В настоящее время наблюдается достаточно интенсивное развитие систем аналоговой и цифровой связи



Скачать 116.72 Kb.
Дата22.06.2019
Размер116.72 Kb.

МЕТОДОЛОГИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ СИСТЕМ ЦИФРОВОЙ СВЯЗИ

А.С. Меркутов

Владимирский государственный университет, merkutov@yandex.ru

В настоящее время наблюдается достаточно интенсивное развитие технических средств аналоговой и цифровой связи. Можно выделить следующие основные тенденции этого процесса: использование сложных видов модуляции, миниатюризация приемных и передающих устройств, снижение мощности потребления, реализация аналоговых и цифровых трактов в одном кристалле, внедрение новых стандартов систем беспроводной связи, широкое использование алгоритмических методов цифровой обработки сигналов и их реализация на базе цифровых сигнальных процессоров. Решить комплекс сложных научно-технических задач, возникающих в процессе разработки устройств приема и обработки информации, в настоящее время не представляется возможным без активного использования систем автоматизированного проектирования (САПР), позволяющих не только значительно снизить сроки проектирования и материальные затраты, но и получить более высокие качественные характеристики.

Несмотря на многообразие реализованных в большинстве универсальных САПР методов моделирования как на схемотехническом, так и на системном уровне, определенные трудности у разработчиков приемных и передающих устройств цифровых сигналов встречаются в их выборе, параметризации и последовательности использования при выполнении сквозных проектов, требующих решения сложных задач как раздельного так и смешанного моделирования аналоговых и цифровых трактов. В данной работе рассмотрены основные этапы автоматизированного проектирования радиоприемного устройства (РПУ) цифровых сигналов с фазовой модуляцией типа QPSK, варьируемой скоростью цифрового потока (30 – 120) кБод и работающего в диапазоне частот (300 – 500) МГц. Процесс проектирования РПУ с применением САПР Advanced Design System (ADS) [1] был реализован в виде последовательности шагов, которые описываются ниже.

1. Выбор структурной схемы РПУ

Для реализации РПУ была выбрана архитектура прямого преобразования сигналов (рис. 1), которая пользуется большой популярностью в последнее время, особенно в связи с разработкой интегральных схем, реализующих основные функции обработки сигнала как в радиочастотных, так и низкочастотных и цифровых трактах [2] . С их использованием можно эффективно решить задачу приема цифровых сигналов с различными типами модуляции и скоростью передачи данных. Для приемников с архитектурой ППС характерны следующие черты: исключение проблемы фильтрации зеркальной частоты, необходимость использования только одного локального генератора в качестве гетеродина, что минимизирует количество источников фазовых шумов в РПУ, малый потребляемый ток и габариты. В то же время, различные побочные эффекты могут приводить к образованию паразитных постоянных напряжений в квадратурных сигналах, появляющихся, например, вследствие интерференции либо офсетных смещений токов и напряжений на входах операционных усилителей, которые обеспечивают фильтрацию базовой полосы сигнала перед цифровой обработкой в демодуляторе.



2. Выбор основных элементов схемы и параметризация их моделей

При проектировании РПУ была использована, в основном, выпускаемая промышленностью интегральная элементная база, компоненты которой при проведении моделирования представлялись в виде линейных и нелинейных функциональных блоков. Модель аналоговых трактов приемника ППС приведена на рис. 2.





Рис. 1. Структурная схема приемника ППС



Рис. 2. Модель РПУ в среде САПР ADS

Ниже приводится краткое описание модели. Два включенных на входе фильтра нижних и верхних частот (S2 и S1), зарегистрированные в библиотеке САПР ADS, полностью соответствуют по параметрам компонентам фирмы Mini-Circuits (SLP-550, PHP-250) и обеспечивают выделение полосы частот в диапазоне (300 – 500) МГц. Малошумящий усилитель AMP1 был параметризован в соответствии со следующими данными на микросхему SGA-2486 фирмы Sirenza: точка компрессии по выходу P1db= 8,5 дБ, точка интермодуляции 3-го порядка по выходу OIP3=20 дБм, коэффициент шума – Кш=2,7 дБ., коэффициент передачи Kp=20 дБ. Элементы ATTEN1, ATTEN2 моделировали работу управляемых аттенюаторов HRF-AT4511 (фирма Honeywell), обеспечиваю­щих регулировку коэффициента затухания в диапазоне 0,7 – 15 дБ каждый. Функциональная схема аналогового квадратурного демодулятора RF2721 фирмы RF Micro Devices моделировалась включением фазовращающего звена PS1 и двух смесителей (MIX3, MIX2) cо следующими параметрами: Кр=14 дБ, Кш=15 дБ, OIP3=10 дБм, точкой интермодуля­ции 2 – го порядка – OIP2=30 дБм. Макромодели X3, X4 вклю­чают в себя аналоговые фильтры нижних частот, реализованные на операционных усилителях серий OP484, AD8606 фирмы Analog Devices, в которых осуще­ствляется фильтрация базовой полосы принимаемого QPSK-сигнала и подавление паразитных постоянных составляющих в квадратурных каналах. Макромодели X5, X6 реализуют функции основного усиления (операционные усили­тели AD8606) и его регулировку . При формировании моделей этих компонент были учтены все наиболее важные параметры, отражающие частотные, шумовые и динамические свойства (полоса единичного усиления, коэффициент нелинейных искажений, офсетные смещения тока и напряжения на входе, спектральные плотности источников шумового тока и напряжения).



