Структурные схемы цифровых радиопередающих устройств (стр. 2 из 3)

3. Непрямая модуляция (модуляция с преобразованием частоты вверх) является наиболее популярной, так как позволяет реализовать все преимущества супергетеродинных передатчиков, в частности, спектральную чистоту сигнала и низкое энергопотребление квадратурного модулятора. Легко предотвратить затягивание частот гетеродина и просачивание его сигнала в антенну. Недостаток -трудность изготовления фильтров, а также необходимость генерирования двух частот генераторов.

Рис. 1.5.

4. Передатчики с петлей трансляции используют петлю ФАПЧ для частотной модуляции и одновременно преобразования частоты модулированного сигнала вверх до значения рабочей частоты. Существует несколько вариантов схем с петлей трансляции, одна из них обсуждалась в главе, посвященной синтезаторам частоты, рис.2.4.2.1. На этом рисунке приведена схема с прямой модуляцией ГУН в петле ФАПЧ, она допускает очень высокую степень интеграции и малое энергопотребление, но имеет некоторый дрейф частоты при размыкании петли ФАПЧ на время прохождения модулирующих импульсов. Существуют более качественные методы модуляции в петле ФАПЧ, например, модуляция частоты опорного сигнала. В любом случае, в этих схемах не удается получить виды модуляции с изменяющимся значением огибающей.

Передатчики, построенные на основе контроллеров информационного тракта, являются весьма экономичными, так как эти контроллеры работают на невысоких тактовых частотах (например, 13 или 26 МГц), могут работать в СВЧ диапазоне, имеют низкий уровень побочных продуктов в спектре выходного сигнала. Они позволяют получить в одном радиоканале сигнал с одной несущей частотой, т.е. реализовать один канал передачи информации. Для современных систем связи этого недостаточно, требуется формировать на выходе передатчика одновременно сигналы с несколькими несущими частотами, что гораздо удобнее, чем складывать в общей нагрузке (в «комбайнере» - сумматоре мощных сигналов, либо в эфире) сигналы нескольких передатчиков. Кроме того, в связи с быстрым развитием техники телекоммуникаций может потребоваться не одна смена стандарта связи без смены комплекта приемо-передающей аппаратуры. Все это возможно в более сложных цифровых радиопередающих устройствах, построенных на основе специализированных цифровых процессоров передатчиков (TSP), которые будут рассмотрены в следующей главе.

2. Цифровые синтезаторы частоты с косвенным синтезом (ФАПЧ)

Современные средства цифрового формирования и обработки сигналов позволяют получать цифровые модулированные ВЧ или ПЧ сигналы с частотами до сотен МГц. Как известно из параграфа 2.2.2 настоящего учебного пособия, существуют высококачественные быстродействующие ЦАП, позволяющие перевести цифровой сигнал в аналоговую форму для подачи (через фильтр) на вход усилителя мощности передатчика, либо на вход смесителя, повышающего частоту сигнала до необходимого значения перед его усилением по мощности. Такой вариант имеет свои преимущества - возможность формировать сложные многочастотные сигналы (например, 8 модулированных несущих с разносом частот в 100 кГц одновременно), позволяют менять все параметры излучения, в том числе и стандарт связи путем смены только программного обеспечения. Недостатком их можно считать относительно низкую экономичность и наличие заметных паразитных составляющих в спектре сигнала.

Наиболее простым вариантом цифрового передатчика с цифровым выходом на ПЧ/ВЧ можно считать комбинацию из цифрового сигнального процессора (DSP) и прямого цифрового синтезатора частоты (DDS), рис. 2.1. При этом DDS должен иметь одиночный (не квадратурный) выход, как, например, AD7008 (рис.2.4.1.5), AD9830 (рис.2.4.1.4). Такой передатчик может формировать сигналы с амплитудно-фазовыми видами модуляции (АМ, ЧМ, SSB, PSK, FSK, QAM) на частотах до десятков МГц.

Рис. 2.1.

Так как тактовые частоты современных DDS не превышают сотен МГц, а максимальная рабочая частота DDS может быть около 0.4 от тактовой, то для повышения несущей частоты требуются дополнительные элементы наилучшим вариантом здесь является квадратурный СВЧ модулятор в интегральном исполнении. Принцип его работы описан в той же главе. Структурная схема такого передатчика, способного работать на частотах до 2.5 ГГц, показана на рис. 2.2.

Рис. 2.2.

