704_Mikushin_A.V._Skhemotekhnika_mobil'nykh_radiostantsij_

252627282930

2526 2728 29 30

Рисунок 2.24. Перенос спектра на промежуточную частоту

Более того! Так как значение промежуточной частоты является фиксированным, то реализация полосового фильтра с фиксированными параметрами является более простой задачей по сравнению с задачей реализации перестраиваемого полосового фильтра. В настоящее время полосовые фильтры промежуточной частоты выполняются в виде пьезоэлектрических (кварцевых или керамических) или электромагнитных фильтров.

К сожалению, промежуточная частота может быть образована от двух различных каналов, разнесенных по частоте. При этом промежуточная частота формируется следующими уравнениями:

Это приводит к тому, что приемником могут одновременно приниматься сразу два частотных канала, отстоящих друг от друга на величину 2fпч. Один из этих каналов называется рабочим каналом, а другой – зеркальным. Какой из каналов будет считаться рабочим, а какой зеркальным, определяет разработчик структурной схемы приемника. Описанная ситуация иллюстрируется рисун-

ком 2.25.

fпч fпч

Рисунок 2.25. Процесс образования зеркального канала

81

Единственный способ избавиться от зеркального канала – это подавить его сигнал до входа смесителя. Все блоки структурной схемы, расположенные от антенны до смесителя частот, называются входной цепью радиоприемника. Степень подавления зеркального канала зависит от избирательности входной цепи и отстройки зеркального канала относительно частоты принимаемого полезного сигнала:

Требования к избирательности полосового фильтра входной цепи супергетеродинного приемника значительно ниже требований к полосовому фильтру приемника прямого усиления. Это связано с тем, что зеркальный канал отстроен от принимаемой частоты значительно дальше соседнего канала. Чем выше выбирается значение промежуточной частоты, тем ниже будут требования к полосовому фильтру входной цепи. При этом будут возрастать требования к полосовому фильтру промежуточной частоты. Конкретный выбор значения промежуточной частоты позволяет оптимизировать требования, как к тракту промежуточной частоты, так и требования к входной частоте.

Позднее, при описании принципов работы преобразователей частоты, мы познакомимся со смесителями, способными подавлять зеркальный канал. В ряде случаев это схемотехническое решение может позволить уменьшить конкретное значение промежуточной частоты, увеличить глубину подавления зеркального канала или расширить диапазон частот, в котором может быть применена схема супергетеродинного приемника с одним преобразованием частоты.

Еще одним фактором, который приходится учитывать при разработке структурной схемы супергетеродинного радиоприемника является частотная зависимость сопротивления нагрузки смесителя, т. к. обычно в качестве его нагрузки применяется полосовой фильтр. В результате компоненты спектра выходного тока смесителя, далеко отстоящие от полосы пропускания полосового фильтра, могут увеличиваться из-за более низкого сопротивления нагрузки, а соответственно оказывать большее влияние на нелинейные параметры радиоприемного устройства в целом.

Для борьбы с этим явлением применяются два решения. Одно из них заключается в применении специальной LC схемы, выравнивающей входное сопротивление фильтра промежуточной частоты по диапазону частот. Второе – применяется буферный усилитель. Усиления от этого усилителя обычно не требуется, основная его задача – обеспечить постоянное сопротивление в широкой полосе частот. Иногда этот усилитель применяется для компенсации потерь в фильтре промежуточной частоты. Это позволяет снизить уровень шумов главного тракта приема в приемопередающем устройстве.

При расчете структурной схемы очень важно правильно распределить коэффициенты усиления каждого блока. Как это уже обсуждалось выше, чувствительность приемника определяется уровнем шума каждого из каскадов, однако

82

наибольшее влияние на этот параметр оказывает первый каскад приемника. Для того чтобы последующие каскады не оказывали существенного влияния на чувствительность приемника, можно поднять усиление первого каскада, однако это приведет к возрастанию интермодуляционных искажений, поэтому в большинстве случаев приходится ограничиваться компенсацией потерь в последующих каскадах.

Пример распределения коэффициента усиления по каскадам супергетеродинного приемника приведен на рисунке 2.26.

