Руководителям Обзоры, аналитика Теория и практика

7 декабря

Базовые принципы построения ВЧ-тракта приемника беспроводной системы связи

В статье освещены основополагающие принципы построения ВЧ-тракта приемника беспроводной системы связи. Рассмотрены основные функциональные блоки приемного тракта и особенности их интегрального исполнения. Обсуждаются преимущества и недостатки основных видов архитектур ВЧ-приемников.

общем случае в ВЧ-тракт беспроводного устройства входят все функциональные блоки между антенной и цифровой системой обработки сигнала основной частоты (digital baseband system). Для приемника беспроводной системы такими блоками являются фильтры, малошумящие усилители и смесители с понижением частоты, которые необходимы для преобразования модулированных сигналов, принятых антенной, в сигналы, предназначенные для подачи на вход АЦП основной частоты.
Приемник в большинстве случаев представляет собой малошумящий усилитель, который преобразует входной сигнал с понижением частоты. Следовательно, особое значение имеет чувствительность и избирательность приемника. В свою очередь, передатчик преобразует выходной сигнал с повышением частоты перед его подачей на усилитель мощности. В данном случае первостепенное значение имеет нелинейность усилителя. При существенных различиях схемы входного тракта приемника и выходного тракта передатчика используют много общих устройств, например гетеродин. В данной статье основное внимание будет уделено приемному тракту беспроводной системы.
Благодаря успехам в разработке и производстве интегральных схем, некоторые традиционные задачи аналоговой обработки сигнала промежуточной частоты (ПЧ) могут быть решены с помощью цифровых схем. Так, например, фильтрация и преобразование частоты сигнала могут быть выполнены цифровыми фильтрами и DSP.
ВЧ-тракт является наиболее критичной частью схемы приемного устройства. Входной тракт приемника определяет оптимальное соотношение между общей производительностью системы, ее энергопотреблением и размерами. В конечном итоге от конфигурации аналогового интерфейса зависит достижимая величина частоты битовых ошибок и отношения сигнал/шум приемного устройства.

ВЧ-тракт в интегральном исполнении

ВЧ-тракт, как правило, реализуется в виде модуля, содержащего несколько интегральных схем, которые могут быть изготовлены с помощью различных технологий, таких как обычная КМОП-технология или усовершенствованная SiGe-технология. Функционально такие многочиповые модули (или системы-в-корпусе) выполняют большинство, если не все, видов аналоговой обработки сигнала — фильтрацию, детектирование, усиление и демодуляцию.
Многочиповые модули отражают важную тенденцию в развитии ВЧ-устройств, а именно — увеличение степени интеграции системы, т.е. возможность размещения все большего количества функций на кристалле. Причина этого заключается в уменьшении стоимости, снижении потребляемой мощности и размеров (особенно в мобильных и портативных устройствах). Однако, независимо от уровня интеграции, базовая архитектура ВЧ-тракта остается неизменной: фильтрация сигнала, усиление и демодуляция. Антенна принимает модулированный сигнал, который проходит через ВЧ-тракт приемника. После необходимой обработки во входных каскадах приемника модулированная или информационная часть сигнала (в виде сигнала основной частоты) готова для аналого-цифрового преобразования в дискретный вид. После оцифровки из сигнала извлекается информация в виде аудио-, видео- или данных.
Каждый из функциональных блоков, которые должны быть объединены вместе в модуле ВЧ-тракта приемника (ВЧ-фильтр, детектор, смеситель-демодулятор и усилитель), независим и разрабатывается отдельно. Поэтому для того чтобы минимизировать ослабление, искажение и отражения сигналов из-за разницы в импедансе, эти компоненты должны иметь стандартизованное характеристическое сопротивление 50 Ом. Такое же сопротивление имеет высокочастотное тестовое оборудование.
Необходимо обеспечить согласование 50 Ом входного и выходного импедансов функциональных блоков, когда длина соединительных проводников между компонентами системы превышает длину несущей волны. В микросхемах и системах-в-корпусе, работающих на ГГц-частоте, линии межсоединений коротки, поэтому получить сопротивление в 50 Ом между блоками не представляет труда. Основное внимание следует уделить согласованию импеданса блоков, расположенных на печатной плате, из-за сравнительно длинных проводников.

