103

Основным направлением развития систем связи является обеспечение множественного доступа, при котором частотный ресурс совместно и одновременно используется несколькими абонентами. К технологиям множественного доступа относятся TDMA, FDMA, CDMA и их комбинации. При этом повышают требования и к качеству связи, т.е. помехоустойчивости, объему передаваемой информации, защищенности информации и идентификации пользователя и пр. Это приводит к необходимости использования сложных видов модуляции, кодирования информации, непрерывной и быстрой перестройки рабочей частоты, синхронизации циклов работы передатчика, приемника и базовой станции, а также обеспечению высокой стабильности частоты и высокой точности амплитудной и фазовой модуляции при рабочих частотах, измеряемых гигагерцами.

Современную радиопередающую технику невозможно представить без встроенных средств программного управления режимами работы каскадов, самодиагностики, автокалибровки, авторегулирования и защиты от аварийных ситуаций, в том числе автоматического резервирования. Такие функции в передатчиках осуществляют специализированные микроконтроллеры, иногда совмещающие функции цифрового формирования передаваемых сигналов. Часто используется дистанционное управление режимами работы при помощи удаленного компьютера через специальный цифровой интерфейс. Любой современный передатчик или трансивер обеспечивает определенный уровень сервиса для пользователя, включающий цифровое управление передатчиком (например, с клавиатуры) и индикацию режимов работы в графической и текстовой форме на экране дисплея. Очевидно, что здесь не обойтись без микропроцессорных систем управления передатчиком, определяющих его важнейшие параметры.

Производство передатчиков такого уровня сложности было бы экономически невыгодно в случае их аналогового исполнения. Именно средства цифровой микросхемотехники, позволяющие заменить целые блоки обычных передатчиков, дают возможность существенно улучшить массогабаритные показатели передатчиков (вспомните сотовые телефоны), достичь повторяемости параметров, высокой технологичности и простоты в их изготовлении и настройке.

Очевидно, что появление и развитие цифровых радиопередающих устройств явилось неизбежным и необходимым этапом истории радиотехники и телекоммуникаций, позволив решить многие насущные задачи, недоступные аналоговой схемотехнике.

Еще одним примером цифрового радиопередатчика может послужить устройство для беспроводной передачи данных BLUETOOTH (информация www.webmarket.ru ), который будет подробнее рассмотрен в п.3.1 (рис.1.2 и табл.1.1).

Рис.1.2.

Табл.1.1. Краткие спецификации Bluetooth

Рабочий диапазон, МГц:	2402-2480 (ISM диапазон)
Число каналов	79
Ширина канала, МГц	1
Модуляция	GFSK, девиация 175 КГц, индекс 0.32 +/- 1%
Скорость передачи	721 Кбит/с (передача данных)
Мощность излучения	Класс 1: Pmax = 100мВт, Класс 2: Pmax = 2,5 мВт, Класс 3: Pmax = 1 мВт

Итак, выделим основные области применения цифровых технологий формирования и обработки сигналов в радиопередающих устройствах.

1. Формирование и преобразование аналоговых и цифровых информационных НЧ сигналов, в т.ч. сопряжение компьютера с радиопередатчиком (групповые сигналы, кодирование, преобразование аналоговых сигналов в цифровые или наоборот).

2. Цифровые методы модуляции ВЧ сигналов.

3. Синтез частот и управление частотой.

4. Цифровой перенос спектра сигналов.

5. Цифровые методы усиления мощности ВЧ сигналов.

6. Цифровые системы автоматического регулирования и управления передатчиками, индикации и контроля.

васильев е.в., ГУСЕВ С.И., ПАРШИН Ю.Н.

ОСНОВЫ ТЕОРИИ И ТЕХНИКИ ЦИФРОВЫХ ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩИХ СИСТЕМ И УСТРОЙСТВ

Учебное пособие

Рязань 2009

1. Современные тенденции развития радиоприемной и радиопередающей техники

1.1. Стандарты цифровой передачи данных по радиоканалу: основные понятия и характеристики

1.6. тенденции развития цифровых радиопередающих устройств

Радиопередающие устройства (РПдУ) применяются в сферах телекоммуникации, телевизионного и радиовещания, радиолокации, радионавигации. Стремительное развитие микроэлектроники, аналоговой и цифровой микросхемотехники, микропроцессорной и компьютерной техники оказывает существенное влияние на развитие радиопередающей техники как с точки зрения резкого увеличения функциональных возможностей, так и с точки зрения улучшения ее эксплуатационных показателей. Это достигается за счет использования новых принципов построения структурных схем передатчиков и схемотехнической реализации отдельных их узлов, реализующих цифровые способы формирования, обработки и преобразования колебаний и сигналов, имеющих различные частоты и уровни мощности.

