параметров цифровых линеаризирующих устройств с учетом явлений 'амплитудно-амплитудных и амплитудно-фазовых преобразований.

4. Предложена, запатентована и исследована методика цифровой адаптивной коррекции параметров линеаризатора при автономной работе радиопередающего устройства без перехода к тестовым сигналам в широком интервале изменения параметров внешних воздействий.

5. Предложена и проанализирована методика оценки ингермодуляционных искажений путем вычисления коэффициента корреляции сигналов на входе и на выходе нелинейного усилителя мощности, применимая к различным типам твердотельных, электровакуумных и комплексированных радиопередающих устройств СВЧ диапазона.

Практическая ценность работы:

1. Сформулированные рекомендации и результаты экспериментальных исследований использованы при разработке радиопередающего устройства Ка-диалазона с усилителем мощности на лампе бегущей волны (ЛБВ) в бортовой аппаратуре ретрансляции для космического аппарата дистанционного зондирования Земли космической системы, использующей геостационарный ретранслятор «Луч-4».

2. Проведена схемотехническая и программная подготовка к применению в космической аппаратуре информационно-навигационного комплекса «ГЛОНАСС-К2» предложенных автором решений, улучшающих энергетическую и спектральную эффективность,, а также массогабаритные показатели бортовых радиопередающих устройств.

3. Результаты работы использованы в учебном процессе подготовки специалистов по направлению Радиотехника в НИУ «МЭИ» в виде нового раздела учебных курсов, при выполнении бакалаврских работ, дипломных проектов и магистерских диссертаций; автором разработана и введена в регулярный учебный процесс новая лабораторная работа по адаптивной цифровой линеаризации усилителя мощности.

Документы о внедрении приведены в приложениях к диссертации.

Положения, выносимые на защиту:

1. Метод полностью цифровой линеаризации, предложенный и обоснованный в работе, позволяет повысить энергетическую и спектральную эффективность радиопередающих устройств спутниковой аппаратуры.

2. Радиопередающее устройство, построенное на основе метода полностью цифровой линеаризации, имеет заметные технико-экономические преимущества по сравнению с известными аналоговыми устройствами.

3. Новый запатентованный автором способ количественной оценки уровня интермодуляционных искажений может быть использован на борту спутникового ретранслятора без переключения на режим тестирования.

4. Предложенная автором методика корреляционной оценки интермодуляционных искажений в нелинейном усилителе мощности позволяет упростить вычисление оценки уровня интермодуляционных искажений усилителя мощности на борту космического аппарата.

Публикации и апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы доложены и обсуждены: на Международных научно-технических семинарах «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания» СИНХРОИНФО-2010, г. Нижний Новгород, СИНХРОИНФО-2011, Украина, г. Одесса, СИНХРОИНФО-2013, г. Ярославль; на Ш-ей Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий» (г. Москва, 2010 г.); на Международной Средиземноморской конференции по встраиваемым

вычислительным системам (Mediterranean Conference on Embedded Computing - MECO-2012), г. Бар, Черногория); на 18-ой Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» RLNC-2012 (г. Воронеж, 2012 г.); на Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 55-летию ОАО «НПП «Алмаз» (г. Саратов, 2012 г.); на 17-ой, 18-ой и 19-ой Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиотехника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2011, 2012, 2013 г.г.).

Результаты диссертации в полной мере отражены в 19 публикациях, в том числе: в 3-х статьях в изданиях из перечня ВАК, в 3-х описаниях патентов Российской федерации, в 6-ти текстах докладов на научно-технических конференциях и семинарах (одна публикация - на английском языке); четыре публикации сделаны без соавторов.

Личный вклад. Все результаты, сформулированные в положениях, выносимых на защиту и составляющие научную новизну работы, получены автором лично, либо при его непосредственном участии.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, семи приложений на 8 страницах, списка литературы, включающего 88 наименований, изложена на 116 страницах текста, содержит 45 рисунков и 2 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, определены цели и задачи исследования, изложена научная новизна полученных результатов, обосновано практическое значение работы, сформулированы положения, выносимые на защиту, приведены сведения о публикациях и апробации работы.

В первой главе диссертации определены основные понятия, используемые для описания энергетических характеристики усилителей мощности, показаны причины возникновения явлений амплитудной компрессии (АМ/АМ преобразования) и амплитудно-фазовой конверсии (АМ/ФМ преобразования) в электровакуумных усилителях мощности на

ЛБВ и в многокаскадных твердотельных усилителях на транзисторах, показаны их характерные особенности и различия. Показано, что в усилителях на ЛБВ наблюдается максимум выходной мощности вблизи насыщения при увеличении входной мощности и снижение выходной мощности при дальнейшем увеличении входной; в транзисторных усилителях для каждого из каскадов характерно монотонное приближение выходной мощности к максимуму при увеличении входной мощности, а число каскадов достигает пяти, чтобы обеспечить сопоставимое с ЛБВ значение коэффициента усиления. Кроме того, усилители на ЛБВ характеризуются увеличенным уровнем амплитудно-фазовой конверсии.

