Введение к работе
Актуальность. Одно из основных направлений развития современных систем подвижной связи базируется па исследовании методов многостаициоиного доступа с кодовым разделением шумоподобпых сложных сигналов (СлС) абонентов (в англоязычной литературе CDMA (Code Division Multiple Access)). Их применение позволяет обеспечить высокоэффективное использование спектра частот, высокую помехоустойчивость устройств обработки сигналов, скрытность и конфиденциальность передачи информации при воздействии всей совокупности структурных, широкополосных и узкополосиых помех при наличии замираний в радиоканалах, обусловленных условиями распространения сигналов.
В системах подвижной связи, в том числе и с кодовым разделением каналов, предъявляются повышенные требования к характеристикам радиотрактов формирования и усиления групповых сложных сигналов в радиопередающих устройствах. Так, требуется обеспечивать линейность их амплитудных характеристик при высоком пик-факторе группового СлС, достигающем нескольких десятков дБ. Результатом этого является низкий КПД выходных усилителей мощности (УМ) базовых станций CDMA-систем, составляющий не более 10 %. При этом УМ поставляет в антенну до 40...80 Вт па одну несущую, которых может быть до тринадцати. В перспективных системах связи с прямым расширением спектра при излучении до нескольких сотен СлС абонентов на общей несущей выходная мощность УМ может составить до нескольких сотен Вт. Следовательно, потребляемая мощность с учетом значения КПД порядка 10% достигает 0,5кВт и более. Очевидно, что, кроме значительных энергетических затрат, это приводит к повышению температуры внутри корпуса усилителя и уменьшает ресурс его работы, а, следовательно, и безаварийный период работы базовой станции.
В настоящее время широко обсуждается проблема повышения КПД усилителей мощности базовых станций CDMA-систем. Способами решения данной проблемы являются использование квазилинейных режимов усиления с компенсацией возникающих нелинейных искажений и регулировкой рабочей точки усилителя, введение обратных и прямых связей компенсации и т.д. Так же в последнее время интенсивно развиваются цифровые методы линеаризации характеристик усилителя при работе с отсечкой тока в нелинейном режиме. Искажения при этом компенсируются численными методами с помощью внесения предварительных помех в усиливаемый групповой СлС
Применение этих методов требует использования высокоточных критериев оценки амплитудных и фазовых искажений групповых СлС в усилителях, позволяющих задавать их предельно допустимые характеристики. Однако анализ используемых критериев линейности усилителей показывает, что применительно к групповым СлС они характеризуются высокой дисперсией погрешности измерений и низкой чувствительностью. Кроме того, с их использованием пс удастся задавать предельные пороговые значения характеристик искажений. Поэтому они непригодны для высокоточной регулировки рабочей точки усилителя и его адаптации к меняющимся характеристикам усиливаемого группового СлС.
Разработка принципов квазилинейного усиления іруиповьіх сложных сигналов, представляющих собой случайные функции времени, невозможна без иссле-
\\'\J
дования характеристик возникающих нелинейных искажений. Наибольший вклад в развитие методов анализа нелинейных искажений случайных процессов внесли Левин Б.Р., Тихонов В.И., Харисов В.Н., Прохоров В.А., Евсиков Ю.А и.т.д., а методы эффективного усиления случайных сигналов с модуляцией огибающих разрабатывались в работах Артыма А.Д., Попова И.А., Розова В.М., Николаева В.В., Козина Е.В., Пустовойтовского А.С. Характеристики групповых СлС при их нелинейных преобразованиях исследовались в ряде работ, где выявлены закономерности в изменении отношения сигнал/помеха лишь для нескольких частных случаев, не соответствующих современным системам связи с кодовым разделением каналов.
Таким образом, проведенный анализ публикаций и исследований в данной области показывает отсутствие как теоретических, так и практических результатов по разработке принципов построения высокоэффективных усилителей мощности групповых СлС.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является теоретическое обобщение и решение научно-прикладной проблемы, заключающейся в реализации возможностей методов статистического анализа случайных процессов при их нелинейных преобразованиях для исследования характеристик искажений групповых СлС и разработки методов повышения эффективности радиотрактов их формирования и усиления.
Достижение этой цели связано с решением совокупности задач:
разработать адекватную математическую модель случайного процесса, образованного аддитивной смесью СлС, излучаемых синхронно или асинхронно со случайными значениями амплитуд;
произвести сравнительный анализ и выбор методов статистического анализа характеристик искажений групповых СлС в радиотрактах при использовании их типичных математических моделей;
с использованием выбранного метода провести теоретическое исследование характеристик неискаженных составляющих групповых СлС после нелинейных преобразований и образующихся интермодуляциопных помех;
разработать методы компьютерного моделирования нелинейных преобразований групповых СлС;
разработать новые высокоточные критерии оценки и методы измерения искажений групповых СлС в радиотрактах;
на основе полученных теоретических результатов разработать методы линеаризации радиотрактов формирования и усиления групповых СлС при использовании высокоэффективных режимов работы усилителей мощности и методов измерения характеристик искажений.
Методы исследований. Теоретические и практические результаты диссертации базируются на использовании: методов теории вероятностей и математической статистики, теории статистического анализа случайных процессов; теории обобщенного корреляционного и спектрального анализа сигналов. Для численного анализа и промежуточных вычислений использовались программные математические комплексы MathCad и Matlab. Моделирование реализовано па языке С#.
