Рис.3. Структурная схема радиоприемника цифрового радиовещания.
Наконец еще один тип радиовещательных приемников ‒ гибридные радиоприемники, предназначенные для приема как аналоговых, так и цифровых сигналов. В этом случае при разработке структурной схемы следует предусмотреть, в какой именно части тракта приемника будет производиться аналого-цифровое преобразование.
Исходя из принципов поддержки нескольких стандартов и диапазонов частот, принципы построения радиотрактов таких РПУ можно условно разделить на два класса:
hardware-defined radio (аппаратно-ориентированные радиоустройства);
software-defined radio (SDR - программно-определяемые
радиоустройства).
Аппаратно-определяемое построение тракта ориентировано на фиксированное количество стандартов и их частотных диапазонов. При таком построении в тракте используются РЧ компоненты, работающие только с этими стандартами и частотными диапазонами.
Второй класс устройств находит более широкое распространение в многодиапазонных и многостандартных радиоустройствах. Связано это с тем, что перенастройку аппаратно-ориентированного радиоприемного устройства достаточно легко выполнить через радиоинтерфейс, послав необходимые настройки. Это определяет перспективное направление в проектировании трактов по принципу – «больше цифровой и меньше аналоговой обработки сигнала». По данному принципу все схемы приемных трактов можно разделить на несколько подклассов в зависимости от того, где начинается цифровая обработка сигнала.
11
Таким образом, существуют следующие основные варианты построения структурных схем гибридных РПУ:
1)раздельная обработка аналоговых и цифровых сигналов, в этом случае требуется двухканальное построение радиоприемника;
2)аналого-цифровое преобразование на промежуточной частоте, в этом случае требуются отдельные радиотракты для обработки аналоговых и цифровых сигналов, а демодуляция происходит в совмещенном тракте;
3)оцифровка сигнала на радиочастоте, в этом случае аналоговые и цифровые сигналы после антенны и преселектора обрабатываются одинаковым образом.
Впервом случае оцифровка полезного сигнала (расположение АЦП) производится непосредственно перед низкочастотным трактом, а обработка аналогового РЧ сигнала производится с помощью нескольких последовательных преобразований частоты. Данный тип построения тракта в настоящее время находит применение в тех случаях, когда требуется получить высокую чувствительность приемного устройства и хорошую селективность сигнала на фоне помех. Существует большое количество реализаций такой структуры в виде микросхем у различных производителей.
Во втором случае минимизировано количество аналоговых трактов промежуточной частоты. К такого рода приемным устройствам относятся: приемники прямого преобразования (Zero-IF) и приемники с низкой промежуточной частотой (Low IF) (см. раздел 5.8). Данные структуры получают всё более широкое распространение в перспективных многодиапазонных и многостандартных радиотрактах, так как обладают меньшим количеством радиочастотных элементов.
Втретьем случае производится оцифровка не сигнала промежуточной частоты, а непосредственно РЧ - сигнала, с последующей его обработкой. Для таких систем необходимы АЦП с очень высокой частотой дискретизации, которые в настоящее время уже выпускаются. Однако использование быстродействующих АЦП обязательно приведет к росту энергопотребления и стоимости радиоприемного устройства.
Здесь же следует учесть еще одну особенность, важную с точки зрения последующей детализации структурной схемы: сигналы с цифровыми методами модуляции (манипуляции) могут обрабатываться только цифровыми методами, в то время как для аналоговых сигналов демодуляция и последующая обработка могут выполняться как аналоговыми, так и цифровыми методами.
5.7.Выбор архитектуры и элементной базы приемника.
Одной из задач проектирования РПУ является разработка ее развернутой структурной и принципиальной схем. Эта задача имеет свои особенности [1].
1. Она требует нахождения не одного, а целого ряда неизвестных. К таким неизвестным относятся, в частности, типы элементов, которые надо применить в разрабатываемом РПУ, способы соединения этих элементов и, наконец, параметры этих элементов.
12
2.Искомые неизвестные в рассматриваемой задаче, как правило, взаимосвязаны и поэтому каждое из неизвестных нельзя находить автономно.
3.Ее можно рассматривать как сочетание задачи синтеза с задачей анализа. На стадии синтеза составляется (синтезируется) схема РПУ или ее частей. На этой стадии учесть все предъявляемые требования обычно затруднительно или даже невозможно. Поэтому после разработки схемы проводится ее анализ с целью нахождения показателей, которые она может обеспечить, и сравнение их с требуемыми. Если отдельные показатели не удовлетворяют поставленным требованиям, то вносятся соответствующие коррективы.
