курсач / материалы / расчёт_приёмника_LTE

Внимание Первая часть предназначена для понимания процессов, происходящих в радиотракте

приемника супергетеродинного типа Вторая часть включает: структуру приемного тракта (рис.21), упрощенную структуру

радиотракта приемника (рис.22) и возможную структуру его разрабатываемой части (рис.23). Она может не содержать некоторые не рассчитываемые в КП каскады (удалитель циклического префикса, эквалайзер и ЦСП).

Внекоторых вариантах задания на КП может выполняться поиск промежуточной частоты (в СВЧ диапазоне), но в большинстве вариантов промежуточная частота выбирается стандартной: 465 кГц или 10,7 МГц.

Вразделе 2.2 разнос поднесущих выбирается из заданной величины отстройки соседнего канала (например, ±10 кГц, т.е. через 20 кГц). Коэффициент скругления выбирается α = 0,25.

Далее расчет продолжается, по описанной методике до п.3.

1.Процедура обработки сигнала на приемной стороне. Анализ функциональной схемы передатчика (рис.3) указывает на многоэтапность преобразования входных сигналов различных источников, для повышения защищенности сигнала от воздействия помехам в радиоканале. Основная помеха, характерная для мобильных систем с не перестраиваемой входной цепью – это межсимвольная интерференция, вызванная многолучевостью, когда на входе приемника, кроме основного сигнала, действуют одновременно его несколько эхокопий. Одновременное воздействие сигналов, обладающих различной временной задержкой (фазой), приводит при их сложении к увеличению или уменьшению (снижению до нуля) мощности полезного сигнала, т.е. к возрастанию ошибки при приеме при заданном отношении С/Ш.

Процедуры преобразования сигнала в приемнике являются дополняющими, к выполненным в передающем тракте. Функциональная схема приемной части трансивера АТ приведена на рис.17

Рис.21 Борьба с многолучевостью, как основной причиной межсимвольной интерференции при

использовании технологии OFDM, основана на передаче от БС в радиоканале большого числа несущих (до нескольких тысяч), содержащих информацию о фрагментах исходного цифрового сигнала. Дальнейшая обработка сигнала в приемнике позволяет преобразовывать принятый сигнал из параллельной формы в последовательную, и формировать исходную информационную последовательность.

Информационный поток, полученный с выхода одной из антенн АТ (при использовании технологии MIMO), поступает в переселектор, который выполняет предварительную фильтрацию, выделяя полосу частот, предоставленную всей системе. Характеристики переселектора определяют такие важные показатели приемника, как чувствительность, подавление наиболее опасного канала преобразования – зеркального канала (при реализации приемника с использованием структуры супергетеродинного типа) и снижение уровня интермодуляционных искажений. Одновременно, его конструкция

1

должна быть технологически наиболее простой, не перестраиваемой и обеспечивающей работу во всей рабочей полосе, выделенной системе, а при работе с различными стандартами – возможность работы в различных полосах частот и характеристиках принимаемого сигнала.

Часть этих функций возложена на ВЧРМ (включается на входе преселектора, рис.3), который снижает уровень мощности сигнала от собственного передатчика на входе приемника с помощью антенного коммутатора. Введение дополнительного сдвига интервала приема сигнала на несколько радиокадров по отношению к работе трансивера на передачу увеличивает развязку между передатчиком и приемником. Кроме дуплексных фильтров, разделяющих полосы принимаемых и передаваемых частот системы, ВЧРМ может включать также диплексеры, выделяющие в полосе принимаемых частот, полосу частот системы, с которой АТ в данный период взаимодействует.

Преобразование принятого сигнала на более низкую, по сравнению с частотой принимаемого сигнала, промежуточную частоту, повышает устойчивость характеристик радиотракта. В новой пониженной полосе частот радиотракта выполняется основная операция - выделение полосы рабочих частот АТ (оператора) и подавление соседнего канала. На промежуточной частоте оказывается конструктивно проще реализовать фильтры с коэффициентом прямоугольности близким к единице. Это уменьшает количество дискретных компонентов в радиотракте, повышая надежность устройства, снижая его стоимость.

Последовательный информационный поток, полученный от базовой станции, в АТ проходит идентификацию ресурсных блоков, предназначенных для него, и проводит оценку качества нисходящего канала по принятым опорным сигналам. После выполнения преобразования принятого сигнала на промежуточную частоту его структура меняется из последовательной формы в параллельную, позволяя выполнять одновременную обработку OFDM символов, принадлежащих одной поднесущей каждого ресурсного блока.

Удаление циклического префикса в каждом OFDM символе и выравнивание в эквалайзере мощностей сигналов, принятых на каждой поднесущей, восстанавливает взаимную ортогональность поднесущих каждого радиоблока.

