ВКР_Разработка_Радиотрактов_BTS_Петренко_Ю.А

ГУНа модулируется непосредственно на рабочей частоте информационными

I и Q сигналами, после чего сигнал усиливается. Выходная частота ГУНа че-

рез петлю АПЧ стабилизируется под частоту опорного генератора. Между ГУНом и VTCTXO ставится буферный усилитель для уменьшения влияния последующий каскадов на VTCTXO. Для уменьшения эффекта затягивания частоты ГУНа, между ГУНом и модулятором ставится делитель частоты на два. Синтезатор и ГУН при этом должен работать на удвоенных частотах.

Прямое преобразование сигнала вверх по частоте не создает внеполосных со-

ставляющих в спектре выходного сигнала. Поскольку квадратурный модуля-

тор выполняет непосредственно модуляцию высокочастотной несущей квад-

ратурными (IQ) сигналами, поскольку в такой схеме нет преобразования на промежуточной частоте, то нет необходимости в сопутствующих схемах фильтрации. Соответственно, требуется меньшее количество фильтров, что очень важно при работе с широкополосными сигналами; меньшее количество деталей позволяет свести к минимуму потребление тока. В такой схеме ну-

жен один синтезатор частот. Это позволяет уменьшить габариты передающе-

го тракта, и следовательно, радиочастотного блока.

К достоинствам схемы с прямой модуляцией на РЧ также можно отнести больший динамический диапазон передатчика по сравнению с передатчиком,

выполненным по архитектуре с непрямой модуляцией.

У прямой архитектуры тоже есть недостатки:

•затягивание частоты ГУН при изменении параметров усилителя мощ-

ности;

•смещение частоты ГУН за счет изменения его питающего напряжения при включенном УМ;

•затягивание частоты ГУН по входу за счет паразитного влияния сигна-

ла усилителя мощности на его управляющий вход;

•паразитное просачивание сигнала несущей от ГУН на выход передат-

чика.

41

Связано это с тем, что при архитектуре с прямой квадратурной модуляцией ГУН и выходной усилитель мощности работают на одной частоте. Чтобы уменьшить эффект затягивания частоты генератора используют буферные каскады и ставят делитель частоты после ГУН. Поэтому в такой архитектуре синтезатор частот должен работать на удвоенных частотах с удвоенным ша-

гом.

3.1.2. Приемный тракт

Существуют две основных архитектуры тракта приема: супергетеродинная

(радиочастотный сигнал переносится на промежуточную частоту) и архитек-

тура прямого усиления (сигнал из области высоких частот переносится сразу в область низких частот).

При супергетеродинном построении (рис. 3.4) тракт приема содержит вход-

ной полосовой фильтр, малошумящий усилитель, преобразователь частоты,

полосовой фильтр на выходе смесителя, РЧ ГУН синтезатора частот и ПЧ ГУН второго синтезатора частот, квадратурный демодулятор, опорный гене-

ратор, буферный усилитель. Радиочастотный сигнал усиливается в малошу-

мящем усилителе, попадает на вход преобразователя частоты. На второй вход преобразователя подается сигнал с частотой fРЧ от РЧ ГУНа. Фильтр на выходе смесителя выделяет сигнал разностной частоты fПЧ = fС - fРЧ..Далее сигнал попадает на вход квадратурного демодулятора, а на фазовращатель демодулятора подается сигнал с частотой fПЧ от ПЧ ГУНа. На выходах квад-

ратурного демодулятора получаются I и Q сигналы, которые затем, пройдя через фильтры и усилители, попадают на входы АЦП. После АЦП сигналы попадают в основной (Baseband) тракт, где они обрабатываются в цифровом виде.

42

Рис. 3.4. Супергетеродинная архитектура тракта приема Супергетеродинная архитектура не подходит в качестве схемы приемного

тракта для сигналов OFDM, так как она приводит к появлению множества ложных каналов приема по причине образования комбинационных состав-

ляющих между частотой fРЧ РЧ ГУНа синтезатора частот и каждой из полез-

ных поднесущих OFDM-сигнала. Поскольку на выходе преобразователя об-

разуются комбинационные частоты вида ±mfС±nfРЧ (где m и n – целые числа),

то невозможно подобрать такую промежуточную частоту, при которой бы при переносе сигнала вниз по частоте часть этих комбинационных частот не попала бы в спектр полезного сигнала. Наиболее значительным недостатком супергетеродинного приемника является наличие зеркального канала приёма

— второй входной частоты, дающей такую же разность с частотой РЧ ГУНа синтезатора частот, что и рабочая частота. Сигнал, передаваемый на этой ча-

стоте, может проходить через фильтры ПЧ вместе с рабочим сигналом.

Поэтому для тракта приема предпочтительна архитектура с прямым преобра-

зованием сигнала в квадратурных каналах (рис. 3.5).