Рисунок 2.26. Структурная схема супергетеродинного радиоприемника

На данной схеме видно, что полезный сигнал то ослабляется фильтрами, то его уровень снова поднимается усилителями промежуточной частоты. При этом уровень полезного сигнала стараются поддерживать достаточным для того, чтобы не нужно было учитывать коэффициент шума промежуточных усилителей или смесителя.

Разработка структурной схемы является ответственным этапом проектирования радиоприемного устройства. В каждом конкретном случае приходится учитывать особенности принимаемого сигнала и требования к параметрам устройства в целом.

2.2.5. Супергетеродинный приемник с двойным преобразованием частоты

Чем выше частота полезного сигнала, тем меньше получается расстройка зеркального канала зк при том же самом значении промежуточной частоты. В

результате при приеме высоких частот возникает противоречие между требованием уменьшить промежуточную частоту для облегчения подавления соседнего канала фильтром промежуточной частоты и требованием увеличить промежуточную частоту для облегчения подавления зеркального канала в полосовом фильтре входной цепи. В этом случае применяют двойное преобразование частоты.

При двойном преобразовании частоты сначала переносят группу каналов на первую промежуточную частоту, выделяют ее фильтром первой промежуточной частоты, а затем окончательно выделяют рабочий канал на второй промежуточной частоте. Этот процесс иллюстрируется частотной диаграммой, приведенной на рисунке 2.27.

83

Всхеме супергетеродина с двойным преобразованием частоты перестраиваемым выполняется только первый гетеродин. В качестве такого гетеродина обычно применяется синтезатор дискретной сетки частот. Второй гетеродин может быть выполнен на фиксированную частоту. Это позволяет фильтр промежуточной частоты ФПЧ1 проектировать на фиксированную частоту, тем самым упростив его реализацию.

Всхеме супергетеродинного приемника с двойным преобразованием частоты приходится точно так же тщательно рассчитывать параметры каждого блока, как и в рассмотренной ранее схеме супергетеродинного приемника. Благодаря тому, что требования к динамическому диапазону второго преобразователя частоты ниже требований к первому смесителю, второй преобразователь частоты может быть выполнен на транзисторах по схеме смесителя с подавлением зеркального канала.

При приеме цифровых видов сигнала приходится учитывать положение частоты первого и второго гетеродинов (выше или ниже частоты входного сигнала), так как это может привестик изменению направления вращения вектора квадратурного сигнала.

Вприемниках узкополосного сигнала с достаточно высокой несущей частотой в ряде случаев приходится использовать не только двойное преобразование частоты, но и тройное. При этом принципы формирования требований к дополнительным блокам не отличаются от рассмотренных ранее для супергетеродинного приемника с двойным преобразованием частоты.

2.3. Аналоговая реализация цифровых радиостанций

При одновременной работе приемника и передатчика в системах мобильной радиосвязи и сотовых телефонах возникают вопросы электромагнитной совместимости этих узлов. Если выходной сигнал с выхода передатчика попадет на вход своего приемника, то он может не просто сделать невозможным прием каких-либо станций, но и вывести из строя входные каскады приемника.

По этой причине встают вопросы подавления сигнала собственного передатчика на входе радиоприемного устройства. В зависимости от вида мобильной сети эти решения могут изменяться

2.3.1. Входные цепи

Входные цепи предназначены для согласования сопротивлений антенны и первого каскада радиоприемного устройства. Кроме того, этот блок, как уже обсуждалось в предыдущей главе, осуществляет предварительную фильтрацию принимаемого сигнала, позволяя тем самым расширить динамический диапазон всего радиоприемного устройства в целом. Конкретная схема и конструкция входной цепи зависит от частотного диапазона, коэффициента перестройки и назначения радиоприемного устройства.

85

Антенные коммутаторы

Синт.

Сигнал обратной связи

Рисунок 2.29. Структурная схема симплексной цифровой радиостанции

На этом рисунке АК – это антенный коммутатор, НО – направленный ответвитель, а синт. – синтезатор частот, применяемый в качестве гетеродина.

В качестве ключей в антенных коммутаторах обычно применяются высокочастотные диоды. При этом применяется как последовательное, так и параллельное включение диодов. На рисунке 2.30 приведен пример принципиальной схемы антенного коммутатора.

