Методы анализа и устройства автоматической компенсации помеховых колебаний в системах подвижной связи

Актуальность темы

В последние годы широкое распространение в системах подвижной связи (СПС) получили устройства с цифровым формированием огибающей многих (групповых) несущих. Однако такое формирование обладает существенным недостатком: высокая чувствительность к нелинейным искажениям, возникающим в усилительных трактах. Это связано с повышением плотности размещения базовых приемопередающих станций (БПС) и ретрансляторов сотовых, спутниковых и радиорелейных линий связи, что приводит к увеличению взаимных помех и проблемам ЭМС. Не менее опасно одновременное воздействие большой группы передаваемых сигналов, порождающих в выходных усилителях мощности (ВУМ) СВЧ диапазона передатчиков интермодуляционные помехи (ИП), которые попадают в полосу рабочих частот приемников, уменьшают динамический диапазон, выходную мощность и КПД, снижают помехоустойчивость СПС. В сочетании с инерционными электрическими цепями ВУМ образуют нелинейные динамические системы, в которых и возникают ИП. Обычно полагают, что причина генерации ИП и их характеристики известны. В реальных условиях решается обратная задача: сначала путем предварительных исследований необходимо определить передаточные характеристики (ПХ) нелинейных ВУМ, а затем провести спектральный мониторинг вокруг несущих частот. Для этого используют различные модели как групповых сигналов, так и передаточных амплитудной (АХ) и фазоамплитудной (ФАХ) характеристик ВУМ.

Оценить влияние множества нелинейных эффектов путем составления и решения системы нелинейных интегро-дифференциальных уравнений часто весьма затруднительно. Поэтому приходится обращаться к математическим моделям нелинейных систем. Особое значение при этом приобретает моделирование ВУМ — многовходовых нелинейных динамических систем типа «вход-выход». В силу нелинейности моделей и ограниченных возможностей аналитических исследований такой анализ трудно провести без применения численных методов и привлечения компьютеров. Сочетание аналитических методов с сериями расчетов на компьютере требует разработки адекватных математических моделей и ориентированного на эти модели комплекса способов, алгоритмов и средств программной поддержки. Поэтому сейчас интенсивно развивается моделирование нелинейных динамических устройств с помощью систем компьютерной математики (СКМcomputer algebra system — CAS) или собственно просто компьютерной математики (KMcomputer algebra — СА).

Решение ряда задач, для которых ранее требовалось разработать программу с применением СКМ упрощается настолько, что сводится к использованию нескольких встроенных функций. Однако кажущаяся простота решения сопряжена с рядом приемов, сильно влияющих на качество результатов. СКМ — средства, автоматизирующие выполнение как численных, так и аналитических вычислений. Mathcad, Matlab, Maple, S-Plus, Mathematica и др. — языки программирования, гибкие и мощные, но трудные в использовании и требующие длительного времени на изучение. Пользовательский интерфейс сложен, в нем легко допускать ошибки, которые вынуждают проверять и отлаживать весь код. Программирование не визуально и не интерактивно, поэтому невозможно поменять несколько строк в программе и автоматически увидеть результаты. Для этого потребуется перекомпилировать и перезапустить программу. Часто исследователь, выполнив, на первый взгляд, все правила, предусмотренные руководствами для пользователей, не может добиться желаемого результата вследствие не учета какой-либо незначительной детали. Поэтому применяемые СКМ для решения задачи моделирования нелинейных динамических систем часто необходимо дополнять специфическими алгоритмами и программами. Фактически приходится применять просто узкий раздел компьютерной математики.

Как правило, разработка новых ВУМ большей мощности не всегда является эффективным решением, а усовершенствование ВУМ зачастую невозможно потому, что по-прежнему исправно работающий прибор уже не поддерживается производителем. На помощь приходят системы линеаризации. Линеаризация — систематическая процедура уменьшения ИП в ВУМ. Технически процесс реализуется либо путем выбора определенного режима работы транзисторов, либо использованием дополнительных компонент в составе ВУМ или в виде отдельного узла, называемого «линеаризатор» или «корректор». Также важно для ВУМ с повышенными энергетическими характеристиками, функционирующими автономно, обеспечение надежности.

