Новости
09.05.2023
с Днём Победы!
07.03.2023
Поздравляем с Международным женским днем!
23.02.2023
Поздравляем с Днем защитника Отечества!
Оплата онлайн
При оплате онлайн будет
удержана комиссия 3,5-5,5%








Способ оплаты:

С банковской карты (3,5%)
Сбербанк онлайн (3,5%)
Со счета в Яндекс.Деньгах (5,5%)
Наличными через терминал (3,5%)

ВЫБОР ЧАСТОТ СИГНАЛОВ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ОТСУТСТВИЕ ИНТЕРМОДУЛЯЦИОННЫХ ПОМЕХ В СИСТЕМЕ С МДЧР

Авторы:
Город:
Москва
ВУЗ:
Дата:
27 февраля 2016г.

В работе показано, что выбором расстановки частот сигналов при многостанционном доступе с частотным разделением (МДЧР) можно обеспечить отсутствие продуктов интермодуляционных искажений в полосе частот полезных сигналов на выходе нелинейного ретранслятора.

Приведены количественные оценки влияния нелинейности УМ передатчика ретранслятора на правильность приема сигнала земной станцией, а также искажения спектра группового сигнала на выходе нелинейного усилителя с амплитудно-фазовой конверсией для случаев равномерной и неравномерной расстановок частот сигналов. В качестве метода исследования использовано имитационное моделирование.

Ключевые слова: усилитель мощности, амплитудно-фазовая конверсия, неравномерная расстановка частот сигналов, интермодуляционные искажения, сигнальные созвездия, вероятность битовой ошибки.

Введение.

Усилители мощности на  лампах бегущей волны (ЛБВ), используемые в передатчиках спутников- ретрансляторов, имеют нелинейную амплитудную характеристику (АХ) и неравномерную фазоамплитудную характеристику (ФАХ). Эта комплексная нелинейность приводит к появлению в спектре выходного сигнала усилителя составляющих на комбинационных частотах – интермодуляционных (ИМ)помех [1, 2]. При МДЧР интермодуляционные компоненты существенно «загрязняют» спектр группового сигнала на выходе УМ [3, 4].Когда ИМ составляющие попадают в главный лепесток спектра парциального сигнала, то возникают существенные искажения и ухудшается достоверность приема сигнала.

В статье рассмотрена задача выбора расстановок частот сигналов, при которых уменьшается влияние интермодуляционных помех на вероятность битовой ошибки на выходе демодулятора приемника земной станции при прямой ретрансляции. Произведен расчет частот сигналов с  учетом непопадания в главные  лепестки их спектров наиболее интенсивных ИМ составляющих 3-го и 5-го порядков. Метод исследования – имитационное цифровое моделирование тракта, состоящего из нелинейного усилителя группового сигнала 4ФМ в многочастотном (N = 5) режиме МДЧР и демодулятора приемника одного из сигналов 4ФМ.

Для аналитического описания нормированных нелинейных амплитудной и фазоамплитудной характеристик использованы выражения [3, 5]:




где r2 = Pвх/Pвх.нас, ar = 1,9638; br = 0,9945; af = 2,5293; bf = 2,8168.

По осям графика отложены входная и выходная мощности колебания, отнесенные к значениям мощности насыщения:Pвх/Pвх.нас (Input Power Back Off, IBO) иPвых/Pвых.нас (Output Power Back Off, OBO).

На Рисунке 1 показаны АХ усилителя (сплошная линия) и зависимости относительной суммарной мощности (OBO) усиленных сигналов от нормированной входной мощности (IBO).

По амплитудной характеристике УМ определяют точку IP1 (InterceptPoint 1storder), равную значению Рвх1дБ входной мощности, нормированной ко входной мощности Рвх нас насыщения, при котором в усилителе       из-за       амплитудной       компрессии коэффициент передачи снижается на 1 дБ по отношению к малосигнальному значению. В модели (1) точка IP1 соответствует значениюРвх1дБ/Рвх нас =IBO = минус 12 дБ.

В нелинейных УМ на ЛБВ наблюдается амплитудно-фазовая конверсия (АФК). При этом изменение огибающей входного группового сигнала, состоящего из N сигналов 4ФМ, вызывает изменение фазы каждого из этих сигналов на выходе УМ. Это означает, что при изменении уровня входного сигнала возникает их дополнительная фазовая модуляция. При изменении уровня входного сигнала от малого (режим линейного усиления) до сильного (режим насыщения) фаза сигнала на выходе ЛБВ изменяется от 0° до 60°… 80° [6].