Функциональные блоки приемного тракта

Основным назначением ВЧ-тракта является детектирование и обработка радиоволн, переданных на определенной частоте или в диапазоне частот и имеющих известный тип модуляции. С помощью модуляции передается полезная информация: голос, аудио-, видео- или другие данные. Для детектирования радиоволн приемник должен быть настроен в резонанс с частотой или частотами передачи. Эти принятые сигналы фильтруются от ненужных сигналов и помех, а затем усиливаются. После усиления происходит процесс демодуляции, во время которого снимается полезная информация с радиосигнала.
Эти три этапа — фильтрация, усиление и демодуляция — являются составляющими общего процесса. Однако конкретная реализация этого процесса (т.е. разработка печатной платы ВЧ-приемника) зависит от типа, сложности и количества передаваемых данных. Например, проектирование ВЧ-тракта для обработки простого сигнала с амплитудной модуляцией требует намного меньше временных и материальных затрат, чем разработка ВЧ-тракта мобильного телефона последнего поколения (3G).
Способы реализации различных архитектур ВЧ-тракта менялись в разные периоды времени. Однако основные требования для ВЧ-тракта, такие как частотный диапазон и тип принимаемого несущего сигнала, энергетический баланс канала ВЧ-связи, потребляемая мощность, производительность и габариты остаются практически неизменными. Рассмотрим основные архитектуры радиоприемников.

Основные типы радиоприемников

Детекторный АМ-приемник

Одним из базовых типов ВЧ-приемника является детекторный приемник с амплитудной модуляцией (АМ-приемник) (см. рис. 1). Информация, подобная речи или музыке, может быть преобразована в амплитудно-модулированный сигнал, передаваемый на несущей частоте. Такой ВЧ-сигнал может быть демодулирован на стороне приемника с помощью простого диодного детектора. Все, что необходимо для построения базового АМ-приемника — это антенна, ВЧ-фильтр, детектор и (опционально) усилитель для увеличения уровня полезного сигнала.

Рис. 1. Блок-схема простейшего АМ-приемника

Антенна, которая является емкостной на частотах, используемых для АМ-радиовещания, последовательно согласована с катушкой индуктивности для повышения тока, что увеличивает напряжение на вторичной катушке до максимального уровня. Можно использовать фильтр на переменной емкости для выбора нужной полосы частот (или канала) и блокировки нежелательных сигналов, таких как шум. Отфильтрованный сигнал затем преобразуется для демодуляции АМ-сигнала и восстановления полезной информации. На рисунке 2 представлена принципиальная схема, соответствующая блок-схеме на рисунке 1.
Сердцем АМ-архитектуры является детекторный демодулятор. В качестве детектора используется диод. В случае простого AM-приемника детекторный диод работает как полуволновой выпрямитель, который преобразует (или выпрямляет) принятый переменный сигнал в постоянный путем блокировки отрицательной или положительной полуволны сигнала (см. рис. 3). Перед детекторным диодом обычно помещают шунтирующую катушку индуктивности, которая служит ВЧ-дросселем. Катушка индуктивности поддерживает на входе детекторного диода потенциал земли и в то же время обеспечивает высокий входной импеданс, что необходимо для работы на ВЧ.

