Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение
1 Актуальность темы
2 Цели и задачи работы
3 Обзор исследований и разработок
3.1 Анализ концепции построения SDR
3.2 Типовая структура SDR приемника для телекоммуникаций
3.3 Выбор прототипа для исследования динамического диапазона и его анализ
3.4 Динамический диапазон радиоприемника
3.5 Обзор существующих методов расширения динамического диапазона
3.5.1 Модификация частоты
3.5.2 Емкостная связь
3.5.3 Калибровка постоянного тока
3.5.4 Метод АРУ
3.6 Обоснование необходимости моделирования
4 Создание модели для исследований
4.1 Создание модели для исследований в среде программы System View
4.2 Исследование в условиях двухтонового сигнала
Выводы
Перечень ссылок

Введение

Радиосистемы используются повсеместно. Они существуют как отдельные устройства приема и передачи, либо входят в состав других устройств, таких как GPS, мобильный телефон, ноутбук, маршрутизатор и пр.

Современное использование радиоустройств требует унификации оборудования, чтобы оно имело возможность применения для различных задач и целей. Поэтому возникла идея SDR (Software Defined Radio, программно-зависимое радио, программно управляемая радиосистема).

Но широкое использование радиоустройств привело к тому, что они начали создавать существенные помехи друг другу. Очень сильное влияние на качество приема оказывают мощности сигналов. Если, к примеру, ведется прием от спутниковой станции, а близко к приемной спутниковой антенне находится мощный источник (например, базовая станция WiMAX), то вход спутниковой антенны может быть перегружен мощным сигналом побочной станции, что приведет к невозможности приема сигнала со спутника.

Эта проблема называется проблемой недостаточного динамического диапазона приемника. Однако преграды динамическому диапазону (как следствие и качеству приема) могут составлять не только внешние помехи. Даже внутри самого радиоприемного устройства находятся причины ухудшения качества приема. Ими являются: реальные нелинейные характеристики (TOI, Third-Order Intercept) в устройствах, которые должны быть линейными (например, усилитель), нелинейности в АЦП (аналого-цифровом преобразователе), фликкер шумы, прямое детектирование.

1 Актуальность темы

Динамический диапазон зависит от чувствительности и влияет на избирательность, а также на параметры систем, в состав которых входит радиоприемное устройство, например на точность восстановления сигнала, пропускную способность, электромагнитную совместимость, и т. д.

Если на первых развития радиотехники вопросы динамического диапазона считались второстепенными, то на современном этапе они стают важнее с каждым днем. Это объясняется тенденцией повышения требований к качеству приема, а также усложнением электромагнитной обстановки. Последнее связано с ростом энергетического уровня всяких помех, а также с ростом их числа и видов. Также наблюдается тенденция к комплексированию радиоаппаратуры, которая размещается на ограниченных площадях (судно, самолет, и т. п.) или той, что работает от общих антенных устройств (приемо-передающие комплексы).

Таким образом, актуальной задачей радиоприемной техники является задача расширения динамического диапазона радиоприемных устройств и приведение его в соответствие с входными воздействиями в условиях реальной электромагнитной обстановки.

Расширение динамического диапазона позволяет также упростить требования к избирательным схемам радиоприемных устройств. В результате станет возможной построение приемников с высоким качеством приема без перестройки преселектора. Это позволит создавать устройства с хорошей избирательностью, а также упростить настроечные операции при производстве.

2 Цели и задачи работы

Целью магистерской работы является повышение достоверности приема за счет расширения динамического диапазона SDR приемника.

Задачи:

1. Исследование и анализ концепции построения SDR приемников.
2. Исследование и анализ факторов, определяющих динамический диапазон SDR приемника.
3. Анализ существующих методов расширения динамического диапазона SDR приемника.
4. Разработка концепции расширения динамического диапазона SDR приемника.
5. Анализ эффективности созданной концепции.

Объектом исследования является динамический диапазон SDR приемника.

Основной метод исследования — имитационный.

Предполагаемая новизна: создание комплексного подхода к расширению динамического диапазона SDR приемника.

