Введение к работе
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.),
А. Гребенникова (Grebennikov A.), С. Криппса (S.C. Cripps) по транзисторным усилителям мощности. В отечественной литературе можно выделить работы под руководством О.А. Челнокова и В.М. Рожкова по созданию аналоговых линеаризаторов, исследования 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, 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.
Для достижения поставленной цели в представленной диссертационной работе решаются следующие основные задачи:
1. 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 новизна 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 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 ценность работы:
1. Сформулированные рекомендации и результаты экспериментальных исследований использованы при разработке радиопередающего устройства Ка-диапазона 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 диссер-тационной 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 III-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.
