|
|
Mobile Communications
|
 |
Данный раздел посвящен описанию 
|||| Гостевая
книга |||| |
Структура тракта передачи обычно более простая, чем тракта приема. Архитектура ИС тракта передачи, также как и приемного тракта, отличается у различных производителей, что дает разработчикам возможность реализации своих идей и достижения компромиссов при проектировании. Необходимость быстрого изменения используемого частотного канала в DECT системах, в особенности при передаче данных, налагает на перестраиваемый по частоте ГУН довольно жесткие требования по быстродействию.
При проектировании передатчика, используемого в современной ССПО, важнейшим является учет типа используемой модуляции. Методы модуляции могут быть разделены на две группы: методы модуляции с постоянной огибающей (constant envelope) и с изменяющейся огибающей (variable envelope) [101]. Первая группа методов имеет постоянную амплитуду промодулированного сигнала, что допускает использование в передатчиках нелинейных усилителей мощности. Примером такой модуляции является GFSK сигнал - гауссовская частотная манипуляция (Gaussian filtered frequency shift keying). Сигналы с постоянной огибающей более эффективны энергетически (power efficient), чем спектрально (spectrally efficient). В большинстве систем связи информационный сигнал подвергается предварительной гауссовской фильтрации, чтобы постепенно измениться сдвиг частоты, делающей формируемый сигнал спектрально более эффективным. Передатчики, формирующие такие виды модуляции, должны соответствовать требованиям спектральной маски так, чтобы излучаемый сигнал не создавал помехи другим пользователям в соседних каналах.
У сигналов с изменяющейся огибающей типа квадратурной фазовой манипуляции QPSK (quadrature phase shift keying) происходит вариация и амплитуды и фазы, что приводит к необходимости использования на выходе передатчика высоколинейного усилителя мощности. Они спектрально компактны, но энергетически не очень эффективны (power-efficient). Такие сигналы формируются на ПЧ с использованием схем косвенной и прямой квадратурной модуляции и далее преобразуются вверх по частоте на РЧ канал.
В последнее время появились новые разновидности архитектур передатчиков для методов модуляции с изменяющейся и постоянной огибающими, имеющие как достоинства, так и недостатки. Наиболее распространенные разновидности описаны далее.
Квадратурный модулятор (Quadrature Modulator) или I/Q (In-phase/quadrature) модулятор, типовая структура которого показана на рис. ниже, представляет собой универсальное устройство, с помощью которого могут быть получены сигналы практически со всеми видами модуляции, используемыми в ССПО. Квадратурный модулятор – это устройство, имеющее РЧ вход и РЧ выход и два информационных входа I и Q. РЧ сигнал может быть изображен в полярных координатах амплитудой и фазой или в декартовых координатах как величины векторов X и Y. В терминологии цифровых сигналов, вектор X заменяется на синфазный I (In-phase), а вектор Y заменяется на квадратурный Q (Quadrature), отсюда следует название I/Q модулятор/демодулятор. При использовании квадратурных модуляторов на их модуляционые IQ входы с информационного тракта поступают две информационные последовательности. Они формируются в цифровых узлах из исходного информационного потока с помощью последовательно-параллельного преобразования. В синфазной I и квадратурной Q последовательностях скорость следования символов равна половине скорости в исходной информационной последовательности.
1. Функционирование квадратурного модулятора
Квадратурные опорные сигналы получаются при использовании фазосдвигающего узла, формирующего два опорных ортогональных сигнала со сдвигом фазы на 90 градусов. Фаза выходного сигнала перемножителя в канале I может иметь значения 0 или 180, в канале Q – 90 или 270 градусов. После суммирования этих сигналов на выходе модулятора может быть получен модулированный сигнал с требуемыми параметрами. Амплитуду и фазу вектора промодулированного выходного РЧ сигнала определяют амплитуда и полярность информационных I/Q сигналов.
В передатчике с прямой модуляцией (Direct modulation transmitter), наиболее простая структура которого показана на рис., модуляция и перенос вверх по частоте информационного сигнала происходит за один шаг.
