Введение к работе
Актуальность проблемы
Современный мир уже трудно представить без повсеместно распространенных систем коммуникаций, которые произвели переворот во всех сферах человеческой жизни и позволили говорить о переходе человечества к стадии информационного общества. Подобный переход сопровождается качественно новыми требованиями к системам, обслуживающим человеческую деятельность. В первую очередь возникает необходимость наиболее скоростного развертывания и гибкого управления услугами, предоставляемыми оборудованием.
Кроме того, в свете столь бурного развития беспроводных систем связи и сетей передачи данных, возникает проблема увеличения емкости и помехозащищенности канала. Становится очевидным необходимость исследования новых подходов к решению этой задачи. Одним из таких подходов является применение пространственного разделения каналов. С точки зрения помехозащищенности, пространственное разделение с легкостью трансформируется в пространственную фильтрацию, и нежелательные радиосигналы фильтруются с использованием информации о пространственном расположении помех.
Подобным требованиям в полной мере соответствуют системы беспроводной связи на базе антенных решеток с возможностью цифрового диаграммообразования (ЦДО), или так называемых цифровых антенных решеток (ЦАР).
Помимо возможности пространственной фильтрации системы с ЦАР обладают следующими преимуществами:
имеют очень широкий спектр способностей по цифровой обработке сигналов;
характеризуются очень малыми фазовыми ошибками в процессе формирования диаграммы;
имеют возможность автоматического определения направления прихода сигналов и/или помех;
обладают меньшими массогабаритными размерами.
В настоящее время проектирование ЦАР это малоизученная область техники и технологии на стыке аналоговой и цифровой схемотехники. Разработка каждой цифровой антенной решетки представляет собой отдельную научно-исследовательскую работу, в процессе кото-
рой решается ряд специфических проблем. Например, в условиях ограниченных характеристик производительности АЦП/ЦАП, в создаваемых цифровых решетках будет бесспорно присутствовать этап аналоговой обработки сигналов. Входящие в аналоговую часть канала ЦАР устройства искажают сигнал, вносят шумы и паразитные гармоники, особенно это относится к нелинейным устройствам таким как усилитель и смеситель. Кроме того, необходимо учитывать невозможность получения полной идентичности аналоговых устройств, а, следовательно, характеристик аналоговой части канала, что, естественно, влечет за собой влияние подобного разброса характеристик на производительность системы в целом. Цифровая часть решетки также требует проведения подобных исследований с целью выявления влияния дестабилизирующих факторов цифровой части канала и определения необходимых характеристик используемых комплектующих. Здесь и далее в данной работе под понятием «дестабилизирующие факторы» будут иметься в виду электрические параметры узлов и блоков и их изменения в процессе работы, вызывающие искажение сигналов и отклонение от идеального режима работы.
Кроме того, важнейшим преимуществом ЦАР перед аналоговыми системами является возможность широкой цифровой обработки сигналов, и вышеозначенные дестабилизирующие факторы, бесспорно, будут оказывать негативное влияние на эффективность алгоритмов обработки сигналов использующихся в составе ЦАР.
В связи с вышеизложенным, в данной работе ставится задача провести исследование влияния подобных дестабилизирующих факторов на характеристики ЦАР, что позволит сократить время и стоимость всех последующих разработок в этой области.
Объектом диссертационного исследования являются цифровые антенные решетки.
Предметом диссертационного исследования являются дестабилизирующие факторы в цифровых антенных решетках.
Цель и задачи работы
Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию влияния дестабилизирующих факторов и разработке научно-технических решений направленных на повышение эффективности проектирования цифровых антенных решеток. Проверка проведенных ис-
следований на практике, а также выработка соответствующих рекомендаций по построению ЦАР.
В качестве критериев оценки влияния дестабилизирующих факторов выбраны такие параметры как величина подавления помех нулями диаграммы направленности и эффективность работы MUSIC-алгоритма определения направления прихода сигнала (MUSIC - Multiple Signal Classification; англ. - классификация множественных сигналов).
Поставленная цель достигается решением следующих основных задач:
выявление особенностей и ограничений в применении тех или иных устройств, составляющих компоненты ЦАР;
исследование влияния дестабилизирующих факторов аналоговой части ЦАР на диаграмму направленности решетки и производительность MUSIC алгоритма, при помощи математического моделирования;
исследование влияния дестабилизирующих факторов цифровой части ЦАР на диаграмму решетки и производительность MUSIC алгоритма, при помощи математического моделирования
- оценка параметров узлов и блоков системы цифрового диа-
граммообразования для достижения требуемых характеристик ЦАР;
практическая реализация прототипа цифровой антенной решетки, состоящая из двух этапов: проектирование 4-элементного модуля ЦАР; проектирование модульной 12-ти элементной решетки;
- экспериментальное исследование характеристик построенного
прототипа ЦАР.
Методы исследования
В качестве основных методов решения перечисленных выше задач в диссертации были приняты аналитические методы, численное моделирование и экспериментальная проверка основных результатов диссертационной работы на базе созданного опытного образца.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:
1. Впервые проведены исследования зависимости характеристик обнаружения и подавления сигналов в цифровой антенной решетке от параметров нелинейности используемых узлов и блоков. Обнаружение и определение направления прихода сигналов осуществлялось при по-
мощи MUSIC-алгоритма. Выявлена зависимость динамического диапазона системы от параметров нелинейности. Построена программная модель, разработаны рекомендации по определению требуемых параметров для достижения заданных характеристик ЦАР.
