704_Mikushin_A.V._Skhemotekhnika_mobil'nykh_radiostantsij_

Подавление сигнала соседнего канала в зависимости от назначения приемника и вида принимаемого сигнала может меняться и в настоящее время в связных приемниках может достигать 80 дБ.

Избирательность приемника по побочным каналам приема

В ряде схем приемников, таких как супергетеродин или супергетеродин с двойным преобразованием частоты, кроме основного канала приема присутствуют побочные каналы приема, такие как зеркальный канал первой и второй промежуточной частоты, прямое прохождение по каналу первой и второй промежуточной частоты. Эти каналы возникают в результате неидеальности главного тракта приема. Причины образования этих каналов приема мы рассмотрим подробнее в главах, посвященных принципам работы супергетеродинного радиоприемного устройства и преобразователям частоты.

При задании требований к радиоприемнику задаются параметры, определяющие подавление сигналов побочных каналов приема. Обычно требования по этим каналам приема задаются не хуже подавления по соседнему каналу, а в ряде случаев значительно жестче. Обычно уровень подавления побочных каналов приема в современных аналоговых радиоприемных устройствах составляет не менее –80 дБ.

2.1.4. Параметры, обусловленные нелинейностью тракта приема

Для оценки линейности и качества тракта приема в целом и каждого из входящих в него блоков применяется целый ряд характеристик и параметров:

—Интермодуляционные параметры;

—Блокирование и однодецибельная точка компрессии;

—Точки пересечения продуктов второго и третьего порядка;

—Динамический диапазон.

Рассмотрим каждый из этих параметров оценки нелинейности исследуемых узлов радиоэлектронной аппаратуры более подробно. Для этого обратимся к математической модели передаточной характеристики. Математические модели в литературе описаны достаточно подробно, однако в инженерных расчетах они применяются крайне редко из-за сложности вычислений. Поэтому на практике ее заменяют на более простую статистическую модель, представляющую собой степенной ряд. Как правило, ограничиваются третьей степенью, поскольку продукты нелинейности более высоких порядков практически не влияют на параметры исследуемого узла радиоэлектронной аппаратуры. Следует отметить, что подобная аппроксимация возможна только для малых сигналов.

В этой модели статическая передаточная функция представляется в следующем виде:

где x – сигнал на входе системы; Y – сигнал на выходе системы.

61

Интермодуляция

Интермодуляция (Intermodulation) – явление возникновения новых гармонических составляющих на выходе нелинейного блока при действии на его входе двух или более помех, частоты которых не совпадают с частотами основного и побочных каналов приема.

Подавление эффекта интермодуляции (Intermodulation response rejection) –

это способность приемника принимать требуемый сигнал на частоте рабочего канала в присутствии двух или более мешающих сигналов, которые имеют определенное соотношение частот с требуемым сигналом.

На практике для количественной оценки интермодуляционных искажений (InterModulation Distortion, IMD) используют коэффициенты, вычисляемые при подаче на вход приемника двух внеполосных гармонических сигналов f1 и f2 с равными амплитудами:

где 2 f1t , 2 f2t , f1 и f2 – частоты гармонических сигналов. Спектр такого входного сигнала приведен на рисунке 2.5.

P

A2/2B2/2

Рисунок 2.5. Спектр двухтонального сигнала

Эти сигналы должны находиться в полосе пропускания входного тракта приемника. (Или, в общем случае, в полосе пропускания исследуемого блока.) Найдем спектральные составляющие появляющиеся в результате возведения входного сигнала во вторую и третью степень:

62

Найденные частотные составляющие спектра на выходе блока, обладающего нелинейными искажениями, приведены на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6. Спектр выходного сигнала нелинейного блока

На рисунке 2.6 приведены значения мощности спектральных компонент сигнала. Мощность входного сигнала при этом определяется по следующей формуле:

возникновению побочных каналов приема или к искажению спектра полезного сигнала. Именно поэтому при определении интермодуляционных искажений приемника измеряют:

—коэффициент интермодуляционных искажений второго порядка – отношение амплитуды комбинационной составляющей f2 f1 , к амплитуде одного из этих сигналов на входе (IMD2);

—коэффициент интермодуляционных искажений третьего порядка – отношение амплитуды комбинационной составляющей 2 f2 f1 (или

2 f1 f2 ) к амплитуде одного из этих сигналов на входе (IMD3).

63

Однодецибельная точка компрессии CP1

Еще одно полезное определение для оценки линейности тракта радиоприемного устройства – однодецибельная точка компрессии, (1-dB compression point), определяемая как точка на амплитудной характеристике, в которой коэффициент усиления по мощности уменьшается на 1 дБ по сравнению с идеальным. Иллюстрация определения однодецибельной точки компрессии радиоприемного устройства приведена на рисунке 2.9.

Рисунок 2.9. Иллюстрация определения однодецибельной точки компрессии

Блокирование

Нелинейные искажения принимаемого сигнала в приемном устройстве могут возникать не только в том случае, если его уровень значителен, но и при воздействии сильной внеполосной помехи. Нелинейность приемного тракта приводит к тому, что при появлении помех, воздействующих на вход приемника даже на частотах, не совпадающих с частотами основного и побочных каналов приема, происходит изменение уровня полезного сигнала или изменение отношения сигнал/шум на выходе приемника. Воздействие мощной помехи на вход приемника приводит к снижению коэффициента усиления устройства. Такое явление называется блокированием приемника (Blocking). Численно блокирование может быть оценено с помощью коэффициента блокирования:

где: Uвых – амплитуда сигнала на выходе приемника при отсутствии помехи на входе;

Uбл – амплитуда сигнала на выходе приемника при действии помехи на входе.