Предварительная фильтрация принимаемого сигнала завершается устранением коррекции, введенной на передающей стороне, с помощью согласованного фильтра с

передаточной характеристики радиоканала в полосе рабочих частот.

Выполнение в сигнальном процессоре прямого преобразование Фурье с предварительным восстановлением синхронности принимаемых и переданных поднесущих переводит переформатирует принятый сигнала из частотной области во временную. Одновременно выполняется демодуляция каждой из поднесущих.

Полученная в параллельной форме символьная последовательность преобразуется в битовую и с помощью демультиплексора направляется каждому потребителю (распределяется по каналам).

Метод радиодоступа, используемый в системе LTE, во временной области обладает структурой аналогичной, применяемой в предшествующих поколениях цифровых системах радиодоступа. Основой является радиокадр (фрейм, frame), длительностью 10 мс. Он разделяется на 20 временных слотов (slot) длительностью 0,5 мс каждый (рис.10). Стандартный слот включает семь OFDM символов, длительностью 4,69 мкс (рис.11), разделенных короткими циклическими префиксами, длиной 5,21 мкс. При большой зоне обслуживания для борьбы с межсимвольной интерференцией применяется длинный циклический префикс 16,67 мкс. Такая структура фрейма, применяемого при частотном дуплексе или полудуплексе, оптимизирована с радиоинтефейсом системы UMTS с частотой манипуляции 3,84 Мчип/с.

Вчастотно-временном домене основной единицей является ресурсный блок, входящий

вресурсную сетку (рис.11). Такой блок включает 12 смежных поднесущих частот,

2

разнесенных на 15 кГц при суммарной полосе, выделенной ресурсному блоку 12×15= 180 кГц и, соответственно, 12×7 = 84 ресурсных элемента.

2 Разработка структурной схемы радиотракта приёмника стандарта LTE/LTE Advanced с однократным преобразованием частоты

2.1 Структурная схема приемника АТ супергетеродинного типа

Приемный тракт можно условно разделить на две части по виду обрабатываемого сигнала: аналоговую и цифровую. Для упрощения анализа архитектуры приемника с сохранением общности методики для систем, применяющих технологию OFDM, ограничимся построением приемника только одного стандарта LTE, LTE Advanced при использовании в АТ одной приемо-передающей антенны.

Антенна, являющаяся преобразователем электромагнитного поля в ЭДС, создает на входе радиотракта приемника напряжение от всех источников излучения, обладающих достаточной мощностью (рис.22). Антенна АТ относится к типу настроенных, что обусловлено сохранением постоянства ее характеристик в полосе частот системы.

Рис.22

В архитектуре АТ, являющегося приемо-передатчиком (Tranceiver), используется одна антенна подключаемая, на одном временном интервале, равном одному радиокадру, к выходу передатчика, а на другом - к входу приемника с помощью электронного коммутатора (блока ВЧРМ). Входной радиочастотный модуль (ВЧРМ) будет обладать более сложной структурой при работе приемо-передатчика в нескольких стандартах, различных диапазонах частот и применяемых способах дуплексирования.

Радиотракт – часть структурной схемы приемника (рис.23), в котором происходит фильтрация, усиление, преобразование частоты принятого радиосигнала. Основным свойством радиотракта является линейность его характеристик на частоте полезного сигнала, т.е. отсутствие гармоник сигнала на рабочей частоте. Это позволяет считать радиотракт линейной структурой, обладающей принципом суперпозиции.

Первым каскадом, включаемым к выходу ВЧРМ, является входная цепь (ВЦ) -

преобразованием частоты входного сигнала состоит в подавлении побочных каналов преобразования. Одновременно ВЦ выделяет полосу частот системы, позволяющей использовать любой АТ для приема сигналов БС вне зависимости от полосы частот, выделенной оператору.

3

Рис.23 При высоких требованиях к техническим показателям АТ приемника

(чувствительность, селективность по зеркальному каналу прямого усиления) дополнительно к ВЧРМ и входной цепи может быть включен малошумящий усилитель (МШУ), а также радиочастоты (УРЧ) с регулируемым коэффициентом усиления. Такая группа каскадов, может использовать в качестве нагрузки усилителей простые фильтрующие цепи, называется преселектором и обеспечивать полосу пропускания не менее, чем полоса частот, выделенная системе. Приемники современных трансиверов АТ и БС систем радиосвязи радиодоступа обычно выполнены с неперестраиваемым преселектором. Настройка приемника на полосу частот радиотракта, выделенную сети конкретного оператора, выполняется перестройкой частоты гетеродина Г1.