Анализ видов искажений сигналов при их усилении показал, что наиболее существенными являются интермодуляционные компоненты нечетного (3-го, 5-го и т.д.) порядка, так как частоты этих составляющих попадают в рабочую полосу частот радиопередающего устройства и не поддаются фильтрации.

Сопоставление вариантов оценки уровня интермодуляционных искажений показало, что наиболее простым является метод на основе двухчастотного тестового сигнала, при котором измеряется значение ИМИЗ - уровня мощности мешающих спектральных составляющих 3-го порядка по отношению к мощности составляющих на входных частотах. Показано, что такая методика дает завышенную количественную оценку, так как закон распределения амплитуд при тестировании отличается от статистики амплитуд реального сигнала. Установлено, что шумовой и внеполосный методы оценки уровня интермодуляционных искажений точнее характеризуют искажения при усилении мощности реального сигнала, но требуют более сложных устройств формирования и обработки тестового сигнала.

Показаны преимущества способа линеаризации предыскажением с обработкой в цифровой области по сравнению с использованием связи вперед и обратной связи для применения в радиопередающих устройствах бортовой спутниковой аппаратуры.

Во второй главе проведено исследование новых структур для применения в бортовых радиопередающих устройствах СВЧ диапазона с высокой спектральной и энергетической эффективностью.

Рассмотрены разработанные автором и запатентованные новые технические решения для построения полностью цифровой системы предыскажающей линеаризации тракта усиления по мощности в бортовых ретрансляционных комплексах прямого типа (с однократным "преобразованием частоты) и с демодуляцией и цифровой обработкой (регенерацией) сигнала на борту.

Проведен анализ разработанного автором и запатентованного нового структурного решения для системы предыскажающей линеаризации с адаптацией к изменениям характеристик амплитудной компрессии и амплитудно-фазовой конверсии в усилителе мощности, обусловленными вариациями температурного режима и питающих напряжений на борту.

Предложен и проанализирован новый алгоритм построения адаптивного предыскажающего линеаризатора, упрощающий вычислительный процесс оценки уровня искажений.

Показано, что полностью цифровая система предыскажения может обеспечить близкое к потенциально возможному качество линеаризации за счет высокой степени соответствия заданных таблично предыскажающих функций цифрового линеаризатора, учитывающих нелинейные характеристики усилителя мощности. Однако в условиях изменений режима функционирования усилителя мощности из-за воздействия окружающей среды или вариаций питающих напряжений качество линеаризации может серьезно нарушаться.

Разработанная и проверенная на моделях адаптивная цифровая система обеспечивает оперативную подстройку предыскажающих функций к изменяющимся характеристикам усилителя без перехода в режим тестирования.

Установлено, что такая система обладает меньшими потенциальными возможностями по обеспечению качества линеаризации по сравнению с предельными, но позволяет достигнуть оценок уровня интермодуляционных искажений на 20-30 дБ более низких, чем допустимые действующими стандартами спутниковой связи.

Показано, что для дальнейшего повышения качества линеаризации необходимо увеличивать степень полинома описания предыскажающих функций, разрабатывать более сложные алгоритмы нахождения коэффициентов таблиц предыскажения с привлечением дополнительных вычислительных ресурсов; выявлены направления усложнения алгоритма адаптации и оптимизации.

В третьей главе проведены аналитические и . модельные исследования новых цифровых решений для определения предельных возможностей по линеаризации и достижению высокой выходной мощности и выработки рекомендаций применительно к бортовым спутниковым радиопередающим устройствам.

В среде System Vue - 2008 с использованием математического пакета MATLAB разработаны математические модели узлов радиопередающего устройства с цифровым линеаризатором и с нелинейными блоками, имитирующими явления амплитудной компрессии и амплитудно-фазовой конверсии. В качестве прототипа для усилителя мощности выбрана типичная ЛБВ космического применения.

Математическое моделирование проведено с использованием двухчастотного тестового сигнала, а также сигнала с псевдослучайной четырехпозиционной манипуляцией фазы ФМ4 и сглаживанием' фронтов информационных символов фильтром Найквиста. Энергетические характеристики усилителя мощности при этом сопоставляются с паспортными, которые указываются для одночастотного сигнала.

