При передаче информации необходимо обеспечить ее достоверность, а также такой уровень мощности, который был бы достаточен для ее адекватного приема абонентом, находящимся на другом конце линии связи. Большинство современных систем связи работают по принципу многостанционного доступа, под которым понимают возможность обращения нескольких мобильных станций к одной базовой станции или спутниковому ретранслятору, при котором абоненты могут одновременно передавать и получать через нее информацию. Подобные системы связи работают с многочастотным сигналом и поэтому их рабочие полосы всегда велики.
В последнее время, было разработано несколько алгоритмов формирования сигналов, использующихся в современных системах передачи информации, и принципов построения многоканальных радиотехнических систем. Из наиболее перспективных следует отметить системы типа CDMAс многостанционным доступом с кодовым разделением каналов (МДКР).
Актуальность проблемы.
К радиотехническим системам, в которых реализованы сложные алгоритмы обработки сигналов, всегда предъявляется ряд технических требований по надежности, по уровню и контролю выходной мощности, а главное — по минимизации нелинейных искажений в широкой полосе частот.
Важной проблемой для систем передачи информации является создание на выходе передающего устройства многочастотных сигналов достаточной мощности с малыми искажениями и линейными характеристиками. Одним из вариантов решения этой проблемы является применение широкополосных сумматоров мощности с малыми потерями. Очевидно, что каким бы мощным ни был выходной усилитель, существует оборудование, которое практически невозможно построить без использования схем суммирования и деления мощностей (передатчики базовых станций сотовой связи, передатчики служб персональной связи, спутниковые ретрансляторы, передающие устройства радиолокационных станций).
Говоря о современной элементной базе для усилителей мощности, можно отметить, что хотя значительный прогресс в этом направлении был достигнут благодаря разработке в начале 90-х годов XX столетия современных транзисторов, характеристики которых были существенно улучшены по сравнению с традиционными устройствами, удовлетворение непрерывно ужесточающихся требований по минимизации нелинейных искажений, увеличению КПД и выходной мощности, стабильности коэффициента усиления вдоль всей полосы частот и его независимости от мощности входного сигнала существенно затруднено.
Требования по увеличению пиковой мощности усилителей часто противоречат требованиям минимизации нелинейных искажений и обеспечению линейности амплитудной Рвых (Рех) и фазоамплитудной (р (Рвх) характеристик (АХ, ФАХ). Кроме того, применение избыточных многомодульных схем обеспечивает высокую надежность устройств, но усложняет конструкцию всей системы и значительно повышает ее стоимость.
Достижение линейности основных характеристик усилителей мощности, включающих схемы суммирования, крайне необходимо, особенно в многоканальных системах связи, где требуется обеспечить линейность характеристик в широком диапазоне частот. Среди основных задач, которые возникают при проектировании передающей аппаратуры систем связи с многостанционным доступом, необходимо назвать обеспечение равномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) усилителя мощности РВых (/), коэффициента усиления по мощности Кр (/), а также линейности его амплитудной характеристики РВыХ (РВх) и фазочастотной характеристики (ФЧХ) ф (/) во всей полосе частотподавление составляющих интермодуляционных искажений (ИМИ) в выходном спектре при многочастотном сигнале. Поскольку типовые характеристики усилителей снимаются в определенном установившемся режиме, до настоящего времени не были предъявлены требования по обеспечению необходимой стабильности АЧХ и, особенно, ФЧХ широкополосных усилителей при изменении различных дестабилизирующих факторов (температуры, напряжений питания и смещения). Уход параметров усилителя, под влиянием указанных факторов, ухудшает линейность его характеристик и снижает показатели надежности.
Для минимизации ИМИ в выходном спектре, в передающем устройстве применяются корректоры характеристик усилителей. Однако, устройства коррекции характеристик могут также вносить дополнительные искажения или не полностью подавлять ИМИ в результате наличия амплитудных и фазовых ошибок в петлях прямой или обратной связи.
