Разработка функциональных узлов цифровой системы передачи

Недостатки:

трудность создания перестраиваемого полосового фильтра в СВЧ диапазоне;

нелинейность ФЧХ одноконтурного полосового фильтра;

изменение частоты полосового фильтра при воздействии дестабилизирующих факторов (изменение температуры, радиация и т.д.).

Использование двух смесителей сдвига частоты сигнала цифрового передатчика.

В этом случае цифровой передатчик работает в диапазоне частот, где может быть обеспечена малая погрешность установления амплитуд и фаз выходного сигнала, затем модулированный сигнал цифрового передатчика переносится на более высокую частоту, а затем в диапазон частот 20 ГГц.

Предварительный расчет требуемых значений коэффициентов передачи устройств РПдУ.

При расчете значений коэффициентов передачи необходимо учитывать, что уровни сигналов в каждой точке РПдУ должны быть такими, чтобы обеспечивался линейный режим работы всех элементов схемы. Максимальной значение мощности смесителя сдвига при которой смеситель является линейным элементом для входного сигнала составляет Р_см = (0.1 - 0.5) мВт (1 - 5)10-4 Вт.Указанного значение мощности на входе смесителя устанавливается переменным аттенюаторов, включенным на входе РПдУ. При выполнении смесителя сдвига на диодах, коэффициент передачи смесителя составляет минус (8 - 10) дБ.Тогда мощность сигнала на выходе смесителя сдвига составит

P_всм = Р_см* 10(8-10)/10= (1 - 5)10-5 Вт.

На выходе смесителя установлен усилитель. Микросхемы усилителей имее6ют значение коэффициента усиления 12-15 дБ. Тогда мощность сигнала на выходе усилителя будет равна

P_ус =(1 - 5)10-5 10(12 - 15)/10 = (1.6 - 8)10-4 Вт.

Управляемый аттенюатор, обеспечивающий линейный режим работы усилителя выходного каскада имеет регулируемыйдиапазон ослабления сигнала 0 - минус 10 дБ.

Мощность сигнала на выходе управляемого аттенюатора составит

Р_ат = (0.16 - 8) 10-4 Вт.

Такие значения мощности будут иметь РПдУ практически всех диапазонов частот и различных значений мощности выходного сигнала. Для обеспечения необходимого значения мощности выходного сигнала, значение коэффициента усиления выходного каскада должно быть равно

К = Р₁дБ/ P_ВХ,(2.5)

K_дБ = 10 log (K).

где Р1дБ - необходимое значение выходной мощности РПдУ в линейном режиме работы; PВХ-входная мощность усилителя мощности РПдУ.

P_ВХ = Р_ат =8 10-4 Вт.

Для обеспечения выходной мощности РПдУ 10 Вт, понадобиться усилитель имеющий значения Р₁дБ = 1 Вт и коэффициента усиления

KдБ = 10 log (10/8*10-4) = 41 дБ.

Для выходной мощности РПдУ 10 мВт, необходимое значение коэффициента составит 11 дБ.

Если значение коэффициента выбранного усилителя больше расчетного, линейный режим работы обеспечивается введением ослабления в управляемом аттенюаторе.

Радиоприемное устройство

На приемной стороне сигнал (f_с = 20 ГГц) через полосовой фильтр поступаетна вход малошумящего усилителя (МШУ), усиливается на 15 - 20 дБ и поступает на смеситель. Кроме полезного сигнала на входе смесителя всегда присутствуют некоторая мощность шума (шумы атмосферы, индустриальные помехи,шумы приемника и др.). На второй вход смесителя поступает сигнал гетеродина, формируемый синтезатором частот приемника(частота гетеродина f_г = 20,4 ГГц, или 19,6 ГГц). На выходе смесителя выделяется сигнал промежуточной частоты, равный разности частот принимаемого сигнала и сигнала гетеродина (f_пр = 200 МГц). Однако при частоте сигнала гетеродина f_г =20,4 ГГц и поступлении на вход смесителя сигнала помехи с частотой f_п = 20200 МГц на выходесмесителя также выделится сигнал промежуточной частоты 100 МГц(f_п - f_г= 20200 - 20100 = 100 МГц). Такой канал приема называется зеркальным каналом.

f_ЗК = f_C + 2f_ПР(2.6)

Подавление (ослабление) зеркального канала может быть обеспечено полосовым фильтром, установленным в тракте антенна - смеситель и настроенным на частоту принимаемого сигнала. В приемопередающих устройствах этот фильтр одновременно обеспечивает подавление сигнала передатчика (частота излучение собственного РПдУ всегда отличается от частоты принимаемого сигнала), поступающего на вход приемного устройства в результате работы на общее антенное устройства и неидеальной развязки передатчик - приемник.

