Материал: 469_Travin. _Radiopriemnye _Ustrojstva _UP _

Идеальной нормированной АЧХ или идеальной характеристикой избирательности является прямоугольная с полосой пропускания, равной ширине спектра полезного сигнала, в которой 1 (или Se 1), а за ее пределами 0 (или Se ). В этом случае обеспечивается бесконечно большое подавление внеполосной помехи и неискаженное воспроизведение спектра полезного сигнала. О степени приближения реальной нормированной АЧХ ( f ) к идеальной (или реальной характеристики избирательности Se( f )к

полоса пропускания полосового фильтра на уровне 0,707 (-3дБ), а П - полоса пропускания на заданном уровне γ, который берут или 0,1, или 0,01, или 0,001

полоса пропускания на заданном уровне Se, который берут или 10, или 100, или

1000 и т. д.)

Коэффициентом прямоугольности оценивают крутизну скатов нормированной АЧХ ( f ) или характеристики избирательности Se( f ).

Для идеальной АЧХ КП 1 (или КПSe 1). Для реальной АЧХ КП 1 (и

КПSe 1). Чем меньше коэффициент прямоугольности, тем выше селективные свойства избирательной системы. Поэтому иногда в технических заданиях вместо γ(f) (или Se) приводится КП (или КПSe ). Например, КП 2 по уровням

-3дБ и -60дБ, что соответствует примерно Se 60дБ.

О сути многосигнальной (эффективной) избирательности, которая не используется в курсовой работе, можно узнать в [1].

В РПРУ супергетеродинного типа важнейшим вопросом является выбор промежуточной частоты. От этого выбора зависит целый ряд показателей РПРУ, сложность избирательных цепей и системы стабилизации частот и т. д.

При ее выборе руководствуются следующими соображениями:

-промежуточная частота не должна находиться в диапазоне принимаемых частот;

-промежуточная частота не должна совпадать с частотами мощных станций;

-промежуточная частота с точки зрения обеспечения высокой избирательности по зеркальному каналу должна быть по возможности выше, а с точки зрения обеспечения высокой избирательности по соседнему каналу по возможности ниже.

Установлен международный ряд значений промежуточных частот fПР, которые запрещается использовать в качестве несущих частот. Например, в радиовещательных приемниках АМ-сигналов fПР=465кГц, ЧМ-сигналов fПР=10,7 МГц, в РПРУ радиорелейных и спутниковых систем связи fПР=70МГц, в РПРУ систем сотовой подвижной связи, включая приведенные в таблицах 2.1…2.4 -

26

порядка нескольких десятков МГц, в том числе частоты, численно равные дуплексному разносу частот.

Вообще, желательно выбирать стандартные значения промежуточных частот, для которых в Интернете приводятся ИМС смесителя, УПЧ и типы полосовых фильтров (ФОС), что упростит разработку тюнера РПРУ и сведет ее к выбору подходящих вариантов.

5.2 Выбор и обоснование структурной схемы, избирательных цепей и элементной базы преселектора тюнера

Преселектор (предварительный селектор) в структурной схеме супергетеродинного РПРУ образует тракт радиочастоты (ТРЧ) от антенны до смесителя преобразователя частоты.

Особенностью РПРУ диапазона СВЧ (дециметровые, сантиметровые и миллиметровые волны), к которому относятся стандарты систем сотовой подвижной связи (см. таблицы 2.1…2.4 и 3.1 в разделах 2 и 3), является использование неперестраиваемых преселекторов. Это оказывается возможным потому, что отношение верхней рабочей частоты диапазона частот к его нижней рабочей частоте в системах сотовой подвижной связи всех стандартов не превышает примерно 1,03…1,04.

В настоящее время типовая структурная схема преселекторов таких РПРУ содержит неперестраиваемый полосовой фильтр (ПФ) во входной цепи (ВЦ) для обеспечения заданной избирательности по зеркальному каналу и малошумящий усилитель радиочастоты (УРЧ). Важно отметить, что в обеспечении избирательности по зеркальному каналу участвует фильтр приема дуплексора. Как отмечалось в разделе 3, дуплексор содержит два ПФ – фильтр приема и фильтр передачи, которые разделяют диапазоны частот принимаемых и передаваемых сигналов, разнесенных по частоте на величину дуплексного разноса. Поэтому в качестве ПФ во входной цепи можно считать фильтр приема дуплексора. Если же он не обеспечивает заданную избирательность по зеркальному каналу, то после него ставится еще один ПФ входной цепи. Нередко после УРЧ может включаться еще один неперестраиваемый полосовой фильтр, подобный входному ПФ, если входной ПФ и фильтр приема дуплексора не обеспечивают заданную избирательность. Возможен также вариант, при котором используется полосовой фильтр приема дуплексора во входной цепи и полосовой фильтр (ПФ) после УРЧ. (Хотя надо отметить, что у имеющихся современных ПФ в интегральном исполнении, сведения о которых приводятся в Интернете, коэффициенты прямоугольности достаточно высоки для обеспечения заданной избирательности по зеркальному каналу одним входным ПФ.)

