Схемотехнические решения интерфейсной части

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

По проведению практического занятия №10

Тема занятия:

СХЕМОТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ИНТЕРФЕЙСНОЙ ЧАСТИ

СОВРЕМЕННЫХ ПРИЁМНИКОВ (продолжение)

2. Алгоритм выделения закона угловой модуляции

Такой алгоритм можно получить, выполнив следующую последовательность базовых операций – деления и взятия функции :

При этом появляется неоднозначность, так как функция является периодической. Следует подчеркнуть, что реализация указанных операций сопровождается большими погрешностями даже при цифровой обработке. Поэтому на практике часто используют другие алгоритмы, которые можно реализовать с меньшими погрешностями.

Покажем один из таких альтернативных алгоритмов на примере построения аналого-цифрового частотного демодулятора. На рис. 10.1 изображена структурная схема его чисто аналогового прототипа.

Рис. 10.1

Здесь в структурную схему введены два звена временной задержки Delay на интервал .

Если записать входное частотно-модулированное колебание с начальной фазой как

а также принять и коэффициент передачи ФНЧ в полосе пропускания равным 1, то нетрудно получить

После звена временной задержки

Опустив несложные математические преобразования, на выходе вычитающего устройства получим

По формуле (10.1) на рис. 10.2 построена идеальная детекторная характеристика ЧД (пунктирная линия).

Рис. 10.2

Учитывая зависимость от частоты, так как на входе ФКК включен УПЧ, получим реальную форму детекторной характеристики ЧД (сплошная линия на рис. 10.2).

Если взять за основу структурную схему, показанную на рис. 10.1, то можно предложить структуру аналого-цифрового ЧД (АЦЧД), которая изображена на рис. 10.3.

Рис. 10.3

На этом рисунке «С» - это звено временной задержки на один такт Т, то есть .

Существует ещё один вариант построения аналогового ЧД, а именно с использованием вместо звена временной задержки идеального дифференциатора, который реализует операцию . Структурная схема этого варианта ЧД показана на рис. 10.4.

Рис. 10.4

Указания. 1. Студентам предлагается самостоятельно провести анализ этой схемы, дать расчёт выходного эффекта, построить детекторную характеристику, а затем привести структурную схему аналого-цифрового варианта такого ЧД.

2. Студентам предлагается также показать правильность функционирования варианта формирователя квадратурных компонентов, который содержит фазовращатели на и - (рис. 10.5). Заметим, что такой вариант используется при практической реализации некоторых считывателей для RFID систем.

Рис. 10.5

Отметим, что в однокристальных приёмниках при использовании бинарной частотной манипуляции ЧМ-2 (или FSK-2) демодулятор выполняют на основе D-триггера. Функционирование такого ЧД будет рассмотрено в дальнейшем при обсуждении соответствующей БИС.

Сформулируем основные трудности, возникающие в процессе практической реализации АЦ ФКК:

1) обеспечение высокой идентичности каналов;

2) обеспечение точности реализации приведённых алгоритмов;

3) обеспечение требуемой стабильности характеристик фазовращателей;

4) сопряжение выхода ФКК и входа АЦП.

Кратко рассмотрим выполнение аналого-цифрового демодулятора сигналов с амплитудной и угловой модуляцией на БИС типа МАХ2451 компании MAXIM (рис. 10.6).

Рис. 10.6

На этом рисунке изображена упрощенная схема приёмно-усилительного тракта с двумя квадратурными каналами, в котором использована аналоговая БИС типа МАХ2451, структурная схема которой приведена на рис. 10.7. Частотный диапазон этой БИС, реализованной по КМОП-технологии, не более 80 МГц.

Рис. 10.7

Входной сигнал с антенны приёмника через входную цепь направляется на смеситель, работающий на понижение частоты (down converter), и далее на вход БИС МАХ2451, к выходам двух каналов I и Q которой подключены соответствующие АЦП (A/D). Цифровые сигналы с выходов этих АЦП поступают на постобработку в DSP-процессор, в котором можно реализовать один из алгоритмов цифровых демодуляторов сигналов с амплитудной или угловой модуляцией, рассмотренных нами ранее.

Заметим, что квадратурный модулятор для передающего тракта реализован на основе БИС типа МАХ2452 также компании MAXIM.