Типовая структурная схема более совершенного цифрового приемопередатчика показана на рис. 2.3. Она является стандартной для современных цифровых приемопередатчиков и может быть реализована, в зависимости от требований к частотному диапазону и к алгоритму обработки сигнала, на различной элементной базе. В частности, ядро формирования цифровых ВЧ сигналов может быть выполнено на основе:

· стандартного цифрового сигнального процессора (DSP) - если требуется сигнал с относительно невысокой частотой - до 1 МГц;

· ПЛИС (FPGA) очень высокой степени интеграции, т.е. с эквивалентным количеством вентилей, исчисляемым миллионами;

· стандартных ИМС нескольких типов - цифрового сигнального ВЧ процессора приемника (RSP) в приемном тракте; цифрового сигнального ВЧ процессора передатчика (TSP) в передающем тракте, который может быть заменен (как вариант исполнения передающего тракта без отдельного ВЧ ЦАП) на цифровой модулятор, модулируемый DDS или цифровой преобразователь частоты вверх (QDUC); элементная база этого варианта передающего тракта была подробно рассмотрена в предыдущем разделе.

Рис. 2.3.

Для сравнения некоторых возможностей перечисленных выше стандартных ИМС, задействованных в цифровом приемопередатчике VersaCOMM фирмы Analog Devices, приведена табл. 2.1. Перечислим названия этих ИМС (описание работы некоторых из них дано в разделе 2):

RSP: AD6620 (1-2-х-канальная, 65 MSPS), AD6624 (1-2-4-х-канальная, 80 MSPS), AD6634 (2-х-канальная W-CDMA, 80 MSPS);

TSP: AD6622 (1-2-4-х-канальная, 75 MSPS), AD6623 (1-2-4-х-канальная, 104 MSPS);

QDUC: AD9853 (65 МГц, QPSK, 16-QAM цифровой модулятор с 10-разрядным ЦАП), AD9856 (200 MSPS квадратурный цифровой преобразователь частоты с 12-разрядным ЦАП), AD9857 (200 MSPS квадратурный цифровой преобразователь частоты с 14-разрядным ЦАП).

Табл.3.2.1.

Встроенные возможности VersaCOMM	RSP	TSP	QDUC
Преобразование частоты с высокоскоростным генератором с цифровым управлением (NCO)	+	+	+
Автоматическая регулировка уровня сигнала	+	+	-
Нецелочисленное изменение частоты выборки	+	+	-
Программное управление характеристиками фильтра	+	+	+
Цифровая модуляция (GMSK, QPSK, 8-PSK)	-	+	+
Интерфейс JTAG и др.	+	+	-
Интерполяционные фильтры	-	+	+
Встроенный на кристалл ВЧ ЦАП	-	-	+

Структура цифрового сигнального процессора передатчика (TSP) AD6622 показана на рис. 2.4. Она включает четыре идентичных цифровых канала с последовательными трехпроводными информационными входами, цифровыми интерполяционными фильтрами (RCF и CIC фильтрами) и цифровым преобразованием частоты с помощью NCO. RCF фильтры являются интерполяционными КИХ фильтрами с коэффициентами, хранящимися в ОЗУ, что позволяет сменить частотные характеристики фильтров путем простой смены коэффициентов через управляющий порт TSP. CIC-фильтры являются гребенчатыми фильтрами, подавляющими «образы» цифровых сигналов перед подачей их на NCO для модуляции параметров вырабатываемых цифровых ВЧ сигналов. Прямые цифровые синтезаторы (NCO) выполнены квадратурными с цифровыми перемножителями-модуляторами I/Q и цифровыми сумматорами для объединения квадратур. Сигналы всех четырех каналов суммируются в цифровом сумматоре и подаются на вход внешнего ВЧ ЦАП. Такая архитектура позволяет получать как узкополосные, так и широкополосные модулированные ПЧ колебания для цифровых и аналоговых стандартов радиосвязи.

Таким образом, благодаря тому, что современные ВЧ ЦАП имеют высокую частоту выборки и широкий динамический диапазон, удается выполнить всю ПЧ часть телекоммуникационного многоканального передатчика в цифровом виде. При этом TSP является «мостом» между DSP и ВЧ ЦАП. Цифровая обработка ПЧ сигнала передатчика обеспечивает высокую повторяемость параметров при производстве, высокую точность и большую гибкость при смене параметров сигнала и даже стандартов, чем сравнимые аналоговые устройства.

Рис. 2.4.

В случае использования в качестве ядра цифрового формирования ВЧ сигналов ПЛИС надо учитывать, что ей необходимы, в отличие от DSP, некоторые внешние элементы: память данных и память программ, тактовый генератор, формирователь шины или схема управления загрузкой и т.п.

Пример реализации цифрового приемопередатчика концепции «Software Designed Radio» фирмы EnTegra на ПЛИС (FPGA) показан на рис. 2.5. Приемопередатчик выполнен в виде карты, вставляемой в слот «материнской» DSP-карты, которая, в свою очередь, имеет PCI-разъем для подключения к материнской плате персонального компьютера.

Рис. 2.5.

Передающая часть устройства, включая «прошивку» ПЛИС, имеет структуру, показанную на рис. 2.6. Она выполняет следующие операции:

· прием данных от DSP по шине OmniBus;

· формирование восьмиканального сигнала стандарта WCDMA;