574_SHushnov_M.S._Proektirovanie_Ustrojstv_Priema
.pdfФедеральное агентство связи
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (СибГУТИ)
М.С. Шушнов
Проектирование устройств приема и обработки радиосигнала
систем мобильной радиосвязи и радиодоступа
Учебно-методическое пособие
Новосибирск
2015
1
УДК 621.396.2(075.8)
Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ
Рецензент канд. техн. наук, доц. Е.В. Кокорева
Шушнов М.С. Проектирование устройств приема и обработки радиосигнала систем мобильной радиосвязи и радиодоступа : Учебно-методическое пособие / Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики; каф. радиотехнических устройств. – Новосибирск, 2015. – 19 с.
Учебно-методическое пособие предназначено для выполнения курсовой работы и курсовых проектов по дисциплинам «Устройства приема и обработки радиосигнала систем мобильной связи» и «Радиоприемные устройства систем радиодоступа и связи», а также для дипломного проектирования.
Пособие предназначено бакалаврам и магистрам, обучающимся по направлениям 11.03.02 – Инфокоммуникационные технологии и системы связи, 11.03.01 – Радиотехника.
©Шушнов М.С., 2015
©Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2015
2
ВВЕДЕНИЕ
Курсовая работа по дисциплине «Устройства приема и обработки радиосигнала систем мобильной связи» и курсовой проект по дисциплине «Радиоприемные устройства систем радиодоступа и связи» предусматривают проектирование устройства приема и обработки радиосигнала (УПОРС) цифрового приемника системы мобильной связи или радиодоступа. В состав УПОРС входит дуплексор, усилитель радиочастоты или малошумящий усилитель, преобразователь частоты с разделителем квадратур, избирательные цепи для выделения основного канала приема.
Автору курсовой работы (курсового проекта) необходимо сделать расчет структурной схемы УПОРС. Выбрать элементную базу и составить структурную схему УПОРС с учетом особенностей выбранной элементной базы. Выполнить электрический расчет элементов принципиальной схемы (по заданию преподавателя) и составить принципиальную электрическую схему разработанного УПОРС.
Пояснительная записка к курсовой работе должна содержать:
─техническое задание (ТЗ) на проектирование;
─общие принципы построения УПОРС с описанием возможных структурных схем;
─описание развернутых структурных схем УПОРС систем мобильной связи и радиодоступа;
─краткое описание процессов выделения квадратурных составляющих;
─результаты расчета структурной схемы УПОРС;
─подбор современной элементной базы, пригодной для схемотехнической реализации УПОРС, с подробным описанием каждого выбранного элемента;
─разработанную полную структурную схему УПОРС с учетом особенностей выбранной элементной базы и подробное описание схемы;
─результаты расчета элементов принципиальной схемы (фильтров, УРЧ или МШУ, цепей согласования и т. д.);
─разработанную принципиальную электрическую схему и ее подробное описание;
─перечень элементов принципиальной схемы (спецификацию);
─список использованной литературы;
─список принятых сокращений.
3
1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРИЕМНИКАХ УСТРОЙСТВ ПРИЕМА
ИОБРАБОТКИ РАДИОСИГНАЛА СИСТЕМ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ
И РАДИОДОСТУПА
Цифровые приемники мобильно связи и радиодоступа разделяются на приемники систем радиодоступа и систем мобильной радиотелефонной связи.
Обобщенная структурная схема приемника системы мобильной радиотелефонной связи приведена на рис. 1.1. Она содержит УПОРС, блок цифровой обработки сигнала и входные и выходные интерфейсы, необходимые для вводавывода информации (для взаимодействия с памятью, SIM-картой, клавиатурой и дисплеем), демодулятор, декодер канала, декодер речи, ЦАП и т. д.
Дуплексор |
|
УПОРС |
|
Блок ЦОС |
||
Фильтр |
УРЧ |
ФПЧ |
|
|
||
приема |
|
|
|
I |
||
(ВЦ) |
(МШУ) |
СМ (ФСИ) |
УПЧ |
|
ЦФНЧ |
|
|
fC |
|
fПЧ |
АЦП |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
fГ1 |
|
|
ЦФНЧ |
Q |
|
|
|
|
|
||
Фильтр |
Синтезатор |
|
|
|
|
|
|
частот |
|
|
|
|
|
передачи |
|
|
|
|
|
|
|
|
Память |
ЦГ |
ПГ |
|
|
|
от передатчика |
|
||||
|
|
|
|
|
||
|
к передатчику |
|
|
|
|
|
SIM |
|
|
|
|
|
|
|
|
Сигнальный процессор |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
АЦП |
|
ЦАП |
|
Дисплей |
|
Клавиатура |
|
речи Декодер |
|
канала Декодер |
|
Деперемежитель |
|
Демодулятор |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1.1. Обобщенная структурная схема приемника системы мобильной радиотелефонной связи
УПОРС состоит из дуплектора, малошумящего усилителя (МШУ), смесителя, необходимого для преобразования частоты, фильтра сосредоточенной избирательности (ФСИ) в тракте промежуточной частоты и усилителя промежуточной частоты (УПЧ).
