Глава 3. Методологии автоматизированного проектирования радиоустройств. Смешанное моделирование трактов радиоприемных устройств

Тема 5. Исследование супергетеродинного приемника стандарта DECT

Краткое описание параметров основных элементов структурной схемы. В качестве полосовых фильтров , выполняющих функции выделения полосы частот диапазона 1880 - 1900 МГц и подавления зеркального канала использованы специализированные для стандарта DECT 2-полюсные диэлектрические фильтры на связанных резонаторах серии B69812-N1897-L820 фирмы Siemens Matsushita Components . Для реализации малошумящего усилителя была выбрана микросхема серии RF2320 с достаточно высоким значением TOI (фирма RF Micro Devices ) . Ее основные параметры: рабочая полоса частот - 5 МГц - 2500 МГц, коэффициент усиления - 16 дБ, коэффициент шума - 1,8 дБ, P1db= 22,5 дБм, TOI = 36 дБм. Смеситель реализован на микросхеме ADE-11x фирмы Mini Circuits со следующими параметрами: полоса частот - 10 МГц - 2000 МГц, номинальная мощность гетеродина - + 7 дБм, потери преобразования - 7,1 дБ, TOI = 9 дБм, коэффициенты подавления сигнала гетеродина на входе и выходе соответственно 36 дБ и 37 дБ, коэффициент шума - 8 дБ. Для установленной промежуточной частоты (ПЧ) был выбран специализированный для стандарта DECT фильтр серии TFS110 фирмы Vectron International , характеризующийся такими параметрами: центральная частота - 110, 592 МГц, полоса частот (относительно уровня 3 дБ) - 965 кГц, потери в полосе пропускания - 11 дБ, подавление по краям полосы 2840 МГц - 40 дБ, групповое время задержки - 0.15 мкс. Основное усиление сигнала после смесителя осуществляется 6-каскадным усилителем промежуточной частоты , реализованном на широкополосных монолитных интегральных схем (ИС) серии SGA-2463 фирмы Sirenza Microdevices, c такими параметрами: коэффициент усиления - 19 дБ, NF= 2,7 дБ, P1db= 8 дБм, TOI = 20 дБм, потери по входу и выходу - соответственно 16,7 дБ и 17,2 . В качестве регулируемых аттенюаторов уровня сигнала в тракте ПЧ использована монолитная ИС AT-635 (фирма M/A COM ) c диапазоном изменения коэффициента передачи 35 дБ при вариации управляющего напряжения в пределах от -2,5 В до -1 В. Формирование исходного сигнала на входе блока автоматической регулировки усиления (АРУ) осуществляется с использованием направленного ответвителя с ослаблением 20 дБ.

Ниже приведены основные этапы построения и исследования моделей описанного выше приемника с целью оценки некоторых базовых характеристик и их проверки на соответствие требованиям, предъявляемым стандартом DECT, которые были приведены выше. На рис. 1 приведена полная модель рассмотренной функциональной схемы приемника, подготовленная в среде САПР ADS. Компоненты параметризованы в соответствие с техническими характеристиками выбранной элементной базы, где были учтены как линейные, так и нелинейные (компрессия, интермодуляция) свойства. В первом случае оценивались характеристики устройства в режиме одночастотного входного воздействия при фиксированной мощности входного сигнала Рс= -93 дБм, и частотах сигнала и гетеродина, соответственно равных Fc=1890 МГц и Fг=1780 МГц.

Рис. 1 Модель приемника для исследований в режиме гармонических входных воздействий

Рис. 1 Модель приемника для исследований в режиме гармонических входных воздействий

Из результатов анализа, приведенных на рис. 2, следует, что приемник обеспечивает на входе частотного детектора мощность сигнала, равную 1,35 дБм, а коэффициент шума составляет 6,9 дБ.

