курсач / материалы / Радиоприемные_устройства_систем_радиосвязи_и_радиодоступа_1_2_16

называется преселектором и может использовать в качестве нагрузки усилителей простые фильтрующие цепи, и обеспечивать полосу пропускания не менее, чем полоса частот, выделенная системе. Приемники современных трансиверов АТ и БС систем радиосвязи и радиодоступа обычно выполнены с неперестраиваемым преселектором с настройкой фильтрующих устройств на среднюю полосу частот

системы fсрcис.

Малошумящий усилитель МШУ и усилитель радиочастоты УРЧ могут выполняться избирательными, использующими фильтр как элемент нагрузки усилителя, с характеристиками, идентичными фильтру ВЦ. Это упрощает конструкцию преселектора и снижает стоимость его реализации. Свойство линейности структуры радиотракта позволяет рассчитывать АЧХ преселектора как произведение коэффициентов передачи отдельных каскадов, в том числе, и при использовании резонансного контура как простейшего фильтрующего элемента. Количество фильтров определяется требованиями на подавление зеркального канала и канала прямого усиления.

При выборе ИС усилителей следует обратить внимание на возможность применения их в заданном рабочем диапазоне и величину коэффициента шума

NF. Это особенно важно для каскада МШУ, где NFМШУ должен быть минимальным (порядка одного дБ), поскольку он в основном определяет

реальный (результирующий) коэффициент шума всего радиотракта NFр.

Другим важным показателем усилителей преселектора является их динамический диапазон, который косвенно определяется точкой IIP3 (Intercept Input Point 3) пересечения амплитудной характеристики, вызванной действием на входе каскада двух мощных помех с продолжением идеальной амплитудной характеристики каскада [2, рис. 5.16]. Если воздействие помех fп1, fп2 формирует на активном компоненте каскада составляющую вида fп ≈ fп1 ± 2fп2 = 2fп1 ± fп2 , создающую помехи на выходе каскада, близкие к частоте входного сигнала или зеркального канала, это указывает на возникновение интермодуляционных искажений третьего порядка. Значение IIP3, пересчитанное к входу, характеризует динамический диапазон каскада и степень защиты от интермодуляционных искажений (ИМИ) третьего порядка. Выбор ИС каскадов МШУ и УРЧ, обладающих широким динамическим диапазоном (большое значение IIP3) при высоком значении коэффициента усиления каскада по мощности Кр, обеспечивает одновременно снижение опасности возникновения ИМИ и уменьшение реального коэффициента шума

NFр.

Смеситель СМ перемножает напряжения полосы частот системы LTE со средней частотой fcр сис и гармоническим напряжением, создаваемым внешним источником (гетеродином Г1) с частотой fг, значение которой определяется рабочим диапазоном системы и выбранной промежуточной частотой fпр.

Напряжение от любого источника электромагнитных колебаний, принадлежащего полосе частот выделенной системы, в том числе рабочей полосе частот канала Пк, в смесителе (СМ) перемножается с напряжением, создаваемым гетеродином ГУНом (генератором, управляемым напряжением),

41

создавая новую (комбинационную) составляющую входного воздействия. Когда средняя частота преобразованной составляющей fпр оказывается равной средней частоте полосового фильтра – фильтра сосредоточенной избирательности

(ФСИ), то на его выходе появляется напряжение полезного канала fc, преобразованного на промежуточную частоту fпр.

Настройка приемника на среднюю частоту fc полосы частот, выделенной оператору Пк, выполняется изменением частоты генератора Г1, входящего в структуру преобразователя частоты (ПрЧ), управляемого напряжением Ерег, поступающего из цифрового тракта (ЦТ).

Для того чтобы выделить полосу частот канала АТ, принимаемый опорный сигнал, входящий в структуру преобразованного сигнала, подвергается корреляционной обработке в цифровом сигнальном процессоре ЦСП (рис. 6). Когда на входе ЦСП действует опорный сигнал, структура которого совпадает с идентификационным номером ячейки и АТ, то на выходе ЦСП появляется корреляционная функция, что указывает на прием сигнала от активной БС. Если на выходе ЦСП не формируется корреляционная функция, то с выхода ЦТ на ГУН подается управляющее напряжение Ерег, которое изменяет емкость варикапа контура ГУНа и, соответственно, генерируемой частоты. Такое сканирование полосы принимаемых частот системы продолжается до момента появления на выходе ЦСП корреляционной функции, указывающей на совпадение «адреса» АТ в полученном сигнале и идентификационного номера, хранящегося в АТ.

