22345

Основные архитектуры РПТ. Шумовые характеристики, динамический диапазон

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Как и в квадратурном смесителе здесь используется пара идентичных смесителей на которые помимо РЧ сигнала подается сигнал с гетеродина в квадратуре. Сигналы в I и Q каналах содержат полную информацию об огибающей входного сигнала и могут быть обработаны в соответствующим образом построенном демодуляторе. В приемнике прямого преобразования наличие рассогласования в цепях смесителя и ФНЧ не ведет к ухудшению селективности а лишь к некоторому искажению полезного сигнала что зачастую не имеет никакого значения при приеме цифровых данных....

Русский

2013-08-04

431.5 KB

9 чел.

Лекция 2. Основные архитектуры РПТ. Шумовые характеристики, динамический диапазон

Развитие монолитных интегральных схем, предназначенных для использования в радиоприемных трактах, идет по пути кардинального сокращения числа дополнительных внешних  элементов.

Первые монолитные РЧ ИС представляли собой набор активных элементов объединенных в заготовки усилительных каскадов, смесителей и т.д. Пассивные элементы, которые определяют частотные, усилительные и селективные свойства тракта (катушки индуктивности, емкости, пъезокерамические фильтры и т.д.) являлись внешними.

Внешние дискретные пассивные элементы  имеют, как правило, лучшие параметры, по сравнению с интегральными. Это прежде всего касается индуктивных элементов, которые имеют значительно более высокие значения добротности по сравнению с интегральными.   Использование внешних элементов позволяет строить на основе ИМС радиоприемные тракты различных архитектур с высокими техническими характеристиками.

Супергетеродин является наиболее популярной архитектурой в трактах с использованием внешних компонентов. Структурная схема супергетеродина с одним преобразованием частоты обсуждалась в материале лекции 1. Однако в сверхвысокочастотных диапазонах, которые наиболее широко используются в современных радиотелекоммуникационных системах, супергетеродины с одним преобразованием частоты имеют существенный недостаток. Он связан с необходимостью компромисса между степенью подавления зеркального канала (паразитного канала приема, симметричного к основному относительно частоты гетеродина) и селективностью по соседнему  каналу. Увеличение промежуточной частоты облегчает подавление зеркального канала, однако требует использования все более высокодобротных фильтров для получения достаточной селективности по соседнему каналу.

Проблему решает использование супергетеродинов с двумя и более преобразованиями частоты. Соответственно, в системе имеется несколько промежуточных частот. Первая промежуточная частота выбирается относительно высокой для обеспечения необходимого подавления зеркального канала, а вторая – низкой, для обеспечения селективности по соседнему каналу. Структурная схема с двойным преобразованием частоты показана на рис.1.

Рис.1. Супергетеродин с двойным преобразованием частоты.

Большинство классических архитектур радиоприемных трактов полагаются на доступность пассивных высокодобротных внешних компонентов. В интегральном исполнении же, довольно сложно получить добротные катушки индуктивности, а диапазон их значений весьма ограничен. При постановке задачи полной интеграции тракта на кристалл не желательно использовать внешние кварцевые и пьезокерамические фильтры, которые выступают в качестве фильтров основной селекции  в классических супергетеродинах.

По причине низкой добротности интегральной индуктивности  довольно трудно получить пассивные высокоселективные фильтры. На частотах вблизи 1 ГГц и выше возможно применение спиральных интегральных катушек индуктивности и проводников  разварки (bondwires) в качестве индукторов. Наиболее эффективно их применение для снижения потребляемой мощности высокочастотных блоков и получения ограниченной фильтрации.

На частотах ниже 100МГц в качестве фильтров основной селекции используются активные фильтры. Динамический диапазон активных фильтров, как правило, заметно меньше пассивных. Тем не менее, уменьшение полосы пропускания активных фильтров и снижение промежуточной частоты ведет к расширению динамического диапазона при одновременном снижении потребляемой мощности. Последнее обстоятельство делает привлекательным использование низких промежуточных частот для полностью интегрированных приемных трактов. При этом возникает проблема подавления зеркального канала, которая решается с помощью смесителей специальной архитектуры (квадратурные (комплексные) смесители (complex mixer)).

Радикальным способом одновременного подавления зеркального канала и снижения промежуточной частоты является выбор нулевой промежуточной частоты (прямое преобразование). В этом случае, зеркального канала просто не существует, т.к. он совпадает с основным.  

На рис. 3 показана часть радиотракта прямого преобразования.

