1.1 Абонентский терминал стандарта UMTS

В Европе для организации сетей связи третьего поколения был принят стандарт UMTS. Выбранные технологии, положенные в основу используемых технических решений, позволяют обеспечить качественные услуги связи при высокой скорости передачи данных и большом количестве абонентов. В настоящее время процесс развертывания систем связи 3-го поколения в России только начинается. И естественно предположить, что для того, чтобы абонентский терминал был востребован на рынке, компании-разработчику необходимо обеспечить не только его функционирование в сетях 3G, но и совместимость с существующими сетями мобильной связи.

В связи с этим возникает необходимость создания универсальных мобильных телефонов, имеющих возможность работать в различных диапазонах частот, поддерживающих разные стандарты связи, объединяющих различные технологии и обеспечивающих качественные услуги при высокой скорости передачи (например, UMTS/GSM/PCS). Важным шагом на пути эволюции сетей GSM к UMTS является внедрение услуг пакетной передачи -- GPRS. GPRS позволяет обеспечить сквозную передачу данных в пакетном режиме со скоростью до 115,2 кбит/с. В современных системах мобильной связи необходимо также, чтобы абонентский терминал 3G поддерживал эту технологию. Таким образом, перед разработчиками стоит непростая задача создания единого мобильного терминала, совмещающего в себе различные технологии организации мобильной связи.

В соответствии со стандартом UMTS абонентский терминал разработан на основе двух технологий: широкополосный доступ WCDMA и комбинированный доступ TDMA/CDMA (TD-CDMA). Технология WCDMA используется в режиме дуплексного разноса по частоте FDD и используется для парных полос (прием/передача), a

TDCDMA -- в режиме дуплексного разноса во времени (TDD) и применяется для непарных полос.

Наиболее важные характеристики абонентского терминала UMTS представлены в таблице 1.1 [3].

Таблица 1.1. Некоторые характеристики абонентского терминала UMTS

На рис. 1.1 представлена одна из возможных структурных схем для реализации аналоговой части приемопередатчика абонентского терминала UMTS. Такой терминал является универсальным, поскольку обеспечивает работу не только в стандарте UMTS, но еще также поддерживает GSM900/1800 и PCS1900.

Для пояснения особенности работы радиочастотной части рассмотрим возможную упрощенную реализацию, например, приемного тракта абонентского терминала стандарта UMTS (рис. 1.2). В современных абонентских терминалах могут быть использованы схемы как с прямым, так и с двойным преобразованием по частоте. Однако схемы с прямым преобразованиям частоты в некоторых случаях оказываются более предпочтительными, поскольку позволяют уменьшить число каскадов частотных преобразований сигнала, количество гетеродинов (которые чаще всего представляют собой СЧ), за счет чего снижается количество элементов в терминале, уменьшаются его масса, цена и размеры. Часто это преимущество играет решающую роль при выборе структуры приемного тракта абонентского терминала.

Рис. 1.1. Аналоговая часть приемопередатчика абонентского терминала UMTS

Такая схема позволяет также:

-- устранить проблемы борьбы с зеркальным каналом приема;

-- избежать необходимости аналоговой узкополосной фильтрации обрабатываемого сигнала;

-- реализовать весь аналоговый тракт приемника (кроме полосовых радиочастотных фильтров) на одном кристалле (на одной микросхеме).

