Study of the effects produced by time modulation applied to an antenna array in digital transmission systems
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http://hdl.handle.net/2183/19161Colecciones
- Teses de doutoramento [2122]
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Study of the effects produced by time modulation applied to an antenna array in digital transmission systemsTítulo(s) alternativo(s)
Estudo dos efectos producidos pola modulación temporal aplicada a unha agrupación de antenas en sistemas de transmisión dixitalEstudio de los efectos producidos por la modulación temporal aplicada a una agrupación de antenas en sistemas de transmisión digital
Autor(es)
Directores
Brégains, Julio Claudio, 1697-García Naya, José A.
Fecha
2017Resumen
[Resumo]
Os selos de identidade das comunicacións móbiles e sen fíos de hoxe en día son a demanda
continua e crecente de mobilidade, capacidade e fiabilidade, xunto cun firme e definitivo compromiso
coa sustentabilidade. Baixo estas premisas, as antenas intelixentes –capaces de sensar a contorna
electromagnética e adaptar de xeito eficaz as súas características de radiación– están chamadas a xogar
un papel crucial nas ditas comunicacións. Neste senso, os estándares sen fíos actuais consideran técnicas
multi-antena encamiñadas a explotar a diversidade espacial, o multiplexado espacial e o conformado de
feixe, acadando así mellores niveis de fiabilidade e capacidade.
Con todo, ditas vantaxes obtéñense a expensas dun incremento da complexidade do sistema, factor
non sempre asumible en termos de tamaño e eficiencia enerxética. Consecuentemente, suscítanse unha
serie de retos de cara a desenvolver tecnoloxías de antena axeitadas e capaces de dar resposta ás anteriores
prestacións no espazo limitado que dita a mobilidade.
O concepto de agrupación de antenas modulada temporalmente (TMAs, do inglés time-modulated
arrays) é unha técnica multi-antena que achega unha simplificación hardware significativa: o seu
diagrama de radiación contrólase mediante a sinxela aplicación de pulsos periódicos de duración variable
ás excitacións individuais da agrupación. A natureza non lineal desta operación causa a aparición de
diagramas de radiación nas frecuencias harmónicas dos pulsos periódicos aplicados. A técnica pode
empregarse para mellorar a topoloxía do nivel dos lóbulos secundarios do diagrama de radiación na
frecuencia central e/ou para explotar de xeito proveitoso os diagramas dos harmónicos, dotando á antena
de capacidades de antena intelixente.
Esta tese é o resultado dunha investigación das TMAs dende unha perspectiva interdisciplinaria,
é dicir, non soamente dende a óptica do diagrama de radiación ou das agrupacións de antenas, senón
tamén dende un punto de vista de procesado do sinal. Máis concretamente, a tese é unha análise en
profundidade da aplicación das TMAs ás comunicacións dixitais, desenvolvida en catro etapas: 1) análise
matemática da posibilidade de transmitir sinais dixitais mediante TMAs, identificando as restricións
para salvagardar a integridade do sinal e cuantificando a potencia radiada, 2) caracterización da taxa
de erro de bit dun sistema de comunicación dixital que incorpora un TMA en recepción explotando o
seu modo fundamental e considerando canles con ruído branco Gaussiano, 3) estudo das prestacións
das TMAs –explotando os harmónicos– na recepción de sinais de comunicación dixitais con diversidade
angular en canles multitraxecto con esvaecemento, 4) caracterización de TMAs para conformado de feixe
mediante o uso de pulsos de suma de cosenos ponderados no lugar de pulsos rectangulares, chegando ás
denominadas TMAs melloradas, dotadas dunha resposta superior en termos de flexibilidade e eficiencia. [Resumen]
Hoy en día, los sellos de identidad de las comunicaciones inalámbricas son la demanda continua
y creciente de movilidad, capacidad y fiabilidad, junto con un firme y definitivo compromiso con
la sostenibilidad. Bajo estas premisas, las antenas inteligentes –capaces de sensar el entorno
electromagnético y adaptar de forma eficaz sus características de radiación– están llamadas a jugar
un papel crucial en dichas comunicaciones. En este sentido, los estándares inalámbricos actuales
consideran técnicas multiantena encaminadas a explotar la diversidad espacial, el multiplexado espacial
o el conformado de haz, alcanzando así mejores niveles de fiabilidad y capacidad.
Sin embargo, dichas ventajas se obtienen a expensas de un incremento de la complejidad del sistema,
factor no siempre asumible en términos de tamaño y eficiencia energética. En consecuencia, se plantean
una serie de retos en el desarrollo de tecnologías de antena adecuadas, capaces de dar respuesta a las
anteriores prestaciones en el espacio limitado que dicta la movilidad.