Оценки предельных возможностей повышения выходной мощности, спектральной и энергетической эффективности усилителя мощности за счет использования цифрового линеаризатора показали, что при фиксированном значении допустимого уровня интермодуляционных искажений ИМИЗД0П имеется возможность увеличения средней выходной радиочастотной мощности. В частности, при выходной мощности на 0,5 дБ ниже ее значения в режиме насыщения, уровень интермодуляционных искажений за счет использования полностью цифровой линеаризации уменьшается на 13 дБ (рис. 1).

ГШИЗ.дБ

Рис. 1. Функциональная связь между уровнем ИМИЗ и выходной мощностью для сигнала ФМ4, сглаженного фильтром Найквиста без линеаризатора (линия 1) и с цифровым линеаризатором (линия 2)

Исследования на имитационной модели процесса усиления сигнала с

псевдослучайной манипуляцией фазы ФМ4 и сглаживанием фронтов по

Найквисту (рис. 2) показали, что за счет цифровой линеаризации заметно

(с -29 дБ до -42 дБ) снижается уровень внеполосных излучений, что

обеспечивает выполнение жестких нормативов электромагнитной

совместимости для спутниковой связи.

СПМ, дБн О -10 -20:

-30 -40 -50

-60 _________________________

-4-3-2-1012 3 (/1/0)1;

Рис. 2. Зависимость спектральной плотности мощности СПМ сигнала ФМ4, сглаженного фильтром Найквиста от нормированной расстройки по частоте (Г- при Рвых/^вых нас = -1 дБ без линеаризатора (линия 1) и с цифровым линеаризатором (линия 2) (т - длительность символа)

Впервые проведено исследование интермодуляционных искажений в радиопередающем устройстве с применением разработанного автором корреляционного критерия оценки уровня ИМИ, основанного на вычислении коэффициента корреляции Я выходного искаженного и входного неискаженного сигналов усилителя мощности.

Анализ показал, что для двухчастотного тестового сигнала в близком к насыщению режиме около 25 % выходной мощности приходятся на суммарные паразитные интермодуляционные компоненты. Использование разработанного цифрового линеаризатора снижает их относительный суммарный уровень до 4,8%, то есть более чем на 7 дБ (рис. 3).

Установлено, что для сигнала с модуляцией ФМ4 и сглаживанием фронтов модулирующего сигнала по Найквисту с коэффициентом расширения полосы а = 0,35 при Рвых/Рвья нес = - 1 дБ без линеаризатора около 17 % выходной мощности приходятся на паразитные интермодуляционные составляющие, а с разработанным цифровым линеаризатором их суммарный уровень снижается до 0,5 %.

0.95 0.9 0.85

0.2

-Рвых/^еых нас» ДБ

Рис. 3. Зависимость величины коэффициента корреляции Л от выходной мощности: 1 - двухчастотный тестовый сигнал без линеаризатора; 2 -двухчастотный тестовый сигнал с цифровым линеаризатором; 3 - сигнал ФМ4 с фильтром Найквиста без линеаризатора; 4 - сигнал ФМ4 с фильтром Найквиста и цифровым линеаризатором; 5 - сигнал ФМ4 с длительностью фронта модулирующего сигнала 10% от длительности символа

В четвертой главе проведены экспериментальные исследования линеаризованных радиопередающих устройств для проверки выработанных рекомендаций.

В тексте диссертации приведены параметры созданного и отлаженного автором испытательного стенда, а также макета формирователя радиосигналов на основе цифро-аналогового преобразования с цифровым линеаризатором по рекомендациям, изложенным в предыдущей главе.

Проведены измерения характеристик 5-каскадного твердотельного усилителя мощности на полевых нитрид-галлиевых транзисторах частотного диапазона 2,2 ГГц в составе бортового радиопередающего устройства информационно-навигационного комплекса аппаратуры космического аппарата глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС. С помощью современного анализатора цепей получены характеристики уровня амплитудной компрессии и амплитудно-фазовой

конверсии рассматриваемого усилителя мощности, определены его параметры, существенные для дальнейшего обобщения результатов применительно к бортовым усилителям мощности на твердотельных и на вакуумных активных элементах.

Измерения нормированных зависимостей уровня интермодуляционных искажений ИМИЗ и энергетического коэффициента полезного действия от нормированных входной и выходной мощностей линеаризированного усилителя при разных видах входных сигналов показали их соответствие с теоретическими оценками. Получены корректирующие таблицы истинности цифрового линеаризатора и определены возможности снижения искажений испытываемом усилителе мощности.

