курсач / материалы / Радиоприемные_устройства_систем_радиосвязи_и_радиодоступа_1_2_16

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

Ордена Трудового Красного Знамени федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Московский технический университет связи и информатики

Кафедра радиооборудования и схемотехники

Логвинов В.В.

Учебно-методическое пособие на курсовой проект по дисциплине

РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА СИСТЕМ РАДИОСВЯЗИ И РАДИОДОСТУПА (1.2.16)

Для студентов 3 и 4 курсов заочной формы обучения

Направление подготовки: 11.03.02.52 Инфокоммуникационные технологии и системы связи

Профиль подготовки: Системы радиосвязи и радиодоступа

Москва 2019

План УМД на 2019/20 уч.г.

Учебно-методическое пособие на курсовой проект по дисциплине

РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА СИСТЕМ РАДИОСВЯЗИ И РАДИОДОСТУПА (1.2.16)

Составитель В.В. Логвинов, к.т.н., доцент

Издание утверждено на заседании кафедры. Протокол № 4 от 29.01.2019 г.

Рецензент С.И. Дингес, к.т.н., доцент

2

ВВЕДЕНИЕ

Учебным планом заочного факультета для направления 11.03.02.52 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» профиль «Системы радиосвязи и радиодоступа» предусмотрено лекций в объеме 10 час., лабораторного практикума 10 час., практических занятий 10 час.; студенты выполняют и защищают курсовой проект, сдают зачет по лабораторному практикуму и итоговый экзамен.

Для успешного изучения курса требуются знания теории электрических цепей, физических основ электроники, схемотехники аналоговых и цифровых устройств и цифровой обработки сигналов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Основная

1.Радиоприемные устройства: учебник для вузов / Н.Н. Фомин, Н.Н. Буга, О.В. Головин и др.; Под ред. Н.Н.Фомина. – М.: Горячая линия – Телеком, 2007. - 520 с.

2.Логвинов В.В. Приемники систем мобильной и фиксированной связи:

М.С. Немировского и О.А. Шорина. – М.: Эко-Трендз, 2009. – 400 с.

4.Головин О.В. Устройства генерирования, формирования, приема и обработки сигналов: учебное пособие / О.В. Головин. – М.: Горячая линия – Телеком, 2017. - 783 с.

5.Фриск В.В., Логвинов В.В. Основы теории цепей, основы схемотехники, радиоприемные устройства: лабораторный практикум на персональном компьютере. – М.: СОЛОН-Пресс, 2008. – 608 с.

6.Скрынников В.Г. Радиоподсистемы UMTS/LTE. Теория и практика.

–М.: Спорт и культура – 2000, 2012. - 864 с.

Дополнительная

1. Весоловский К. Системы подвижной радиосвязи / Пер. с польск. И.Д. Рудинского; Под ред. А.И. Ледовского. – М.: Горячая линия – Телеком, 2006. 536 с.

2.Тихвинский В.О., Терентьев С.В., Юрчук А.Б. Сети мобильной связи: технология и архитектура. – М.: Эко-Трендз, 2010 – 284 с.: ил.

3.Логвинов В.В., Фриск В.В. Схемотехника телекоммуникационных устройств, радиоприемные устройства систем мобильной и стационарной радиосвязи, теория электрических цепей: лабораторный

3

практикум – II на персональном компьютере. – М.: СОЛОН-Пресс, 2011. – 656 с.

4.Фриск В.В., Логвинов В.В. Теория электрических цепей, схемотехника телекоммуникационных устройств, радиоприемные устройства систем

мобильной связи, радиоприемные устройства систем радиосвязи и радиодоступа: лабораторный практикум – III на персональном компьютере. — М.: СОЛОН-Пресс, 2016. — 480 с.

5.Проектирование радиоприемных устройств / Под ред. А.П. Сиверса: учебное пособие для вузов. - М.: Советское радио, 1976.

