Проектирование устройств генерирования и формирования сигналов в системах подвижной радиосвязи

 
В.В. Шахгильдян, В.Л. Карякин 
 
 
ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ 
ГЕНЕРИРОВАНИЯ И ФОРМИРОВАНИЯ 
СИГНАЛОВ В СИСТЕМАХ ПОДВИЖНОЙ 
РАДИОСВЯЗИ 
 
 
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ ВУЗОВ 
Под редакцией академика В.В. Шахгильдяна 
 
 
 
 
Рекомендуется Государственным образовательным 
учреждением высшего профессионального образования 
Московским техническим университетом связи и 
информатики в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся по направлению 
подготовки  « Телекоммуникации». 
Регистрационный номер 525 МГУП от 23 октября 2009 г. 
 
 
 
 
Москва 
СОЛОН-ПРЕСС 
2021  

УДК 621.373.14(075.8) 
BBK 32.88  
 
 
 
 
Шахгильдян В.В. 
Проектирование устройств генерирования и формирования сигналов 
в 
системах 
подвижной 
радиосвязи: 
Учебное 
пособие 
для 
вузов/  
В.В. Шахгильдян, В.Л. Карякин; Под ред. В.В. Шахгильдяна. – М: СОЛОНПресс, 2021 . – 400 с. 
ISBN 978-5-91359-088-6 
 
В книге рассмотрены информационные технологии анализа, синтеза и  проектирования 
передающих устройств, предназначенных для генерирования и формирования электромагнитных 
колебаний в системах подвижной радиосвязи. Основное внимание уделяется вопросам 
проектирования генераторов с внешним возбуждением (ГВВ), автогенераторов, систем сложения 
мощности с использованием инструментальной среды AWR Мicrowave Office (MWO). 
Приводятся модели биполярных и полевых транзисторов в среде MWO. Даны методики 
исследования влияния параметров схемы ГВВ на режимы его работы, оценки оптимального 
сопротивления нагрузки и сопротивления источника возбуждения, оптимизации цепей согласования, 
которые в результате позволили создать методику проектирования высокочастотных и 
сверхвысокочастотных ГВВ на биполярных и полевых транзисторах.   
Приводятся методы формирования и стабилизации сетки частот в возбудителях передатчиков, 
методы модуляции при передаче цифровых данных и аналогового информационного сигнала. 
Рассматриваются информационные технологии проектирования автогенераторов. Приводятся схемы 
синтезаторов частот, модуляторов в устройствах мобильной связи. Показаны особенности 
построения структурных схем передатчиков аналоговых и цифровых систем подвижной связи. 
Рассмотрено взаимодействие радиочастотных и информационных блоков приемопередатчиков. 
Отмечается, что перспективы развития техники радиопередающих устройств определяются 
использованием новых информационных технологий проектирования, внедрением современных 
систем автоматизированного проектирования телекоммуникационных передающих устройств.  
Учебное пособие предназначено для студентов специальности 210402  «Средства связи с 
подвижными объектами» направления подготовки дипломированных специалистов 210400  
Телекоммуникации, окажется полезным для аспирантов, магистров и инженерно-технических 
работников, специализирующихся в области разработки телекоммуникационных передающих 
устройств; а также для студентов специальностей 210405 «Радиосвязь, радиовещание и 
телевидение», 210302 «Радиотехника», 210403 «Защищенные системы связи» по основным разделам 
курсов «Радиопередающие устройства», «Устройства генерирования и формирования сигналов», 
«Устройства генерирования, формирования и передачи сигналов в защищенных системах 
радиосвязи». 
Ил. 328, библ. 97 назв. 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-91359-088-6 
© Дизайн обложки, СОЛОН-ПРЕСС, 2021  
 