УПОРС выделяет и усиливает принимаемый высокочастотный радиосигнал, осуществляет настройку на выбранный канал приема и преобразует радио-
4
частоту в более низкую промежуточную или видеочастоту (преобразование на нулевую промежуточную частоту).
На рис. 1.2 показана обобщенная структурная схема приемника радиодоступа. Она во много похожа на схему на рис. 1.1, также содержит УПОРС, блок цифровой обработки сигнала и входные и выходные интерфейсы, необходимые для ввода-вывода информации (для взаимодействия с памятью), демодулятор, декодер канала и т. д. и не содержит обязательных для мобильных радиотелефонов клавиатуры, дисплея, декодера речи и SIM-карты. Вместо них, в обязательном порядке, присутствует интерфейс ввода-вывода информации для взаимодействия с оконечным устройством в виде персонального компьютера (ПК), компьютерной сетью (КС) или центральным процессором (ЦП).
Дуплексор |
|
УПОРС |
|
Блок ЦОС |
||
Фильтр |
УРЧ |
ФПЧ |
|
|
||
приема |
|
|
|
I |
||
(ВЦ) |
(МШУ) |
СМ (ФСИ) |
УПЧ |
|
ЦФНЧ |
|
|
fC |
|
fПЧ |
АЦП |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
fГ1 |
|
|
ЦФНЧ |
Q |
|
|
|
|
|
||
Фильтр |
Синтезатор |
|
|
|
|
|
|
частот |
|
|
|
|
|
передачи |
|
|
|
|
|
|
|
|
Память |
ЦГ |
ПГ |
|
|
|
от передатчика |
|
||||
|
|
|
|
|
||
|
к передатчику |
|
|
|
|
|
|
|
Сигнальный процессор |
|
|
||
Интерфейс вводавывода информации
к ПК, КС или ЦП
канала Декодер |
|
Деперемежитель |
|
Демодулятор |
|
|
|
|
|
Рис. 1.2. Обобщенная структурная схема приемника системы радиодоступа
5
2. УСТРОЙСТВА ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ РАДИОСИГНАЛА СИСТЕМ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ И РАДИОДОСТУПА
Различие структурных схем УПОРС связано с удобством построения (доступной элементной базой), наличием мультирежимности, диапазоном рабочих частот, простотой достижения требуемых технических и эксплуатационных характеристик УПОРС и др.
2.1. Структурные схемы устройств приема и обработки радиосигнала систем мобильной связи и радиодоступа
В последнее время в построении УПОРС систем мобильной связи и радиодоступа наметилась тенденция применения схемы супергетеродинного приема с нулевой промежуточной частотой, т. е. приемники строятся по схеме прямого преобразования (рис. 2.1).
Дуплексор
Фильтр УРЧ приема (МШУ)
СВЧ |
СМ |
ФНЧ |
фильтр |
||
fC |
fПЧ 0 |
fПЧ |
|
fГ = fC |
|
Рис. 2.1. Схема УПОРС прямого преобразования
Применение схемы прямого преобразования позволяет получить первый побочный канал приема на достаточном удалении, численно равном частоте гетеродина (принимаемого сигнала), от основного канала:
fПБК 2 fC 2 fГ .
Такой канал достаточно легко подавить фильтром приема дуплексора и СВЧ фильтром на выходе УРЧ (МШУ), т. к. абсолютная расстройка в этом случае будет достаточно большой (2 fC ). Однако следует проверить характеристику избирательности или амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) этих фильтров на отсутствие побочных лепестков на частоте побочного канала приема и определить значение избирательности по побочному каналу SeПБК .
Избирательность по соседнему каналу приема в схеме УПОРС прямого преобразования обеспечивается в УПЧ. В качестве избирательных цепей в УПЧ используются многозвенные фильтры низких частот (ФНЧ), обычно на основе операционных усилителей (ARC-фильтры). Стоит заметить, что полосу пропускания тракта ПЧ f в схеме прямого преобразования следует выбирать в соответствии с полосой частот, занимаемой одним радиоканалом. Для удобства обработки сигнала выполняется разделение принимаемого сигнала на квадра-
6
турные составляющие I и Q. Выполняться разделение может в цифровом или аналоговом виде. Схема УПОРС прямого преобразования с аналоговым разделением квадратур показана на рис. 2.2.
