Оборудование систем мобильной связи. Учебное пособие

Внеполосное излучение: (Out-of-band Emission) - излучение на частоте или на частотах, непосредственно примыкающих к необходимой полосе частот, которое является результатом процесса модуляции, но не включает побочное излучение.

Побочное излучение: (Spurious emissions) - излучение на частоте или на частотах, расположенных за пределами необходимой ширины полосы частот, уровень которого может быть снижен без ущерба для соответствующей передачи сообщений. К побочным относят гармонические и паразитные излучения, интермодуляционные продукты

(intermodulation products) и продукты преобразования частот (frequency conversion), но не включают внеполосное излучение.

Как правило, соответствующие нормативные документы современных систем связи содержат сведения, конкретизирующие определения различных параметров и характеристик РЧ трактов, уточняют порядок их измерения. Они отражают специфику использования показателей качества применительно к конкретному радиоинтерфейсу системы связи.

Основные показатели качества приемников

Ряд параметров и характеристик радиоприемных устройств ССПО являются достаточно традиционными, однако особенности их измерения должны быть выявлены с использованием нормативных документов. Например, для стандарта GSM основные нормируемые характеристики тракта приема приведены в документе GSM 05.05 - Radio transmission and reception.

Основные нормируемые характеристики тракта приема абонентского оборудования UE и базовых станций BS для стандарта UMTS можно найти в ряде документов:

∙TS 25.101. User Equipment UE Radio Transmission and Reception (FDD).

∙TS 25.102. User Equipment UE Radio Transmission and Reception (TDD).

∙TS 25.104. UTRA (BS) FDD, Radio Transmission and Reception.

∙TS 25.105. UTRA (BS) TDD, Radio Transmission and Reception.

11

Особенности использования передатчиков в системах связи

В современных приемопередатчиках основные узлы РЧ блока являются типовыми, хорошо схемотехнически отработанными устройствами, выполняемыми в виде ИС. Поэтому важным этапом разработки и анализа тракта передачи является выбор оптимального частотного плана приемопередатчика в целом, набора элементов фильтрации, подбор подходящего комплекта ИС, позволяющего реализовать устройство в целом и передатчик, в частности. Важными вопросами, требующими тщательной проработки при проектировании передающих устройств, являются:

∙быстродействие передатчиков, т.е. время переключения с канала на канал;

∙регулировка мощности, в том числе оперативное формирование огибающей РЧ посылок в цифровых системах связи;

∙формирование необходимых видов и сложных схем модуляции.

Учет вида модуляции

В передатчиках, используемых в современных системах связи, важнейшим является учет типа используемой модуляции. Схемы модуляции могут быть разделены на две группы: модуляция с постоянной огибающей (constant envelope) и с изменяющейся (переменной) огибающей (variable envelope).

Первая группа методов создает промодулированные сигналы с постоянной амплитудой, что позволяет производить их усиление с использованием нелинейных усилителей мощности. Вообще, передатчики, формирующие модулированный сигнал, должны отвечать требованиям спектральной маски так, чтобы излучаемый сигнал не создавал помехи другим пользователям, использующим соседние частотные каналы. Передатчик для такого рода модуляции может быть простым переносчиком информационного сигнала вверх по частоте, например на основе петли ФАПЧ.

Однако, так как спектральная эффективность систем, увеличение скорости передачи информации и сосуществование систем связи становятся все более актуальными вопросами,

необходимо использовать в них многоуровневые (multilevel) и многочастотные

(multicarrier) методы модуляции с изменяющейся огибающей (variable-envelope).

Сигналы с изменяющейся огибающей типа квадратурной фазовой манипуляции QPSK (quadrature phase shift keying), квадратурной амплитудной манипуляции (QAM), в комбинации с ортогональным частотным уплотнением OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) имеют вариацию и амплитуды и фазы, что приводит к необходимости использования линейного усиления мощности. Такие сигналы преобразуются вверх по частоте с использованием смесителей или формируются с использованием методов прямой квадратурной модуляции. Эти сигналы спектрально компактны, но энергетичски не очень эффективны. Линейность таких систем часто определяется в терминах коэффициента мощности в соседнем канале ACPR (adjacent channel power ratio). Величина ACPR является мерой спектрального загрязнения каналов из-за нелинейного усиления.