© Шахгильдян В.В., Карякин В.Л., 2021 

Введение 
 
Памяти моего сына  
Карякина Владислава посвящается 
Введение 
Дисциплина «Устройства генерирования и формирования сигналов 
в 
системах 
подвижной 
радиосвязи» 
является 
одной 
из 
профилирующих по специальности «Средства связи с подвижными 
объектами». По этой дисциплине читаются лекции, проводятся 
практические занятия и лабораторные работы, выполняется курсовое 
проектирование, проводится производственная и преддипломная 
практика и, наконец, дипломное проектирование.  
Целью изучения дисциплины является усвоение основ теории 
работы, 
методов 
анализа 
и 
проектирования 
основных 
типов 
телекоммуникационных передающих устройств, предназначенных для 
генерирования и формирования электромагнитных колебаний в 
системах подвижной радиосвязи. 
Для достижения данной цели с учетом современных требований к 
специалисту учебное пособие по данной дисциплине предусматривает 
решение следующих задач: 
1. Изучение студентами новых информационных технологий в 
проектировании 
и 
изготовлении 
радиопередающих 
устройств, 
позволяющих в полной мере реализовать возможности отечественной 
и зарубежной элементной базы, значительно повысить надежность 
телекоммуникационного оборудования и сократить сроки разработок. 
2. Знакомство 
с 
параметрами 
и 
характеристиками 
телекоммуникационных 
передающих 
устройств, 
основными 
техническими и конструктивными требованиями к ним, связью этих 
требований с назначением и параметрами систем подвижной 
радиосвязи, в которых эти устройства используются. 
3. Подготовка 
студентов 
к 
самостоятельной 
инженерной 
деятельности в промышленных и эксплуатационных предприятиях 
различных 
ведомств, 
а 
также 
в 
научно-исследовательских 
и 
конструкторских организациях. 
Новые 
технологии 
в 
проектировании 
и 
изготовлении 
радиопередающих устройств в литературе освещены недостаточно 
полно. 
Методика 
проектирования 
радиопередатчиков 
на 
отечественной элементной базе наиболее полно изложена в [1-3]. 
Однако данная методика не позволяет в полной мере реализовать 
возможности зарубежной элементной базы, а также не ориентирована 
на использование в дисциплине новых информационных технологий. 
 
Проектирование устройств генерирования и формирования сигналов в системах 
подвижной радиосвязи: Учебное пособие для вузов/ В.В. Шахгильдян, В.Л. Карякин 
3

Введение 
 
Эффективным 
способом 
решения 
задач 
проектирования  
передатчиков  является применение инструментальной среды AWR 
Microwave Office (MWO)  [11-15, 18, 20, 21, 23, 36-54, 59-62, 73-97]. 
Это направление весьма перспективно, поскольку оно позволяет 
максимально учитывать особенности современных транзисторов, 
использовать новые зарубежные технологии в проектировании и 
конструировании радиопередатчиков. 
Используемые до настоящего времени системы проектирования 
СВЧ-оборудования компаний Hewlett-Packard, Ansoft, Eagleware 
разработаны в 70-х и 80-х годах и предназначались для работы в OC 
UNIX, лишь затем адаптированы для ОС Windows. Как следствие, 
известные пакеты программ HP Advanced Design System, Momentum, 
Maxwell EM, HFSS, Microwave Explorer, Serenade, GENESYS, IE3D 
уступают по производительности в работе с ОС Windows пакету AWR 
MWO. 
Первую версию системы проектирования СВЧ устройств AWR 
MWO компания Applied Wave Research (AWR) представила в 1998 
году. 
AWR изначально ориентировалась на ОС Windows, использовала 
объектно-ориентированное программирование, что позволило создать 
программный 
продукт 
оптимальный 
во 
многих 
отношениях: 
высокопроизводительный, доступный в использовании, с высокой 
степенью интеграции. 
Инструментальная 
система 
MWO 
написана 
на 
объектноориентированном языке С++ и может легко адаптироваться для 
решения новых прикладных задач, в частности, для создания системы 
автоматизированного 
проектирования 
телекоммуникационных 
передающих устройств [45, 47, 49, 60-62, 74, 78, 79, 82-84, 89]. 
Разрабатываемые телекоммуникационных передающие устройства, 
предназначенные 
для 
генерирования 
и 
формирования 
электромагнитных колебаний в системах подвижной радиосвязи, 
должны соответствовать постоянно обновляющимся Международным 
стандартам радиосвязи [8-10]. На момент написания учебного пособия 
действуют стандарты "2006 Worldwide Wireless Communication 
Standards", опубликованные на сайте [8] фирмой Philips.  
 Телекоммуникационных 
передающие 
устройства 
можно 
классифицировать по ряду признаков: 
9 по диапазону волн, используемому в беспроводных каналах 
систем подвижной радиосвязи – это передатчики дециметрового 
(1…0,1 м), сантиметрового (0,1…0,01 м), миллиметрового (0,01…0,001 
м) и инфрокрасного ((0,001…7,5)х10-7 м) диапазонов волн; 
 