Входная цепь, являющаяся пассивной фильтрующей цепью резонансного типа, которая может реализована из отрезков полосковых линий короткозамкнутых или

разомкнутых длиной / 4 или планарных индуктивностей и паразитной емкости входных цепей. В современных конструкциях ВЦ часто используют дискретные полосовые фильтры из пьезокерамики, реализующих избирательные свойства, основанные на особенностях распространения поверхностных акустических волн (ПАВ) в таких структурах, и, позволяющих получать АЧХ фильтра, близкую к П-образной.

Малошумящий усилитель МШУ и усилитель радиочастоты УРЧ также являются избирательными, использующими фильтры, с характеристиками идентичными фильтру ВЦ. Это упрощает конструкцию преселектора и снижает стоимость его реализации. как элемента нагрузки усилителя Это 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 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), определяет реальный (результирующий) коэффициент шума которого в основном определяет коэффициент всего радиотракта (NFр).

Другим важным показателем усилителей преслектора являются их динамический диапазон, который косвенно определяется IIP3 – уровнем интермодуляционных искажений 3-го порядка и коэффициент усиления каскада (Кр). Желательно выбирать ИС, обладающие высокими значениями приведенных показателей.

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

4

Гетеродин выполняется как генератор, управляемый напряжением (ГУН), частота которого изменяется командой из цифрового тракта. Изменение частоты гетеродина позволяет переносить спектр частот радиоканала (системы) в новую частотную область.

Каждому оператору выделяется часть полосы частот всей системы. Она составляет рабочую полосу частот наземной сети радиодоступа (BW), принадлежащей оператору, и равной полосе частот радиотракта приемника, выделяется полосовым фильтром (ФСИ). Полоса частот полезного сигнала (BW) со средней частотой fc из полосы частот системы переносится в более низкую область частот со средней частотой fпр = fc - fг . Это происходит при нижней настройке частоты гетеродина (fг < fc), что упрощает реализацию гетеродина (ГУН) и повышает устойчивость каскадов и всего тракта промежуточной частоты (ТПЧ).

Исходя из практических соображений значение промежуточной частоты следует выбирать в интервале значений 70÷400 МГц существенно облегчает подавление ЗК (Seзк) и каналу 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 Seск1. Степень подавления СК определяется по АЧХ полосового фильтра при отстройке относительно средней частоты фильтра на величину, равную полосе частот, отводимой оператору сети.

Конструкция полосового фильтра может быть реализована в зависимости от выбранной промежуточной частоты в виде сосредоточенных L и C компонентов, отрезков связанных полосковых линий или дискретных фильтров на ПАВ. При использовании пар связанных L и C элементов или полосковых линий требуемая форма АЧХ фильтра обеспечивается подбором параметров компонентов и степени индуктивной или емкостной связи.

Выбор дискретных фильтров на ПАВ, обладающих малыми потерями в полосе прозрачности и коэффициентом прямоугольности близким к единице, опирается на свойства АЧХ фильтра, публикуемых на сайтах производителя ИС. Основными критериями применимости фильтра на ПАВ являются значение центральной частоты, ширина полосы пропускания и степень подавления СК. При этом ширина полосы прозрачности фильтра по уровню - 3 дБ должна быть не менее 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 подавление СК можно достичь включением в тракте промежуточной частоты дополнительно 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 собственной последовательностью OFDM символов. Для получения формы АЧХ радиоканала близкой к П-образной в полосе рабочих частот системы, необходимо компенсировать предварительную коррекцию, введенную на передатчике БС.

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 участвуют не OFDM символы, а ортогональные поднесущие. Затем выполняется последовательно/параллельное

5

преобразование, формирующее число поднесущих, равных числу точек преобразования Фурье.

Цифровой сигнальный процессор (ЦСП) программными средствами реализует вместе с дискретным обратным преобразованием Фурье (ДПФ) процедуру демодуляции входного сигнала. Результатом являются двоичные символьные последовательности, формируемые на выходах синфазных и квадратурных «перемножителей». Затем сигнал, состоящий из синфазной I и квадратурной Q составляющих, поступает в сумматор, формирующий на выходе ортогональные двоичные последовательности отдельных каналов.

Усилители в радиотракте приемника, кроме МШУ, охвачены системой автоматического регулирования усиления (АРУ). Это позволяет обеспечивать постоянство напряжения (примерно, 0,5÷1 В) на входе демодулятора 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, поступающим из ЦТ. Управляющее напряжение из ЦТ варьирует емкость варикапа, включенного в контур, изменяя резонансную частоту контура и, соответственно, частоту генерации ГУНа.

2.2 Расчет полосы пропускания и выбор промежуточной частоты радиотракта

Расчет характеристик радиотракта

Методика расчета радиотракта приемника, изложенная ниже предполагает, что в качестве базовой при проектировании выбирается структур приемника

супергетеродинного типа с однократным преобразованием частоты входного сигнала,

изображенная на рис.23.