В результате выполнения второго раздела получили следующие результаты:

1) Изучена структурная схема построения цифрового передатчика и цифрового приемника.

2) Рассмотрены методы формирования синфазного и квадратурного сигналов из входного цифрового потока на примере КАМ 16.

3) Определен способ восстановления спектральной составляющей на несущей частоте на приемной стороне (схема Костаса)

4) Рассмотреныпринципы переноса спектров сигналов в заданный частотный диапазон.

5)Произведенпредварительный расчет требуемых значений коэффициентов передачи устройств РПдУ

6) Произведен выбор рабочей частоты цифрового передатчика и промежуточной частоты радиоприемного устройства:

- рабочая частота цифрового передатчика: 20 ГГц;

- промежуточная частота радиоприемного устройства: 100 МГц;

-диапазоны частот выходного сигнала передатчика и побочных излучений не перекрываются, а значит для подавления побочных излучений в полосе частот (19,6-20,4) ГГц нас устроит двухконтурный неперестраиваемыйполосовой фильтр. Однако следует учитывать, чтоувеличение частоты передатчика приводит к увеличению погрешностей установления амплитуд и разности фаз квадратурных составляющих в цифровом передатчике, что ухудшает работу ЦСП. Если частота цифрового передатчика <600 МГц, то для необходимого подавления побочных излучений необходимо использовать узкополосный перестраиваемый фильтр;

- уровень ослабления побочного канала РПдУ: А=41 дБ.(рассчитанныйуровень ослабления побочного канала РПдУ удовлетворяет исходному условию, по которому данный уровень должен быть более 40 дБ).

3. Разработка и расчет элементов функциональной схемы СВЧ-Т

3.1 Расчет коэффициента шума РПрУ

Необходимый нам малошумящий усилитель (МШУ на микросхеме HMC565, диапазон частот 6-20 ГГц) имеет следующие параметры:

- значение коэффициента шума K_s = 2.3 дБ;

- значение коэффициента усиления K = 22 дБ.

При бесконечно большом значении коэффициента усиления МШУ, коэффициент шума РПрУ определяется коэффициентом шума первого каскада. Наш усилитель имеет значение коэффициента усиления равное 22 дБ. Необходимо рассмотреть влияние следующих каскадов (смесителя) на шумы РПрУ.

Для расчета коэффициента шума РПрУ рассмотрим упрощенную структурную схему РПрУ, рис.4.1. Для упрощения схемы синтезатора частот РПрУ, используем субгармонический смеситель (работающий на второй гармонике частоты гетеродина). Коэффициент передачи такого смесителя составляет около минус 13 дБ. Рассмотрим упрощенную структурную схему РПрУ для двух вариантов:

1. МШУ выполнен на двух одинаковых усилителях. В этом случае приемное устройство может быть представлено в виде трех каскадов имеющих следующие значения коэффициентов усиления:

K₁=22 дБ; K₂=22 дБ; K₃=-13 дБ;

W₁=2.3 дБ; W₂=2.3 дБ; W₃=2 дБ,

где К₁, К₂ - коэффициенты усиления СВЧ смесителя;

К₃ - коэффициент передачи смесителя;

W₁, W₂ - коэффициенты шума усилителя;

W₃ - коэффициент шума ПУПЧ.



Тогда значение коэффициента шума РПрУ равно:

(4.1)

или K_s=10lg(1.7)= 2.3 (дБ).

2. Коэффициент шума многокаскадного усилителя с большими значениями коэффициентов усиления каскадов (K >> 1) определяется коэффициентом шума первого каскада:

(4.2)

или K_s=10lg(1.8)=2.6 (дБ).

Учитывая, что шумовая температура атмосферы равна Тш=300К, то изменением коэффициента шума от 1.7 до 1.8 можно пренебречь и использовать один каскад усиления. Тогда значение коэффициента шума РПрУK_s = 1.8 (KsдБ = 2.6 дБ).

Ослабление зеркального канала может быть рассчитано используя выражение (2.2), подставив в него вместо f_цп, f_ЗК.

