Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Расчет и проектирование цифровых радиоприемных устройств. Учебное пособие
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Рязанский государственный радиотехнический университет
им. В.Ф. Уткина
А.Ю. ПАРШИН, Ю.Н. ПАРШИН
РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ЦИФРОВЫХ РАДИОПРИЕМНЫХ
УСТРОЙСТВ
Учебное пособие
Рязань 2019
УДК 621.396.2
Расчет и проектирование цифровых радиоприемных устройств:
учеб. пособие / Рязан. гос. радиотехн. ун-т.; А.Ю. Паршин, Ю.Н. Паршин. – Рязань, 2019. – 120 с.
Излагается методика проектирования цифровых радиоприемных
устройств различного назначения. Рассчитываются структурная схема
устройства, частотный план, энергетический план.
Предназначено для студентов дневного и заочного отделений, обу-
чающихся по направлениям бакалавриата и магистратуры «Радиотехника», «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», специальности «Радиоэлектронные системы и комплексы», а также для повышения квалификации специалистов.
Ил. 42. Табл. 5. Библиогр.: 24 назв.
Проектирование, цифровое радиоприемное устройство, архитек-
тура, частотный план, энергетический план, чувствительность, избирательность, динамический диапазон
Печатается по решению редакционно-издательского совета Рязан-
ского государственного радиотехнического университета им. В.Ф. Уткина
Рецензент: кафедра радиотехнических устройств Рязанского государственного радиотехнического университета им. В.Ф. Уткина (доц.,
канд. техн. наук Е.В. Васильев)
Введение
В учебном пособии рассматриваются расчет и проектирование
цифрового радиоприемного устройства (ЦРПУ) с аналоговым входным
трактом и цифровой обработкой сигнала. Учебное пособие основано на
современных разработках в области цифровых радиоприемных устройств как отечественных, так и зарубежных ученых, а также на опыте
проектирования радиоприемных устройств на факультете радиотехники
и телекоммуникаций Рязанского государственного радиотехнического
университета имени В.Ф. Уткина [1-3]. Методика проектирования и расчета структурной и принципиальной схем ориентирована на использование современных архитектур цифровых радиоприемных устройств,
применение элементной базы высокой степени интеграции, высокотехнологичных фильтров и усилителей, а также широко используемых методов цифровой обработки сигналов.
Пособие предназначено в основном для учебного проектирования,
поэтому некоторые вопросы изложены кратко, а часть из них в учебном
пособии не освещена и излагается в цитируемой литературе [4-18]. Вместе с тем основные этапы расчета структурной схемы цифрового радиоприемника, расчет частотного плана и энергетического плана, динамического диапазона, а также методы расчета цифровой части могут применяться и для проектирования радиоприемников различного назначения. Расчеты целесообразно проводить с применением персонального
компьютера и пакетов прикладных программ.
Учебное проектирование выполняется по индивидуальному техническому заданию (ТЗ), образец которого приведен в приложении 6. В
приложении 7 приведены варианты исходных данных, для которых следует выполнить детальный расчет. В приложении 1 приведены диапазоны частот систем связи и значения промежуточных частот.
В данном учебном пособии полагается, что источником сигнала для
радиоприемника является согласованная антенна, что предполагает наличие согласующего антенного устройства, которое преобразует выходной импеданс антенны в сопротивление, равное волновому сопротивлению кабеля, обычно 50 или 75 Ом. Если диапазон рабочих частот сравнительно небольшой, например, составляет менее 5 % от центральной
частоты диапазона, то преселектор может быть неперестраиваемым. В
этом случае настройка радиоприемника осуществляется, как правило,
путем изменения частоты гетеродина, построенного на основе цифрового синтезатора частот. При более широкой полосе рабочих частот может
потребоваться также перестройка преселектора, которая обычно осуществляется путем изменения емкости варикапа, используемого в качестве
4
конденсатора колебательного контура, или коммутации фильтров поддиапазонов рабочих частот.
Результатом проектирования должны быть структурная и принципиальная схемы радиоприемника, пояснительная записка, выполненная
в соответствии с требованиями к оформлению научно-технических отчетов, спецификация элементов принципиальной схемы.