Дуплексор |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Фильтр |
|
СВЧ |
|
|
|
ФНЧ |
||||||||
приема МШУ |
фильтр СМ I |
|
УПЧ |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
fC |
|
|
fПЧ |
|
|
|
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
СМ Q |
|
УПЧ |
ФНЧ |
|||
|
|
fПЧ |
|
|
|
Q |
|
|
|
|
|||
fГ fC |
ФВ |
|
φ |
90º |
|
|
||
Рис. 2.2. Схема УПОРС прямого преобразования с аналоговым разделением квадратур
Избирательность по соседнему каналу SeCК рис. 2.1 и рис. 2.8 обеспечивает ФНЧ в тракте промежуточной частоты. Стоит заметить, что в мультирежимных УПОРС полоса пропускания ФНЧ может меняться в зависимости от вида принимаемого сигнала и шага сетки частот принятого в системе связи определенного стандарта.
Дуплексор |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Фильтр |
|
СВЧ |
|
|
|
ФНЧ |
||||||||
приема МШУ |
фильтр СМ I |
|
УПЧ |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
fC |
|
|
fПЧ |
|
|
|
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
СМ Q |
|
УПЧ |
ФНЧ |
|||
|
|
fПЧ |
|
|
|
Q |
|
|
|
|
|||
ФВ
fГ φ 90º
Рис. 2.3. Схема УПОРС прямого преобразования с аналоговым разделением квадратур и переменной полосой пропускания тракта промежуточной частоты
7
Например, по схеме рис. 2.3 можно строить мультирежимные УПОРС сетей GSM/UMTS/LTE при условии, что частотные диапазоны, отведенные для работы этих сетей, расположены близко или перекрываются.
Иногда для удовлетворения требований электромагнитной совместимости (ЭМС) преселектор приемника дополняют режекторным фильтром (РФ) (рис. 2.4).
Дуплексор |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Фильтр |
|
|
|
|
СВЧ |
|
|
|
ФНЧ |
|||||||
приема РФ |
МШУ фильтр СМ I |
|
УПЧ |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
fC |
|
|
fПЧ |
|
|
|
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
СМ Q |
|
УПЧ |
ФНЧ |
|||
|
|
fПЧ |
|
|
|
Q |
|
|
|
|
|||
ФВ
fГ φ 90º
Рис. 2.4. Схема УПОРС прямого преобразования с режекторным фильтром на входе МШУ и аналоговым разделением квадратур
Необходимость в режекторном фильтре обусловлена близким расположением относительно маломощного, но близкорасположенного передающего устройства соседствующей системы радиосвязи. Примером такого соседства может являться интеграция адаптера системы 802.11 (Wi-Fi) или 802.15.1 (Bluetooth) внутри мобильного телефона системы UMTS или LTE, границы частотных диапазонов которых расположены на малом удалении (мала абсолютная расстройка – недостаточна избирательность). В таком случае режекторный фильтр настраивается на среднюю частоту рабочего диапазона системы, создающей помеху, и устанавливается перед дуплексором или на входе МШУ схемы на рис. 2.4.
Иногда УПОРС приемников мобильных систем связи второго поколения (2G) и радиодоступа СВЧ диапазона выполняются по схеме с двойным преобразованием частоты (рис. 2.5).
Дуплексор
Фильтр |
|
УРЧ |
|
СВЧ |
||||
приема |
(МШУ) |
фильтр |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ФСС |
СМ |
(ФПЧ1) |
fC |
fПЧ1 |
fГ1 |
|
|
ФПЧ2 |
|
СМ |
(ФСС) |
|
fПЧ1 |
fПЧ2 |
fПЧ2 |
fГ2 |
|
|
Рис. 2.5. Схема УПОРС с двойным преобразованием частоты
8
Заданная избирательность SeЗК и SeПБК разделена между фильтром приема дуплексора и СВЧ фильтром на выходе УРЧ. Функции входной цепи в этой схеме выполняет дуплексор. У современных УПОРС систем мобильной связи и радиодоступа основной задачей ставится обеспечение избирательности по зеркальному каналу приема SeЗК , а полузеркальный канал приема подавляют за счет повышения линейности усилительно-преобразовательного тракта УПОРС. В результате исключается нелинейное по сигналу преобразование частоты, что приводит к полному отсутствию полузеркального канала приема.
