Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Расчет и проектирование цифровых радиоприемных устройств. Учебное пособие

.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
08.09.2026
Размер:
2 Мб
Скачать
11
дБдБдБмдБм
ЗМИНМИНВХ3
PqPIM
дБм
МИНВХ
P
дБ
МИН
q
дБ
З
P
12
ff
12
ff
дБΔдБмдБм
ВХ2
PPiIP
дБм
ВХ
P
дБмдБмдБ
2ВХ
IMPP
дБдБдБмдБм
ЗМИНМИНВХ2
PqPIM
для интермодуляционной составляющей третьего порядка с уровнем
,
где ное отношение сигнал-помеха, а запас мощности
– чувствительность приемника,
минималь-
выбирается
разработчиком из практических соображений. Эти формулы могут ис­пользоваться для вычисления минимальных требований, которым дол­жен удовлетворять радиоприемник с точки зрения нелинейных искаже­ний 3-го порядка.
Нелинейность второго порядка. Продукты интермодуляции второ­го порядка
или
могут стать заметными в радиоприемни-
ках с низкой ПЧ и в особенности с нулевой ПЧ, поскольку они попадают в низкочастотный диапазон. В этих типах радиоприемников интермоду­ляционные искажения второго порядка могут стать более сильным огра­ничивающим фактором, чем третьего порядка.
Входная точка пересечения второго порядка iIP2 может быть вы­числена по формуле
,
где
– мощность входного сигнала,
,
для интермодуляционного продукта 2-го порядка с мощностью
.
Частотная избирательность. Способность радиоприемника при- нимать только определенный сигнал в частотной области определяется его избирательностью (рис. 1.4). Помехи и шумы, находящиеся внутри полосы частот принимаемого сигнала, называются внутриполосными помехами. В зависимости от вида модуляции и требований стандарта допустимый уровень таких помех на 0…10 дБ ниже уровня полезного сигнала. Для уменьшения влияния таких помех обычно требуется со­вершенствовать алгоритм демодуляции, а фильтрация в частотной об­ласти менее эффективна.
12
Ш
P
ШПР
P
ПОР
P
ШВНЕШ
P
СК
P
СК1
L
СК2
L
ВНУТР
L
ВН
L
Ш
K
f
f
МИН
f
МАКС
PШТ
P
ШПР
P
ПОР
KШ=5..20 дБ
δf
P
ШВНЕШ
=0..20 дБ
L
СК1
=5 дБ
L
СК2
=30..70 дБ
PСК=0…10 дБ
LВН=50…100 дБ
L
ВНУТР
=40…100
дБ
Рис. 1.4. Частотная маска радиотракта и типовые значения
чувствительности, избирательности и динамического диапазона:
– уровень теплового шума,
ника,
– пороговая чувствительность радиоприемника,
– уровень внешних шумовых помех,
помех,
подавление 1-го соседнего канала,
2-го соседнего канала,
шающих сигналов,
подавление внеполосных мешающих сиг-
налов, f – разнос частот каналов,
уровень шума радиоприем-
уровень соканальных
подавление
подавление внутриполосных ме-
коэффициент шума ра-
диоприемника
Кроме внутриполосных помех, на качество приема влияют ме­шающие сигналы, располагающиеся на соседних с полезным сигналом частотных каналах. Требуемое подавление соседних частотных каналов достаточно велико и составляет 30…70 дБ, что достигается комбиниро­ванной фильтрацией аналоговыми и цифровыми фильтрами ПЧ.
Основной задачей аналоговой фильтрации перед аналого­цифровым преобразованием (АЦП) является уменьшение помех дискре­тизации, ограничение требуемого динамического диапазона АЦП и обеспечение малого уровня шумов дискретизации. После аналого­цифрового преобразования цифровой фильтр производит основную
13
фильтрацию и выравнивание группового времени задержки. Поскольку фильтры, подавляющие соседние каналы, должны обладать высокой крутизной склонов АЧХ, то эта задача лучше выполняется на низких частотах, где относительная крутизна склонов характеристики может быть понижена. На низких частотах целесообразно интегрировать ана­логовые фильтры в составе специализированных ИМС в виде фильтров низких частот (ФНЧ), которые требуют только применения резисторов, конденсаторов и усилителей.
