На правах рукописи

Орешкин Виталий Иванович

Оценка степени влияния дестабилизирующих

факторов на характеристики цифровой антенной

решетки

Специальность 05.12.07 Антенны, СВЧ-устройства и их технологии"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2009

Работа выполнена на кафедре "Микроэлектронные радиотехнические устройства и системы" Московского государственного института электронной техники (Технического университета).

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, доцент МИЭТ Лялин Константин Сергеевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, Ефимов Андрей Геннадиевич кандидат технических наук, доцент МФТИ Чубинский Николай Петрович

Ведущая организация: ООО "НИИ "Компонент"

Защита состоится _ 2009 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 850.012.01 ГУП НПЦ “СПУРТ” по адресу: 124460, г. Москва, Зеленоград, 1-й Западный проезд, д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП НПЦ “СПУРТ”.

Автореферат разослан "" 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к. т. н., с.н.с. Петров В.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 c 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 которой 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 научнотехнических решений направленных на повышение эффективности проектирования цифровых антенных решеток. Проверка проведенных исследований 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 MUSICалгоритма 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 диаграммообразования 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 помощи MUSIC-алгоритма. Выявлена зависимость динамического диапазона системы от параметров нелинейности. Построена программная модель, разработаны рекомендации по определению требуемых параметров для достижения заданных характеристик ЦАР.

2. 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.

3. 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.

4. Впервые исследована величина ошибки обнаружения ЦАР, использующей MUSIC алгоритм, при наличии погрешности ортогональности квадратурных составляющих сигнала.

5. 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 Практическая значимость. Принципы цифрового диаграммообразования 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 помехозащиты", 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:

1. 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.

2. Оценка степени влияния амплитудно-фазового разброса на характеристики обнаружения и подавления помех в ЦАР.

3. Оценка влияния параметров аналого-цифрового преобразования сигналов на возможности обнаружения и подавления сигналов и помех.

4. Оценка ошибки обнаружения в результате погрешности ортогональности квадратур.

5. 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 Москва. МИЭТ, 2005г;

- 13-ой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов “Микроэлектроника и Информатика Москва. МИЭТ, 2006г;

- 49-ой научной конференции МФТИ – Долгопрудный, МФТИ, 2006г.;

- Всероссийском молодежном научно-инновационном конкурсеконференции "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 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 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.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проведенных исследований, сформулированы цель и основные задачи диссертационной работы, дана общая характеристика предмета исследований и кратко изложено содержание работы.

В первой главе представлен обзор существующих разработок по тематике проектирования цифровых антенных решеток. Представлены проекты интеллектуальных антенн разрабатываемых во множестве технически развитых стран и международных исследовательских групп. Из приведенного обзора видно, что большинство систем подобного рода носит исследовательский характер, так как данная научно-техническая область находится на стадии становления и имеет множество нерешенных научно-исследовательских задач. Решению одной из таких задач посвящена данная диссертационная работа. Критериями оценки степени влияния дестабилизирующих факторов на характеристики цифровой антенной решетки выбраны показатели обнаружения и подавления сигналов и помех.

Моделирование диаграммы направленности решетки осуществляется в соответствии с известной формулой:

Автор считает возможным допущение о постоянной в среднем крутизне нулей диаграммы направленности при реализации подавления вне главного лепестка решетки.

Реализация подавления помехи попадающей в главный лепесток решетки осуществляется методом "нелинейной системы" [2].

В качестве метода обнаружения сигналов и определения направления их прихода используется широко известный и весьма перспективный алгоритм MUSIC. Работа данного алгоритма основана на геометрическом подходе к проблеме определения параметров приходящего сигнала. Используя понятия сигнального и шумового пространства, алгоритм после ряда матричных вычислений определяет автокорреляционную матрицу пришедших сигналов После сортировки которой вычисляется матрица Vn, содержащая шумовые векторы, и строится пространственный спектр MUSIC алгоритма:

Анализируя полученный пространственный спектр определяется количество обнаруженных сигналов и направление их прихода.