Кстати, в структурной схеме дуплексной цифровой приемо-передающей радиостанции (АС), приведенные в разделе 3 на рисунке 3.2 в качестве возможного прототипа, преселектор реализован с одним полосовым фильтром. Более того, в этом прототипе в качестве ПФ во ВЦ использован фильтр приема

27

дуплексора.

В соответствии с вышеизложенным, на рисунке 5.5 пунктирными прямоугольниками показаны возможные варианты построения преселектора (вместе с преобразователем частоты и трактом промежуточной частоты, о построении которых будет сказано в следующих подразделах).

От усилителя мощности радиочастоты передатчика (УМРЧпер)

Рисунок 5.5. Преселектор тюнера РПРУ АС с преобразователем частоты и трактом промежуточной частоты

Малошумящие УРЧ преселектора обычно выполняются на транзисторах как в дискретном, так и в интегральном исполнении. До частот 6…7 ГГц применяются как биполярные (БТ), так и полевые (ПТ) транзисторы, но все же предпочтение отдается ПТ, поскольку у них больше входное сопротивление, меньше коэффициент шума и лучше линейность. На частотах выше 7 ГГц используются полевые транзисторы Шотки (ПТШ), или транзисторы с высокой подвижностью электронов (ТВПЭ).

Следует отметить, что усиление сигнала в преселекторах тюнеров мобильных РПРУ должно быть сравнительно небольшим (порядка 10…15 дБм), чтобы не было таких нелинейных эффектов, как перекрестная модуляция сигнала помехами и интермодуляция (взаимная модуляция) между помехами. Принципиальные схемы УРЧ приведены в [1].

Проектировщику необходимо в Интернете (или по справочникам) выбрать подходящие полосовые фильтры (ПФ): фильтр приема дуплексора, ПФ входной цепи и ПФ после УРЧ (по диапазону частот, по АЧХ или характеристике односигнальной избирательности, или коэффициенту прямоугольности, по затуханию сигнала, или, иначе говоря, по потерям мощности сигнала, по конструктивному выполнению), которые бы обеспечивали заданную избирательность по зеркальному каналу. Все показатели и характеристики выбранных полосовых фильтров, схемы и их конструктивное исполнение необходимо привести в курсовой работе. Принципиальная схема ПФ представляет собой пассивный четырехполюсник, у которого одна из входных и одна из выходных клемм подключаются к общему проводу. Входные и выходные сопротивления фильтра равны 50 Ом, которое считается стандартным волновым (характеристическим) сопротивлением тракта СВЧ. Такие входные и выходные сопротивления реализуются фирмами

28

у всех узлов в диапазоне СВЧ, что необходимо для их согласованной стыковки друг с другом.

Окончательный вариант преселектора будет определяться заданной избирательностью по зеркальному каналу и качеством выбираемых ПФ. В качестве входных полосовых фильтров (ПФ) и полосовых фильтров приема дуплексоров в диапазоне СВЧ в настоящее время применяются в основном фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ) со встречноштыревыми преобразователями (с затуханием в рабочей полосе пропускания до 10 дБ), фильтры на ПАВ продольной структуры с переотражениями (с затуханием в рабочей полосе пропускания частот около 2…2,5 дБ) и фильтры на микрополосковых линиях. Они имеют очень малые габариты и массу.