Научная новизна:
1. Разработана математическая модель группового СлС с прямым расширением спектра и единственной несущей па выходе нелинейного безиперциошюго амплитудно-фазового преобразователя, описывающаяся как аддитивная смесь полезных СлС и интермодуляционпой помехи; последняя, в случае асинхронно смещенных друг относительно друга по времени СлС, представляет собой сумму апериодических импульсных случайных процессов, в которых моменты появления импульсов описываются как пуассоповскис потоки с характеристиками, определяющимися видом амплитудной нелинейности преобразователя.
-
Показано, что для большинства видов пслинсйностсй данный подход позволяет в аналитическом виде описать как полезный сигнал на выходе нелинейного преобразователя, так и образующуюся интермодуляционную помеху и исследовать важные для практических приложений характеристики распределения мощностей сигналов и помехи в любой заданной полосе частот.
-
Установлены закономерности в характеристиках искажений групповых СлС при их безинерциоиных нелинейных амплитудных преобразованиях; в частности показано, что спектр интермодуляционпой помехи расширяется за пределы основной полосы частот лишь при асинхронном излучении СлС, что объясняется увеличением интепсивностей пуассоповских потоков, описывающих характеристики импульсов помех, пропорционально числу СлС абонентов; в случае, если элементарные символы сигналов абонентов излучаются синхронно, расширения спектра помехи не происходит, и вся ее мощность сосредоточена в полосе полезных СлС.
Практическая ценность:
-
Предложены методы измерения коэффициента усиления нелинейного усилителя группового СлС, а также выходной мощности, приходящейся па полезный СлС и интермодуляционную помеху; эти методы основаны на вычислении взаимно корреляционной функции сигнала на входе усилителя и результирующего сигнала на его выходе; они характеризуются высокой чувствительностью и низкой погрешностью и могут использоваться для высокоточной регулировки режима работы усилителя мощности.
-
Разработан способ построения радиотракта формирования и усиления на основе использования метода Кана при разложении огибающей группового СлС в ряд но функциям Уолша с использованием быстрого преобразования Адамара (БПА); весовые коэффициенты этих функций остаются постоянными в течение длительности времени выборки сигнала, что позволяет снизить частоту переменной составляющей в тракте огибающей до единиц-десятков кГц и, после применения к ней ШИМ, усилить се с помощью транзисторных ключей.
-
Предложен метод линеаризации радиотракта формирования и усиления группового СлС при использовании энергетически эффективного режима работы усилителя, то есть граничного режима класса В или С без использования автоматической регулировки режима; метод предполагает введение асинхронных сдвигов сигналов абонентов при формировании группового СлС па частоте псевдослучайных последовательностей (ПСП) с последующим применением «жесткого» ограничителя и фильтрацией образовавшихся интермодуляционных помех в ФНЧ с
учетом искажений огибающих элементарных импульсов СлС при их последующем прохождении через нелинейный усилитель.
Апробация результатов. Материалы диссертации обсуждались и получили одобрение на следующих Всероссийских и международных НТК, семинарах и симпозиумах: XV Межрегиональная научно-техническая конференция «Обработка сигналов в системах наземной радиосвязи и оповещения», Нижний Новгород -Москва. 2007 г.; XVI Межрегиональная научно-техническая конференция «Обработка сигналов в системах наземной радиосвязи и оповещения», Пушкинские горы - Москва 2008 г.; II Отраслевая научно-техническая конференция «Технологии информационного общества», Москва 2008 г.; III Отраслевая научно-техническая конференция «Технологии информационного общества», Москва 2008 г.; VIII Международная научно-техническая конференция «Перспективные технологии в средствах передачи информации» - Владимир 2009 г.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в рецензируемых научно-технических журналах, входящих в Перечень ВАК Минобрнауки России (3 работы), в материалах международных и отраслевых конференций (8 работ). Всего опубликовано 12 работ.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Разработанный метод анализа и результаты исследования характеристик искажений групповых СлС при нелинейных амплитудно-фазовых преобразованиях в устройствах формирования и усиления, подтвержденные с использованием имитационного компьютерного моделирования.
-
Критерий и соответствующий ему метод измерения нелинейных искажений группового СлС, основанный па вычислении взаимно корреляционной функции сигнала на входе нелинейного радиотракта и результирующего сигнала на его выходе; он характеризуется высокой чувствительностью и низкой погрешностью и может использоваться для высокоточной регулировки режима работы усилителя мощности.
-
Обоснование использования принципов Кана для усиления группового СлС и разработанный метод построения тракта усиления широкополосной огибающей в передатчике Кана при ее разложении в ряд по функции Уолша с медленно меняющимися весовыми коэффициентами.
-
Разработанный метод линеаризации и повышения эффективности радиотрактов формирования и усиления групповых СлС при большом числе сигналов абонентов, излучаемых асинхронно, на основе использования энергетически эффективного граничного или слабопереиапряжешюго режима работы усилителя с отсечкой (В или С), применения "жесткого" ограничителя и фильтрации образующихся интермодуляциониых помех с помощью ФНЧ на частоте ПСП.