Проведены экспериментальные исследования влияния линеаризации на искажения с применением критерия уровня внеполосных излучений третьего порядка (рис. 4).

сим

Рис. 4. Нормированные спектрограммы выходного сигнала ФМ4 с фильтром Найквиста (Рвых = 70 Вт, РВЫХРВЫХ „а0= - 0,8 дБ): 1 - без линеаризатора; 2-е цифровым линеаризатором

Их результаты показали, что при использовании разработанной системы с учетом требований к линии передачи информации возможно уменьшение уровня интермодуляционных искажений более чем на 12 дБ.

В Заключении сформулированы основные итоги и результаты работы.

В диссертационной работе исследованы новые цифровые технические решения по созданию радиопередающих устройств, обладающих одновременно высокой спектральной и энергетической эффективностью при допустимом уровне интермодуляционных и межсимвольных искажений, выполняющих нормативы электромагнитной совместимости и функционирующих в необслуживаемом режиме в широком интервале параметров окружающей среды космического пространства и выработаны рекомендации по их использованию при построении отечественной спутниковой радиопередающей аппаратуры.

Достигнутые результаты

1) Проведен аналитический обзор методов и устройств, снижающих уровень интермодуляционных искажений, выявлены их недостатки с точки зрения применения в бортовой радиопередающей аппаратуре. Показаны преимущества и особенности линеаризации предыскажением и схем с обработкой в цифровой области.

2) Разработаны новые структурные решения для построения бортовых радиопередающих устройств СВЧ диапазона с высокой спектральной и энергетической эффективностью для космических условий эксплуатации.

3) Исследованы разработанные автором и запатентованные структуры для построения полностью цифровой системы линеаризации предыскажением и устройства для применения в бортовых радиопередающих устройствах спутников ретрансляторов прямого типа и с цифровой обработкой на борту.

4) Проверена на модели предложенная и запатентованная система линеаризации предыскажением с адаптацией характеристик предыскажения к условиям изменения нелинейных характеристик усилителя мощности.

5) Выполнены аналитические и модельные исследования новых цифровых решений для определения предельных возможностей по линеаризации и достижению высокой выходной мощности и выработки рекомендаций для применения в бортовых спутниковых радиопередающих устройствах.

6) Проведены экспериментально рекомендации для построения линеаризованных радиопередающих устройств и показана возможность использования новых технических решений при построении отечественной спутниковой радиопередающей аппаратуры.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Белов JI.A., Кондратов A.C., Рожков В.М., Ромащеико К.В., Повышение линейности и энергетической эффективности усилителей мощности широкополосных СВЧ - сигналов // Электросвязь, 2012, №5, с. 23-25.

2. Белов Л.А., Рожков В.М., Карутин А.Н., Кондратов A.C., Челноков O.A. Искажения фазоманипулированных сигналов СВЧ в усилителях мощности. - Вестник МЭИ, 2010, № 3 - С. 122-126.

3. Белов JI.A., Голубков А.Н., Карутин А.Н., Кондратов A.C. Модуляторы сигналов сверхвысоких частот. Основные классы //ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2008, №3, с. 76-83.

4. Патент № 2438241 (Российская федерация). Формирователь радиосигналов с цифровым линеаризатором, МПК Н04В 7/005 // авторы Карутин А.Н., Кондрашов A.C., Рожков В.М., Шестаков А.К.; приоритет от 21.06.2010 г., опубл. 27.12.2010 в Бюлл. изобр. № 36.

5. Патент № 128048 (Российская федерация). Формирователь радиосигналов с предыскажением; МПК Н04В 7/005 //авторы Белов Л.А., Кондрашов A.C.. Рожков В.М., приоритет от 17.10.2012 г., опубл. 20.04.2013 в Бюлл. изобр. № 13.

6. Патент № 128426 (Российская федерация). Радиопередающее устройство с адаптивной коррекцией линейности; МПК Н04В 7/005 //авторы Белов Л.А., Кондрашов A.C.. Ромащеико К.В. Немаев М.А., приоритет от 27.12.2012 г., опубл. 20.05.2013 г. в Бюлл. изобр. № 14.

7. Kondrashov A.S. Digital Predistortion in On-Board Satellite System Power Amplifiers // Proceedings of Mediterranean Conference on Embedded Computing (MECO), June 19th-21st, 2012, Bar, Montenegro, pp. 200 - 203.

8. Белов Л.А., Кондратов A.C. Формирование и усиление мощности сигналов со многими несущими частотами // Материалы Всеросс. научно-технич. семинара «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания», г. Нижний Новгород, 28-30 июня 2010 г. / под ред. В.В. Шахгильдяна. - Москва: Инсвязьиздат, 2010, с. 124-126.