Рис. 1.2. Приемный тракт абонентского терминала стандарта UMTS

Поясним принцип работы данной схемы. Сигнал, принятый антенной A, проходит через дуплексер ДУП, необходимый при частотном разделении каналов на прием и передачу, и, возможно, через ряд замкнутых ключей Кл_А (между дуплексером и антенной) и Кл_МШУ (между выходом дуплексера и малошумящим усилителем МШУ). Наличие указанных ключей необходимо для организации различных режимов при работе в распространенных стандартах сотовых систем 2G3G (например, в наиболее распространенном стандарте UMTS/GSM/PCS), а также для поддержания режимов FDD и TDD. Затем сигнал усиливается в малошумящем усилителе МШУ и фильтруется в полосовом фильтре ПФ, в результате чего подавляются паразитные спектральные составляющие вне рабочего диапазона частот. Затем сигнал переносится на нулевую частоту двумя ветвями (синфазной I и квадратурной Q) квадратурного демодулятора I/Q. Перенос частоты осуществляется с помощью двух смесителей. На один из входов смесителей подается принимаемый сигнал, а на другой -- колебания приемного гетеродина на частоте входной несущей. Сигналы гетеродина сдвинуты по фазе друг относительно друга на 90. В качестве гетеродина в данной схеме используется СЧ с кольцом импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ). Полученные составляющие I и Q затем проходят фильтры нижних частот (ФНЧ) соответствующего канала и усиливаются в усилителе с переменным коэффициентом передачи до уровня, требуемого для работы аналогово-цифровых преобразователей, входящих в состав цифровой части приемного тракта. Дополнительно используемые фильтры высоких частот (ФВЧ) -- на схеме они не показаны -- необходимы для устранения постоянного смещения в тракте приема.

При разработке универсальной схемы (как передающей, так и приемной частей) основная сложность заключается в том, что необходимо организовать работу системы как в режиме TDD, где для приема и передачи используется одна и та же несущая, так и в режиме FDD, где прием и передача осуществляются с дуплексным разносом по частоте. Причем в стандарте UMTS величина дуплексного разноса оказывается переменной (см. табл. 1.1), что значительно усложняет структуру радиочастотной части и осложняет разработку СЧ, необходимого для обеспечения указанных режимов работы. Требования, предъявляемые к СЧ в этом случае, будут рассмотрены ниже.

Для организации работы в стандартах UMTS/GSM/PCS передающая и приемная аналоговые части схемы могут иметь по два тракта преобразования сигнала: первый - для организации работы с сигналами WCDMA FDD и TDD DM (UMTS), а второй - для формирования сигналов GSM/DCS/PCS, использующий GMSK модуляцию.

Реальный спектр выходного сигнала СЧ содержит внеполосные спектральные составляющие. Их возникновение объясняется воздействием различных возмущений, детерминированных или случайных. В результате появляется паразитное отклонение фазы выходного сигнала, т.е. возникают фазовые шумы, уровень которых характеризуется спектральной плотностью мощности (СПМ) фазового шума.

В стандарте UMTS наложены жесткие ограничения на уровень внеполосных излучений. Их уровень должен удовлетворять требованиям, приведенным в таблице 1.2.

Таблица 1.2. Требования по внеполосным излучениям

Маска, соответствующая этим ограничениям, представлена на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Спектральная маска допустимых внеполосных излучений по стандарту UMTS

В универсальных абонентских терминалах, поддерживающих несколько режимов работы, наиболее серьезные требования предъявляются к уровню подавления внеполосных излучений в стандарте GSM 900 и DCS 1800. На рис. 1.4 представлена маска для внеполосных излучений этих стандартов.

Было установлено, что для того, чтобы уровень внеполосных излучений в выходном сигнале СЧ, а также векторные параметры формируемого сигнала соответствовали требованиям стандарта UMTS, необходимо, чтобы среднеквадратичное значение паразитного отклонение фазы выходного сигнала (ПОФ) _ПОФ на выходе СЧ составляло не более 1,1.

