Введение к работе
Актуальность темы. Системы спутниковой связи (ССС) играют одну из ключевых ролей в развитии мировых информационных коммуникаций. В первую очередь, спутниковая связь нашла широкое применение в системах непосредственного спутникового вещания (DBS), вещания «Direct-to-Home» (DTH), в системах мобильного доступа. Спутниковые линии являются неотъемлемой частью опорных сетей интернета, предоставляя широкополосный и узкополосный доступ к сети интернет для удалённых и малонаселённых зон, где такой доступ зачастую является единственно возможным. Последние тенденции развития спутниковых линий (освоение диапазонов Ka и Q, а также увеличение эффективности спутниковой нагрузки благодаря развитию микротехнологий) указывают на необходимость повсеместной замены или дополнения классических схем манипуляции, т.е. цифровой модуляции, QPSK и 8-PSK более многопозиционными. Многопозиционные схемы модуляции позволяют передавать значительно больший объем информации при использовании канала фиксированной ширины. Для цифровой передачи данных широкое распространение получили схемы модуляции M-APSK, вследствие их высокой спектральной эффективности и устойчивости к нелинейным искажениям.
В большинстве стандартов, в которых применяется модуляция M-APSK, позиционность модуляции ограничена 16-APSK и 32-APSK. В 2014 году консорциумом DVB был представлен стандарт DVB-S2X как расширение предшествующего стандарта DVB-S2. В новом стандарте, помимо прочего, предусматривается применение схем модуляции 64-APSK, 128-APSK и 256-APSK.
В 2012 году группой исследователей из Университета Цинхуа, Пекин, КНР (T. Cheng, K. Peng, J. Song, K. Yan) были рассмотрены возможности применения модуляции M-APSK в системе цифрового наземного вещания DVB-T2 и произведено сравнение производительности со схемами модуляции QAM при работе в канале с аддитивным белым гауссовским шумом. При этом схемы модуляции M-APSK показали выигрыш по помехоустойчивости до 0.83 дБ. Результаты исследований были опубликованы в статье «EXIT-Aided Bit Mapping Design for LDPC Coded Modulation with APSK Constellations» издания IEEE Communication Letters, vol.16, no.6, 2012. Однако в данном исследовании не была рассмотрена помехоустойчивость в случае работы в нелинейном канале.
Важной задачей является оптимизация параметров спутниковой линии для повышения помехоустойчивости приёма сигналов M-APSK. В 2013 году группой исследователей Института Информационных Технологий и Электроники Университета Цинхуа (K. Yan, F. Yang, C. Pan, J. Song, F. Ren, J. Li) был подробно рассмотрен процесс оптимизации параметров сигнального созвездия M-APSK с использованием кода Грея, произведена оценка оптимальных значений радиусов концентрических окружностей на сигнальном созвездии для многопозиционных схем модуляции (64-APSK и 256-APSK). Результаты были представлены в докладе «Genetic algorithm aided gray-APSK constellation optimization» на международной конференции «Wireless Communications and Mobile Computing Conference», Сардиния. Оптимизация произведена только с точки зрения передачи сигнала в канале с аддитивным белым гауссовским шумом без учёта нелинейности канала.
Влияние фазового шума и многолучевого распространения на помехоустойчивость приёма сигналов DVB-S2 при работе в нелинейном канале было рассмотрено в 2015 году исследователями из Университета Виктория, Мельбурн, Австралия (U. Pal, H. King). Результаты опубликованы в статье «Estimation and Decoding in The Presence of Phase Noise for Non-Linear Channels» издания Australasian Journal of Information, Communication Technology and Applications vol.1, no.1, 2015. Однако в данном исследовании в качестве многопозиционной схемы модуляции была выбрана модуляция16-QAM, которая не используется в стандарте DVB-S2.
Большой научный интерес к ССС обусловлен стремительным их развитием и ростом потребности в повышении скоростей передачи данных при различных условиях приёма. Основной особенностью ССС является их повсеместность и возможность обеспечения обмена данными с удалёнными регионами, в которых отсутствует инфраструктура наземных систем связи. Кроме того, ССС широко используются для обеспечения связи с подвижными объектами. Актуальность задачи оптимизации характеристик ССС подтверждается большим количеством публикаций по указанной тематике в специализированных западных изданиях, а также наличием диссертационных работ в европейских странах и США. Также научная активность в этой теме наблюдается и в России.