3. Этап моделирования с использованием линейных видов анализа в частотной области

В ходе исследований были использованы малосигнальные методы анализа схемы в частотной области и точность полученных результатов, главным образом, определялась адекватностью заданных параметров моделей компонент в требуемом частотном диапазоне. Основные задачи, которые были решены на этом этапе:

- верификация характеристик библиотечных моделей компонент;

- определение амплитудно-, фазочастотных характеристик (АЧХ и ФЧХ), коэффициента шума высокочастотного тракта;

- выбор структуры активных фильтров нижних частот и оптимизация их частотных характеристик;

- оптимизация коэффициентов усиления квадратурных трактов в базовой полосе частот для получения необходимого размаха напряжений на входах цифрового демодулятора.

Из рассчитанных характеристик блока преселекторных фильтров было установлено, что потери в центральной части рабочей полосы частот РПУ составили приблизительно 1,5 дБ и монотонно возрастали до 2,0 дБ к краям диапазона, а частотная зависимость группового времени запаздывания была практически равномерна - ее всплески наблюдались далеко за пределами рабочего диапазона.

Из наиболее важных параметров квадратурного тракта фильтрации, реализующего чебышевскую передаточную функцию на 4-х операционных усилителях, на рис. 3 приведена его АЧХ. Неравномерность в полосе пропускания 60 кГц не превысила значения 0,5 дБ, а подавление на частоте соседнего канала при отстройке 800 кГц было получено не менее 90 дБ. При решении задачи проектирования активного фильтра использовался градиентный метод оптимизации.





Рис. 3. АЧХ активного фильтра базовой полосы
4. Этап моделирования с применением нелинейных методов анализа установившихся режимов

Данный этап был выполнен, главным образом, с использованием метода гармонического баланса (ГБ) [3], который широко используется в последнее время в современных САПР для проведения спектрального анализа нелинейных радиоустройств. Ниже приводится перечень основных задач, которые были решены с применением данного метода:

- покаскадная и сквозная оценка динамических характеристик РПУ;

- оценка точки компрессии динамической характеристики (P1dB);

- оценка точек интермодуляции 2-го и 3-го порядков (OIP2, OIP3);

- оценка сквозных АЧХ, ФЧХ и шумовых характеристик;

- оценка влияния прохождения паразитных сигналов в трактах РПУ;

- приближенная оценка избирательности РПУ по соседним и побочным каналам приема;

- определение отношения сигнал/шум на квадратурных выходах РПУ, необходимое для проектирования цифрового демодулятора.

Для исследования динамических и спектральных характеристик был подготовлен схемный проект модели приемника ППС. Частота входного сигнала была выбрана равной центральной частоте настройки приемника плюс смещение 10 кГц, чтобы предотвратить влияние эффекта блокировки по постоянному току, проявляющегося при нулевой промежуточной частоте; частота гетеродина была принята равной частоте настройки РПУ. Расчет проводился при учете 4-х гармоник по частоте сигнала и гетеродина. Ввиду большой размерности решаемой задачи на итерациях метода ГБ был использован метод подпространств Крылова [4]. Результаты расчета напряжения на квадратурном выходе при изменении мощности входного сигнала от -120 дБм до -20 дБм показаны на рис. 4. При проведении моделирования учитывалось включение 3-х звеньев автоматической регулировки усиления , которое обеспечивалось изменением коэффициентов ослабления в высокочастотных аттенюаторах и сопротивления обратной связи в операционных усилителях квадратурных трактов.