Вторая глава посвящена исследованию степени влияния дестабилизирующих факторов аналоговой части канала ЦАР на ее характеристики. В качестве основных дестабилизирующих факторов рассматриваются проявления нелинейности при аналоговой обработке сигналов и амплитудно-фазовый разброс между каналами ЦАР. Исследование проводится на примере 10-ти лучевой 12-ти элементной цифровой антенной решетки. Обнаружение и определение направления на сигналы осуществляется при помощи MUSIC-алгоритма, подавление осуществляется путем "вырезания" направления прихода помехи одним из минимумов диаграммы направленности.

Детальное рассмотрение аналоговой части канала ЦАР сводится к изучению влияния на сигнал основных блоков аналоговой обработки.

В зависимости от концепции реализуемой ЦАР аналоговая часть канала может значительно различаться по содержанию. С дальнейшим развитием технологий производства микроэлектронных устройств ЦАР все больше будет приближаться к структурной схеме с минимальной аналоговой обработкой сигнала, однако усилитель мощности или малошумящий усилитель, так же как и АЦП/ЦАП, останутся неотъемлемой частью канала любой ЦАР.

В данной работе к рассмотрению, на предмет проявления нелинейных искажений сигнала и генерации интермодуляционных составляющих, принят обязательный элемент аналоговой части любой ЦАР – усилитель. В случае приемной системы – малошумящий усилитель. Полученные в результате исследования результаты можно распространить на любые нелинейные элементы системы, например, смеситель. Все остальные устройства рассматриваются как линейные и описываются только суммарно вносимым амплитудно-фазовым разбросом между каналами.

Наличие нелинейного устройства в канале ведет к появлению интермодуляционных составляющих. Особый интерес представляют интермодуляционные составляющие 3-го порядка. В результате проведенных исследований было выявлено, что MUSIC алгоритм определяет интермодуляционные составляющие, при превышении ими шумового порога, как сигналы (рис. 1).

Ситуация проявления ложного обнаружения наглядно проиллюстрирована на рисунке 2. На рисунке изображена нелинейная характеристика усиления (штрих-пунктир), линейная аппроксимация этой характеристики и характер роста интермодуляционных составляющих третьего порядка (штрих). Нелинейная характеристика устройства моделируется функцией гиперболического тангенса Как видно из рисунка, интермодуляционные составляющие могут превысить шумовой порог до достижения точки компрессии, поэтому важной задачей при проектировании цифровой антенной решетки является правильный выбор нелинейных комплектующих канала, исходя из заданных параметров ЦАР.

Рис. 1 – Пространственный спектр MUSIC алгоритма при превышении интермодуляционными составляющими порога сортировки Избежать проблемы ложного обнаружения можно правильным выбором усилителей (или других нелинейных устройств) опираясь на их показатели нелинейности.

где S – заданная чувствительность, Кш – коэффициент шума в канале, Кус – коэффициент усиления и SFDR – требуемый динамический диапазон системы с учетом количества сигналов.

Кроме того, доработкой программного обеспечения можно добиться адаптивного изменения порога сортировки, что позволит при поступлении мощного сигнала отсечь интермодуляционные искажения и избежать ложного обнаружения. К сожалению, это повлечет сокращение динамического диапазона и необнаружение слабых сигналов.

Таким образом, в результате проведенных исследований можно сделать вывод о том, что если в ЦАР подразумевается использование MUSIC алгоритма, то при проектировании необходимо обратить особое внимание на показатели нелинейности усилителей в каналах ЦАР. Требование увеличения динамического диапазона системы на некоторую величину в децибелах потребует полуторного увеличения параметра OIP3 нелинейного устройства (усилитель, смеситель) относительно увеличения динамического диапазона.

Также были проведены исследования влияния амплитуднофазового разброса в каналах ЦАР на характеристики обнаружения и подавления сигналов на примере 12-ти элементной решетки. Оценка вероятности необнаружения проводилась согласно формуле где Li – количество пропущенных сигналов в каждом из опытов, M – общее количество сигналов, N – количество проведенных опытов.