Расчет полосы пропускания согласованного фильтра. Принятый в системе LTE

с технологией OFDM способ формирования спектра радиосигнала с большим числом несущих и ограниченной полосой, сохраняющих при этом их взаимная ортогональность обеспечивается включением фильтра Найквиста в радиотракте передатчика БС. Ширина полосы пропускания полосового фильтра с характеристикой приподнятого косинуса

цепями коррекции близкую к П-образной и импульсной реакцией вида sin x / x . Это достигается при равенстве ширины полосы пропускания фильтра Найквиста (8), включенного на выходе преобразователя «вверх» передатчика, и полосы пропускания

согласованного фильтра приемника (рис.18) ПСФ = ПФН .

Расчет полосы пропускания преселектора. Исходя из конструктивных соображений, в СВЧ диапазоне выбирают неперестраиваемый 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

6

появления среди продуктов преобразования ПрЧ, частот, совпадающих с побочными каналами преобразования.

В качестве примера использования номограммы для расчета промежуточной частоты выберем

Рис.24 в качестве исходных условий: полоса рабочих частот сигнала Пс = 1800….2000

МГц (используется нижняя настройка гетеродина – правый квадрат).

Выбирается: f c/f г = 0,25, что соответствует пересечению с прямой fc = fг = 1,25 (Р=Г). Этой точке соответствует возникновение составляющей преобразованной частоты f c/f г = 0,25из-за воздействия комбинационной составляющей вида 4Г-4Р для нижней граничной частоты входного сигнала fc min = 1800 МГц. Тогда частота гетеродина будет: f г= fcmin/ 1,25 = 1440 МГц. Для выбранного отношения f c/f г, промежуточная частота составит: f пр = f г ˑ 0,25 = 1440ˑ0,25 = 360 МГц.

Пересечение отрезка прямой f c/f г = 0,25 с прямой, соответствующей с

3ˑ1440 - 2ˑ2000 = 360 МГц, а верхняя граничная принимаемая частота составит: f cmax =(

3ˑ1440 – 360)|2 = 1993,5 МГц.

Можно также воспользоваться программой Mixer_Spur Calculator.exeVer.2.1 для расчета промежуточной частоты, введя в качестве исходных значений рабочий диапазон частот и значения промежуточной частоты в диапазоне 70 - 400 МГц.

Учитывая, что современные конструкции АТ обладающие малыми геометрическими размерами, в качестве фильтрующих компонентов радиотракта преимущественно используют дискретные фильтры на ПАВ. Исходя из этого, в качестве

фильтров на ПАВ, предлагающих изделия, рекомендованные для конкретных типов

гетеродина при расчетах ПРТ необходимо использовать 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, возникающие при расчете полосы частот

относится к типу номадичеких локальных систем, когда АТ во время сеанса связи перемещается с малой скоростью, что позволяет пренебречь эффектом Доплера при расчете полосы пропускания радиотракта (13).

Для мобильной системы WiMAX стандарта IEEE 802.16 разнесение поднесущих

Для выбранной промежуточной частоты подбираются средства фильтрации, обеспечивающие подавление источников, принадлежащих собственной сети или других операторов, на работу АТ. При близко расположенных по частоте рабочих полос передатчиков 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, от центральной частоты принимаемого полезного сигнала fc (полоса частот радиотракта, в ТЗ), т.е. fcк =

2.2.2 Выбор типов и расчет параметров селективных цепей 2.2.2.1 Реализация преселектора в супергетеродинном приемнике

В радиоприёмниках существуют побочные каналы, которые создают помехи основному каналу, вызванные посторонними источниками (соседние каналы) и обусловленные типом выбранной структурной схемы приемника (побочные каналы преобразования). Для их подавления в радиотракте используются радиочастотные фильтры, входящие в состав преселектора приёмника (входная цепь, МШУ, усилитель радиочастоты (УРЧ), и фильтры ПЧ, устанавливаемые на выходах ПрЧ и/или УПЧ. Эти фильтры должны обеспечить требуемую полосу пропускания радиотракта при заданной неравномерности и селективности по зеркальному и соседнему каналам. Поскольку появление зеркального канала и канала прямой передачи (усиления) связано с включением в радиотракт преобразователя частоты, то для их подавления используются фильтрующие цепи, включенные до ПрЧ (ВЦ и МШУ). Соседний канал расположен значительно ближе к полезному сигналу по сравнению с побочными каналами преобразования, поэтому преселектор, обладающий широкой полосой пропускания, 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 также с использованием керамических фильтров на ПАВ.

Преселектор на одиночных колебательных контурах. При этом неравномерность АЧХ (в дБ) всего радиотракта в полосе его пропускания

где прес – неравномерность тракта радиочастоты (преселектора) в полосе пропускания радиотракта, в дБ;

9