Проектирование устройств генерирования и формирования сигналов в системах 
подвижной радиосвязи: Учебное пособие для вузов/ В.В. Шахгильдян, В.Л. Карякин 
4

Введение 
 
9 по технологии организации мобильной связи – передатчики 
пейджинговой,  транкинговой, спутниковой связи, сотовой телефонии; 
9 по назначению систем связи – передатчики ведомственных 
радиотелефонных 
систем 
и 
радиотелефонных 
сетей 
общего 
пользования; 
9 по 
виду 
передаваемых 
информационных 
сигналов 
– 
передатчики цифровые, аналоговые; 
9 по функциональному назначению – передатчики базовых 
станций, абонентские. 
Дадим кратко определения терминам, используемым выше при 
классификации телекоммуникационных передающих устройств систем 
и сетей подвижной радиосвязи. 
Пейджинг 
- 
система 
односторонней 
связи, 
при 
которой 
передаваемое сообщение поступает на пейджер пользователя, извещая 
его о необходимости предпринять то или действие, или просто 
информируя его о тех или иных текущих событиях. Это наиболее 
дешевый вид мобильной связи. 
Tранкинг  – это режим равного доступа абонентов к выделенному 
для них набору каналов, который подразумевает закрепление за 
каждым сеансом связи конкретного канала в зависимости от 
распределения нагрузки в системе. 
Спутниковая связь – один из видов радиосвязи, основанный на 
использовании 
искусственных 
спутников 
земли 
в 
качестве 
ретрансляторов. Спутниковая связь осуществляется между земными 
станциями, 
которые могут 
быть 
как 
стационарными, 
так 
и 
подвижными. 
 Сотовые технологии обеспечивают телефонную связь между 
подвижными абонентами. Связь осуществляется через посредство 
базовых (стационарных) станций, выполняющих коммутирующие 
функции.  
Ведомственные 
системы 
применяются 
в 
промышленности, 
сельском хозяйстве, на транспорте и в строительстве, такси, скорой 
помощи, а также в аварийных службах. Эти системы предназначены 
для 
оперативного 
управления 
процессами 
производственной 
деятельности.  
 Радиотелефонные сети общего пользования в настоящее время 
составляют основной вид связи с подвижными объектами. Они 
позволяют наиболее полно и эффективно использовать выделенный 
частотный спектр и, объединяя своих потребителей в одну группу, 
дают им возможность общего доступа к системе связи независимо от 
 
Проектирование устройств генерирования и формирования сигналов в системах 
подвижной радиосвязи: Учебное пособие для вузов/ В.В. Шахгильдян, В.Л. Карякин 
5

Введение 
 
ведомственной принадлежности (по принципу городской телефонной 
сети). 
Структурные схемы передатчиков различаются и зависят от 
технологии организации мобильной связи, вида передаваемых 
информационных сигналов, диапазона волн и их функционального 
назначения. 
Обобщенная 
структурная 
схема 
телекоммуникационного 
передатчика систем и сетей подвижной радиосвязи изображена на 
рис.В.1. 
 
 
 
Рисунок В.1 – Обобщенная структурная схема передатчика 
 
Здесь введены следующие обозначения. 
ИС – источник информационного сигнала, ИБ –информационный 
блок, ФВР – формирователь видов работ,  СЧ – синтезатор частот, УМ 
– усилитель мощности, ФГ – фильтр гармоник, А – антенна.  
Радиочастотные 
колебания 
в 
заданном 
диапазоне 
частот 
формируются в возбудителе радиопередатчика, который в общем 
случае состоит из синтезатора частот (СЧ) и формирователя видов 
работ (ФВР). 
 Информационный сигнал (ИС) поступает на второй вход ФВР, 
предварительно прошедший цифровую обработку в информационном 
блоке (ИБ). В формирователе видов работ осуществляется модуляция 
высокочастотного 
несущего 
колебания 
низкочастотным 
информационныи сигналом. Методы модуляции могут быть разделены 
на две группы: методы модуляции с постоянной огибающей  и с 
изменяющейся огибающей. Первая группа методов имеет постоянную 
амплитуду промодулированного сигнала, что допускает использование 
в передатчиках нелинейных усилителей мощности (УМ). 
В передатчиках систем подвижной связи используются также 
методы модуляции второй группы, в которой при модуляции фазы и 
частоты высокочастотного колебания одновременно осуществляется 
изменение амплитуды  выходного сигнала. В этих случаях к 
усилителю мощности (рис.В.1) предъявляются высокие требования по 
линейности его характеристик. 
 