9. Белов Л.А., Кондрашов A.C., Ромащенко К.В., Немаев М.А. Адаптивная система линеаризации усилителей мощности широкополосных СВЧ сигналов // Материалы междунар. научно-технич. семинара «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов в

инфокоммуникациях», 30 июня -3 июля 2013 г., Ярославль /под ред. д.т.н проф. A.B. Пестрякова. - Москва: ООО «Брис - М», с. 11-13.

10. Белов JI.A., Кондрашов A.C.. Рожков В.М., Ромащенко К.В., Усилители мощности широкополосных СВЧ - сигналов с высокой линейностью и энергетической эффективностью //Материалы Междунар. научно-технич. семинара «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов в инфокоммуникациях», 27-30 июня 2011 г., Украина, Одесса, под ред. В.В. Шахгильдяна. — М.: Инсвязьиздат с. 57 - 60. ■ 11. Кондрашов A.C. Формирование радиосигналов с цифровым предыскажением // Сборник докл. XVIII Междунар. научно-технич. конф. «Радиолокация, навигация, связь» RLNC-2012, 17-19 апреля 2012 г., -Воронеж,. НПФ «САКВОЕЕ», с. 707-715.

12. Кондрашов A.C., Рожков В.М., Шалаев П.Д., Щербаков Ю.Н. Цифровой метод уменьшения интермодуляционных искажений усилителя мощности на ЛБВ «ШОВ» // Электронные приборы и устройства СВЧ: Материалы науч.-техн. конф., посвящ. 55-летию ОАО «НПП «Алмаз» -Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2012. - С. 99-101.

13. Белов Л.А., Карутин А.Н., Кондрашов A.C.. Рожков В.М., Челноков O.A., Искажения сигналов со сложными видами модуляции в нелинейных СВЧ усилителях //Тезисы докл. III Всеросс. научно-технич. конф. «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий» (1-3 июня 2010 г., г. Москва).— Москва: Радиотехника, 2010 - с. 240.

14. Кондрашов A.C., Ромащенко К,В., Повышение энергетической эффективности бортовых радиопередающих устройств спутниковых систем связи //Тез. докл. 17-ой Междунар. научно - технич. конф. студ. и асп.. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Т. 1, - Москва: Изд. дом МЭИ, 2011, с. 48 - 49.

15. Кондрашов_A.C., Ромащенко К.В., Коррекция

интермодуляционных искажений сигналов в усилителях мощности бортовых спутниковых систем связи //Тез. докл. IV Всероссийской научно-технич. конф. «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий», 15-17 июня 2011 г., -Москва: ОАО «Российские космические системы», с. 233 —234.

16. Кондрашов A.C. Цифровые методы коррекции нелинейных характеристик усилителей мощности СВЧ сигналов // Тез. докл. 18-ой Междунар. науч.-техн. конф. студ. и асп. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Т. 1. - Москва: Изд. дом МЭИ, 2012 - 23 с.

17. Кондрашов A.C., Немаев М.А., Полупроводниковые корректоры нелинейных характеристик бортовых транзисторных радиопередающих устройств //Тез. докл. 18-ой Междунар. науч.-техн. конф. студ. и асп. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Т. 1. - Москва: Изд. дом МЭИ, 2012 - 28 с.

18. Кондрашов A.C. Цифровая система линеаризации: результаты' экспериментальных исследований //Тез. докл. 19-ой Междунар. науч.-техн. конф. студ. и асп. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Т. 1.

- Москва: Изд. дом МЭИ, 2013, с. 282.

19. РомащенкоК.В., Кондрашов A.C. Уменьшение интермодуляционных искажений в бортовых радиопередающих устройствах // Тез. докл. VI Всеросс. научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий»'5 - 7 июня 2013 г., - Москва, ОАО «Российские космические системы», с. 160.

Подписано в печать 1С 'Ш& Зак. Тир. ¡¡00 П.л.

Полиграфический центр МЭИ Красноказарменная ул., д. 13

ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»

0420136501;

На правах рукописи

Кондратов Александр Сергеевич

ЦИФРОВОЕ ФОРМИРОВАНИЕ РАДИОСИГНАЛОВ С МАЛЫМИ ИНТЕРМОДУЛЯЦИОННЫМИ ИСКАЖЕНИЯМИ В РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВАХ БОРТОВОЙ СПУТНИКОВОЙ АППАРАТУРЫ

Специальность 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук, профессор Белов Л.А.