Исходя из этого, можно отметить ряд проблем, которые возникают при конструировании и работе выходных транзисторных усилительных модулей. 1. К современным модулям СВЧ-усилителей предъявляются жесткие требования по линейности их амплитудных и фазоамплитудных характеристик (АХ, ФАХ). В результате нелинейности данных характеристик на выходе многочастотного СВЧ-усилителя появляются ИМИ, которые не поддаются никакой фильтрации и значительно ухудшают параметры системы радиосвязи. Высокая линейность характеристик может быть достигнута путем снижения КПД до 25%, однако это неприемлемо для сложных и дорогих мощных усилительных модулей, которые работают на участке АХ, близкой к мощности насыщения.
2. При работе на участках АХ, близкой к мощности насыщения нельзя рассматривать нелинейные искажения в усилителе только на основе ИМИ 3-го порядка. Необходим учет ИМИ 5-го порядка.
3. Для подавления ИМИ на выходе усилителя необходимо минимизировать амплитудные и фазовые ошибки в самом корректоре.
4. Степень подавления ИМИ сильно зависит от амплитудных и фазовых ошибок, то есть значительно ухудшается при росте нестабильности АЧХ и, особенно, ФЧХ. Подобные нестабильности не только ухудшают показатели системы и сужают полосу частот, в которой возможна минимизация ИМИ, но и снижают показатели надежности многомодульного усилителя.
С учетом того, что данные проблемы остро стоят перед проектировщиками радиоэлектронной аппаратуры, выбранная тема диссертационной работы является актуальной.
Цель работы и задачи исследования.
Основными целями научного исследования являются:
— исследование современных широкополосных мощных СВЧ-усилительных модулей, применяемых в системах связи с многостанционным доступом;
— расчет ИМИ в спектре на выходе усилителя мощности и определение доли ИМИ 5-го порядка в общих нелинейных искажениях;
— выявление зависимости степени подавления ИМИ в корректоре от амплитудных и фазовых ошибок;
— анализ существующих схем линеаризации характеристик и разработка оптимальных корректоров, в которых минимизированы амплитудные и фазовые ошибки;
— определение зависимости АЧХ и ФЧХ широкополосных усилителей от различных дестабилизирующих факторов (температуры, напряжений питания и смещения), и постановка требований по минимизации нестабильности характеристик в заданном диапазоне частот;
— разработка математического аппарата и программного обеспечения, для расчета показателей надежности схем, построенных с применением схем сложения мощностей.
Основными задачами, исходящими из поставленной цели исследования, являются:
— анализ параметров существующих мощных усилительных модулей и исследование ИМИ на выходе мощных усилительных модулей систем многостанционного доступа на основе спектрального и корреляционно-регрессионного анализа;
— разработка математического аппарата, учитывающего ИМИ 5-го порядка и определение уровня выходной мощности, при которой необходимо брать в расчет ИМИ 5-го порядка;
— анализ современных схем коррекции (линеаризации) характеристик усилительных модулей и определение зависимости степени подавления искажений от амплитудных и фазовых ошибок в корректоре;
— разработка современных схем коррекции характеристик мощных усилителей систем связи с многостанционным доступом с минимальными амплитудными и фазовыми ошибками;
— разработка современной методики и программного обеспечения расчета оптимальных значений параметров надежности многомодульных усилителей;
— формулировка требований к стабильности внешних параметров для обеспечения стабильности АЧХ и ФЧХ и минимизации ИМИ.
Объект научного исследования.
Объектом научного исследования является структура и состав мощных выходных усилителей систем мобильной связи с многостанционным доступом (на примере систем CDMA), а также процессы, протекающие в мощных транзисторных усилительных модулях.
Методы научного исследования.
Исследования выполнены с применением методов:
— спектрального анализа;
— теории линейных и нелинейных цепей;
— математического и схемотехнического моделирования;
— корреляционно-регрессионного анализа;
— линейной алгебры и функций комплексного переменного;
— теории вероятностей и математической статистики;
— анализа и синтеза усилительных устройств;
— теории надежности.
Научная новизна.
