469_Travin. _Radiopriemnye _Ustrojstva _UP _

лежит в пределах -5,5…-8,5 дБ (потери мощности сигнала -5,5…-8,5 дБ).

4.Динамический диапазон. Его нижний предел определяется коэффициентом шума, а верхний – уровнями интермодуляционных составляющих и др.

5.Требуемые уровни напряжений гетеродина и сигнала, входное и

выходное сопротивления смесителя.

Все параметры, характеристики и схема выбранной ИМС смесителя должны быть приведены в курсовой работе. Для курсовой работы этого, в основном, достаточно. Кстати, для сравнения можно добавить, что в дипломных и курсовых проектах кроме этого выбирается и обосновывается синтезатор частот.

5.4. Выбор избирательных цепей и элементной базы тракта промежуточной частоты тюнера и определение требуемого усиления УПЧ тюнера

ВРПРУ СВЧ тракты промежуточной частоты могут строиться либо с сосредоточенной избирательностью, либо с распределенной избирательностью

[1].

Тракт промежуточной частоты с сосредоточенной избирательностью содержит фильтр основной селекции (ФОС) или, иначе говоря, фильтр сосредоточенной избирательности (ФСИ) или фильтр сосредоточенной селективности (ФСС) в начале тракта (сразу после ПЧ) и апериодический или слабо избирательный многокаскадный УПЧ, т. е. функции избирательности и усиления в этом случае разделены.

Втракте промежуточной частоты с распределенной избирательностью в каждом каскаде УПЧ имеется своя избирательная цепь, т. е. осуществляется постепенное покаскадное накопление избирательности и усиления.

Обычно, предпочтение отдается варианту с сосредоточенной избирательностью как более технологичному, обладающему более высокой стабильностью характеристик и меньшей вероятностью появления нелинейных явлений типа интермодуляционных и перекрестных искажений в УПЧ (т. к. ФОС на входе УПЧ ослабляет действие помех и предотвращает связанные с ними нелинейные явления этого типа). Поэтому именно данный вариант реализован в предполагаемой структурной схеме тюнера на рисунке 5.5. Кстати, этот вариант реализован в структурной схеме дуплексной цифровой приемо-передающей радиостанции, приведенной на рис. 3.2 в разделе 3. ФОС могут быть реализованы в виде LC фильтров на сосредоточенных элементах, в виде кварцевых фильтров и в виде фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ) [1].

Втрактах промежуточной частоты РПРУ систем сотовой подвижной связи, как и в преселекторах этих РПРУ, в качестве ФОС широко используются фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Они бывают двух типов:

1)фильтры на ПАВ с так называемыми встречно-штыревыми

31

преобразователями; 2) фильтры на ПАВ продольной структуры с переотражениями.

Первые содержат два двухфазных встречно-штыревых преобразователя

– один входной ВШП1, другой выходной ВШП2, каждый в виде гребенки из штыревых электродов, нанесенных на одной стороне пьезоподложки методом фотолитографии так, что каждая гребенка входит в другую. При подаче электрического сигнала на вход ВШП1 он создает на поверхности пьезоподложки электрическое поле, вызывающее из-за пьезоэффекта упругие деформации, распространяющиеся от ВШП1 в виде поверхностно-акустических волн к ВШП2, где происходит обратное преобразование акустических волн в выходной электрический сигнал (полезный эффект), и в противоположном от ВШП2 направлении, где гасится поглотителем.

Чтобы характеристики ФОС не искажались, требуется его согласование

с внешними цепями.
В	таких			фильтрах		реализуются АЧХ,	близкие к прямоугольным
(КП 0,001		П 0,001			1,2...2	или иначе КПSe 103	ПSe 103	). Эти фильтры могут
		П	0,707				П
							1,41

быть реализованы в диапазоне 5…1500 МГц с относительными полосами пропускания от (1…50) 10 4 (очень узкие) до 30…80 % (очень широкие) при сравнительно малых потерях в полосе частот (не более примерно 10 дБ).