Радиопередатчики, в которых используются цифровые способы формирования, обработки и преобразования колебаний и сигналов, будем далее называть цифровыми радиопередающими устройствами (ЦРПдУ).

Рассмотрим современные требования к РПдУ, которые ставят проблемы, не решаемые в принципе методами аналоговой схемотехники, что вызывает необходимость применения цифровых технологий в РПдУ.

В области телекоммуникаций и вещания можно выделить следующие основные непрерывно возрастающие требования к системам передачи информации, элементами которых являются РПдУ:

- обеспечение помехоустойчивости в перегруженном радиоэфире;

- повышение пропускной способности каналов;

- экономичность использования частотного ресурса при многоканальной связи;

- улучшение качества сигналов и электромагнитной совместимости.

Стремление удовлетворить этим требованиям приводит к появлению новых стандартов связи и вещания. Среди уже известных телекоммуникационных стандартов GSM, DECT, Bluetooth, Wi-Fi, SmarTrunk II, TETRA, DRM и др., см. параграф 1.1.

К радиопередающим устройствам, являющимся элементами современных телекоммуникационных систем, в том числе передатчикам абонентских терминалов и базовых станций, предъявляются и специфические требования:

- работа в области СВЧ (как правило) при обеспечении качества модуляции заданного вида, синхронизации и стабильности частоты, соответствующих жестким требованиям современных стандартов передачи данных по радиоканалу;

- спектральная чистота выходного колебания, обеспечение требований по электромагнитной совместимости;

- экономичность, в частности, способность к длительной работе от автономных источников питания;

- возможность цифрового управления режимами работы, частотой и видом модуляции, автоматического контроля параметров, самодиагностики, обеспечение безопасного режима работы (автоматическая защита от перегрузки, рассогласования антенны и т.п.);

- соответствие современным требованиям к массогабаритным показателям.

Кроме того, современная концепция построения приемопередающей техники для телекоммуникационных применений «Software Defined Radio» (SDR, программируемое радио) требует, чтобы один и тот же комплект аппаратуры был бы пригоден для использования в радиосетях с различными стандартами передачи данных без изменения аппаратной части, т.е. за счет смены программного обеспечения, определяющего виды работы приемника и передатчика, параметры и характеристики излучаемых и принимаемых радиосигналов.

Что касается систем вещания, здесь основным требованием является повышение качества сигнала на стороне абонента, что опять же приводит к повышению объема передаваемой информации в связи с переходом на цифровые стандарты вещания. Крайне важна также стабильность во времени параметров таких радиопередатчиков - частоты, модуляции. Аналоговая схемотехника с такими задачами справиться уже не в состоянии, и формирование сигналов вещательных передатчиков необходимо осуществлять цифровыми методами.

Первоначально цифровыми методами стали решаться вопросы управления работой передатчиков, контроля их параметров и создания пользовательского интерфейса. Достаточно долгую историю развития имеют также некоторые аналогово-цифровые методы синтеза частот и модуляции ВЧ сигналов. И лишь сравнительно недавно, приблизительно с середины 90-х гг., стали доступны полностью цифровые методы формирования ВЧ сигналов, в частности, методы прямого цифрового синтеза частот и формирования модулированных сигналов на основе этих методов. В результате стала возможной разработка полностью цифровых радиопередатчиков, отвечающих принципам концепции «Software Defined Radio»; необходимость в аналоговых каскадах возникает в случае требования переноса спектра сформированного цифровым способом сигнала в область СВЧ (см. параграф 8.2), а также усиления сигнала по мощности.

Подводя итог сказанному выше, выделим основные области применения цифровых технологий формирования и обработки сигналов в радиопередающих устройствах.