A = 10*n*log|f_С/(Q(f_С-f_ЗК))|, (дБ) (4.3)

или

A = 10*n*log|f_С/2Qf_ПР| = 20*log|20•109/2*300*400*106| = 50(дБ) (4.4)



3.2 Расчет энергетических характеристик разрабатываемого устройства

Определим необходимое значение мощности РПдУ для формата 16КАМ в следующей последовательности:

1. Определим чувствительность приемного устройства СВЧ модуля:

P_прmin = K_skT₀df, (4.5)

где

K_s- коэффициент шума РПрУ в разах (Ks = 1.8);

k - постоянная Больцмана;

T₀ - температура РПрУ в градусах Кельвина (T0 = 300);

df - полоса частот системы связи для заданного формата (62,5МГц).

P_прmin = 1.8·1.4·10-23 ·300·62,5·106 = 4.73· 10-13 (Вт) (4.6)

2.Определим мощность принимаемого сигнала для обеспечения заданного значения вероятности ошибки:

Р_с = Pпрmin100.1*С/(Вт) (4.7)

Р_с = 4.76· 10-13 ·100.1·32.7 = 8.8·10-10 (Вт) (4.8)

Отношение сигнал/шум определено в первом разделе (С/Ш = 32,7 дБ).

Для обеспечения полученного значения мощности сигнала на входе приемного устройства на расстоянии R= 9000 м мощность передатчика должна быть равна:

(4.9)



где G₁, G₂ - коэффициенты усиления антенн передающего и приемного устройств;

л - длина волны ();

А - ослабление сигнала на гидролокаторах (пыль, туман, дождь, снег и т.д.);

В соответствии с заданием диаметр антенного устройства не должен превысить 0.4м.

Определим значение коэффициента усиления антенны:

(4.10)

где S_эф - эффективная площадь антенны.

(4.11)

(м²) (4.12)

Тогда S_эф*S_г = 0.024м².

(4.13)

(4.14)

Выбираем усилитель имеющий значение выходной мощности в линейном режиме работы равную P₁дБ = 55 мВт.



4. Разработка функциональной схемы цифрового синтезатора частот

4.1 Структурная схема синтезатора частот

В цифровых синтезаторах частоты используется принцип обратной связи. Такой метод, известен под названием фазовой синхронизации. Анализ систем косвенного синтеза основывается на рассмотрении устойчивости и области захвата частоты петли ФАПЧ вместо исследования побочных составляющих выходного колебания. При использовании этого метода широко применяются ГУН, программируемые делители частоты и фазовые дискриминаторы.

Цифровой синтезатор частоты представляет собой системуФАПЧ (фазовая автоподстройка частоты) (рис. 3.1).

Рисунок 3.1- Структурная схема цифрового синтезатора частотыю.налчаст4.2 Расчет коэффициентов деления

Поскольку частота опорного кварцевого генератора (ОКГ) лежит в диапазоне 15-25 МГц, положим частоту ОКГ, равной 10 МГц (fокг =10 МГц). Делитель частоты (ДЧ) уменьшает частоту ОКГ до частоты сравнения, которую выберем равной 2 МГц (f_дч =2 МГц). В этом случае коэффициент деления делителя частоты равен:

(3.1)

Частота сравнения ОКГ поступает на один из входов фазового детектора, который выполняет математическую операцию перемножения входных сигналов. На второй вход фазового детектора через делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД) поступает сигнал от генератора, управляемого напряжением (ГУН). Поскольку нам необходимо обеспечить частоту выходного сигналаf_вых =20 ГГц, то в этом случае значение коэффициента деления делителя с переменным коэффициентом деления равно:

(3.2)

Если предположить, что частота ГУН отличается от заданного значенияfвыхна величину ошибки Дf,то частота на выходе ДПКД будет равна:

F_дпкд = (3.3)

В этом случае на входы фазового детектора поступают колебания двух различных частот: f_дч - с делителя частоты и- с ДПКД.