На Рисунке 2 построены характеристики АМ/ФМ преобразования. Параметром является крутизна KАФК амплитудно-фазовой конверсии, определенная для IBO = минус 12 дБ, в точке IP1.

Выбор расстановки частот сигналов В статье показано, что выбором расстановки частот сигналов при МДЧР обеспечиваются минимальные значения интермодуляционных искажений в полосе частот ствола нелинейного РТР, занятой спектрами полезных сигналов, между которыми имеются защитные промежутки.

Для заданных числовых значений параметров спутниковой системы связи (количество сигналов N; нижняя граница полосы ствола РТР fнижн, верхняя граница полосы ствола РТР fверх) рассмотрены ИМ



На Рисунке 3 схематично изображена полоса ствола ретранслятора. В работе рассматриваются сигналы4ФМ. Вблизи центральных частот спектров сигналов выделены интервалы шириной R (R-битовая скорость передачи), которые определяют область частот, занимаемую главным лепестком их спектра (на Рисунке 3 главный лепесток спектра сигнала 4ФМ обозначен заштрихованным прямоугольником). Интермодуляционные компоненты располагаются как за пределами полосы ствола, так и внутри нее, причем наиболее опасный случай – это попадание их в главный лепесток спектра сигнала.




В работе считается, что ИМ искажения в спектре каждого полезного сигнала на выходе НУ отсутствуют, если ни одна интермодуляционная составляющая не попадает в главные лепестки спектров сигналов.

Рассмотрим результаты решения задачи для конкретных значений параметров системы связи: N = 5; fнижн = 850 МГц, fверх= 932 МГц.


Частота ИМ составляющей в (2) и (3) записана как fnb, где n = 3 для составляющей 3-го порядка;n = 5 для составляющей 5-го порядка; b – порядковый номер составляющей в (2) и (3).Для n = 3 b= 1, 2; для n = 5 b= 1, …, 6.


Только часть этих составляющих попадает в полосу ствола (fнижн, fверх), однако решающее влияние на достоверность переданной информации оказывают те ИМ составляющие, которые попадают в полосу полезного сигнала.

 Результаты расчета числа ИМ компонент в пределах главных лепестков спектров сигналов

1)   для равномерной расстановки частот.

Расположим пять сигналов равномерно в полосе ретранслятора, равной П = ( fнижн-fверх) = 82 МГц. Пример расстановки частот сигналов:

 

fравн = [851; 871; 891; 911; 931] МГц.                                                                       (5)

 

Все комбинационные компоненты, рассчитанные по (2) и (3) и попадающие в полосу ствола ретранслятора, совпадают с частотой одного из сигналов. Количество этих компонент записано в Табл.1 (Dfсi- полоса частот, занимаемая главным лепестком спектра i-го полезного сигнала).

Таблица 1 Количество комбинационных компонент в полосах сигналов Dfсi(i =1,5 ) при равномерной расстановке (5)

fci \ fnb

fс1

fс2

fс3

fс4

fс5

Всего

 

в стволе

f31

2

4

4

4

2

16

f32

2

1

2

1

2

8

f51

1

1

0

1

1

4

f52

1

2

2

2

1

8

f53

4

2

6

2

4

18

f54

5

7

2

7

5

26

f55

2

2

0

2

2

8

f56

2

1

1

1

1

6

Всего в полосе i-го сигнала Dfсi

19

20

17

20

18

При использовании равномерной расстановки (5) получаем, что в полосы частот Dfсi полезных сигналов попадает всего 24 компоненты 3-го порядка и 70 компонент 5-го порядка.

1)   для неравномерной расстановки частот.

Расчет числа комбинационных компонент производился с помощью разработанной аспирантом программы [7, 8], выполняющей перебор возможных значений частот ИМ компонент и отсеивающий частоты, не попадающие в полосу ствола ретранслятора. В результате отбора получено множество расстановок несущих частот сигналов. Один пример приведен ниже:

fнеравн = [851; 853; 864; 911; 931] МГц.                                                                     (6)

 

Заметим, что в примерах расстановок частот (5) и (6) три значения совпадают (выделено жирным).

При выборе частот полезных сигналов в первую очередь нужно стремиться уменьшить количество продуктов ИМ третьего и пятого порядков, так как их интенсивность больше интенсивности остальных компонент (Табл.2).