Москва - 2013

Аннотация

Проводится исследование новых цифровых методов снижения интермодуляционных искажений сигналов в бортовых радиопередающих устройствах спутниковых систем передачи информации. Методы основаны на включении блока цифрового предыскажения в формирователь радиосигналов радиопередающего устройства.

Разработаны новые структурные решения для бортовых радиопередающих устройств, обладающих высокой спектральной и энергетической эффективностью в космических условиях эксплуатации.

Произведены количественные оценки потенциальных возможностей мер по одновременному достижению высокой выходной мощности, энергетической эффективности и снижению интермодуляционных искажений при использовании предложенных решений. Разработаны рекомендации по применению предложенных схемных решений в спутниковых радиопередающих устройствах.

Приведены результаты экспериментального исследования линеаризованных радиопередающих устройств, которые подтверждают обоснованность предложенных автором технических решений и выработанных рекомендаций для построения спутниковой аппаратуры.

Abstract

A research of new all-digital methods of reducing intermodulation distortion in on-board radio transmitting devices of satellite data-transmission systems is carried out. The methods are based on the inclusion of all-digital predistortion as part of the radio signal transmitter shaper.

New solutions for use in the on-board transmitting devices with a high spectral and energy efficiency for space operating conditions are developed.

The potential possibility of linearization and achieving high output power and energy efficiency of the proposed solutions is defined. Recommendations on the proposed scheme decisions application in satellite radio transmitters are given.

An experimental research of the linearized transmitter for verification of the developed recommendations and use of new technical decisions for the satellite equipment construction is carried out.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.......................5

Глава 1. ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА...................................................13

1.1 Искажения сигналов при усилении............................................................13

1.1.1 Основные характеристики усилителей мощности...........................13

1.1.2 Искажения сигналов при усилении их мощности...............................18

1.1.3 Методы оценки уровня интермодуляциониых искаэюений................22

1.2 Минимизация искажений с помощью линеаризации...............................26

1.3 Выводы..........................................................................................................39

Глава 2. МЕТОД ЦИФРОВОГО ПРЕДЫСКАЖЕНИЯ..............................41

2.1 Основные соотношения...............................................................................41

2.2 Цифровые устройства предыскажения......................................................46

2.3 Организация таблиц предыскажающих функций.....................................52

2.4 Выводы..........................................................................................................56

Глава 3. ОЦЕНКА ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЦИФРОВЫХ ПРЕДЫСКАЖАЮЩИХ УСТРОЙСТВ............................................................57

3.1 Гармонический метод..................................................................................57

3.1.1 Математическая модель и порядок моделирования..........................57

3.2.2 Результаты моделирования..................................................................63

3.2 Корреляционный метод...............................................................................72

3.3 Выводы..........................................................................................................79

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ...........................82

4.1 Описание макета. Порядок исследования..................................................82

4.2 Результаты экспериментальных исследований.........................................85

4.3 Выводы..........................................................................................................89

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................91

Список литературы.............................................................................................96

Список обозначений......................................................................................105

Список сокращений.......................................................................................108

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................................................109

A. Акт №1 об использовании результатов.....................................................109

Б. Акт №2 об использовании результатов.....................................................110

B. Акт №3 об использовании результатов.....................................................111

Г. Патент №1.....................................................................................................112

Д. Патент №2.....................................................................................................113

Е. Патент №3.....................................................................................................114

Ж. Листинг программы вычисления коэффициента корреляции...............115

ВВЕДЕНИЕ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Актуальность проблемы

Одним из ключевых элементов спутниковой системы передачи информации, определяющих энергетику канала связи, является бортовое радиопередающее устройство, к которому в связи со спецификой эксплуатации в условиях космического пространства предъявляются дополнительные требования повышенной энергетической эффективности и допустимого уровня искажений передаваемой информации.

В связи с увеличением скорости и возрастанием объемов передачи информации по спутниковым каналам связи при обострении дефицита частотного ресурса и ужесточении нормативов электромагнитной совместимости расширяется область применения радиочастотных сигналов с высокой спектральной эффективностью. Однако значительные вариации амплитуд, свойственные таким сигналам, диктуют повышенные требования к линейности радиопередающего устройства.

Усилитель мощности радиопередающего устройства при синусоидальном входном сигнале обеспечивает получение максимальных значений выходной мощности и энергетического коэффициента полезного действия (КПД) в нелинейном режиме, близком к насыщению. При модулированном или многочастотном сигнале на входе усилительного тракта работа в нелинейном режиме приводит к появлению недопустимых интермодуляционных искажений усиливаемых сигналов из-за проявлений амплитудной компрессии и амплитудно-фазовой конверсии в активном элементе усилителя мощности, что не позволяет использовать полностью паспортные характеристики усилительного прибора. Кроме того, в энергетически эффективных режимах радиопередающего устройства в пределах полосы частот канала связи возникают интермодуляционные компоненты недопустимого уровня, которые не поддаются частотной фильтрации.