1. Выполнены расчеты и анализ структуры ИМИ в спектре на выходе усилителя мощности системы связи с многостанционным доступомс применением корреляционно-регрессионного и спектрального анализа определены составляющие ИМИ 3-го порядка в выходном спектре, вероятности возникновения ИМИ для разного количества каналов связи.
2. Разработаны требования по учету ИМИ 5-го порядка в общих нелинейных искажениях.
3. Проведен комплексный анализ существующих схем линеаризации характеристик широкополосных усилителей мощности.
4. Разработана схема оптимального корректора, в котором до минимума уменьшены амплитудные и фазовые ошибки.
5. Разработаны современные методика, алгоритм и программное обеспечение расчета оптимальных значений параметров надежности усилителей, построенных по принципу сложения мощностей.
6. Впервые сформулированы требования к стабильности внешних параметров для обеспечения линейности АЧХ и ФЧХ усилителей и минимизации ИМИ в выходном спектре в корректорах с прямой связью.
Практическая ценность результатов.
Практическая ценность результатов состоит в следующем.
1. На основе корреляционно-регрессионного анализа АХ и ФАХ при помощи рядов Тейлора, а также спектрального анализа широкополосных сигналов, определены ИМИ 3-го порядка в выходном спектре.
2. Сформулированы требования по учету ИМИ 5-го порядка на выходе нелинейного усилителя. Рассчитана вероятность возникновения ошибки для разного количества кодовых каналов в зависимости от уровня ИМИ в выходном спектре.
3. Показано, что при построении многоканальной системы связи для обеспечения вероятности ошибки менее 10″ 3.10~4 необходимо обеспечить уровни ИМИ не выше -45.-53 дБ.
4. По результатам работы была модернизирована измерительная СВЧ-установка, в которой существенно уменьшены амплитудные и фазовые ошибки при использовании направленных ответвителей.
5. Разработан десятидецибельный несимметричный направленный ответвитель, не вносящий существенного подавления несущих на выходе. При применении разработанного направленного ответвителя в качестве выходного сумматора, степень подавления несущих снижается до 0,52 дБ, что составляет всего 12,7% от входной мощности.
6. Рассчитана и разработана высокоэффективная схема линеаризации характеристик усилителей для систем радиосвязи, позволяющая минимизировать нелинейности АХ и ФАХ и подавить ИМИ на 22 дБ в полосе частот 15 МГц при работе с многочастотным сигналом СВЧ-диапазона.
7. На основании полученных результатов проведена точная настройка ряда многомодульных усилителей СВЧ-диапазона при построении широкополосных систем радиосвязи, проведена оценка влияния степени подавления ИМИ на качество передачи информации в системах передачи информации с многостанционным доступом.
8. Разработанное программное обеспечение позволило рассчитать допустимые вероятности безотказной работы ряда разрабатываемых СВЧ-усилителей и осуществить контроль надежности работы мощных усилительных модулей при отказе одного или нескольких усилительных каскадов, входов сумматоров или выходов делителей мощности.
9. Впервые сформулированные положения по обеспечению стабильности внешних факторов предъявляют требования по достижению и контролю необходимой стабильности АЧХ и ФЧХ широкополосных СВЧ-усилителей систем радиосвязи с многостанционным доступом .
Защищаемые положения и результаты.
Автор защищает:
1. Результаты исследования и минимизации ИМИ 3-го порядка в спектре сигналов на выходе широкополосных СВЧ-усилителей мощности систем радиосвязи с многостанционным доступом.
2. Впервые полученные результаты исследования зависимостей вероятности ошибки от уровня ИМИ, а также методы анализа вклада ИМИ 5-го порядка в общие нелинейные искажения.
3. Впервые разработанную схему оптимального корректора характеристик искажений, позволяющую минимизировать амплитудные и фазовые ошибки и подавить ИМИ в полосе 15 Мгц на частотах 1805. 1880 МГц.
4. Разработанные современные методики, алгоритмы и программное обеспечение расчета оптимальных значений параметров надежности усилителей, построенных по принципу сложения мощностей.