Рис. 2 Результаты расчета выходного спектра и оценки коэффициента шума

Рис. 2 Результаты расчета выходного спектра и оценки коэффициента шума

На рис. 3 приведена динамическая характеристика приемника, полученная в режиме автоматического изменения мощности входного сигнала от -100 дБм до +20 дБм, из которой видно, что вариация выходной мощности в диапазоне 60 дБ , предусмотренном стандартом DECT, не превышает значения 0.7 дБ , которое, при необходимости может быть отрегулировано оптимизацией цепей АРУ.

Рис. 3 Результаты оценки динамической характеристики приемника

Рис. 3 Результаты оценки динамической характеристики приемника

Принимая, что минимальное значение отношения сигнал/шум, которое должна обеспечить входная часть приемника для детектирования информационной битовой последовательности с относительной ошибкой BER не хуже 0.001, составляет 10 дБ, а шумовая полоса тракта приблизительно равна 1 МГц и NF= 6.9 дБ, можно рассчитать чувствительность по следующей формуле: дБм. Полученное значение удовлетворяет допустимому для стандарта DECT значению, составляющему - 83 дБм.

Следующим этапом исследований была оценка подавления нежелательных каналов приема на выходе приемника с использованием модели устройства, приведенной на рис. 1, только в режиме 2-частотного входного воздействия. Из результатов моделирования в режиме воздействия частоты полезного сигнала Fc=1890 МГц и сигналов помехи, с расстройкой Fп= Fc±1,728 МГц и Fп= Fc±3,556 МГц, некоторые из которых приведены на рис. 4, можно сделать вывод, что подавление помехи на выходе составляет значение не менее 50 дБ.

Рис. 4 Спектр мощности на выходе приемника при Fп=Fc+3,556 МГц

Рис. 4 Спектр мощности на выходе приемника при Fп=Fc+3,556 МГц

Подавление зеркального канала оценивалось в режиме односигнального входного воздействия с частотой Fc=Fг - 110 МГц = 1670 МГц. Полученное значение - приблизительно 70 дБ (рис. 5) говорит о достаточно хорошем подавлении сигналов, лежащих за пределами рабочего диапазона частот.

Рис. 5 Спектр выходной мощности при оценке избирательности по зеркальному каналу

Рис. 5 Спектр выходной мощности при оценке избирательности по зеркальному каналу

На рис. 6 приведена методика оценки значения выходной мощности в точке интермодуляции 3-го порядка (параметр TOI). Моделирование проводилось с применением стандартного двухсигнального метода, когда на вход приемника подавались 2 гармонических сигнала равной мощности с симметричной расстройкой 50 кГц относительно центральной частоты 1890 МГц. В результате было получено значение TOI, равное +17,4 дБм.

Рис. 6 Определение TOI

Рис. 6 Определение TOI

Моделирование схемы приемного устройства при получении указанных выше параметров и характеристик проводилось с использованием метода гармонического баланса. При оценке динамических, шумовых характеристик, а также избирательности по соседним каналам приема количество учитываемых гармоник по сигналу и гетеродину составило соответственно 1 и 4 и было определено с помощью нескольких тестовых расчетов. При расчете коэффициента подавления частоты зеркального канала количество гармоник гетеродина было увеличено до 8, чтобы не потерять точность при оценке слабых спектральных компонент, а при определении TOI количество гармоник по сигналу увеличивалось до 2-х, чтобы получить интермодуляционные составляющие 3-го порядка. Для сокращения времени спектрального анализа в контроллере гармонического баланса HARMONIC BALANCE была выбрана опция подключения метода подпространств Крылова.

Для исследования влияния блокирующих высокочастотных сигналов на уровень относительной битовой ошибки BER восстанавливаемого информационного сигнала на выходе приемника был использован метод огибающей (Circuit Envelope) , позволяющий весьма эффективно проводить временной анализ сложномодулированных колебаний, а также совместное моделирование аналоговых и цифровых трактов. На рис. 7 приведена схема оценки значения BER на выходе приемника.