Исследования показали, что MUSIC алгоритм в составе цифровой антенной решетки даже при значительном амплитудно-фазовом разбросе обеспечивает довольно неплохие показатели обнаружения, достаточные для адекватного управления главным лучом антенной системы. Однако для достижения глубокого подавления помех нулями диаграммы направленности необходима гораздо большая точность определения направления прихода сигналов, что предъявляет высокие требования к минимизации амплитудно-фазового разброса.

Оценку допустимого амплитудно-фазового разброса, а, следовательно, требуемой точности определения можно осуществить для любой решетки при помощи численных методов. Для этого нужно решить следующие математические выражения. Допустимая ошибка для решетки с количеством элементов N равна:

где i F 1 ( ), F – функция диаграммы направленности, – минимальное допустимое подавление помехи.

Также во второй главе представлена предлагаемая схема калибровки для компенсации амплитудно-фазового разброса. Описана найденная зависимость ошибки определения направления прихода помехи от ее мощности, что позволяет говорить о глубоком подавлении более мощных помех.

Таким образом, поставленную задачу исследования дестабилизирующих факторов аналоговой части канала ЦАР можно считать решенной.

Третья глава посвящена исследованию дестабилизирующих факторов цифровой части канала ЦАР. Проведенные исследования дали наглядную оценку степени влияния дестабилизирующих факторов вносимых цифровой частью канала ЦАР на характеристики обнаружения и подавления сигналов и помех.

Проведенные исследования позволили оценить требования, предъявляемые к производительности аналого-цифровых преобразователей, показали крайне негативное влияние недостаточной разрядности АЦП на характеристики обнаружения MUSIC алгоритма. Зависимость вероятности необнаружения сигналов от разрядности носит практически пороговый характер. На рисунке 3 представлен график зависимости результатов моделирования 10-ти лучевой 12-ти элементной цифровой антенной решетки. При достижении необходимой разрядности, исходя из условий заданного динамического диапазона, ошибка обнаружения практически нулевая. Кроме того, из представленного графика видно, что увеличение частоты дискретизации слабо сказывается на улучшении показателей обнаружения.

Вероятность необнаружения, % Кроме того, в третьей главе представлены исследования глубины подавления помех нулями диаграммы направленности в зависимости от разрядности аналого-цифровых преобразователей. Представлены исследования глубины подавления, в том числе и для помех, попадающих в главный лепесток диаграммы. По результатам исследований для получения стабильного подавления вне главного лепестка не менее 30 дБ, минимальная необходимая разрядность должна быть не менее 5 бит.

Влияние дискретизации сигнала на диаграмму направленности решетки проиллюстрировано на рисунке 4.

Также рассмотрены варианты реализации схемы разделения квадратур, их плюсы и минусы. Проведена оценка влияния ошибки обнаружения вследствие наличия погрешности ортогональности квадратур сигнала. Вследствие фазовой ошибки при разделении квадратур, квадратурная составляющая Q не ортогональна составляющей I и сигнал s(t0) раскладывается как что приведет к ошибкам в представлении сигнала. Данную ошибку можно рассматривать как неустранимый амплитудно-фазовый разброс в каналах, что приведет ошибкам обнаружения и подавления.

Коэффициент усиления решетки, дБ Для одной из доступных в настоящее время и самых простых в реализации структур канала ЦАР – структуры "прямого преобразования", современная элементная база позволяет получить погрешность ортогональности квадратур не более 3 градусов. Подобная погрешность ведет к численным ошибкам в комплексном представлении значений сигнала. Ошибка комплексных амплитуды и фазы сигналов, вследствие погрешности ортогональности квадратур, и возникающие ошибки обнаружения представлена в таблице 1. Также в таблице указана ошибка в определении направления прихода для 10-ти лучевой 12-ти элементной решетки вследствие неортогональности квадратур. Вероятность пропуска в силу малых значения ошибки равна нулю.

С точки зрения уменьшения этой ошибки предпочтительнее использовать схему канала с дискретизацией сигнала на промежуточной частоте с последующим разделением квадратур уже в цифровом виде.