El concepto de agrupación de antenas modulada temporalmente (TMAs, del inglés time-modulated
arrays) es una técnica multiantena que aporta una simplificación hardware significativa: su diagrama
de radiación se controla mediante la sencilla aplicación de pulsos periódicos de duración variable a las
excitaciones individuales de la agrupación. La naturaleza no lineal de esta operación causa la aparición
de diagramas de radiación en las frecuencias armónicas de los pulsos periódicos aplicados. La técnica se
puede utilizar para mejorar la topología del nivel de los lóbulos secundarios del diagrama de radiación
en la frecuencia central y/o para explotar de forma beneficiosa los diagramas de armónicos, dotando a la
antena de capacidades de antena inteligente.
Esta tesis es el resultado de una investigación de las TMAs desde una perspectiva interdisciplinar,
es decir, no solamente desde la óptica del diagrama de radiación o de las agrupaciones de antenas, sino
también desde un punto de vista de procesado de señal. Más concretamente, la tesis es un análisis en
profundidad de la aplicación de las TMAs a las comunicaciones digitales, desarrollada en cuatro etapas:
1) análisis matemático de la factibilidad de transmitir señales digitales mediante TMAs, identificando
las restricciones para salvaguardar la integridad de la señal y cuantificando la potencia radiada, 2)
caracterización de la tasa de error de bit de un sistema de comunicación digital que incorpora una TMA
en recepción explotando su modo fundamental y considerando canales con ruido blanco Gaussiano,
3) estudio de las prestaciones de las TMAs –explotando los armónicos– en la recepción de señales
digitales con diversidad angular en canales multitrayecto con desvanecimiento, 4) caracterización de
TMAs para conformado de haz mediante el uso de pulsos de suma de cosenos ponderados en lugar de
pulsos rectangulares, llegando a las denominadas TMAs mejoradas, dotadas de una respuesta superior
en términos de flexibilidad y eficiencia. [Abstract]
An ever-increasing demand for higher mobility, capacity and reliability, together with a definitive
compromise with sustainability, are the hallmarks of mobile and wireless communications systems
nowadays. Under these premises, smart antenna devices –capable of sensing the electromagnetic
environment and suitably adapting its radiation features– are correspondingly called to play a crucial
role. In this sense, today’s wireless standards consider multiple-antenna techniques in order to exploit
space diversity, spatial multiplexing and beamforming to achieve better levels of reliability and capacity.
Such advantages, however, are obtained at the expense of increased system complexity which may be
unaffordable in terms of size and energy efficiency. Consequently, some technical challenges remain to
develop the adequate antenna technologies capable of supporting the aforementioned features in a limited
physical space that the mobility demand dictates.
The concept of time-modulated array (TMA) is a feasible multi-antenna technique that provides a
significant hardware simplification: its radiated power pattern is controlled by the simple application of
variable-width periodical pulses to the individual array excitations. The nonlinear nature of such an array
operation causes the appearance of radiation patterns at the harmonic frequencies of the applied periodic
pulses. The technique can be used for improving the side-lobe level topology of the radiation pattern at
the central frequency and/or to profitably exploit the harmonic patterns in order to supply smart antenna
capabilities.
This thesis is the result of an investigation of TMAs from an interdisciplinary perspective, i.e., not
only under a radiation pattern or an antenna array outlook but also from a signal processing point of
view. More specifically, the thesis deals with an in-depth analysis of the application of TMAs in digital
communications developed in four stages: 1) mathematical analysis of the feasibility of transmission
of digital signals over TMAs, identifying the restrictions to safeguard the integrity of the signal and
quantifying the radiated power, 2) characterization of the bit error rate of a digital communication
system that incorporates a receive-TMA exploiting its fundamental mode and considering additive white
Gaussian noise channels, 3) study of the performance of TMAs –exploiting their harmonics– for the angle
diversity reception of digital communication signals over multipath fading channels, 4) an approach
to the characterization of beamforming TMAs which use sum of weighted cosines pulses instead of
rectangular ones, leading to the so-called enhanced time-modulated arrays, which endows them with a
better response in terms of flexibility and efficiency.
Palabras clave
Modulación (Electrónica)
Antenas (Electrónica)
Transmisión sin hilos
Antenas (Electrónica)
Transmisión sin hilos
Descripción
Programa Oficial de Doutoramento en Tecnoloxías da Información e as Comunicacións en Redes Móbiles. 5032V0
Derechos
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