Рис. 7 Схема для определения значения битовой ошибки

Рис. 7 Схема для определения значения битовой ошибки

Блок D1 служит для генерации исходной псевдослучайной битовой последовательности {1;-1} с шагом анализа во времени (переменная t_step). Верхняя ветвь реализует функцию формирования битового потока на входе компонента оценки BER - b1. Элемент задержки - D3 включен для синхронизации входного и выходного битового потоков. Нижняя ветвь содержит модель приемника (макромодель X1) на выходе которого генерируется временной сигнал после обработки частотным детектором. В макромодель приемника, структура которой изображена на рис. 8, были внесены следующие изменения по сравнению с рис. 1: на вход подключены 2 модулированных согласно стандарту DECT источника сигнала и помехи, на выходе установлены частотный детектор с опорной частотой 110 МГц и фильтр нижних частот 7-порядка с чебышевской характеристикой, частотой среза 800 кГц и неравномерностью коэффициента передачи в полосе пропускания 0,1 дБ ; для повышения устойчивости сходимости при моделировании убрана цепь АРУ.

Рис. 8 Модель приемника в режиме воздействия модулированных сигналов

Рис. 8 Модель приемника в режиме воздействия модулированных сигналов

Ниже приведены режимы входного воздействия и максимальное значение мощности помехи Рп (в качестве нее использовался источник модулированного сигнала, согласно требованиям стандарта DECT), при котором значение BER не превышало порога 0,001 (длина битовой последовательности -1000).

  1. Fc=1890 МГц, Fп= (1890±1,728) МГц, Рс=-73 дБм, Рп=-5 дБм
  2. Fc=1890 МГц, Fп=(1890±3556)МГц, Рс=-73 дБм, Рп=0 дБм
  3. Fс= Fп=1890 МГц, Рс=-73 дБм, Рп= -83 дБм

Как видно из полученных результатов, они удовлетворяют требованиям стандарта на восстановление информационного сигнала в условиях воздействия помех. Интересно отметить, что в случае отсутствия фильтра нижних частот на выходе частотного детектора, максимально допустимая мощность помехи, отстоящей по частоте на 1,728 МГц и 3556 МГц, увеличилась соответственно до - 40 дБм и -15 дБм, что, тем не менее, также соответствует допустимым ограничениям.

На рис. 9 приведена схема исследования значения BER при воздействии на входе источника белого шума мощностью Рnois. В данном случае на вход аналоговой части приемника (рис. 10) был подключен источник шумового напряжения амплитудой Vnois и внутренним сопротивлением R=50 Ом. Амплитуда определялась в блоке описания переменных Var на основании задаваемого (в дБм) значения мощности по формуле , где B= 1 МГц - шумовая полоса приемного тракта.

Рис. 9 Оценка битовой ошибки при шумовой помехе на входе

Рис. 9 Оценка битовой ошибки при шумовой помехе на входе

Рис. 10 Включение шумового источника на вход приемника

Рис. 10 Включение шумового источника на вход приемника

В результате проведенного анализа было установлено, что приемное устройство обеспечивает значение BER<0,001 при отношении сигнал/шум на антенном входе около 16 дБ, что соответствует Pnois= - 110 дБм при Рс=-93 дБм. Эти данные хорошо согласуются с результатами предварительной оценки чувствительности и коэффициента шума, при которых было обеспечено отношение сигнал/шум на входе частотного детектора 10 дБ (BER<0,001). Некоторые результаты анализа показаны на рис. 11

Рис. 11 Результаты анализа при Pnois=-109 дБм (входной (N4) и выходной (N5) битовые потоки, спектр мощности на выходе, значение BER)

Рис. 11 Результаты анализа при Pnois=-109 дБм (входной (N4) и выходной (N5) битовые потоки, спектр мощности на выходе, значение BER)


Назад     Оглавление     Вперед