CC BY
32Решетневские чтения. 2014
Библиографическая ссылка Reference
1. Тимошенко С. П., Гудьер Дж. Теория упругости. 1. Timoshenko S. P., Gud'er Dzh. Teorija uprugosti М. : Наука, 1975. 576 с. [Elasticity theory]. M. : Nauka, 1975. 576 p.
© Сабиров Р. А., 2014
УДК 629.7.013.5
АНАЛИЗ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ СИГНАЛОВ В УСИЛИТЕЛЯХ МОЩНОСТИ
НА ЛАМПАХ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ
Р. Э. Сорокатый, А. Ю. Яковлев
ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 Е-mail: roman.sorokaty@iss-reshetnev.ru, yakovlev@iss-reshetnev.ru
Моделируется влияние нелинейной передаточной характеристики усилителя мощности на лампе бегущей волны (УЛБВ) на достоверность передачи данных в односигнальном режиме работы ствола связных полезных нагрузок (ПН) космических аппаратов (КА). Показано, что построенные модели адекватно описывают канал связи с УЛБВ. Решена актуальная задача, которая позволяет находить рациональные системные запасы при проектировании спутниковых сетей связи (ССС). Показано как изменяется от выбора рабочей точки на передаточной характеристике УЛБВ зависимость вероятности битовой ошибки (BER) от отношения Eb/N0.
Ключевые слова: космические аппараты, полезные нагрузки, усилители мощности на лампах бегущей волны, передаточная характеристика, вероятность битовой ошибки.
ANALYSIS OF NON-LINEAR SIGNAL DISTORTION IN TRAVELING-WAVE-TUBE AMPLIFIER
R. Sorokaty, A. Yakovlev
JSC "Information Satellite Systems" named after academician M. F. Reshetnev" 52, Lenin str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation Е-mail: roman.sorokaty@iss-reshetnev.ru, yakovlev@iss-reshetnev.ru
The modeling of traveling-wave-tube amplifier (TWTA) non-linear gain transfer response impact on the accuracy of communication satellite payload channel data transfer in single-carrier mode is proposed. The created models adequately describe TWTA link. A crucial task of making performance budget margin at satellite network design is solved. It is shown how bit error rate (BER) and Eb/N0 correlation changes depending on TWTA gain transfer response reference point choice.
Keywords: satellites, payloads, traveling-wave-tube amplifier, AM/AM transfer, bit error rate.
В наши дни бурными темпами развиваются технологии оказания информационно-телекоммуникационных услуг, использующих электромагнитные излучения диапазона сверхвысоких частот (СВЧ). К ним в первую очередь относятся ССС. Проблема создания эффективных ССС является исключительно актуальной для Российской Федерации - самого крупного по площади государства мира [1]. Также создание эффективных ССС актуально с финансовой точки зрения. Избыточный запас бюджета радиолинии при проектировании ССС сказывается на увеличении стоимости оборудования и массы КА, а также уменьшении количества обслуживаемых абонентов. В то же время недостаточный запас может привести к неработоспособности ССС.
Одним из основных элементов бортового ретранслятора КА является УЛБВ. С целью нахождения ра-
циональных системных запасов при проектировании ССС был рассмотрен вопрос о влиянии нелинейной передаточной характеристики УЛБВ на передачу данных с угловой модуляцией. На рис. 1 приведены типовые передаточные характеристики УЛБВ, используемые на современных КА в различных диапазонах.
- С-диапазон Ха-диапазон ■ Модель С алеяа
РчдЕВт
Рис. 1. Типовые передаточные характеристики УЛБВ
Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты
Передаточная характеристика показывает зависимость выходной мощности УЛБВ от входной мощности. Выбор рабочей точки, близкой к точке насыщения, позволяет получить максимальную выходную мощность и максимальный коэффициент полезного действия (КПД) УЛБВ (около 55 %) [2], но приводит к искажению сигнала в односигнальном и многосигнальном режимах работы. Выбор рабочей точки на линейном участке передаточной характеристики позволяет передавать сигнал без искажений, но с малой выходной мощностью, следовательно, для создания необходимой эквивалентной изотропно излучаемой мощности (ЭИИМ) потребуется антенна больших размеров или УЛБВ с большей выходной мощностью, что приведет к увеличению массы КА. Также в таком режиме работы КПД УЛБВ менее 20 % [2], что приводит к увеличению общего энергопотребления и тепловыделения КА, следовательно, и к увеличению массы КА.
С целью нахождения оптимальной рабочей точки проведено моделирование влияния нелинейной передаточной характеристики УЛБВ на передачу данных в односигнальной загрузке ствола связных ПН КА. Моделирование проводилось с помощью программного обеспечения 81ши1шк/Ма1:1аЬ. Модель, приведенная на рис. 2, имитирует прохождение сигнала с квадратурной фазовой модуляцией и кодированием Ви-терби в канале с аддитивным белым гауссовским шумом через усилитель с передаточной характеристикой соответствующей модели Салеха. Также в модели реализованы автоматическая регулировка усиления в составе ПН и фазовый корректор в приемнике. Полученная по модели Салеха передаточная характеристика (рис. 1), определенная коэффициентами а = 2,15; Ра = 1,15, соответствует типовым передаточным характеристикам УЛБВ, используемых на современных КА. Также проводилось моделирование прохождения сигнала без кодирования через идентичный тракт.
В результате моделирования были получены зависимости БЕЯ от отношения энергии сигнала, прихо-
дящейся на 1 бит принимаемого сообщения, к энергетической спектральной плотности шума (Ег / N0) (рис. 3) при выборе рабочей точки, близкой к точке насыщения (ОБО = 0), и на линейном участке передаточной характеристики (ОБО = 7).