3 Обзор исследований и разработок

3.1 Анализ концепции построения SDR

SDR является одной из форм трансивера, в которой (в идеале) все аспекты его работы определяются при помощи универсальных аппаратных средств общего назначения, которые конфигурируются программно. Идеальное SDR должно состоять из АЦП/ЦАП, антенны и устройства цифровой обработки сигналов (рис. 1).

Однако, на сегодняшний день, на практике такая схема весьма неэффективна. В ней имеют место утечки из канала передачи в канал приема, плохая согласованность антенны и АЦП/ЦАП. Поэтому данную схему (рис. 1) стоит воспринимать как некоторую абстракцию, идею воплощения SDR. Более корректной считается структурная схема SDR, изображенная на рис. 2. Будем называть данную схему (рис. 2) структурной схемой идеализированного SDR, так как она еще не является схемой реального устройства, но уже приближена к ней.

Идеализированное SDR должно обладать следующими характеристиками:

1. Вид модуляции, выделение каналов, выбор протоколов, коррекция сигналов для передачи или приема и пр. определено в программном обеспечении подсистемы цифровой обработки сигналов.
2. Идеальный циркулятор используется для разделения приемного и передающего трактов без ограничений по частоте и имеет полное согласование с АЦП, усилителем мощности (УМ) и антенной.
3. Линейный (либо линеаризованный) УМ, который обеспечивает идеальное преобразование модулированного радиочастотного (РЧ) сигнала от ЦАП в мощный сигнал, приспособленный для передачи в эфире [1].

Магистерская работа посвящена исследованию приемной части SDR. Далее будут приведены исследования только для нее.

3.2 Типовая структура SDR приемника для телекоммуникаций

На сегодняшний день существует два популярных принципа построения приемников:
1) супергетеродинный;
2) прямого преобразования.

Структурная схема супергетеродинного приемника приведена на рис. 3.

Преимущества данной схемы:
1) хорошая селективность;
2) усиление распределено между несколькими усилителями, работающими на разных частотах;
3) низкое влияние эффекта прямого детектирования;
4) формирование I/Q сигналов осуществляется для постоянной частоты.

Недостатки:
1) сравнительно высокая сложность;
2) необходимость наличия нескольких гетеродинов;
3) необходимость наличия качественных фильтров ПЧ, что мешает достижению реализации устройства на одной микросхеме;

Структурная схема приемника прямого преобразования приведена на рис. 4.

Такой приемник является простейшим. Имеет в своем составе минимальное количество узлов, необходимых именно для приема сигналов. Сигнал с антенны попадает на малошумящий усилитель (МШУ) и преселективной фильтр. Далее с помощью единого гетеродина (который также служит формирователем I/Q сигналов) переносится на частоту приема. Сформированные I/Q сигналы усиливаются и передаются на АЦП.

Преимущества:
1) низкая сложность построения;
2) пригодность к построению на интегрированных схемах;
3) невысокие требования к фильтрам;
4) наличие одного гетеродина.

Недостатки:
1) влияние эффекта прямого детектирования;
2) требования к гетеродина повышаются, поскольку именно от него зависит на какой частоте будет работать приемник.

Следует отметить, что для обоих принципов построения SDR возможна реализация раздела I/Q сигналов как в аналоговой части, так и цифровыми средствами.

Чаще всего выбирают вариант реализации I/Q сигналов в аналоговой части, поскольку таким образом удается расширить спектральную полосу передачи сигнала в цифровую систему обработки. Становится возможным расширить полосу приема до частоты, равной частоте дискретизации АЦП.

По теореме Котельникова необходимо, чтобы частота дискретизации минимум в два раза превышала частоту дискретизируемого сигнала. Таким образом, АЦП может точно воспроизвести только те сигналы, которые в два раза ниже его частоты дискретизации.

Если использовать реализацию приемника с одним АЦП, а значит с цифровым выделением I/Q сигналов, то полоса приема действительно будет в два раза ниже частоты АЦП.

