Автореферат (Радиосистемы и устройства связи с малыми искажениями для загородных и горных трасс)

На правах рукописиМУАД ХАЛЕД МОХАМАДРадиосистемы и устройства связи с малымиискажениями для загородных и горных трассСпециальность 05.12.04 –Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения,специальность 05.12.07 – Антенны, СВЧ устройства и их технологииАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2016Работа выполнена на кафедре телекоммуникационных систем федеральногогосударственного образовательного учреждения высшего образования«Московский государственный университет информационных технологий,радиотехники и электроники»Научный руководитель:доктор технических наук, профессорНефедов Виктор ИвановичОфициальные оппоненты:Гусейн-заде Намик Гусейнага оглы –доктор физико-математических наук,профессор, заведующий отделом Институтаобщей физики им.

А.М. Прохорова РАН;Филатов Александр Александрович –кандидат технических наук, доцент,заместительдиректоранаучнообразовательного центра АО «Концерн радиостроения «Вега».Ведущая организация:Открытое акционерное общество «Московский ордена Трудового Красного знаменинаучно-исследовательский радиотехнический институт».Защита состоится « 24 » марта 2016 г.

в 16:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.048.13, созданного на базе федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет«Высшая школа экономики» по адресу: 123458, Москва, ул.

Таллинская, 34,ауд.208.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики», по адресу:101000, г. Москва, ул. Мясницкая, д.20 и на сайте http://www.hse.ru/sci/diss/.Автореферат разослан «» февраля 2016 г.Ученый секретарьдиссертационного советак.т.н., профессорГрачев Николай Николаевич2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИТИКА РАБОТЫАктуальность темы диссертацииУсложнение радиосистем и устройств связи с малыми нелинейными искажениями сигналов при наличии многолучевости распространения, включаясистемы радиосвязи, применяемые на сложных по рельефу загородных трассахи в горной местности, а также требования к миниатюризации аппаратуры, выдвигают на первый план проблему уменьшения габаритов антенн, так как вомногих случаях проблема миниатюризации приемо-передающих устройств ужепрактически решена.

Другая проблема при разработке таким радиосистем –снижение энергопотребления, что связано с большими расстояниями обеспечения радиосвязи по трассам. Наиболее перспективными в этом направлении являются управляемые адаптивные антенны, более известные как «интеллектуальные антенны» (ИА) систем подвижной радиосвязи, и активные фазированные антенные решетки (АФАР) с интегрированными (встроенными) в них малогабаритными интегральными усилительными СВЧ-модулями, применяемые врадиолокации, спутниковых системах связи, навигации, спутниковых и авиационных радиосистемах наведения и т.д.Технологии современных радиосистем и устройств связи с интегрированными СВЧ-схемами и малыми искажениями сигналов при распространениирадиоволн на сложных по рельефу загородных трассах и в горном ландшафтенаходятся в непрерывном совершенствовании. В настоящее время они сталивполне доступными и превратились в удобное средство абонентского доступа.Это превращение основано на применении цифрового диаграммообразования,или цифрового формирования диаграмм направленности (ДН) многолучевыхАФАР и интеллектуальных антенн систем радиосвязи.При этом возникла необходимость создания комплексных интегральныхСВЧ-модулей для многолучевых АФАР радиосистем связи с целью реализацииих сложных характеристик.

Как правило, СВЧ-модули АФАР и интеллектуальных антенн содержат передающие тракты с мощными усилителями многочастотных (групповых) сигналов (МУМС), имеющих ограниченные энергетические ресурсы при наличии многолучевости распространения и удлиненных расстояний в зонах обслуживания.На сложных по рельефу загородных трассах и в горной местности однойиз наиболее серьезных и часто встречающихся проблем является пропаданиеили полное отсутствие радиосвязи. Подобные ситуации вполне естественны идопустимы, поскольку в таких местах ретрансляторы, а точнее, базовые приемопередающие станции, расположены существенно реже, чем в городе.

Нопроблему надо решать и для этого можно воспользоваться тремя способами.Первый способ – установка поблизости дополнительной базовой станции илиретранслятора. Второй – повышение КПД и выходной мощности за счетуменьшения нелинейных внутрисистемных искажений. Третий – улучшение3структуры антенных устройств и оптимизация существующих моделей процессов распространения радиоволны на загородных трассах и в горной местности.Первый отмеченный способ улучшения связи на сложных по рельефу загородных и горных трассах – дорогой и это не всегда осуществимо.Второй способ.