Рис. 1.4. Требования на подавление внеполосных излучений в GSM900 (левый рисунок) и DCS 1800 (правый рисунок)

1.2.2 Требования ко времени перестройки по частоте

1.3 СЧ для абонентского терминала системы 3G стандарта UMTS

1.4 Методы исследования СЧ на основе ИФАПЧ

СЧ на основе ИФАПЧ представляет собой сложное нелинейное устройство автоматического регулирования. Некоторые его звенья (ФНЧ, ПГ) образуют непрерывную, а другие (ДФКД, ДПКД, Д) - импульсную часть схемы. Непрерывная и импульсная части характеризуется значительными нелинейностями. Фундаментальные свойства СЧ на основе ИФАПЧ определяются, в первую очередь, нелинейностью импульсной части, обусловленной видом характеристики дискриминатора, а также непериодической дискретизацией по времени в переходном режиме. Нелинейность непрерывной части (например, нелинейная зависимость частоты колебаний ПГ от управляющего напряжения или тока) оказывает также существенное воздействие на процессы в системе. При больших отклонениях сигналов от установившихся значений приходится учитывать нелинейные свойства элементов системы, что существенно усложняет анализ [5,6].

Одним из эффективных методов исследования СЧ на основе ИФАПЧ является метод, основанный на построении математических моделей (ММ) реальных устройств [7]. В этом случае ММ должна описывать все физические процессы, происходящие в системе. Поскольку кольца ИФАПЧ - это системы с использованием различных способов фазового детектирования, то их описание осуществляется уравнениями относительно фазовой координаты с использованием передаточных функций отдельных узлов, входящих в состав кольца ИФАПЧ. Эти уравнения составляются на базе известных математических методов. Наиболее точные и универсальные ММ СЧ разработаны на основе представления звеньев ПГ и ДПКД в виде частотно-импульсного модулятора второго рода с привлечением метода пространства состояний [8,9]. В работах [10,11] получение и исследование ММ СЧ было проведено на основе разложения передаточной функции ФНЧ на элементарные дроби.

При использовании ММ для исследования колец ИФАПЧ возникают следующие сложности:

-- нелинейность свойств или характеристик узлов, входящих в состав системы авторегулирования;

-- сложность передаточных функций элементов системы, часто имеющих высокий порядок;

-- инерционность элементов системы.

Поскольку модели, предназначенные для исследования, не должны быть настолько сложными, чтобы их формализация оказалась невозможной, часто не удается рассматривать систему такой, какой она реализуется на практике, а приходится вводить те или иные упрощения. Например, нелинейными свойствами, как правило, пренебрегают, линеаризуя их характеристики, и оставляют лишь 1…2 нелинейных элемента в модели.

Что касается инерционности системы, то ей часто тоже пренебрегают, поскольку учет инерционности в системе сильно усложняет решение динамической задачи и существенно затягивает моделирование, что на практике обычно не допускается.

Большинство конечных результатов исследований динамических характеристик систем, охваченных ИФАПЧ, ограничено решением безынерционных нелинейных уравнений (как правило, с одной нелинейностью) невысокого порядка - до 4.

Исследование систем, работа которых описывается нелинейными разностными уравнениями, аналитически вызывает много трудностей, а их точные решения найти так и не удается. Здесь в основном используют приближенные решения.

Так же существенным недостатком ММ является то, что, несмотря на общность построения моделей, все ММ получены для анализа процессов, происходящих в СЧ с определенной структурой и с определенными типами дискриминаторов [7]. На практике же очень часто возникает необходимость оперативного исследования новых схем СЧ с тем, чтобы прогнозировать их характеристики и судить о целесообразности применения. При использовании ММ необходимо каждый раз решать новую и трудоемкую задачу для каждой новой структуры СЧ.

Наиболее интересным и перспективным методом исследования нелинейных систем является цифровой метод моделирования [7, 12 -- 14], основанный на создании цифровой модели сложной нелинейной системы. Построение цифровых моделей основывается на основном принципе моделирования, согласно которому модель считается эквивалентной оригиналу, если она с достаточной точностью воспроизводит его основные функции.

Такой метод позволяет справиться со сложностями, возникающими при аналитических исследованиях, и получить более универсальную модель системы. Цифровой метод не накладывает ограничений на порядок исследуемых систем и позволяет оценить качество работы системы для разных начальных условий и при различных видах входных сигналов и помех.