6.Усатенко С.Т., Каченюк Т.К., Терехова М.В. Выполнение электрических схем по ЕСКД: справочник. – М.: Изд-во Стандартов, 1989. – 325 с.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО КУРСУ

1. Общие сведения о РПрУ в системах беспроводного доступа

Способы классификации и структура систем беспроводного доступа. Простейшие радиолинии и сети беспроводного доступа. Локальные и городские сети беспроводного доступа. Микросотовые сети. Глобальные сети мобильной связи. Системы беспроводного доступа малого радиуса действия. Особенности распространения сигнала в сетях беспроводного доступа.

Место радиоприемных устройств в системах беспроводного доступа. Способы организации дуплексного режима в системах мобильной связи, предназначенных для передачи информации. Особенности реализации оконечных терминалов в зависимости от назначения и организации сети.

Классификация радиоприемных устройств по назначению, диапазонам частот, организации многостанционного доступа, видам модуляции и особенностям управления. Следует обратить внимание на проблемы: организации передачи цифрового сигнала в канале, обладающем ограниченной полосой пропускания; достижения скорости передачи сигналов, близкой к предельной, при заданной вероятности ошибки; способов построения сетей МС, обеспечивающих эстафетную передачу мобильного абонента. Показать возможные способы решения перечисленных задач и степень влияния на эффективность системы выбранных видов модуляции и способов обработки сигнала на приемной стороне (согласованная фильтрация, оптимальный прием, корреляционная обработка сигналов).

Структурные схемы приемников базовых видов модуляции: прямого усиления, прямого преобразования, супергетеродинного. Их достоинства и недостатки. Влияние методов многостанционного доступа, способов формирования группового сигнала и обработки на приемной стороне на структурную схему приемника цифровых систем радиодоступа [1, c. 15-17, c. 25-28; 2, c. 12-15; 3, с. 18-64, 138-157; 4, c. 523-531; 5, с. 141-163; 6, c. 21-48, 360-371].

4

Вопросы для самопроверки

1.Укажите особенности распространения сигналов в цифровых сетях беспроводного доступа и возникающие искажения.

2.Какие виды модуляции используются в системах беспроводного доступа?

3.Какой вид имеет функциональная схема трансивера? Назовите назначение отдельных узлов.

4.Начертите и поясните структурную схему радиоприёмника прямого усиления. Его преимущества и недостатки.

5.Начертите и поясните структурную схему супергетеродинного приёмника. Его преимущества и недостатки.

6.Что такое дуплексное разнесение?

7.В чем различие режимов частотного и временного дуплексирования?

частотного разделения каналов ОЧРК (ОFDMА).

9.Начертите и поясните структурную схему приёмника прямого преобразования (гомодинный приёмник). Его преимущества и недостатки.

2. Основные технические показатели РПрУ в системах беспроводного доступа

К основным показателям РПрУ относят: чувствительность, избирательность (селективность), полосу пропускания, шумовые параметры (коэффициент шума и шумовая температура), показатели электромагнитной совместимости, стабильность параметров, надёжность, ремонтопригодность.

Чувствительность РПрУ – это мера способности радиоприёмника обеспечивать приём слабых радиосигналов. Различают чувствительность, ограниченную усилением; чувствительность, ограниченную шумами, и пороговую чувствительность радиоприёмника.

Чувствительностью радиоприёмника, ограниченной усилением, называется чувствительность, определяемая минимальным уровнем радиосигнала на его входе, необходимым для получения заданного уровня сигнала на выходе приёмника.

Чувствительность радиоприёмника, ограниченная шумами, определяется минимальным уровнем радиосигнала на его входе при заданном отношении уровней полезного сигнала и шума и заданном уровне полезного сигнала на выходе радиоприёмника. Пороговая чувствительность определяется минимальным уровнем радиосигнала на входе радиоприёмника при равных уровнях полезного сигнала и шума на его выходе. В диапазонах длинных, средних и коротких волн в реальных условиях чувствительность радиоприёмных

5

устройств ограничивается в основном различными видами индустриальных и атмосферных помех, а в диапазоне СВЧ, характерном для систем подвижной связи, – собственными шумами радиоприёмника

коэффициентом шума.