Линейные усилители, имеющие низкий уровень интермодуляционных искажений, характеризуются также низким КПД, а это оборачивается высоким уровнем потребляемой и рассеиваемой мощности, что нежелательно. Таким образом, обеспечение качества передачи сигналов с высокой спектральной эффективностью, определяющее высокие требования к линейности применяемых усилителей, вступает в противоречие с необходимостью повышения выходной и снижения потребляемой и рассеиваемой усилителем мощностей.

Наиболее перспективным решением для выхода из этого противоречия является использование систем линеаризации, позволяющих снизить интермодуляционные искажения передаваемых радиосигналов, что позволяет увеличить выходную мощность усилителя при заданном допустимом уровне интермодуляционных искажений и повышает энергетическую эффективность радиопередающего устройства в целом.

В зарубежной литературе широко обсуждаются вопросы линеаризации транзисторных усилителей мощности. Известны работы К. Ямаучи (К. Yamauchi) и К. Мори (К. Mori) по технике создания миниатюрных полупроводниковых линеаризаторов, работы С. Кусуноки (S. Kusunoki), К. Ямомото (К. Yamamoto) и других по предыскажающим линеаризаторам для базовых станций сотовой связи, публикации Ж. Жао (J. Zhao), Ж. Жоу (J. Zhou), Ж. Жай (J. Zhai) описывающие системы линеаризации с цифровой обработкой сигналов. В отечественной литературе совсем немного работ по данному вопросу. Можно выделить работы под руководством O.A. Челнокова по созданию аналоговых линеаризаторов, недавние работы В.А. Солнцева и А.И. Шульги, которые предложили и разрабатывают новый способ аналоговой линеаризации, ряд исследований под руководством В.И. Нефедова по линеаризации мощных транзисторных усилителей систем подвижной связи, работы Е.Б. Соловьевой. Однако использование

аналоговых устройств линеаризации в космической технике по ряду причин затруднительно.

Применительно к спутниковым бортовым радиопередающим устройствам, использующим несущую частоту в диапазоне сантиметровых волн и работающим в условиях широкого интервала дестабилизирующих воздействий [1], применение обратной связи или связи вперед оказывается затруднительным из-за опасности приближения к порогу самовозбуждения устройства или расфазировки цепи линеаризации. Поэтому в спутниковой аппаратуре целесообразно применять предыскажение сигнала на входе усилителя мощности радиопередающего устройства.

Аналоговые предыскажающие каскады использовать затруднительно из-за сложного вида сигналов СВЧ диапазона и явлений амплитудно-фазовых преобразований. Такие процессы трудны в анализе, а каскады сложны в реализации при широкой полосе спектра сигнала с учетом дестабилизирующих факторов, характерных для спутниковой аппаратуры.

На современном этапе развития цифровой техники и широкополосных управляющих компонентов весьма актуальным является анализ и разработка цифровых методов линеаризации усилителей мощности сложных СВЧ сигналов, способных повысить энергетические характеристики спутниковых радиопередающих устройств в широком интервале дестабилизирующих воздействий.

Комплекс требований, предъявляемый к бортовым радиопередающим устройствам, требует проведения дополнительных научных исследований, отыскания новых структурных решений и компромиссного преодоления сложных противоречий. Среди таких требований: повышение несущей частоты выходного сигнала до 20-40 ГГц; необходимость выполнения жестких нормативов на внеполосные модуляционные излучения для обеспечения электромагнитной совместимости; высокая спектральная эффективность; высокая энергетическая эффективность при допустимом

уровне межсимвольных и интермодуляционных искажений; возможность автоматизированного функционирования в чрезвычайно широком интервале параметров окружающей среды; обеспечение высокой надежности аппаратуры.

Дополнительное существенное влияние на необходимость проведения исследований оказывает политика зарубежных стран и корпораций производителей электронных устройств, ограничивающих доступ российским разработчикам к технологическим и программным решениям, частично решающим указанные выше проблемы.

Таким образом, вопросы разработки и исследования новых цифровых технических решений для построения бортовых радиопередающих устройств, обладающих одновременно высокой спектральной и энергетической эффективностью при допустимом уровне интермодуляционных и межсимвольных искажений, выполняющих нормативы электромагнитной совместимости и функционирующих в необслуживаемом режиме в широком интервале параметров окружающей среды космического пространства, являются актуальными в космической технике. А опыта создания таких устройств и их анализа в наземной аппаратуре недостаточно для их эффективного применения на борту космического аппарата с учетом специфики условий эксплуатации.