1. Формирование и преобразование аналоговых и цифровых информационных НЧ сигналов, а именно: преобразование входных аналоговых сигналов в цифровые; обработка входных цифровых потоков (кодирование, шифрование, формирование пакетов и групповых сигналов в соответствии с конкретным стандартом). Иначе говоря, речь идет о цифровом формировании модулирующих НЧ сигналов, независимо от того, какими будут сами методы модуляции, применяемые в данном передатчике – цифровыми или аналоговыми. С этой задачей справляются так называемые Baseband контроллеры (контроллеры НЧ информационного тракта), сведения о которых можно найти в параграфе 8.1. Применение таких схемотехнических решений оправдано в том случае, когда с целью упрощения передатчика модуляция осуществляется непосредственно в высокочастотном тракте аналоговыми методами.

2. Цифровые методы модуляции ВЧ сигналов, которые условно можно разделить на два класса. Во-первых, сравнительно простые и хорошо известные схемы модуляторов на элементах цифровой схемотехники, способные формировать сигнал со строго определенным видом модуляции (параграф 4.1). Во-вторых, универсальные цифровые квадратурные модуляторы, пригодные для формирования произвольных узкополосных видов модуляции (параграфы 7.5 и 7.6). Цифровые методы модуляции в основном пока ограничены областью промежуточных или невысоких рабочих частот (до 100 МГц на настоящее время).

3. Синтез частот и управление частотой. Существует большое разнообразие методов синтеза частот, в том числе и полностью цифровых. Часто в системе синтеза частоты осуществляется и модуляция сигнала. Этому вопросу посвящены параграфы 7.3-7.5.

4. Цифровой перенос спектра сигналов. Устройства цифрового переноса рабочей частоты сигнала передатчика (DUC – digital up-converter) находят применение в случае не слишком высоких рабочих частот, см. параграфы 7.6 и 8.2.

5. Цифровые методы усиления мощности ВЧ сигналов. В настоящее время, по имеющимся у нас сведениям, не создано общепризнанных и нашедших широкое применение цифровых методов усиления мощности для радиопередатчиков, хотя работы в этом направлении ведутся давно, и определенные успехи достигнуты.

6. Цифровые системы автоматического регулирования и управления передатчиками, индикации и контроля, в том числе сопряжения передатчика с компьютером, пользовательского интерфейса и цифрового дистанционного управления.

Рис.1.6.1

В качестве иллюстрации к пунктам 2 и 6 приведенного выше списка рассмотрим вещательный цифровой радиопередатчик HARRIS PLATINUM Z (рис.1.6.1), обладающий следующими основными особенностями:

А) Полностью цифровой FM-возбудитель HARRIS DIGITTM с встроенным стереогенератором с цифровой обработкой сигнала. Будучи первым в мире полностью цифровым FМ-возбудителем, HARRIS DIGITTM принимает звуковые частоты в стандарте AES/EBU в цифровом виде и генерирует максимально модулированную несущую радиочастоту полностью в цифровом режиме, благодаря чему уровень помех и искажений ниже, чем в любом другом FM-передатчике (16-битовое цифровое качество ЗЧ).

Б) Система быстрого пуска обеспечивает достижение полной мощности по всем показателям в течение 5 секунд после включения.

В) Контроллер на микропроцессорах позволяет осуществлять полный контроль, диагностику и вывод на дисплей. Включает в себя встроенную логику и команды для переключения между основными/дополнительными HARRIS DIGITTM возбудителями и предварительным усилителем мощности (ПУМ).

Г) Широкополосная схема позволяет отказаться от настройки в диапазоне от 87 до 108 МГц (при варианте N+1). Изменение частоты можно произвести вручную переключателями менее чем за 5 минут, и менее чем за 0,5 сек с помощью дополнительного внешнего контроллера.

В главах 7 и 8 читатель найдет более подробную информацию об элементной базе и основах проектирования цифровых радиопередающих устройств.

4. Цифровые методы модуляции и демодуляции

4.1. Характеристики аналоговых и цифровых радиосигналов и цифровые методы их формирования

7. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЦИФРОВЫХ РАДИОПРИЕМНЫХ И

РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ

7.1. АНАЛОГОВО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

В РАДИОПРИЕМНЫХ И РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВАХ

(не закончено)

Основной сферой применения аналогово-цифровых преобразователей (АЦП) является радиоприемная техника, где они используются для преобразования в цифровую форму низкочастотных демодулированных сигналов, либо сигналов высокой и промежуточной частоты до их демодуляции.

