курсач / материалы / Радиоприемные_устройства_систем_радиосвязи_и_радиодоступа_1_2_16

5.Какова конструкция антенн базовых станций? Назовите способы повышения эффективности выделения полезного сигнала.

6.Поясните назначение входного радиочастотного модуля и варианты его построения.

7.Зачем применяется дуплексер?

8.В каких случаях необходимо применение дуплексера?

4.Усилители радиосигналов

Всупергетеродинных приемниках базовых видов модуляции усилители радиосигналов входят в состав преселектора, т.е. используются для усиления сигналов высокой частоты и включаются до ПрЧ, а также усилители сигнала промежуточной частоты (на выходе ПрЧ). В перестраиваемых преселекторах они реализуются как резонансные усилители, амплитудно-частотная характеристика которых определяется свойствами фильтра, нагружающего усилитель. Усилители радиочастоты (УРЧ), входящие в состав перестраиваемого преселектора, обычно используют фильтр, идентичный фильтрам ВЦ и малошумящего усилителя (МШУ), резонансная частота которого должна изменяться одинаково и одновременно с контуром ВЦ.

При неперестраиваемой конструкции преселектора фильтры ВЦ, МШУ и УРЧ выполняются с АЧХ, близкой к прямоугольной (П–образной) и центральной частотой, совпадающей с серединой принимаемого диапазона частот системы. Вне зависимости от способа реализации преселектора его фильтрующие системы при реализации приемника с использованием супергетеродинной архитектуры

должны обеспечивать требуемое подавление ЗК fЗК и канала прямой передачи fпр . Ослабление соседнего канала (СК) в преселекторе весьма незначительно

вследствие близкого расположения fСК к частоте полезного сигнала fс и

широкополосности применяемого фильтра. При высоких требованиях к чувствительности приемника тракт преселектора может включать не один, а два каскада усиления сигнала высокой частоты, и к первому каскаду, называемому малошумящим усилителем (МШУ), предъявляются особые требования к величине коэффициента шума – он должен быть минимальным.

Современная структура тракта промежуточной частоты обычно использует способ сосредоточенной фильтрации (подавления) соседнего канала, когда полосовой фильтр с П-образной АЧХ используется в качестве нагрузки ПрЧ или первого каскада усилителя промежуточной частоты (УПЧ). В качестве полосовых фильтров тракта промежуточной частоты в зависимости от значения

поверхностных акустических волнах (ПАВ). В мобильных терминалах, обладающих малыми размерами, нашли широкое применение фильтры на ПАВ с низким внутриполосным и значительным внеполосным ослаблением, обладающих одновременно сравнительно малой стоимостью и высокой повторяемостью характеристик. Включение таких фильтров в нагрузку

11

преобразователя частоты, усилителя промежуточной частоты (одного или нескольких) обеспечивает необходимое подавление СК SeСК, а остальные усилители тракта промежуточной частоты реализуются как резистивные.

При использовании распределенной фильтрации СК, когда при дискретной реализации всех каскадов УПЧ в нагрузку включаются одиночные колебательные контуры (или пары связанных ОКК), обеспечивается широкополосность радиотракта и высокая линейность фазо-частотной характеристики тракта промежуточной частоты. Одновременно это уменьшает количество усилителей в тракте промежуточной частоты ТПЧ (обеспечивает максимальный коэффициент усиления на каскад) с сохранением высоких фильтрующих свойств.

