Принципы построения полифазных фильтров в интегральных приемниках

Сначала кратко рассмотрим принципы построения полифазных фильтров, которые применяют в ФКК и квадратурных модуляторах для получения двух колебаний: синфазного и квадратурного.

Простейшая схема полифазного фильтра (по существу, фазовращателя на π /2) приведена на рис. 10.9. Здесь генератор U _оп является источником гармонических колебаний. Амплитудные и фазовые соотношения между сигналами U ₁ и U ₂ на выходах такого фазовращателя при возбуждении от идеального источника напряжения определяются следующими выражениями:

Только при w₀ = 1/ получают то есть U ₁ = U ₂. Неравномерность АЧХ фазовращателя при идеальной ФЧХ является неизбежным следствием реализации фазовращателя на пассивных - элементах с сосредоточенными параметрами.

Рис. 10.9

Отметим, что указанные выходные напряжения снимаются с соответствующих узлов относительно общей шины, т.е. в данном случае реализуются несимметричные выходы. Ранее подчеркивалось то важное обстоятельство, что в интегральной схемотехнике для эффективного подавления синфазных сигналов широко используются устройства с дифференциальными (симметричными) входами и выходами. На рис.10.10 изображена схема более сложного полифазного фильтра, в которой источник опорного напряжения U _оп гармонической формы подключен симметричным образом, а две пары выходных дифференциальных сигналов, как следует из рис. 10.11, имеют фазовый сдвиг π /2 во всем диапазоне частот.

Рис. 10.10

Рис. 10.11

Из анализа АЧХ, полученных с различных выходов (рис.10.12), можно сделать вывод о том, что только на частоте w = w₀ (в данном случае f ₀ = 100 кГц) амплитуды выходных напряжений будут равны.

Рис. 10.12

Указание. Задавшись номиналами R и C, студентам следует произвести компьютерные расчеты АЧХ и ФЧХ схем полифазных фильтров, изображенных на рис. 10.10 и рис.10.13, затем выполнить анализ полученных характеристик и сформулировать особенности функционирования таких фильтров.

Рис.10.13

Для уменьшения неравномерности АЧХ полифазного фильтра в широкой полосе частот следует увеличивать количество звеньев фильтра, уменьшать технологический разброс пассивных компонентов, а также выполнять условие питания схемы от источника эдс и условие высокоомной нагрузки. Так например, уже в трехзвенном фильтре возможно уменьшение неравномерности АЧХ до величины в пределах 1дб [3].

Применение полифазных фильтров позволяет также решить очень важную задачу – эффективного подавления зеркального канала в приемнике, в котором используется низкая промежуточная частота. С этой целью в современных приемниках применяется квадратурный смеситель, на выходах которого сигналы основного и зеркального каналов оказываются на одной частоте, но сдвинутыми по фазе на 90°. Наличие этого фазового сдвига дает возможность разделить сигналы и подавить сигнал зеркального канала.

Существуют две схемы, позволяющие это сделать. Первая предполагает подключение дифференциальных выходов квадратурного смесителя к двум фильтрам, которые не различают сигналы основного и зеркального каналов. При этом сигналы основного и зеркального каналов присутствуют в двух парах выходов смесителя, и сигналы одной из пар выходов сдвинуты относительно сигналов другой пары выходов на 90°. Подавление сигнала зеркального канала достигается за счет дополнительного сдвига фазы выхода одного фильтра на 90° и сложения этого сигнала с сигналом со второго фильтра. В этом случае сигналы зеркального канала, поступавшие с разных пар выходов смесителя, оказываются в противофазе и ослабляются. Такой способ известен в литературе как метод фазового подавления зеркального канала.

Более выгодным является второй способ, который предполагает замену двух отдельных фильтров одним полифазным фильтром [4]. Полифазный фильтр, изображенный на рис. 10.14, является пассивным и его работа не ограничена динамическим диапазоном операционных усилителей, как в случае использования комплексных фильтров [3].

Рис.10.14

Аппаратно полифазный фильтр (ПФ) представляет собой последовательное соединение n каскадов, каждый из которых имеет четыре входа, четыре выхода и состоит из четырех RC-элементов. Входным сигналом каждого отдельного каскада является дифференциальное напряжение , выходным сигналом – дифференциальное напряжение Каждый каскад ПФ симметричен относительно входа и выхода.

ПФ, как и комплексный фильтр, предполагает для подавления зеркального канала наличие на его входах квадратурных компонентов комплексного сигнала на фиксированной промежуточной частоте. В методических указаниях к практическому занятию №15 показано, что в результате преобразования сигнала основного канала на промежуточной частоте будут получены квадратурные компоненты сигнала с положительными синфазной и квадратурной составляющими. И наоборот, в результате преобразования сигнала с зеркальной частотой на промежуточной частоте будут получены квадратурные компоненты сигнала с положительной синфазной составляющей и отрицательной квадратурной составляющей.

Указание. Предложить студентам провести компьютерное моделирование ПФ и подтвердить эффект подавления зеркального канала.

В заключение следует отметить, что второй метод (с использованием ПФ) имеет три преимущества. Во-первых, частотная характеристика полифазного фильтра зависит от разности фаз между его входными сигналами. Таким образом, в противоположность первому способу он имеет полосу пропускания для основного канала и полосу подавления (режекции) для зеркального. Во-вторых, в приемниках с низкой промежуточной частотой полоса частот передаваемого сигнала является значительной по отношению к центральной частоте фильтра, то есть фильтры должны иметь низкую добротность. Частотная характеристика обычного низкодобротного полосового фильтра несимметрична относительно центральной частоты полосы пропускания, в то время как у полифазного фильтра она симметрична. Это второе его преимущество. Третье достоинство полифазных фильтров состоит в том, что для одного и того же уровня подавления зеркального канала технологический разброс параметров элементов схемы на него влияет меньше, чем на схему в которой использованы отдельные фазосдвигающие фильтры.

Второй способ реализован в ИМС с высокой степенью интеграции типа 180SMIC MIX 02 (предприятие “Интеграл”, Республика Беларусь), которая содержит квадратурный смеситель и полифазный фильтр и в диапазоне частот 1571 – 1606 МГц реализует подавление зеркального канала на 35 дб (при квадратурных сигналах, отличающихся от 90° не более чем на 3°).

Список рекомендуемой литературы

1. Богатырёв Е.А., Ларин В.Ю., Лякин А.Е. Энциклопедия электронных компонентов. Большие интегральные схемы. – М.: ООО ”МАКРО ТИМ”, 2006. – 224с.

2. Богатырёв Е.А. Микроэлектронные аналоговые и аналого-дискретные устройства приема и обработки радиосигналов. – М.: Издательский дом МЭИ, 2007. – 264с.

3. Галкин В.А. Основы программно-конфигурируемого радио. – М.: Горячая линия – Телеком, 2013. – 372с.

4. Бердышев С.Н., Денисов И.Л. Влияние амплитудно-фазовых ошибок квадратурных сигналов на характеристики полифазных фильтров.- Севастополь: Изд-во СевНТУ, вып.10, 2010.