 

Таблица 2 Количество комбинационных компонент в полосах сигналов Dfсi при неравномерной расстановке (6)

fci\ fnb

fс1

fс2

fс3

fс4

fс5

Всего

 

в стволе

f31

0

0

0

0

0

0

f32

0

0

0

0

0

0

f51

0

0

0

0

0

0

f52

0

0

0

0

0

0

f53

0

0

0

0

0

0

f54

0

0

0

0

0

0

f55

0

0

0

0

0

0

f56

0

0

0

0

0

0

Всего в полосе i-го сигнала Dfсi

0

0

0

0

0

Показано, что при использовании неравномерных расстановок частот, предложенных автором, например (6), можно исключить попадание ИМ компонент 3-го и 5-го порядков в полосы частот полезных сигналовDfсi.

Искажения спектра группового сигнала 4ФМ на выходе усилителя с комплексной нелинейностью


В ряде работ, например, [3, 4], дана количественная оценка уровня интермодуляционных искажений на выходе нелинейного УМ при наличии одного или двух сигналов на входе усилителя. В статье [9] рассчитаны аналогичные характеристики для многосигнального режима. Ниже приведены оценки искажения спектра группового сигнала(N> 2) с модуляцией 4ФМна выходе нелинейного УМ с АФК.

На Рисунке 4построены спектры сигнала на выходе УМ для многосигнального режима (N=5) и выбранных равномерной (5) и неравномерной (6) расстановок частот fi сигналов при работе УМ в точках IBO = –12 дБ и IBO = 0 дБ, в отсутствие АФК (KАФК = 0) и при KАФК = 15°/дБ.







Моделирование показало, что ИМ составляющие возникают на рассчитанных частотах; подтверждено, что при равномерной расстановке часть ИМ 3-го и 5-го порядков попадают в главные лепестки спектров сигналов, при неравномерной расстановке (6) эти ИМ составляющие не попадают в спектр сигнала.

Результаты моделирования также показали, что при увеличении мощности группового сигнала на входе УМ спектр на выходе усилителя при наличии АФК существенно расширяется при равномерной и неравномерной расстановках частот сигналов [10].

Влияние комплексной нелинейности УМ передатчика РТР на вероятность битовой ошибки на выходе демодулятора приемника земной станции

Поясним постановку задачи. На вход спутникового ретранслятора в системе с МДЧР поступают N= 5

равномощных независимых сигналов  4ФМ. После усиления  в бортовом нелинейном УМ групповой сигнал излучается бортовой антенной в направлении земных станций, каждая из которых принимает один сигнал si(t) из группового. Оцениваются искажения последовательности бит на выходе демодулятора приемника при равномерной (5) и неравномерной (6) расстановках частот сигналов 4ФМ.



На модели рассчитаны зависимости вероятности битовой ошибки Рош от отношения Eb/N0 (Рисунок 5) для расстановок частот (5) и (6). Мощности входного сигнала приемника и ИМ искажений определены тем, что групповой сигнал в нелинейном УМ ретранслятора усиливается в точке IP1.

Результаты моделирования (Рисунок 5) показали, что

1)          при     неравномерной     расстановке    частот сигналов  вероятностьошибкиРош    меньше,  чем  при равномерной;

2)    при фиксированном значении отношения Eb/N0 при увеличении KАФК вероятность ошибки Рош становится больше. При увеличении KАФК выигрыш за счет использования неравномерной расстановки частот увеличивается.

На Рисунке 6 построены зависимости вероятности ошибки Рош на выходе демодулятора приемника одного из ретранслированных сигналов 4ФМ при равномерной и неравномерной расстановках частот от IBO.

  Изменение значения IBO мощности группового входного сигнала нелинейного УМ РТР достигалось изменением рабочей точки на нелинейной характеристике УМ. Параметром зависимостей является KАФК. Спектральная плотность мощности шума N0 выбрана такой, чтобы обеспечить значение Eb/N0 = 9 дБ на входе демодулятора приемника при работе УМ РТР в точке IP1.