Рис.3 Часть радиотракта приемника прямого преобразования.

 

Как и в квадратурном смесителе, здесь используется пара идентичных смесителей на которые помимо РЧ сигнала подается сигнал с гетеродина в квадратуре. Такое построение смесителей необходимо для того чтобы не потерять информацию, связаную с наличием верхней и нижней боковых полос в принимаемом сигнале. Сигналы в I и Q каналах содержат полную информацию об огибающей входного сигнала и могут быть обработаны в соответствующим образом построенном демодуляторе.

В приемнике прямого преобразования наличие рассогласования в цепях смесителя и ФНЧ не ведет к ухудшению селективности, а лишь к некоторому искажению полезного сигнала, что зачастую не имеет никакого значения (при приеме цифровых данных). ФНЧ в приемнике прямого преобразования одновременно является и ФОС, а поскольку он работает на наименьшей из возможных частот, то потенциально может обладать хорошим динамическим диапазоном при наименьшей потребляемой мощности.

Однако у приемника прямого преобразования есть и свои недостатки. Одним из наиболее серьезных следует признать работу гетеродина на частотах равных или кратных основному каналу приема. Это заставляет предпринимать значительные усилия для недопущения утечек сигнала гетеродина в эфир. В противном случае создаются помехи для работы близь распложенных приемников настроенных на  тот же канал приема. Другой недостаток связан с влиянием 1/f шумов и постоянных смещений напряжения в следствии нулевой промежуточной частоты.

Динамический диапазон радиоприемного тракта

Динамический диапазон системы снизу ограничивается заданным уровнем превышения сигнала над шумом (Pmin), а сверху уровнем сигнала (Pmax), при котором нелинейные искажения не превышают заданные пределы

В частности, если уровень продуктов нелинейных искажений не должен превышать уровнь шума, то говорят о динамическом диапазоне, свободном от гармоник (SFDR).

Динамический диапазон многокаскадной системы может быть рассчитан на основе данных о шумовых и нелинейных свойствах отдельных каскадов. 

Коэффициент шума

Чувствительность радиоприемного тракта ограничена электрическими шумами. Как правило, различают 1/f, тепловой и дробовой шум. Будем считать, что в радиоприемном тракте набольший вклад в ограничение чувствительности вносит тепловой шум.

Если тепловой шум приемника устанавливает минимальный уровень сигнала, который он способен принять, то нелинейные искажения вносимые приемным трактом обуславливают максимальный уровень сигнала. Отношение между максимальным и минимальным уровнем сигнала определяет динамический диапазон приемника.

Все активные сопротивления в тепловом равновесии производят доступную (максимальная мощность, которую можно передать в нагрузку) шумовую мощность

   

где k- постоянная Больцмана, Т- абсолютная температура в Кельвинах, В – полоса измеряемых частот.

В теории радиосистем мощность сигналов принято выражать в децибелах, где мощность отнесена к 1 мВт. Эта единица измерения обозначается как дБм (dBm). Для температуры T=290K в расчете на 1Гц полосы сопротивление 1 Ом дает

Если сопротивление активное (в отличие от реактивного), то условие передачи максимальной мощности в нагрузку состоит в подключении нагрузки с сопротивлением, равным  сопротивлению источника. Учитывая последнее, выражения для эффективного шумового напряжения и тока записываются в виде

соответственно. Отметим, что приводимые выражения относятся лишь к пассивным элементам, находящимся в термодинамическом равновесии.

В радиоприемном тракте, на антенну помимо полезного сигнала и помех наводятся фоновые  шумы, обусловленные тепловым излучением окружающей среды. Поскольку атмосфера имеет отличную температуру от температуры окружающей среды радиоприемника, то вводят эффективную температуру антенны Ta. При этом тепловой шум антенны определяется выражением

В дополнении к шуму, который наводится на антенну элементы радиоприемного тракта также вносят избыточный шум в обрабатываемый сигнал. Для того, чтобы количественно оценивать шум вводимый элементами тракта,  существует параметр называемый коэффициентом шума (noise figure), который определяется выражением

F=(Общая мощность выходного шума / Доля выходного шума обусловленная источником сигнала).

Используя коэффициент шума, можно записать выражение для эквивалентной мощности шума на входе тракта

Если Ta=T, то

Если задано минимальное отношение сигнал/шум (signal to noise ratio) SNRmin, при котором сигнал детектируется с заданным качеством, то чувствительность приемного тракта может быть получена с помощью выражения

где В- эффективная шумовая полоса системы.