При использовании цифрового метода входные и выходные функции звеньев задаются либо представляются алгоритмически, т.е. определяется последовательность действий по преобразованию сигналов. В этом случае целью моделирования является получение алгоритмов, позволяющих с помощью вычислительной техники точно или с допустимой погрешностью найти реакцию всей системы на произвольное входное воздействие. Алгоритмическое описание может быть математическим или логическим. В соответствии с общими принципами цифрового моделирования, процессы, протекающие в СЧ (как дискретные во времени, так и непрерывные) можно с определенной точностью охарактеризовать дискретными во времени переменными, вводя аргумент t_k = kt, где t - выбранный шаг дискретизации во времени, k = 0; 1; 2; …[7].

Цифровое моделирование осуществляется в два этапа:

-- на первом этапе выполняется создание цифровых моделей всех звеньев системы по известным передаточным функциям и нелинейным характеристикам;

-- на втором этапе разрабатывается цифровая модель всей системы, реализуемая в виде программы на каком-либо алгоритмическом языке программирования.

При таком подходе появляется возможность создания моделей сложных систем из моделей отдельных звеньев СЧ, лишенных высокой вычислительной сложности.

Цифровой метод моделирования является универсальным, поскольку позволяет исследовать объекты любой сложности. Использование такого метода позволяет получить аппарат по исследованию динамических свойств широкого класса систем. Следует также отметить, что цифровой метод позволяет создать модель СЧ необходимой точности, учесть нелинейность отдельных узлов схемы и осуществить моделирование СЧ при разных порядках кольца ИФАПЧ. Разработанные для каждого блока алгоритмы работы могут быть реализованы на любом современном языке программирования. Получив цифровые модели всех звеньев системы, можно разработать программу на ПК, которая позволит быстро и с заданной точностью получить расчеты интересующих величин в виде таблиц и графиков. Такая программа значительно упростит исследование работы СЧ при различных параметрах системы. При этом, усложняя алгоритм моделирования, можно провести анализ работы с учетом всех особенностей системы, которые при аналитическом подходе не учитываются или упрощаются.

При построении современных СЧ на основе ИФАПЧ часто сталкиваются с противоречием между высоким требованием к чистоте спектра выходного сигнала синтезатора и к длительности переходных процессов в системе. Поэтому с точки зрения эффективности разработки СЧ на основе ИФАПЧ, модель должна обеспечивать:

-- исследование динамических характеристик при различных параметрах системы;

-- анализ спектральных характеристик при различных параметрах системы;

-- анализ устойчивости системы.

В рамках настоящей работы мы коснемся только первого пункта, требующего построения цифровой модели СЧ, предназначенной для исследования его динамических характеристик.

Итак, в данной главе была рассмотрена структура приемо-передающей части современного мобильного терминала и определено место и значение СЧ. Также были сформулированы основные требования стандарта UMTS к СЧ и рассмотрена структура СЧ, отвечающая этим требованиям. В результате анализа существующих методов исследования СЧ на основе ИФАПЧ был выбран цифровой метод моделирования для дальнейшей разработки модели, предназначенной для анализа динамических свойств СЧ.

2. РАЗРАБОТКА ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ СЧ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

2.1 Выбор структуры схемы моделирования

Из всего многообразия систем ФАПЧ для моделирования выбрана следующая структура: однокольцевая импульсная, с одним перестраиваемым генератором (ПГ), с пассивным ФНЧ в цепи управления, с частотно-фазовым детектором (ЧФД) и делителем с переменным коэффициентом деления в цепи обратной связи.

Упрощенная структурная схема СЧ на основе ИФАПЧ с ЧФД показана на рис.2.1, где приняты следующие обозначения:

ОГ - опорный генератор;

ДФКД - делитель с фиксированным коэффициентом деления;

ЧФД - импульсный частотно-фазовый детектор;

ФНЧ - фильтр нижних частот; ПГ - подстраиваемый генератор;

ДПКД - делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД используется в цепи обратной связи кольца ИФАПЧ).