Рис. 4. Оценка уровня сигнала и постоянной составляющей на вы­ходе РПУ
Из результатов анализа видно, что амплитуда напряжения на выходе РПУ на частоте 10 кГц получилась равной при­близительно 2,3 В (маркер m4), что удовлетворяет оптимальным режимам работы канальных аналого-цифровых преобразователей на входе демодулятора. По поведению зависимости уровня постоянного напряже­ния (маркер m5) можно сделать вывод, что он не превышает значения 25 мВ (около 1% амплитуды), что, как показали дальнейшие исследования, оказалось вполне достаточно для качественного восстановления цифрового сигнала с требуе­мым уровнем битовой ошибки 0,001.

Расчет коэффициента шума на квадратурном выходе РПУ проводился в нелинейном режиме при фиксированной мощности входного сигнала (-80 дБм) в диапазоне рабочих частот. Его значение не превысило величины 6 дБ и в дальнейшем было использовано для приближенной оценки чувствительности. При оценке шумовых характеристик были учтены вклады всех функциональных блоков, активных сопротивлений, операционных усилителей, а также фазовых шумов в опорном генераторе.

Для приближенной оценки избирательности РПУ по соседнему и побочным каналам приема был подготовлен про­ект для моделирования в режиме 2-х частотного входного воздейст­вия слабого уровня (-80 дБм). Исследование проводилось в режиме изменения частоты помехи, которая определялось величиной отстройки от принимаемого сигнала и варьировалась в диапазоне от 400 кГц до 12 МГц. Количество учитываемых гармоник по частоте сигнала, помехи и гетеродина в методе ГБ было выбрано, равным трем. В результате моделирования было получено значение избирательности по соседнему каналу (отстройка от частоты сигнала - 800 кГц), равное 72 дБ. Избирательность по побочным каналам приема на частотах, соответствующих субгармоникам гетеродина, не превысила значения 80 дБ.

5. Этап моделирования с использованием методов временного анализа

Основными методами проведения исследований РПУ на данном этапе являлись методы численного интегрирования системы схемных нелинейных уравнений и метод огибающей [4]. Ниже приведены некоторые задачи, которые были решены на этом этапе:

- оценка длительности переходных процессов в квадратурных трактах РПУ, определяющей его инерционность при изменении параметров сигнала;

- спектральный анализ модулированных сигналов в различных трактах РПУ;

- анализ временной зависимости информационного сигнала на выходе демодулятора и квадратурных сигналов;

- анализ чувствительности РПУ;

- исследование 2 - х сигнальной избирательности и режимов блокировки;

- оценка эффективности работы блоков фазовой и тактовой синхронизации в цифровом демодуляторе и оптимизация алгоритмов обработки сигналов.

Рассматриваемый этап проектирования заключался в проведении тестирования модели РПУ в режиме воздействия модулированного входного сигнала. Схема проекта для оценки значения относительной битовой ошибки приведена на рис. 5. В состав модели были включены следующие функциональные узлы: блок формирования модулированного QPSK-сигнала, макромодель аналоговой части приемника (рис. 2), цифровой демодулятор с аналого-цифровыми преобразователями на входах, блок сравнения входного и выходного информационных битовых потоков и расчета относительной битовой ошибки.


Рис. 5. Схема проекта для оценки относительной битовой ошибки приема сигнала

При проведении исследований использовались метод огибающей и метод Гира с включенной опцией шумового анализа, которая позволила учесть все вклады от источников шума в процессе моделирования. Количество учитываемых гармоник по частоте сигнала и гетеродина для метода огибающей было установлено равным трем, что оказалось вполне достаточным для обеспечения сходимости решения при больших уровнях входной мощности. Для более эффективной оценки чувствительности при проведении моделирования был задан режим автоматического изменения мощности входного сигнала в пределах, ориентировочно соответствующих ожидаемому значению чувствительности. На рис. 6 приведены результаты расчета для скорости цифрового потока, равной 60 кБод.





Рис. 6. Зависимость относительной битовой ошибки от мощности входного сигнала

Из рассчитанных зависимостей были получены следующие значения чувствительности РПУ по уровню относительной битовой ошибки, равному 0,001: -100 дБм , -106 дБм и -110 дБм при скорости цифрового потока соответственно равной 120 кБод , 60 кБод и 30 кБод. Исследования РПУ в режиме приема сигналов большого уровня показали, что при входной мощности -15 … -10 дБм уровень битовой ошибки не превысил значения 0,001 при скорости 120 кБод. На рис. 7 приведена модель фрагмента входной части РПУ для оценки работы РПУ в режиме блокировки полезного сигнала помехой. Для этого на вход модели РПУ схемы ( рис. 2) был подключен гармонический источник помехи с частотой, превышающей на 10 МГц значение несущей частоты полезного сигнала. Мощности сигнала и помехи были приняты равными соответственно -90 дБм и -20 дБм. В результате моделирования эффекта блокировки полученное значение BER не превысило 0,001. Основная проблема при выполнении этого этапа была связана с вынужденной необходимостью выбора достаточно малого шага временного анализа в методе огибающей, величина которого обратно пропорциональна частоте отстройки блокирующнго сигнала, что приводило к значительным временным затратам.