Рис. 2. Принципиальная схема АМ-приемника

Рис. 3. Схема полуволнового выпрямителя

В простом детекторном приемнике несущая AM-частота вызывает резонанс в цепи колебательного контура, состоящего из катушки индуктивности и переменного конденсатора. Колебательный контур действует подобно гетеродину, и в результате на выходе детектора появляется сигнал основной частоты (обычно аналоговый аудиосигнал). Сигнал основной частоты может быть либо аналоговым, либо цифровым, в зависимости от первоначального вида информации, использованного для модулирования несущей частоты. Процесс преобразования сигнала к уровню основной частоты является критичной операцией в большинстве современных радиоустройств. Исключением является временная или фазово-импульсная модуляция.
Оконечным каскадом типового детекторного АМ-приеника является усилитель, который обеспечивает необходимый уровень сигнала для прослушивающего устройства, такого как телефонная трубка или громкоговоритель. Одним из недостатков диодного детектора является недостаточная величина коэффициента передачи по мощности из-за ограничений АМ-схем. Дело в том, что при приеме сигнала AM-приемник с полуволновым выпрямлением формирует верхнюю и нижнюю боковые полосы частот [2]. Однако для полной демодуляции принятого сигнала нужна только одна боковая полоса. Другая боковая полоса содержит дублированную информацию. Таким образом, недостатки AM-передачи двояки: во-первых, для приема в данной полосе частот нужна удвоенная полоса для передачи информации и, во-вторых, теряется мощность, необходимая для передачи неиспользуемой боковой полосы (обычно до 50% общей мощности передачи).
Конечно, есть и другие способы демодулирования сигнала детекторным приемником. Замена диодного детектора другим типом детектора позволяет обнаруживать частотно-модулированные или фазово-модулированные сигналы (последние применяются при передаче цифровых данных). Например, многие современные телекоммуникационные приемники используют фазовое манипулирование (phase shift keying — PSK), которое является разновидностью фазовой (угловой) модуляции.
Возможности детекторных схем по различению соседних полос частот или каналов ограничены. Эта способность является показателем избирательности приемника и, в свою очередь, определяется способностью входного ВЧ-фильтра не пропускать нежелательные сигналы. Избирательность связана с показателем качества (или Q) ВЧ-фильтра. Высокое значение Q означает, что схема обеспечивает резкую фильтрацию и хорошее разделение между каналами — необходимое качество современных коммуникационных систем. Следует отметить, что избирательность и чувствительность детекторного АМ-приемника невысока.

Приемник прямого усиления

Более сложную архитектуру имеет приемник прямого усиления, состоящий из нескольких ВЧ-каскадов, которые одновременно настраиваются на принимаемую частоту перед детектированием, и усилителя (см. рис. 4). Каждый каскад состоит из полосового фильтра, в качестве которого могут выступать LC-контур, ПАВ-фильтр или диэлектрический резонаторный фильтр, а также усилителя сигнала.
Оконечным каскадом схемы является комбинация диодного выпрямителя и аудиоусилителя, известная как сеточный детектор. В отличие от других архитектур, в данной схеме нет преобразования частоты входных сигналов, и они не смешиваются с сигналами гетеродинов. Исходный входной сигнал демодулируется на детекторном каскаде. С другой стороны, в этой простой архитектуре не генерируются сигналы зеркального канала, обычные для других видов приемников, которые используют частотные смесители, например, супергетеродинных приемников.

Рис. 4. Блок-схема приемника прямого усиления

Добавление каждого каскада LC-фильтра — усилителя в приемнике прямого усиления увеличивает общую избирательность. Отрицательная сторона — то, что каждый такой каскад должен быть индивидуально настроен на нужную частоту. Это не только трудно реализовать, но также означает, что полоса приема увеличивается с частотой. Например, если показатель Q схемы равен 50 на нижней границе AM-диапазона, скажем 550 кГц, то полоса пропускания приемника будет 550/50, или 11 кГц, т.е. это вполне приемлемое значение. Однако на верхней границе AM-спектра, например, 1650 кГц, полоса пропускания увеличивается до 1650/50, или 33 кГц.
В результате избирательность приемника прямого усиления не является постоянной величиной: на низких частотах она выше, а на высоких частотах — ниже. Такие отклонения избирательности могут вызывать нежелательные осцилляции и режимы в настроенных каскадах. Кроме того, усиление не является постоянным в полосе настройки. Из-за этих недостатков на практике, в частности, во многих современных беспроводных устройствах более широко применяются другие схемы приемников, такие как приемники прямого преобразования (Direct Conversion Receiver — DCR) и супергетеродинные приемники.

