Реферат: Структурные схемы цифровых радиопередающих устройств

Рис. 1.3.

Схемы с прямой модуляцией и прямой квадратурной модуляцией получаются предельно простыми, и это является их основным достоинством, но при повышенных требованиях к качеству (спектральной чистоте) сигнала передатчика или его экономичности могут оказаться существенными следующие их недостатки:

· затягивание (т.е. изменение) частоты ГУН при изменении параметров нагрузки, которой для него является усилитель мощности;

· смещение частоты ГУН за счет изменения его питающего напряжения, которое может претерпевать скачки в моменты включения усилителя мощности;

· затягивание частоты ГУН за счет паразитного влияния сигнала усилителя мощности на его управляющий вход;

· паразитное просачивание сигнала несущей от ГУН на выход передатчика;

· значительное потребление энергии квадратурным модулятором СВЧ диапазона.

Большинство из этих недостатков обусловлено тем, что ГУН и усилитель мощности работают на одной и той же, достаточно высокой частоте. Стремление устранить эти недостатки привело к разработке других видов модуляции.

2. Прямая модуляция со сдвигом или удвоением частоты применяется также в тех случаях, когда требуется получить простую схему генераторного тракта. Прямая модуляция со сдвигом частоты (рис. 1.4а) отличается тем, что рабочая частота, подаваемая на квадратурный модулятор, формируется как сумма или разность частот двух генераторов, один из которых опорный, а другой - ГУН. Поскольку на выходе этой схемы возможно появление паразитных продуктов преобразования, фильтр должен обеспечивать необходимую избирательность.

Рис. 1.4.

Прямая модуляция с удвоением частоты (рис. 1.4б) не требует такого сложного фильтра, но могут возникнуть дополнительный фазовый шум и паразитная амплитудная модуляция, свойственные умножителям частоты. Все же, качество сигнала, обеспечиваемое прямой модуляцией с удвоением частоты, достаточно для устройств беспроводной 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 наиболее популярной, так как позволяет реализовать все преимущества супергетеродинных передатчиков, в частности, спектральную чистоту сигнала и низкое энергопотребление квадратурного модулятора. Легко предотвратить затягивание частот гетеродина и просачивание его сигнала в антенну. Недостаток -трудность изготовления фильтров, а также необходимость генерирования двух частот генераторов.

Рис. 1.5.

4. Передатчики с петлей трансляции используют петлю ФАПЧ для частотной модуляции и одновременно преобразования частоты модулированного сигнала вверх до значения рабочей частоты. Существует несколько вариантов схем с петлей трансляции, одна из них обсуждалась в главе, посвященной синтезаторам частоты, рис.2.4.2.1. На этом рисунке приведена схема с прямой модуляцией ГУН в петле ФАПЧ, она допускает очень высокую степень интеграции и малое энергопотребление, но имеет некоторый дрейф частоты при размыкании петли ФАПЧ на время прохождения модулирующих импульсов. Существуют более качественные методы модуляции в петле ФАПЧ, например, модуляция частоты опорного сигнала. В любом случае, в этих схемах не удается получить виды модуляции с изменяющимся значением огибающей.

Передатчики, построенные на основе контроллеров информационного тракта, являются весьма экономичными, так как эти контроллеры работают на невысоких тактовых частотах (например, 13 или 26 МГц), могут работать в СВЧ диапазоне, имеют низкий уровень побочных продуктов в спектре выходного сигнала. Они позволяют получить в одном радиоканале сигнал с одной несущей частотой, т.е. реализовать один канал передачи информации. Для современных систем связи этого недостаточно, требуется формировать на выходе передатчика одновременно сигналы с несколькими несущими частотами, 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 может потребоваться не одна смена стандарта связи без смены комплекта приемо-передающей аппаратуры. Все это возможно в более сложных цифровых радиопередающих устройствах, построенных на основе специализированных цифровых процессоров передатчиков (TSP), которые будут рассмотрены в следующей главе.

2. Цифровые синтезаторы частоты с косвенным синтезом (ФАПЧ)

Современные средства цифрового формирования и обработки сигналов позволяют получать цифровые модулированные ВЧ или ПЧ сигналы с частотами до сотен МГц. Как известно из параграфа 2.2.2 настоящего учебного пособия, существуют высококачественные быстродействующие ЦАП, позволяющие перевести цифровой сигнал в аналоговую форму для подачи (через фильтр) на вход усилителя мощности передатчика, либо на вход смесителя, повышающего частоту сигнала до необходимого значения перед его усилением по мощности. Такой вариант имеет свои преимущества - 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 путем смены только программного обеспечения. Недостатком их можно считать относительно низкую экономичность и наличие заметных паразитных составляющих в спектре сигнала.

Наиболее простым вариантом цифрового передатчика с цифровым выходом на ПЧ/ВЧ можно считать комбинацию из цифрового сигнального процессора (DSP) и прямого цифрового синтезатора 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). Такой передатчик может формировать сигналы с амплитудно-фазовыми видами модуляции (АМ, ЧМ, SSB, PSK, FSK, QAM) на частотах до десятков МГц.

Рис. 2.1.

Так как тактовые частоты современных DDS не превышают сотен МГц, а максимальная рабочая частота DDS может быть около 0.4 от тактовой, то для повышения несущей частоты требуются дополнительные элементы наилучшим вариантом здесь является квадратурный СВЧ модулятор в интегральном исполнении. Принцип его работы описан в той же главе. Структурная схема такого передатчика, способного работать на частотах до 2.5 ГГц, показана на рис. 2.2.

Рис. 2.2.

Типовая структурная схема более совершенного цифрового приемопередатчика показана на рис. 2.3. Она является стандартной для современных цифровых приемопередатчиков и может быть реализована, в зависимости от требований к частотному диапазону и к алгоритму обработки сигнала, на различной элементной базе. В частности, ядро формирования цифровых ВЧ сигналов может быть выполнено на основе:

· стандартного цифрового сигнального процессора (DSP) - если требуется сигнал с относительно невысокой частотой - до 1 МГц;

· ПЛИС (FPGA) очень высокой степени интеграции, т.е. с эквивалентным количеством вентилей, исчисляемым миллионами;

· стандартных ИМС 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 без отдельного ВЧ ЦАП) на цифровой модулятор, модулируемый DDS или цифровой преобразователь частоты вверх (QDUC); элементная база этого варианта передающего тракта была подробно рассмотрена в предыдущем разделе.