Решение этой научной задачи определяет актуальность диссертации, связанной с разработкой с помощью компьютерной математики методов исследования транзисторных многовходовых ВУМ СВЧ-диапазона при сложных воздействиях, что позволит за счет уменьшения ИП повысить выходную мощность и КПД, улучшить помехоустойчивость систем связи, расширить их рабочую полосу и увеличить пропускную способность.

Целью диссертации является разработка с помощью КМ методов и технических устройств, обеспечивающих повышение выходной мощности и КПД, улучшение помехоустойчивости, расширение рабочей полосы и увеличение пропускной способности, динамического диапазона и надежности многостанционных СПС. Решение задачи по разработке устройств повышения линейности трактов передатчиков, невозможно без создания методики анализа нелинейных устройств. Это связано как с необходимостью оценки линейности ВУМ, так и с задачей синтеза линеаризаторов, минимизирующих уровень нелинейных искажений в исследуемых устройствах. Наличие программного обеспечения, например Microwave Office, PSpice и достаточно универсальных методов нелинейного анализа не исключает разработки специализированных компьютерных методов, отличающихся большим быстродействием. Это особенно важно при решении задач синтеза линеаризаторов, поскольку оптимизация характеристик синтезируемых устройств требует многократного проведения их анализа в широком диапазоне частот и амплитуд входных воздействий. Необходимо также разработать базовые узлы линеаризаторов ВУМ и, в первую очередь, микрополосковых аттенюаторов и фазовращателей с электронным управлением.

Для достижения этой цели в диссертации решались следующие задачи:

• проводился анализ известных методов уменьшения нелинейных искажений и оценка их предельных возможностей по улучшению линейности;

• разработка метода построения математических моделей ВУМ, представляемых в виде нелинейных динамических систем типа «вход-выход»;

• получение высокой выходной мощности, КПД и повышение надежности при низких уровнях ИП и малом энергопотреблении, анализ и расчет с помощью компьютерной математики комбинационного спектра ВУМ в нелинейном режиме, уменьшение ИП путем автоматической компенсации;

• проектирование линеаризатора ПХ усилительных трактов и схемы его управления на основе направленных ответвителей, электронных аттенюаторов, фазовращателей и пути их миниатюризации;

• создание специализированного банка данных экспериментальных зависимостей АХ и ФАХ реальных нелинейных СВЧ-устройств для дальнейшего исследования СПС с многостанционым доступом с частотным и кодовым разделением, на основе разработанного метода.

Методы исследования. В работе использованы: теория передачи информации, спектральный анализ нелинейных ВУМ со многими несущими, компьютерная математика, аппарат функций комплексного переменного, дифференциальные и интегральные преобразования, математическая статистика, методы компьютерной аппроксимации передаточных характеристик.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• разработан метод построения математических моделей ВУМ, представляемых в виде нелинейных динамических систем типа «вход-выход" — метод обладает высокой точностью (0,2.0,1) дБ, универсален и в наибольшей степени подходит для исследования влияния комплексной нелинейности СВЧ устройств на показатели качества функционирования СПС;

• с помощью компьютерной математики создан метод статистической линеаризации для анализа и расчета комбинационного спектра, основанный на аппроксимации передаточных характеристик ВУМ по одномерным и многомерным массивам данных интерполяционными полиномами (рядами) и их совокупностями, а также стандартными и цилиндрическими функциямиметод позволяет проводить анализ нелинейных устройств на 10% быстрее, чем программное обеспечение существующих методов;

• предложен метод и устройство повышения линейности и увеличения динамического диапазона усилительных трактов систем связи, позволяющие эффективно уменьшить уровень ИП, вызванных не только нелинейностью АХ, но и амплитудно-фазовой конверсиейметод позволяет снизить искажения огибающей группового сигнала не менее чем на 25 дБ;