Во время проектирования радиотракта для упрощения задачи удобно определять характеристики блоков по отдельности. Общие характеристики системы в этом случае определяются каскадным включением отдельных блоков.

Коэффициент шума многокаскадной системы связан с коэффициентом шума отдельных каскадов выражением

                 (3.1)

где смысл обозначений соответствует рис. 3.1.

Рис. 3.1. N – каскадная система

Продукты нелинейных искажений

Разложение передаточной характеристики нелинейного каскада Uвых(Uвх) = f(Uвх) в степенной ряд в окрестности рабочей точки Uвх = Uвх0

                      

где  

                                                                   

При подаче на вход нелинейного каскада сигнала, состоящего из суммы гармонических сигналов, спектр выходного сигнала  обогащается дополнительными гармониками и комбинационными частотами.

Для случая трехчастотного входного сигнала

Частоты и амплитуды составляющих выходного сигнала приведены в табл. 3.1.

Т а б л и ц а  3.1. Продукты интермодуляции

Член в разложении

Частоты колебаний

Амплитуды колебаний

1

2

3

U0

0

U0

k1Uвх

1

k1U1

2

k1U2

3

k1U3

k2Uвх2

0

0.5k2(U12+U22+U32)

21

0.5k2U12

22

0.5k2U22

23

0.5k2U32

12

k2U1U2

13

k2U1U3

23

k2U2U3

k3Uвх3

1

0.75k3U1(U12+2U22+2U32)

2

0.75k3U2(U22+2U12+2U32)

3

0.75k3U3(U32+2U12+2U22)

212

0.75k3U12U2

213

0.75k3U12U3

223

0.75k3U22U3

122

0.75k3U1U22

123

0.75k3U1U32

223

0.75k3U2U32

123

0.75k3U1U2U3

31

0.25k3U13

32

0.25k3U23

33

0.25k3U33

Коэффициент гармоник

Коэффициент гармоник отражает степень нелинейных искажений одночастотных гармонических сигналов

Коэффициент гармоник является отношением эффективных значений гармоник к эффективному значению суммарного выходного сигнала, выраженным в процентах

где Uon  – амплитуда n–ой гармоники (составляющей выходного сигнала с частотой n1).

Для относительно малых искажений (<10%)

Параметры для оценки интермодуляционных искажений

Коэффициент интермодуляционных искажений используется для оценки свойств систем при передаче сложных (многочастотных) сигналов

и имеет вид

где Uokl – амплитуды комбинационных составляющих выходного сигнала k1  2; Uo1 и Uo2 – амплитуды составляющих выходного сигнала с частотами 1 и 2, соответственно.

Точка пересечения с продуктами интермодуляции является мощностью входного (IIP) или выходного (OIP) сигнала основных частот, при которой мощности основного сигнала и линейной аппроксимации в логарифмическом масштабе продуктов интермодуляции равны (рис. 3.2).

Если амплитуды бигармонического сигнала одинаковы и равны U, то все составляющие выходного сигнала nго порядка пропорциональны Un. В логарифмическом масштабе зависимости составляющих выходного сигнала от входного линейны (по крайней мере при относительно небольших амплитудах входного сигнала). При этом составляющие более высоких порядков имеют больший наклон. Точка пересечения аппроксимационных прямых, соответствующих мощности основных составляющих (с частотами 1 и 2) и составляющих комбинационных частот nго порядка (l1  m2 , где l + m = n) является мерой линейности каскада или многокаскадной системы.

Рис. 3.2 Точки пересечения продуктов интермодуляции: a – второго                  порядка; б – третьего порядка

Наибольший интерес представляет точка пересечения с продуктами интермодуляции третьего порядка, так как в парафазных симметричных каскадах (как правило, используемых в аналоговых ИС) продукты интермодуляции второго порядка существенно подавлены.

Приведенная к входу мощность интермодуляционных продуктов третьего порядка вычисляется по формуле

где Ps доступная мощность сигнала; IIP3 – доступная мощность сигнала в точке пересечения с продуктами интермодуляции третьего порядка.

Оценка интермодуляционных искажений в многокаскадной системе

Для многокаскадных систем приведем несколько оптимистичную оценку точки пересечения с продуктами интермодуляции по входу

                  (3.2)                           

где IIP3i – точка пересечения продуктов третьего порядка i–го каскада по входу.