Использование схем модуляции высокой плотности (high-density modulation), стало возможным в связи с появлением современных быстродействующих устройств обработки сигналов. Их применение, однако, требует реализации методов линеаризации УМ, которые часто используют сложные алгоритмы, затрагивающий весь тракт передачи. Для достижения одновременно высоких значений КПД и линейности, были предложены различные методы линеаризации усилителей и трактов передачи в целом, типа подачи сигнала вперед (feed forward), обратной связи (feedback), предыскажения (pre-distortion), и линейного усиления с использованием нелинейных компонент LINC (linear amplification using non-linear

12

components). В свою очередь, эффективность методов линеаризации сильно зависит непосредственно от параметров и характеристик «исходного», нелинеаризированного УМ.

Таблица 2.1. Основные параметры радиоинтерфейсов СМС

В таблице 2.1 приведены параметры радиоинтерфейсов систем мобильной связи (СМС), наиболее существенные для учета при проектировании усилителей мощности тракта передачи.

Типовые показатели качества трактов передачи

В настоящее время наряду с традиционно используемых для оценки трактов передачи устройств мобильной связи показателей качества (ПК) все более широко используется ряд новых, еще не достаточно хорошо известных широкому кругу радиоинженеров.

Ключевыми параметрами и характеристиками передатчиков систем связи являются выходная мощность (Output Power), занимаемая полоса частот (occupied bandwidth, OBW) или канальная мощность (channel power, Power in a Band), нежелательные сигналы или излучения (Unwanted Signals), фазовый шум (Phase Noise) и качество модуляции

(Modulation Quality).

Выходная мощность

Измерение реальной величины выходной РЧ мощности в трактах передачи имеет ряд особенностей. Современные системы связи используют стандарты множественного доступа с временным разделением (TDMA), поскольку они значительно эффективнее используют емкость каналов передачи. При использовании этого метода информация для отдельных каналов голоса и данных передается во временных интервалах - таймслотах. Несколько последовательных временных слотов в такой системе TDMA образуют полный кадр. После передачи кадра процесс повторяется снова, начиная с первого таймслота. При разработке или тестировании такого радиооборудования интерес представляет величина РЧ мощности в пределах одного или нескольких таймслотов или даже отдельных полей таймслота.

В соответствии с этими требованиями нужно выбрать наиболее подходящий датчик. Обычные тепловые датчики не могут адекватно измерять характеристики такого сложного

13

сигнала, поскольку они не могут измерять мощность в конкретных частях временного слота, например, выделить поле данных в пакете.

Невозможно также отдельно измерять импульсную мощность сигналов в отдельных таймслотов кадра, поскольку тепловые датчики усредняют РЧ мощность за время всего кадра. Это связано с тем, что принцип действия теплового датчика основан на преобразовании мощности в тепло. Выборка мощности за определенный период времени – что очень легко выполняется с помощью диодных датчиков – для тепловых датчиков также невозможна. В отличие от диодных датчиков, тепловые датчики, по своей природе, обладают меньшим динамическим диапазоном. Однако диодные датчики всегда реагируют на такие особенности сигнала, как выбросы, импульсные помехи, просечки, а также фронты

импульсных РЧ сигналов, и включают их в измерение пропорционально мощности этих особенностей.

Наиболее удобно для этих целей использовать анализаторы спектра, которые могут точно и с высокой линейностью измерять уровень сигнала относительно некоторой опорной мощности. При измерениях с временным стробированием (time-gated), измерители мощности измеряют пиковые и средние мощности в определяемых пользователем временных воротах (time-gate), устанавливаемых непосредственно по исследуемому сигналу. Для этого современные измерители мощности имеют режим “ осциллографа” (Scope) с возможностью переключиться в режим “ строба” (Gates) или “ временного слота” (Timeslot). Устанавливая в графическом виде стробы, непосредственно в графическом окне осциллографа, можно избирательно подавлять, например, нежелательные компоненты в начале или в конце таймслота. Это позволяет измерять параметры только интересующих компонентов сигнала

Рис. 2.3. Сравнение векторных диаграмм сигналов GMSK (слева) и сигналов EDGE при передаче «всех 1» (справа) и случайных данных (центр)

Существенным фактором, который необходимо учитывать при проектировании и тестировании трактов передачи, является то, что реальная выходная РЧ мощность устройства зависит от ряда параметров модулированного сигнала, например вида модуляции. Например, основным отличием между EDGE и GMSK сигналами, используемыми в РЧ блоках стандарта GSM, является то, что сигналы EDGE имеют переменную огибающую, и это показывают две векторных диаграммы на рис. 2.3. Присущий сигналу EDGE пик-фактор - отношение пикового значения к среднему PAR (peak to average ratio) – в таймслоте может достигать 3,4 дБ. Кроме того, выходная средняя мощность таймслота зависит от его информационного содержания - передаваемых данных.