Такой показатель приемника, как избирательность – способность приемника отделять полезный сигнал от мешающих, может рассматриваться как частотная, пространственная, временнáя и др. Чаще всего используемая частотная фильтрация помех (частотная избирательность) может характеризоваться односигнальной или многосигнальной избирательностью.

Односигнальная избирательность определяется АЧХ фильтров радиотракта приемника без учета нелинейных явлений при действии на входе одного сигнала (либо полезного, либо мешающего). Как известно, АЧХ устройства представляет собой зависимость его коэффициента передачи от частоты. Очевидно, АЧХ радиотракта определяется его резонансными цепями и имеет колоколообразный вид при использовании в качестве фильтрующих звеньев одиночных колебательных контуров. Численно односигнальная избирательность оценивается, как отношение коэффициента усиления

(вероятность ошибки в цифровых системах) в приемниках супергетеродинного типа оказывают селективность по зеркальному каналу Se зк и каналу прямого прохождения Seпр.

Показатель избирательности по соседнему каналу Seск характеризует любой тип приемников и определяется мешающим воздействием соседнего по частоте радиопередатчика, несущая (средняя частота спектра) которого отстоит на расстоянии, равном ширине полосы частот, отводимой радиотракту.

В реальной ситуации на входе приемника, особенно в системах мобильной связи, построенных по сотовому принципу, действует одновременно много сигналов. При этом помехи в полосе рабочих частот могут обладать существенно большей мощностью, чем полезный сигнал. Это приводит к взаимодействию полезного сигнала с продуктами нелинейности, создаваемыми в активном элементе преселектора или смесителя несколькими узкополосными помехами, не входящими в полосу радиотракта. Такие комбинационные составляющие приводят к формированию в полосе радиотракта или в полосе тракта

6

промежуточной частоты комбинационных составляющих. Результатом такого воздействия является резкое возрастание нелинейных искажений, обусловленное интермодуляцией, перекрестной модуляцией, и даже прекращение приема, вызванное блокированием радиотракта. Искажения подобного типа оцениваются многосигнальной избирательностью.

Радиотракт приемника, являющийся аналоговой частью его архитектуры, должен обладать высокой линейностью амплитудной характеристики и постоянством амплитудно-частотной характеристики в полосе рабочих частот. Для снижения уровня интермодуляционных искажений, который оценивается двух - (IIP2 - Input Intercept Point 2) или трехсигнальной (IIP3 – Input Intercept Point 3) селективностью, расширяют динамический диапазон входных каскадов. Под показателем IIP2 понимают точку пересечения продолжения амплитудной характеристики при воздействии полезного сигнала с амплитудной характеристикой, полученной при действии на входе двух внеполосных помех, создающих на входе такую же мощность комбинационной составляющей, как и полезный сигнал.

Допустимый уровень нелинейных и интермодуляционных искажений можно

в качестве активных компонентов малошумящие транзисторы с большей мощностью рассеивания на коллекторе (стоке) или снижая коэффициент усиления. В последнем случае это может приводить к повышению уровня собственных шумов каскада и радиотракта и, как следствие, к снижению чувствительности приемника.

Интегральной оценкой помехоустойчивости цифровой системы и приемника как его составной части является вероятность появления ошибочных битов (BER, Bit Error Rate), предельное значение которой определено в теории потенциальной помехоустойчивости В.А. Котельникова. Огромную роль в повышении достоверности передаваемой информации при одновременном увеличении скорости ее передачи играют применяемые методы модуляции и демодуляции.

Построение оптимальных демодуляторов, обеспечивающих когерентный идеальный прием, являющийся основным методом обработки сигналов в современных системах цифрой радиосвязи, требует высокой стабильности частоты настройки приемника и взаимной синхронизации мобильного оборудования и базовой станции.

