Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Расчет и проектирование цифровых радиоприемных устройств. Учебное пособие
.pdf
51
МШУ
СМ
G
G
G
МШУ
СМ
МШУ
СМ
Прямое
прохождение
«Утечка»
гетеродина
«Утечка»
помехи
Целью частотного планирования является распределение на оси
частот рабочего диапазона частот, частот гетеродинов, частот зеркальных каналов, интермодуляционных частот относительно масок аналоговых и цифровых фильтров таким образом, чтобы обеспечить требуемую
избирательность радиоприемника с минимальными затратами на техническую реализацию.
Обобщенная архитектура радиоприемника. На рис. 3.6 показана
обобщенная структура радиотракта, в которой отражено прохождение
мешающих сигналов в большинстве архитектур, используемых в приемниках беспроводных информационных систем. В этих радиоприемниках
входной РЧ сигнал последовательно проходит через каскады усиления,
фильтрации и преобразования частоты, пока не будет преобразован в
цифровой сигнал для последующей цифровой обработки. При выборе
частот и значений полосы пропускания для последовательных каскадов
преобразования частоты, через которые проходит сигнал, необходимо
учитывать совместное действие нескольких факторов. Компромисс,
найденный между характеристиками фильтров, линейностью компонентов приемного тракта и динамическим диапазоном АЦП, зависит от
конкретного применения и от наличия опыта уже имеющихся разработок.
Рис. 3.6. Прямое прохождение мешающих сигналов и самосмешивание
сигнала
Мешающие сигналы могут иметь различные пути проникновения:
– каналы используют одни и те же частоты в одно и то же время в
соседних сотах или в одной и той же соте с различными кодами;
– каналы расположены на соседних частотах;
– наличие сильных внеполосных помех в зоне действия системы;
– проникновение мешающих сигналов из ИМС и других частей
схемы, например, сигналы из передающей части проникают в приемную
часть через цепи антенного переключателя;
– интермодуляционные продукты и (или) гармоники вследствие
нелинейности аналоговых компонентов.
52
Смесители и преобразование частот. Необходимо отметить, что
процесс преобразования частоты основан на нелинейных свойствах каскадов и элементов схемы. Поэтому преобразователь частоты, помимо
основных компонентов, формирует также паразитные компоненты нелинейных преобразований, которые ухудшают помехоустойчивость и
чувствительность радиоприемника. Так как входные сигналы смесителя
имеют высокие частоты, то существует проблема развязки входов от
попадания на них мешающих сигналов. Радиоприемники с различной
архитектурой в различной степени подвержены воздействию этих паразитных факторов, что делает задачу выбора удачной архитектуры очень
важной.
Зададим следующий набор исходных параметров, необходимых
при проведении частотного планирования:
– число требуемых промежуточных частот;
– центральная частота диапазона (диапазонов) ПЧ;
– ширина полосы пропускания фильтра (фильтров) РЧ, ПЧ и полосы частот модуляции.
На первом этапе необходимо определить число рекомендуемых
преобразований частоты. Целью выполнения более чем одного преобразования частоты является получение хорошей избирательности при сохранении на минимальном уровне требований к фильтрам ПЧ.
На втором этапе необходимо определить диапазон возможных значений промежуточных частот. Частотные диапазоны ПЧ должны удовлетворять следующим условиям: диапазон ПЧ не должен перекрываться
с диапазоном сигнала или гетеродина, относительная ширина полосы
пропускания фильтров должна быть технически реализуема, зеркальный
канал должен подавляться, если архитектура приемника требует его подавления, с помощью фильтров. Расчет при этих условиях дает различные частотные диапазоны ПЧ в зависимости от относительного расположения сигнала РЧ диапазона, гетеродина и диапазона ПЧ.