При передаче псевдослучайных данных, так как используются все возможные комбинации I/Q компонент, сигнальная точка перемещается по I/Q плоскости, как показано на рис. 2.3 в центре. При использовании последовательности данных "все 1" средняя

14

мощность будет на 30% более высокий, чем с последовательностью случайных данных. Вследствие появления выбросов сигнала, вызванных предмодуляционной фильтрацией, пиковая амплитуда приблизительно равна 1,44. Поэтому пиковая мощность EDGE сигнала со случайными данными более чем в два раза (на 3,2 дБ) больше средней мощности.

Помеха в соседнем и дополнительном каналах

Когда несущее колебание промодулировано сложным информационным сигналом, небольшая часть передаваемой энергии неизбежно оказывается вне выделенного радиоканала.

Если эта энергия падает в канал, который расположен непосредственно выше или ниже выделенного канала, это называется помехой (интерференцией) в соседнем канале ACI (Adjacent Channel Intereference). Когда передаваемая энергия попадает в радиоканал, расположенный двумя каналами выше или ниже рабочего, это называются помехой в дополнительном канале (Alternate Channel Interference) или черезканальной помехой.

Мощность в соседнем канале (Adjacent channel power) в системах GSM/EDGE определена нормативными документами 3GPP как два компонента, получаемых в результате двух процессов:

∙Спектр, обусловленный (вследствие, за счет) модуляцией и широкополосный шум

(spectrum due to modulation and wideband noise);

∙спектр, обусловленный (вследствие, за счет) коммутацией передатчика (spectrum due to switching).

Определенный нормативными документами спектр, обусловленный модуляцией, широкополосный шум и спектр, обусловленный коммутацией, часто объединяют и называют “ выходной РЧ спектр” ( output RF spectrum, ORFS).

Как правило, в нормативных документах величина допустимой мощности в соседнем канале задается в графической форме – в виде спектральной маски.

Коэффициент мощности в соседнем канале ACPR (Adjacent Channel Power Ratio) -

мера расширения спектра формируемого сигнала, паразитного попадания сигнала в соседние каналы.

Как правило, этот параметр используется, чтобы оценить степень искажений, вызванных нелинейностью усилителей мощности и в целом трактов передачи РЧ блоков. Можно сказать, что коэффициент ACPR характеризует их предрасположенность к созданию помех устройствам, использующим соседний РЧ канал системы радиосвязи.

В общем виде коэффициент ACPR определяется как выраженное в децибелах отношение величины мощности P1 в определенной полосе частот (BW1) на центральной частоте рабочего канала, к величине мощности P2, сосредоточенной в определенной полосе (BW2) при заданной расстройке (F) от несущей частоты рабочего канала (fc).

15

Рис. 2.4. Измерение коэффициентов ACPR и ACLR

Коэффициент мощности в соседнем канале ACPR (Adjacent Coupled Power Ratio) -

мера того, насколько передатчик может вызвать интерференцию на соседние приемники, вследствие совокупного эффекта нелинейности, фазового шума, соканальные помехи, и т.д., приводящих к подросту спектра. Концепция измерения коэффициента ACPR иллюстрируется с помощью рис. 2.4. Конкретные значения используемых при измерениях величин полос частот, отстроек, мощностей для различных стандартов и технологий можно найти в соответствующих нормативных документах.

Для характеристики качества передатчиков систем связи третьего поколения WCDMA аналогично ACPR введен коэффициент ACLR.

Коэффициент (отношение) мощности, просачивающейся в соседний канал ACLR

(Adjacent Channel Leakage power Ratio): отношение средней мощности, сосредоточенной на частоте назначенного канала (assigned channel) к средней мощности, сосредоточенной на частоте соседнего канала (adjacent channel) [3GPP TR 21.905]. В обоих случаях средняя мощность измеряется с применением измерительного фильтра, имеющего характеристику "корня приподнятого косинуса" (Root Raised Cosine, RRC) с коэффициентом крутизны а = 0.22, в полосе частот, равной чиповой скорости (chip rate).

