Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Расчет и проектирование цифровых радиоприемных устройств. Учебное пособие
.pdf
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]