Приемник прямого преобразования

Способом преодоления необходимости индивидуальной настройки нескольких ВЧ-фильтров в приемнике прямого усиления является прямое преобразование частоты исходного сигнала в намного более низкую основную частоту. В схеме приемника прямого преобразования высокая входная частота сигнала, несущего модулированную информацию, преобразуется в более низкую частоту, которая содержит модуляцию, но которую легче детектировать и демодулировать. Такое преобразование частоты достигается путем смешивания входного ВЧ-сигнала с опорным сигналом идентичной или почти идентичной частоты (см. рис. 5). Нелинейное смешивание двух сигналов дает сигнал основной частоты, который затем детектируется и демодулируется приемником.
Опорный сигнал генерируется гетеродином. Когда входной ВЧ-сигнал смешивается в нелинейном устройстве (диодном смесителе или смесителе на полевом транзисторе) с сигналом гетеродина, то в результате формируется сигнал ПЧ, который является суммой или разностью ВЧ-сигнала и сигнала гетеродина. Когда частота гетеродина выбирается одинаковой с частотой входного ВЧ-сигнала, то говорят, что приемник имеет гомодинную архитектуру (синхронную) или это приемник с нулевой ПЧ. В противном случае, когда частота опорного сигнала отличается от частоты, которую нужно детектировать, приемник называется гетеродинным. Термины «супергетеродинный» и «гетеродинный» являются синонимами («супер» означает «выше» или «сверх», а не «лучше»).

Рис. 5. Блок-схема приемника прямого преобразования

Как в гомодинной, так и в гетеродинной схемах новые частоты генерируются путем смешивания двух или более сигналов в нелинейном устройстве (транзисторном или диодном смесителе). Смешивание двух тщательно выбранных частот приводит к созданию двух новых частот, одна из которых является суммой двух частот, а другая — разностью двух смешиваемых сигналов. Более низкая частота называется частотой биений, т.к. при смешивании двух близких частот образуется звуковая частота. Например, если смешивать частоту 2000 Гц и 2100 Гц будет сгенерирована звуковая частота 100 Гц. В результате частота сдвигается от более высокой к более низкой, в случае ВЧ-приемника — к основной частоте.
Приемники прямого преобразования, или гомодинные (с нулевой ПЧ) приемники, используют гетеродины, точно синхронизированные с частотой несущего сигнала для того, чтобы прямо преобразовывать входной сигнал в основные частоты. В теории этот простой метод исключает необходимость использования каскадов с понижением частоты вместе с фильтрами, смесителями и гетеродинами. Это означает, что после антенны может быть включен ВЧ-фильтр с фиксированной частотой вместо нескольких настраиваемых фильтров, как в случае приемника прямого усиления. Следовательно, можно спроектировать ВЧ-фильтр с более высоким показателем Q.
В схеме с прямым преобразованием нужный сигнал выделяется путем настройки гетеродина на желаемую частоту. Нежелательные частоты, которые появляются после преобразования частоты, остаются в полосе более высоких частот и могут быть отфильтрованы фильтром низких частот, включенным после смесителя.
Если входной сигнал имеет цифровую кодировку, ВЧ-приемник использует для демодуляции цифровые фильтры в составе DSP. Необходимо использовать два смесителя, чтобы сохранить амплитуду и фазу исходного модулированного сигнала: один для синфазного (in-phase — I), а другой для квадратурного (quadrature — Q) выхода основной частоты. Квадратурное преобразование с понижением частоты необходимо, т.к. обычно формируются две боковые полосы около несущей частоты. Как мы уже видели, частоты этих боковых полос различны. Таким образом, использование единственного смесителя для сигнала с цифровой кодировкой привело бы к потере одной из боковых полос. Вот почему обычно используется I/Q-демодулятор для извлечения информации, содержащейся в I- и Q-компонентах сигнала.
К сожалению, многие приемники прямого преобразования чувствительны к паразитным утечкам гетеродина, т.к. энергия гетеродина передается в I/Q-демодулятор через антенну или другим путем. Любые сигналы утечки гетеродина могут быть смешаны с основным сигналом гетеродина и, таким образом, может быть сформировано постоянное смещение, которое вносит ощутимую погрешность в сигнал основной частоты. Поэтому необходимо обеспечить хорошую изоляцию между гетеродином смесителя и ВЧ-портами для минимизации утечек гетеродина.
Возможно, самым большим недостатком приемников прямого преобразования является их восприимчивость к различным источникам шума при постоянном токе, что приводит к формированию постоянного смещения. Причиной возникновения нежелательных сигналов обычно является рассогласование импеданса усилителя и смесителя. Жесткий контроль технологических процессов изготовления интегральных микросхем позволяет смягчить многие проблемы, связанные с возникновением постоянного смещения из-за возможного рассогласования импеданса. Другие способы решения проблемы постоянного смещения освещены в [2].