Вторые реализуются до более высоких частот – порядка 2,5 ГГц, причем с гораздо меньшим затуханием в рабочей полосе частот (порядка 2…2,5 дБ).

Проектировщику нужно в Интернете (или по справочникам) выбрать подходящий ФОС на ПАВ для выбранной в разделе 5.1 промежуточной частоты, который обеспечивал бы заданные в таблицах 2.2…2.4 раздела 2 полосы пропускания частот на уровне Se=1,41 (+3дБ) характеристики избирательности ПSe=1,41 (или, иначе, на уровне γ=0,707 (-3дБ) АЧХ Пγ=0,707) тракта промежуточной частоты (которая будет определяться ФОС) и избирательность по соседнему каналу SeCК (или иначе γСК) при расстройке 0,2

МГц для стандартов GSM-900, GSM-1800, GSM-1900.

В курсовой работе нужно привести схему выбранного ФОС и его АЧХ (или характеристику избирательности), затухание или, иначе говоря, потери сигнала в полосе пропускания частот, входное и выходное сопротивления, конструктивное исполнение с указанием размеров и др.

После выбора ФОС в Интернете (или по справочнику) выбирается подходящий апериодический УПЧ на биполярных (БТ) или полевых (ПТ) транзисторах в интегральном исполнении с учетом выбранной ранее промежуточной частоты. Следует иметь в виду, что УПЧ формируется довольно часто в одной ИМС вместе с квадратурным демодулятором, а иногда в одной ИМС вместе со смесителем. Основным показателем апериодического УПЧ является его усиление по мощности (и напряжению). Для обеспечения согласования надо также знать его входное и выходное сопротивления.

При заданной реальной чувствительности (см. таблицы 2.2…2.4 в разделе 2) и найденных ранее коэффициентов передачи полосового фильтра

32

приема дуплексора и входного полосового фильтра (ПФ), усилителя радиочастоты (УРЧ), смесителя (СМ) и ФОС требуемый коэффициент усиления УПЧ будет определяться необходимым уровнем сигнала на входе демодулятора (точнее говоря, на входе смесителей I(t) и Q(t) квадратурного демодулятора), который зависит от используемых видов модуляции и условий работы смесителей I(t) и Q(t).

В технических заданиях, приведенных в таблицах 2.2…2.4 раздела 2 указана модуляция GSMK. При этом виде модуляции полезная информация в сигнале заложена в изменении частоты и фазы и не связана с уровнем сигнала. С учетом этого и специфики работы смесителей I(t) и Q(t) квадратурного демодулятора уровень сигнала на входе демодулятора можно взять равным 0 дБм, т.е. 1 мВт (что при входном сопротивлении демодулятора 50 Ом будет соответствовать напряжению около 0,2 В).

С учетом вышеизложенного расчет требуемого коэффициента усиления УПЧ КУПЧ не вызывает затруднений. Пример по расчету КУПЧ будет приведен в следующем подразделе. В заключение же данного подраздела обратим внимание на одно важное схемотехническое решение. В связи с тем, что полезная информация в цифровом сигнале заложена в изменении частоты и фазы и не связана с его уровнем, можно УПЧ поставить в режим усиления с ограничением по уровню, при котором он после достижения необходимого уровня на выходе 0 дБм будет работать в режиме ограничения по уровню, обеспечивая тем самым неизменный уровень сигнала на выходе УПЧ и, следовательно, на входе демодулятора. Это позволит обойтись в РПРУ без блока автоматической регулировки усиления (АРУ), что существенно упростит тюнер и РПРУ в целом. Кстати, именно поэтому в схеме цифровой АС, приведенной на рис. 3.2 в разделе 3 в качестве прототипа, блока АРУ нет.

На этом выбор, обоснование и расчет структурной схемы тюнера можно считать законченным.

Остается только привести полную структурную схему тюнера и дать ее описание.