Применение различных алгоритмов цифровой обработки сигнала для реализации разделения, например CORDIC, тоже может внести упомянутую ошибку, но в случае цифровой реализации ошибка будет на порядки меньше. Однако подобный подход потребует применения высокопроизводительных аналого-цифровых преобразователей и цифровых вычислителей, что для сигналов высокой частоты (СВЧ диапазон и выше) на данный момент является весьма труднодостижимым. С дальнейшим развитием цифровых микроэлектронных устройств реализация подобных схем станет значительно проще.

Таблица 1 – Искажения сигнала и ошибка определения направления, вследствие фазовой ошибки квадратур.

Ошибка амплитуды, % Ошибка фазы, направления, В четвертой главе диссертационной работы описана экспериментальная проверка результатов проведенных исследований и разработанных рекомендаций на примере реализации опытного образца 10-ти лучевой 12-ти элементной цифровой антенной решетки.

В начале главы приведено описание разработанных программных моделей, применение которых дает возможность оценки необходимых параметров узлов и блоков комплектующих ЦАР для достижения заданных характеристик. Представлены модели влияния дестабилизирующих факторов на параметры обнаружения и параметры подавления сигналов и помех в ЦАР. Представлен возможный в перспективе графический интерфейс моделей для более удобного использования.

Далее описан процесс разработки опытного образца цифровой антенной решетки. Проектирование излучающего элемента и антенного полотна решетки, разработка блоков аналоговой и цифровой обработки, проектирование блока преобразование частоты вверх. Представлены структурные схемы и топологии разработанных печатных плат. Блок преобразования частоты вверх предусмотрен с целью обеспечения универсальности и самостоятельности проектируемой системы, как антенны.

Отличительной особенностью разработанного блока является обеспечение модульности созданного экспериментального образца ЦАР, что позволяет при необходимости изменять количество элементов решетки посредством объединения различного числа модулей, в зависимости от назначения. Модульность обеспечивается за счет выбранной схемы реализации, при которой решетка разбивается на независимые функциональные узлы. На рис.5 представлен внешний вид антенны.

Также в четвертой главе представлены экспериментальные результаты измерений созданного опытного образца, наиболее интересными из которых являются: эффективность определения направления прихода сигналов в отсутствии процедуры калибровки, степень соответствия сформированных диаграмм результатам моделирования, эффективность работы метода "нелинейной системы" до и после калибровки каналов.

Рис.5. Внешний вид экспериментального образца ЦАР Созданный макет позволяет получить подавление помехи на 20дБ для 12-ти элементной решетки. Система калибровки позволяет практически полностью, с точностью до 0,2 дБ по амплитуде и 1-2 градусов по фазе, избавиться от амплитудно-фазового разброса. Ошибка определения направления прихода сигнала до калибровки составляет 1градуса, пропуск сигнала вследствие некалиброванного амплитуднофазового разброса составляет примерно 10%. Анализ экспериментальных результатов, представленных в данной главе, показывает, что они практически полностью совпадают с результатами математического моделирования, а также, что разработанные модели весьма эффективны для оценки параметров проектируемой цифровой антенной решетки.

Таким образом, цели и задачи, сформулированные во введении к рассматриваемой диссертации, полностью достигнуты, и данная работа является методологически завершенной.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы, определена практическая значимость и дана краткая характеристика всей работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Ниже приведены основные результаты диссертационной работы:

1. По результатам исследований степени влияния нелинейности устройств в канале на эффективность обнаружения сигналов в ЦАР, установлено, что появление интермодуляционных составляющих, превышающих шумовой порог, приводит к ошибкам обнаружения. Предложен метод расчета требуемых характеристик комплектующих, исходя из заданного динамического диапазона; найдена качественная зависимость динамического диапазона системы от показателей нелинейности OIP3; установлено, что увеличение динамического диапазона системы на некоторую величину в децибелах требует полуторного увеличения параметра OIP3 нелинейных устройств относительно увеличения динамического диапазона.