Супергетеродинные приемники

В отличие от сравнительно простой схемы приемника прямого преобразования, супергетеродинный приемник, как правило, содержит несколько каскадов преобразования частоты, которые, в свою очередь, содержат фильтры, усилители, смесители и гетеродины (см. рис. 6). Такая архитектура приемника обеспечивает превосходную избирательность и чувствительность. В отличие от приемника прямого преобразования, в котором частоты гетеродина синхронизированы с частотой входного ВЧ-сигнала, супергетеродинный приемник использует частоту гетеродина, которая смещена на фиксированную величину относительно частоты полезного сигнала. Такое смещение частоты позволяет получить промежуточную частоту, сгенерированную путем смешивания сигнала гетеродина с ВЧ-сигналом с помощью нелинейного устройства — диодного или FET-смесителя.

Рис. 6. Блок-схема супергетеродинного приемника

В качестве гетеродина часто используется синхронный генератор, управляемый напряжением (ГУН), работающий в диапазоне частот преобразования входного ВЧ-сигнала в сигнал ПЧ. В последнее время для генерирования сигналов гетеродина в беспроводных приемниках используется и ряд других методов стабилизации частоты, включая прямой цифровой синтез (direct-digital-synthesis — DDS), а также применение аналоговых синтезаторов с дробным (fractional-N) и целочисленным (integer-N) коэффициентом деления. Любой метод построения гетеродина должен обеспечивать необходимый частотный диапазон сигналов с возможностью ступенчатого повышения частоты в полосе частот системных каналов. Например, для системы с 25-кГц каналами не подходит гетеродин, который можно настраивать лишь с минимальным шагом 1 МГц. Кроме того, гетеродин должен обеспечивать приемлемый уровень однополосного фазового шума, специ­фицированный на частоте смещения, которая совпадает с частотным интервалом между системными каналами. Смещение частоты на 1 МГц от несущей не обеспечит достаточной информацией об уровне фазового шума, близкого к несущей частоте. Фазовый шум, близкий к несущей, обычно специ­фицируется на частоте смещения не более
1 кГц.
Гетеродин должен обеспечивать достаточную мощность сигнала, подаваемого на смеситель. В некоторых случаях на выходе гетеродина включают буферный усилитель, который обеспечивает уровень выходного сигнала, достаточный для компенсации потерь на преобразование в смесителе. При разработке портативных устройств следует тщательно выбирать источник питания и учитывать потребляемую мощность гетеродина.