Выбор промежуточной частоты. После выбора частотных диапа-
зонов ПЧ для всех частотных диапазонов сигнала необходимо оценить
эффективность различных вариантов выбора ПЧ. Частотные диапазоны
сигналов могут принадлежать как к разным стандартам беспроводных
систем, так и к одному стандарту, могут частично перекрываться в различных стандартах. На этапе выбора архитектуры устанавливается число промежуточных частот, что определяет степень структурирования
пространства поиска частот. Значения ПЧ распределяются по разным
диапазонам ПЧ таким образом, чтобы в частотных интервалах, общих
для двух или большего количества из них, оценка производилась точно
для тех же самых величин ПЧ. Это значительно упрощает расчет ПЧ для
многостандартного случая.
53
РЧРЧ
ff /
ПЧПЧ
ff /
РЧ
f
КПЧ
ff
К1ПЧ
ff
МИНПЧРЧ
2 ff
Оценка эффективности каждой ПЧ с точки зрения помехоустойчивости радиоприема производится в два этапа. Сначала рассматриваются
помехи, порождаемые сигналами, имеющими отношение к данному
стандарту. После этого анализируется влияние сильных внеполосных
помех.
Диапазоны полос пропускания для фильтров РЧ и ПЧ предварительно устанавливаются таким образом:
– относительная ширина полосы пропускания
,
позволяет достаточно просто реализовать эти фильтры;
– полоса пропускания фильтров шире, чем полоса частот канала,
,
;
– полоса пропускания фильтров меньше, чем частотное разнесение
каналов для последней ПЧ,
;
– при выборе ширины полосы пропускания РЧ фильтра должна
быть обеспечена фильтрация зеркального канала, следовательно,
;
– во многих практических случаях набор различных значений ПЧ
заранее определен, а фильтры ПЧ изготавливаются специализированными предприятиями, поэтому для повышения эффективности проектирования целесообразно выбирать фильтры с типовыми значениями
центральной частоты, близкими к расчетным значениям ПЧ.
В первую очередь, при выборе ПЧ рассматриваются сигналы, задаваемые стандартом, характеристики которых заранее известны: различные входные сигналы, соответствующие им частоты гетеродинов и
большое количество наводок от сигналов, присутствующих в ИМС. Эти
сигналы могут формироваться усилителем мощности передатчика, расположенного на той же самой ИМС, гетеродином, цифровым трактом и
т.п.
Интермодуляции и гармоники. При частотном планировании учитываются все частотные диапазоны нежелательных интермодуляционных продуктов, гармоник, продуктов самосмешивания и прямого прохождения, появляющихся как комбинации этих «известных» сигналов.
Если какой-либо из этих сигналов попадает в диапазон полезного сигнала в диапазонах РЧ или ПЧ, то необходимо учитывать диапазон частот
перекрытия, порядок интермодуляций и частоты сигналов, которые порождают продукт искажений. Несмотря на то, что на этом этапе проектирования реальные уровни мощности сигналов в каждой точке приемного тракта не известны, источники происхождения паразитных продуктов и их порядок дают разработчику представление об уровне мощности
и итоговом влиянии этих сигналов на характеристики радиоприемника.
54
1П
f
2П
f
С2П1П2П1П
ffff
,
С
f
f
S(f)
АЧХ преселектора
f
П3 fП1 fП2
ΔfС
ΔfПС
помехи
Внеполосные помехи. Для оценки влияния внеполосной помехи,
попадающей в полосу пропускания РЧ фильтра, применим следующий
метод [19]. Пусть характеристики внеполосных сигналов полностью
неизвестны. Национальные или международные правила регулирования
радиоспектра могут ограничивать максимальную мощность для сигналов, близких по частоте к лицензируемым диапазонам. Однако, при проектировании информация о ширине полосы частот или динамическом
диапазоне потенциальных помех, как правило, отсутствует.
Рис. 3.7. Внеполосные помехи после прохождения нелинейного каскада
Любая комбинация частот помех
ловию
, производят при нелинейном преобразо-
и
, удовлетворяющих ус-
вании комбинационные продукты третьего порядка, которые попадают в
полосу полезных частот на частоте
. Эта интермодуляционная помеха,
возникающая вследствие нелинейности и показанная на рис. 3.7, не может быть подавлена с помощью линейных фильтров. Уменьшить влияние интермодуляционной помехи можно применением более линейных
элементов схемы, а также подавлением внеполосных помех с помощью
фильтров преселектора.