5. Впервые сформулированные требования к стабильности внешних параметров для обеспечения линейности АЧХ и ФЧХ и минимизации ИМИ в выходном спектре.
Внедрение результатов работы.
Результаты работы внедрены в учебном процессе в МИРЭА и использованы в ФГУП «МНИИП», ФГУП «НПП Волна», НИИКС филиале ГКНПЦ им М. В. Хруничева, ОАО «МНИИРС», сервисном центре Rohde & Schwarz ЗАО «Специальная электронная техника».
Апробация результатов исследования.
Основные положения и научные результаты работы обсуждались в 1999 — 2002 годах на Второй Международной конференции: цифровая обработка сигналов и ее применения — DSPA'99 — Москва, 1999; на Шестой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов: радиотехника, электротехника и энергетика — Москва, МЭИ, 2000; на Седьмой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов: радиотехника, электротехника и энергетика — Москва, МЭИ, 2001; на Третьей Международной конференции: цифровая обработка сигналов и ее применения — DSPA'2000 — Москва, 2000; на 49-й научно-технической конференции МИРЭА — Москва, 2000; на 50-й научно-технической конференции МИРЭА — Москва, 2001; на Четвертой Международной конференции: цифровая обработка сигналов и ее применение — DSPA'2002 — Москва, 2002; на 51-й научно-технической конференции МИРЭА — Москва, 2002.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 11 научных статей и докладов на конференциях.
Объем и структура работы.
Работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы из 59 наименований и приложений. Объем диссертации составляет 175 страниц, включая 161 страницу машинописного текста, 6 страниц списка литературы, 14 таблиц, 65 рисунков и 8 листов приложений.
Основные результаты и выводы диссертационной работы заключаются в следующем.
1. Сформулирована общая концепция методов линеаризации характеристик СВЧ-усилителей с минимальной мощностью ИМИ в спектре сигналов систем радиосвязи с многостанционным доступом.
2. Проанализированы существующие схемы линеаризации характеристик широкополосных усилителей мощности и разработан оптимальный корректор с минимальными амплитудными и фазовыми ошибками.
3. Впервые сформулированы требования к стабильности внешних параметров для обеспечения линейности АЧХ и ФЧХ усилителей и минимизации ИМИ в выходном спектре в корректорах с прямой связью.
4. Методами корреляционно-регрессионного и спектрального анализа определены составляющие ИМИ 3-го порядка в выходном спектре усилителей мощности.
5. Определены вероятности возникновения ИМИ для разного количества каналов связи, и сформулированы требования по учету ИМИ 5-го порядка в общих нелинейных искажениях сигналов с учетом влияния АФК.
6. Разработана современная методика, алгоритм и программное обеспечение расчета оптимальных значений параметров надежности СВЧ-усилителей со сложением мощностей.
7. Впервые рассчитаны зависимости вероятности возникновения ошибки в системе радиосвязи с многостанционным доступом с кодовым разделением каналов от уровня ИМИ на выходе СВЧ-усилителя мощности.
8. Разработана высокоэффективная схема линеаризации характеристик усилительных СВЧ-модулей, позволяющая минимизировать нелинейности АХ и ФАХ усилителя и подавить на 22 дБ ИМИ в полосе 15 МГц на частотах 1805. 1880 МГц.
9. Разработан 10 дБ несимметричный направленный ответвитель, при применении которого в качестве сумматора на выходе корректора мощности с прямой связью, степень подавления несущих снижается на 0,52 дБ, что составляет всего 12,7% от выходной мощности.
10. Выполнено компьютерное моделирование работы схемы корректора с прямой связью, подтвердившее существенное уменьшение ИМИ в выходном спектре в заданном диапазоне.
11. Рассмотрены вопросы повышения надежности многомодульных СВЧ-усилителей и разработана методика по ее расчету.
12. Впервые разработаны требования к стабильности внешних факторов (температуры, напряжений питания и смещения) для обеспечения необходимой стабильности АЧХ и ФЧХ реальных многомодульных широкополосных усилителей для связи с многостанционным доступом.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.