Пояснительная записка должна содержать следующие разделы:
– титульный лист;
– задание на проектирование;
– введение, излагающее задачи и особенности проектирования;
– составление и расчет структурной схемы радиоприемника;
– составление принципиальной схемы цифровой части приемника;
– таблицу соответствия результирующих характеристик приемника требованиям технического задания;
– заключение;
– список литературы;
– приложения: полную электрическую принципиальную схему спроектированного радиоприемника, перечень элементов принципиальной
схемы.
Учебное пособие содержит теоретические и практические сведения
по курсовому проектированию для дисциплин «Устройства приема и
обработки сигналов», «Устройства приема сигналов в телекоммуникационных системах», «Цифровые радиоприемные устройства», «Проектирование цифровых приемопередающих устройств», преподаваемых в
Рязанском государственном радиотехническом университете имени В.Ф.
Уткина. Содержащиеся в учебном пособии сведения представляют собой изложение методов построения цифровых радиоприемных устройств различного назначения, а также основные расчетные формулы и
соотношения, применяемые в проектировании цифровых радиоприемных устройств.
1. Общие требования к проектированию цифрового
радиоприемного устройства
В настоящее время ЦРПУ представляет собой отдельную микросхему или несколько микросхем, включающих в себя аналоговый усилительно-преобразовательный тракт, аналого-цифровой преобразователь, схему понижения частоты, блок цифровой обработки сигналов:
демодулятор, декодер и т.п. Применение высокоэффективных методов
модуляции и цифровой обработки сигналов привело к снижению энергопотребления приемным устройством и увеличению времени работы от
5
одного комплекта автономных источников питания. Помимо энергопотребления, важным параметром ЦРПУ является возможность приема
сигнала с заданным качеством на значительном расстоянии от источника. С точки зрения радиоприемного устройства актуальной является
проблема эффективного подавления помех в преселекторе, а также
обеспечение возможности приема сигналов с различными видами цифровой модуляции для максимально эффективного использования энергии и спектра принимаемого сигнала.
Перспективные радиоприемные устройства должны обеспечивать
работу с несколькими беспроводными интерфейсами с минимальной
задержкой в обработке информации и выдаче ее пользователю. Достичь
требуемой скорости переключения интерфейсов можно или объединением в устройстве разных аппаратных решений для доступа в каждом
отдельном режиме, или путем применения программируемого оборудования, что потенциально дает возможность повторного использования
одного и того же оборудования, а также обеспечения различных режимов доступа, определяемых программно (программируемое радио, SDR)
[24]. Последний подход к проектированию радиоприемного устройства
обеспечивает возможность его реконфигурации в процессе работы. Перепрограммирование требует квалифицированного обслуживания и регулярного обновления программного обеспечения. При этом на аппаратном уровне изменений не требуется. Наиболее разумным компромиссом в SDR является использование постоянно запрограммированных
радиосредств, для которых программирование является в большей мере
эффективным средством производства, а не способом обеспечения гибкости в работе. Отметим, что частое реконфигурирование требует значительного запаса производительности процессора, который обеспечивается повышением энергопотребления.
Многорежимные приемники работают в очень широких частотных
диапазонах для того, чтобы обеспечить более эффективное управление
спектром. При этом требуется не возможность перепрограммировать
устройство в процессе работы, а обеспечение быстрой адаптивной перестройки рабочей частоты, ширины спектра и других параметров сигнала. Для быстро перестраиваемых радиоприемных устройств используется термин «когнитивность».
1.1. Проблемы в области разработки цифрового радиоприемного
устройства
Архитектура радиоприемника. Основной задачей ЦРПУ является
преобразование принимаемого радиосигнала в цифровой поток в радио-
6
f
fПЧ
fГ
fЗК
fC 0 А
приемном тракте. Радиоприемный тракт содержит полосовые диапазонные фильтры, малошумящие усилители, преобразователи частоты,
фильтры основной селекции (канальные), аналого-цифровые преобразователи и цифровые фильтры для децимации и выделения канала, а также
средства цифровой обработки сигнала. В зависимости от особенностей
применения ЦРПУ в радиотехнической системе изменяются общие требования, причем выбор архитектуры приемного тракта имеет особенное
влияние на конкретные требования [19].
Преобразование частоты принимаемого сигнала в промежуточную
частоту (ПЧ) производится путем перемножения информационного радиосигнала с колебанием гетеродина и последующей частотной фильтрацией. Колебание гетеродина имеет гармоническую форму, но также
может быть представлено как сумма синусоид, например, в ключевом
смесителе. В соответствии с тригонометрическими соотношениями на
выходе смесителя образуются колебания с суммарной и разностной частотами входного высокочастотного (ВЧ) сигнала и гетеродина (рис. 1.1).
Наиболее часто применяется преобразование частоты «вниз», когда смеситель будет формировать на выходе сигнал с разностной частотой, при
этом сигнал с суммарной частотой также формируется, но подавляется
фильтром ПЧ. Одна и та же разностная частота получается при двух
различных частотах сигнала, одна из которых принимается как рабочая
частота, а вторая является частотой зеркального канала, на которой может присутствовать мешающий сигнал.
Рис. 1.1. Образование зеркального канала
На практике применяются два способа подавления сигнала на час-
7
TkNБ0
23
Б
10381
,k
Ш0Ш
ΔfNP
Ш
Δf
тоте зеркального канала: фильтрация в преселекторе и использование
квадратурного смесителя. В первом случае фильтр, подавляющий зеркальный канал, включают на входе смесителя для того, чтобы подавить
сигнал на зеркальной частоте. Так как частота зеркального канала отстоит от частоты полезного сигнала на величину удвоенной ПЧ, а ПЧ
достаточно низкая, фильтр, обеспечивающий селекцию зеркального канала, должен обладать высокой избирательностью. Для обеспечения
стабильности характеристик и снижения шума такой фильтр часто выполняют на основе пассивных компонентов, например, в виде фильтра
на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Так как ПАВ фильтры с
трудом реализуются по современной технологии изготовления специализированных интегральных микросхем (ИМС), для увеличения степени
интеграции используются также квадратурные смесители. Для упрощения интегрирования квадратурного смесителя в структуру специализированной ИМС он выполняется в виде двух отдельных смесителей и
фазосдвигающей цепи.
Одним из методов преобразования сигнала в частотной области является его дискретизация во временной области. Дискретизация в принципе может выполнять ту же функцию, что и преобразование частоты
смесителем, за исключением того, что в этом случае форма колебания
гетеродина имеет вид периодической последовательности импульсов. В
некоторых аспектах дискретизация и преобразование сигнала в смесителе отличаются, но в результате они дают схожие выходные сигналы.
Например, наличие зеркального канала действует подобно внесению
искажения в дискретизирующее устройство. С другой стороны, джиттер
и фазовый шум гетеродина, вносимые при дискретизации, просто являются двумя разными способами описания влияния шумов гетеродина на
сигнал ПЧ [19].
Тепловой шум. В большинстве случаев тепловой шум определяет
минимальную величину интенсивности сигнала, который еще может
быть правильно декодирован, то есть чувствительность радиоприемни-
ка. Спектральная плотность мощности теплового шума
, где
Дж/°К – постоянная Больцмана, T– абсолютная темпе-
ратура. Мощность шума равна
, где
– ширина спектра
шума. Ширина спектра шума определяется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) аналоговых фильтров и уменьшается при уменьшении полосы пропускания. Вместе с тем фазочастотная характеристика
(ФЧХ) аналоговых фильтров влияет на величину межсимвольных искажений. Поэтому полосу пропускания аналоговых фильтров следует выбирать исходя из компромисса между уровнем шума и величиной меж-
8
f/1
2
f
ШШБ
2
Ш
Δ4 gfTki
Ш
g
ШШ
1 gR /
CTku /
Б
2
Ш
3
3
2
21
xaxaxaxfy
21
ff ,
mn
f
21
nfmff
mn
,...3,2,1, nm
nm
ftBftA πδ27πδ25 coscos
52IP
23IP
символьных искажений.
Кроме теплового «белого» шума с постоянной спектральной плотностью мощности, в электронных схемах на низких частотах также существует «окрашенный» шум, зависимость спектральной плотности
мощности которого от частоты имеет вид
. На очень высоких час-
тотах действует шум, спектральная плотность мощности которого пропорциональна
, но благодаря спаду коэффициента усиления с ростом
частоты этот шум имеет практически постоянную спектральную плотность мощности.
Активные элементы также могут являться источниками шума. Например, транзистор имеет дисперсию выходного шумового тока
, где
– крутизна проходной характеристики транзи-
стора. Таким образом, транзистор шумит практически так же, как резистор с сопротивлением
. Установлено также, что дисперсия
напряжения на конденсаторе, подключенном к шумящему резистору,
имеет эквивалентное значение
, где C – емкость конден-
сатора [19].