Различные показатели радиоприёмника тесно связаны друг с другом. Например, сужение полосы пропускания приёмника и увеличение избирательности приводит к уменьшению уровня помехи и к повышению помехоустойчивости приёма, но в то же время, и к увеличению искажений сигнала. Это указывает на необходимость оптимального выбора их соотношения для заданного технического условия проектирования приемника, обеспечивающего наименьшую вероятность ошибки при заданном отношении сигнал/шум [1, c. 17-25; 2, c. 29-33, 37-76, 138-157; 4, 531-540].

7

Вопросы для самопроверки

1.Дайте определение избирательности по соседнему и зеркальному каналам.

2.С какой целью в радиоприёмниках применяется регулировка полосы пропускания?

3.Как можно увеличить динамический диапазон радиоприёмника?

4.Дайте определение реальной чувствительности радиоприёмника.

5.Что такое интермодуляционные искажения и какова причина их появления?

3. Входные цепи

Основное назначение входной цепи (ВЦ) - это наиболее эффективная передача мощности их антенны на вход первого активного элемента радиотракта и предварительная фильтрация помех от внешних источников.

Снижение уровня внеполосных помех, действующих на входе приемника, достигается включением избирательных цепей (фильтров). Такие цепи, будучи сравнительно широкополосными, мало ослабляют соседний канал. Однако они являются эффективным средством борьбы с зеркальным каналом и каналом прямой передачи, особенно при перестраиваемой конструкции ВЦ.

ВЦ приемников современных цифровых систем связи делаются неперестраиваемыми (принимают всю полосу рабочих частот системы, а не одного канала), что приводит к воздействию на его входе помех, создаваемых другими источниками (например, передатчиками других сот), и, соответственно, к возникновению интермодуляционных искажений. Для уменьшения их воздействия, особенно в первых каскадах, применяют АЭ с большим динамическим диапазоном (в малошумящих входных усилителях и преобразователях).

Антенны приемников сетей мобильной связи, работающих в СВЧ диапазоне, независимо от принадлежности мобильной или базовой станции и их конструкции являются настроенными вследствие достаточно узкой относительной полосы рабочих частот (менее 15-20 %). Отсутствие перестройки таких ВЦ позволяет выполнять их, в зависимости от частотного диапазона, многозвенными фильтрами на дискретных компонентах или фильтрами на поверхностных акустических волнах, обеспечивающих высокую стабильность их

выделяющими достаточно узкую полосу частот, содержащую полезный канал вместе с группой частот соседних, ограничивает число источников мешающего воздействия. Это позволяет принимать более слабые сигналы (повышает чувствительность) и упрощает конструкцию фильтров, часто ограничиваясь одиночными колебательными контурами. Вместе с этим для обеспечения работы

8

в диапазоне частот необходимо усложнять механизм настройки фильтров на требуемый канал, а это, в свою очередь, затрудняет выполнение требования на постоянство коэффициента передачи ВЦ при перестройке по диапазону.

При высоких требованиях к чувствительности приемника и подавлению побочных каналов преобразования приходится использовать несколько простых фильтров, включаемых не только в ВЦ, но и в нагрузку малошумящих усилителей (МШУ), т.е. применять преселектор. Одновременная и одинаковая плавная перестройка всех контуров может осуществляться с помощью механических конденсаторов переменной емкости (КПЕ) или варикапных матриц, обладающих электронной перестройкой. Когда изменение емкости контуров фильтров не обеспечивает перестройку по всему диапазону рабочих частот, применяют его разбиение на поддиапазоны, обычно используя один общий переменный конденсатор и изменяемые дискретно подключаемые к нему индуктивности.