В качестве примера можно назвать фирму Murata, разработавшую фильтр SAFEA 942 MFLOF OO на поверхностных акустических волнах для работы в качестве входного фильтра приема в РПРУ абонентской станции (АС) в системе связи GSM-900 (диапазон частот приема 935…960 МГц) размером 1,35х1,05х0,5 (в миллиметрах) с затуханием около 2 дБ и с избирательностью по зеркальному каналу SeЗ.К 60дБ. Она легко определяется по приведенной в Интернете АЧХ для этого фильтра. Это будет точная оценка. Но студенту полезно также уметь давать ориентировочную оценку пригодности ПФ приема по SeЗ.К. Это можно показать на примере системы связи GSM-900. Как известно, в этой системе промежуточная частота fПР выбрана равной дуплексному разносу частоты, который составляет 45 МГц: fПР=fДР=45 МГц. Следовательно, частота зеркального канала отстоит от частоты сигнала на 2fПР=90 МГц. Для нижней настройки синтезатора, которая взята в прототипе, будет справедливой следующая запись: fЗ.К=fС-2 fПР= fС-90 МГц. Для диапазона частот приема 935…960 ГГц стандарта GSM-900 наиболее опасной с точки зрения избирательности по зеркальному каналу будет верхняя частота этого диапазона, т. е. 960 МГц, при которой fЗК=960 МГц–90 МГц=870 МГц. Эта частота значительно ниже самой нижней частоты диапазона приема 935 МГц, т. е. она явно находится в зоне непропускания входного ПФ приема. Это значит, что зеркальный канал будет подавлен. Этот вывод можно довести и до количественного результата: поскольку частота зеркального канала fЗК=870 МГц значительно ниже, чем самая верхняя частота ПФ передачи дуплексора 915 МГц, которая подавляется ПФ приема на 50-60 дБ, то зеркальный канал будет подавлен на не меньшее число дБ.

После выбора типов и количества ПФ преселектора в Интернете находится информация об УРЧ и выбирается подходящий вариант УРЧ в интегральном исполнении в заданном диапазоне частот, с требуемым коэффициентом усиления по мощности (и напряжению) и с как можно меньшим коэффициентом шума. Требуемый коэффициент шума определяется по формуле для реальной чувствительности РА расч (Вт), приведенной в разделе 5.1, куда вместо РА расч (Вт) подставляют заданную в таблицах 2.2…2.4 реальную чувствительность при заданном отношении сигнал/шум hВЫХ.

В настоящее время УРЧ выпускаются многими фирмами в виде готовых микросхем на микропечатных платах. В качестве примера можно назвать такие

29

ИМС как RF3827, RF360 фирмы RFM, МААLSS0038, AM50-0015 фирмы M/А- COM, ADL5521 фирмы Analog Devises.

В этих ИМС применяются полевые транзисторы (арсенид-галлиевые). Верхняя усиливаемая ими частота приближается к 3 ГГц. А такой важный показатель, как коэффициент шума, находится в пределах от 1,2 дБ до 1,5 дБ. В Интернете приводятся все показатели УРЧ, включая их схемы и конструктивное исполнение.

Кстати, если в схеме рисунка 5.5 для обеспечения заданной избирательности преселектора по зеркальному каналу потребуется кроме ПФ приема дуплексора включить входной ПФ, а между выходом УРЧ и входом смесителя преобразователя частоты еще и дополнительный ПФ, подобный входному ПФ (о чем говорилось в начале подраздела 5.2), то это не вызовет дополнительных проблем с обеспечением согласования этих ПФ, УРЧ и СМ друг с другом, поскольку у всех этих узлов их входные и выходные сопротивления равны 50 Ом.

5.3. Выбор вида смесителя преобразователя частоты тюнера

Как отмечалось при описании структурной схемы тюнера на рисунке 5.5, преобразователь частоты (ПЧ) предназначен для переноса спектра радиосигнала из области радиочастотного диапазона в область промежуточных частот (в фильтр основной селекции ФОС). Смеситель (СМ) преобразователя частоты представляет собой шестиполюсник, на один вход которого поступает сигнал с выхода УРЧ в заданном диапазоне частот приема, а на другой вход – колебания с частотой fГ гетеродина от синтезатора частоты. С математической точки зрения смеситель является перемножителем двух напряжений – напряжения сигнала UС и напряжения гетеродина UГ. В тюнерах РПРУ систем подвижной сотовой связи находят широкое применение балансные и кольцевые (двойные балансные) смесители на диодах (пассивные смесители) или транзисторах (активные смесители). В них нет прямого прохождения сигнала и колебаний от синтезатора на выход смесителя и нет прохождения сигнала в синтезатор и колебаний от синтезатора на сигнальный вход смесителя. Принципиальные схемы смесителей приведены в [1].

В Интернете (или в справочниках) можно найти большой ассортимент смесителей в интегральном исполнении (в виде ИМС). Задача проектировщика сводится к выбору ИМС с подходящими параметрами. В курсовой работе в первую очередь обращается внимание на:

1.Диапазон рабочих частот. Серийные смесители выполняются от очень низких частот до максимальной рабочей частоты 0,1…2,5 ГГц.

2.Коэффициент шума. В зависимости от микросхемы смесителя он оказывается равным 6…20 дБ. У пассивных смесителей он численно равен потерям преобразования.

3.Коэффициент передачи. Его типовое значение у активных смесителей лежит в пределах от 1 до 4…17 дБ. Что касается пассивных смесителей, то в них идет речь о потерях преобразования, типовое значение которых

30