/>Содержание:
Введение
1. Радиопередатчики на основе цифровых контроллеров информационноготракта
2. Радиопередатчики с прямым цифровым формированием высокочастотныхсигналов
Заключение
Список литературы
Введение
Радиопередающиеустройства (РПдУ) применяются в сферах телекоммуникации, телевизионного ирадиовещания, радиолокации, радионавигации. Стремительное развитиемикроэлектроники, аналоговой и цифровой микросхемотехники, микропроцессорной икомпьютерной техники оказывает существенное влияние на развитие радиопередающейтехники как с точки зрения резкого увеличения функциональных возможностей, таки с точки зрения улучшения ее эксплуатационных показателей. Это достигается засчет использования новых принципов построения структурных схем передатчиков исхемотехнической реализации отдельных их узлов, реализующих цифровые способыформирования, обработки и преобразования колебаний и сигналов, имеющихразличные частоты и уровни мощности.
В областителекоммуникаций и вещания можно выделить следующие основные непрерывновозрастающие требования к системам передачи информации, элементами которыхявляются РПдУ:
— обеспечениепомехоустойчивости в перегруженном радиоэфире;
— повышениепропускной способности каналов;
— экономичность использования частотного ресурса при многоканальной связи;
— улучшениекачества сигналов и электромагнитной совместимости.
Стремлениеудовлетворить этим требованиям приводит к появлению новых стандартов связи ивещания. Среди уже известных GSM, DECT, SmarTrunk II, TETRA, DRM и др.
1.Радиопередатчики на основе цифровых контроллеров информационного тракта
В настоящемразделе речь пойдет о радиопередатчиках, у которых низкочастотные модулирующиеи управляющие сигналы вырабатываются специализированными цифровыми сигнальнымипроцессорами, а сама модуляция осуществляется в аналоговых каскадах, работающихна высоких рабочих или промежуточных частотах. Цифровые сигнальные процессорытакого типа называются контроллерами информационного тракта (Basebandcontroller). Они являются специализированными ИМС, выполняющими в передатчикахи приемопередатчиках (трансиверах) целый ряд функций, основными из которыхявляются следующие.
1. Преобразованиепоступающей в передатчик аналоговой (речевой) информации в цифровую формувстроенным АЦП и дальнейшая ее обработка перед подачей на модулятор — фильтрация, кодирование, накопление и сжатие, объединение в пакеты (Burst encoding). Формирование пакетовосуществляется с добавлением идентификационной информации, управляющих данных,синхронизирующих последовательностей, данных для проверки правильностипринятого пакета и пр. Все необходимые для этого данные хранятся в ПЗУконтроллера или получаются контроллером из принимаемого от других станцийсигналов. Например, «личный» аутентификационный код передатчика хранится в ПЗУ,а в эфир передается другой код, вычисленный контроллером по встроенномуалгоритму с использованием «личного» кода и принятого от базовой станциикодового запроса (случайного числа).
2. Формирование цифровогомодулирующего сигнала и преобразование его в аналоговую форму с помощьювстроенного ЦАП для подачи на модулятор.
3. Управление каскадамипередатчика — режимами по постоянному току, коэффициентами передачи (в системахавтоматической регулировки мощности сигнала и защиты транзисторов выходныхкаскадов), подключением резервных блоков. Для этого контроллер содержитвстроенные ЦАП и АЦП и средства обмена данными с внешними ЦАП и АЦП. Управлениевыходной мощностью передатчика необходимо для поддержания ее неизменнойвеличины в случае работы с сигналами с постоянной огибающей, а также дляформирования огибающей РЧ импульсов в соответствии с определенной временноймаской при работе в пакетном режиме.
4. Переключениеприем-передача.
5. Управление синтезаторомчастоты — сменой рабочей частоты, ее подстройкой, синхронизацией для работы всистеме с другими станциями.
6. Осуществлениепользовательского интерфейса — обмен данными с дисплеем, индикаторами,клавиатурой, внешним управляющим компьютером, а также с периферийнымиустройствами, имеющими цифровое управление. Сопряжение с телефонной сетьюобщего пользования или сетью ISDN.
7. Временная синхронизациядля работы в системе передачи информации с множественным доступом в качествеабонентской или базовой станции. Межсистемная синхронизация. В частности, еслив качестве примера цифрового передатчика рассматривать передатчик абонентскойчасти системы DECT, его работа подчиняется трем типам синхронизации TDMA — слотовой синхронизации(с длительностью слота 416,7 мкс, за которые передается 480 бит), кадровойсинхронизации (1 кадр равен 24 слотам) и мультикадровой (160 мс) синхронизации.