Большие расстояния между земными и космическими станциями обусловливают достаточно низкое отношение сигнал/шум на входе приёмника. Для обеспечения в таких условиях приемлемой вероятности ошибки используются направленные антенны с большими коэффициентами усиления, малошумящие элементы и помехоустойчивые коды. Рабочая точка усилителя мощности спутникового ретранслятора выбирается как можно ближе к зоне насыщения для обеспечения максимальной мощности на выходе усилителя. В этом случае наблюдаются значительные нелинейные искажения сигнала, существенным образом влияющие на помехоустойчивость приёма. Совершенствование методик компенсации нелинейных искажений и оптимизация режима работы усилителя мощности спутникового ретранслятора является актуальной научно-технической задачей.
Объект исследования. Объектом исследования являются усилители мощности спутниковых ретрансляторов, обладающие нелинейными характеристиками.
Предмет исследования. Оптимизация режима работы усилителя мощности спутникового ретранслятора с точки зрения минимизации его влияния на помехоустойчивость приёма.
Соответствие паспорту специальности. Результаты исследования соответствуют следующим пунктам паспорта научной специальности 05.12.13 «Системы, сети и устройства телекоммуникаций»:
Пункт 2. Исследование процессов генерации, представления, передачи, хранения и отображения аналоговой, цифровой, видео-, аудио- и мультимедиа информации; разработка рекомендаций по совершенствованию и созданию новых соответствующих алгоритмов и процедур.
Разработаны и исследованы математические и программные модели спутниковых нелинейных линий связи, содержащих усилитель мощности с нелинейными амплитудной и амплитудно-фазовой характеристиками, модуляцией M-APSK, методику аналитического описания созвездий сигнальных точек M-APSK и оптимизацию
областей принятия решения для сигнальных точек на амплитудно-фазовой плоскости.
Пункт 3. Разработка эффективных путей развития и совершенствования архитектуры сетей и систем телекоммуникаций и входящих в них устройств.
Разработаны и исследованы методы поиска оптимального режима работы усилителя мощности для обеспечения компромисса между нелинейными искажениями сигнала и снижением отношения сигнал/шум на входе приёмника с учётом амплитудно-амплитудной и амплитудно-фазовой конверсии.
Цель работы и задачи исследований. Целью настоящей работы является исследование методов повышения помехоустойчивости спутниковых линий связи, разработка методики определения оптимального режима работы усилителя мощности спутникового ретранслятора при различных факторах, а также его программной реализации.
Для достижения указанной цели потребовалось решение следующих задач:
-
Исследование теоретических концепций современных систем цифрового спутникового вещания.
-
Разработка математических и программных моделей спутниковой линии связи.
-
Разработка алгоритмов аналитического описания созвездий сигнальных точек модуляции M-APSK.
-
Разработка методики оптимизации режима работы усилителя мощности с учётом преобразований АМ/АМ и АМ/ФМ.
-
Разработка алгоритма поиска оптимальных областей принятия решения для созвездий сигнальных точек M-APSK с различными параметрами: позиционностью, числом концентрических окружностей, числом точек каждой окружности, относительными радиусами окружностей, относительными фазовыми сдвигами окружностей относительно синфазной оси.
-
Разработка методики оптимизации режима работы усилителя мощности с учётом совместного влияния АМ/АМ и АМ/ФМ преобразований, а также применения фильтра Найквиста с заданным коэффициентом сглаживания.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы методы математического моделирования, теории вероятностей, математического анализа, комбинаторной геометрии, векторного исчисления.
С помощью численных методов и алгоритмов в системе автоматизированного проектирования Mathcad получены результаты, основанные на статистических данных.
Экспериментальные проверки были произведены с помощью программного обеспечения, реализующего разработанные алгоритмы в вычислительной среде ПО Mathcad.
Научная новизна результатов работы. Из анализа публикаций следует, что на данный момент в литературе слабо освещён вопрос анализа помехоустойчивости приёма сигналов с модуляцией M-APSK при работе в линии связи с нелинейностью, хотя именно нелинейные искажения вносят существенный вклад в снижение помехоустойчивости приёма. При этом не предлагается эффективных алгоритмов оптимизации режима работы усилителя мощности. В отечественной литературе присут-
ствуют лишь единичные источники по данной теме.
В диссертации разработаны ряд новых моделей и методов:
-
Математическая и программная модели нелинейной спутниковой линии связи.