Аналого-цифровые преобразователи также применяются в цифровых радиопередатчиках для решения следующих основных задач:

• преобразование входных аналоговых сигналов в цифровую форму для последующей цифровой модуляции ВЧ колебаний;

• сбор данных с датчиков систем диагностики, контроля и регулирования параметров каскадов передатчика (например, датчиков падающей и отраженной волны, выходной мощности, питающих напряжений, токов и температурного режима транзисторов выходных каскадов для их защиты и т.п.);

• оцифровывание сигнала обратной связи систем авторегулирования, работающих по выходному сигналу (для обеспечения линейности управления амплитудой выходного сигнала передатчика).

С частью из названных выше задач призваны справляться низкочастотные АЦП общего применения, другая часть задач - для специальных ВЧ АЦП, разработанных для работы на радиочастотах. Рассмотрим подробнее эти два класса АЦП, их характеристики и параметры.

Характеристики АЦП (а также цифро-аналоговых преобразователей – ЦАП) можно разделить на следующие основные группы:

1. Разрешение (количество разрядов , единица измерения - бит).

2. Частота преобразования (количество выборок в секунду, единица измерения – kSPS, т.е. тысяч выборок в секунду или MSPS – миллионов выборок в секунду).

3. Статические характеристики (относятся к передаточной функции по постоянному току):

4. Динамические характеристики………………

Низкочастотные АЦП (с частотой 10...1000000 выборок в секунду) строятся с использованием архитектуры последовательного приближения либо с использованием сигма-дельта архитектуры. Для таких АЦП характерны большое число разрядов (10...24), высокая точность преобразования (дифференциальная и интегральная нелинейность - доли единиц младшего разряда шкалы), малая потребляемая мощность (единицы мВт).

Рис.7.1.1.

Структура АЦП последовательного приближения показана на рис.7.1.1. По команде начала преобразования устройство выборки и хранения (УВХ) берет отсчет входного сигнала, а в регистр последовательного приближения записывается число1000...000, которое подается на вход ЦАП. Компаратор сравнивает напряжение на выходе ЦАП и входное напряжение, и если входное напряжение больше напряжения ЦАП, единица в старшем разряде остается, а в противном случае сбрасывается. После этого устанавливается в 1 следующий разряд (на входе ЦАП 0100...000 или 1100...000) и выходное напряжение ЦАП опять сравнивается со входным напряжением, после чего значение второго слева разряда сохраняется равным 1 или сбрасывается. Такой цикл повторяется для всех разрядов регистра, и когда все они примут определенное значение, АЦП подает сигнал готовности результата преобразования.

АЦП последовательного приближения имеют разрешение до 16 бит, а их скорость может достигать 0.1...1.5 MSPS (миллионов выборок в секунду). Такие АЦП используют в мультиплексированных системах сбора данных, так как часто их выполняют с мультиплексором на входе, имеющим от 2 до 8 каналов входных аналоговых сигналов.

Сигма-дельта АЦП построен с использованием принципов избыточной дискретизации с последующей цифровой фильтрацией и децимацией (уменьшением количества выборок). Алгоритм обработки сигнала в сигма-дельта АЦП выбран так, что значительная часть шумов квантования остается за пределами полосы пропускания цифрового фильтра АЦП, благодаря чему достигается возможность повышения разрядности преобразования. Сложная математическая обработка сигнала в таком АЦП приводит к снижению его скорости до 10...50000 выборок в секунду, но преимуществами сигма-дельта АЦП при этом являются очень высокая разрешающая способность (16-24 разряда), чрезвычайно малая дифференциальная нелинейность, малая потребляемая мощность (милливатты). Такие АЦП применяют для обработки сигналов датчиков и аналоговых НЧ сигналов (голосовых частот). Их также делают многоканальными (2-8 каналов) для обработки нескольких аналоговых сигналов, но при этом используется свой АЦП на каждый канал.

Сигма-дельта АЦП обладают дополнительными возможностями: не требуют УВХ, имеют встроенные усилители с программируемым коэффициентом усиления, программируемые цифровые фильтры.