Если же использовать реализацию приемника с аналоговым выделением I/Q сигналов (два АЦП), то полосу приема удается получить равной частоте дискретизации АЦП. Это становится возможным благодаря I/Q сигналам, ведь они представляют собой компоненты одного и того же сигнала, но сдвинутые по фазе на 90°. Если оба АЦП связаны по тактирующй частоте, то при поступлении сигнала берутся одновременно отсчеты по I и Q сигналам. Следовательно, за каждый такт дискретизации берутся два отсчета одного и того же сигнала. Отсчеты представляют собой уровни одного и того же сигнала сдвинутые по фазе (во времени). Таким образом можно принимать полосу частот, равной частоте дискретизации АЦП.

3.3 Выбор прототипа для исследования динамического диаазона и его анализ

Для исследования динамического диапазона выбирана структура приемника с прямым преобразованием (рис. 4). Выбор обоснован тем, что реализация приемника прямого преобразования проще и перспективнее с точки зрения развития схемотехнически реализации. Сравнительная характеристика двух принципов построения приемников приведены в табл. 1.

Таблица 1 — Сравнительная характеристика супергетеродинного приемника и приемника прямого преобразования

Супергетеродинный приемник	Приемник прямого преобразования
Основная селекция осуществляется на промежуточной частоте	Основная селекция осуществляется на низкой частоте
Основное усиление на промежуточной частоте, что требует использования высокочастотных усилителей	Основное усиление на низкой частоте, что проще и дешевле реализовать
Зеркальный канал расположен тем ближе к основному, чем выше значение ПЧ. Избирательность приемника по зеркальному каналу обеспечивает преселектор. Для его упрощения желательно повышать значение ПЧ, что создает необходимость делать фильтр основной селекции более сложным и дорогим. Другие побочные каналы приема можно определить согласно формуле mfc±nfгет=fПЧ, где m и n любые целые числа. Интенсивность помех уменьшается с ростом m и n	Чтобы помеха попадала в полосу пропускания фильтра-преселектора, для любого побочного канала приема должно выполняться соотношение mfc±nfгет=F, где F — очень низкая звуковая частота. Приблизительно можно считать mfc±nfгет=0. Генерация гармоник сигнала в смесителе почти случайный процесс, так как для этого необходимы уровни сигнала, приближенные к уровню гетеродинного. Поэтому m=1, значит побочные каналы образуются только на частотах гармоник гетеродина 2fгет, 3fгет и т. д. Даже простые фильтры почти полностью отфильтровывают эти компоненты. Остается только зеркальный канал основной гармоники гетеродина. Для подавления этого эффекта используются программные средства, действуют эффективнее аналоговых
Для этого типа приемников характерные интерференционные свисты при настройке приемника на частоты mfгет.ПЧ±nfгет. В таком случае на вход приемника попадают гармоники или комбинационные частоты двух гетеродинов приемника	Интерференционные свисты в гетеродинном приемнике вообще отсутствуют, поскольку имеется только один гетеродин

По приведенным причинам проектирование хорошего супергетеродина становится весьма сложной задачей, поскольку нужно учитывать комбинационные частоты двух гетеродинов. Это ставит в выгодное положение приемник прямого преобразования. Субъективно эфир кажется «чище» и, кроме того, услышав слабый сигнал можно быть уверенным, что станция работает на частоте настройки приемника, а не на какой-либо другой частоте.

Для практических исследований была выбрана схема, разработанная сербским радиолюбителем Tasic Sinisa (YU1LM/QRP) [9].

Эта схема имеет следующие характеристики:

1. Точка IP3 лежит на уровне 32–36 дБм.
2. Чувствительность (MDS) от –117 до –123 дБм (0,6–0,8 мкВ).
3. Подавление зеркального канала 35–60 дБ.
4. SFDR равен 94–96 дБ. Такой результат достигнут для сигналов с интервалом 5 кГц и более.

Все измерения осуществлены при использовании внешней 24-битной звуковой карты SB Audigy NX2. Приведенная схема является собой аналоговую часть SDR приемника, в котором используется прямое преобразование спектра сигнал с РЧ сразу переносится на частоту обработки сигнала.