Избирательность по соседнему каналу приема SeCК обеспечивает ФСС в тракте первой промежуточной частоты, а на второй промежуточной должно выполняться разделение квадратур. Хотя эти операции можно выполнить и в другом порядке (на рис. 2.5 можно поменять местами ФСС и ФПЧ).
На рис. 2.6 показана схема УПОРС приемника с двойным преобразованием частоты и аналоговым разделением квадратур. Когда элементная база не позволяет обеспечить заданные технические характеристики УПОРС, следует обратиться к этой схеме, хотя реализация устройства получится заведомо более сложной, т. к. потребуется большее число корпусных элементов.
Дуплексор |
|
|
|
|
|
|
|
Фильтр |
СВЧ |
|
|
|
|
Активный |
|
приема МШУ |
фильтр |
СМ |
ФСС |
УРЧ |
СМ I |
fПЧ 2 |
ФНЧ |
|
|
fC |
fПЧ1 |
|
fПЧ1 |
I |
|
|
|
fГ1 |
|
|
СМ Q |
Активный |
|
|
|
|
|
|
|
ФНЧ |
|
|
|
|
|
|
|
fПЧ 2 |
Q |
|
|
|
|
ФВ |
|
|
|
|
|
|
fГ2 |
φ |
90º |
|
|
Рис. 2.6. Схема УПОРС с двойным преобразованием частоты и аналоговым разделением квадратур
Для построения УПОРС используются специализированные интегральные микросхемы, СВЧ фильтры и дуплексеры на ПАВ, интегральные усилительные модули для построения МШУ и трансформирующие сопротивление устройства.
9
2.2. Элементная база для схемотехнической реализации устройств приема и обработки радиосигнала
Микросхемы МШУ (англ. LNA – Low Noise Amplifier) выпускают ряд фирм,
например, NXP (http://www.nxp.com/), Infineon (http://www.infineon.com/), RF Micro Devices, Inc. (http://www.rfmd.com/), TriQuint (http://www.triquint.com/), Freescale Semiconductor (http://www.freescale.com/).
Рассмотрим для примера МШУ Freescale Semiconductor MML20242HT1 [4].
Модуль MML20242HT1 является двухкаскадным малошумящим усилителем с активным смещением и высокой изоляцией для использования в системах мобильной связи. Он предназначен для целого ряда устройств, требующих низкого уровня шума и высокой линейности. Питается модуль от одного источника питания и подходит для устройств с диапазоном частот от 1400 до 2800 МГц в таких стандартах как TD-SCDMA, WCDMA, UMTS, PCS, LTE и BWA. Диапа-
зон рабочих температур МШУ находится в интервале от –65°C до –150°C.
Из анализа приведенных в [4] характеристик этих зависимостей следует, что электрические характеристики МШУ (при условиях: напряжение питания = 5 В; центральная частота f = 2140 МГц; рабочая температура
Tраб. = 25°C; волновом сопротивление системы Rсист. = 50 Ом) следующие:
–усиление сигнала не менее 30,6 дБ;
–коэффициент шума не более 0,7 дБ.
В справочных данных также указано, что потребляемый ток от источника питания напряжением 5 В не превышает 160 мА, а вход и выход МШУ согласованы с сопротивлением 50 Ом, но согласование обеспечивается дополнительными (внешними) цепями, номиналы которых производитель заранее рассчитал и приводит эти данные в описании для нужного диапазона рабочих частот [4].
Среди фирм-производителей СВЧ фильтров на ПАВ (англ. SAW filter – Surface Acoustic Wave Filter) и дуплексеров (англ. Duplexer) следует отметить фирмы Murata Manufacturing Co. (http://www.murata.com/), EPCOS AG. (http://www.murata.com/), TriQuint (http://www.triquint.com/), Kyocera (http://global.kyocera.com/), Avago Technologies Limited (http://www.avagotech.com/).
В качестве примера можно привести производимый серийно дуплексор фирмы Avago Technologies Ltd. модели ACMD-7614 [5].
Avago ACMD-7614 является миниатюрным дуплексером, предназначенным для использования в абонентских аппаратах стандарта UMTS (1920– 1980 МГц UL, 2110–2170 МГц DL). Низкие вносимые потери в канале передачи минимизируют потребление передающего устройства, в то время как низкие вносимые потери в передающем канале улучшают чувствительность приемника.
При необходимости построения мультирежимного многодиапазонного УПОРС в качестве дуплексера можно применить дуплексерные модули. Например, Kyocera выпускает модуль модели LF-U309D7 [6], совмещающий в себе дуплексеры диапазонов GSM 900/1800/1900, UMTS 1/2/3 и LTE.
10