5.5. Полная структурная схема проектируемого тюнера

Согласно вышеизложенному, на рисунке 5.6 приведена возможная структурная схема проектируемого тюнера. Она совпадает со структурной схемой главного тракта приема (ГТП) РПРУ в приведенной на рисунке 3.2 в разделе 3 в качестве прототипа схемой абонентской приемо-передающей цифровой станции (АС). Это один из возможных вариантов. О других возможных вариантах говорилось в подразделе 5.2, посвященном выбору структурной схемы преселектора. Это вариант с дополнительным ПФ во входной цепи (после ПФ приема дуплексора) и вариант с дополнительным ПФ после УРЧ.

33

					fПР=fC-fГ
					или
	ВЦ	fC	УРЧ	fC	fПР=fГ-fC
	ПФ
			(МШУ)	СМ	ФОС	УПЧ
	приема
дуплексора
ПФ				fГ	Управление
						Ко входу
передачи					от микроконтроллера
				СЧ		смесите-
дуплексора
						лей I(t) и
						Q(t) демо-
От усилителя						дулятора
мощности передатчика
Уровень, дБ –
Усиление, дБ
+10						0
0
-10
-20
-30
-40
-50
-60
-70				-79
-80			-88		-84
-90	-102
-100
-110
Рисунок 5.6 Полная структурная схема проектируемого тюнера
	и диаграмма распределения уровней и сигнала по
			функциональным блокам тюнера

Проследим за прохождением сигнала от антенны до входа демодулятора.

Антенна воспринимает энергию электромагнитного поля в месте приема и преобразует ее в радиочастотное напряжение, которое подводится ко входу полосового фильтра (ПФ) приема дуплексора. ПФ выделяет заданный диапазон принимаемых частот сигнала (всех абонентов) и в данном варианте обеспечивает требуемую избирательность по зеркальному каналу. Выделенный ПФ сигнал усиливается малошумящим УРЧ и подводится к сигнальному входу смесителя (СМ), на гетеродинной вход которого подаются колебания с частотой гетеродина fГ от синтезатора частот (СЧ). Настройка РПРУ осуществляется по командам микроконтроллера, которые изменяют частоту синтезатора так, чтобы перенести принимаемый сигнал нужного абонента в фильтр основной селекции (ФОС) на выходе смесителя, который выделяет

34

частоту данного абонента и обеспечивает требуемую избирательность по соседнему каналу. Далее сигнал усиливается в УПЧ и подается на вход демодулятора для последующей обработки (см. схему прототипа на рисунке 3.2

вразделе 3).

Всоответствии с изложенным в подразделе 5.4 рассмотрим пример расчета требуемого коэффициента усиления УПЧ, оперируя уровнями сигнала и коэффициентами усиления и передачи в децибелах. Расчет в децибелах сам по себе удобнее, чем в разах. Кроме того, надо помнить, что при согласованиях на входе и выходе численные значения коэффициентов усиления по мощности и напряжению в децибелах совпадают.

Пусть, например, известно, что заданная реальная чувствительность равна РА дБм= -100 дБм, коэффициент передачи входного полосового фильтра

(ПФ) КПФ= -2 дБ, коэффициент усиления УРЧ КУРЧ= +14 дБ, коэффициент передачи смесителя КСМ= +9 дБ, коэффициент передачи ФОС КФОС= -5 дБ, а необходимый уровень сигнала на входе демодулятора должен быть РВХ. дем. дБм= 0 дБм.

Тогда, составляя очевидное уравнение уровней сигнала, коэффициентов передачи и коэффициентов усиления узлов тюнера

РА дБм + КПФ дБ + КУРЧ дБ + КСМ дБ + КФОС дБ + КУПЧ дБ = 0 дБм,

- 100 дБм – 2 дБ + 14 дБ + 9 дБ – 5 дБ + КУПЧ дБ = 0 дБм,

получим КУПЧ дБ = 84 дБ.

Для реализации такого усиления потребуется примерно два-три апериодических каскада УПЧ.

Этот расчет наглядно иллюстрируется на рисунке 5.6 диаграммой распределения уровней, коэффициентов передачи и коэффициентов усиления по функциональным блокам тюнера.

Следует напомнить, что выбор и обоснование структурной схемы тюнера является наиболее важной (главной) и поучительной частью курсовой работы.

35

РАЗДЕЛ 6

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО СОСТАВЛЕНИЮ И РАСЧЕТУ УЗЛОВ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

ТЮНЕРА

6.1. Принципиальная электрическая схема тюнера со спецификацией и описанием

Принципиальная электрическая схема составляется по разработанной структурной схеме тюнера. Для этого все блоки структурной схемы заменяются выбранными при ее разработке соответствующими ИМС, которые стыкуются друг с другом в соответствии со структурной схемой. При этом входные и выходные сопротивления должны быть согласованы друг с другом, т. е. равны друг другу. Обычно это не вызывает проблем, т. к. входные и выходные сопротивления ИМС узлов преселектора выполняются равными стандартному волновому (характеристическому) сопротивлению СВЧ тракта ρо = 50 Ом. В случае же отличия входных и выходных сопротивлений ИМС от 50 Ом их согласование друг с другом обеспечивают по методикам и примерам, приведенным в [4] (или в стереотипном СВЧ разделе пособия [5]).

В [4, 5] приводится методика как узкополосного согласования, когда

относительная полоса согласования П 0,05, так и методика широкополосного f0

согласования, когда П 0,05. f0

Что касается вариантов согласования ФОС со смесителем и с УПЧ, то на рисунке 6.1 показан один из возможных вариантов согласования с кольцевым (или балансным) смесителем на транзисторах с использованием трансформаторной связи ФОС с контуром в выходной цепи смесителя (возможен вариант трансформаторной связи и без контура, т. е. без С1).

			ЕП
			LК	К УПЧ
	CМ	RШ С1	а1 LСВ
				ФОС
				R1

Рисунок 6.1 Возможный вариант схемы согласования ФОС с кольцевым (или балансным) смесителем и УПЧ

Контур LКC1 имеет полосу пропускания частот в несколько раз большую полосы пропускания ФОС и выполняет две функции: обеспечивает согласование выходного сопротивления смесителя RВЫХ. СМ со входным

36

сопротивлением ФОС RВХ. ФОС и увеличивает избирательность при больших расстройках.

Согласование же ФОС по его выходу обычно обеспечивается резистором R1 (если входное сопротивление УПЧ RВХ. УПЧ больше выходного сопротивления ФОС RВЫХ. ФОС).

Расчет сводится к следующему.

1.Определяют полосу пропускания широкополосного контура (ШПК) LK C1 :

ПШПК = (3…4) ППЧ;

2.Выбирается емкость конденсатора контура C1 = (5…10) пФ;

3.Определяются параметры контура.

Индуктивность контура LK (мкГ) = 2,53 1010 / fПР2 (кГц) СК(пФ) .

Здесь: СК=С1+СМ+СL+С | ;

где: С | = m2 C22 – выходная емкость УЭ смесителя, пересчитанная в контур

(можно задаться С | = 3…7 пФ);
СМ = 5…10 пФ – емкость монтажа;
СL = 5…10 пФ – межвитковая емкость катушки контура.	2 fПРСК
Собственная (конструктивная) проводимость ШПК GК		, где
	QК

добротность QК можно взять равной 80…100. Эквивалентная проводимость контура GЭ=2πСКПШПК;

4. Коэффициенты подключения ШПК к выходной цепи СМ (m) и ко входу ФОС (n) из условия согласования RВЫХ. СМ=RВХ. ФОС и условия обеспечения

требуемой			полосы			пропускания	частот	ШПК:	m	(D 2)GK	;
										2GВЫХ.СМ
n		GЭ			, где	D=GЭ/GК; GВЫХ.	СМ –	выходная	проводимость СМ;
		2GВХ.ФОС

GВХ. ФОС – входная проводимость ФОС.