Цели и задачи работы

Цель диссертационной работы - исследование новых цифровых методов и устройств линеаризации для создания бортовых радиопередающих устройств, обладающих одновременно высокой спектральной и энергетической эффективностью при допустимом уровне интермодуляционных и межсимвольных искажений, выполняющих нормативы электромагнитной совместимости и функционирующих в необслуживаемом режиме в широком интервале параметров окружающей среды космического пространства.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) провести аналитический обзор литературы по вопросам снижения интермодуляционных искажений сигналов в радиопередающих устройствах СВЧ диапазона;

2) разработать структурные решения применительно к бортовым радиопередающим устройствам СВЧ диапазона с новыми сигнальными конструкциями, при высокой спектральной и энергетической эффективностью для космических условий эксплуатации;

3) провести аналитические и модельные исследования новых цифровых решений для определения предельных возможностей одновременной линеаризации и достижения высокой выходной мощности с целью выработки рекомендаций применительно к спутниковым радиопередающим устройствам;

4) выполнить экспериментальные радиочастотные исследования линеаризованных радиопередающих устройств для проверки выработанных рекомендаций и использования новых технических решений при построении отечественной спутниковой радиопередающей аппаратуры.

Основная задача исследования — разработка новых цифровых решений по снижению интермодуляционных искажений в бортовых радиопередающих устройствах с повышенной энергетической эффективностью, определение их потенциальных возможностей по линеаризации и выработка рекомендаций по их применению.

Методы исследования

В работе использовались методы: медленно меняющихся амплитуд; теории линейных и нелинейных электрических цепей; численного моделирования; преобразования Фурье; корреляционной оценки; спектрального анализа; экспериментальных исследований; аппроксимации нелинейных характеристик; анализа линейных и нелинейных искажений сложных сигналов; математического моделирования процессов в нелинейных цепях сверхвысоких частот; цифрового представления, квадратурной модуляции и преобразования модулированных сигналов.

Новые научные результаты, полученные в диссертации

• исследованы предельные возможности полностью цифровой системы линеаризации предыскажением; показано, что предложенный метод обеспечивает выполнение предыскажающей линеаризации, а за счет полностью цифровой реализации обеспечивает минимальные отклонения от потенциально достижимых значений параметров линейности радиопередающего устройства;

• проведено сопоставление достижимых параметров предложенного автором цифрового метода реализации предыскажающего линеаризатора с известными ранее аналоговыми и аналого-цифровыми решениями;

• обоснованы рекомендации по выбору параметров линеаризирующих устройств с учетом явлений амплитудно-фазовой конверсии в усилителях СВЧ;

• предложена автором, запатентована и исследована методика цифровой адаптивной коррекции параметров линеаризатора при автономной работе радиопередающего устройства в широком интервале внешних дестабилизирующих воздействий;

• предложена и проанализирована методика оценки интермодуляционных искажений путем вычисления коэффициента корреляции сигналов на входе и на выходе нелинейного усилителя мощности, применимая к различным типам твердотельных, электровакуумных и комплексированных радиопередающих устройств СВЧ диапазона.

Практическая значимость

• проведены экспериментальные исследования по повышению линейности бортового радиопередающего устройства спутниковой системы передачи информации, подтвердившие высокую эффективность разработанных автором мер;

• проведена схемотехническая и программная подготовка к применению в отечественной космической аппаратуре предложенных автором решений, сокращающих массогабаритные показатели и повышающие энергетическую и спектральную эффективность бортовых радиопередающих устройств.

Имеются два акта об использовании результатов диссертационной работы в практической деятельности ОАО «Российские космические системы» (г. Москва).

Результаты работы использованы в учебном процессе Национального исследовательского университета «МЭИ» в виде новых разделов нескольких учебных курсов, при выполнении бакалаврских выпускных работ, дипломных проектов и магистерских диссертаций.

Положения, выносимые на защиту

• возможность применения предложенного метода полностью цифровой линеаризации для увеличения эффективности радиопередающих устройств спутниковой аппаратуры;

• доказательство технико-экономических преимуществ радиопередающего устройства, построенного на основе метода полностью цифровой линеаризации по сравнению с известными аналоговыми;

• методика оценки интермодуляционных искажений в нелинейном усилителе мощности путем вычисления коэффициента корреляции сигналов на входе и на выходе нелинейного усилителя мощности;

• способ количественной оценки уровня интермодуляционных искажений выходного сигнала бортового спутникового ретранслятора без переключения на режим тестирования.

Публикации и апробация результатов работы

Результ