Учебно-методическое пособие и задания на курсовой проект Радиоприемные устройства систем мобильной связи

Использование балансных схем ПрЧ снижает уровень шумов гетеродина и уменьшает число составляющих продуктов преобразования.

Широкое распространение в приемниках СМС получили преобразователи на основе дифференциальных транзисторных пар. Построенные на базе БТ и в последнее время 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; 3, с. 58-69; 4, с. 81-109; 6, с. 92-116; 7, с. 499-510]

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 основой такого преобразователя является амплитудный детектор.

Амплитудный детектор (АД) предназначен для детектирования амплитудномодулированных (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 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 предназначены для преобразования изменения мгновенной частоты или фазы входного напряжения в изменение амплитуды или тока на его выходе сравнением этих показателей с опорным напряжением. В фазовом детекторе выходное напряжение пропорционально разности фаз опорного генератора и принятого сигнала, а в частотном - частот.

Для снижения искажений, возникающих в детекторах сигналов с угловой модуляцией, обусловленных амплитудно-фазовой конверсией, на их входе 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 могут применяться как некогерентные,

11

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 низких частот 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. 305-309; 3, c. 72-84; 4, c. 122-158; 7, c. 499-211, 646-654; 8, c. 417-429, 506-522]

Вопросы для самопроверки

1.Что такое детекторная характеристика АД? Как оно 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.

7.Изобразите структурную схему и поясните принцип действия I/Q демодуляторов.

8.Поясните принцип формирования выходного напряжения при приеме 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 СМС, когда сигнал в радиоканале подвергается изменениям из-за многолучевости распространения, замираний, перемещения 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; 3, c. 84-90; 4, c. 158-209; 7, c. 575-585]

12

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 автоматической подстройки частоты (АПЧ). Поясните принцип их работы.

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, 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 СМС, 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, позволяет 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. 137-141; 3, c. 91-101; 4, c. 219-252; 5, c. 56-62]

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.Каким законом описываются распределения огибающей сигнала при быстрых и медленных замираниях?

7.Поясните принцип комбинирования сигналов при макроскопическом разнесении.

13

9. Особенности радиоприемных устройств СМС различных стандартов

Архитектура приемников СМС определяется их назначением, диапазоном рабочих частот и характеристиками принимаемых сигналов. Следует усвоить, что приемник систем фиксированной связи чаще всего реализуют принцип «точка-точка», используя выделенную абоненту полосу частот (временной интервал). В приемниках СМС связь организуется с использованием физического канала, предоставляемого на время соединения. 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 разрабатывающихся 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 близка приемника 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. 504-515; 3, с. 98-101]

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.

Примерное содержание лекций

Лекция 1 (2ч ) Общие сведения о РПрУ в системах МС. Основные технические показатели РПрУ в системах мобильной связи.

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

Лекция 3 (2 ч.) Преобразователи частоты. Детекторы радиосигналов. Лекция 4 (2ч.) Ручные и автоматические регулировки в радиоприемниках.

Лекция 5 (2 ч.) Электромагнитные помехи и методы их ослабления. Особенности радиоприемных устройств СМС различных стандартов.

Содержание практикумов

1.Исследование транзисторного резонансного усилителя.

2.Исследование преобразователя частоты на биполярном транзисторе.

3.Исследование детектора (одного из видов).

14

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ПО КУРСОВОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ

В качестве курсового проекта студентам предлагается разработка структурной схемы и составление архитектуры радиотракта приёмника системы широкополосного радиодоступа стандарта UMTS (WCDMA). Приёмник должен удовлетворять требованиям, приведённым в задании.

ВЫБОР ВАРИАНТА ЗАДАНИЯ

Задания на курсовое проектирование составлены по многовариантной системе. Вариант задания выбирается по двум последним цифрам номера зачётной книжки студента. Предпоследняя цифра определяет диапазон приемника: если цифра нечётная, следует использовать данные табл. 1, чётная – табл. 2. По последней цифре номера зачётной книжки определяются технические параметры приёмника, которые должны быть обеспечены при проектировании. Конкретный вариант структурной схемы приёмника, а также её реализация выбирается произвольно, по желанию студента. При разработке принципиальной схемы можно использовать как рекомендации данного пособия по применению микросхем, так и другую элементную базу, пригодную для проектирования приёмника стандарта UMTS, соответствующего заданию диапазона.

ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ

Выполненный курсовой проект оформляется в виде расчетно-пояснительной записки в напечатанном или рукописном виде на стандартном листе формата А4 в сброшюрованном виде, которая должна содержать:

1)техническое задание на проект;

2)обоснование и расчёт структурной схемы приёмника;

3)архитектуру приемной части терминала с учетом характеристик ИС, применяемых для ее реализации;

4)справочные данные, структурную схему, а также типовое включение, используемых ИС;

5)перечень использованных источников информации.

15

16

17

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО КУРСОВОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ

1. Разработка структурной схемы приёмника стандарта WCDMA

Трансивер системы мобильной связи. Поскольку архитектура приемника дополняет архитектуру передатчика, проводя преобразование сигнала, противоположное совершенному на передатчике, то необходимо четко понимать назначение процедур, выполняемых над сигналом на передающей стороне.

Рис. 1

Речевой аналоговый сигнал поступает на кодер источника - адаптивный многоскоростной кодек AMR (Adaptive Multi-Rate) формирующий цифровой поток (биты) с восемью различными скоростями, конкретное значение которой выбирается сетью радиодоступа RAN (Radio Access Network, рис. 2), зависящей от загрузки сети и показателей качества источника сигнала.