Внеполосные мешающие сигналы подавляются с помощью фильт­ров на радиочастоте. Так как центральная частота спектра радиосигнала велика, такие фильтры имеют очень узкую относительную ширину по­лосы пропускания и могут выполняться, например, по технологии ПАВ, что затрудняет их интегрирование в ИМС.
1.2. Выбор технологии реализации трактов цифрового радиоприемного устройства и специализированных
интегральных микросхем
К современным радиоприемникам предъявляются различные и дос-
таточно жесткие требования, в том числе:
– малое энергопотребление; – низкая стоимость; – простота изменения конфигурации; – поддержка нескольких стандартов связи; – работа в нескольких диапазонах частот. Все эти соображения должны быть сбалансированы для того, чтобы
получить решение, которое является устойчивым и выполнимым при имеющихся ресурсах [19].
Аналоговая реализация позволяет получить технические характе­ристики, близкие к предельным, тогда как цифровая реализация обеспе­чивает большую гибкость и устойчивость. Поскольку совершенствова­ние технологического процесса обеспечивает все большую скорость и меньшую площадь ИМС, то более предпочтительным становится циф­ровое исполнение. На рис. 1.5 представлена укрупненная структура ЦРПУ, которая содержит аналоговый и цифровой тракты. При этом оп­ределяющее значение для ЦРПУ имеют место расположения и характе­ристики АЦП. Чем большее число задач радиоприема решается с помо­щью цифрового тракта, тем более высокие требования предъявляется к частоте дискретизации и динамическому диапазону АЦП [16-18].
Использование передовых технологий при изготовлении цифровых ИМС низкочастотного информационного тракта позволяет повышать
14
АЦП
ПФ1
ЦФНЧ
Аналоговый
тракт
Цифровой
тракт
степень их интеграции в соответствии с законом Мура. Этого нельзя сказать о радиочастотных ИМС, так как их размеры значительно мень­ше, а также вследствие необходимости тщательного моделирования их работы и наличия большого числа паразитных эффектов. Преимущество аналогового тракта состоит в применении пассивных компонентов, та­ких как высокодобротные катушки и варикапы, которых нет в стандарт­ном технологическом процессе для производства цифровых схем.
Рис. 1.5. Разделение радиоприемника на аналоговый и цифровой тракты
При объединении аналогового и цифрового трактов в одной ИМС (система на кристалле, SOC) возможно небольшое снижение стоимости в основном за счет снижения площади кремниевого кристалла, умень­шения количества выводов и, следовательно, уменьшения требуемого количества громоздких контактных площадок. Преимуществом техно­логии SOC также является повышенная гибкость интерфейса между аналоговым и цифровым трактами. Другим вариантом реализации ЦРПУ является технология SIP (система в корпусе), которая при малых размерах корпуса дает преимущества, не отличающиеся от рассмотрен­ных выше. Применение SOC сталкивается с проблемой различного тем­па обновления аналогового и цифрового трактов, что приводит к боль­шему количеству обновлений аналогового тракта или переходу сущест­вующих РЧ решений на новый технологический уровень, хотя это и не было нужно для аналогового тракта, а также с проблемой надежности. Цифровые схемы обычно характеризуются только плотностью дефек­тов, приводящих к потерям в выходе годных изделий, тогда как анало­говые схемы могут выйти из строя вследствие случайного разброса па­раметров элементов. В результате даже при исправном цифровом тракте ЦРПУ будет неработоспособным из-за неисправности аналогового трак­та. Таким образом, применение SOC в ЦРПУ целесообразен только при условии, когда выход годного аналогового тракта части сравним с вы­ходом годности, ограниченным плотностью дефектов цифрового тракта.