Таким образом, при отсутствии блокирования в приемнике Кбл = 0. Коэффициент блокирования тем сильнее, чем больше уровень помехи на входе и чем

66

ближе частота помехи к частоте полезного сигнала. Это влияние определяется избирательностью приемника по соседнему и побочным каналам приема.

2.1.5. Динамический диапазон приемника

Динамический диапазон приемника (Receiver Dynamic Range) с одной стороны определяет способность приемника обнаруживать слабый входной сигнал, больший уровня шума, с другой – обрабатывать сигналы большого уровня без искажения. Отношение максимального сигнала к минимальному сигналу на входе приемника и определяет динамический диапазон приемника:

При этом максимальная мощность сигнала на входе приемника определяется как наименьшая мощность из максимально-допустимых по каждому из параметров, обусловленных нелинейностью радиоприемного устройства.

Специфическую важность имеют следующие два параметра: динамический диапазон, свободный от помех SFDR (Spurious Free Dynamic Range), и динамический диапазон по блокированию BDR (Blocking Dynamic Range).

Динамический диапазон, свободный от помех SFDR, основан на отношении между максимальным входным уровнем, для которого интермодуляционные продукты третьего порядка имеют уровень, меньший уровня шума, и минимальным различимым сигналом Smin .

Рисунок 2.10. Интермодуляционные продукты приемника третьего порядка, ограничивающие динамический диапазон приемника

Верхнюю границу динамического диапазона по блокированию BDR определяет сигнал однодецибельной точки блокирования, нижнюю – Smin.

Максимальный коэффициент усиления функционально законченного тракта приема определяется, исходя из максимально возможного внутриполосного

67

блокирования Pбл . Это означает, что максимальный коэффициент усиления зависит от качества фильтрации перед каскадами усиления.

2.1.6. Взаимное преобразование шумов гетеродина

Еще один важный механизм, который ограничивает динамический диапазон приемника – взаимное преобразование шумов гетеродина (Reciprocal mixing). Фазовый шум гетеродина (Local Oscillator – LO) переносит нежелательный сигнал помехи в диапазон полезного сигнала – тракт ПЧ. (Или помеха, выступающая в данном случае в качестве гетеродина, переносит шум гетеродина в полосу пропускания тракта промежуточной частоты). Пример распределения плотности шумов гетеродина в зависимости от отстройки от генерируемой частоты приведен на рисунке 2.11.

Рисунок 2.11. Зависимость шумов гетеродина от отстройки от генерируемой частоты для микросхемы ADF4360-7

На этом рисунке приведена зависимость, рассчитанная программой ADIsimPLL для синтезатора частот ADF4360-7. По оси Y отложена плотность шумов по отношению к основной гармонике гетеродина в логарифмическом масштабе:

– мощность фазовых шумов гетеродина;

– мощность сигнала на выходе гетеродина.

В реальной схеме за счет неидеальности конструкции и источников питания, плотность шумов гетеродина в дальней зоне может оказаться еще хуже.

Фазовый шум гетеродина ничем не отличается от колебания на частоте настройки синтезатора. При взаимодействии с ним сигнал помехи преобразуется в промежуточную частоту, но так как преобразование производится с шумовым сигналом, то результат этого преобразования воспринимается как шум.

68

Явление взаимного преобразования шумов гетеродина приводит к ухудшению отношения сигнал/шум на выходе приемника. Таким образом, используемые в радиоприемных устройствах гетеродины должны иметь настолько низкий фазовый шум, чтобы при наличии сильной внеполосной помехи они создавали шумы, меньшие уровня шума приемника.

2.2. Выбор архитектуры главного тракта приема сигналов

Выбор структурной схемы построения главного тракта приема является важнейшим этапом разработки радиоприемного устройства. Для того чтобы правильно осуществить этот выбор необходимо четко представлять преимущества и недостатки каждого варианта структурной схемы радиоприемного устройства. Выбор того или иного варианта существенно зависит от того, для какой именно цели разрабатывается приемник и от требований, предъявляемых к нему и приемопередающему устройству в целом.

Разработка радиолюбительского приемника отличается от разработки радиовещательного приемника. Разработка приемника космической связи отличается от разработки приемника магистральной радиосвязи или радиорелейного приемника. Данная книга посвящена приемникам, способным работать в системах мобильной радиосвязи, поэтому в ней совершенно не рассматриваются особенности радиовещательных, радиорелейных, телевизионных или магистральных приемников. Основное внимание будет уделено особенностям построения радиоприемных устройств, способных принимать цифровые виды модуляции.

Основной диапазон частот, в котором работают системы мобильной радиосвязи – это УКВ диапазон, поэтому при обсуждении радиоприемных устройств предполагается, что они предназначены для работы в диапазоне ультракоротких волн.

Начнем обсуждение особенностей архитектуры главного тракта приема сигналов приемопередающих устройств мобильной радиосвязи (как носимых радиостанций, так и базовых станций и ретрансляторов) с самых простых решений. Затем, постепенно наращивая сложность, перейдем к относительно сложным решениям, позволяющим получить наиболее высокие качественные параметры радиоприемного устройства, способного работать в составе систем мобильной радиосвязи (как сотовой, так и профессиональной). В процессе этого обсуждения основной упор будет делаться на особенности приема цифровых видов модуляции, основные виды которых мы рассмотрели в предыдущих главах.

2.2.1 Детекторный приемник.

Основной функцией радиоприемного устройства является извлечение полезной информации из принимаемого сигнала. В простейшем случае для этого достаточно осуществить демодуляцию принимаемого сигнала. Такие приемники называются детекторными и применяются в наиболее дешевых устройствах беспроводной связи. Структурная схема детекторного приемника приведена на рисунке 2.12.

69