Включение в структуру радиотракта приемника смесителя (СМ) приводит к формированию побочных каналов приема на частотах: fк , fк1, fк2, fк3 и др., которые создают помехи основному каналу. Появление воздействий на указанных частотах на входе СМ всегда приводит к возникновению в выходном токе СМ комбинационной составляющей на промежуточной частоте fпр . Такие

воздействия от мешающих (побочных) каналов создают на частоте fпр составляющую, как и от принятого полезного сигнала fс. Среди частот

гетеродина или fс = fг + fпр - при нижней. Одновременное воздействие полезного

сигнала на частоте fс и на частотах побочных каналов приводит к возникновению на выходе СМ биений между несущими полезного сигнала, преобразованного на fпр , и любого побочного канала приема, также преобразованного на fпр с

небольшим отличием в значениях преобразованных каналов. Кроме биений это может приводить к прослушиванию одновременно двух радиостанций или подавлению полезного сигнала мощным мешающим. Наибольшую опасность представляет зеркальный канал (ЗК), отстоящий на оси частот на 2 fпр от частоты

полезного сигнала fс и, расположенный симметрично относительно частот гетеродина fг . Для подавления таких каналов, вызванных включением СМ в

радиотракт приемника, применяют радиочастотные фильтры преселектора (входная цепь, МШУ, усилитель радиочастоты (УРЧ)).

42

помехи на частотах: fп = fс ± Пк, где Пк – полоса частот, выделенная каналу. Такие каналы подавляются в основном в тракте промежуточной частоты, что вызвано низкими фильтрующими свойствами преселектора. Составляющие соседнего канала, перенесенные в тракт промежуточной частоты, подавляются фильтрами промежуточной частоты, устанавливаемыми на выходах ПрЧ и/или УПЧ. Эти фильтры должны обеспечить требуемую полосу пропускания радиотракта при заданной неравномерности и селективности по зеркальному и соседнему каналам.

Каждому оператору выделяется часть полосы частот всей системы fсис, полоса канала шириной Пк , которая должна быть не меньше ширины полосы частот тракта промежуточной частоты (ТПЧ). Полоса частот полезного сигнала Пк со средней частотой fc при супергетеродинной структуре приемника из полосы частот системы переносится в более низкую область частот со средним значением fпр = fc - fг . Это может происходить при нижней настройке частоты гетеродина (fг < fc), когда fc > 1000 МГц, и при верхней настройке гетеродина (fc < 1000 МГц), когда fпр = fг - fc. Выбор пониженной промежуточной частоты fпр по сравнению с частотой сигнала fc повышает устойчивость каскадов радиотракта.

Исходя из практических соображений значение промежуточной частоты следует выбирать в интервале значений 70÷400 МГц, что существенно облегчает подавление ЗК Seзк и канала прямого усиления Seпч. Практически, для выбора fпр необходимо обращаться к сайтам производителей ИС усилителей, фильтров, что гарантирует отсутствие побочных каналов преобразования в спектре преобразованного на активных компонентах МШУ, УРЧ, СМ.

Полосовой фильтр (ФСИ) на выходе СМ выделяет полосу рабочих частот радиотракта, одновременно обеспечивая частичное подавление соседнего канала Seск. Степень подавления СК определяется по АЧХ полосового фильтра при отстройке относительно средней частоты фильтра на величину, равную полосе частот Пк, отводимой оператору сети.

Конструкция полосового фильтра может быть реализована в зависимости от

элементов или полосковых линий требуемая форма АЧХ фильтра обеспечивается подбором физических размеров отрезков полосковых линий или значений дискретных компонентов фильтра и степени индуктивной или емкостной связи меду ними.

Выбор дискретных фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ), обладающих малыми потерями в полосе прозрачности и коэффициентом прямоугольности, близким к единице, опирается на свойства АЧХ фильтра,

применимости фильтра на ПАВ являются значение центральной частоты, ширина полосы пропускания и степень подавления СК. При этом ширина полосы прозрачности фильтра по уровню минус 3 дБ должна быть не меньше полосы частот, занимаемой сигналом, и одновременно не превышать ее больше, чем на 10÷15 %. Обычно требование технического задания Seск на подавление СК не обеспечивается одним фильтром (ФСИ), включенным на выходе СМ. Необходимое значение Seск (по ТЗ) можно обеспечить дополнительным включением в тракте промежуточной частоты одного или двух усилительных каскадов (УПЧ), нагруженных на фильтр ПАВ с идентичными характеристиками.