Гетеродин реализовано как делитель частоты и фазовращатель. На двух триггерах частота опорного генератора делится на 4, и на выходах триггеров формируется сетка фаз 0°, 90°, 180°, 270°. Частота опорного генератора гетеродина должна быть в 4 раза выше частоты гетеродина. Такая необходимость вызвана требованиями к «чистоте» сигнала гетеродина от частотных и фазовых шумов.

3.4 Динамический диапазон радиоприемника

Динамический диапазон радиоприемника — это отношение максимальной мощности входного сигнала в полосе приема к пороговой чувствительности радиоприемника. Обычно динамический диапазон выражается в децибелах [2].

Динамический диапазон зависит от факторов, которые влияют на уровни принимаемых сигналов:

1. Чувствительность. Характеризует способность устройства принимать слабые сигналы [3].
2. Динамический диапазон по интермодуляционным помехам (свободный от интермодуляционных помех, Spurious Free Dynamic Range, SFDR). Равен величине динамического диапазона, при котором дальнейшее увеличение амплитуды входного двухтонового сигнала приводит к появлению его интермодуляционных компонент в полосе приема [1, 4, 5].
3. Динамический диапазон по компрессии (забитию). Наиболее характерен для усилительной части радиоприемного тракта. Характеризуется снижением коэффициента усиления при наростании входного сигнала выше уровня забития [6].
4. Динамический диапазон по блокированию. Природа возникновения похожа на ту, что рассмотрена при описании SFDR, но сигналы, вызывающие помехи в полосе приема являются внеполосными [4].
5. Прямое детектирование. Это смещение уровня принимаемого сигнала в результате переноса спектра с радиочастоты на нулевую частоту (при совпадении частоты сигнала из эфира и сигнала гетеродина).
6. Фликкер шум. Шум электронных элементов.
7. Динамический диапазон АЦП. Нелинейности и параметры аналого-цифрового преобразователя [7].

Для решения проблемы недостаточного динамического диапазона SDR приемника существует ряд способов: модификация частоты, емкостная связь, калибровка постоянного тока, метод автоматической регулировки усиления (АРУ), согласование уровней сигналов.

Однако нельзя сказать в каком случае, какой метод даст наибольшую эффективность, а также будут ли данные методы более эффективны в комплексе, нежели по-отдельности.

Таким образом, задача исследования зависимости динамического диапазона от различных факторов, также как и методов его расширения является весьма актуальной.

3.5 Обзор существующих методов расширения динамического диапазона

3.5.1 Модификация частоты

Заключается в том, что сигнал опорного генератора гетеродина смещается по частоте чтобы предотвратить влияние эффекта прямого детектирования, который образуется в результате наводок генератора на другие звенья схемы и действия собственных шумов (частотных и фазовых).

Для смещения по частоте могут быть использованы различные приемы:
1) умножение, деление, или дробное преобразование частоты (рис. 5);
2) использование генератора сдвига (рис. 6).

Все приемы предполагают использование опорного генератора, что не находится на необходимой гетеродину частоте.

Первый прием заключается в том, что частота гетеродина модифицируется напрямую через использование средств умножения и деления частоты.

Второй заключается в использовании дополнительного генератора сдвига, который выполняет сдвиг частоты гетеродина на необходимую частоту [1].

3.5.2 Емкостная связь

Эффект прямого детектирования вызывает возникновение постоянного тока после переноса спектра с РЧ на частоту приема. Поэтому, установив разделительные емкости после смесителей, можно препятствовать появлению постоянного тока.

Однако, емкости будут действовать как ВЧ фильтр и частоты, которые являются информативными, могут быть подавлены. Поэтому такой прием уместен для сигналов, которые имеют относительно широкий спектр, т.е. не сосредоточены вокруг одной частоты.

Пример метода [1] приведен на рис. 7.

3.5.3 Калибровка постоянного тока

Заключается в том, что измеряется уровень постоянной компоненты и вырабатывается сигнал компенсации, который прибавляется к исходному сигналу, тем самым, выравнивает амплитуду сигнала относительно нуля.

Калибровка может производиться как цифровым, так и аналоговым способами (именно измерения, потому что сложение сигналов должно быть аналоговым). Но в случае цифрового измерения возникает необходимость использования дополнительных ЦАП, которые будут вырабатывать сигнал коррекции.