-
Методика и алгоритм аналитического описания созвездия сигнальных точек модуляции M-APSK с различными параметрами.
-
Методика и алгоритм поиска оптимальных границ областей принятия решения на амплитудно-фазовой плоскости для созвездия M-APSK с различными параметрами: позиционностью, числом концентрических окружностей, числом точек каждой окружности, относительными радиусами окружностей, относительными фазовыми сдвигами окружностей относительно синфазной оси.
-
Методика и алгоритм поиска оптимального режима работы усилителя мощности спутникового ретранслятора.
Достоверность полученных результатов. Достоверность полученных результатов подтверждается математическим моделированием, совпадением промежуточных результатов с опубликованными в зарубежных источниках результатами некоторых исследований, основанных на проведении натурных испытаний, опорой на результаты научных трудов ведущих отечественных и мировых учёных в данной области, корректным применением математического аппарата, всесторонними обсуждениями на научных конференциях, публикациями результатов работы в рецензируемых научных журналах.
Основные положения работы, выносимые на защиту:
-
Методика анализа помехоустойчивости приёма сигналов M-APSK при ограничении полосы частот спутникового канала и учёте амплитудно-фазовой конверсии за счёт нелинейного преобразования АМ/ФМ в усилителе мощности спутникового ретранслятора, которая приводит к возникновению на приёме паразитного фазового сдвига точек сигнального созвездия.
-
Методика анализа помехоустойчивости приёма сигналов M-APSK при ограничении полосы частот спутникового канала и учёте амплитудной конверсии за счёт нелинейного преобразования АМ/АМ в усилителе мощности спутникового ретранслятора, которая приводит к изменению амплитуды сигнала на приёме.
-
Методика анализа совместного влияния амплитудной и амплитудно-фазовой конверсии на помехоустойчивость сигналов M-APSK любой позиционности с использованием интегрального метода на приёме.
-
Методика, позволяющая численно оценить влияние на помехоустойчивость: коэффициента сглаживания фильтра Найквиста; неточности выбора момента принятия решения; позиционности модуляции; параметров сигнального созвездия; нелинейных характеристик усилителя мощности; значения OBO.
Практическая ценность результатов работы. Разработанные математические модели и методы внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВО СибГУТИ на кафедре систем радиосвязи (СРС), и подтверждены актом внедрения.
Разработанные методики оценки помехоустойчивости и поиска оптимального режима работы усилителя мощности спутниковых линий связи, учитывающие нелинейные искажения сигнала, имеют важное практическое значение. Результаты проведённых исследований применяются в конструкторских разработках при модернизации существующих систем связи, а также при компьютерном моделировании па-
раметров спутниковой линии связи, что подтверждается актом внедрения в процесс исследования и разработки АО «НЗПП с ОКБ».
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:
-
Российская НТК «Инновации и научно-техническое творчество молодёжи». СибГУТИ, Новосибирск – 2013.
-
Российская НТК «Информатика и проблемы телекоммуникаций». СибГУТИ, Новосибирск – 2014, 2015, 2016, 2017.
-
VII научно-практическая конференция «Topic Areas of Fundamental and Applied Research». North Charleston, USA – 2015.
-
Российская НТК «Перспективные информационные и телекоммуникационные технологии». СибГУТИ, Новосибирск – 2016.
-
XIII international scientific-technical conference on actual problems of electronic instrument engineering (APEIE). НГТУ, Новосибирск – 2016.
-
Международная НТК студентов и молодых учёных «Молодёжь. Наука. Технологии». НГТУ, Новосибирск – 2017.
Публикации. По результатам работы над диссертацией опубликовано 16 печатных работ, включая: 3 статьи в журналах, рецензируемых ВАК РФ; 1 статью в издании, включённом в реферативную базу данных Web of Science; 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ; 2 статьи в отраслевом издании; 9 тезисов докладов на международных и российских научных конференциях.
Личное участие автора в получении научных результатов. В исследованиях, результаты которых приведены в диссертационной работе, автору принадлежит определяющая роль. Диссертант непосредственно разрабатывал и исследовал приведённые в работе алгоритмы и методы, математические и программные модели. Научным руководителем д.т.н., профессором В.И. Носовым, осуществлялись постановка задач и контроль результатов. Часть опубликованных работ по результатам исследований написана в соавторстве с научным руководителем.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений. Она содержит 167 страниц машинописного текста, 67 рисунков, 3 таблицы. В библиографию включено 65 наименований.