Рис. 2.1. Структурная схема ИФАПЧ с частотно-фазовым детектором

Представленная на рис. 2.1 схема широко распространена в современных устройствах связи. Она достаточно простая, экономичная, так как содержит минимальное количество элементов и может быть легко реализована интегрально. При правильном проектировании ее характеристики отвечают требованиям современных стандартов.

В простейшем случае такая структура может быть использована отдельно, и обеспечивать работу в заданной полосе частот. Однако в современных системах, как правило, подобные структуры используются в совокупности, как это было показано в главе 1, обеспечивая универсальность мобильной станции. Но исследование сложной схемы в этом случае можно провести поэтапно, для каждого диапазона частот отдельно, поэтому схема, представленная на рис. 2.1, является оптимальной для разработки цифровой модели.

Рассмотрим основные принципы работы представленной структуры. Частота f_ПГ с помощью управляемого элемента, входящего в колебательный контур, может изменяться в зависимости от уровня сигнала u_ФНЧ(t) - напряжения на выходе ФНЧ.

С помощью ДПКД частота f _ПГ понижается в N раз (N -- коэффициент деления). Сигнал на выходе делителя u_ДПКД(t) представляет собой последовательность импульсов с частотой следования f_ПК = f_ПГ/N. Как и во всякой системе регулирования, для образования сигнала ошибки e_д(t) в ИФАПЧ имеется датчик рассогласования, называемый дискриминатором (Д). В качестве дискриминатора в ИФАПЧ используется импульсный ЧФД. Колебания u_ДПКД(t) поступают на сигнальный вход дискриминатора. На опорный вход подаётся импульсная последовательность u1(t) с частотой сравнения f_ОК. На входе делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД) воздействует синусоидальный сигнал u_ОГ(t) от опорного генератора (ОГ) с частотой f_ог. Частота f_ок = f_ог/M, где M -- коэффициент деления ДФКД, называется частотой сравнения. ДФКД необходим, т.к. частота высокостабильного опорного кварцевого генератора f_ог в общем случае не совпадает с требуемой частотой сравнения. В дискриминаторе происходит выделение информации о фазовом (временном) рассогласовании ?_е между импульсами последовательностей u_ОК(t) и u_ПК(t) и преобразовании её в выходной сигнал u_ЧФД(t).

Выходной сигнал ЧФД поступает на вход сглаживающего звена - ФНЧ. Сигнал u_ФНЧ(t) с выхода фильтра используется непосредственно в качестве воздействия, управляющего частотой f_ПГ. Если требуется изменить частоту настройки ПГ, то достаточно перейти к новому коэффициенту деления N. Минимальная дискретность в перестройке f_ПГ, т.е. шаг сетки частот, определяется частотой сравнения f_ОК. При изменении коэффициента деления N, включении СЧ, скачкообразном изменении f_ПГ возникает режим захвата, и в системе ИФАПЧ протекают переходные процессы. В зависимости от параметров ИФАПЧ они носят колебательный или апериодический характер. Основной параметр этих процессов -- длительность установления частоты t, являющаяся мерой быстродействия СЧ. Величина t определяется как промежуток времени между началом возмущения и моментом, после которого отклонение f_ПГ от f_ПГ.ст не превышает заданной величины, называемой точностью установления частоты. При малоинерционном ФНЧ или его отсутствии значение t существенно зависит от частоты сравнения f_ОК и при её увеличении уменьшается.

Для оценки спектральных характеристик выходного сигнала СЧ рассматривается стационарный (точнее, квазистационарный) режим ИФАПЧ, находящейся под воздействием детерминированных и случайных возмущений.

Итак, на начальном этапе была выбрана структура СЧ для дальнейшего моделирования. Для разработки цифровой модели такого СЧ, следуя принципам цифрового моделирования, необходимо разработать модели его отдельных узлов.