Другой вариант БИС высококачественного квадратурного широкополосного демодулятора типа AD8348 разработала компания Analog Devices. Такая БИС предназначена для преобразования сигналов в диапазоне от 50 до 1500 МГц, и её структурная схема изображена на рис. 10.8.

Рис. 10.8

В дополнение к ФКК, со структурой которого мы уже познакомились, БИС AD8348 содержит логарифмический усилитель с перестраиваемым коэффициентом усиления (ЛУ ПКУ) и номинальным коэффициентом усиления 45 дБ, а также дополнительные усилители на выходе каждого из каналов для преобразования несимметричного сигнала в дифференциальный. Такой симметричный выход необходим для подключения АЦП КМОП типа AD9218 с симметричными входами. Логарифмический усилитель позволяет осуществить уменьшение (сжатие) ДД входных сигналов.

На такой БИС рекомендуется выполнять демодуляторы современных сигналов с цифровой модуляцией типа КАМ, ФМ4 и ФМ8, а также эффективно использовать в беспроводных системах связи, включая сотовые системы типа GSM, двухточечные и многоточечные системы передачи информации и подвижной связи.

Указание. Преподавателю рекомендуется продемонстрировать с соответствующими комментариями три слайд-шоу, в которых при помощи анимации показано функционирование различных узлов приёмника с использованием квадратурной обработки при прохождении входных сигналов с цифровой модуляцией вида АМн, ЧМн-2 и ФМн-2.

Полностью цифровые квадратурные преобразователи, в которых на вход ФКК подаётся цифровой сигнал с выхода АЦП, подключенного на выход УПЧ, описаны в [1].

Основные способы реализации канальных ФНЧ в гомодинных приёмниках при

Если в гомодинном приёмнике , то основная обработка в интерфейсной части осуществляется на низкой частоте, что позволяет получать селекцию главным образом с помощью ФНЧ. Остановимся на практической реализации таких фильтров в интегральном исполнении.

Следует отметить, что при создании таких канальных ФНЧ высокого порядка возникают определённые сложности, обусловленные необходимостью селекции существенно различных по своей ширине полос частот. Так, в стандарте GSM полоса сквозной частотной характеристики составляет 100...200 кГц, в стандарте Bluetooth – не менее 1 МГц, в то время как в стандарте WLAN (или Wi-Fi) ширина полосы достигает 20...22 МГц. Требования по избирательности (или по внеполосному ослаблению), что определяется порядком фильтра, также могут варьироваться в больших пределах.

На практике используются следующие способы реализации канальных ФНЧ:

1. Активные RC-фильтры на основе интегральных ОУ (базис ОУ+R+C). Такие фильтры обычно реализуются либо методом операционной имитации на интеграторах, либо некаскадным методом в однородном базисе звеньев первого и второго порядков. Максимальное значение рабочих частот до 200...500 кГц.

2. Микроэлектронные фильтры на переключаемых МОП-конденсаторах (так называемые SC-фильтры). Базис таких фильтров: ОУ на КМОП-транзисторах, МОП-конденсаторы (с ёмкостью не более 10 пФ) и КМОП-электронные ключи. Этой схемотехнике будут посвящены последние практические занятия. Забегая несколько вперёд, скажем, что в этом случае максимальное значение рабочих частот не более 0, 5...1, 0 МГц. Существенный недостаток таких фильтров – повышенный уровень шумов за счёт появления специфических шумов коммутации электронных ключей.

3. Интегральные высокочастотные фильтры с использованием транскондуктивных усилителей (типа ИТУН) с ограниченным коэффициентом усиления. Это так называемые Gm-C фильтры, поскольку используется такой базис: широкополосный транскондуктивный усилитель на КМОП-транзисторах с коэффициентом усиления K ₀ = 30...50 и МОП-конденсаторы малой ёмкости (до 10...15 пФ). В общем случае такие фильтры обладают существенно большим диапазоном рабочих частот, чем фильтры иных типов (до 25...30 МГц) [2].

4. Высокочастотные ФНЧ высокого порядка с использованием SMD-компонентов: чип-резисторов, чип-конденсаторов и чип-катушек индуктивности. Диапазон их рабочих частот до 100 МГц.