Нелинейность радиотракта. Все электронные компоненты, начиная с некоторого уровня сигнала, проявляют нелинейные свойства, когда для напряжений и токов перестает выполняться принцип суперпозиции. Предполагая, что нелинейность устройства небольшая, мы можем
аппроксимировать его передаточную характеристику кубическим поли-
номом
. Если входной сигнал является сину-
соидальным, в выходном отклике появятся дополнительные гармонические составляющие на частотах, кратных частоте входного сигнала. В
случае двух входных синусоидальных сигналов с частотами
выходном отклике присутствуют составляющие с частотами
в
, кото-
рые являются линейной комбинацией частот входных сигналов
, где
рядок комбинационной составляющей равен
– положительные целые числа, по-
. Пример амплитуд-
ного спектра сигнала, образующегося при воздействии сигнала
на нелинейный элемент с кубической
характеристикой с точками пересечения
на рис. 1.2. Нелинейные свойства элементов электрической схемы, а
также каскадов в целом удобно описывать точкой пересечения линеаризованных графиков мощностей, построенных в логарифмическом масштабе, в которой мощность комбинационной составляющей становится
равной мощности входного сигнала (рис. 1.3). Для нелинейного элемен-
и
, изображен
9
2
2
1
2
a
a
iIP
3
1
3
34a
a
iIP
SFDR
iIP
2
P
ВХ
, дБ
P
ВЫХ
, дБ
oIP
2
oIP
3
iIP
3
IM
2
IM
3
oCP
Уровень шума
iCP
2
IP
2
IP
3
1 дБ
5
10
15
20
A
2
IP
AB
2
3
2
IP
BA
2
3
23
2IPABAA
2
3
23
2IPBABB
2
2
2IP
A
2
3
2
IP
AB
2
2
2IP
B
2
3
3
3IP
A
2
IP
AB
2
3
2
IP
AB
2
3
2
IP
BA
2
3
3
3IP
B
ff
2
22
2IP
BA
та с кубической характеристикой мы получим
и
соответственно для комбинационных составляющих второго и третьего
порядков.
Рис. 1.2. Спектр интермодуляционных составляющих
Рис. 1.3. Линеаризация графиков выходных мощностей: точка 1 дБ
компрессии СР, точки пересечения IP2, IP3, свободный от паразитных
составляющих динамический диапазон, уровень шума
10
Ш3
3
2
PiIP
Ш
P
дБ
2
Δ
дБмдБм
ВХ3
P
PiIP
ВХ
P
дБмдБмдБ
3ВХ
IMPP
Как следует из графиков рис. 1.3, в действительности уровни сигнала не достигают значений точки пересечения IP. Для описания реальных уровней сигнала задают значение точки 1 дБ компрессии СР, равное
уровню сигнала, при котором коэффициент усиления может измениться
на 1 дБ от его линейного значения. Динамический диапазон радиоприемника, таким образом, может быть определен как разница между СР и
уровнем шума, выраженным в дБ, или как свободный от паразитных
составляющих динамический диапазон (SFDR), который определяется
как
, дБ, где
, дБм – мощность шума на входе радиопри-
емника (рис. 1.3).
Некоторые продукты интермодуляционных искажений нечетных
порядков, расположенные между внутриполосными сигналами, находятся слишком близко к внутриполосным сигналам и могут поэтому
восприниматься как полезные сигналы. В радиоприемниках прямого
преобразования в наибольшей степени влияют интермодуляции 2-го
порядка, задаваемые точкой пересечения IP2. В супергетеродинных радиоприемниках в наибольшей степени влияют интермодуляции 3-го
порядка, задаваемые точкой пересечения IP3. Например, два соседних
канала могут вызывать интермодуляционный сигнал, попадающий в
полезный канал, который добавится к шуму, имеющемуся внутри этого
канала. В результате сигналы, уровень которых значительно ниже точки
IP3, могут генерировать помеху, приводящую к значительному сниже-
нию чувствительности приемника.
Необходимо отметить, что относительный эффект от нечетных и
четных интермодуляционных продуктов зависит от выбранной архитектуры. Например, интермодуляционные продукты четных порядков
сильно влияют на приемники прямого преобразования и им подобные,
тогда как они почти устраняются в других архитектурах приемников,
если используются дифференциальные схемы.
Нелинейность третьего порядка. Входная точка пересечения
третьего порядка iIP3 равна:
где
– мощность входного сигнала, а P равно
,
,
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]