Проектирование устройств генерирования и формирования сигналов в системах 
подвижной радиосвязи: Учебное пособие для вузов/ В.В. Шахгильдян, В.Л. Карякин 
6

Введение 
 
Учитывая, что в соответствии со стандартами [8] каждому каналу 
связи, а, следовательно, и передатчику отводится определенная полоса 
рабочих частот, а в выходном сигнале усилителя мощности помимо 
рабочих частот находятся их гармоники, которые необходимо 
отфильтровать до заданного уровня, схема передатчика (рис.В.1) 
дополнительно содержит фильтр гармоник (ФГ). 
Сформированные и усиленные до необходимого уровня по 
мощности высокочастотные колебания излучаются в эфир антенной 
(А). 
 Анализ развития подвижной связи [6, 7] позволяет прогнозировать 
существенное увеличение числа пользователей мультимедийных услуг 
связи. 
Абонентское 
устройство 
будущего, 
кроме 
выполнения 
собственно функции обмена данными по радиоканалу, будет 
обеспечивать высококачественное отображение видеоинформации, 
ввод и хранение большого объема различного рода данных и обладать 
определенной вычислительной мощностью для их обработки. 
Разработка современных многодиапазонных и многорежимных 
устройств мобильной связи не является тривиальной задачей простого 
наращивания 
дополнительных 
трактов 
приема 
и 
передачи 
с 
размещением их в одном общем корпусе интегральной схемы. К тому 
же 
такое 
устройство 
должно 
иметь 
малый 
вес, 
объем, 
энергопотребление и цену. Для этого необходимо решить следующие 
задачи: 
9 создать малошумящие сверхширокополосные управляемые 
генераторы, 
перестраиваемые 
в 
диапазонах 
функционирования 
современных систем и сетей подвижной связи; 
9 разработать 
высокоэффективные 
нелинейные 
усилители 
мощности с высоким коэффициентом полезного действия; 
9 разработать широкодиапазонные высоколинейные усилители 
мощности; 
9 максимально 
использовать 
возможности 
современных 
информационных технологий для создания многофункциональных 
узлов радиочастотного блока и повышения их надежности. 
Перспективным направлением реализации перечисленных задач 
является 
разработка 
 
современных 
многодиапазонных 
и 
многорежимных устройств мобильной связи с использованием 
инструментальной среды MWO.   
В книге рассмотрены информационные технологии анализа, 
синтеза и  проектирования передающих устройств, предназначенных 
для генерирования и формирования электромагнитных колебаний в 
системах подвижной радиосвязи. Основное внимание уделяется 
 
Проектирование устройств генерирования и формирования сигналов в системах 
подвижной радиосвязи: Учебное пособие для вузов/ В.В. Шахгильдян, В.Л. Карякин 
7

Введение 
 
вопросам проектирования генераторов с внешним возбуждением 
(ГВВ), автогенераторов, систем сложения мощности с использованием 
инструментальной среды AWR Мicrowave Office (MWO). 
Приводятся модели биполярных и полевых транзисторов в среде 
MWO. Даны методики исследования влияния параметров схемы ГВВ 
на режимы его работы, оценки оптимального сопротивления нагрузки 
и 
сопротивления 
источника 
возбуждения, 
оптимизации 
цепей 
согласования, которые в результате позволили создать методику 
проектирования высокочастотных и сверхвысокочастотных ГВВ на 
биполярных и полевых транзисторах.   
Приводятся методы формирования и стабилизации сетки частот в 
возбудителях 
передатчиков, 
методы 
модуляции 
при 
передаче 
цифровых 
данных 
и 
аналогового 
информационного 
сигнала. 
Рассматриваются 
информационные 
технологии 
проектирования 
автогенераторов. Приводятся схемы синтезаторов частот, модуляторов 
в устройствах мобильной связи. Показаны особенности построения 
структурных схем передатчиков аналоговых и цифровых систем 
подвижной связи. Рассмотрено взаимодействие радиочастотных и 
информационных блоков приемопередатчиков. 
Отмечается, что перспективы развития техники радиопередающих 
устройств определяются использованием новых информационных 
технологий 
проектирования, 
внедрением 
современных 
систем 
автоматизированного 
проектирования 
телекоммуникационных 
передающих устройств.  
Учебное пособие предназначено для студентов специальности 
210402  «Средства связи с подвижными объектами» направления 
подготовки 
дипломированных 
специалистов 
210400  
Телекоммуникации, окажется полезным для аспирантов, магистров и 
инженерно-технических работников, специализирующихся в области 
разработки телекоммуникационных передающих устройств; а также 
для студентов специальностей 210405 «Радиосвязь, радиовещание и 
телевидение», 210302 «Радиотехника», 210403 «Защищенные системы 
связи» по основным разделам курсов «Радиопередающие устройства», 
«Устройства генерирования и формирования сигналов», «Устройства 
генерирования, формирования и передачи сигналов в защищенных 
системах радиосвязи». 
При написании книги использованы материалы учебников и 
учебных пособий по радиопередающим устройствам под ред. 
В.В.Шахгильдяна 
[2, 
3], 
по 
устройствам 
генерирования 
и 
формирования радиосигналов под ред. Г.М. Уткина, В.Н. Кулешова и 
М.В. Благовещенского [1], материалы, опубликованные С.И. Дингес в 
 