2. Тракт передачи с прямой модуляцией
Большинство производителей ИС предпочитают при возможности использовать в своих схемотехнических решениях архитектуру передатчиков с прямой модуляцией на РЧ, т.к. при этом уменьшаются массогабаритные показатели устройства.
Структура блока с прямой квадратурной модуляцией (Direct quadrature modulation), которая приведена на рис., является более общей формой архитектуры прямого преобразования, используемой в тракте передачи. Эта архитектура передатчика имеет несколько преимуществ по сравнению с рассматриваемыми далее структурами с преобразованием частоты вверх и передатчиками с петлей трансляции, так как в ней не используется второй ПЧ гетеродин или вторая петля ФАП. Кроме того, в ней не требуется преобразователь вверх, так как модулятор непосредственно выполняет преобразование сигнала вверх по частоте на РЧ частоту рабочего канала. По сравнению с архитектурой с петлей трансляции, здесь не требуется петля обратной связи, которая содержит дополнительный смеситель, фазовый детектор, делители и петлевой фильтр.
3. Архитектура с прямой квадратурной модуляцией
Исторически прямые квадратурные модуляторы использовались в различных носимых устройствах ССПО, но при этом обычно требовалось применение дуплексного фильтра для обеспечения выполнения требований по коэффициенту шума в приемных трактах.
Конструктивно в таком тракте передачи используются два РЧ перемножителя сигналов и петля ФАПЧ с перестраиваемым РЧ гетеродином. Эта архитектура позволяет достигать высокой степени интеграции РЧ блока, так как подавление зеркального канала производится в активных каскадах с использованием фазовых методов. Побочные составляющие на выходе передатчика, связанные с формированием ПЧ, отсутствуют в силу отсутствия в передатчике самой ПЧ.
В данной архитектуре, по сравнению с непрямой модуляцией, используется меньшее количество компонентов, но использование двух перемножителей, работающих на высоких канальных частотах, может привести к значительному увеличению тока, потребляемого РЧ блоком. Трудность в достижении точного сдвига фазы в квадратурных каналах на высоких частотах приводит к недостаточному подавлению сигнала зеркального канала.
Достоинствами схемы с прямой модуляцией на РЧ являются: простота, больший динамический диапазон передатчика по сравнению с передатчиком, выполненным с трактом преобразования частоты, уменьшение энергопотребления, уменьшение массогабаритных показателей устройства из-за отсутствия фильтров ПЧ, смесителей. В системах, работающих по стандарту CDMA важна работа тракта в большом динамическом диапазоне, что связано с особенностями стандарта, в частности необходимости регулировки выходной мощности передатчика в очень широких пределах. Получение большого динамического диапазона передающего тракта особенно важно для осуществления перехода к большим скоростям модуляции, обеспечивающим увеличение скоростей передачи данных при переходе к системам подвижной связи третьего поколения (Third Generation, 3G).
Рассмотренное архитектурное решение, являясь простым, может приводить к возникновению ряда паразитных эффектов, ухудшающих качество формируемого сигнала, которые могут возникать, когда генератор РЧ ГУН и выходной усилитель мощности работают на одной частоте:
Чтобы уменьшать эффект затягивания частоты гетеродина, используется ряд технических решений:
Ранее приведенный пример использования архитектуры с прямой квадратурной модуляцией в тракте передачи может использоваться для получения любого типа модуляции. Эта простая архитектура может помогать от ослабленного требования к РЧ фильтрации, потребность в одиночном синтезаторе и меньшем количестве побочных составляющих над архитектурой передатчика двойного преобразования. Несмотря на рассмотренные выше проблемы, GSM передатчики с использованием прямой квадратурной модуляции, и ГУН, генерирующими непосредственно несущую частоту передачи, производились в массовом количестве.
На рис. показана блок-схема передатчика, в котором используется прямая модуляция с сдвигом частоты ГУН (Direct Modulation with Offset VCO). Основной принцип действия этого метода тот же самый так как архитектура передатчика прямой модуляции, однако опорный сигнал получен путем смешивания и фильтрации сигналов двух генераторов, работающих на частотах, отличных от канальной, что приводит к уменьшению эффекта затягивания частоты гетеродинов.