Аналогичное выражение по выходу имеет вид

Оптимизация динамического диапазона многокаскадной системы

Оптимальный коэффициент усиления по мощности первого каскада в двухкаскадной системе рассчитывается по формуле

                              (3.3)             

где F1 , F2 коэффициенты шума; IIP31, IIP32 – точки пересечения с продуктами интермодуляции, первого и второго каскадов, соответственно; CR21 и CR12 – кроссдинамические диапазоны двух каскадов.

Если выразить коэффициент усиления и кроссдинамические диапазоны в децибелах, то выражение (3.3) перепишется в виде

                                              (3.4)

На рис.3.3 проиллюстрирован смысл оптимального выбора коэффициента усиления.

а)     б)

Рис.3.3 Оптимальный выбор коэффициента усиления каскада: а – определение кроссдинамических диапазонов; б –  оптимальное усиление первого каскада

Используя выражения (3.3), (3.4), а также (3.1) и (3.2), можно последовательно выбрать коэффициент усиления каскадов в многокаскадной системе начиная с предпоследнего. При этом достигается оптимизация динамического диапазона системы в целом.

SFDR многокаскадной системы с парафазными каскадами можно оценить по формуле

где IIP3 – пересечения с продуктами интермодуляции третьего порядка многокаскадной системы, которые  рассчитываются с помощью (3.2);  F коэффициент шума системы, рассчитываемый по формуле (3.1); B шумовая полоса системы; SNRmin – минимально допустимое отношение сигнал/шум.


ФПЧ1

УПЧ1

реселектор

МШУ

СМ1

СМ2

ФПЧ2

УПЧ2

ДЕМОДУЛЯТОР

ГЕТ.1

ГЕТ.2


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

83361. Частини мови. Займенник. Розвиток пізнавальної компетентності в учнів 4 класу на уроках української мови 77.5 KB
  Морська трава – дуже корисний продукт харчування. В морській траві багато вітамінів, необхідних дітям, щоб рости великими і дужими. З морської трави можна готувати салати, закуски, варити суп. Крім того, з морської трави можна виготовляти папір і тим самим зберігати ліси.
83362. Зв’язок прикметників з іменниками в реченні. Визначення роду і числа прикметників за іменниками. Складання усної розповіді про прикметник за поданим планом 78.5 KB
  Мета. Розширити знання учнів про граматичний і смисловий зв’язок прикметників з іменниками; розпізнавати рід і число прикметників за значеннями іменників; розвивати вміння будувати зв’язні розповіді на граматичні теми, робити висновки та узагальнення; збагачувати активний словник учнів...
83363. Повторення вивченого про прикметник як частину мови 71 KB
  Мета: створити змістовні та організаційні умови для актуалізації знань про прикметник; сприяти усвідомленню учнями граматичного і змістовного зв’язку прикметника з іменником; забезпечити розвиток уміння вживати прикметники у власному мовленні й на письмі; допомогти учням усвідомити лексичне...
83364. Відмінювання іменників у множині 77.5 KB
  Мета: розширювати знання учнів про відмінювання іменників у множині; вчити правильно утворювати і використовувати у мовленні форми іменників у місцевому відмінку множини з прийменниками; розвивати мовлення дітей, збагачувати словниковий запас учнів; виховувати пізнавальний інтерес,прагнення вивчати мову.
83365. Блоггерство Дмитрия Иванова 174.5 KB
  Цель – проанализировать и показать специфику блоггерства Дмитрия Иванова. В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие задачи: показать особенности блогосферы как информационного феномена (сущность, особенности, функции); дать общее описание блоггера как личности...
83366. Организация производственного процесса на предприятии 64.51 KB
  Целью организации производственного процесса в пространстве является обеспечение рационального построения его во времени Под организацией производства следует понимать систему научно обоснованных мер направленных на создание наиболее рациональной структуры предприятия и его подразделений...
83368. Бизнес-план организации производства тормозной колодки на ОАО «БзАТИ» 102.61 KB
  Широкое применение асбофрикционные материалов (для комплектации тормозных устройств и механизмов сцеплений автомобилей, тракторов и самолетов, комбайнов, экскаваторов, подъемно-транспортных и дорожных машин, буровых установок, мотоциклов, велосипедов и др.) обусловлено их высокими....
83369. Организация предметно-замкнутого участка механической обработки деталей 578.5 KB
  Организация производства является обязательным условием эффективной работы любого предприятия, создает благоприятные возможности для высокопроизводительной работы трудовых коллективов, выпуска продукции хорошего качества, полного использования всех ресурсов предприятия...