2. Архитектуры цифровых радиоприемных устройств
Применение ИМС позволяет существенно уменьшить массу, габа­риты, стоимость и потребляемую мощность радиоприемников. В по-
15
G
ПФ1
МШУ
ПФ2
СМ1
ФПЧ1
СМ2
ФПЧ2
АЦП
РЧ
ГУН
ПЧ
ГУН
G
Дем
УПЧ
следнее время в радиосистемах начали использовать радиоприемники с различной архитектурой, каждая из которых имеет свои достоинства и недостатки. Разработано достаточно большое количество наборов ИМС (чипсетов) с различной степенью интеграции аналогового тракта. Выбор конкретного чипсета определяет конфигурацию ЦРПУ и его стоимость. Для РЧ ИМС с высокой степенью интеграции, как правило, разработаны соответствующие ИМС информационного тракта, которые предназначе­ны для работы с этими РЧ ИМС.
2.1. Супергетеродинный радиоприемник
В радиоприемном тракте многих устройств широко применяется архитектура с одним или двойным преобразованием частоты. В обеих схемах выбор рабочего частотного канала производится с помощью пе­рестраиваемого по частоте гетеродина. Сигнал гетеродина вырабатыва­ется генератором, управляемым напряжением (ГУН), частота которого стабилизируется с помощью синтезатора частоты (СЧ).
Супергетеродинный радиоприемник с двойным преобразованием частоты. Рассмотрим архитектуру супергетеродинного радиоприемни-
ка с двойным преобразованием частоты. Супергетеродин с одним пре­образованием частоты является частным случаем супергетеродина с двойным преобразованием частоты. Супергетеродин с тремя и более преобразованиями частоты в настоящее время практически не применя­ются ввиду их сложности. На рис. 2.1 показана классическая архитекту­ра супергетеродинного приемника с двойным преобразованием частоты, в котором для упрощения подавления зеркального канала используется высокая первая промежуточная частота (ПЧ).
Рис. 2.1. Архитектура супергетеродинного радиоприемника с двойным
преобразованием частоты
Вместе с тем высокая ПЧ не обеспечивает достаточной избиратель­ности по соседнему каналу. Поэтому необходимо второе преобразова­ние на более низкую ПЧ, на которой легче выполнить фильтры для по-
16
давления соседнего канала. Полосовой ВЧ фильтр ПФ1, предшествую­щий малошумящему усилителю (МШУ), а также полосовой фильтр ПФ2 после МШУ уменьшают уровень внеполосных сигналов, а также уро­вень помех по 1-му зеркальному каналу. Затем спектр сигнала преобра­зуется вниз по частоте на фиксированную 1-ю промежуточную частоту с использованием смесителя СМ1 и перестраиваемого гетеродина РЧ ГУН. Помехи по 2-му зеркальному каналу и другие нежелательные про­дукты преобразования подавляются с помощью фильтра ФПЧ1, распо­ложенного перед 2-м преобразованием вниз по частоте. Выбор рабочего канала и подавление помех по соседнему каналу осуществляются фильтром ФПЧ2, настроенным на 2-ю промежуточную частоту. От пра­вильного выбора значения промежуточных частот и параметров фильт­ров зависят получаемые величины избирательности и чувствительности приемника, а также его динамического диапазона. Второе преобразова­ние вниз по частоте в современных ЦРПУ обычно производится в квад­ратурных каналах, чтобы облегчить цифровую обработку квадратурных сигналов.
В радиоприемнике с двойным преобразованием частоты требова­ния к характеристикам фильтров существенно снижаются. Кроме того, в радиоприемнике с супергетеродинной архитектурой эффекты смещения постоянной составляющей и утечки сигналов в смесителе, более под­робно рассмотренные далее, не влияют на характеристики приемника из-за использования нескольких этапов преобразования. Также суперге­теродин с двойным преобразованием частоты обладает высокой устой­чивостью и малой чувствительностью к нелинейным искажениям второ­го порядка.