/>
Рис. 1.1.
Наиболееобобщенная структурная схема приемопередатчика (трансивера) с контроллероминформационного тракта приведена на рис. 1.1. Она включает функции,перечисленные выше. Варианты внутренней структуры контроллера информационноготракта приведен на рис. 1.2. Это упрощенная структура ИМС PCD87550 фирмы Филлипс,которая является контроллером информационного тракта цифровых радиопередатчиковсистемы беспроводной передачи данных «Bluetooth» (рис. 1.2.а) и структурная схема baseband-контроллера AD6526, предназначенногодля построения трансиверов стандартов GSM/GPRS (рис. 1.2б). Вычислительным ядром этихконтроллеров является специализированный процессор ARM TDMI, управляющийконтроллером связи, который, в свою очередь, через радиоинтерфейс управляетработой трансивера, получает и передает через него данные. Под радиоинтерфейсомздесь имеется в виду схема сопряжения цифрового контроллера связи с аналоговойчастью трансивера.
Остальныеблоки, показанные на рис. 1.2а, особых пояснений не требуют: это кодек речи,ЦАП для управления режимами каскадов трансивера, внутренний тактовый генератор,память, интервальный таймер, а также богатый выбор интерфейсов для связи спериферийными устройствами (например, дисплеем, клавиатурой) и внешнимуправляющим компьютером.
Контроллер AD6526 является болееспециализированным, поэтому в него введены такие блоки, как интерфейс SIM-карты, интерфейсыдисплея, клавиатуры и подсветки, часы реального времени и др. Его блоки можноразделить на три основные группы: подсистема управляющего микропроцессора (MCU), подсистема сигнальногопроцессора (DSP), подсистема периферии.
/>
Рис. 1.2а.
/>
Рис. 1.2б.
Для получениямодулированных сигналов с рабочей частотой в радиопередатчиках с контроллерамиинформационного тракта используют несколько типов структурных схемрадиочастотных трактов. Приведем здесь самые распространенные из них.
1. Передатчики с прямоймодуляцией и прямой квадратурной модуляцией характеризуются тем, чтогенератор, управляемый напряжением (ГУН) вырабатывает колебания с рабочейчастотой передатчика (например, для системы DECT около1900 МГц, а для Bluetooth — 2.4 ГГц), а модуляцияпроисходит путем воздействия на сам ГУН или его выходной сигнал. В передатчикахс прямой модуляцией (рис. 1.3а) реализуются виды модуляции с постояннойогибающей, например, частотная манипуляция (N-FSK), а в передатчиках спрямой квадратурной модуляцией (рис. 1.3б) возможно формирование любыхузкополосных амплитудно-фазовых видов модуляции, например многопозиционнойквадратурной амплитудной модуляции (N-QAM). Интегральные квадратурные СВЧ-модуляторы былирассмотрены в предыдущем разделе.
/>
Рис. 1.3.
Схемы спрямой модуляцией и прямой квадратурной модуляцией получаются предельнопростыми, и это является их основным достоинством, но при повышенныхтребованиях к качеству (спектральной чистоте) сигнала передатчика или егоэкономичности могут оказаться существенными следующие их недостатки:
· затягивание(т.е. изменение) частоты ГУН при изменении параметров нагрузки, которой длянего является усилитель мощности;
· смещениечастоты ГУН за счет изменения его питающего напряжения, которое можетпретерпевать скачки в моменты включения усилителя мощности;
· затягиваниечастоты ГУН за счет паразитного влияния сигнала усилителя мощности на егоуправляющий вход;
· паразитноепросачивание сигнала несущей от ГУН на выход передатчика;
· значительноепотребление энергии квадратурным модулятором СВЧ диапазона.
Большинствоиз этих недостатков обусловлено тем, что ГУН и усилитель мощности работают наодной и той же, достаточно высокой частоте. Стремление устранить эти недостаткипривело к разработке других видов модуляции.
2. Прямаямодуляция со сдвигом или удвоением частоты применяется также в тех случаях, когдатребуется получить простую схему генераторного тракта. Прямая модуляция сосдвигом частоты (рис. 1.4а) отличается тем, что рабочая частота, подаваемая наквадратурный модулятор, формируется как сумма или разность частот двухгенераторов, один из которых опорный, а другой — ГУН. Поскольку на выходе этойсхемы возможно появление паразитных продуктов преобразования, фильтр долженобеспечивать необходимую избирательность.