4.Она обычно многовариантна, т.е. можно разработать несколько вариантов схем, удовлетворяющих предъявляемым требованиям, в связи с этим приходится проводить сравнение возможных вариантов и выбирать один из них, исхода, например, из стоимости или сложности изготовления.
Отмеченные особенности задачи разработки схем РПУ обуславливают последовательность и специфику методов ее решения. Соответственно выполнение курсового проекта не сводится только к расчету по известным формулам, но связано с использованием различных методов и рациональной последовательностью разработки схем [1].
Поскольку задача разработки РПУ является итерационной, на данном этапе должны быть решены следующие вопросы:
изучение прототипа;
выбор архитектуры РПУ;
выбор элементной базы для построения РПУ.
5.7.1.Изучение прототипа производится перед началом разработки развернутой структурной схемы. Для этого следует ознакомиться с существующими разработками радиоприемников того типа, который соответствует заданию на проектирование. Необходимо рассмотреть выпускаемые промышленностью приемники, а также рекомендации разработчиков соответствующих микросхем высокой степени интеграции.
В результате изучения существующих разработок определяют один или несколько прототипов разрабатываемого приемника: выбирают один или несколько вариантов структуры линейного тракта приемника (однократное или двукратное преобразование частоты); определяют значения промежуточных частот; отмечают детали, связанные с уровнем сложности проектируемого приемника (пользовательский интерфейс, мощность усилителя низкой частоты). Выявляют используемые микросхемы и транзисторы, а также основные конструктивные решения.
5.7.2.Выбор архитектуры РПУ зависит от диапазона частот и назначения РПУ [5 стр.138-154]. Существующие архитектуры можно условно разделить на две большие группы:
без преобразования частоты сигнала (прямого, непосредственного усиления);
13
супергетеродинные (с однократным и многократным преобразованием частоты).
Архитектуре прямого усиления свойственны следующие основные недостатки:
1.Для осуществления перестройки РТ с одной частоты на другую необходимо изменять резонансные частоты всех контуров, что может существенно усложнить конструкцию приемника.
2.При перестройке РТ изменяются все его основные параметры: полоса пропускания, избирательность, коэффициент усиления.
3.Трудно получить большой коэффициент усиления в случае высокой частоты сигнала.
4.Для обеспечения требуемой полосы пропускания РТ могут потребоваться контуры с весьма малым затуханием, которое обеспечить будет невозможно.
Указанные выше недостатки РТ прямого усиления не играют роли только в одном частном случае, когда проектируемый приемник предназначен для работы на одной фиксированной, к тому же не очень высокой частоте. В остальных же случаях они могут быть весьма существенными и тогда применяют РТ с преобразованием частоты, свободный от этих недостатков.
В приемниках для телерадиовещания в основном применяют приемники с преобразованием частоты (супергетеродинные).
Преимущества данной архитектуры, по сравнению с архитектурой прямого усиления обусловлены тем, что резонансные цепи тракта промежуточной частоты не нужно перестраивать:
1)высокая чувствительность;
2)высокая избирательность;
3)возможность принимать сигналы с модуляцией любого вида.
Вто же время РТ с преобразованием частоты свойственны свои недостатки, основным из которых является наличие зеркального и других побочных каналов приема.
Всвою очередь супергетеродинные приемники можно разделить на следующие типы:
с однократным преобразованием частоты;
с многократным преобразованием частоты;
с низкой (с нулевой) промежуточной частотой;
с «цифровой» промежуточной частотой.
Архитектура супергетеродинного приемника с однократным преобразованием частоты применяется в тех приемниках телерадиовещания, в которых заданы не очень высокие требования к селективности по зеркальному каналу.
Радиосигнал из антенны подаётся на вход усилителя радиочастоты, а затем на вход смесителя. На второй вход смесителя (преобразователя частоты, Пр.Ч) подаётся сигнал с гетеродина. Колебательный контур гетеродина перестраивается одновременно с входным контуром преобразователя частоты и контурами усилителя ВЧ. Таким образом, на выходе смесителя образуются
14
сигналы с частотой, равной сумме и разности частот гетеродина и принимаемой радиостанции. Разностный сигнал постоянной промежуточной частоты усиливается в усилителе ПЧ, после чего поступает на демодулятор, восстанавливающий сигнал низкой (звуковой) частоты. В приемниках низших групп сложности входная цепь реализуется неперестраиваемой из-за небольшого коэффициента перекрытия по частоте (рис.4) [5].