Впервые проведены исследования точности обнаружения и величины ошибки определения направления прихода сигналов от величины амплитудно-фазового разброса в цифровой антенной решетке, использующей MUSIC-алгоритм. Проведена оценка допустимого разброса на примере 12-ти элементной ЦАР. Разработана программная модель применение которой позволит оценить границы допустимого разброса для любой ЦАР с заданными параметрами обнаружения и подавления.
Впервые получены оценки влияния параметров дискретизации и квантования на возможности обнаружения и глубину подавления сигналов и помех. Впервые получены ограничения и выработаны рекомендации по применению аналого-цифровых преобразователей в составе цифровой антенной решетки.
Впервые исследована величина ошибки обнаружения ЦАР, использующей MUSIC алгоритм, при наличии погрешности ортогональности квадратурных составляющих сигнала.
Получены результаты практического применения разработанных методов оценки комплектующих канала на примере созданных экспериментальных образцов 4-х элементной и модульной многолучевой 12-ти элементной ЦАР диапазона 2,4 ГГц.
Достоверность результатов обеспечивается:
результатами математического моделирования влияния рассматриваемых дестабилизирующих факторов; успешной экспериментальной проверкой теоретических выводов и рекомендаций.
Практическая значимость. Принципы цифрового диаграммообра-зования могут дать дополнительные преимущества при формировании диаграммы направленности цифровой антенной решетки, что позволяет получить дополнительную степень свободы при разделении сигналов от нескольких источников или получить преимущества при подавлении помех путем управления "нулями" диаграммы направленности. Практическая значимость данной диссертационной работы заключается в возможности использования результатов проведенных исследований при
проектировании цифровых антенных решеток. Разработанные в процессе написания диссертационной работы программные модели позволяют в короткие сроки осуществить оценку требуемых параметров узлов и блоков, составляющих канал цифровой антенной решетки, для достижения заданных параметров обнаружения и подавления сигналов.
Реализация работы.
Результаты диссертационной работы внедрены на предприятии ОАО "РТИ им. А.Л. Минца" при выполнении составной части ОКР "Разработка программных модулей диаграммообразования и помехоза-щиты", а также внедрены в учебный процесс Московского института электронной техники, что подтверждается соответствующими Актами о внедрении.
Кроме того, основные результаты диссертации были использованы при выполнении следующих научно-исследовательских работ, а также вошли в состав научно-технических отчетов по данным НИР:
"Исследование возможностей создания аппаратно - программного комплекса сбора и передачи с высокой достоверностью телеметрической информации по радиоканалу" [17].
"Исследование возможности создания комплекса адаптивного приёма радиосигналов (КАП)" [18].
"Исследование принципов построения цифровых антенных решеток для систем передачи данных с множественным доступом " [19].
Создан экспериментальный образец модульной 12-ти элементной 10-тилучевой ЦАР, на примере создания которой прошли апробацию разработанные рекомендации по выбору комплектующих каналов цифровой антенной решетки.
Получен патент на полезную модель "Устройство множественного доступа с пространственным разделением пользователей" от 27 августа 2008 года №75898 [3].
На базе диссертационной работы построен спецкурс магистерской подготовки на кафедре МРТУС МИЭТ - "Адаптивные и цифровые антенные решетки", а также в рамках национального проекта «Образование» по данному курсу подготовлено к печати учебное пособие. Кроме того, теоретические результаты данной работы могут быть включены в качестве материала в учебные курсы "Антенно-фидерные устройства" и "Цифровая обработка сигналов".
На защиту выносятся следующие основные результаты работы:
Зависимость характеристик обнаружения сигналов и помех в цифровой антенной решетке от параметров нелинейности, используемых в канале узлов и блоков. Рекомендации по определению параметров нелинейных устройств в канале для достижения заданных характеристик обнаружения и подавления.
Оценка степени влияния амплитудно-фазового разброса на характеристики обнаружения и подавления помех в ЦАР.
Оценка влияния параметров аналого-цифрового преобразования сигналов на возможности обнаружения и подавления сигналов и помех.
Оценка ошибки обнаружения в результате погрешности ортогональности квадратур.
Результаты экспериментальной проверки полученных оценок, зависимостей и рекомендаций на примере построенного опытного образца цифровой антенной решетки.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на:
12-ой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и Информатика -2005" - Москва. МИЭТ, 2005г;
13-ой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и Информатика -2006"- Москва. МИЭТ, 2006г;
49-ой научной конференции МФТИ - Долгопрудный, МФТИ, 2006г.;
Всероссийском молодежном научно-инновационном конкурсе-конференции "Электроника - 2006" - Москва, МИЭТ, 2006г;
14-ой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и Информатика -2007" - Москва, МИЭТ, 2007г.;
13-ой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика -2007" - Москва, МЭИ, 2007г.;
50-ой научной конференции МФТИ "Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук" - Москва-Долгопрудный, 2007г.;
15-ой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и Информатика -2008"- Москва, МИЭТ, 2008г,
3-ем Международном радиоэлектронном форуме "Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития (МРФ-2008)" -Украина, г. Харьков, 2008г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 20 работ, в том числе 2 статьи в журналах перечня ВАК, патент на полезную модель и 5 научно-технических отчетов о выполнении НИОКР.
Личный вклад. Все выносимые на защиту результаты, составляющие основное содержание диссертационной работы, получены лично автором или при его непосредственном участии. Интерпретация основных научных результатов осуществлялась вместе с соавторами публикаций.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержание работы изложено на 168 страницах, включает 79 рисунков и 8 таблиц. Библиографический список литературы состоит из 118 наименований.