Когда внеполосная помеха и один из «известных» сигналов, определенных выше, подвергаются совместному нелинейному преобразованию, известные уравнения для вычисления комбинационных частот не
могут быть непосредственно применены для определения наиболее
вредных внеполосных частот. Поэтому рассмотрим формирование внеполосных помех, частоты которых попадают в полосу пропускания РЧ
фильтра, не перекрываясь с диапазоном частот полезного сигнала. Процесс преобразования спектров сигналов в нелинейном каскаде, показан-
55
ПЧ0
fnf
0
f
П
fm
П
f
П
fm
П
f
МАКСМИН
ff ...
ПЧ2ПЧ1
, ff
fПЧ
2f
С –f ПЧ 2fС +f ПЧ
f
S(f)
АЧХ преселектора
fП1
fП2
fС
2fП1
2fП2
ный на рис. 3.8, позволяет определить внеполосные области частот, которые могут вызывать помехи в системе.
Рис 3.8. Вычисление наиболее вредных внеполосных полос частот
Анализ спектров рис. 3.8. дает более глубокое понимание эффективности частотного планирования на каждой из оцениваемых промежуточных частот. Для выполнения требований избирательности может
понадобиться изменение выбора частотного плана либо требований к РЧ
фильтрам для некоторых промежуточных частот.
Нежелательные диапазоны частот помех вычисляются следующим
образом:
– вычисляются комбинационные частоты
, где
озна-
чает диапазон частот сигнала;
– вычисляются гармоники частоты
тоты помех
, которые попадают в полосу пропускания РЧ фильтра,
, где используются час-
не перекрываясь с диапазоном частот полезного сигнала;
– вычисляется перекрытие между полученными диапазонами частот;
– на основании перекрывающихся участков частот
ляются диапазоны частот помех
, соответствующие перекрывающим-
вычис-
ся участкам. Таким образом, определяются пораженные частоты, на которых необходимо контролировать избирательность.
Рассмотрим составление частотного плана, который учитывает
диапазон рабочих частот, частоты гетеродина, промежуточные частоты,
а также избирательность фильтров. Исходными данными для составления частотного плана являются:
– диапазон рабочих частот
из задания на проектиро-
вание;
– выбранные значения промежуточных частот
;
56
ПРМ
f
ПЧ1МАКСМИНГ1МАКСГ1МИН
...... fffff
ПЧ1МАКСМИНЗКМАКСЗКМИН
2...... fffff
ПЧ2ПЧ1Г2
fff
ПЧ2ПЧ1ЗК2
2fff
0П
fLL
f
ПЧ2
fГ2
f
ПЧ1
f
СМИН fСМАКС
f
ЗК1МИН fЗК1МАКС
f
Г1МИН fГ1МАКС
f
S(f)
АЧХ УПЧ2
АЧХ УПЧ1
АЧХ преселектора
fCK
f
ЗК2
– параметры частотно-избирательных фильтров;
– значение полосы пропускания радиоприемника
.
Составим частотный план для радиоприемного устройства с двойным преобразованием частоты. Положим, что перестройка приемника
по частоте выполняется путем изменением частоты 1-го гетеродина, так
как 2-я промежуточная частота выбрана меньше полосы рабочих частот.
Частота 1-го гетеродина при этом выбирается больше частоты принимаемого сигнала – верхняя настройка гетеродина, что дает меньший относительный диапазон перестройки частоты гетеродина. В этих условиях:
– частота 1-го гетеродина равна
;
– частоты зеркального канала 1-го преобразователя частоты равны
;
– частота 2-го гетеродина равна
;
– частота зеркального канала 2-го преобразователя частоты равна
.
На рис. 3.9 приведен частотный план, на котором отражены все
рассчитанные выше частоты.