Если будет m 1, то контур включается полностью и требуемая полоса обеспечивается шунтирующим резистором RШ:

1	GЭ m2GВЫХ .СМ	n2GВХ.ФОС GК .
RШ
	Следует отметить, что коэффициент включения контура относительно

	одного плеча СМ будет m1пл		т|	1
						;
		2		2
	5. Индуктивность катушки связи:					L		L	K	n2	, где коэффициент связи
								KCB2
						CВ

КСВ 0,2…0,3 для однослойных катушек, и КСВ 0,4…0,6 для многослойных катушек;

37

1

6. Сопротивление резистора на выходе ФОС: R1 GВЫХ .ФОС GВХ.УПЧ ,

где: GВЫХ. ФОС – выходная проводимость ФОС; GВХ. УПЧ – входная проводимость УПЧ.

К ИМС подводится питание от заданного в техническом задании источника питания. Если стандартные питающие напряжения используемых микросхем ЕИМС меньше напряжения источника питания ЕП, то в цепь питания ИМС включается цепочка из последовательно включенного сопротивления

	RФ	ЕП ЕИМС			и параллельно включенного после него стабилитрона VD (или
			I0ИМС
	конденсатора			СФ с такой емкостью, при которой его сопротивление
	XCФ		1	в 50…100 раз меньше сопротивления RФ).
			2 fCФ

Цепочки RФ VD или RФ CФ обеспечивают не только понижение питающего напряжения, но и развязку ИМС по цепям питания.

Составленная принципиальная схема дополняется спецификацией, описанием ее работы и расчетом преселектора тюнера.

В порядке иллюстрации в приложении приведены возможные структурная и принципиальная схемы тюнера приемника АС сотовой подвижной связи стандарта GSM-1800.

6.2. Расчет принципиальной электрической схемы преселектора тюнера

Этот расчет имеет целью дать возможность студентам лучше почувствовать особенности трактов СВЧ.

Он включает в себя расчет входного полосового фильтра приема ПФ и УРЧ на транзисторе выбранной ИМС УРЧ и выполняется по методике и примерам, приведенным в [4] (или в стереотипном СВЧ разделе пособия [5]).

РАЗДЕЛ 7

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫБОРУ И ОБОСНОВАНИЮ ВИДА ДЕМОДУЛЯТОРА

В этом разделе студент, пользуясь [1], или [4], или [8], должен с учетом заданных видов модуляции GMSK, QPSK обосновать выбор квадратурного демодулятора, и описать его работу, включая получение квадратурных компонент I(t) и Q(t).

Кстати, квадратурный демодулятор иногда называют преобразователем частоты сигнала (с преобразованием в «нулевую частоту»).

38

Приложение

39

Приложение

Дуплексор фирмы MA-COM Technology Solution – DP52-0002 (для работы в стандарте GSM-1800 и GSM-900)

Полосы пропускания:

1.1700…1990 МГц (GSM-1800); 824…960 МГц (GSM-900);

2.Типичные вносимые потери в полосе пропускания – 0,5 дБ;

3.Затухание в полосе задержания 18 дБ;

4.Входное и выходное сопротивление

50 Ом;

5.Неравномерность в полосе пропускания 0,1 дБ;

6.Размеры: 2,44х2,44х1,5 мм.

Рисунок П2. Функциональная блок-схема

Фильтр на ПАВ фирмы TriQuint SEMICONDUCTOR – 856934

1. Центральная (средняя) частота f0=1842,5 МГц;

2. Диапазон рабочих температур от

-40°С до +85°С; 3. Входное и выходное

сопротивления 50 Ом; 4. Размеры: 3,00х3,00х1,22 мм.

Рисунок П3. Функциональная схема фильтра

Рисунок П4. АЧХ фильтра

40