Хотя направленные ИА и АФАР улучшают использование радиоканалов, они не избавлены от двух основных недостатков в многоканальных системах – межканальной и межсимвольной интерференции и наличиянелинейных искажений. За счет того, что стандартные антенны не могут отслеживать местоположение абонента и поэтому должны излучать сигнал большей мощности.

Это может повлиять за собой интермодуляцию между своимисигналами или сигналами соседних сот. Для получения больших мощностейМУМС работают в режиме насыщения и поэтому обладают ярко выраженныминелинейными передаточными характеристиками (ПХ): амплитудной (АХ) – зависимостью выходной мощности от входной и фазо-амплитудной (ФАХ) – зависимостью фазы от входной мощности усиливаемого сигнала.

Это приводит кпоявлению интермодуляционных составляющих (ИМС), возникающих в усилительных трактах передатчиков, что вызывает в радиосистемах передачи информации снижение помехоустойчивости, уменьшение пропускной способности,снижение выходной мощности и КПД, увеличение фазовых искажений и пр.Решение этих задач непосредственно связано с обеспечением линейности передающих модулей радиоустройств радиосистем связи с МУМС при ограниченных энергетических ресурсах.

Значительный пик-фактор групповых сигналовтребует применения линейных МУМС, которые достаточно сложны в изготовлении и имеют очень низкий коэффициент полезного действия, в связи с чемнеизбежны дополнительные энергетические затраты на передатчики.По поводу ИМИ необходимо учитывать, что при связи на загородныхтрассах удаление от базовых станций или ретрансляторов, как правило, является большим (в городе около 500 м или меньше, за городом 5-10 км), затуханиесигнала также большое, поэтому усилитель передатчика работает в форсированном режиме.

Естественно, что существенно изменилось внимание к проблемам анализа, расчета и построения АФАР, включающих нелинейную модельМУМС. Интеграция мощных передающих устройств с цифровыми ИА и АФАРимеет много преимуществ по сравнению с пассивными антеннами, например,вследствие увеличения пропускной способности и скорости передачи сообщений системы связи.Третий способ. Реальная земная поверхность практически везде сложна ислоиста по структуре, поскольку создана из горных пород, обладающих неоднородными электрическими свойствами, имеет сложный рельеф и зачастую покрыта растительностью и т.д.

Поэтому вопрос о прогнозировании поля поверхностной электромагнитной волны над реальной земной поверхностью с учетомрельефа местности, растительного покрова и электрических неоднородностейподстилающей среды в настоящее время остается не решенным.4На использовании электромагнитных волн, распространяющихся вблизиземной поверхности, амплитудно-фазовая структура которых достаточно стабильна, основана работа радиотехнических систем радиосвязи, радиовещания,навигации и службы единого времени.Во многом эффективность применения таких радиотехнических системсвязи при наличии многолучевости, межсимвольной интерференции и нелинейных искажений определяют знания закономерностей поведения электромагнитного поля у земной поверхности. Исследования, расчеты поля наземнойволны и эксперименты показали, что существующие модели процессов распространения поля земной волны требуют серьезного дальнейшего анализа, уточнения и развития. Тут на помощь могут прийти специализированные антенныдля сложных по рельефу загородных и горных трасс.

Хотя направленные интеллектуальные антенны и АФАР улучшают использование радиоканалов, онине избавлены от двух основных недостатков в многоканальных системах –межканальной интерференции и наличия ИМС. За счет того, что стандартныеантенны не могут отслеживать местоположение абонента и поэтому должныизлучать сигнал большей мощности.Это может вызвать за собой эффект интермодуляции между канальнымисигналами или сигналами соседних сот. Поэтому и необходимы специализированные антенны. В связи с этим резко возрастает потребность в новых конструкциях антенн и методиках проектирования, способных обеспечить повышение эффективности радиосистем.

Дело в том, что операторы связи могут изменять интенсивность излучения в течение суток или в определенные дни недели.Обычно установленные на базовых станциях интеллектуальные антенны объединяются в антенные решетки с цифровой обработкой сигнала, что позволяетрегулировать прием и передачу сигналов. Другими словами, этот тип системыможет автоматически изменять направление излучения в ту сторону, где этонеобходимо.