2. Проведено исследование влияния амплитудно-фазового разброса на характеристики обнаружения и получена оценка величины ошибки обнаружения и ошибки определения направления прихода в зависимости от величины амплитудно-фазового разброса. На примере 12-ти элементной цифровой антенной решетки показано, что наличие амплитудно-фазового разброса величиной в 1 дБ по амплитуде и 10 градусов по фазе дает ошибку обнаружения 1% и ошибку определения направления 0,7 градусов. Величина ошибки определения направления прихода сигнала несущественна по сравнению с шириной главного лепестка, однако значительна в случае подавления обнаруженного сигнала "нулем" диаграммы. Разработана программная модель, позволяющая оценить характеристики обнаружения ЦАР с любым количеством элементов и сигналов в зависимости от заданных пределов разброса.

3. Разработана программная модель, оценивающая зависимость характеристик подавления нежелательных сигналов от амплитуднофазового разброса. На примере 12-ти элементной ЦАР представлены результаты моделирования упомянутой зависимости. Описан способ комплексной оценки глубины подавления помех в ЦАР от амплитуднофазового разброса, с учетом искажения диаграммы направленности и ошибок определения направления прихода при обнаружении сигналов.

Например, требование подавления помех -30 дБ в 12-ти элементной решетке ограничивает допустимый амплитудно-фазовый разброс до значений 0,2 дБ по амплитуде и 2 градуса по фазе.

4. Построена программная модель формирования диаграммы направленности решетки в зависимости от параметров АЦП. Полученные результаты на примере 12-ти элементной решетки показывают, что для получения стабильного подавления не менее 30 дБ необходимо не менее 5 разрядов АЦП.

5 Исследовано влияние фазовой ошибки квадратур при использовании метода "прямого преобразования". Построена зависимость амплитудно-фазовой ошибки в зависимости от неортогональности квадратур, для фазовой ошибки квадратур 3 градуса ошибка комплексной амплитуды сигнала составляет ~ 2,6 %, фазовая ошибка сигнала составляет 1,5 градуса.

6. Реализован опытный образец 10-ти лучевой 12-ти элементной ЦАР с возможностью поиска и пространственного разделения сигналов.

Создание прототипа с применением результатов проведенных исследований можно рассматривать как экспериментальную проверку полученных оценок, зависимостей и рекомендаций. Произведен ряд измерений созданного макета, полученные экспериментальные результаты с высокой точностью подтверждают результаты моделирования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

1. Лялин К.С., Орешкин В.И., Чиркунова Ж.В. Особенности проектирования цифровых антенных решеток // Изв. ВУЗов, "Электроника", №4, М., 2008г. - С.36 -41.

2. Лялин К.С., Орешкин В.И., Чиркунова Ж.В. Исследование алгоритма множественного доступа с пространственным разделением каналов в системе с цифровой антенной решеткой // Изв. ВУЗов, "Электроника", №6, М., 2008г. - С.52-57.

3. Чистюхин В.В., Лялин К.С., Кочетков В.Ю., Орешкин В.И., Чиркунова Ж.В. Устройство множественного доступа с пространственным разделением пользователей // Патент на полезную модель: Заявка №2008112569, приоритет полезной модели 03 апреля 2008г. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей РФ 27 августа 2008г. №75898.

4. Лялин К.С., Орешкин В.И. Вопросы построения цифровых антенных решеток // Системный анализ и информационноуправляющие системы: Сборник научных трудов МИЭТ под редакцией д.т.н., профессора В.А. Бархоткина - М.: МИЭТ, 2006 г. С.79-87.

5. Чистюхин В.В., Лялин К.С., Орешкин В.И., Чиркунова Ж.В.

Исследование возможности создания аппаратно-программного комплекса передачи телеметрической информации // Моделирование, алгоритмизация и программирование при проектировании информационно-управляющих систем: Сборник научных трудов МИЭТ под редакцией д.т.н., профессора В.А. Бархоткина - М.:

МИЭТ, 2008. - С.52-60.

6. Чистюхин В.В., Лялин К.С., Орешкин В.И., Чиркунова Ж.В.

Проектирование 10-тилучевой цифровой антенной решетки // Моделирование, алгоритмизация и программирование при проектировании информационно-управляющих систем: Сборник научных трудов МИЭТ под редакцией д.т.н., профессора В.А. Бархоткина – М.: МИЭТ, 2008. - С.61-68.