4. Архитектура передатчика со сдвигом частоты ГУН
Этот метод имеет те же самые преимущества, что и метод прямой модуляции за исключением того, что в этой архитектуре практически отсутствует эффект затягивания гетеродина по входу. Неправильный выбор частот гетеродинов может привести к появлению их гармоник и комбинационных составляющих на выходе передатчика, поэтому фильтр низких частот, устанавливаемый на выходе смесителя сигналов гетеродинов должен обладать хорошей избирательностью, чтобы избежать воздействия неидеальностей формируемого опорного сигнала на качество переданного сигнала.
Путем преодоления этих недостатков является использование буферных каскадов и удвоителей частоты после ГУН. При этом ГУН работает на половинной частоте, но в передатчике могут возникать дополнительные искажения сигнала, паразитная амплитудная модуляция (ПАМ), увеличиваться фазовый шум, ухудшаться спектральные характеристики получаемого радиосигнала.
5. Тракт передачи с прямой модуляцией на РЧ и удвоением частоты
В частности, структура с прямой модуляцией на РЧ применяется в приемопередатчиках систем, работающих по стандарту DECT. В качестве примера приведем структурную схему такого устройства, реализованную на ИС PMB 2420 и PMB 2220 фирмы Siemens. Система, работающая в стандарте DECT, относится к системам с временным дуплексированием, поэтому приемник и передатчик работают на одной частоте. Структурная схема приемопередатчика с использованием такой архитектуры приведена на рис. При таком построении приемопередатчика частоты ГУН при передаче и приеме отличаются на величину, равную значению первой ПЧ приемника, типовой номинал которой равен 110,592 МГц. За время между временными интервалами приема и передачи синтезатор частот ГУН должен перестраиваться, по крайней мере, в этом диапазоне. Это делает необходимым применение в таком передатчике быстродействующего синтезатора частоты (Fast-hopping Synthesiser). Однако, за счет использования раздельных генераторов (Rх, Tх), требования по быстродействию, предъявляемые к используемым ГУН и СЧ, могут быть ослаблены.
6. Структура РЧ блока приемопередатчика DECT с удвоением частоты
Если модуляция сигнала и преобразование его вверх по частоте выполняется в два последовательных этапа, говорят об использовании архитектуры тракта передачи с двойным преобразованием (dual conversion) или с двухступенчатом преобразованием (two-step conversion). Укрупненная структура такого тракта показана на рис. ниже.
7. Архитектура тракта передачи с двойным преобразованием
В передатчиках с двойным преобразованием модулятор выполняет модуляцию и отчасти преобразование сигнала вверх по частоте на фиксированную частоту ПЧ. Сигнал отфильтруют с помощью ФНЧ, чтобы удалить гармоники первого гетеродина. Второй блок – смеситель с преобразованием вверх по частоте (upconverting mixer), выполняет преобразование на РЧ частоту рабочего канала. Так как на выходе второго смесителя генерируется две боковых полосы, внешний фильтр после смесителя отфильтровывает нежелательную боковую полосу также как другие возникающие нежелательные побочные составляющие. Затем сигнал усиливается и подается на выход для передачи.
Возможно использование и более двух шагов для переноса вверх по частоте сигнала информационного тракта на РЧ. В англоязычной литературе для такой архитектуры тракта передачи используется термин “передатчики с непрямой (косвенной) модуляцией” (Indirect modulation).
Этот метод может использоваться для методов модуляции с постоянной и изменяющейся огибающей. Так как квадратурная модуляция выполняется на частоте ПЧ, составляющей обычно несколько сотен МГц, может быть получена идентичность квадратурных каналов I и Q при невысоком энергопотреблении. В трактах с непрямой модуляцией можно предотвратить явления утечки сигналов гетеродинов и затягивания частоты гетеродина.