Однако достижение высоких значений параметров и характеристик приемника приводит к увеличению стоимости устройства и его разме­ров. Это происходит за счет применения внешних высокодобротных полосовых фильтров, необходимых для подавления зеркального канала и выбора рабочего канала. Так как выбор рабочего канала происходит в первом каскаде тракта ПЧ, перестраиваемый гетеродин требует качест­венного выполнения и использования внешнего колебательного контура для достижения малого уровня фазовых шумов. Указанные факторы затрудняют полную интеграцию приемопередатчика в одной ИМС.
Для работы в приемных устройствах с двойным преобразованием частоты выпускаются ИМС невысокой степени интеграции. Поэтапное преобразование частоты позволяет распределить коэффициент усиления между каскадами ПЧ, что уменьшает вероятность ограничения сигнала по амплитуде и улучшает стабильность работы приемопередатчика. На рис. 2.2 показана типовая архитектура приемопередатчика с двойным
17
G
G
МШУ
УМ
ПФ1
ПФ2
ГУН1
ГУН2
УПЧ
Дем
СМ2
СМ1
СМ3
Передавае-
мые
данные
Принятые
данные
AD6401
AD6402
AD6403
G
G
МШУ
ПФ1
СМ1
ФПЧ1
СМ2
ФПЧ2
УПЧ
Дем
Принятые
данные
Передаваемые
данные
УМ
ПФ2
СМ3
РЧ
ГУН
ПЧ
ГУН
GMSK
фильтр
ЦАП
АЦП
преобразованием частоты в радиоприемнике.
Рис. 2.2. Архитектура приемопередатчика с двойным преобразованием
частоты в радиоприемнике
В качестве примера ИМС, предназначенных для использования в приемных устройствах такой архитектуры, можно назвать комплект ИМС AD6400. Укрупненная архитектура приемопередатчика, выпол­ненного с использованием этого комплекта, приведена на рис. 2.3.
Рис. 2.3. Архитектура приемопередатчика на основе комплекта
ИМС AD6400
ИМС тракта ПЧ AD6402 содержит 2-й преобразователь частоты, усилитель промежуточной частоты (УПЧ), демодулятор на основе фазо­вой автоподстройки частоты и ГУН. Второй гетеродин ГУН2, находя­щийся в подсистеме ПЧ приемопередатчика, служит для преобразования сигнала на вторую ПЧ, типовые значения которой лежат в диапазоне 10…20 МГц.
Супергетеродинный радиоприемник с одним преобразованием час-
18
G
МШУ
ПФ1
СМ
ФПЧ
110 МГц
УПЧ
Дем
Принятые
данные
УМ
ПФ2
ПЧ
ГУН
GMSK
фильтр
ЦАП
АЦП
2f
f
Передаваемые
данные
тоты. На рис. 2.4 показана типовая архитектура приемопередатчика с одним преобразованием частоты, в котором принимаемый сигнал пере­носится в первом смесителе на ПЧ, имеющую типовое значение около 110 МГц.
Рис. 2.4. Архитектура приемопередатчика с одним преобразованием
частоты в радиоприемнике
На рис. 2.5 приведена архитектура приемопередатчика, в котором использованы ИМС PMB2220 и PMB2420. Сигнал гетеродина выраба­тывается ГУН, находящимся в ИМС передатчика PMB2220, а затем происходит удвоение его частоты и подача на смеситель радиоприемни­ка. Сигнал ПЧ усиливается и демодулируется в ИМС PMB2420. Данная архитектура может использоваться как типовая, хотя следует отметить, что производители постоянно совершенствуют архитектуру ИМС прие­мопередатчиков в направлении повышения степени интеграции и функ­циональности.
2.2. Радиоприемник с прямым преобразованием частоты
Стремление разработчиков уменьшить количество используемых в РЧ блоке навесных компонентов привело к использованию архитектуры приемника с прямым преобразованием частоты сигнала. Эту архитекту­ру также называют радиоприемником с «нулевой» ПЧ. Такой выбор второй ПЧ упрощает фильтры селекции соседнего канала до такой сте­пени, что они могут быть сделаны в интегральном исполнении. Однако нелинейные искажения второго порядка оказывают более сильное влия­ние на «нулевой» ПЧ и, следовательно, приводят к увеличению межка­нальных помех. Для подавления этих помех в радиоприемнике с прямым преобразованием частоты применяется тщательная фильтрация по 1-му зеркальному каналу, а также фильтрация на 1-й ПЧ.
19
G
МШУ
ПФ
СМ
ФНЧ
УНЧ
АЦП
Принятые
данные
РЧ
ГУН
G
МШУ
УМ
ПФ1
УПЧ
Дем
СМ1
f
2f
Информационный блок
РМВ2220
РМВ2420
ГУН
ПФ2
ПФ3
ПФ4
G
ОГ
ФД
Рис. 2.5. Структура приемопередатчика, выполненного на ИМС
PMB2220 и PMB2420
На рис. 2.6 показана структурная схема радиоприемного устройства с прямым преобразованием частоты. В данной архитектуре также ис­пользуется перестраиваемый высокочастотной гетеродин, с помощью которого производится выбор рабочего канала. Преобразованный сигнал непосредственно переносится в область низких частот.
Рис. 2.6. Обобщенная структура РЧ блока с прямым преобразованием
частоты
В радиоприемнике прямого преобразования используется частота гетеродина, равная частоте принимаемого сигнала. В результате преоб­разования происходит перенос спектра принимаемого сигнала непо­средственно в область низких частот, где после аналого-цифрового пре­образования осуществляется его обработка в цифровом сигнальном процессоре. Тракт усиления после смесителя должен производить уси­ление, в том числе и постоянной составляющей сигнала, чтобы не поте-
20
φ
G
МШУ
ПФ
АЦП
АЦП
ФНЧ
УНЧ
ФНЧ
УНЧ
РЧ
ГУН
90°
0°
Q
рять важные компоненты принимаемой информации. Полную информа­цию из принимаемого сигнала позволяет получить радиоприемное уст­ройство прямого преобразования с формированием двух квадратурных каналов (рис. 2.7).
В архитектуре радиоприемника с прямым преобразованием часто­ты для обеспечения избирательности по соседнему каналу используется ФНЧ. Так как в данном радиоприемнике отсутствует зеркальный канал приема, то внешний полосовой фильтр применяется только для умень­шения интермодуляционных помех. В целом эта архитектура является весьма привлекательной по причине уменьшения стоимости, потребляе­мой мощности и массогабаритных показателей. Отсутствие навесных компонентов делает эту архитектуру очень перспективной для интегра­ции в ИМС.
Рис. 2.7. Приемный тракт с прямым преобразованием сигнала
в квадратурных каналах
Вместе с тем применение архитектуры с прямым преобразованием частоты требует решения ряда технических задач, которые отсутствова­ли в супергетеродинном радиоприемнике или незначительно ухудшали его характеристики: утечка сигнала гетеродина, изменяющееся по вре­мени смещение постоянной составляющей, фликкер-шум, а также большой уровень интермодуляционных искажений второго порядка.
Применение гетеродина в преобразователе частоты сопровождается паразитными явлениями, ухудшающими параметры выходного сигнала. Неидеальность развязки между сигнальным и гетеродинным входами смесителя и МШУ вследствие паразитных емкостных связей, связей по подложке и печатной плате создают утечки напряжения гетеродина на сигнальный вход смесителя (рис. 2.8). В результате формируется пара­зитная постоянная составляющая сигнала на выходе смесителя.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]