Этот метод, подобно емкостной связи, будет подавлять определенную часть спектра в области нулевых частот. Но он является более действенным, чем емкостная связь, ведь можно добиться такого качества, которого не даст ни один конденсатор.

Таким образом, данный метод является весьма дорогостоящим, но имеет неоспоримые преимущества перед емкостями.

Пример метода [1] приведен на рис. 8.

3.5.4 Метод АРУ

Регулировка усиления помогает предотвратить перегрузку звеньев мощными компонентами, а также выделить слабые компоненты, повышая уровень сигнала, тем самым делая его более пригодным к оцифровке АЦП.

Пример метода [1] приведен на рис. 9.

3.5.5 Метод согласования шума эфира с чувствительностью приемника

Для согласования шума эфира с чувствительностью приемника необходимо ввести аттенюатор, что будет «опускать» уровень спектра до уровня чувствительности, тем самым расширяется динамический диапазон приемника. Аттенюатор уместно делать переменным, ведь при наличии сильных помех следует его сильнее вводить, а при отсутствии уместно уменьшать его влияние [5, 6].

3.6 Обоснование необходимости моделирования

При проектировании радиоприемника необходимо учитывать свойства элементов, их взаимодействие и влияние на процедуру обработки сигнала. Однако из-за достаточно высокого уровня шумов, как самих элементов, так и измерительной техники, достаточно точно исследовать влияние элементов на качество приема весьма затруднительно. Поэтому проблемой является обнаружение влияния характеристик элементов на качество приема. Для этого было принято решение создания модели системы для возможности управления характеристиками элементов с целью изучения влияния этих характеристик на динамический диапазон.

4 Создание модели для исследований

4.1 Создание модели для исследований в среде программы System View

Чтобы исследовать свойства прототипа была создана модель в пакете System View (рис. 10).

Для оценки работы системы ее характеристики приближено к идеальным.

Результат работы приведено на рис. 11. Для очистки сигнала от погрешности моделирования применено взвешивающее окно Ханнинга.

Было выполнено исследование модели в условиях однотонового сигнала. Установлено, что модель ведет себя адекватно.

4.2 Исследование в условиях двухтонового сигнала

Для того чтобы оценить качество приема сигналов в рамках ограниченного динамического диапазона, проведены исследования в условиях двухтонового сигнала. По результатам этого исследования можно судить о качестве восстановления сигнала более приближенного к реальному, а также оценить разрешение приема.

Для исследования сигналы были выбраны произвольно, но с тенденцией к убыванию защитного интервала между сигналами. Выбраны интервалы 10 кГц, 5 кГц, 3 кГц. Результаты исследования приведены на рис. 12.

Из спектров видно, что с уменьшением интервала между сигналами, разрешение приема падает. Удовлетворительной она является еще при 5 кГц интервала, а уже при меньших значениях разделить сигналы становится гораздо сложнее.

Весь спектр выглядит «чистым», хотя наблюдается его подъем на несколько дБ. Это объясняется большим влиянием эффекта утечки спектра вследствие ограниченности времени реализации симуляции. Действительно, при увеличении времени реализации, общий уровень спектра (именно шума, а не сигналов) опускается.

Выводы

SDR приемник представляет собой универсальное устройство, которое может объединять в себе функции различных других радиоустройств. Следуя концепции SDR, идеальный SDR приемник должен содержать в своем составе как можно меньше элементов.

Реализовать в максимально возможной мере концепцию SDR становится возможным лишь при достаточном динамическом диапазоне SDR приемника.