Проектирование устройств генерирования и формирования сигналов в системах 
подвижной радиосвязи: Учебное пособие для вузов/ В.В. Шахгильдян, В.Л. Карякин 
8

Введение 
 
книге [4], учебном пособии [5], статье [6] и на авторском сайте RF 
Design [7], материалы диссертационных работ В.В. Карякина и Д.В. 
Карякина [46, 47], а также материалы работ, опубликованных ими в 
статьях и докладах на международных и Российских конференциях 
[20, 21, 45, 48-54, 59-62, 73-97], материалы других авторов, на работы 
которых есть ссылки по тексту. 
Книга написана В.Л. Карякиным за исключением раздела 2, 
написанного совместно В.В. Шахгильдяном и В.Л. Карякиным,  
разделов 1.2.4, 1.2.9, написанных  В.В. Карякиным, и 1.2.5, 1.2.10, 
1.2.17, приложений 2 и 3, написанных  Д.В. Карякиным, раздела 1.2.13, 
написанного совместно В.В. Карякиным и  Д.В. Карякиным. 
Общая редакция учебного пособия академика В.В. Шахгильдяна.  
 
 
Проектирование устройств генерирования и формирования сигналов в системах 
подвижной радиосвязи: Учебное пособие для вузов/ В.В. Шахгильдян, В.Л. Карякин 
9

Глава 1. Генераторы с внешним возбуждением 
 
1 Генераторы с внешним возбуждением  
Устройства, предназначенные для генерирования, усиления и 
управления высокочастотными колебаниями в телекоммуникациях 
принято также называть "Радиопередающие устройства" или кратко 
"Передатчики" [1-3]. В передатчиках генераторы с внешним 
возбуждением (ГВВ) выполняют разнообразные функции (усиление 
мощности, умножение частоты, модуляция и др.). В случае 
выполнения функции усиления мощности генератор с внешним 
возбуждением называется также усилителем мощности (УМ) . 
Структурная схема усилителя мощности (рис.1.1)  в общем случае 
содержит активный элемент (АЭ), входную   (ЦСвх) и выходную 
(ЦСвых) цепи согласования, а также цепи блокировки по напряжению 
питания (ЦБП) и по напряжению смещения (ЦБС), источник питания 
(ИП), источник смещения (ИС), нагрузку (Н). 
 
Рисунок 1.1 – Структурная схема усилителя мощности 
 
Входная 
цепь 
согласования 
трансформирует 
входное 
сопротивление  АЭ в оптимальное сопротивление нагрузки для 
источника 
возбуждения, 
а 
выходная 
цепь 
трансформирует  
сопротивление нагрузки (Н) в требуемое для данного транзистора 
сопротивление с целью обеспечения оптимального режима работы. В 
современных 
передатчиках, 
 
как 
правило, 
применяется 
унифицированная блочная конструкция. В этой связи усилитель 
мощности с цепями согласования должен иметь стандартные (50 Ом) 
активные входное и выходное сопротивления. 
Цепи блокировки предотвращают короткое замыкание по высокой 
частоте выхода и входа АЭ через источники напряжений питания и 
смещения. Кроме того, они ослабляют паразитные связи между 
каскадами по общим цепям питания и смещения.  
 
 
 
Проектирование устройств генерирования и формирования сигналов в системах 
подвижной радиосвязи: Учебное пособие для вузов/ В.В. Шахгильдян, В.Л. Карякин 
10