Из полученных зависимостей видно, что при выборе рабочей точки на линейном участке передаточной характеристики (ОБО = 7) полученные зависимости хорошо коррелируют с теоритическими зависимостями, что свидетельствует об адекватности построенной модели. Небольшие отклонения от теоретических зависимостей объясняются погрешностью при построении, так как зависимости построены методом Монте-Карло, который основан на стохастическом процессе. Также отклонение построенных зависимостей при выборе рабочей точки на линейном участке передаточной характеристики может обусловливаться наличием в модели фильтров с косинусоидальным сглаживанием амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) с коэффициентом сглаживания 0,22, не учитывающихся при построении теоретических зависимостей.
При выборе рабочей точки, близкой к точке насыщения (ОБО = 0), видно, что отклонение полученной зависимости от зависимости БЕЯ от Еъ/Щ при выборе рабочей точки на линейном участке передаточной характеристики (ОБО = 7) составляет не более 0,5 дБ при БЕЯ = 10-4.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что при передаче сигналов в односигнальной загрузке ствола связных ПН КА следует выбирать рабочую точку на передаточной характеристике УЛБВ, близкой к точке насыщения (ОБО = 0). Созданная в результате работы модель может использоваться для имитации прохождения сигналов с другими типами сигнально-кодовых конструкций. Также при доработке модели возможно моделирование передачи данных в многосигнальной загрузке ствола связных ПН КА, при которой нахождение рациональных системных запасов является более сложной задачей при проектировании ССС.
Рис. 2. Модель, построенная в ПО ВгтиНпк/МаНаЬ
01234567Е9 10
01 2 3 4 5 6 7 В 9 10
Георшичеа кзя V ■
нвисимосга ч
зво=п V'
-- эвс
1МО
II: 01 1Е-02 1Е-03 1Е-04 1Е-05 1Е-06
Рис. 3. Полученные зависимости БЕЯ от отношения Е^0
Решетневскуе чтения. 2014
Библиографические ссылки
1. Камнев В. Е., Черкасов В. В., Чечин Г. В. Спутниковые сети связи : учеб. пособие. М. : Альпина Паблишер, 2004. 536 с.
2. Пакет документации к поставке. Документ: TWTA ЛТС-Б97 1.
References
1. Kamnev V., Cherkasov V., Chechin G. Communication satellite networks : tutorial. M. : Alpina Publisher, 2004. 536 р.
2. End Item Data package. Item: TWTA ATC-D97 1.
© Сорокатый Р. Э., Яковлев А. Ю., 2014
УДК 533.6
МОДЕЛЬ ПОТЕРИ СИММЕТРИИ СТРУКТУРЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВСТРЕЧНЫХ СВЕРХЗВУКОВЫХ СТРУЙ
В. С. Фаворский1, А. В. Савин2
1 Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: Favorskiy_Vladimir@SibSAU.ru, ^Балтийский государственный технический университет «Военмех» имени Д. Ф. Устинова Российская Федерация, 190005, г. Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская, 1 E-mail: savin@JetTechnologies.ru
Процесс потери симметрии газодинамической картины течения сопровождается скачкообразной перестройкой к одной из трех равновесных конфигураций газодинамической структуры. Показано наличие устойчивых и неустойчивых конфигураций, гистерезиса.
Ключевые слова: симметрия газодинамической структуры, неоднозначность, гистерезис, газодинамика, равновесные состояния, потеря устойчивости, недорасширенные сверхзвуковые струи, контактная поверхность.
MODEL OF LOSS SYMMETRIC STRUCTURE INTERACTION OF THE OPPOSING SUPERSONIC JETS
V. S. Favorskiy1, A. V. Savin2
1 Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation
E-mail: Favorskiy_Vladimir@SibSAU.ru 2Baltic State Technical University "VOENMEH" named after D. F. Ustinov 1, 1st Krasnoarmeyskaya, St. Petersburg, 190005, Russian Federation E-mail: savin@JetTechnologies.ru
The loss of symmetry of the gas-dynamic flow pattern is accompanied by hopping into one of three equilibrium configurations of the gas-dynamic structure. The existence of stable and unstable configurations, hysteresis are demonstrated.
Keywords: symmetry of the gas dynamic structure, ambiguity, hysteresis, gas dynamics, the equilibrium state, the loss of stability, underexpanded supersonic jet, contact surface.
Газодинамическая структура взаимодействия сверхзвуковой струи с встречными препятствиями характеризуется наличием зон свободного расширения, сжатых слоев, прямых, висячих и отраженных скачков уплотнения [1; 2]. Сочетания столь разнообразных областей течения приводит к появлению сложных комбинаций реализующихся структур взаимодействия, теряющих симметрию при исходных, точно выдерживаемых, симметричных геометрических и граничных условиях.
В работе исследовалось взаимодействие двух одинаковых встречных сверхзвуковых недорасширенных
струй. Рассматривалось как осевое взаимодействие одинаковых струй, когда оси сопел располагались вдоль одной оси, так и неосевое взаимодействие, когда оси сопел располагались в одной плоскости под углом [3; 4].
Эксперименты проводились в барокамере объёмом 10 м3 при давлении рт = 101^102 Па и давлениях торможения струи 102^104 Па. Рабочим газом служил воздух при температуре Т0 = 293 К. Использовались сопла с выходным диаметром 2,2 мм и числами Маха на выходе Ма = 1. Визуализация волновой структуры проводилась с помощью тлеющего разряда. Методика