Смесители

Смесители являются интегральной частью ВЧ-тракта любого современного приемника. Частотные смесители могут быть основаны на различных нелинейных устройствах, таких как диоды и полевые транзисторы. Из-за простоты и возможности работы без постоянного смещения диодные смесители превалируют во многих беспроводных системах. Существует несколько топологий смесителей, включая несимметричный смеситель, балансный смеситель и кольцевой балансный смеситель. Возможны и другие варианты этих конфигураций, например, смесители с подавлением зеркального сигнала и смесители на гармонике гетеродина, которые обычно используются на более высоких частотах, часто в миллиметровом диапазоне длин волн.
Простейшим диодным смесителем является несимметричный смеситель, который может состоять из входного трансформатора с согласованием импеданса, единственного диода, ВЧ-дросселя и фильтра низких частот. Вносимые потери такого смесителя состоят из потерь на преобразование, диодных потерь и потерь в трансформаторе. Номинальные потери на преобразование боковой полосы равны 3 дБ, потери в трансформаторе около 0,75 дБ на каждую сторону. Кроме того, есть диодные потери из-за наличия последовательного сопротивления диода.
Несимметричный смеситель является простым решением, которое часто используется в недорогих детекторах, таких как детекторы движения. Входной трансформатор для согласования импеданса должен обладать хорошей избирательностью, чтобы исключить излучение сигнала гетеродина обратно в ВЧ-терминал и в антенну.
Балансный смеситель использует два встречно-включенных диода. В такой конфигурации шумовые компоненты от гетеродина или ВЧ-порта, которые поступают в диод, генерируются в противоположном направлении в другом диоде и почти полностью компенсируются на выходе ПЧ.
Кольцевой балансный смеситель обычно строится на основе четырех диодов, включенных, как показано на рисунке 7. Такая конфигурация обеспечивает прекрасное подавление случайных помех и хорошую изоляцию между всеми портами. Из-за симметричного включения напряжение гетеродина изолировано от ВЧ-входа, что предотвращает появление напряжения ВЧ на выходе гетеродина. Потери на преобразование кольцевого балансного смесителя близки к потерям на преобразование балансного смесителя, хотя динамический диапазон кольцевого балансного смесителя намного больше из-за увеличения точки перехвата.

Рис. 7. Схема кольцевого балансного смесителя

Путем объединения полевого или биполярного транзистора с монолитной микросхемой смесителя можно создать активный смеситель с усилением при преобразовании, а не с потерями. В общем случае этот тип смесителей может функционировать с меньшим уровнем возбуждения гетеродина, чем пассивные смесители на основе полевых транзисторов или диодов, хотя в активных смесителях также могут возникнуть искажения при чрезмерных уровнях возбуждения.
В ВЧ-трактах, беспроводных приемниках или полных приемопередатчиках, изготовленных с использованием монолитных ИС, часто применяется активный смеситель, известный как «ячейка Гилберта». Такой тип смесителя сочетает малую потребляемую мощность, высокий коэффициент усиления и широкую полосу пропускания. Т.к. этот смеситель требует дифференциальных сигналов, он обычно реализуется с использованием входных и выходных трансформаторов, как в кольцевом балансном смесителе.

Литература

1. Janine Sullivan Love. RF Front-End:
World Class Designs. Chapter 9//www.rfdesignline.com.
2. Christopher Bowick. RF Circuit Design. Chapter 8//www.rfdesignline.com.
3. Dake Liu, Anders Nilsson. Multimode: How to design a programmable baseband device for multiple wireless standards//
www.dspdesignline.com.
4. Kelly Maas. Suppressing and containing? Try spread spectrum clocking to reduce EMI//www.wirelessnetdesignline.com.
5. B. Keith Woodard. Tutorial: Tuning the baseband-to-radio connection for wireless basestations//www.commsdesign.com.
6. Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Skold, Per Beming. Wireless data rates, part 2: High-order and multi-carrier modulation//www.dspdesignline.com.
7. Rakesh Soni, Eric Newman. Direct conversion receiver designs enable multi-standard/multi-band operation//www.rfdesignline.com.

Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.

Автор: Виктор Александров, техн. консультант, ИД «Электроника»

Руководителям Обзоры, аналитика Теория и практика

Комментарии

Прокомментировать Представьтесь E-mail Пароль Неверно введен логин или пароль Заголовок Текст комментария Отправить