Рис. 2

В базовой сети (CN - Core Network) системы UMTS для построения транспортной сети между элементами сети радиодоступа UTRAN используется технология асинхронной передачи данных. При этом скорость передачи для одного речевого канала домена базовой сети с коммутацией каналов (CS-домена, Chanel Switch) в UMTS составляет 64 кбит/с, а домен с коммутацией пакетов (PS-домена, Pocket Switch) построен на технологии

18

IP-туннелирования. Технология, основанная на IP-протоколе, стала использоваться не только для передачи данных, но и речи, видео и т.д. Внедрение новейших технологий передачи речи поверх IP-протокола (VoIP, Voice over IP) привело к трансформации системы UMTS в систему, полностью интегрированную с сетью IP и позволяющую сосуществовать двум различным сетям, построенным на основе единой базовой сети с коммутацией каналов и пакетов.

Видеосигнал, сигнал звукового сопровождения, данные и др. обрабатываются кодеком Н 324 в блоке коммутации каналов (CS domain).

Канальное кодирование (рис. 1) осуществляется при помощи циклического избыточного кода CRC (Cyclic Redundancy Check), который повышает корреляцию между символами, что позволяет восстанавливать сигнал после воздействия интерференции. Для речевых сигналов применяются сверточные коды с коэффициентом кодирования 1/2, 1/3, когда к входной последовательности добавляется 16 или 24 бита, соответственно. Кроме того применяется турбокодирование с коэффициентом 1/3 с добавлением 12 контрольных битов. Увеличение в два или в три раза длины последовательности на выходе канального кодера по сравнению с входной уменьшает временной интервал, отводимый на одну посылку (символ) и увеличивает вероятность правильного приема информационного бита. Однако вносимая коррекция приводит к увеличению задержки сигнала на приеме.

Процедура перемежения снижает вероятность возникновения ошибки в подряд следующих битах. Возможно использование трех интервалов перемежения: 20, 40 и 80 мс. После кодирования и перемежения в направлении DL каждый фрейм цифровой последовательности преобразуется в символьную QPSK последовательность и затем каждые 0,667 мс выполняется мультиплексирование с пилот-сигналом и сигналом управления мощностью передатчика TPC (Transmission Power Control). QPSK-символьная последовательность формируется разделением цифровой последовательности без возврата к нулю на входе в QPSK модулятора на синхронную и квадратурную составляющие с последующим скремблированием каждой из них.

После применения процедуры речевого и канального кодирования информационный поток разделяется на синфазный и квадратурный и подвергается рассеиванию двумя взаимно ортогональными кодами каналообразования. Это вызывает 4-256 кратное расширение спектра

последовательность элементарных символов (чипов) длительностью 0,26 мкс, что

зависимости от коэффициента расширения SF (Spreading Factor). Используемое расширение подстраивается под текущую скорость передачи двоичных данных в канале данных, что приводит к изменению ширины спектра.

Количественно SF (база сигнала В) определяется как отношение ширины спектра сигнала

Если в сетях стандарта GSM передача одного бита информации осуществляется сигналом длительностью Т, то В = 1. Для сигнала с модуляцией GMSK ∆fc ≈ 1/Т, а ширина спектра сообщения ∆Fc определяется скоростью передачи информационных битов R = ∆Fc = 1/Tb, где Tb – длительность передачи бита информации. Поскольку длительность одного бита информации совпадает с длительностью сигнала, передающего бит Т = Тb = Т0, то

В = ∆fc /∆Fc = ∆fc Тb = 1.

19

В широкополосных сетях база сигнала значительно больше единицы, поскольку для расширения сигнала применяется разбиение видеоимпульса такой же длительностью Т на L элементов длительностью τэ = T/L, что увеличивает базу сигнала в L раз

(∆fп = ∆fc) и обладающей ограниченной мощностью Рп, спектральная плотность мощности помехи определяется N / 2 Pп / fп Pп / fc , отношение сигнал/шум на входе корреляционного приемника

Отсюда следует, что С/Ш в широкополосной сети радиодоступа возрастает по сравнению с узкополосными сетями в величину базы сигнала.

Для повышения помехоустойчивости систем мобильной связи с технологией WCDMA вслед за речевым кодированием применяется двукратное расширение спектра: вначале канальное кодирование ортогональным кодом и затем кодирование псевдослучайным кодом (PN, Pseudo Noise). Канальное кодирование предназначено для разделения сигналов пользователя в зависимости от выбранных услуг и основано на умножении данных пользователя на одну из возможных ортогональных комбинаций кода Уолша различной длины. Когда коэффициент расширения SF является изменяющейся величиной, то называется ортогональным изменяемым коэффициентом расширения OVSF (Orthogonal Variable

Spreading Factor).

Разделение полосы частот на отдельные каналы выполняется с применением ортогонального кода OVSF с переменным коэффициентом расширения, позволяющего в общей полосе радиотракта сформировать сигнал, обладающий отличительными признаками, принадлежащими конкретному абоненту. Это реализуется применением псевдослучайных расширяющих ортогональных цифровых последовательностей (функций Уолша), когда каждый бит потока данных представляется целым периодом последовательности Уолша длиной 64 символа. Пример формирования ортогональных последовательностей с различным коэффициентом расширения приведен на рис. 3.

Рис. 3 20