В приемниках супергетеродинного типа, когда в идеальном смесителе осуществляется перемножение напряжений сигнала и гетеродина, в результате чего формируются суммарная и разностная составляющие спектра сигнала, в качестве полезного продукта преобразования обычно выбирается

составляющая разностной частоты f п р , значение которой остается неизменным fпр fг fc сonst при работе в диапазоне частот. В приемниках,

эксплуатирующихся в области средних, высоких и очень высоких частот (от 300 кГц до 300 МГц) это реализуется только при одновременном и одинаковом изменении частот сигнала и гетеродина - перестройкой контуров преселектора и гетеродина. Это требование выполнить достаточно затруднительно из-за существенно отличающихся показателей контуров ВЦ и МШУ (эффективное подавление побочных каналов преобразования) и гетеродина (как можно более высокая добротность для обеспечения чистоты спектра). Одинаковое изменение переменной емкости в контуре ВЦ и гетеродина приводит к вариации значения промежуточной частоты, приводящее к проблеме сопряжения контуров. Точное совпадение fпр fпр0 с центральной частотой

фильтра промежуточной частоты обычно обеспечивается только в трех точках: на границах и в середине диапазона принимаемых частот включением в контуры дополнительных сопрягающих конденсаторов.

Изучая обобщенную теорию одноконтурной ВЦ, обратите внимание на то, что ее частотные свойства определяются в основном АЧХ фильтра. Цепи согласования, подключенные к ее входу и выходу, позволяют выбором их характеристик получать наибольший коэффициент передачи ВЦ (режим оптимального рассогласования) и обеспечивать его постоянство для случая ненастроенной антенны. При перестройке по диапазону ее резонансная частота не должна попадать в рабочий диапазон частот. На практике чаще всего используется трансформаторная связь с антенной (режим удлинения), а также емкостная и автотрансформаторная.

9

Конструктивная реализация перестраиваемых фильтров в преселекторе приемника цифровых систем радиосвязи, работающих в СВЧ диапазоне, оказывается весьма затруднительной, поскольку требует применения связанных полосковых линий или дискретных компонентов с регулируемой резонансной частотой. Поэтому в настоящее время фильтры преселектора выполняются на сосредоточенных компонентах, формирующих АЧХ, близкую к П-образной, без перестройки в рабочей полосе частот. В конструкции таких фильтров, выполненных с применением пьезоэлектрических или композитных материалов, используется явление преобразования электрических колебаний в объемные или поверхностные акустические волны с последующим формированием электрических колебаний, характеристики которых определяются свойствами кристалла и конфигурацией электродов преобразователей. В зависимости от организации системы (с коммутацией каналов или пакетов), радиоканал, выделяемый одному абоненту, может занимать весь частотный диапазон, выделяемый оператору, или его часть. Поэтому фильтры неперестраиваемого преселектора должны обеспечивать, вне зависимости от типа структурной схемы приемника, полосу пропускания системы с запасом 5 ÷ 10 %. При такой конструкции фильтров настройка на нужного абонента (канал) выполняется только перестройкой гетеродина, выполняемого как генератор, управляемый напряжением (ГУН). Изменяющееся по величине постоянное напряжение из цифрового тракта приемника изменяет емкость варикапа, включенного в контур ГУНа, а значит и генерируемую частоту. Вариация частоты гетеродина изменяет значение промежуточной частоты, что позволяет получать на нагрузке фильтра смесителя частоту fc такого абонента из полосы рабочих частот системы, у

которого значение преобразованной частоты fпр fг fc , совпадает с центральной частотой fcр ПФ.

Для настроенной антенны, когда ее сопротивление чисто активное, равное волновому сопротивлению фидера, чаще всего используется режим согласования входа приемника и антенного фидера. Уменьшение мощности собственных шумов приемника, пересчитанных к его входу, добиваются включением на выходе ВЦ малошумящего усилителя, снижающего влияние последующего каскада (обычно ПрЧ, обладающего существенно большим коэффициентом шума). При высоких требованиях к чувствительности приемника применяют не режим согласования по мощности, а режим согласования по шумам [1, c. 41-73; 2, c. 280-292, 302-317, 375-417; 4, c. 541-562; 5, 435-472].

Вопросы для самопроверки

1.Нарисуйте эквивалентные схемы приёмных антенн.

2.Каковы основные способы перекрытия диапазона частот?

3.Каковы особенности построения входных цепей при использовании настроенных и ненастроенных антенн?

4.Каковы основные схемные решения входных цепей и их сравнительные характеристики?

10