Сигнал на выходе фильтра УПЧ представлен в параллельной форме, каждая поднесущая которого модулирована ресурсными элементами различных OFDM символов (рис. 3).

Выравниватель (эквалайзер) мощности отдельных поднесущих устраняет потенциальную опасность появления межсимвольной интерференции из-за подавления слабых составляющих. Одновременно удаляется циклический префикс, поскольку в процессе выполнения дискретного преобразования Фурье участвует не весь OFDM символ, а только ортогональные поднесущие, переносящие информацию.

Для восстановления ортогональности поднесущих входного сигнала, утерянной из-за воздействия помех в радиоканале, необходимо сигнал с выхода эквалайзера преобразовать из параллельной формы в последовательную. Пропустив такой сигнал через фильтр Найквиста (рис. 4), с АЧХ типа приподнятого косинуса RC , идентичного применяемому на передатчике БС, получаем отклики на его выходе, обладающие ортогональностью в частотной области и пониженной межсимвольной интерференцией.

Цифровой сигнальный процессор (ЦСП) программными средствами вместе с дискретным преобразованием Фурье (ДПФ) выполняет демодуляцию входного сигнала. Перед выполнением преобразования Фурье проводится восстановление параллельной формы сигнала для подачи конкретной поднесущей на «свой» I/Q демодулятор. Перемножая его с ортогональными составляющими генератора некоторой поднесущей или выполняя эту процедуру программными средствами, на выходе демодулятора получаем ортогональную цифровую последовательность подканала.

Вместе с тем, это не устраняет возможность схемотехнической реализации квадратурного демодулятора с использованием традиционных схем перемножителей и генераторов. Затем сигнал, состоящий из символов синфазной xI(t) и квадратурной xQ(t) составляющих, поступает в сумматор. Символьные последовательности на выходе каждого сумматора преобразуются в двоичные ортогональные последовательности отдельных подканалов в аналого-цифровом преобразователе (АЦП).

Усилители в радиотракте приемника, кроме МШУ, могут быть охвачены системой автоматического регулирования усиления (АРУ). Это позволяет обеспечивать постоянство напряжения (примерно, 0,5÷1 В) на входе АЦП

44

(выходе ЦСП), реализованного схемотехническими или программными средствами, при различной мощности сигнала, действующего на входе АТ.

Как отмечалось раньше, гетеродин (Г1) формирует гармоническое напряжение, частота которого определяется постоянным напряжением Ерег, поступающим из ЦТ. Управляющее напряжение из ЦТ изменяет емкость варикапа, включенного в контур ГУНа, и варьирует резонансной частотой контура и, соответственно, частотой генерации.

2.2. Расчет полосы пропускания и выбор промежуточной частоты радиотракта

2.2.1. Расчет характеристик радиотракта

Методика расчета радиотракта приемника, изложенная ниже, предполагает, что при проектировании будет использована структура приемника

супергетеродинного типа с однократным преобразованием частоты входного сигнала, обладающая минимальным числом каскадов в радиотракте (рис. 7).

Рисунок 7

Расчет полосы пропускания согласованного фильтра. Применяемый в системах радиодоступа с технологией OFDM способ формирования в передатчике радиосигнала с большим числом несущих и ограниченной полосой должен одновременно обеспечивать их взаимную ортогональность. Это достигается включением фильтра Найквиста в радиотракте передатчика БС. Ширина полосы пропускания такого фильтра с характеристикой приподнятого

Компенсация предварительной коррекции, выполненной в передатчике, происходит с помощью согласованного фильтра (СФ, рис. 7), включенного на выходе ПрЧ радиотракта приемника АТ. Такая процедура позволяет получить частотную характеристику радиоканала с цепями коррекции, близкой к П-образной, и импульсной реакцией вида sin x / x в полосе частот системы. Это

45

достигается при равенстве ширины полосы пропускания фильтра Найквиста (1), включенного на выходе преобразователя «вверх» передатчика, и полосы

пропускания согласованного фильтра (СФ) приемника (рис. 7) ПСФ ПФН .

