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

На правах рукописиАбоелазм Мохамед Атта АбдельазизМетоды и устройства снижения интермодуляционных искаженийв системах спутниковой связи с зональным обслуживаниемСпециальность 05.12.13 – Системы, сети и устройства телекоммуникацийАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква 2015Работа выполнена на кафедре телекоммуникационных систем федеральногогосударственного образовательного учреждения высшего образования«Московский государственный университет информационных технологий,радиотехники и электроники» (МИРЭА)Научный руководитель:доктор технических наук, профессорНефедов Виктор ИвановичОфициальные оппоненты:доктор технических наук, профессор,Увайсов Сайгид УвайсовичЛауреат премии правительства РФв области науки и техники,зам.

директора по научной работеМосковский институт электроникии математики НИУ ВШЭ,доктор технических наук, профессор,Васильев Константин Константиновичзаведующий кафедрой телекоммуникацийзаслуженный деятель науки и техники РФУльяновский государственный университетВедущая организация:ФГБОУ ВПО «Московский техническийуниверситет связи и информатики»Защита состоится 20 ноября 2015 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д212.131.01 при Московском государственном университетеинформационных технологий, радиотехники и электроники (МИРЭА) поадресу: 119454, г.

Москва, пр. Вернадского, д. 78, ауд. Д-117.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИРЭА и на сайтеhttps:/www.mirea.ru/science-and-innovation/dissertation-tips/dissertational-council-d-212-131-01/Автореферат разослан «» …………… 2015 г.Ученый секретарьдиссертационного советак.т.н., доцентА.И. Стариковский2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИТИКА РАБОТЫАктуальность темыТехнологии современных цифровых систем спутниковой связи (ССС) с малонаселенными регионами находятся в непрерывном совершенствовании. Главноепри разработке таких систем (это также касается и систем подвижной связи) –снижение их энергопотребления.

Это связано с тем, что практически все они имеютограниченные энергетические ресурсы (солнечные батареи, аккумуляторы и т.д.), аэто накладывает определенные ограничения на эффективность их работы.По зоне обслуживания подвижные ССС Российской Федерации и другихстран 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, MilstarII, системы связи VSAT и другие, которые предназначены для предоставления пакета мультисервисных услуг (цифровое телерадиовещание, телефония, видеоконференцсвязь, передача данных, доступ к сети Интернет), создания сетей связи наоснове технологии VSAT, а также поддержания подвижной специальной связи (рисунок 1).

Они также осуществляют связь скораблями, самолетами и управление войсками. Поэтому надежная, качественная, с высокими характеристиками связь при воздействии внутренних и внешних искажений и помех является необходимым условием достиженияинформационной независимости.Главным направлением в развитии перспективных систем спутниковой связи, безусловно, будет применение многолучевых (многозонных) диаграмм направленности (ДН) антенн для покрытия различных по площадималонаселенных районов. При этом для создания многолучевых зон обслуживания в перспективных ССС будут использоваться в основном фазированные решетки.Требования к системам спутниковой Рисунок 1 – Схема многозоннойсвязи с большим числом излучателей, раздесистемы спутниковой связилением каналов и гибким сканированием ДНпо зонам обслуживания выдвигают задачи, легче решаемые в системах с активнымифазированными антенными решетками, в которые интегрированы индивидуальныеусилители мощности групповых сигналов УМГС (СВЧ-модули).

Фактически специалисты считают, что антенная решетка является радиотехнической системой, в которойпередатчик 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-3зи. 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 сигналимеет 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 зависятот 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 другомвозникают интермодуляционные искажения (ИМИ). Их появление нарушает работу передающих трактов, искажает диаграммы направленности излучения полезных сигналови 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).

Этовызывает увеличение ширины основных лучей, повышению уровней боковых лепестков, сужению рабочей полосы пропускания, снижению эффективноймощности излучения на 10…20 % ит.д. Для качественной работы мощность ИМИ в системах спутниковойсвязи должна быть, как правило, ниже мощности передаваемых сигналов на 45…50 дБ и более.Особенность работы УМГС радиопередатчика ССС состоит в том, чтоодновременно усиливаются сигналыразличных частот и мощностей.

Поэтому УМГС обладают ярко выраженными нелинейными передаточными характеристиками: амплитудной (АХ) – зависимостью выходноймощности от входной Pвых(Pвх) и фазоамплитудной (ФАХ) – зависимоРисунок 2 – Модель двухлучевойстью фазы от входной мощностиполярнойДН решетки и ДН ИМИ-3(Pвх) и в сочетании с инерционными входными и выходными цепями образует нелинейную динамическую систему сгрупповым сигналом (устройство с комплексной нелинейностью – УКН). Поэтомурешение задачи совершенствования систем спутниковой связи и повышения качестваих 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 иИМИ) на выходе передающих трактов систем спутниковой связи.4Нелинейными явлениями в СВЧ-усилителях мощности занимались С.И. Евтянов, В.И.

Каганов, Ш.И. Касымов, Б.М. Богданович, Ю.Л. Хотунцев, О. Shimbo,R. Westcott, E. Sunde, S.A. Maas, E. Johari и другие, которыми разработан ряд методов исследования УМГС. Однако эти методы полностью до сих пор не решиливсех вопросов. Причем с возрастанием потоков передаваемой информации, увеличением мощности передатчиков различных систем связи, уплотнением каналов,соответственно, с ухудшением электромагнитной обстановки, проблема становитсявесьма острой.Решение возникающих в многозонных системах спутниковой связи проблемсвязано 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 спектраи отдельно ИМИ, которые появляются в результате работы УМГС с несколькими несущими.

Отмеченные проблемы тесно и органично связаны между собой, упираютсяв 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 сниженияинтермодуляционных искажений а, следовательно, уменьшения энергопотреблениясистем спутниковой связи с зональным обслуживанием.Для достижения этой цели в диссертации: предложен компьютерноориентированный метод анализа комбинационного спектра выходного сигналаУМГС на основе аппроксимации их ПХ специальными функциями; разработаныалгоритмы и программы для расчета спектра; предложено устройство программноаппаратной коррекции характеристик и ДН путем уменьшения ИМИ в передающихмодулях систем спутниковой связи; разработаны численно-аналитические методики моделирования диаграмм направленности.Методы исследования.