Рис. 4. Архитектура супергетеродинного приемника с однократным преобразованием частоты
Архитектура супергетеродинного приемника с многократным преобразованием частоты. Необходимость в многократном (двукратном или трехкратном) преобразовании частоты обычно возникает при высоких требованиях к селективности по зеркальному каналу при приеме узкополосных сигналов, ширина спектра которых существенно меньше (на пять и более порядков) частоты несущей. В случае узкополосных сигналов выполнить предъявляемые к радиотракту требования посредством однократного преобразования частоты обычно не удается.
Принцип работы супергетеродинного приемника с многократным преобразованием частоты тот же, что и у супергетеродинного приемника с однократным преобразованием частоты. Разница заключается в том, что сигнал сначала переносится на первую промежуточную частоту для обеспечения необходимой избирательности по зеркальному каналу. Использование сравнительно высокой первой промежуточной частоты (ПЧ) снижает требования к характеристикам входного полосового фильтра, необходимого для фильтрации зеркального канала. Например, для радиоприемных устройств стандарта DRM 30 часто применяют значения промежуточных частот 465 кГц и 12 кГц, соответственно; в приемниках цифрового телевидения стандартов DVB-T первая ПЧ равна 1220МГц, вторая 35,25МГц и т.п.
На второй (и последующих) ПЧ обеспечиваются необходимые требования для избирательности по соседнему каналу. Второй и последующие гетеродины являются неперестраиваемым.
На рис. 5. приведена схема с двукратным преобразованием частоты. Следует отметить, что в приемниках телерадиовещания редко применяется число преобразований частоты, выше двух.
15
Рис. 5. Архитектура супергетеродинного приемника с двукратным преобразованием частоты
Эта схема имеет следующие достоинства:
1)высокая избирательность приемника по зеркальному каналу;
2)широкий динамический диапазон достигается за счёт использования пассивной фильтрации;
3)высокая чувствительность, так как номиналы выбираемых ПЧ позволяют реализовать тракт с большими коэффициентами усиления, минимальными паразитными обратными связями.
Кнедостаткам такой структуры относятся:
1)огромное количество навесных компонент затрудняет выполнение схемы в виде одной интегральной микросхемы;
2)большое количество пораженных частот из-за наличия паразитных комбинационных составляющих на выходах смесителей;
3)необходимость расчёта частотного плана для каждого используемого диапазона частот в приёмном тракте.
Архитектура с низкой промежуточной частотой. Схема приемника с низкой ПЧ не отличается по структуре от схемы супергетеродинного приемника, однако имеет иной способ обработки сигнала (рис.7).
Втакой архитектуре осуществляется непосредственный перенос спектра сигнала с несущей частоты в область низких частот, а чаще всего ‒ на нулевую частоту (приемники с такой архитектурой получили название приемники прямого преобразования) и дальнейшую обработку в двух квадратурных каналах приема. Подобная архитектура, где основное усиление и обработка сигналов производится на низких частотах, предоставляет широкие возможности широкого использования современной интегральной элементной базы, в том числе и цифровой.
Вприемниках с такой архитектурой часто неперестраиваемыми являются не только входная цепь, но и УРЧ. В этом случае полоса пропускания преселектора выбирается значительно шире полосы частот сигнала, а настройка на необходимую частоту осуществляется с помощью изменения частоты гетеродина. При этом, как правило, гетеродин реализуют в виде генератора управляемого напряжением (ГУН), а управление производится из цифрового тракта РПУ [5].
16
Рис. 6. Архитектура супергетеродинного приемника с низкой промежуточной частотой
Платой за простоту схемы такого приемника является его большая, по сравнению с супергетеродином, подверженность разного рода помехам и наводкам. В частности сильнее сказываются интермодуляционные помехи от мощных соседних каналов приема. Кроме того, при преобразовании высокой принимаемой радиочастоты в звуковую (нулевую) частоту труднее получить низкий коэффициент шума смесителя, и, следовательно, высокую чувствительность всего устройства.
По сравнению с архитектурой прямого преобразования, архитектура с низкой промежуточной частотой имеет следующие особенности: при переносе частоты в квадратурных каналах сигнал переносится не на нулевую частоту, как в приемниках прямого преобразования, а применяется сигнал гетеродина, сдвинутый относительного РЧ сигнала на 1-2 канала.