Расчет полосы пропускания преселектора. Исходя из конструктивных соображений, в СВЧ диапазоне выбирают не перестраиваемый преселектор, центральная частота которого совпадает со средней частотой сиcтемы fср сис ( fс макс fс мин ) / 2 . Такой преселектор должен обладать полосой пропускания,

обеспечивающей прием полосы частот всей системы

Расчет полосы пропускания тракта промежуточной частоты. Это часть радиотракта приемника с наименьшей (при использовании структурной схемы с несколькими преобразованиями частоты) промежуточной частотой. Реальная ширина полосы пропускания радиотракта приемника АТ, реализуемого по супергетеродинной схеме, вычисляется как сумма ширины полосы частот, занимаемой спектром сигнала, удвоенного допплеровского смещения частоты

Допплеровское смещение частоты принимаемых от базовой станции сигналов на входе приемника АТ, который перемещается с радиальной

значениями нестабильности частот сигнала, гетеродина и неточности настройки на ПЧ, которые могут быть взяты из табл. 3.

Таблица 3

Расчёт полосы запаса осуществляется для наихудшего случая, поэтому в качестве номиналов частот сигнала и гетеродина берут их максимально возможные значения. Таким образом, полоса запаса, определяемая величинами частот сигнала, гетеродина, ПЧ, их нестабильностями и неточностью настроек, находится по формуле:

использовании простых фильтрующих систем – одиночных колебательных контуров (ОКК). При этом такой выбор усложняет подавление СК, определяемое ТЗ. Кроме того, чтобы тракт ПЧ можно было считать узкополосным, должно выполняться условие fпр 10fс , где fс - ширина спектра сигнала.

Одновременно, это уменьшает опасность возникновения комбинационных

появление среди продуктов преобразования ПрЧ частот, совпадающих с побочными каналами приема, обусловленных включением в радиотракт СМ (рис. 8).

Рисунок 8

В качестве примера выберем вариант 0 из табл. 2, соответствующий значению fпр / fг = 0,25, которое не должно выбираться при разработке любого варианта курсового проекта. Тогда в качестве возможной области значений fс / fг , свободной от комбинационных составляющих, возникающих при переходе АЭ малошумящего усилителя или смесителя в нелинейный режим и принимающих значения fпр, fзк, fс, будет fс / fг = 1,42 ÷ 1,53. Наибольшую опасность представляют разность третьей гармоники радиосигнала и четвертой гармоники

47

гетеродина (3Р-4Г), а также разность второй гармоники сигнала и третьей гетеродина (2Р-3Г), что ограничивает области рабочих частот сигнала и гетеродина. Вычислив среднее значение fс/fг = 1,525, рассчитываем для среднего значения частоты сигнала fс = 2,442 ГГц среднее значение частоты гетеродина: fг = 2,442·109 /1,525 = 1,6 ГГц. Это позволяет вычислить значение промежуточной частоты fпр = fг ·0,25 = 1,6 ГГц ·0,25 = 400 МГц.

Учитывая, что современные конструкции АТ, обладают малыми геометрическими размерами, в качестве фильтрующих компонентов радиотракта преимущественно используют дискретные фильтры на ПАВ. Исходя из этого, в качестве fпр выбирают обычно стандартные значения из диапазона 70 400 МГц.

По рассчитанному значению fпр = 400 МГц, используя сайты производителей фильтров на ПАВ, приведенные в Приложении, отыскивают фильтр, обладающий центральной частотой, близкой к полученной, и полосой пропускания, равной или большей (но не более, чем на 20%) указанной в ТЗ. Уточненное значение fпр используйте при дальнейших расчетах.

Примечание: приведенный пример расчета справедлив только для нижней настройки гетеродина. При выборе верхней настройки гетеродина необходимо выбирать значение отношений из области fс/ fг <1.

Для подбора и оптимизации значения fпр можно воспользоваться программой: Mixer_Spur Calculator.exeVer.2.1. В качестве исходной принимается значение fпр, определенное по номограмме (рис. 8). Далее выбираем фирму-изготовитель полосовых фильтров на ПАВ и конкретный тип фильтра со средней частотой, близкой к рассчитанной fпр . При этом ширина полосы пропускания фильтра по уровню 3 дБ должна соответствовать указанной в варианте технического задания Пк. Для выбранного полосового фильтра рассчитываем и вводим в программу пределы изменения частоты гетеродина fг мин÷ fгмакс. Результатом расчета должна быть полоса частот системы радиодоступа, соответствующая ТЗ. В ней должны отсутствовать значения частот помех в полосе приема на выходе преселектора, формирующие fпр. Расчет проводится с учетом пяти гармоник частоты сигнала гетеродина.