43

Рис. 3.5. Приемный тракт с прямым преобразованием сигнала в квадратур-

ных каналах В такой структуре отсутствует зеркальный канал приема и поэтому нет необ-

ходимости в использовании внешнего высокодобротного фильтра подавле-

ния зеркального сигнала. Недостатками такой архитектуры являются утечка сигнала гетеродина, сдвиги постоянной составляющей и высокий уровень интермодуляционных искажений второго порядка. Однако последние дости-

жения в технологии производства интегрированных ВЧ-схем сделали воз-

можным использование традиционной архитектуры прямого преобразования

(гомодинной архитектуры) при создании высококачественных широкополос-

ных приемников.

3.1.3.Модуляция

Внашей BTSиспользуется принцип квадратурной модуляции. Схема квадра-

турного модулятора изображена на рис. 3.16.

Рис. 3.6. Квадратурный модулятор

44

С помощью квадратурного модулятора можно получить QPSK-модуляцию,

16-QAM, 64-QAM и другие виды цифровых сигналов, включая OFDM. При

QPSK модуляции один символ передает 2 бита информации, при 16-QAM – 4

бита, при 64-QAM – 6 бит.

Достоинства квадратурной модуляции:

простота комбинирования двух независимых сигнальных компо-

нент в один смешанный сигнал на передающей стороне и после-

дующее разбиение этого смешанного сигнала на две независимые компоненты на приемной стороне;

более высокая скорость передачи информации.

Недостатки практически отсутствуют.

Из-за недостаточной помехоустойчивости КАМ в чистом виде не применяют,

а используют совместно с решетчатым кодированием – специальным видом сверточного кодирования. Такой способ модуляции называется треллис-

модуляция (ТСМ — Trellis Coded Modulation).

При квадратурной амплитудной модуляции изменяется как фаза, так и ам-

плитуда несущего сигнала. В случае квадратурной амплитудной модуляции состояния сигнала удобно изображать на сигнальной плоскости. Каждая точ-

ка сигнальной плоскости имеет две координаты: амплитуду и фазу сигнала и представляет собой закодированную комбинацию последовательности бит.

Это позволяет увеличить количество информации, передаваемой одним сим-

волом сигнала. Каждый сигнал можно изобразить в виде вектора в полярных координатах. Этот вектор можно разложить на две ортогональные составля-

ющие – синфазную I(t) и квадратурную Q(t) (рис. 3.7.).

Рис. 3.7. Представление сигнала в виде вектора

45

Выходной сигнал S(t) представляет собой сумму двух несущих колебаний одной частоты, но сдвинутых по фазе относительно друг друга на 90 граду-

сов, каждое из которых модулировано по амплитуде своим модулирующим сигналом:

где I(t) и Q(t) – модулирующие сигналы, а ω – несущая частота.

Для улучшения характеристик при передаче и приеме в схему синтеза частот встраиваем приемник GPSS/Глонасс.

Наиболее широко распространенный способ формирования OFDM-

радиосигнала заключается в формировании первичного квадратурного

OFDM-сигнала с помощью обратного дискретного преобразования Фурье

(ОДПФ), в частности, с помощью обратного быстрого преобразования Фурье

(ОБПФ), и преобразовании полученного OFDM-сигнала с помощью квадра-

турного модулятора и синтезатора частот на заданную радиочастоту. Базовое устройство, формирующее OFDM-радиосигнал таким способом, состоит из

OFDM-модулятора, выполняющего процедуру ОДПФ, двух цифроаналого-

вых преобразователей (ЦАП), двух фильтров нижних частот (ФНЧ), квадра-

турного модулятора и синтезатора частот. Квадратурный содержит два сме-

сителя, фазовращатель и сумматор.

Основные преимущества OFDM-модуляции:

высокая эффективность использования частотного спектра;

высокая помехоустойчивость – устойчивость к селективным зами-

раниям и к сосредоточенным по спектру помехам;

устойчивостью к ошибкам, вызванными многолучевым распро-

странением в радиоканале или интерференционными помехами;

возможность применения различных схем модуляции для каждой поднесущей, что позволяет адаптивно варьировать помехоустой-

чивость и скорость передачи информации;

46

простота реализации технических решений методами цифровой обработки – при использовании быстрого преобразования Фурье вычислительные затраты на разделение сигналов поднесущих не-

велики.

Недостатки OFDM-модуляции:

необходима высокая синхронизация по частоте и времени;

чувствительность к эффекту Доплера, ограничивающая применение

OFDM в мобильных системах;

неидеальность современных приёмников и передатчиков вызывает фа-

зовый шум, что ограничивает производительность системы;

защитный интервал, используемый в OFDM для борьбы с многолуче-

вым распространением, снижает спектральную эффективность сигнала.

3.1.4.Разработка частотного плана.

Ксинтезаторам частот современных радиопередающих и радиоприемных устройств в настоящее время предъявляются требования по обеспечению та-

кой стабильности частоты, какую могут обеспечить только кварцевые гене-

раторы. При этом они должны обеспечивать перестройку с одной частоты на другую в полосе частот 698-716 МГц и 728-746 МГц с шагом 100 кГц.Эти требования могут быть совмещены только в синтезаторах ча-

стот.Синтезаторы частот в настоящее время в основном реализуются при по-

мощи схемы фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ). Суще-

ствуют синтезаторы прямого цифрового синтеза (DDS), но частоты, форми-

руемые ими, обычно не превосходят 500 МГц.