/>
Рис. 1.4.
Прямаямодуляция с удвоением частоты (рис. 1.4б) не требует такого сложного фильтра,но могут возникнуть дополнительный фазовый шум и паразитная амплитуднаямодуляция, свойственные умножителям частоты. Все же, качество сигнала,обеспечиваемое прямой модуляцией с удвоением частоты, достаточно для устройствбеспроводной связи стандарта DECT, и промышленностью выпускаются такие устройства(например, комплект ИМС для трансивера DECT PMB2420, PMB2220, фирма Siemens).
3.Непрямая модуляция (модуляция с преобразованием частоты вверх) является наиболеепопулярной, так как позволяет реализовать все преимущества супергетеродинныхпередатчиков, в частности, спектральную чистоту сигнала и низкоеэнергопотребление квадратурного модулятора. Легко предотвратить затягиваниечастот гетеродина и просачивание его сигнала в антенну. Недостаток -трудностьизготовления фильтров, а также необходимость генерирования двух частотгенераторов.
/>
Рис. 1.5.
4.Передатчики с петлей трансляции используют петлю ФАПЧ для частотной модуляции иодновременно преобразования частоты модулированного сигнала вверх до значениярабочей частоты. Существует несколько вариантов схем с петлей трансляции, однаиз них обсуждалась в главе, посвященной синтезаторам частоты, рис.2.4.2.1. Наэтом рисунке приведена схема с прямой модуляцией ГУН в петле ФАПЧ, онадопускает очень высокую степень интеграции и малое энергопотребление, но имеетнекоторый дрейф частоты при размыкании петли ФАПЧ на время прохождениямодулирующих импульсов. Существуют более качественные методы модуляции в петлеФАПЧ, например, модуляция частоты опорного сигнала. В любом случае, в этихсхемах не удается получить виды модуляции с изменяющимся значением огибающей.
Передатчики,построенные на основе контроллеров информационного тракта, являются весьмаэкономичными, так как эти контроллеры работают на невысоких тактовых частотах(например, 13 или 26 МГц), могут работать в СВЧ диапазоне, имеют низкийуровень побочных продуктов в спектре выходного сигнала. Они позволяют получить водном радиоканале сигнал с одной несущей частотой, т.е. реализовать один каналпередачи информации. Для современных систем связи этого недостаточно, требуетсяформировать на выходе передатчика одновременно сигналы с несколькими несущимичастотами, что гораздо удобнее, чем складывать в общей нагрузке (в «комбайнере»- сумматоре мощных сигналов, либо в эфире) сигналы нескольких передатчиков.Кроме того, в связи с быстрым развитием техники телекоммуникаций можетпотребоваться не одна смена стандарта связи без смены комплектаприемо-передающей аппаратуры. Все это возможно в более сложных цифровыхрадиопередающих устройствах, построенных на основе специализированных цифровыхпроцессоров передатчиков (TSP), которые будут рассмотрены в следующей главе.
/>2. Цифровые синтезаторы частоты с косвенным синтезом (ФАПЧ)
Современныесредства цифрового формирования и обработки сигналов позволяют получатьцифровые модулированные ВЧ или ПЧ сигналы с частотами до сотен МГц. Какизвестно из параграфа 2.2.2 настоящего учебного пособия, существуютвысококачественные быстродействующие ЦАП, позволяющие перевести цифровой сигналв аналоговую форму для подачи (через фильтр) на вход усилителя мощностипередатчика, либо на вход смесителя, повышающего частоту сигнала донеобходимого значения перед его усилением по мощности. Такой вариант имеет своипреимущества — возможность формировать сложные многочастотные сигналы(например, 8 модулированных несущих с разносом частот в 100 кГц одновременно),позволяют менять все параметры излучения, в том числе и стандарт связи путемсмены только программного обеспечения. Недостатком их можно считатьотносительно низкую экономичность и наличие заметных паразитных составляющих вспектре сигнала.