Высокочастотные АЦП выполняют с параллельной (Flash ADC) или последовательно-параллельной архитектурой, называемой иначе конвейерной структурой. Наиболее быстродействующей является параллельная архитектура АЦП, показанная на рис.2.1.3. Она состоит из линейки компараторов, у каждого из которых опорное напряжение ниже, чем у предыдущего. Входной сигнал подается на все компараторы сразу, а затем просто преобразовывается в двоичный код дешифратором, благодаря чему преобразование занимает очень небольшое время - десятки наносекунд, так что такой АЦП способен работать на скоростях выше 50 MSPS. К недостаткам параллельных АЦП надо отнести небольшую разрядность (6...8 разрядов), так как увеличение числа разрядов на 1 требует удвоения числа компараторов, и большую потребляемую мощность, определяемую быстродействием логических элементов АЦП (сотни мВт). Примером параллельного АЦП может послужить AD9066 - сдвоенный согласованный АЦП, имеющий скорость 60 MSPS, 6 разрядов и 400 мВт потребляемой мощности.

Рис.2.1.3.

Необходимо отметить, что существует архитектура интерполирующих параллельных АЦП, позволяющая повысить разрядность до 10 при сохранении всех преимуществ параллельных АЦП.

Последовательно-параллельные (конвейерные) АЦП позволяют работать на высоких частотах (20...60 MSPS) при меньших мощностях потребления (десятки мВт) и более высокой разрядности (10...16 разрядов), чем параллельные АЦП. Параллельные АЦП могут использоваться как части конвейерной архитектуры.

Рис.2.1.4.

Представленная на рис.2.1.4. конвейерная структура работает следующим образом. УВХ-1 фиксирует входной сигнал, после чего первый 6-разрядный АЦП оцифровывает его и подает результат своей работы на ЦАП, на выходе которого образуется 6-разрядное приближение аналогового сигнала. На выходе УВХ-2 хранится копия исходного отсчета аналогового сигнала, и из нее вычитается полученное в первом каскаде структуры 6-разрядное приближение; полученная разница усиливается, а затем оцифровывается 7-разрядным АЦП (лишний разряд здесь нужен для коррекции ошибки). Полученные с выхода первого и второго АЦП разряды объединяются и отправляются в выходной регистр. Таким образом, применение двух АЦП на 6+7 разрядов существенно экономит число компараторов по сравнению с 12-разрядным параллельным АЦП, что позволяет выиграть в потребляемой мощности при прочих равных параметрах.

Отметим, что существуют не только двухкаскадные, но и 3-каскадные, и 4-каскадные конвейерные АЦП, имеющие в составе 3-разрядные параллельные АЦП, чем достигается еще большая экономия потребляемой мощности за счет некоторого снижения быстродействия (до 3...20 MSPS). Выпускаются также сдвоенные согласованные конвейерные АЦП, имеющие внутреннее мультиплексирование с выходом на одну общую шину данных (AD9201, рис.2.1.5).

Рис.2.1.5.

Необходимо указать на одну особенность современных быстродействующих АЦП: полоса пропускания по входному сигналу за счет УВХ у них может значительно превышать половину максимальной частоты дискретизации (F_s/2), благодаря чему такие АЦП могут оцифровывать узкополосные ВЧ сигналы, лежащие выше этой частоты. Известно, что спектр выходного сигнала АЦП состоит из копий спектра входного сигнала, сдвинутых на частоты, кратные частоте дискретизации F_s:

.

Рассмотрим пример такой обработки ВЧ сигнала, при которой мы сможем обработать с помощью АЦП сигнал, частота которого выше частоты выборок F_s = 90 МГц. В классическом в смысле теоремы Котельникова случае частота сигнала F_A не должна превышать 45 МГц. Пусть это будет F_A = 20 МГц. По рис.2.1.6.а видно, что в этом случае выходной сигнал АЦП содержит сигнал со средней частотой 20 МГц, которая может быть обработана последующим сигнальным процессором. Теперь пусть частота входного сигнала F_A = 160 МГц. Казалось бы, наш АЦП с F_s = 90 МГц не сможет обработать столь высокочастотный сигнал, ведь по теореме Котельникова неизбежны искажения в выходном сигнале за счет наложения спектров. Однако, такого не происходит благодаря узкополосности сигнала, и на выходе АЦП мы вновь видим сигнал (точнее, «образ» сигнала) со средней частотой 20 МГц. Правда, спектр этого сигнала инвертирован, но это можно учесть при обработке в сигнальном процессоре.

Рис.2.1.6.

Таким образом, ВЧ АЦП с быстродействующими УВХ на входе могут быть использованы для квантования узкополосных сигналов, частоты которых превышают частоты дискретизации АЦП, что может найти применение в радиопередатчиках для оцифровывания непосредственно их выходных колебаний с целью создания обратной связи.