• разработаны микрополосковые направленные ответвители, аттенюаторы и фазовращатели с электронным управлением и методики их расчетауровень собственных нелинейных искажений предложенных схем аттенюаторов средней мощности менее -35 дБ при глубине их регулировки не менее 40 дБ;

• созданы алгоритмы и специализированный пакет сервисных программ (СПСП) для исследования в реальном масштабе времени многофункциональных нелинейных СВЧ-устройствдаются практические рекомендации по их применению, способствующие качественному решению задач увеличения помехоустойчивости и надежности функционирования передающих трактов систем подвижной связи.

Практическая ценность заключается: в разработке линейных транзисторных ВУМпрограмм по компьютерному анализу и расчету комбинационного спектрапроектировании линеаризаторов ПХ ВУМ с широкополосными направленными ответвителями, электронными аттенюаторами и фазовращателямиэкспериментального стенда для исследования трактов передатчиков многостанционных систем подвижной радиосвязи.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Метод анализа нелинейных ВУМ, представляемых в виде много-входовых нелинейных динамических систем типа «вход-выход" — метод обладает высокой точностью (0,2.0,1) дБ, универсален и в наибольшей степени подходит для исследования влияния комплексной нелинейности устройств на показатели надежности передающих трактов и качества функционирования систем подвижной связи.

2. Метод статистической линеаризации для анализа и расчета с помощью компьютерной математики комбинационного спектра, основанный на аппроксимации передаточных характеристик ВУМ по одномерным и многомерным массивам данных интерполяционными полиномами (рядами) и их совокупностями, а также стандартными и цилиндрическими функциямиметод позволяет проводить анализ нелинейных устройств на 10% быстрее, чем программное обеспечение существующих методов.

3. Устройство повышения линейности и увеличения динамического диапазона усилительных трактов систем связи, позволяющее на 25.30 дБ снизить уровень ИП, вызванных не только нелинейностью амплитудных характеристик, но и амплитудно-фазовой конверсиейметод позволяет снизить искажения огибающей группового сигнала не менее чем на 25 дБ.

4. Алгоритмы и СГТСП для исследования в реальном масштабе времени многофункциональных нелинейных СВЧ-устройствпрактические рекомендации по их применению, способствующие качественному решению задач увеличения помехоустойчивости систем подвижной связи.

5. Разработаны микрополосковые направленные ответвители, аттенюаторы и фазовращатели с электронным управлением и методики их расчета. Уровень собственных нелинейных искажений предложенных схем пассивного и активного аттенюаторов средней мощности менее -35 дБ при глубине их регулировки не менее 40 дБ.

Основные результаты диссертационной работы внедрены на предприятиях ЦНИИ «Радиосвязь», НИИ космических систем — филиал ГКНПЦ имени М. В. Хруничева, в институте общей физики им. A.M. Прохорова Российской академии наук, в ФГУП «ЦНИРТИ им. академика А.И. Берга», применены в учебном процессе в Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались с 2005;го по 2010 год на научно-технических конференциях и семинарах в Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете), на конференциях и заседаниях НТОРЭС им. A.C. Попова, на международных и Всероссийских научно-технических конференциях.

Достоверность основных теоретических положений, выводов и практических результатов подтверждена экспериментально в процессе исследований разработанных линейных транзисторных ВУМ СВЧ диапазона, точностью расчетов полученных с помощью спектрального метода анализа ПХ, совпадением результатов настоящей работы с данными, полученными другими авторами, а также актами о внедрении и использовании научных и практических результатов диссертационной работы.

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 16 работах, из них 2 статьи в ведущих научных журналах, выпускаемых в Российской Федерации и рекомендуемых ВАК для публикации основных материалов диссертаций, представляемых на соискание ученой степени кандидата наук.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, 2 приложений, списка использованных источников информации, включающего 126 наименованийсодержит 206 страниц текста, 57 рисунков и 5 таблиц.