Рис. 7. Модель входной части РПУ для исследования режима блокировки

Как известно, существенным недостатком аналоговых схем квадратурных демодуляторов является вносимый ими дисбаланс амплитуд (ΔV) и фаз (Δφ) в канальные сигналы. Приведенные выше результаты оценки чувствительности были получены при учете типовых значений, характерных для интегральной схемы RF2721 - дБ и . На основании результатов временного анализа, полученных при наихудших параметрах демодулятора - дБ и , было установлено, что указанные отклонения практически не оказывают влияние на чувствительность РПУ для требуемых скоростей цифровых потоков.

По результатам выполненных этапов автоматизированного проектирования РПУ цифровых сигналов можно выделить следующие задачи, наиболее эффективно решаемые с помощью современных САПР:

- оптимизация используемой интегральной элементной базы для обеспечения требуемой чувствительности РПУ;

- оптимизация количества каскадов активных фильтров в квадратурных трактах и параметров АЧХ для обеспечения требуемого уровня чувствительности с одной стороны и необходимой избирательности по соседнему каналу приема с другой;

- определение избирательности РПУ по соседнему и побочным каналам приема при вариации нелинейных параметров высокочастотных трактов (P1dB, OIP3, OIP2);

- оптимизация параметров цепей развязки по постоянному току между каскадами в квадратурных трактах для минимизации влияния низкочастотных шумов и паразитных постоянных напряжений на выходах операционных усилителей с одной стороны и минимального искажения цифровых сигналов и необходимой инерционности работы РПУ с другой.

В то же время исследования показали, что наибольшие трудности могут встретиться при моделировании РПУ методом огибающей с учетом включения цепей автоматической регулировки усиления в высокочастотных и низкочастотных квадратурных трактах при увеличении мощности входного сигнала. Это, например, не дает в полной мере оценить инерционность работы РПУ в реальных условиях приема сигналов формата TDMA. Другой недостаток современных САПР заключается в невозможности прямой оценки влияния фазовых шумов и побочных излучений локального генератора и синтезатора частоты на чувствительность РПУ в режиме воздействия модулированных сигналов, что вынуждает проводить автономный анализ этих устройств и по его результатам формировать высокоуровневые модели функциональных блоков с неизбежной потерей точности.



На основании результатов проведенных исследований и выбранной элементной базы был разработан макет РПУ. Цифровой демодулятор QPSK-сигнала был реализован на базе программируемой логической интегральной схемы XC2V250 серии Virtex 2. Экспериментальные исследования макета показали достаточно высокую эффективность предложенной методологии проектирования. Например, погрешность оценки чувствительности при скорости цифрового потока 30 кБод не превысила значения 1,5 дБ. Полученные результаты позволяют сделать вывод о перспективности разработки широкополосных мультистандартных радиоприемных устройств УКВ-диапазона, реализуемых на основе экономичных по стоимости и энергопотреблению структурных схем и технологий.

ЛИТЕРАТУРА





  1. HP Advanced Design System. User’s Guide, HP Part No. E8900-90078, January, 1999.

  2. Меркутов А.С. Особенности использования приемников прямого преобразования сигналов в системах беспроводной мобильной связи / В сб. «Методы и системы обработки информации». - Ч. 2.- М.:Горячая линия – Телеком. - 2004. - С. 34 – 39.

  3. Меркутов А.С. Универсальный алгоритм спектрального анализа умножительных и смесительных каскадов / В сб. «Информационные системы и технологии». - Владимир:ВлГУ. - 1997. - C. 12 – 17.

  4. Kundert K. Introduction to RF Simulation and Its Application // IEEE Journal of Solid-State Circuits. - 1999. - V. 34, - № 9. - P. 1298 – 1319.




Каталог: data -> year2005
data -> Меню настроек
data -> Проектирование приложения мобильной печати для ос android
data -> Дипломный проект по предмету "ремонт и техническое обслуживание автомобилей" на тему "
data -> Добровольский о. Б
data -> «Сравнительный анализ условий ведения малого бизнеса в США и Японии»
data -> Консультация для родителей «Адаптация детей в доу»
data -> Для восстановления видеофайла n нужно
year2005 -> Второе информационное сообщение
year2005 -> Высокоскоростные модули целочисленного деления


Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница