574_SHushnov_M.S._Proektirovanie_Ustrojstv_Priema

Рассмотрим для примера характеристики полосового ПАВ СВЧ фильтра для системы UMTS типа SF2225E [7] фирмы RF Monolithics, Inc. Основные технические характеристики фильтра приведены в [7]:

–средняя частота настройки фильтра: 2140 МГц;

–вносимые потери в диапазоне от 2110 до 2170 МГц: не более 3,5 дБ;

–неравномерность в полосе пропускания: не более 2 дБ;

–затухание относительно уровня 0 дБ [7]:

1)в диапазоне от 10 до 500 МГц: не менее 30 дБ;

2)от 500 до 1920 МГц: не менее 25 дБ;

3)от 1920 до 1980 МГц: не менее 33 дБ;

4)от 1980 до 2025 МГц: не менее 40 дБ;

5)от 2025 до 2050 МГц: не менее 26 дБ;

6)от 2230 до 2260 МГц: не менее 40 дБ;

7)от 2490 до 2558 МГц: не менее 30 дБ;

–импеданс: 50 Ом;

–диапазон рабочих температур: от минус 40 до плюс 85°C.

СВЧ симметрирующие и согласующие трансформаторы (англ. Balun – Balanced to Unbalanced converter) выпускаются фирмой Murata. Промышленно выпускаются симметрирующие трансформаторы для диапазона СВЧ, рассчитанные на стандартные волновые сопротивления 50 Ом для несимметричной линии и 50, 100 или 200 Ом для симметричной линии. Из фирм-производителей можно выделить изделия Murata серий LDB18, LDB21 и LDM18 [8].

Микросхемы разделителей квадратур (англ. I/Q-demodulator, Quadrature Demodulator) выпускают фирмы Texas Instruments (http://ti.com/), Maxim (http://maxim-ic.com/), Analog Devices (http://analog.com/) и др.

Рассмотрим для примера микросхему разделителя квадратур TRF371125 фирмы Texas Instruments [9]. TRF371125 является интегральным разделителем квадратур (квадратурным демодулятором) с прямым преобразованием частоты. TRF371125 включает в себя балансные I и Q смесители, буферный каскад по входу гетеродина и формирователь квадратуры для разделения принимаемого радиосигнала на составляющие I и Q. Разделитель квадратур имеет встроенный УПЧ с программируемым коэффициентом усиления, позволяющий регулировать уровень выходного сигнала без необходимости использования внешних аттенюаторов для реализации системы АРУ. TRF371125 включает также ФНЧ с программируемой полосой пропускания, который выполняет функции фильтра сосредоточенной селекции. Таким образом, при применении TRF371125 устраняется необходимость использования внешнего ФСС.

Управление усилением программируемого УПЧ (PGA) и полосой пропускания ФНЧ осуществляется посредством подачи управляющих команд от микроконтроллера через встроенный в TRF371125 SPI-порт.

Диапазон демодулятора по входу находится в пределах 700 МГц…4 ГГц. Разделитель квадратур TRF371125 изготовлен по кремний-германиевой технологии. Напряжение питания равно 4.5–5.5 В. Применяется TRF371125 в

УПОРС систем UMTS, WiMAX и LTE (Long Term Evolution).

11

3. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УПОРС

Исходные данные для разработок:

─диапазон принимаемых частот приемника;

─полоса пропускания;

─чувствительность при заданном отношении средних мощностей сигнала

ишума на выходе УПОРС;

─избирательность по соседнему и зеркальному каналам.

Исходные данные даются в задании на курсовую работу (курсовой проект) или выбирается автором (особенно если заданы не все необходимые для расчета данные).

Разработка структурной схемы УПОРС предполагает выбор структурной схемы УПОРС приемника, т. е. выбор одного из вариантов рисунков 2.1–2.6, расчет коэффициента усиления линейной части тракта, необходимого для нормальной работы демодулятора в блоке ЦОС, выбор элементной базы УПОРС, составление структурной схемы УПОРС для выбранной элементной базы. Структурная схема должна содержать развернутую схему УПОРС приемника с указанием вида фильтров, усилителей, согласующих цепей и т. д., разделителя квадратур (квадратурного демодулятора). На структурной схеме должны быть указаны названия микросхем («корпусов»), частот, коэффициентов усиления по мощности и коэффициентов шума и т. д.

Так как в системах мобильной связи и радиодоступа демодуляция всегда осуществляется в цифровом виде, то АЦП будет всегда стоять до блока ЦОС, тогда усиление линейной частоты тракта будет определяться необходимым уровнем сигнала для работы АЦП.

3.1.Методика разработки структурной схемы устройства приема

иобработки радиосигнала

1.Рассчитывается требуемый коэффициент усиления приемника. Здесь возможны два варианта:

─ чувствительность приемника задана в Т3; ─ чувствительность не задана в Т3.

Если чувствительность задана, то определяется коэффициент усиления тюнера до демодулятора (или АЦП). На СВЧ чувствительность принято выражать

вединицах дБм, т. е. в дБ по отношению к 1 мВт:

PА(дБм) 10lgPА(мВт).

Усиление тракта до демодулятора (АЦП) в дБ будет определяться разностью мощностей (в дБм), требуемой для работы блока ЦОС (АЦП), и заданной чувствительностью:

12

Если чувствительность приемника не задана в Т3, то рассчитывается реальная чувствительность и требуемый коэффициент усиления для ее получения. Заметим, что расчет реальной чувствительности представляет интерес, даже если чувствительность задана в исходных данных на проектирование.

2. Расчет реальной чувствительности.

Исходными данными для расчета являются полоса пропускания линейного тракта приемника, коэффициент шума приемника, отношение средних мощностей сигнала и шума на входе демодулятора (даются в задании или определяются разработчиком).

Реальная чувствительность вычисляется по формуле:

здесь k 138, 10 23 Дж (k – постоянная Больцмана);

T290К – абсолютная температура;

П– полоса пропускания (Гц);

Ш – коэффициент шума УПОРС приемника (в относительных единицах); h2 – отношение средних мощностей сигнала к шуму (отношение сиг-

нал/шум) [6].

Если коэффициент шума не задан, его необходимо определить. Общая формула для определения коэффициента шума приемника имеет вид:

k i 1

где KPk – коэффициент передачи по мощности i-го каскада, Шi – коэффициент шума i-го каскада (для каскадов на пассивных элементах (фильтры, цепи согла-

сования) по формуле Шi 1/ КРi , а для каскадов на активных элементов бе-

рется значение коэффициента шума из справочных данных).

Например, для схемы на рис. 2.3 расчетное выражение будет иметь вид:

Исходя из (3.3) уже на этом этапе необходимо начать выбор элементной базы (дуплексора, МШУ, фильтра СВЧ, разделителя квадратур и т. д.), исходя из требований по избирательности, потерь в рабочей полосе, выбор МШУ по усилению и коэффициенту шума.

13

При большом коэффициенте усиления по мощности МШУ (что в УПОРС систем мобильной связи бывает редко) шумами последующих каскадов иногда можно пренебречь.

3. Расчет необходимого усиления УПОРС.

Выбирается структура УПОРС по рисункам 2.1–2.6. Для выбранной структуры усиление УПОРС определяется выражением

Заметим, что если потери в согласующих цепях (СЦ) Кр СЦ менее 0,05 дБ,

то в (3.4) и (3.5) ими можно пренебречь.

В тракте с двойным преобразованием частоты (см. рис. 2.6) будет иметь два смесителя и два фильтра промежуточной частоты, что должно учитываться при расчетах по формулам (3.4) и (3.5).

Например, для схемы на рис. 2.3 усиление УПОРС будет определяться по формуле

KP.общ KPДУПЛ KPМШУ KPФСВЧ KРСМ _ I( q ) KРУРЧ KРФНЧ

или в децибелах

При прямом преобразовании (на нулевую промежуточную частоту рис. 2.3) фильтром основной селекции (ФОС) будет ФНЧ, усилителем нулевой промежуточной частоты может быть операционный усилитель или усилитель с программируемым коэффициентом усиления (PGA), часто уже имеющийся в составе микросхемы разделителя квадратур.

4. Составление структурной схемы УПОРС.

Выбирается элементная база согласно исходным данным для разработки в соответствии с диапазоном принимаемых частот приемника, полосы пропускания, чувствительности, избирательности и т. д. При этом следует иметь в виду, что производители могут выпускать разные варианты микросхем УПОРС:

─в одном корпусе МШУ и разделитель квадратур с УПЧ и ФНЧ;

─отдельно (в разных корпусах) МШУ и микросхема разделителя квадратур с УПЧ и ФНЧ.

Поскольку для составления принципиальной схемы необходимы микросхемы со схемой включения (с «обвязкой»), то целесообразно при выборе элементной базы уже на этапе составление структурной схемы, подбирать микросхемы с учетом дополнительных цепей (питания, стабилизации, согласования и т. д.).

14

3.2. Пример расчета реальной чувствительности и требуемого усиления

Исходные данные

Система GSM-1800.

Полоса пропускания (один частотный канал) П 200 кГц при неравномерности в полосе –3 дБ.

Коэффициент шума приемника Ш 7 дБ (5 относительных единиц). Отношение средних мощностей сигнала и шума h2 10 (при GMSK

Pош 10 3 ).

Расчет

1. По формуле (3.2) реальная чувствительность

РА kTПШh2=1,38 10 23 290 2 105 5 10 4,002 10 14 Вт.

Отсюда в мВт

РА( мВт ) 103 РА( Вт ) 4,002 10 11мВт.

В единицах дБм

РА( дБм ) 10 lg PA мВт 10 lg 4,002 10 11 104дБм.

Вединицах ЭДС (при RA = 50 Ом)

ЕА( В ) 4RА(Ом ) PА( Вт ) 4 50 4,002 10 14 2,83мкВ.

2. Предположим, что на вход АЦП перед блоком ЦОС надо подать сигнал напряжением 2,2 В, входное сопротивление АЦП 5 кОм, тогда мощность на входе АЦП можно найти:

Тогда согласно (3.1) усиление тракта от входа приемника до демодулятора должно быть:

КР PАЦП РА( дБм ) дБ 0дБм 104дБм 104дБ.

Большее усиление нецелесообразно, а при меньшем усилении будет хуже чувствительность. Далее надо выбрать схему УПОРС (см. рис. 2.1–2.6) и элементную базу для получения усиления 104 дБ.

Завершающим этапом разработки УПОРС является составление принципиальной схемы. Для этого, в соответствии со структурной схемой, построенной с учетом выбранной элементной базой, определяется необходимость дополнительного режекторного фильтра на входе, МШУ (перед микросхемой разделителя квадратур), согласующих цепей, например, между входом для МШУ и выходом дуплексора, между входом СВЧ фильтра и выходом МШУ, между выходом СВЧ фильтра и входом разделителя квадратур и т. п. Заметим, что коэффициент усиления МШУ может меняться (обычно используется режим максимума усиления, режим без усиления и режим ослабления) по команде с микро-

15

контроллера при большом уровне сигнала на входе УПОРС. Таким образом, в МШУ реализуется один из каскадов системы автоматической регулировки усиления (АРУ). Остальные каскады системы АРУ в УПОРС реализуются в тракте УПЧ.

При необходимости электрический расчет МШУ можно выполнить по методике [3]. После этого расчета составляется принципиальная схема УПОРС со всеми внешними цепями: питания, коррекции и т. д. по рекомендациям производителя элемента. Дается подробное описание принципиальной схемы и перечень элементов по ГОСТ.

Завершается разработка заключением и указанием списка литературы. При необходимости в приложении приводится список принятых сокращений, справочные данных примененных в разработке элементов.

16

Литература

1.Ипатов В.П., Орлов В.К., Самойлов И.П., Смирнов В.Н. Системы мо-

бильной связи : учеб. пособие для вузов / под ред. В.П. Ипатова. – М.: Горячая линия-Телеком, 2003. – 272 с.

2.Фалько А.И. Основы радиоприема : учеб. пособие. – Новосибирск: Изд-во СибГУТИ, 2012. – 261 с.

3.Фалько А.И. Расчет преселекторов радиоприемных устройств : учеб. пособие. – Новосибирск: Изд-во СибГУТИ, 2009. – 145 с.

4.Freescale Semiconductor MML20242HT1. Low Noise Amplifier. – [Элек-

тронный ресурс]. – URL: http://cache.freescale.com/files/rf_if/doc/data_sheet/MML20242H.pdf (дата обращения 15.07.2015).

5.Avago Technologies ACMD-7614. UMTS Band 1 Duplexer. – [Электронный ресурс]. – URL: http://www.avagotech.com/docs/AV02-2649EN (дата обращения 15.07.2015).

6.Kyocera SAW Filter Modules LF-U309D7. – [Электронный ресурс]. – URL: http://global.kyocera.com/prdct/electro/pdf/module/sawm_e.pdf (дата обращения 15.07.2015).

7.RF Monolithics SF2225E Low-loss 2140 MHz SAW-filter. – [Электронный ресурс]. – URL: http://www.rfm.com/products/data/sf2225e.pdf (дата обращения 15.07.2015).

8.Murata Microwave Components. Chip Multilayer Hybrid Baluns. – [Элек-

тронный ресурс]. – URL: http://www.murata.com/~/media/webrenewal/support/library/catalog/products/micro wave/k99e_s0800.ashx (дата обращения 15.07.2015).

9.TRF371125 Integrated IQ demodulator. Texas Instruments. – [Электронный ресурс]. – URL: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/trf371125.pdf (дата обращения 15.07.2015).

17

18

Учебное издание

Шушнов Максим Сергеевич

Проектирование устройств приема и обработки радиосигнала

систем мобильной радиосвязи и радиодоступа

Редактор Т.Я. Показаньева Корректор М.Г. Девищенко

Подписано в печать 15.10.2015.

Формат бумаги 62 × 84/16, отпечатано на ризографе, шрифт № 10, п. л. – 1,2, заказ № 156, тираж 50.

Редакционно-издательский отдел СибГУТИ 630102, г. Новосибирск, ул. Кирова, 86, офис 107, тел. (383) 269-82-36

19