Рис. 3.9. Частотный план супергетеродинного радиоприемника
с двумя преобразованиями частоты
При расчете избирательности фильтров учитываются затухание
сигнала в полосе пропускания фильтров на несущей частоте
57
0
f
K
fL
МИНПРЕСЗК1МИНПРЕСЗК1МИН
fLfLfS
ПЧ11ПЧЗК21ПЧЗК2
fLfLfS
ПЧ1ПЧ1ПЧ11ПЧСК1
fLffLfS δ
ПЧ22ПЧПЧ22ПЧСК2
fLffLfS δ
СК22ПЧСК11ПЧСК
fSfSfS
2
МИНЗКМИНЗКСЦ
110 lgfS
МИН
МИНЗКМИН
ЭМИНЗК
2
f
ffQ
МИНЗК
f
МИН
f
Э
Q
1
ПОЛУЧТРЕБФ
SSn /
и затухание
на частоте неосновного канала приема. Для
фильтра 2-й промежуточной частоты неосновным является соседний
канал приема, частота которого отличается от 2-й промежуточной час-
тоты на величину шага сетки частот f, взятого из задания на проектирование.
Избирательности выбранных фильтров на частотах соответствующих им неосновных каналов приема равны:
– для фильтра преселектора:
, дБ;
– для фильтра 1-й промежуточной частоты
, дБ,
, дБ;
– для фильтра 2-й промежуточной частоты
, дБ.
В настоящее время изготавливаются фильтры сосредоточенной избирательности высокого качества, поэтому общая избирательность по
соседнему каналу обеспечивается фильтрами как 1-й, так и 2-й промежуточных частот:
.
При использовании в преселекторе колебательных контуров для
целей согласования их избирательность по 1-му зеркальному каналу
также учитывается в общем итоге. Избирательность такой согласующей
цепи по 1-му зеркальному каналу равна:
, дБ, (3.1)
где
частота 1-го зеркального канала,
тельного контура,
контура.
После расчета полученные значения избирательности сравниваются
с приведенными в ТЗ значениями и делается вывод о необходимом числе
избирательных фильтров по каждому неосновному каналу приема:
– обобщенная расстройка,
–
– резонансная частота колеба-
– эквивалентная добротность колебательного
.
58
Ф
1
МИНЗКФ
4
1
МИНЗКСЦМИНЗК
n
k
k
k
k
fSfSfS
МИН0
ff
МАКС0
ff
0
f
ЗК1
f
0ЗК1ЗК10
fLfLfHfHS
ПЧ0ЗК
2fff
СЦ4Ф2СЦ3СЦ2Ф1СЦ1
SSSSSSS
1ЗКСЦ
fS
МАКСМИН
ff ,..,
ЦРПУ
f
С
f
Руководствуясь структурной схемой преселектора, уточняем значение избирательности по 1-му зеркальному каналу:
, дБ.
Расположение фильтров в усилительно-преобразовательном тракте
устанавливается с учетом шумовых свойств радиоприемника, а также
нелинейных искажений сигнала.
Расчет избирательности преселектора производится на частотах 1-го
зеркального канала при настройке приемника на частоты
и
. Избирательность равна разности коэффициентов передачи
или затухания на частоте
и на частоте зеркального канала
:
, дБ.
Частота 1-го зеркального канала зависит от того, нижняя или верхняя настройка гетеродина применяется в данном приемнике:
.
Избирательность всего преселектора определяется избирательностью входной цепи, избирательностью МШУ, цепей согласования, избирательностью полосовых фильтров, включенных после МШУ:
, дБ.
Если согласующая цепь выполнена в виде одиночного колебательного контура, то ее избирательность, равная
, определяется
соотношением (3.1). Значения избирательности фильтров получены из
паспортных данных на фильтр, приведенных в приложении 2.
Необходимо сравнить избирательность по зеркальному каналу с
требованиями ТЗ на проектирование и сделать выводы: если требования
задания не выполняются, повторить проектирование фильтров преселектора, подобрав тип и число избирательных фильтров.
При расчете частотного плана ЦРПУ используются следующие
исходные данные:
– диапазон входных частот
– ширина спектра сигнала
;
,
;
– полосы пропускания выбранных фильтров;
– частотная избирательность всего приемника S;
59
Д
K
A
f
С
А
K
f
f
n
А
f
АД
0
Д
2
14
4
ff
k
f
f
,
А
f
А
f
– максимальная частота дискретизации выбранного АЦП;
– диапазон частот входных сигналов АЦП;
– параметры выбранных частотно избирательных фильтров.