Типовая структура синтезатора частоты на основе петли ФАПЧ изображена на рис. 3.8. В состав схемы входит частотно-фазовый детектор, формирую-

щий сигнал ошибки формируемого сигнала. Выходное колебание вырабаты-

вается генератором, управляемым напряжением. Опорное колебание в этой схеме формирует VTCTXO, который подстраивается под сигнал от приемни-

ка GPS.

47

Рис. 3.8. Блок-схема синтезатора на основе ФАПЧ

Основные параметры ФАПЧ-синтезатора – частотный диапазон (полоса пе-

рестройки), шаг перестройки, фазовый шум, уровень побочных составляю-

щих сигнала и скорость переключения частоты. Самый критичный параметр ФАПЧ-системы – фазовый шум, характеризующий качество сигнала. Основ-

ные источники фазового шума – ГУН, ЧФД и делитель в цепи обратной свя-

зи.

ЧФД – цифровая схема, генерирующая при работе импульсные помехи, ко-

торые накладываются на управляющее напряжение ГУН и проявляются в ви-

де побочных составляющих его выходного сигнала. Эти помехи подавляются ФНЧ, ширина полосы пропускания которого должна быть не менее чем на порядок меньше частоты FСР. Но чем ниже верхняя частота ФНЧ, тем больше его постоянная задержки (t =RC). В результате возрастает время перестройки частоты. Это весьма критично для сотовых систем связи со скачкообразным изменением частоты. И сегодня по этому параметру практически ни один ФАПЧ-синтезатор, работающий с целочисленным коэффициентом деления

(integer-N-синтезатор), не отвечает требованиям стандартов сотовой связи.

Для решения этой проблемы в некоторых базовых станциях используют два ФАПЧ-устройства: пока один синтезирует требуемую частоту, второй пере-

ходит на следующий канал. Но это усложняет схему. Поэтому кроме тракта синтеза опорной частоты вводятся СЧ для трактов передачи и приема соот-

ветственно. Чтобы получить маленький шаг сетки частот (100 кГц) на высо-

ких выходных частотах лучше всего использовать синтезатор частот с дроб-

48

ным переменным коэффициентом деления (fractional-N). Структурная схема такого синтезатора частот изображена на рис. 3.9.

Рис. 3.9. Блок-схема синтезатора на основе ФАПЧ с дробным коэффициен-

том деления При использовании СЧ с дробным коэффициентом деления шаг сетки синте-

зируемых частот всегда меньше частоты сравнения. У синтезаторов с дроб-

ным коэффициентом деления, низкий уровень дискретных побочных спек-

тральных составляющих в спектре выходного сигнала, меньшее время пере-

стройки с одной частоты на другую по сравнению с синтезатором с целым коэффициентом деления, следовательно, лучше быстродействие, что особен-

но важно в сотовых системах связи.

К недостаткам fractional-N синтезатора можно отнести появление помех дробности, частота которых ниже частоты сравнения в кольце. Помехи дроб-

ности принципиально присутствуют на выходе делителя с дробным перемен-

ным коэффициентом деления, они являются функциональными, а их ампли-

туда и распределение зависят от алгоритма реализации дробности и схемы фазового детектора. Мгновенное значение частоты ГУН в fractional-N синте-

заторе практически никогда точно не соответствует требуемому значению

FГУН = N*FСР. В цикле усреднения на каждом такте сигнала FСР между требу-

емым FГУН и реальным значением частоты на выходе ГУН возникает фазовая ошибка. Довольно высокое значение фазовой неустойчивости (дрожания) –

основной недостаток синтезаторов с дробным делением. Он приводит к по-

явлению паразитного сигнала с частотой FСР/F. В передатчиках это может вызвать помехи в системе связи или в другой системе, работающей на близ-

кой частоте. Конечно, если полоса пропускания в цепи обратной связи суще-

ственно меньше FСР/F, фазовое дрожание легко фильтруется, но сужение по-

49

лосы петли обратной связи приводит к увеличению времени перестройки синтезатора. Но и эту проблему можно решить с помощью различных как аналоговых, так и цифровых методов подавления фазового дрожания.

В тракте передачи на фазовращатель КМ подается частота 698 - 716 МГц с шагом в 100 кГц. Во избежание затягивания частоты после ГУНа синтезатора частот надо поставить делитель частоты на два, и, следовательно, синтезатор должен работать на удвоенных частотах с удвоенным шагом сетки частот, то есть 1396 - 1432 МГц и шагом сетки частот 200 кГц. Частота опорного гене-

ратора стабилизируется по сигналу с выхода приемника GPS, как было пока-

зано на рис. 3.7.

Частотный план радиочастотного блока базовой станции показан на рис.

3.10.

Рис. 3.10. Частотный план радиочастотного блока базовой станции

50