Особенности работы схемы позволяют избежать основного недостатка схем приёмника прямого преобразования ‒ приемное устройство не подвержено воздействию эффекта смещения постоянной составляющей. Поскольку величина ПЧ имеет значения порядка нескольких сотен килогерц, то в схеме можно применять низкодобротный ФНЧ, который можно легко выполнить в интегральном исполнении.
К преимуществам данной схемы можно отнести:
1)возможность реализации схемы без РЧ фильтров;
2)отсутствие влияния смещения постоянной составляющей;
3)полная интеграция схемы в виде одной интегральной схемы, что позволяет использовать схему в многостандартных устройствах.
Косновным недостаткам схемы можно отнести следующие:
1)наличие зеркального канала приема и сложность его подавления;
2)утечка сигнала гетеродина на антенный вход;
3)квадратурные каналы должны быть идентичными (с точки зрения
обеспечения равных коэффициентов усиления в квадратурных каналах и т.п.).
Для подавления зеркального канала используют многократное преобразование частоты, а также специальные схемы подавления зеркального канала (схемы Уивера (Weaver), Хартли (Hartley)). Проблемы утечки сигнала гетеродина и связанных с этим отрицательных эффектов можно уменьшить с
17
помощью использования цифровых синтезаторов частот и внедрения новых видов смесителей.
Архитектура с «цифровой» ПЧ. Бурное развитие цифровой техники в последнее время привело к тому, что большую часть операций в приемном тракте можно выполнять в цифровом виде. В частности в цифровом виде можно осуществлять процесс фильтрации, гетеродинирования сигналов в тракте ПЧ. В приемниках с цифровой ПЧ сигнал после выхода преобразователя частоты оцифровывается с помощью АЦП и поступает на вход смесителей в двух квадратурных каналах (рис.7).
Рис.7. Архитектура приемника с «цифровой» промежуточной частотой
В качестве гетеродина используется DDS (ПЦС, прямой цифровой синтезатор частот). Важным компонентом такого устройства является цифровой смеситель, в нем происходит перемножение выборок оцифрованного сигнала с выборками из таблицы косинуса и синуса соответственно.
Использование «цифровой» ПЧ позволяет избавиться от такого эффекта, как разбаланс квадратурных каналов. Однако для реализации такого приемника требуется АЦП и DSP (ЦСП, цифровой сигнальный процессор) с высоким быстродействием.
5.7.3. При выборе элементной базы для построения РПУ необходимо учитывать диапазон рабочих частот, требования по чувствительности, селективности, экономичности питания, надежности, габаритным размерам, массе и стоимости [4]. Диапазон рабочих частот определяет возможность применения транзисторов или микросхем, которые позволяют выполнить остальные требования.
Возможные варианты построения РПУ:
на дискретных элементах;
на интегральных микросхемах (ИМС);
комбинированный, сочетающий дискретные элементы и ИМС.
18
При высоких требованиях к чувствительности целесообразно в первых каскадах использовать мощные полевые транзисторы, которые отличаются сравнительно большой крутизной проходной характеристики, следовательно, хорошими усилительными свойствами. Важными параметрами являются отношение крутизны к проходной емкости (определяет максимальное устойчивое усиление) и отношение крутизны к сумме входной и выходной емкостей (определяет широкополосность).
Кроме того, для первого каскада следует выбирать транзисторы с как можно меньшим коэффициентом шума. Лучшими здесь следует считать активные элементы, характеризующиеся меньшими значениями коэффициента шума, шумовой температуры или отношения сопротивления шума к входному сопротивлению.
Если предъявляются высокие требования к селективности, то необходимо сопоставлять шумовые, усилительные и нелинейные характеристики выбранных элементов. Лучшими по нелинейным параметрам являются полевые транзисторы. Однако нелинейные свойства активных элементов, как правило, в справочниках не приводятся.
Требования к активным элементам второго каскада могут быть существенно ниже.
Втрактах УПЧ, в предоконечных и оконечных каскадах применяют биполярные транзисторы, которые имеют больший коэффициент передачи.
Впоследние десятилетия в радиовещательных приемниках широко применяют интегральные микросхемы как универсального назначения, так и специально разработанные для радиовещательной аппаратуры. Выбор типа интегральной схемы производят по ее функциональному назначению, электрическим параметрам и эксплуатационным данным.