Наиболеепростым вариантом цифрового передатчика с цифровым выходом на ПЧ/ВЧ можносчитать комбинацию из цифрового сигнального процессора (DSP) и прямого цифровогосинтезатора частоты (DDS), рис. 2.1. При этом DDS должен иметь одиночный(не квадратурный) выход, как, например, AD7008 (рис.2.4.1.5), AD9830 (рис.2.4.1.4). Такойпередатчик может формировать сигналы с амплитудно-фазовыми видами модуляции(АМ, ЧМ, SSB, PSK, FSK, QAM) на частотах до десятков МГц.
/>
Рис. 2.1.
Так кактактовые частоты современных DDS не превышают сотен МГц, а максимальная рабочаячастота DDS может быть около 0.4 от тактовой, то для повышения несущейчастоты требуются дополнительные элементы наилучшим вариантом здесь являетсяквадратурный СВЧ модулятор в интегральном исполнении. Принцип его работы описанв той же главе. Структурная схема такого передатчика, способного работать начастотах до 2.5 ГГц, показана на рис. 2.2.
/>
Рис. 2.2.
Типоваяструктурная схема более совершенного цифрового приемопередатчика показана нарис. 2.3. Она является стандартной для современных цифровых приемопередатчикови может быть реализована, в зависимости от требований к частотному диапазону ик алгоритму обработки сигнала, на различной элементной базе. В частности, ядроформирования цифровых ВЧ сигналов может быть выполнено на основе:
· стандартногоцифрового сигнального процессора (DSP) — если требуется сигнал с относительноневысокой частотой — до 1 МГц;
· ПЛИС(FPGA) очень высокой степениинтеграции, т.е. с эквивалентным количеством вентилей, исчисляемым миллионами;
· стандартныхИМС нескольких типов — цифрового сигнального ВЧ процессора приемника (RSP) в приемном тракте;цифрового сигнального ВЧ процессора передатчика (TSP) в передающем тракте,который может быть заменен (как вариант исполнения передающего тракта безотдельного ВЧ ЦАП) на цифровой модулятор, модулируемый DDS или цифровой преобразовательчастоты вверх (QDUC); элементная база этого варианта передающего тракта была подробнорассмотрена в предыдущем разделе.
/>
Рис. 2.3.
Для сравнениянекоторых возможностей перечисленных выше стандартных ИМС, задействованных вцифровом приемопередатчике VersaCOMM фирмы Analog Devices, приведена табл. 2.1.Перечислим названия этих ИМС (описание работы некоторых из них дано в разделе2):
RSP: AD6620 (1-2-х-канальная, 65 MSPS), AD6624 (1-2-4-х-канальная,80 MSPS), AD6634 (2-х-канальная W-CDMA, 80 MSPS);
TSP: AD6622 (1-2-4-х-канальная,75 MSPS), AD6623 (1-2-4-х-канальная, 104 MSPS);
QDUC: AD9853 (65 МГц, QPSK, 16-QAM цифровой модулятор с10-разрядным ЦАП), AD9856 (200 MSPS квадратурный цифровой преобразователь частоты с12-разрядным ЦАП), AD9857 (200 MSPS квадратурный цифровой преобразователь частоты с14-разрядным ЦАП).
Табл.3.2.1.Встроенные возможности VersaCOMM RSP TSP QDUC Преобразование частоты с высокоскоростным генератором с цифровым управлением (NCO) + + + Автоматическая регулировка уровня сигнала + + - Нецелочисленное изменение частоты выборки + + - Программное управление характеристиками фильтра + + + Цифровая модуляция (GMSK, QPSK, 8-PSK) - + + Интерфейс JTAG и др. + + - Интерполяционные фильтры - + + Встроенный на кристалл ВЧ ЦАП - - +
Структурацифрового сигнального процессора передатчика (TSP) AD6622 показана на рис.2.4. Она включает четыре идентичных цифровых канала с последовательнымитрехпроводными информационными входами, цифровыми интерполяционными фильтрами (RCF и CIC фильтрами) и цифровымпреобразованием частоты с помощью NCO. RCF фильтры являются интерполяционными КИХ фильтрамис коэффициентами, хранящимися в ОЗУ, что позволяет сменить частотныехарактеристики фильтров путем простой смены коэффициентов через управляющийпорт TSP. CIC-фильтры являются гребенчатыми фильтрами, подавляющими «образы»цифровых сигналов перед подачей их на NCO для модуляции параметров вырабатываемых цифровыхВЧ сигналов. Прямые цифровые синтезаторы (NCO) выполнены квадратурнымис цифровыми перемножителями-модуляторами I/Q и цифровыми сумматорамидля объединения квадратур. Сигналы всех четырех каналов суммируются в цифровомсумматоре и подаются на вход внешнего ВЧ ЦАП. Такая архитектура позволяетполучать как узкополосные, так и широкополосные модулированные ПЧ колебания дляцифровых и аналоговых стандартов радиосвязи.