Рисунок 2.30. Принципиальная схема антенного коммутатора

86

На этой схеме диоды V6 и V7 замыкают мощность передатчика на корпус, а индуктивности L8, L9 являются последовательными сопротивлениями, на которых осуществляется падение напряжения сигнала передатчика. Диод V5, в свою очередь, запирается в режиме приема и устраняет влияние выходных цепей передатчика на параметры радиоприемного устройства.

В настоящее время существуют интегральные версии антенных коммутаторов, способные выдерживать мощность передатчика до 40 дБм. В качестве примера можно назвать MASW-007813 фирмы M/A-COM. Чертеж корпуса данной микросхемы приведен на рисунке 2.31.

Рисунок 2.31. Чертеж корпуса антенного коммутатора MASW-007813

2.3.2. Дуплексоры

При одновременной работе приемника и передатчика мобильного или стационарного терминала с одной приемо-передающей антенной возникают вопросы электромагнитной совместимости этих узлов. Если выходной сигнал с выхода передатчика попадет на вход своего приемника, то он может не просто сделать невозможным прием каких-либо удаленных радиостанций, но и вывести из строя входные каскады приемника.

По этой причине встают вопросы подавления сигнала собственного передатчика на входе радиоприемного устройства. Это выполняется при помощи дуплексного фильтра. Дуплексный фильтр (дуплексор или диплексор) представляет собой два полосовых фильтра, настроенные на различные частоты, соединенные между собой. Полосовой фильтр, включенный на выходе передатчика, настраивается так, чтобы пропускать весь диапазон допустимых частот передатчика. Полосовой фильтр, включенный на входе приемника, настраивается так, чтобы пропускать весь допустимый диапазон частот приемника. В результате сигнал с выхода передатчика может свободно проходить на антенну, но при этом он будет подавляться на входе приемника. Структурная схема дуплексной радиостанции с цифровыми видами модуляции приведена на рисун-

ке 2.32.

87

Дуплексоры могут быть выполнены в различном конструктивном виде. Они могут быть выполнены как в виде LC фильтра с сосредоточенными параметрами (для диапазонов частот 160, 330 или 450 МГц), так и в виде микрополосковых фильтров. В настоящее время для систем мобильной связи получили распространение фильтры, реализованные на поверхностных акустических волнах или керамические фильтры. То, что дуплексоры не требуют перестройки по частоте, позволяет применять эти технологии.

В настоящее время для систем мобильной связи рядом фирм выпускаются керамические дуплексоры, позволяющие сократить габариты сотового аппарата. Пример конструктивного исполнения дуплексора приведен на рисунке 2.34.

Рисунок 2.34. Пример конструктивного исполнения дуплексора

2.3.3. Распределители мощности сигнала

При проектировании базовой станции или ретранслятора следует учитывать то обстоятельство, что антенна значительно удалена от входа радиоприемного устройства. Для соединения антенны с радиоприемным устройством приходится применять антенный фидер, который обладает потерями. Пример взаимного расположения антенны и приемо-передающего оборудования базовой станции приведен на рисунке 2.35.

89

Антенна базовой станции

Антенный фидер

Приемопередающее оборудование

Рисунок 2.35. Взаимное расположение антенны и приемо-передающего оборудования базовой станции

Конечно, потери антенного фидера можно было бы скомпенсировать усилителем, расположенным непосредственно на его входе, однако при этом возникает ряд трудностей. Первая – как подвести питание к блоку, расположенному на верхушке мачты? Вторая – как осуществлять обслуживание и ремонт данного блока. Эти трудности значительно возрастают в зимнее время. Поэтому экономически выгоднее компенсировать потери фидера при помощи коэффициента усиления антенны.

При проектировании радиоприемных устройств базовых станций в системах мобильной связи возникает требование распределять энергию сигнала с выхода приемной или приемно-передающей антенны на входы нескольких радиоприемников. Это производится при помощи делителей мощности (сплиттеров). Проблема заключается в том, что при делении мощности радиосигнала ухудшается отношение сигнал/шум на выходе радиоприемных устройств, поэтому обычно деление мощности осуществляется в несколько этапов.

Коэффициент передачи распределителя мощности на два выхода не может быть значение лучше –3 дБ. Поэтому на его входе обычно ставится малошумящий усилитель, как это показано на рисунке 2.36.

90