В рамках исследования было выполнено:

1. Анализ концепции построения SDR приемников. В ходе анализа выяснено, что идеальное SDR должно состоять только из АЦП, ЦАП, антенны и устройства цифровой обработки (рис. 1). Также определено, что SDR имеет преграды динамическому диапазону помимо тех, что присущи обычным приемникам, свойственные именно аппаратуре SDR.
2. Дана характеристика динамическому диапазону. Определено, что он имеет ограничения как «сверху», так и «снизу», которые, прежде всего, связаны с собственными шумами и нелинейностями элементов. Основные параметры динамического диапазона: чувствительность, SFDR, динамический диапазон по компрессии, динамический диапазон по блокированию.
3. Определены проблемы, связанные с недостаточным динамическим диапазоном. Выяснено, что построение надежных и многофункциональных устройств невозможна при отсутствии широкого динамического диапазона.
4. Поставлено цель и задачи, которые должны быть выполнены во время написания магистерской работы.
5. Рассмотрены типовые структуры построения SDR приемников. Среди рассмотренных были выделены два самых эффективных и популярных — супергетеродинный и прямого преобразования частоты. Были выяснены их преимущества и недостатки. Главным преимуществом супергетеродинной схемы является то, что она обеспечивает разделение I/Q сигналов на фиксированной частоте, следовательно, баланс фаз и амплитуд необходимо выполнять лишь для одной частоты. Недостатками супергетеродина является наличие нескольких гетеродинов и сложность подавления побочных каналов приема. Преимуществами приемника прямого преобразования является простота его построения и наличие всего одного гетеродина, а также более простая фильтрация и подавление побочных каналов. Недостатками такой схемы является необходимость построения достаточно стабильного гетеродина.
6. Были проанализированы факторы, определяющие динамический диапазон. Выяснено, что возникновение помех главным образом связано с усилителями и собственными шумами звеньев. Однако определяющим элементом для динамического диапазона SDR приемника является АЦП, поскольку именно от него напрямую зависит, каким будет обрабатываемый сигнал.
7. Выбран прототип для дальнейших исследований. Этим прототипом стала схема сербского радиолюбителя Tasic Sinisa (YU1LM/QRP) [9].
8. На основе прототипа создана имитационная модель для дальнейших исследований.
9. Проведены исследования созданной модели в идеальных условиях для однотонового и двухтонового сигнала.
10. Определено, что на качество приема в высокой степени влияют как разрядность АЦП, так и частота дискретизации сигнала. Также для достижения максимального динамического диапазона необходима хорошая восстанавливающая фильтрация оцифрованного сигнала.

Дальнейшие направления исследований:

1. Более детальное исследование влияния АЦП на качество приема.
2. Приближение модели к реальным условиям.
3. Разработка концепции расширения динамического диапазона SDR приемника.
4. Создание рекомендаций по расширению динамического диапазона SDR приемника.

При написании данного реферата магистерская работа народилась на стадии написания. Окончательное завершение — декабрь 2012 года. Дополнительная справка и материалы работы могут быть получены у автора, или его руководителя.

Перечень ссылок

1. Kenington P. B. RF and Baseband Techniques for Software Defined Radio / P. B. Kenington // Artech House, 2005. — 352 pp.
2. Горохов П. К. Толковый словарь по радиоэлектронике. Основные термины: около 6 000 терминов / П. К. Горохов. — М.: Рус. яз., 1993. — 246 с.
3. Проектирование радиоприемных устройств. Под ред. Сиверса А.П. / А.П. Сиверс. — М.: «Сов. радио», 1976. — 487 c.
4. Software Defined Radio. Edited by Walter Tuttlebee. / W. Tuttlebee // John Wiley & Sons, Ltd — 2002. — 402 pp.
5. Поляков В. Т. Радиолюбителям о технике прямого преобразования / В. Т. Поляков — М.: Патриот, 1990. — 264 с.
6. Поляков В. Т. О реальной селективности КВ приемников / В. Т. Поляков // «Радио», 1981. — №3–4.
7. Шитиков А. Азбука преобразования. Часть 2.  [Электроныый ресурс] / A. Шитиков // «Chip News» — 2003 — №1 — Режим доступа: http://www.gaw.ru/...
8. Богданович Б. М. Радиоприемные устройства с большим динамическим диапазоном / Б. М. Богданович — М.: Радио и связь, 1984. — 176 с.
9. Sinisa Tasic HF SDR (Software Defined Radio) receivers [Электронный ресурс] / Tasic Sinisa — Режим доступа: http://www.yu1lm.qrpradio.com/...