Выводы по разделу 4 1. Рассмотрены и сопоставлены методы резервирования блоков, устройств и элементов в радиоэлектронной аппаратуре современных систем связи: постоянное резервированиераздельное постоянное резервированиерезервирование с компенсацией потерь-покаскадно-узловое постоянное резервирование.

2. Разработана эффективная методика расчета показателей надежности мощного усилительного модуля и усилителя, построенного по принципу сложения мощностей.

3. Созданы программные средства, позволяющие производить инженерные расчеты вероятностей безотказной работы каскадов, модулей и усилителей, построенных с применением схем сложения мощностей. Работа программы проверена на примере мощного усилительного модуля, работающего в диапазоне 2000.2200 МГц. Результаты подтвердили высокую эффективность реализованных методов.

4. Изучено изменение характеристик ВУМ в зависимости от ухода параметров и изменения условий эксплуатации мощных усилительных модулей. На основе практических измерений АЧХ и ФЧХ в зависимости от внешних дестабилизирующих факторов, сформулированы требования, как к отдельным блокам корректоров с прямой связью, так и к характеристикам входных сигналов. Для обеспечения стабильности характеристик в полосе частот 15 МГц необходимо контролировать стабильность АЧХ в пределах ±0,2 дБ и ФЧХ в пределах ±0,5°. Для этого, необходимо стабилизировать источники питания, а также источники напряжений смещения на уровне ±1,5% от номинального значения напряжения при работе в установившемся режиме. Кроме того, необходимо обеспечивать контроль температуры корпусов транзисторов в пределах ±2 °С.

Заключение

.

1. Предложен метод анализа нелинейных ВУМ, представляемых в виде многовходовых нелинейных динамических систем типа «вход-выход" — метод обладает высокой точностью (0,2.0Д) дБ, универсален и в наибольшей степени подходит для исследования влияния нелинейности СВЧ устройств на показатели надежности и качества функционирования систем подвижной связи.

2. Рассмотрены теоретические и прикладные аспекты математического моделирования нелинейных динамических систем типа «вход-выход» на базе конечных сумм интегро-степенного ряда Вольтерра-Пикара. Основная проблема, состоящая в идентификации передаточных характеристик нелинейной динамической системы, сведена к решению многомерных линейных уравнений Вольтерра-Пикара I рода, для которых получены явные формулы обращения, доказаны теоремы существования и единственности решений, а также получены и исследованы их дискретные аналоги.

3. Создан метод статистической линеаризации для анализа и расчета с помощью компьютерной математики комбинационного спектра, основанный на аппроксимации передаточных характеристик ВУМ по одномерным и многомерным массивам данных интерполяционными полиномами (рядами) и их совокупностями, а также стандартными и цилиндрическими функциямиметод позволяет проводить анализ нелинейных устройств на 10% быстрее, чем программное обеспечение существующих методов.

4. Разработано устройство повышения линейности и увеличения динамического диапазона усилительных трактов систем подвижной связи, позволяющее на 25.30 дБ уменьшить уровень ИП, вызванных не только нелинейностью амплитудных характеристик, но и амплитудно-фазовой конверсиейметод позволяет снизить искажения огибающей группового сигнала не менее чем на 25 дБ.

5. Созданы алгоритмы и специализированный пакет сервисных программ для исследования в реальном масштабе времени многофункциональных нелинейных СВЧ-уетройствпрактические рекомендации по их применению, способствующие качественному решению задач увеличения помехоустойчивости систем подвижной связи.

6. Разработаны микрополосковые направленные ответвители, аттенюаторы и фазовращатели с электронным управлением и методики их расчета. Уровень собственных нелинейных искажений схем аттенюаторов средней мощности менее -35 дБ при глубине их регулировки не менее 40 дБ.

7. Создан экспериментальный стенд для исследования транзисторных нелинейных СВЧ-устройств, работающих в многосигнальном режиме. Экспериментально подтвержден переход от одномерной гипотезы к многомерной гипотезе, используемой в методах статистической линеаризации.