Study of the effects produced by time modulation applied to an antenna array in digital transmission systems
- Autores: Roberto Maneiro Catoira
- Directores de la Tesis: José A. García-Naya (dir. tes.), Julio Brégains (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidade da Coruña ( España ) en 2017
- Idioma: inglés
- Número de páginas: 113
- Títulos paralelos:
- Estudio de los efectos producidos por la modulación temporal aplicada a una agrupación de antenas en sistemas de transmisión digital
- Estudo dos efectos producidos pola modulación temporal aplicada a unha agrupación de antenas en sistemas de transmisión dixital
- Tribunal Calificador de la Tesis: Luis Ignacio Santamaría Caballero (presid.), Nuria González Prelcic (secret.), Paolo Rocca (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Tecnologías de la Información y las Comunicaciones por la Universidad de A Coruña
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: RUC
- Resumen
- español
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.
- English
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.
- español