Расчет частотного плана проводится сначала для приемника прямого усиления, а затем для супергетеродина.
В процессе проектирования определяется минимальное значение
частоты дискретизации, обеспечивающее прием сигналов с заданной
шириной спектра. Минимальная частота рассчитывается с запасом на
передискретизацию
, чтобы при необходимости возможно было по-
том провести децимацию и, тем самым, улучшить отношение сигналшум.
Приемник прямого усиления:
– выбрать фильтры преселектора, их параметры: полоса пропускания,
затухание в полосе пропускания и на неосновных каналах приема;
– определить полосу частот аналогового тракта
при условии обес-
печения избирательности преселектора по неосновным каналам приема;
– рассчитать число частотных каналов
, принимаемых без пе-
рестройки аналогового тракта приемника;
– рассчитать минимальную частоту дискретизации для заданной полосы
частот приема
, реализуемой данной ИМС:
. (3.2)
При этом после дискретизации в АЦП самый низкочастотный образ
спектра сигнала получается неинвертированным. При расчете приемника прямого усиления полагается, что входная цепь выполняется неперестраиваемой или с переключаемыми фильтрами. Перестройка приемни-
ка в пределах рабочего диапазона
осуществляется цифровым спо-
собом в DDC.
Супергетеродин:
– выбрать фильтры преселектора, выписать их параметры из справочника;
– определить полосу частот аналогового приема
с учетом обеспече-
ния избирательности преселектора по неосновным каналам приема;
– выбрать промежуточную частоту, обеспечивающую подавление зеркального канала;
– выбрать фильтр промежуточной частоты для выделения полосы частот
60
А
f
С
А
K
f
f
n
ВХ
D
ВХ
P
мВт110
10
дБм)
3
3
(IP
IP
приема всего группового сигнала
и обеспечения подавления помех
дискретизацици;
– рассчитать минимальную частоту дискретизации для заданной полосы
частот приема, реализуемой данной ИМС;
– рассчитать число частотных каналов
, принимаемых без пе-
рестройки аналогового тракта приемника.
При расчете супергетеродина также полагается входная цепь неперестраиваемой, а перестройка по диапазону осуществляется изменением
частоты гетеродина в аналоговой части ЦРПУ, а также изменением частоты цифрового гетеродина в DDC.
Построить в масштабе по частоте частотный план аналоговой и
цифровой частей ЦРПУ, на котором отразить спектры всех сигналов,
АЧХ фильтров. Сделать выводы о возможности применения выбранной
ИМС АЦП и при необходимости выбрать соответствующую ИМС АЦП,
удовлетворяющую требованиям расчета.
3.4. Расчет динамического диапазона цифрового
радиоприемного устройства
Обычно диапазон напряжений входного сигнала радиоприемника
очень велик, что может вызвать нелинейные искажения сигнала в
каскадах ЦРПУ. Поэтому актуальной является задача обеспечения работы радиоприемника в заданном динамическом диапазоне сигналов при
допустимых искажениях. Другими словами, динамический диапазон
радиоприемника должен быть больше динамического диапазона сигналов на входе приемника.
В настоящее время для описания нелинейности широко используется так называемая точка пересечения третьего порядка – Intercept Point
(IP3). Значение IP3 определяется координатой точки пересечения линейного продолжения двух характеристик, построенных в двойном логарифмическом масштабе: зависимости мощности 1-й гармоники сигнала
на выходе типового радиотехнического звена (ТРЗ) от мощности сигнала на входе ТРЗ, а также зависимости мощности интермодуляционной
гармоники на выходе ТРЗ от мощности помеховых сигналов
на
входе ТРЗ. Точка пересечения имеет размерность мощности в логарифмическом масштабе (дБм), которая связана с мощностью соотношением
. Метод точек пересечения позволяет легко прово-
дить расчеты при условии, что нелинейность не слишком велика, что
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]