Во многих современных CDMA и TDMA мобильных телефонах используется двухступенчатый принцип построения передатчика. Хотя этот метод достаточно популярен, необходимость использования внешнего полосового фильтра для осуществления хорошего подавления побочных составляющих, не позволяет достигать основной цели разработчиков - выполнения РЧ блока в виде полностью интегрированного узла. По сравнению с прямым преобразованием, использование этого подхода создает меньше проблем, но требует добавления фильтров в тракт РЧ и ПЧ. Для подавления уровня широкополосного шума и более высоких гармоник ПЧ, сгенерированных квадратурным I/Q модулятором необходим ПЧ фильтр. Трудность в реализации фильтра нижних частот высокого порядка между каскадами ПЧ и РЧ, может приводить к недостаточному подавлению побочных сигналов, являющихся гармониками ПЧ [101, 102]. Для уменьшения уровней нежелательных боковой полосы и побочных составляющих, получаемых в результате процесса преобразования вверх, требуется РЧ фильтр.
Другой проблемой при использовании двухступенчатого построения передатчика является формирование гетеродинных частот для первого и второго преобразований сигнала вверх по частоте. По сравнению с архитектурой прямого преобразования в данной структуре должен быть сгенерирован дополнительный гетеродинный сигнал, при этом может потребоваться и вторая петля фазовой автоподстройки с низкими фазовыми шумами.
Универсальность петли фазовой автоподстройки частоты как умножителя частоты делает ее использование в передатчиках подвижной связи для осуществления частотной модуляции и преобразования сигнала вверх по частоте весьма перспективным. В режиме синхронизации, петля ФАПЧ с опорной частотой Fо и делителем в цепи обратной связи с коэффициентом деления N формирует выходную частоту Fi, номинал которой равен: Fi = N Fо.
Используемая в трактах передачи РЧ блоков петля ФАПЧ называется обычно петлей трансляции (translational loop) или сдвигающей петлей фазовой автоподстройки OPLL (offset phase-locked loop). При таком подходе для минимизации внешней фильтрации на РЧ выходе передатчика используется петля фазовой автоподстройки, действующая подобно отслеживающему узкополосному полосовому фильтру. Архитектура трактов передачи с использованием петли трансляции, в значительной степени заменила вышеперечисленные архитектуры при использовании видов модуляции с постоянной огибающей, так как при этом обеспечивается низкий уровень шумов на выходе и низкий уровень побочных составляющих.Эта архитектура используется в GSM носимых устройствах, чтобы уменьшить их стоимость и потребляемую мощность.
Уменьшить чувствительность ГУН к затягиванию позволяет использование ФАП с полосой пропускания петли, намного большей, чем полоса частот модуляции. Низкой восприимчивостью к затягиванию обладают существующие структуры трактов передачи с петлей трансляции где частота колебаний мощного ГУН равна частоте передачи.
В стандарте GSM, где модуляция производится при постоянном сигнале огибающей, во всех этих архитектурах могут использоваться усилители мощности, работающие в классе С, обеспечивая хороший коэффициент полезного действия добавленной мощности PAE.
Дополнительным преимуществом систем с петлей трансляции является то, что ГУН удаляет любую остаточную АМ компоненту формируемого сигнала, что позволяет лучше управлять усилителем в классе C и дополнительно повышает КПД добавленной мощности. Петля трансляции ФАПЧ, имеющая в широкой полосе частот, приблизительно 1,5 МГц для GSM, единичный коэффициент усиления, обеспечивает достаточную защиту от затягивания частоты и устраняет необходимость использования специального экранирования.
Дополнительным достоинством использования петли трансляции является достижение низкого уровня шума, позволяющей заменить дуплексер на входе РЧ блока переключателем прием/передача. Удаление дуплексного фильтра, вносящего дополнительные потери, позволяет усилителю мощности работать с меньшей выходной мощностью.