В зависимости от диапазона рабочих частот, определенных ТЗ для систем радиосвязи и радиодоступа, выбирается верхняя настройка гетеродина ( fc fг ),

если fc 1000 МГц. Если полоса рабочих частот выше 1000 МГц, то выбирается

максимальное значение частоты гетеродина и сигнала. Например, при верхней настройке гетеродина

Для других типов систем необходимо учитывать, что при сохранении технологии OFDM возникают некоторые особенности расчета полосы частот принимаемого сигнала fс (4).

фильтра Найквиста = 0,25. Число точек преобразования Фурье в этой системе NFFT 26 = 64. Эта система относится к типу номадических локальных систем, когда АТ во время сеанса связи перемещается с малой скоростью, что позволяет пренебречь эффектом Допплера при расчете полосы пропускания радиотракта

(5).

Для мобильной системы WiMAX стандарта IEEE 802.16 разнесение поднесущих фиксировано и составляет f = 10,938 кГц, а число используемых

поднесущих для масштабируемой OFDMA различно и определяется полосой частот выделенной сети (см. таблицу ТЗ). Коэффициент скругления фильтра Найквиста для таких систем составляет = 0,25.

Для выбранной промежуточной частоты подбираются средства фильтрации, обеспечивающие подавление источников излучения электромагнитных колебаний, принадлежащих собственной сети или других операторов и влияющих на работу АТ. При близко расположенных по частоте передатчиках посторонних БС к полосе частот, принимаемых АТ, они могут являться для него соседним каналом. Соседним считается канал, центральная частота которого fcк будет располагаться на расстоянии, равном полосе частот проектируемого АТ

2.2.2.Выбор типов и расчет параметров селективных цепей

2.2.2.1.Реализация преселектора в супергетеродинном приемнике

Врадиоприёмниках существуют побочные каналы, которые создают помехи основному каналу, вызванные посторонними источниками (соседние каналы) и обусловленные типом выбранной структурной схемы приемника - побочные каналы приема, вызванные включением в радиотракт преобразователя частоты. Из числа побочных каналов приема наибольшую опасность представляет зеркальный канал ЗК (на частоте fзк ). Снижение влияния ЗК на качество приема

обеспечивают включением фильтров в преселекторе. Для обеспечения требуемой по ТЗ Seзк могут использоваться несколько фильтров, включенных как отдельный каскад или как нагрузка усилительных каскадов. Эти фильтры должны обеспечить требуемую полосу пропускания радиотракта при заданной неравномерности и селективности по зеркальному и соседнему каналам. Соседний канал расположен значительно ближе к полезному сигналу по сравнению с побочными каналами, обусловленными включением СМ, поэтому преселектор, обладающий широкой полосой пропускания, практически не ослабляет СК. По этой же причине преселектор оказывает небольшое влияние на результирующую неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) радиотракта. Исследуем альтернативные варианты построения фильтрующих систем с использованием дискретных компонентов, реализуемых на одиночных колебательных контурах (ОКК) или парах связанных ОКК, а

49

также с использованием пьезокерамических фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ).

2.2.2.1.1. Преселектор на одиночных колебательных контурах

Полная неравномерность АЧХ (в дБ) всего радиотракта в полосе его пропускания (по ТЗ)

пропускания радиотракта, дБ; ПЧ – неравномерность тракта ПЧ, дБ.

Очевидно, в диапазоне СВЧ в полосе пропускания радиотракта прес ПЧ . Тогда можно принять Р Т ПЧ и оценивать неравномерность в полосе

пропускания радиотракта только по неравномерности в тракте ПЧ. Селективность по СК всего радиотракта (в дБ) определяется следующим

образом:

где Seпрес( fск ) – селективность тракта радиочастоты (преселектора), дБ;

– селективность тракта ПЧ, дБ.

При реализации фильтров преселектора на одиночных резонансных колебательных контурах требуется рассчитать количество и добротность каждого из них, необходимую для обеспечения заданной избирательности по ЗК при требуемой неравномерности АЧХ преселектора. Конструктивно такие фильтры могут быть выполнены на отрезках полосковых линий длиной Λ/4, где Λ – длина волны в подложке, или с использованием планарных индуктивностей и конденсаторов, реализованных по интегральной технологии. При условии идентичности параметров применяемых контуров эквивалентная (нагруженная) добротность Qэ каждого из контуров должна выбираться из условия (11):

избирательности по ЗК.

Кроме того, Qэ прес должна быть реализуема в рабочем диапазоне частот

Рассчитайте эквивалентную добротность каждого из n одиночных контуров, определяемую из значения неравномерности радиотракта, указанной в ТЗ (13),