Спектральные маски сигналов

Спектральная маска передатчика (Spectral Mask, Spectrum Emission Mask, SEM)

определяет величины мощности, излучаемые при определенных расстройках (сдвигах)

16

огибающей РЧ пакета в тракте передачи производится путем плавной коммутации или рампинга (Ramping) усилителя мощности передатчика с нормированными временами установления и спада (среза) формируемого выходного радиоимпульса в соответствии со спецификациями стандартов. Слишком крутые фронт и срез формируемой посылки приводят к расширению занимаемой полосы частот. С другой стороны, они не должны быть слишком пологими, так как это может привести к потери информации из-за недостаточной мощности в начале и конце информационных пакетов.

Такое управление трактом передачи называют динамической регулировкой (Dynamic Control) выходной мощности передатчика.

Вид огибающей используемых РЧ посылок (пакетов) строго нормируется соответствующими нормативными документами. Временные характеристики тайм-слота (временного интервала) TDMA-кадра задаются временной маской (Time mask; Mask Standard), нормирующей вид огибающей информационной посылки, размещаемой в таймслоте. Форма временной маски задается нормативными документами соответствующих стандартов. В качестве примера ниже на рис. 2.6 приведена одна из временных масок для стандарта GSM [2.1].

Рис. 2.6. Временная маска выходного сигнала БС системы GSM

3. Архитектура РЧ трактов

Архитектура тракта приема

ВРЧ блоках используются приемники с различной архитектурой, имеющие как достоинства, так и недостатки. Различными производителями предлагается достаточно большое количество наборов ИС с различными структурами и степенью интеграции для РЧ блоков.

Втрактах супергетеродинных приемников производится преобразование (перенос)

принимаемого сигнала на промежуточную частоту, где и производится последующая его обработка – фильтрация, усиление, демодуляция.

Втрактах приема устройств связи используется супергетеродинная архитектура

(Heterodyne Architecture) с одним (Single-Conversion) (рис. 3.1) или двойным преобразованием (Double-Conversion) частоты.

18

Рис. 3.2. Приемный тракт с прямым преобразованием сигнала в квадратурных каналах

Эту архитектуру, показанную на рис. 3.2, называют иногда «приемником с нулевой ПЧ» (Zero-IF receivers), устаревшее название - гомодинный приемник (Homodyne). Как и в классической супергетеродинной архитектуре, в данной архитектуре используется перестраиваемый высокочастотной гетеродин, с помощью которого производится выбор рабочего канала. Для достижения высоких качественных характеристик РЧ блока в нем необходимо использовать высоколинейный смеситель. Тракты усиления после перемножителей должны производить значительное основное усиление, в том числе и постоянной составляющей сигнала, чтобы не потерять важные компоненты принимаемой информации.

Достоинства архитектуры прямого преобразования АПП

∙Уменьшенная стоимость, потребляемая мощность и массо-габаритные показатели

∙Нет необходимости использовать дискретные РЧ и ПЧ фильтрующие компоненты, что позволяет создавать полностью интегрированные в одну РЧ ИС многодиапазонные устройства;

∙Осуществляемая в информационном тракте канальная фильтрация позволяет разрабатывать многостандартные приемопередатчики;

∙Необходимо использовать только один СЧ, что кроме прочего, приводит к отсутствию каналов побочного приема и комбинационных помех в РЧ блоке;

∙Отсутствует зеркальный канал приема и поэтому нет необходимости в использовании внешнего высокодобротного фильтра подавления зеркального сигнала.

Недостатки архитектуры прямого преобразования АПП:

∙Утечка сигнала гетеродина (LO leakage) на вход смесителя, где он смешиваясь сам с собой, попадает на вход МШУ или антенну и излучается, создавая помехи соседним приемным устройствам;

∙Сигналы большого уровня проникает с РЧ входа смесителя на гетеродинный вход смесителя;

∙Изменяющееся по времени смещение постоянной составляющей (DC offset), возникающее в результате разбаланса квадратурных каналов тракта приема, нестабильности амплитуды сигнала гетеродина и ряда других явлений;

∙Фликкер-шумы (Flicker noise) становятся очень заметными, так как основное усиление сигнала происходит в низкочастотном усилителе;

20