Реферат

Зміст

Вступ
1 Актуальність теми
2 Мета і задачі роботи
3 Огляд досліджень та розробок
3.1 Аналіз концепції побудови SDR
3.2 Типова структура SDR приймача для телекоммуникацій
3.3 Обрання прототипу для досліджень динамічного діапазону і його аналіз
3.4 Динамічний діапазон радіоприймача
3.5 Огляд існуючих методів розширення динамічного діапазону
3.5.1 Модифікація частоти
3.5.2 Ємнісний зв’язок
3.5.3 Калібрування постійного струму
3.5.4 Метод АРП
3.6 Обґрунтування необхідності моделювання
4 Створення моделі для досліджень
4.1 Створення моделі для досліджень в середовищі програми System View
4.2 Дослідження в умовах двотонового сигналу
Висновки
Перелік посилань

Вступ

Радіосистеми використовуються всюди. Вони існують як окремі пристрої прийому та передачі, або входять до складу інших пристроїв, таких як GPS, мобільний телефон, ноутбук, маршрутизатор та ін.

Сучасне використання радіопристроїв вимагає уніфікації обладнання, щоб воно мало можливість застосування для різних задач і цілей. Тому виникла ідея SDR (Software Defined Radio, програмно-залежне радіо, програмно керована радіосистема).

Але широке використання радіопристроїв призвело до того, що вони почали створювати суттєві завади одне одному. Дуже сильний вплив на якість прийому чинять потужності сигналів. Якщо, наприклад, ведеться прийом від супутникової станції, а близько до приймальної супутникової антени знаходиться потужне джерело (наприклад, базова станція WiMAX), то вхід супутникової антени може бути перевантажений потужним сигналом побічної станції, що призведе до неможливості прийому сигналу із супутника.

Ця проблема називається проблемою недостатнього динамічного діапазону приймача. Однак перепони динамічному діапазону (як наслідок і якості прийому) можуть складати не тільки зовнішні завади. Навіть всередині самого радіоприймального пристрою знаходяться причини погіршення якості прийому. Ними є: реальні нелінійні характеристики (TOI, Third-Order Intercept) в пристроях, які повинні бути лінійними (наприклад, підсилювач), нелінійності в АЦП (аналого-цифровому перетворювачі), фліккер шуми, пряме детектування.

1 Актуальність теми

Динамічний діапазон залежить від чутливості тавпливає на вибірковість, а також на параметри систем, до яких входить радіоприймальний пристрій, такі як точність відтворення сигналів, пропускну здатність, електромагнітну сумісність тощо.

Якщо на перших етапах розвитку техніки радіоприймання вимоги до динамічного діапазону були другорядними, то на сучасному етапі вони зростають з кожним роком. Це пояснюється тенденцією підвищення вимог до якості радіоприймання, а також ускладненням електромагнітних обставин. Останнє пов’язано із ростом енергетичного рівня всіляких завад, а також із ростом їх числа та видів. Також спостерігається тенденція до комплексування радіоапаратури, що розміщується на обмежених площах (судно, літак тощо) чи тієї, що працює від спільних антенних пристроїв (прийомо-передавальні комплекси).

Тому актуальною задачею радіоприймальної техніки є задача розширення динамічного діапазону радіоприймального пристрою (РПП) та приведення його до відповідності із вхідними впливами в умовах реальних електромагнітних обставин.

Розширення динамічного діапазону також дозволяє спростити вимоги до вибіркових систем РПП. В результаті стане можливою побудова РПП з високою якістю приймання без перелагоджень преселектору. Це дозволить побудувати пристрої із досяганням високих значень вибірковості по сусіднім каналам. А також майже виключити налагоджувальні операції при виробництві.

2 Мета і задачі роботи

Метою магістерської роботи є підвищення вірогідності прийому за рахунок розширення динамічного діапазону SDR приймача.

Задачі:

1. Дослідження та аналіз концепції побудови SDR приймачів.
2. Дослідження та аналіз факторів, що визначають динамічний діапазон SDR приймача.
3. Аналіз існуючих методів розширення динамічного діапазону SDR приймача.
4. Розробка концепції розширення динамічного діапазону SDR приймача.
5. Аналіз ефективності створеної концепції.

Об’єктом дослідження є динамічний діапазон SDR приймача.

Основний метод дослідження — імітаційний.

Передбачувана новизна: створення комплексного підходу до розширення динамічного діапазону SDR приймача.

3 Огляд досліджень та розробок

3.1 Аналіз концепції побудови SDR

SDR є однією з форм трансівера, в якому, ідеально, усі аспекти його роботи, визначаються за допомогою універсальних апаратних засобів загального призначення, що конфігуруються за допомогою програми. Ідеальне SDR повинно мати у своєму складі АЦП/ЦАП, антену та пристрій цифрової обробки сигналів (рис. 1).

Однак, на сьогодення, на практиці, така схема вельми неефективна. У ній мають місце просочування із каналу передачі до каналу прийому, погана узгодженість антени з АЦП/ЦАП. Тому цю схему (рис. 1) слід сприймати як деяку абстракцію, ідею втілення SDR. Більш конкретною вважається структурна схема SDR, зображена на рис. 2. Будемо називати цю схему (рис. 2) структурною схемою ідеалізованого SDR, тому що вона ще не є схемою реального пристрою, але вже наближена до неї.

