Study of the effects produced by time modulation applied to an antenna array in digital transmission systems

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.