Наибольшее усиление резонансного усилителя достигается при выполнении условия максимального рассогласования (равенство внесенной в

требуемого усиления радиотракта, как при дискретной, так и при интегральной реализации приводит к появлению неустойчивости усиления (недопустимое изменение АЧХ в полосе пропускания), вызываемое проводимостью обратной передачи в АЭ (транзисторе). Результирующая входная проводимость каждого каскада обладает сильной неравномерностью АЧХ, вызванной нелинейными свойствами цепи обратной комплексной проводимости Y12 внутри транзистора собственного каскада. Поскольку источником входного сигнала для каждого каскада является нагрузка предыдущего каскада, эквивалентная проводимость которого включает внесенную входную проводимость следующего каскада, создаваемую проводимостью обратной передачи Y 12 АЭ, обладающую частотной зависимостью. Складываясь с проводимостью источника сигнала, она вызывает деформацию АЧХ входного (предыдущего) каскада, т.е. входная проводимость последующего каскада, зависящая в основном от нелинейности внутренней проводимости АЭ, искажает АЧХ предыдущего.

Следует отметить, что чем выше проводимость внутренней ОС, например для БТ это емкость коллекторно-базового перехода Скб и его сопротивление rкб, тем сильнее взаимное влияние каскадов и выше частотные искажения сигнала в каскаде и в радиотракте в целом. Мерой допустимого изменения проводимости

источника сигнала, вызываемого внесенной проводимостью внутренней ОС, является коэффициент устойчивости kуст. Изучите методы повышения устойчивости резонансных усилительных каскадов (снижения частотных искажений), вызванных внутренней ОС в АЭ.

Обратите внимание на особенности построения усилителей СВЧ полосковой конструкции, а также на способы повышения устойчивости каскада: перевод транзистора из области потенциальной устойчивости в область безусловной устойчивости [1, с. 74-90; 2, c. 548-589; 4, с. 380-394; 5, c. 586-619].

12

Вопросы для самопроверки

1.Какие каскады радиотракта и каким образом обеспечивают избирательность по ЗК?

2.Изобразите принципиальную схему резонансного усилителя (РУ) и объясните назначение компонентов.

3.Запишите выражение для резонансного коэффициента усиления РУ.

4.Каковы условия обеспечения максимального коэффициента усиления РУ?

5.Какие узлы каскады радиотракта обеспечивают подавление СК?

5. Преобразователи частоты

Среди различного типа преобразователей (умножителей, делителей, квадраторов и др.) в РПрУ нашли широкое применение преобразователи частоты, назначение которых – перенос спектра принятого (аналогового) сигнала в новую радиочастотную область с сохранением параметров модуляции, что характерно для приемников супергетеродинного типа. В частном случае приемником прямого преобразования осуществляется перенос принятого сигнала с частотой несущей fc (центральной частотой) из области радиочастот на нулевую частоту (постоянную составляющую).

Перенос спектра из одной частотной области в другую может осуществляться только с применением нелинейного элемента или компонента, параметр которого (например, проводимость) периодически изменяется.

Необходимо усвоить предпосылки и ограничения при описании свойств ПрЧ на основе линейной теории, справедливой лишь при малом уровне входного сигнала, что в общем соответствует реальным условиям эксплуатации. Признаком линейности ПрЧ является отсутствие в спектре его выходного тока гармоник частоты входного сигнала fc и промежуточной частоты fпр.

Кроме полезного эффекта преобразования, включение ПрЧ в структуру радиотракта приводит к появлению побочных каналов приема, вызванных включением в радиотракт преобразователя. Отличительной особенностью таких каналов является то, что сосредоточенные помехи, действующие на их частотах на входе ПрЧ, после перемножения в смесителе с гармониками напряжения гетеродина (в том числе с постоянной составляющей) формируют комбинационные составляющие, попадающие в полосу пропускания фильтра в тракте промежуточной частоты.

Наиболее опасным является зеркальный канал, расположенный на оси частот fзк зеркально по отношению к частоте гетеродина и являющийся «отражением» полезного сигнала. Борьба с побочными каналами приема, вызванными введением в радиотракт смесителя, проводится в преселекторе выбором параметров фильтров, обеспечивающих требуемое подавление ЗК.

Это же относится и к каналу прямого прохождения – помехи с частотой fпр, которая при попадании на вход смесителя усиливается в нем (при реализации

13

ПрЧ на транзисторах) и преобразуется. Учитывая, что помеха на частоте fпр, для СМ в первую очередь реализует режим усиления, в выходном токе смесителя составляющая канала прямого прохождения оказывается самой мощной по сравнению с комбинационными составляющими, являющимися продуктами преобразования. Отсюда следует, что при проектировании приемника необходимо выбирать промежуточную частоту fпр из области значений, где нет работающих радиопередатчиков, и принимать меры к подавлению такого канала до смесителя. Область возможных значений промежуточной частоты находят по номограммам, где потенциально опасные комбинационные составляющие таких каналов fзк, fпр не формируются.

По этой причине выбор промежуточной частоты является важным моментом при проектировании РПрУ. При существовании возможности выбора fпр, ее увеличение упрощает подавление ЗК, которое реализуется в преселекторе, но при этом усложняется задача подавления СК. Поэтому при высоких требованиях на подавление побочных каналов преобразования fзк, fпр и приема fск это решается применением двухили трехкратного преобразования частоты входного сигнала.

В преселекторе (при высокой первой промежуточной частоте) легко реализуется подавление ЗК, а низкая вторая промежуточная частота упрощает фильтрацию СК и уменьшает число усилительных каскадов в радиотракте. Приемники мобильных систем радиосвязи и радиодоступа выполняются с неперестраиваемым преселектором с шириной полосы пропускания большей радиотракта, выделяемого одному абоненту в полосе частот модуляции - основных частот (Base Band). Полоса частот, выделяемая системе, существенно больше полосы радиотракта (ТПЧ на минимальной промежуточной частоте) и сохраняется такой же после первого преобразования (на частоту fпр1). Это вызывает опасность попадания на вход второго преобразователя, кроме полезного продукта преобразования, комбинационных составляющих, являющихся для него частотами побочных каналов преобразования (по второй промежуточной частоте - fпр2). Следует изучить схемы и принципы работы и особенности ПрЧ на транзисторах; отметить преимущества ПТ, позволяющего уменьшить число побочных каналов преобразования и продуктов преобразования в выходном токе ПрЧ.

Активное использование диодных преобразователей в диапазоне СВЧ обусловлено малым уровнем собственных шумов диодов и малым значением емкости p-n перехода, что позволяет использовать их в СВЧ диапазоне частот, а низкий коэффициент передачи СМ обеспечивает больший, по сравнению с транзисторными ПрЧ, динамический диапазон. Использование балансных схем ПрЧ снижает уровень шумов гетеродина и уменьшает число составляющих продуктов преобразования.

Широкое распространение в приемниках систем радиосвязи и радиодоступа получили преобразователи на основе дифференциальных транзисторных пар. Построенные на базе БТ и в последнее время на МОП

14

транзисторах, балансные смесители, реализованные по схеме ячейки Гильберта, на МОП транзисторах успешно применяются на частотах до 30-40 ГГц.

Необходимо изучить принцип действия и структуру таких преобразователей

[1, с. 131-169; 2, c. 675-725; 3, с. 58-69; 4, с. 351-380; 5, c. 472-512; 6, c. 31-59].

Вопросы для самопроверки

1.Каков принцип построения преобразователей частоты?

2.Поясните назначение гетеродина в преобразователях частоты.

3.Что такое крутизна преобразования?

4.Каковы условия линейного по сигналу преобразования частоты и к чему приводит нелинейность ПрЧ по сигналу?

5.Что понимается под частотной характеристикой ПрЧ?

6.Поясните принцип балансного преобразователя частоты. Каковы преимущества балансных (кольцевых) ПрЧ?

7.Поясните принципы построения универсальных аналоговых перемножителей сигналов; покажите преимущества управляемых напряжением дифференциальных делителей тока.

6. Детекторы радиосигналов

На выходе линейного тракта (радиотракта) включается детектор (обнаружитель), являющийся преобразователем частоты, формирующим спектр сигнала основной полосы (действующего на входе модулятора передатчика). В аналоговых системах базовых видов модуляции основой такого преобразователя является амплитудный детектор.

Амплитудный детектор (АД) предназначен для детектирования амплитудно-модулированных (АМ) колебаний. Для оценки его эффективности введены технические показатели, которые свойственны и другим типам детекторов: характеристика детектирования, коэффициент передачи, коэффициент линейных и нелинейных искажений, входное и выходное сопротивления и др.

Изучите работу детектора с точки зрения временного и спектрального описания процессов формирования на его нагрузке напряжения, пропорционального огибающей входного сигнала. Сравните по построению и показателям схемы последовательного и параллельного АД. Изучите причины возникновения нелинейных искажений в АД и способы их уменьшения.

Детекторы аналоговых сигналов с угловой модуляцией перед их обработкой в АД предварительно выполняют преобразование: вариации мгновенной частоты или фазы входного напряжения в изменение амплитуды напряжения или тока на его выходе и последующее амплитудное детектирование. В фазовом детекторе формирование напряжения с изменяющейся амплитудой выполняется сравнением выходного напряжения преобразователя с опорным и созданием напряжения, пропорционального разности фаз опорного генератора и принятого сигнала, а в частотном - частот.

15

Для снижения искажений, возникающих в детекторах сигналов с угловой модуляцией, обусловленных амплитудно-фазовой конверсией, на их входе обычно включают амплитудный ограничитель, устраняющий паразитную АМ. Необходимо ознакомиться со схемными решениями и уметь объяснять принципы работы таких устройств.

В аналоговых системах мобильной связи (NMT, AMPS) и в цифровых системах второго поколения применялась частотная манипуляция (FSK) и ее разновидности с последующей обработкой сигнала в приемнике с помощью частотных дискриминаторов. При некогерентной обработке сигнала в сверхширокополосной системе UWB может применяться детектор огибающей.

Для повышения помехозащищенности системы и увеличения скорости передачи в цифровых системах связи применяются специально разработанные виды манипуляции частотной и фазовой. В системах второго поколения (GSM) могут применяться как некогерентные, так и когерентные (синхронные) демодуляторы. Последние, требующие для детектирования принимаемого сигнала точного значения его фазы, обеспечивают меньшую вероятность ошибки, но более сложны в реализации.

В системах широкополосного доступа и сотовых системах третьего и четвертого поколений преобразование сигнала с последней промежуточной частоты в область частот модуляции проводится с применением I/Q демодуляторов. Квадратурные I/Q демодуляторы, обладающие симметричной структурой, формируют на своих выходах две ортогональные импульсные последовательности комплексной огибающей (синфазную и квадратурную). После их суммирования и принятия в пороговом устройстве решения о принятом логическом нуле или единице в АЦП формируется цифровая последовательность, которая обрабатывается одним из методов оптимального декодирования (обычно Витерби). Только после обработки пакета импульсной последовательности принимается решение о значении принятого символа:

логический нуль или единица [1, c. 170-227; 2, c. 725-763; 4, c. 122-158; 5, c. 619-654; 6, c. 31-41].

Вопросы для самопроверки

1.Что такое детекторная характеристика АД? Как она зависит от сопротивления нагрузки и почему?

2.Объясните принцип действия диодного АД с временной и спектральной точек зрения.

3.Как определяется, чему равен и от каких параметров зависит коэффициент передачи диодного АД с линейно – ломаной ВАХ без начального смещения?

4.Поясните принцип действия синхронного АД.

5.Объясните назначение АО при детектировании сигналов с угловой модуляцией.

6.Поясните принцип действия ЧД с кварцевым резонатором.

16

сигналов с двухуровневой модуляцией.

7. Ручные и автоматические регулировки в радиоприемнике

Регулировкам в приемнике могут подвергаться все параметры сигнала: амплитуда, частота и фаза. По способам регулирования различают: ручные, автоматические и дистанционные регулировки. Регулировки применяются в трактах радиочастоты (высокой частоты), промежуточной частоты, последетекторной части и тракте синтеза частот. Ручные (чаще всего это технологические регулировки) применяются на этапе настройки аппаратуры для обеспечения выбранного (оптимального по каким-либо параметрам) режима, а автоматические – поддерживающие этот режим. В некоторых случаях трудно отказаться от ручных регуляторов, например, регуляторов тембра, полосы пропускания в студийной аппаратуре.

Автоматическая регулировка усиления (АРУ) - один из наиболее эффективных способов поддержания постоянства усиления радиотракта, особенно в сотовых системах мобильной связи, когда сигнал в радиоканале подвергается изменениям из-за многолучевости распространения, замираний, перемещения в пространстве одного из абонентов и других факторов.

Разберите наиболее применяемые способы регулирования усиления. В системах сотовой связи подобную функцию выполняет система управления уровнем принимаемого сигнала (RSSI, Receive Signal Strength Indicator),

совмещая ее с управлением хендовером.

Дистанционное регулирование усиления осуществляется с применением электромеханических либо электронных устройств [1, c. 233-253, 289-293; 2, c. 780-787; 4, c. 567-597; 5, c. 512-586].

Вопросы для самопроверки

1.Какие способы регулировки усиления резонансного усилителя вы знаете?

2.Каким образом осуществляется режимная регулировка коэффициента усиления усилителя и каковы её преимущества и недостатки?

3.Изобразите схему и объясните возможные способы изменения коэффициента усиления дифференциального каскада.

4.Поясните, какие способы регулирования усиления применяются в ИМС К174ХА2?

5.Что общего между ЧАПЧ и ФАПЧ и чем отличаются эти системы друг от

друга?

6.Нарисуйте функциональные схемы различных видов систем автоматической подстройки частоты (АПЧ). Поясните принцип их работы.

17

8. Электромагнитные помехи и методы их ослабления

Помехой называется любое постороннее воздействие на РПрУ, не относящееся к полезному сигналу и препятствующее его правильному приему. Источники и природа помех очень разнообразны и могут создаваться внешними источниками электромагнитных излучений (природными явлениями, генераторами, посторонними радиопередающими устройствами и др.), а также создаваться внутри приемных устройств (тепловые шумы, наводки, пульсации источников питания, шумы АЭ и др.).

Для снижения влияния помех применяют методы, основанные на различии свойств сигнала и помех. Например, для борьбы с сосредоточенной (узкополосной) помехой применяют подавление сигналов с помощью фильтров, дополнительно используя антенны с узкой диаграммой направленности (пространственная селекция) и поляризационные свойства полезного сигнала. Для борьбы с многолучевостью в системах фиксированной и мобильной связи применяют методы разнесенного приема и накопления сигналов, которые активно применяются в системах радиосвязи и радиодоступа, внедрением технологии MIMO (нескольких передающих и приемных антенн, формирующих ортогональные сигналы на входе приемника).

Одновременно повышают помехоустойчивость сигнала: переход от аналоговой к цифровой форме передаваемых сообщений, применение более совершенных методов модуляции с низким пик-фактором, введение защитных промежутков на длительности символа, снижающих влияние межсимвольной интерференции. Использование для передачи сигналов с шумоподобным спектром и низким уровнем мощности (WCDMA, UWB) позволяет установкой в приемнике защиты от перегрузок, амплитудных ограничителей эффективно вести борьбу с импульсными и сосредоточенными помехами. Применение корреляционного приема или согласованной фильтрации почти полностью устраняет проблему многолучевости, а системы контроля текущего значения коэффициента передачи канала позволяют адаптировать параметры приемника с учетом свойств канала.

Рассмотрите вопросы оптимизации характеристик приемника при приеме импульсных сигналов на фоне флуктуационных шумов [1, c. 368-403, 419-438; 2, c. 236-265; 4, c. 615-634; 6, c. 56-71].

Вопросы для самопроверки

1.Назовите основные виды помех радиоприёму и проведите их классификацию.

2.Какие существуют методы борьбы с импульсными помехами?

3.Как можно бороться с замираниями сигнала?

4.Дайте определение понятию «сосредоточенная помеха». Как с ней бороться?

5.Каковы причины возникновения медленных и быстрых замираний?

6.Поясните принцип комбинирования сигналов при макроскопическом разнесении.

18

9. Особенности радиоприемных устройств СРсиРд различных стандартов

Архитектура приемников СРсиРд определяется их назначением, диапазоном рабочих частот и характеристиками принимаемых сигналов. Следует усвоить, что приемники систем фиксированной связи чаще всего реализуют принцип «точка-точка», используя выделенную абоненту полосу частот (временной интервал). Cвязь между оконечными устройствами в системе РсиРд организуется в физическом канале и передаче информации пакетным способом. При этом предоставляемая каналу полоса частот или временного интервала, выделяемого для организации связи, в процессе сеанса связи может изменяться по некоторому алгоритму или в зависимости от состояния канала.

Системы мобильной связи, изначально разрабатывавшиеся для передачи речевых сигналов, в настоящее время предоставляют широкий спектр услуг (передача данных, мультимедиа, интернет). Существенно снизился уровень мощности, излучаемой передатчиком, и мощность сигнала на входе приемника близка к мощности собственных шумов.

Одной из самых важных задач при построении приемника мобильных терминалов является снижение потребляемей мощности, которая в настоящий момент определяется в основном мощностью, расходуемой в цифровом тракте.

Методом, значительно увеличивающим помехоустойчивость каналов связи в условиях многолучевого распространения сигналов, является технология с применением нескольких антенн MIMO (множественный вход-множественный выход). Ему присуще использование «интеллектуальных антенн», пространственно-временнóго кодирования и поляризационного разделения сигналов [1, c. 419-438; 2, c. 177-233, 254-270; 3, с. 242-259, 271-277, 289-330; 4, c. 650-657, 664-713].

Вопросы для самопроверки

1.Какие виды сигналов используются в сотовых системах различных стандартов?

2.Изобразите структурную схему приемной части терминала стандарта WCDMA, объясните назначение отдельных узлов.

3.Поясните принципы комбинирования сигналов как метода борьбы с медленными замираниями.

4.Изложите суть технологии пространственно-временного кодирования.

19

Примерное содержание лекций

Лекция 1 (2 ч.) Общие сведения о РПрУ в системах СРсиРд. Основные технические показатели РПрУ систем беспроводной связи.

Лекция 2 (2 ч.) Входные цепи. Усилители радиосигналов.

Лекция 3 (2 ч.) Преобразователи частоты. Детекторы радиосигналов. Лекция 4 (2 ч.) Ручные и автоматические регулировки в радиоприемниках. Лекция 5 (2 ч.) Электромагнитные помехи и методы их ослабления.

Особенности радиоприемных устройств СРсиРд различных стандартов.

Содержание практических занятий

Занятие 1 (2 ч.) Особенности формирования сигнала при использовании технологии OFDM.

Занятие 2 (2 ч.) Особенности структурной схемы приемника супергетеродинного типа при использовании технологии OFDM.

Занятие 3 (2 ч.) Расчет параметров фильтрующих систем радиотракта приемника, обеспечивающих подавление зеркального и соседнего каналов.

Занятие 4 (2 ч.) Расчет шумовых показателей приемника, обеспечивающих требуемую чувствительность приемника при заданном отношении С/Ш (коэффициенте различимости).

Занятие 5 (2 ч.) Выбор ИС для обеспечения показателей приемника, удовлетворяющих ТЗ. Составление окончательной структурной схемы приемника.

Содержание практикумов

1.Исследование транзисторного резонансного усилителя.

2.Исследование преобразователя частоты на биполярном транзисторе.

3.Исследование детектора (одного из видов).

20