Фазовый детектор выполняет математическую операцию перемножения входных сигналов. В результате перемножения на выходе фазового детектора формируется сигнал суммарной и разностной частоты:

U_с= (3.4)

и сигнал ошибки:



U_ош=(3.5)

Поскольку верхняя частота полосы пропускания фильтра нижних частот значительно меньше fдч на выходе ФНЧ выделяется только сигнал ошибки. Этот сигнал усиливается и поступает на управляющий вход ГУН, изменяя частоту ГУН таким образом, чтобы сигнал ошибки был равен нулю. В этом случае частота выходного сигнала ДПКД равна fдч. В стационарном режиме частота ГУН всегда равна:

F_гун = f_дч·К = 20·2·10⁹= 40·10⁹(3.6)

Если значениеК_дпкдувеличить на 1,товыходная частота станет равной:

F_вых1 = f_дч · (К _дпкд +1) = F_гун + f_дч =20,001· 10⁹(3.7)

Видно, что изменение коэффициента деления ДПКД на целое число единиц приводит к изменению частоты выходного сигнала ГУН на величину f_дч. Это означает, что частота выходного сигнала синтезатора частоты может принимать только дискретные значения, кратные частоте сравнения (говорят, что на выходе формируется сетка частот с шагом f_дч).

Выходной сигнал цифрового синтезатора частоты имеет некоторую паразитную частотную модуляцию, обусловленную наличием в спектре реального фазового детектора спектральных составляющих f_дч, 2f_дч и т.д. Наиболее опасной является спектральная составляющая f_дч, так как для нее коэффициент передачи ФНЧ больше, чем для составляющих 2f_дч, 3 f_дчи т.д. С выхода ФНЧ спектральная составляющаяf_дч, поступает на управляющий вход ГУН, что приводит к частотной модуляции выходного сигнала ГУН синусоидальным напряжением с частотой f_дч,.

Наличие частотной модуляции приводит к появлению в спектре выходного сигнала ГУН спектральных составляющих (f_выхf_дч), что недопустимо, так как частоты (f_выхf_дч) отведены для работы других радиопередающих средств. В соответствии с требованиями стандартов, уровень побочных излучений не должен превышать -70дБ …-80дБ, т.е. составлять от мощности ГУН частоты f_вых. Для обеспечения такого малого уровня побочных излучений в спектре выходного сигнала ГУН необходимо использовать фазовые детекторы с малым уровнем спектральных составляющих f_дч, и значительное ослабление, вносимое ФНЧ на частоте f_дч. При этом к полосе пропускания ФНЧ предъявляются противоречивые требования: увеличение полосы пропускания приводит к уменьшению времен перестройки частоты выходного сигнала, но при этом увеличивается значение коэффициента передачи ФНЧ на частоте сравнения, что приводит к увеличению уровня побочных составляющих в спектре выходного сигнала. Уменьшение коэффициента передачи на частотеf_дч, может быть обеспечено применением фильтров более высокого порядка. Однако, ФНЧ более высокого порядка, обеспечивая меньшее значение коэффициента передачи на частоте f_дч., вносит больший фазовый сдвиг. Максимальный фазовый сдвиг ФНЧ второго порядка составляет 180°, ФНЧ третьего порядка - 270° и т.д. Это приводит к тому, что обратная отрицательная связь, реализуемая в схеме ФАПЧ в области нижних частот, может превратиться в положительную обратную связь и при выполнении условия баланса амплитуд в петле ФАПЧ возникают колебания самовозбуждения. Поэтому применение в цепи обратной связи ФАПЧ ФНЧ второго порядка и более высоких порядков требует анализа устойчивости схемы ФАПЧ.



4.3 Выбор микросхем

В настоящее время ведущие фирмы выпускают серийные ДПКД, работающие в диапазоне частот до 7 ГГц, а ГУН в диапазоне частот до 17 - 18 ГГц. Для совместной работы ГУН и ДПКД используют делители частоты на 2, которые работают на частотах до 18 - 20 ГГц. На рисунке 3.2. показана структурная схема синтезатора частот на 14 ГГц. ГУН работает на частоте 14ГГц. Синтезатор частот выполнен на микросхеме ADF 4107, работающей в диапазоне частот до 7 ГГц. Поэтому между ГУН и ДПКД схемы синтезатора включен прескалер (делитель частоты на 2,микросхеме HMC492LP3). С выхода прескалера сигнал ГУН с частотой 7 ГГц поступает на ДПКД.

Рисунок 3.2- Схема цифрового синтезатора частоты

В ходе выполнения данного раздела:

1) Изучены принципы построения цифровых синтезаторов частот и разработана структурная схема СЧ (рис. 3.1).

