15.07.19 Общая структура радиопередатчика цифровых сигналов 23(23)

7. Основные компоненты радиоканала

В настоящем разделе рассматриваются функциональные схемы и электрические параметры типовых микросхем радиоканала, выполняющих основные, базовые функции, а именно: усиление сигнала, синтез частот, модулирование/демодулирование, перенос частот, фильтрация. Реально существует огромная номенклатура микросхем, в различных вариантах совмещающих выполнение базовых функций. Как предельная степень интеграции в настоящее время существуют однокристальные приемники и передатчики. Однако наилучшие, предельные параметры достигаются в микросхемах относительно небольшой степени интеграции, выполняющих две-три указанные выше базовые функции.

1. Усилители

Радиочастотные усилители являются основным элементов высокочастотной части радиостанции. Класс этих устройств наиболее многочисленный и включает в себя следующие наиболее распространенные типы: малошумящие усилители, усилители мощности, высоколинейные усилители. Ниже приведены основные параметры, по которым оцениваются усилители и функциональные схемы отдельных специфических усилителей.

1. Основные параметры усилителей

Высокочастотные малошумящие усилители (МШУ) характеризуются следующими основными параметрами:

• - коэффициент шума

• - коэффициент усиления

• - точка перегиба характеристики усиления по уровню 1 дБ (1 dB gain compression point)

• - точка перегиба характеристики выходной мощности по комбинациям третьего порядка (third order intercept point)

Мощные нелинейные усилители (УМ) характеризуются следующими основными параметрами:

• - коэффициент усиления в оптимальном режиме

• - коэффициент полезного действия в оптимальном режиме

• - допустимое рассогласование нагрузки усилителя

Коэффициент шума определяется как отношение сигнал/шум на выходе устройства к отношению сигнал/шум на входе устройства:

7.1

Как правило, коэффициент шума выражается в децибеллах:

7.2

Коэффициент шума на малошумящий транзистор или малошумящий усилитель определяются в технических данных на устройство и, как правило, находятся в пределах от 0.5 дБ (для СВЧ транзисторов) до 3....4 дБ для малошумящих усилителей с очень большим коэффициентом усиления и большим динамическим диапазоном. Коэффициент шума транзистора 1.2 дБ означает, что соотношение сигнал/шум на выходе транзистора ухудшается на 1.2 дБ по сравнению с входным значением.

Коэффициент шума существенно зависит от тока коллектора. Для каждой микросхемы (транзистора) определяется диапазон тока коллектора, в котором гарантируется указанная величина шума. При меньших и больших токах за границами определения коэффициент шума возрастает.

Коэффициент усиления микросхемы (транзистора) определяется как малосигнальный коэффициент усиления мощности при оптимальном согласовании входного и выходного импеданса или в стандартном 50-омном тракте. Коэффициент усиления зависит в основном, от тока потребления. Как правило, в технических данных на МШУ приводится графическая зависимость коэффициента усиления в линейном режиме от тока потребления.

Точка перегиба характеристики усиления по уровню 1 дБ определяется как величина входной мощности, при которой разница между реальным значением выходной мощности и идеальным, определенным как произведение входной мощности на малосигнальный коэффициент усиления, становится равной 1 дБ (рис.7.1). Другими словами, точка определяет границу линейного усиления.

Математическое определение точки основано на представлении выходного сигнала усилителя в виде бесконечного степенного ряда относительно входного сигнала:

7.3

Для идеального усилителя все коэффициенты G_n равны нуля за исключением G₁. При малом уровне входного сигнала равенство выполняется с очень хорошей точностью. При повышении уровня входного сигнала величина выходного сигнала растет медленнее, общий коэффициент усиления падает. Параметр и определяется как уровень входной мощности, при которой разница между реальным выходным сигналом и идеальным становится равной 1 дБ:

7.4

Графическое определение точки показано на рис.7.1.

дБ

Рис.7.1. Определение параметра

Точка перегиба характеристики выходной мощности по комбинациям третьего порядка определяется как величина входной мощности двухтонового сигнала, при которой комбинационные составляющие третьего порядка на выходе усилителя равны основному усиленному сигналу. Параметр характеризует степень нелинейности усилителя с точки зрения генерации новых комбинационных составляющих.

Математическое определение точки также основано на полиноминальном представлении выходного сигнала. Если на усилитель одновременно воздействуют два сигнала с различной частотой, то уравнение 7.3 принимает вид:

7.5

Кубический компонент в 7.5 приводит к появлению комбинаций третьего порядка с частотами и и амплитудами, равными и . Такие комбинационные частоты обычно рассматриваются как паразитные, поскольку они попадают в область спектров исходных сигналов. Разумеется, в область спектра исходных сигналов попадают также и другие нечетные комбинации: пятые, седьмые и т.д., но из амплитуды заметно меньше.

Величина комбинационной составляющей при равных амплитудах входных сигналов равна, очевидно, . Амплитуда выходного сигнала при абсолютно линейном усилении равна . В соответствии с данным выше определением, при входной мощности, равной , амплитуда комбинаций третьего порядка на выходе усилителя равна амплитуде выходного сигнала, если бы имело место идеальное линейное усиление:

7.6

Из уравнения 7.6 следует, что амплитуда комбинационных составляющих растет значительно быстрее, чем амплитуда полезного выходного сигнала: величина выходного сигнала в логарифмическом представлении равна , величина комбинационной составляющей равна . Другими словами, выходной сигнал возрастает со скоростью 10 дБ/декаду, а комбинационные составляющие растут со скоростью 30 дБ/декаду.

Графическое определение точки показано на рис.7.2.

Рис.7.2 Определение параметра

Определение точки как амплитуды входного сигнала, при котором выполняется условие 7.6, является наиболее распространенным. Однако в некоторых источниках можно найти определение точки как амплитуда выходного сигнала, при котором выполняется условие 7.6. Очевидно, что эти два значения отличаются друг от друга на величину линейного коэффициента усиления прибора .

Как правило, величина на 10 .... 15 дБ выше, чем величина компрессии малосигнального усиления .

Коэффициент усиления в оптимальном режиме (обычно в дБ) всегда указывается при полном согласовании усилителя мощности по входу и выходу. Как правило, микросхемы усилителей мощности включают в себя встроенные цепи согласования, которые либо полностью обеспечивают стандартный импеданс 50 Ом, либо трансформируют входные и выходные импедансы к некоторым значениям, которые в дальнейшем легко трансформируются в стандартные 50 Ом. Типовые значения коэффициента усиления в микросхеме двух/ трехкаскадного усилителя находятся в диапазоне 20 .... 40 дБ.

Коэффициент полезного действия усилителя мощности в оптимальном режиме определяется при полном согласовании по входу и выходу и обычно при том же самом значении входной мощности, при котором гарантируется оптимальный коэффициент усиления. Максимальный КПД микросхемы усилителя 40 ... 60% в диапазоне частот до 900 МГц и понижается примерно до 25 .... 30% при возрастании частоты до 3000 МГц.

Максимально допустимое рассогласование нагрузки усилителя мощности характеризует способность усилителя в течении некоторого времени сохранять работоспособность при повышении КСВ нагрузки. Как правило, максимально допустимый КСВ нагрузки определяется для любой фазы рассогласованой нагрузки от до . Время, в течение которого микросхема усилителя сохраняет работоспособность, обычно составляет несколько секунд, что вполне достаточно для срабатывания схемы защиты усилителя.