7. Орешкин В.И. Исследование вопросов цифрового диаграммообразования // 12-я Всероссийская межвузовская научнотехническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и Информатика – 2005": Тез. докл. - М., МИЭТ, 2005. С.320.

8. Орешкин В.И., Чиркунова Ж.В. Подпространственные методы определения направления прихода сигнала в цифровых антенных решетках // 13-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и Информатика – 2006": Тез. докл. - М., МИЭТ, 2006. - С.296.

9. Орешкин В.И. Исследование вопросов пространственного подавления помехи // 49-ая научная конференция МФТИ. Сборник трудов конференции:

- М., МФТИ, 2006. - Ч.8 - С.70.

10. Лялин К.С., Орешкин В.И., Чиркунова Ж.В. Реализация множественного доступа путем использования пространственного разделения каналов на базе многолучевой цифровой антенной решетки // Всероссийский молодежный научно-инновационный конкурсконференция "Электроника - 2006":

- М., МИЭТ, 2006. - С.68.

11. Орешкин В.И., Чиркунова Ж.В. Исследование вопросов построения многолучевых цифровых антенных решеток для создания беспроводных сетей связи // 14-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и Информатика - 2007":

- М., МИЭТ, 2007. - С.316.

12. Орешкин В.И. Исследование вопросов построения цифровых антенных решеток // 13-я международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика - 2007":

- М., МЭИ, 2007. - С.97-99.

13. Орешкин В.И. Исследование возможности реализации аппаратнопрограммного комплекса (АПК) сбора телеметрической информации // 50-ая научная конференция МФТИ "Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук":

- М.Долгопрудный, 2007. - С.35-36.

14. Орешкин В.И., Чиркунова Ж.В. Комплекс адаптивного приема на базе десятилучевой цифровой антенной решетки // 15-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и Информатика - 2008": М., МИЭТ, 2008г. С.247.

15. Чистюхин В.В., Лялин К.С., Орешкин В.И., Чиркунова Ж.В.

Проектирование модульной 10-лучевой цифровой антенной решетки // 3-ий Международный радиоэлектронный форум "Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития (МРФ-2008)" – Украина, г. Харьков, 2008. - Т.1. - Ч.2. - С.59-62.

16. Чистюхин В.В., Сизов В.И., Лялин К.С., Орешкин В.И., Чиркунова Ж.В., Викторов Ю.С. Исследование проблем построения и реализации скрытных беспроводных локальных сетей // Отчет о НИР, госрегистрация № 01200315253, М., МИЭТ, 2005. - 224 с.

17. Чистюхин В.В., Лялин К.С., Орешкин В.И., Чиркунова Ж.В., Меркулов С.С. Исследование возможностей создания аппаратно программного комплекса сбора и передачи с высокой достоверностью телеметрической информации по радиоканалу // Отчет о НИР, госрегистрация № У88683, М., МИЭТ, 2007. - 201 с.

18. Чистюхин В.В., Лялин К.С., Орешкин В.И., Бахвалова С.А., Чиркунова Ж.В., Меркулов С.С. Исследование возможности создания комплекса адаптивного приёма радиосигналов (КАП) // Отчет о НИР, госрегистрация № У88871,М., МИЭТ, 2007. - 49 с.

19. Чистюхин В.В., Лялин К.С., Орешкин В.И., Чиркунова Ж.В., Меркулов С.С. Исследование принципов построения цифровых антенных решеток для систем передачи данных с множественным доступом // Отчет о НИР, госрегистрация № 01200511441, М., МИЭТ, 2007. - 95 с.

20. Чистюхин В.В., Лялин К.С., Орешкин В.И., Чиркунова Ж.В.

Разработка программного модуля диаграммообразования и помехозащиты // Отчет о СЧ ОКР, госрегистрация У90473, М., МИЭТ, Подписано в печать:

Заказ № Тираж экз. Уч.-изд.л. Формат 60х84 1/16.

Отпечатано в типографии МИЭТ.

124498, Москва, МИЭТ.