2) Выбраны микросхемы для реализации СЧ в заданном диапазоне частот:

- ГУН, который работает на частоте 20 ГГц;

- частота ОКГ fокг=10 МГц;

- Синтезатор частот выполнен на микросхеме ADF 4107, работающей в диапазоне частот до 7 ГГц;

- прескалер (делитель частоты на 2) намикросхеме HMC492LP3;

3) Проведен расчет коэффициентов деления ДЧ и ДПКД, для обеспечения заданных значений частоты выходного сигнала (равного20 ГГц) и сетки частот (шаг сетки частот: 2 МГц): Кдч=10;Кдпкд=20•10³

5. Выбор микросхем для практической реализации функциональных схем СВЧ-Т

В соответствии с исходными данными система связи должна обеспечить передачу цифрового сигнала 150 Мбит/с используя формат 64 КАМ. Анализ современной элементной базы показал, что в настоящее время имеются недорогие усилители, обеспечивающие в диапазоне частот до 20 ГГцзначениекоэффициента шума 2,6 дБ и мощность выходного сигнала 55 мВт. Усилители большей мощности имеют большую стоимость и меньшую номенклатуру.

Для выбора усилителей используем микросхемы, параметры которых приведены ниже:

Синтезатор частот выполнен на микросхеме ADF 4107. Характеристики схемы приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1- Характеристики схемы ADF4107

Тип синтезатора	Синтезируемая частота, fвых МГц	Опорнаячатота, fвх, МГц	Коэффициент деления	Частота, fфд, макс, МГц	Разрешение
			R	N		?N	?f,кГц
Одноканальные синтезаторы типа Integer- N
ADF4107	1000…7000	20…250;<20	1…16383	56…524287	104	1	1,9…13,35

Делитель частоты выполнен на микросхеме HMC 432.Характеристики схемы приведены в таблице 5.2.



Таблица 5.2 - Характеристики схемы НМС 432

Partnumber	Function	InputFreq. (GHz)	Inputpower (dBm)	100 kHz SSB Phase Noise (dBc/Hz)	OutputPower (dBm)	Biassupply	Package
		min	max
HMC492LP3	Divide-by-2	0.2	18	-15	-150	-4	+5V, 78mA	Chip

МШУ выполнен на микросхеме HMC565. Её параметры приведены в таблице 5.3.

Таблица 5.3- Характеристики микросхемы НМС 565

Partnumber	Function	FrequencyRange (GHz)	Gain (dB)	OIP3 (dBm)	NF (dB)	OP1dB (dBm)	Package
НМС565	Lownoiseamplifier	12-20	22	20	2.5	10	Chip

В результате выполнения четвертого раздела получили следующие результаты:

1) Рассчитано значение коэффициента шума РПрУ:

- K_s= 1,8 или K_sдБ = 2,6 дБ.

2) Рассчитанозначение мощности выходного каскада РПдУ при отсутствии потерь в атмосфере:

- P_п=55 мВт.

3) Произвели выбор необходимых микросхем:

- МШУ на микросхеме HMC 565;

- СЧ на микросхеме ADF 4107;

- ДЧ на 2 намикросхеме HMC432.

Заключение

В данном курсовом проекте разработаныфункциональные узлы цифровой системы передачи, использующей QAM-модуляцию. В результате проанализированы характеристики системы для заданного вида модуляции: определены ширина спектра выходного сигнала, требования к линейным и нелинейным искажениям, погрешность разности фаз квадратурных составляющих. Разработана структурная схема приемопередающего устройства, обоснован выбор типа микросхем для построения системы связи. Разработаны отдельные узлы приемопередающего устройства: синтезатор частот, модулятор, выходной каскад.

Список литературы

1. Кореневский С.А. «Методы и устройства формирования и обработки телекоммуникационных сигналов. Часть 3»: Метод. пособие по курсовому проектированию для студ. спец. «Системы радиосвязи, радиовещания и телевидения»,«Многоканальные системы телекоммуникаций» /всех форм обуч. Мн.: БГУИР, 2006г. -52с.

2. Кореневский С.А. «Методы и устройства формирования и обработки телекоммуникационных сигналов. Часть 2»: Метод. пособие для проведения практических занятий «Системы радиосвязи, радиовещания и телевидения»,«Многоканальные системы телекоммуникаций» /всех форм обуч. Мн.: БГУИР, 2005г. - 53с.

3. Клюев Л.Л. «Теория электрической связи».- Мн.: Дизайн ПРО, 1998г. -335с.

Размещено на Allbest.ru

...