Такимобразом, благодаря тому, что современные ВЧ ЦАП имеют высокую частоту выборки иширокий динамический диапазон, удается выполнить всю ПЧ частьтелекоммуникационного многоканального передатчика в цифровом виде. При этом TSP является «мостом» между DSP и ВЧ ЦАП. Цифроваяобработка ПЧ сигнала передатчика обеспечивает высокую повторяемость параметровпри производстве, высокую точность и большую гибкость при смене параметровсигнала и даже стандартов, чем сравнимые аналоговые устройства.
/>
Рис. 2.4.
В случаеиспользования в качестве ядра цифрового формирования ВЧ сигналов ПЛИС надоучитывать, что ей необходимы, в отличие от DSP, некоторые внешниеэлементы: память данных и память программ, тактовый генератор, формировательшины или схема управления загрузкой и т.п.
Примерреализации цифрового приемопередатчика концепции «Software Designed Radio» фирмы EnTegra на ПЛИС (FPGA) показан на рис. 2.5.Приемопередатчик выполнен в виде карты, вставляемой в слот «материнской» DSP-карты, которая, в своюочередь, имеет PCI-разъем для подключения к материнской плате персональногокомпьютера.
/>
Рис. 2.5.
Передающаячасть устройства, включая «прошивку» ПЛИС, имеет структуру, показанную на рис.2.6. Она выполняет следующие операции:
· приемданных от DSP по шине OmniBus;
· формированиевосьмиканального сигнала стандарта WCDMA;
· обработкасигнала в интерполяционных фильтрах;
· переносв цифровом перемножителе с встроенным NCO частоты сигнала вверх;
· коррекциясдвига постоянной составляющей для ЦАП;
· преобразованиеквадратурных сигналов в аналоговую форму с помощью размещенных на плате ВЧ ЦАП;
· аналоговаяфильтрация нежелательных продуктов преобразования («образов») и усиление помощности полезного сигнала.
/>
Рис. 2.6.
Встроеннаяпамять программ и память данных позволяют использовать такой приемопередатчик всамых разнообразных применениях для различных стандартов связи второго итретьего поколения.
Передатчики спрямым цифровым формированием сигналов на ПЧ и ВЧ являются наиболееперспективными устройствами для создания на их основе базовых станций системрадиосвязи с множественным доступом, систем передачи данных по радиоканалам идругих областей применения.
Заключение:
Основнымнаправлением развития систем связи является обеспечение множественногодоступа, при котором частотный ресурс совместно и одновременно используетсянесколькими абонентами. К технологиям множественного доступа относятся TDMA, FDMA, CDMA и их комбинации. Приэтом повышают требования и к качеству связи, т.е. помехоустойчивости, объемупередаваемой информации, защищенности информации и идентификации пользователя ипр. 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 такжеобеспечению высокой стабильности частоты и высокой точности амплитудной ифазовой модуляции при рабочих частотах, измеряемых гигагерцами. Что касается системвещания, здесь основным требованием является повышение качества сигнала настороне абонента, что опять же приводит к повышению объема передаваемойинформации в связи с переходом на цифровые стандарты вещания. Крайне важнатакже стабильность во времени параметров таких радиопередатчиков — частоты,модуляции. Очевидно, что аналоговая схемотехника с такими задачами справитьсяне в состоянии, и формирование сигналов передатчиков необходимоосуществлять цифровыми методами.
Списоклитературы:
1. Кириллов С.Н., Бодров О.А., Макаров Д.А.Стандарты и сигналы средств подвижной радиосвязи. Рязань: РГРТА. 1999.
2. Гольцова М. Широкополосные ЦАП: борьба нарынке коммуникационных систем усиливается. // Электроника. 2001. №2.
3. Bluetooth: устройства всех стран,соединяйтесь!… без проводов. // Электроника. 2000. №5.
4. Уолт Кестер, Джеймс Брайэнт. Аналого-цифровыепреобразователи для задач цифровой обработки сигналов. www.analog.com.ru/public/3.pdf
5. Проектирование радиопередатчиков: Учеб.пособие для вузов. / Под ред. В.В. Шахгильдяна. М.: Радио и связь. 2000. 654 с.