Из графиков на рис. 6видно, что при увеличении IBO и работе УМ РТР в малосигнальном режиме вероятность ошибки Рош уменьшается (за счет увеличения мощности принятого сигнала). При дальнейшем увеличении IBOвероятность ошибки начинает возрастать, так как увеличивается мощность ИМ составляющих, при этом мощность группового сигнала немного падает. Показано, что зависимости имеют ярко выраженный минимум, значение которого существенно зависит как от параметра KАФК, так и от равномерности расстановки частот сигналов. При неравномерной расстановке частот минимальная вероятность Рошmin = 7·10–4 может быть достигнута при усилении группового сигнала в точке OBO = IP1 + 2 дБ, при равномерной расстановке частот большее значение минимальной вероятности Рошmin = 2·10–3получена при усилении группового сигнала в точке OBO = IP1.Оба результата получены при использовании УМ сKАФК = 9°/дБ. Интересно, что при неравномерной расстановке частот сигналов можно получить вероятность Рошmin = 10–4 при выборе рабочей точки УМ РТР OBO = IP1 + (4…7) дБ, близкой к режиму насыщения УМ с KАФК = 6°/дБ.



Аналогичные значения для равномерной расстановки частот: минимальная вероятность Рошmin  = 3·10–4;рабочая точка УМ РТР OBO = IP1 + (2…4) дБ;KАФК = 6°/дБ. Выводы.

Показано, что при использовании неравномерной, специально подобранной расстановки частот сигналов, одновременно усиливаемых в бортовом нелинейном УМ при прямой ретрансляции, можно существенно улучшить качество приема каждого  сигнала. Важным показателем  качества, по  которому должно  оцениваться качество работы УМ ретранслятора, является вероятность битовой ошибки на выходе демодулятора приемника земной станции. Результаты моделирования показали, что при неравномерной расстановке частот сигналов можно достичь меньших значений вероятностей ошибок в приемнике, чем при равномерной. При этом УМ РТР может работать в режиме, близком к насыщению. Показано, что АФК оказывает большее влияние на величину Рошmin, чем равномерность расстановки частот сигналов. При неравномерной расстановке частот можно использовать существенно нелинейный режим УМ РТР,  если на входе приемника земной станции отношение  сигнал-шум достаточно велико (Eb/N0> 8 дБ) и коэффициент АФК УМ РТР, не превышает KАФК = 6°/дБ.

Список литературы

1.      Попандопуло П.Г. Экспериментальные  исследования работы ЛБВ при одновременном  усилении двух сигналов. //Электроника СВЧ.1972. № 1. С. 58-69.

2.      Левин Ю.И., Трубецков Д.И. Анализ двухчастотного режима работы ЛБВМ при близких частотах. //Электронная техника, сер. 1, Электроника СВЧ.1975. № 2.С. 117.

3.      Белов Л.А., Рожков В.М., Челноков О.А., Филиных Д.А. Анализ нелинейных искажений сигналов в усилителях мощности на лампах бегущей волны. //Вестник МЭИ. 2009. № 1.С. 43-48.

4.      Белов Л.А., Рожков В.М., Карутин А.Н., Кондрашов А.С., Челноков О.А. Искажения фазоманипулированных сигналов СВЧ в усилителях мощности. //Вестник МЭИ. 2013.№ 3.С. 122-126.

5.      Saleh A.A.M., Frequency-Independentand Frequency-Dependent Nonlinear Models of TWT Amplifiers. //IEEE Transactionson Communications.1981.Vol. COM-29. № 11.P.1715–1720.

6.      Спилкер Дж. Цифровая спутниковая связь. Пер. с англ. /под ред. В.В. Маркова. М.: Связь, 1979.С. 592.

7.      Сизякова А.Ю., Лыу Хай Нам. Программа аппроксимации комплексных характеристик СВЧ усилителей и выбора нехудших вариантов, удовлетворяющих системе критериальных неравенств. – Рез. инт деятельности. Номер регистрации (свидетельства) RU 2014616752.Дата регистрации: 03.07.2014.

8.      Лыу Хай Нам, Сизякова А.Ю. Программа оптимального выбора частот сигналов системы с МДЧР, обеспечивающего отсутствие интермодуляционных помех в полосе ствола нелинейного ретранслятора. – Рез.инт деятельности. (нарегистрации), 2015.

9.      Сизякова А.Ю., Лыу Хай Нам. Оценки мощности интермодуляционных составляющих радиосигнала на выходе нелинейного усилителя при точной аппроксимации его характеристики. //Международный научный журнал. 2014. № 4. С. 74-81.

10.   Сизякова А.Ю., Лыу Хай Нам. Уменьшение достоверности приема ретранслированного сигнала 4ФМ в спутниковой системе передачи информации. //Вестник МЭИ. 2015. В печати.