Для получения частотной модуляции с одновременным преобразованием сигнала вверх по частоте в таких передатчиках (Up-conversion modulation loop transmitter) можно осуществлять модуляцию опорного сигнала fo петли ФАПЧ или производить дополнительное управление делителем в цепи обратной связи, изменяя его коэффициент деления N в соответствии с потоком передаваемых данных. В настоящее время для технической реализации обоих этих способов разработаны различные гибридные схемы.
Самый простой способ сформировать сигнал с постоянной огибающей реализован в передатчике с прямой модуляцией ГУН на основе ФАПЧ (PLL-based direct VCO modulated transmitter), структура которого показана на рис. ниже. В этой архитектуре происходит непосредственная модуляция генератора РЧ ГУН, управляемого напряжением, информационными данными. Для точной начальной установки несущей частоты ГУН используется петля ФАПЧ. Затем происходит размыкание петли, и в цепь управления ГУН подается информационный поток.
8. Передатчик с прямой модуляцией ГУН на основе ФАПЧ
Этот метод чрезвычайно привлекателен для использования в ИС РЧ блока с высокой степенью интеграции и малым энергопотреблением. Так как в ГУН происходит и преобразование частоты и модуляция, в РЧ блоке используется меньшее количество компонентов. Самым большим недостатком этой разновидности архитектуры является то, что частота ГУН в разомкнутой петле дрейфует. Это приводит к расстройке выходной частоты, которая после замыкания петли должна быть скомпенсирована до подачи на ГУН модулирующего сигнала. В данной архитектуре наблюдается также явление паразитной внешней синхронизации ГУН (Injection Locking), что требует хорошей развязки прежде всего между ГУН и УМ.
На рис. показан вариант петли трансляции, которая включает квадратурный модулятор внутри петли обратной связи. Такое построение использует I/Q модулятор, смеситель с понижением частоты, фазовый детектор с генератором тока на выходе, два программируемых делителя частоты, петлевой фильтр и ГУН. Преимущество этой архитектуры в том, что программируемые делители обеспечивают дополнительную гибкость в частотном планировании.
9. Передатчик с квадратурным модулятором внутри петли обратной связи
В передатчике на основе ФАПЧ с модуляцией опорного сигнала (Input reference modulated transmitter), информационный сигнал сначала переносится на частоту ПЧ в квадратурном модуляторе. Дополнительный перенос сигнала ПЧ вверх на частоту канала РЧ производится с помощью петли ФАПЧ, осуществляющей также дополнительную фильтрацию выходного сигнала. Для получения необходимого шага по частоте в петле обратной связи вместо делителя может использоваться смеситель и фильтр низких частот.
На рис. показана структура тракта передачи, состоящего из квадратурного модулятора, смесителя с понижением частоты, фазового детектора, петлевого фильтра и ГУНа. Частота гетеродина передатчика сдвинута от несущей частоты передачи на значение fпч = fгун - fгет. Сдвигающая петля ФАП действует как следящий полосовой фильтр, настроенный на выбранную частоту канала. Такое построение тракта уменьшает широкополосный уровень шума, обеспечивая преимущество над стандартным подходом с преобразованием вверх, где для уменьшения шума боковой полосы потребовалось бы применить дополнительный фильтр и дуплексер.
10. Архитектура передатчика с модуляцией опорного сигнала
Данная архитектура проста, имеет малое энергопотребление и может быть использована при разработке РЧ блоков с высокой степенью интегрирации. Узкополосная фильтрация, обеспеченная петлей ФАПЧ, устраняет необходимость в применении внешних полосовых фильтров. Эта архитектура подходит только для методов модуляции с постоянной огибающей и требует дополнительных аппаратных затрат, так как для получения опорной частоты fo и fгет в структуре используются два отдельных ГУН. В данной структуре возможно возникновение затягивания частоты ГУН по входу, что требует лучшей развязки гетеродинов и УМ.
Имеется множество способов формирования модулированной опорной частоты. Один из них - должен использовать квадратурную модуляцию в петле непосредственно. Это минимизирует фазовую вариацию сигнала, так как на входе частотно-фазового детектора применяется постоянная опорная частота. В настоящее время достигнуто практическое использование прямого цифрового синтеза ПЦС (Direct Digital Synthesis, DDS) на рабочих частотах в сотнях МГц. Структура тракта передачи, основанного на петле ФАПЧ с использованием ПЦС и введением модуляции в тракте опорного сигнала, приведена на рис. ниже.
11. Архитектура передатчика с использованием ПЦС в опорном тракте
Использование метода дробного деления (fractional-N method) для синтеза частот достаточно широко применяется в СЧ, предназначенных для использования в устройствах мобильной связи. Дробное деление позволяет получить малый шаг по частоте на выходе передатчика при использовании высокого значения опорной частоты. Это позволяет улучшить шумовые характеристики и уменьшить время установления в петле ФАПЧ, улучшая быстродействие передатчика. Если коэффициент деления в петле приведения таких СЧ изменять в соответствии с законом модуляции, то может быть получена частотная модуляция выходного сигнала.
Дальнейшее улучшение шумовой характеристики побочной составляющей без уменьшения полосы петли ФАПЧ может быть получено при использовании фазовой интерполяции (phase interpolation), инжекцию джиттера (jitter injection) или методов формирования шума (noise shaping techniques).
На рис. показана архитектура передатчика, основанного на методе дробного деления (Fractional-N up-conversion). Информационные данные сначала фильтруются цифровым Гауссовским фильтром с конечной импульсной характеристикой FIR (finite impulse response). Затем сигнал суммируется со значением коэффициента деления, необходимого для установки номинала несущей частоты. Этот сигнал подается на вход сигма-дельта SD модулятора, выходной сигнал которого изменяет коэффициент деления делителя с изменяемым на единицу коэффициентом деления (dual modulus divider) N/N+1 в петле ФАПЧ.
Таким образом, свободный от побочных составляющих выходной сигнал получается добавлением псевдослучайной составляющей в значение коэффициента деления (dithering the division ratio). Затем сигнал усиливается до необходимого уровня. SD модулятор и делитель с изменяемым на единицу коэффициентом деления производят подавление шума в информационном тракте. Шум квантования перемещается в область высоких частот и далее уменьшается полосой петли петли ФАПЧ, которая является по своему характеру ФНЧ. Мгновенная выходная частота может варьироваться, если поток битов на вход SD модулятора промодулирован во времени.
Отсутствие в структуре смесителей или цифро-аналоговых преобразователей, делает ее очень привлекательной для использования в маломощных передатчиках с высокой степенью интеграции. Этот тип архитектуры может быть использован только для формирования сигналов с постоянной огибающей. Однако описанная архитектура требует, чтобы полоса петли ФАПЧ была большей, чем ширина полосы модулирующих частот.
Развитие техники и технологии цифровых ИС привело к тому, что модуляция, перенос по частоте и фильтрация сигналов, осуществляемые в каскадах ПЧ, могут производиться в цифровой области. В каскадах с цифровой ПЧ (Digital IF receiver) происходит оцифровавание сигнала ПЧ (рис.). В качестве ПЧ гетеродина используется прямой цифровой синтезатор частот DDS (Direct Digital frequency Synthesizer) называемый иногда генератором с программным или цифровым управлением NCO (Numerically Controlled Oscillator). Более подробно эти СЧ будут рассмотрены в соответствующем разделе. Это устройство реализовано полностью с использованием цифровой техники. Генератор формирует цифровые выборки двух синусоидальных сигналов с точным сдвигом по фазе на 90 градусов, создавая сигналы косинуса и синуса.
12. Использование в тракте передачи цифрового квадратурного модулятора
Важно иметь ввиду, что интенсивность формирования выходных выборок синусоиды всегда определяется опорной частотой fs, независимо от номинала генерируемой частоты. Номинал выходной частоты изменяется путем изменения величины приращения (увеличения) фазы на выборку (phase advance per sample). Малое приращение фазы ia выборку соответствует низким частотам, большое приращение - высоким частотам. Величина приращения фазы на выборку прямо пропорциональна выходной частоте и программируется от 0 до fs/2.
|||| Гостевая
книга ||||