Применение гибридных ИМС позволяет сократить до минимума количество активных элементов, уменьшить трудоемкость монтажных и настроечных работ, габаритные размеры РПУ. Выпускаются микросхемы, полностью реализующие все функции РПУ в одном кристалле (чипсете). Следует помнить, однако, что реактивные элементы невозможно реализовать в интегральной логике.
При проектировании цифровых РПУ (ЦРПУ) необходимо основные параметры (усиление, чувствительность, избирательность, динамический диапазон и т. п) реализовать в максимальной степени цифровыми методами.
При выборе чипсета для цифровых ЦРПУ следует учитывать, что частота входных сигналов должна охватывать рабочий диапазон входных сигналов ЦРПУ или его возможной промежуточной частоты, а частота дискретизации АЦП должна быть в 1,5…2 раза больше полосы рабочих частот ЦРПУ или ширины спектра сигнала [6].
При выборе частотно избирательных фильтров необходимо принимать во внимание диапазон рабочих частот, ширину спектра сигнала, степень подавления внеполосных сигналов, затухание в полосе пропускания. Выбор цепей селекции можно производить в соответствии с Таблицей 1 [8].
19
Таблица 1 Особенности выбора фильтров для заданного диапазона частот
Технология |
Диапазон |
Относит. |
Доброт- |
Порядок |
Особенности |
|
|
|
частот, |
полоса |
ность |
n |
|
|
|
|
МГц |
BW/fср, |
Q•10-3 |
|
|
|
|
|
|
% |
|
|
|
|
|
На сосредоточенных |
0–100 |
3–200 |
0,02–1 |
2–10 |
Низкая стоимость |
||
LC элементах |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Микроминиатюрные |
5–40000 |
3–100 |
0,02–5 |
2–8 |
Малые |
габариты, |
|
|
|
|
|
|
поверхностный |
||
|
|
|
|
|
монтаж |
|
|
Резонаторные |
30–26000 |
0,2–66 |
0,1–1 |
2–15 |
Малые |
|
потери, |
|
|
|
|
|
устойчивость |
к |
|
|
|
|
|
|
внешним |
|
|
|
|
|
|
|
воздействиям |
|
|
Керамические |
400–3000 |
0,5–5 |
0,5–20 |
2–10 |
Малые |
габариты, |
|
|
|
|
|
|
устойчивость |
к |
|
|
|
|
|
|
внешним |
|
|
|
|
|
|
|
воздействиям, |
||
|
|
|
|
|
низкая стоимость |
||
Коаксиальные |
50–20000 |
3–50 |
0,2–1 |
2–9 |
Малогабаритные |
||
трубчатые |
|
|
|
|
ФНЧ и ФВЧ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Микрополосковые |
100–40000 |
0,5–30 |
0,2–10 |
3–16 |
Высокая |
|
|
|
|
|
|
|
селективность, |
||
|
|
|
|
|
малые габариты |
||
Волноводные |
4000– |
0,5–5 |
1–25 |
2–8 |
Низкие |
|
потери, |
|
40000 |
|
|
|
высокая мощность |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
Кварцевые и ПАВ |
10–2500 |
0,1–5 |
5–30 |
5–16 |
Высокая |
|
|
|
|
|
|
|
повторяемость, |
||
|
|
|
|
|
большая |
|
|
|
|
|
|
|
селективность |
||
Перестраиваемые |
20–3000 |
1–5 |
0,02–0,5 |
2–4 |
ППФ и |
ПЗФ с |
|
|
|
|
|
|
цифровой |
|
|
|
|
|
|
|
перестройкой |
до |
|
|
|
|
|
|
октавы |
|
|
При проектировании необходимо также учесть тип антенны, применяемой в том или ином РПУ.
Стационарные радиовещательные приемники НЧ, СЧ и ВЧ диапазонов обычно работают от наружной антенны. В приемниках 2-й и 3-й групп сложности НЧ и СЧ диапазонов могут применяться встроенные ферритовые (магнитные) антенны, при этом ферритовая антенна может работать как катушка индуктивности входного контура. В диапазоне ОВЧ, помимо внешних антенн, могут применяться петлевые вибраторы и штыревые телескопические антенны.
В переносных приемниках используют встроенные магнитные антенны для приема сигналов НЧ и СЧ диапазонов, штыревые телескопические для приема в
20