Ідеалізоване SDR повинно мати наступні характеристики:

1. Вид модуляції, виділення каналів, вибір протоколів, корекція сигналів для передачі або прийому та ін. визначено в програмному забезпеченні підсистеми цифрової обробки сигналів.
2. Ідеальний циркулятор використовується для розподілу приймального і передавального трактів без обмежень по частоті і має повне узгодження з АЦП, підсилювачем потужності (ПП) і антеною.
3. Лінійний (або лінеаризований) ПП, який забезпечує ідеальне перетворення модульованого радіочастотного (РЧ) сигналу від ЦАП в потужний сигнал, придатний до передачі в ефірі [1].

Магістерська робота присвячена дослідженню приймальної частини SDR. Далі будуть наведені дослідження тільки до неї.

3.2 Типова структура SDR приймача для телекомунікацій

На сьогоднішній день існує два популярних принципи побудови приймачів:
1) супергетеродинний;
2) прямого перетворення.

Структурну схему супергетеродинного приймача наведено на рис. 3.

Переваги даної схеми:
1) добра селективність;
2) підсилення розподілено між декількома підсилювачами, що оперують на різних частотах;
3) низький вплив ефекту прямого детектування;
4) формування I/Q сигналів здійснюється для постійної частоти.

Недоліки:
1) порівняно висока складність;
2) необхідність наявності декількох гетеродинів;
3) необхідність наявності якісних фільтрів ПЧ, що завадить досягненню реалізації приймача на одній мікросхемі;

Структурну схему приймача прямого перетворення наведено на рис. 4.

Такий приймач є найпростішим. Має в своєму складі мінімальну кількість вузлів, необхідних саме для прийому сигналів. Сигнал з антени також потрапляє на малошумлячий підсилювач (МШП) та преселективний фільтр. Далі за допомогою єдиного гетеродину (який також слугує формувачем I/Q сигналів) переноситься на частоту приймання. Далі сформовані I/Q сигнали підсилюються і передаються на АЦП.

Переваги:
1) низька складність побудови;
2) придатність до побудови на інтегрованих схемах;
3) невисокі вимоги до фільтрів;
4) наявність одного гетеродину.

Недоліки:
1) вплив ефекту прямого детектування;
2) вимоги до гетеродину підвищуються, бо саме від нього залежить на якій частоті буде працювати приймач.

Слід зазначити, що для обох принципів побудови SDR можлива реалізація розділу I/Q сигналів як в аналоговій частині, так і цифровими засобами.

Найчастіше обирають варіант реалізації I/Q сигналів в аналоговій частині, бо таким чином вдається розширити спектральну смугу передачі сигналу в цифрову систему обробки. Стає можливим розширити смугу приймання до частоти, рівної частоті дискретизації АЦП.

За теоремою Котельникова необхідно, щоб частота дискретизації мінімум в два рази перевищувала частоту сигналу, що дискретизується. Отже АЦП може точно відтворити тільки ті сигнали, що в два рази нижче його частоти дискретизації.

Якщо використовувати реалізацію приймача з одним АЦП, а отже з цифровим виділенням I/Q сигналів, то смуга приймання дійсно буде в два рази нижче частоти АЦП.

Якщо ж використовувати реалізацію приймача з аналоговим виділенням I/Q сигналів (два АЦП), то смугу прийому вдається отримати рівною частоті дискретизації АЦП. Це стає можливим завдяки I/Q сигналам, адже вони представляють компоненти одного і того ж самого сигналу, але зсунуті за фазою на 90° одна від одної. Якщо обоє АЦП зв’язані за тактуючою частотою, то при надходженні сигналу беруться одночасно відліки по I та Q сигналам. Отже за кожний такт дискретизації беруться два відліки одного і того ж самого сигналу. Відліки являють собою рівні сигналу, але зсунені за фазою (у часі). Таким чином можна приймати смугу частот, рівною частоті дискретизації АЦП.

3.3 Обрання прототипу для дослідження динамічного діапазону та його аналіз

Для дослідження динамічного діапазону обираємо приймач з прямим перетворенням (рис. 4). Вибір обґрунтовано тим, що реалізація приймача прямого перетворення простіша та перспективніша з точки зору розвитку схемотехнічної реалізації. Порівняльну характеристику двох принципів побудови приймачів наведено у табл. 1.

Таблиця 1 — Порівняльна характеристика супергетеродинного приймача і приймача прямого перетворення

Супергетеродинний приймач	Приймач прямого перетворення
Основна селекція здійснюється на проміжній частоті	Основна селекція здійснюється на низькій частоті
Основне підсилення на проміжній частоті, що вимагає використання високочастотних підсилювачів	Основне підсилення на низькій частоті, що простіше та дешевше реалізувати
Дзеркальний канал розташовано тим ближче до основного, чим вище значення ПЧ, тим ближче він до основного. Селективність приймача за дзеркальним каналом забезпечує преселектор. Для його спрощення бажано підвищувати значення ПЧ, що робить необхідним робити фільтр основної селекції більш складним та дорожчим. Інші побічні канали прийому можна визначити відповідно до формули mfc±nfгет=fПЧ, де m і n будь-які цілі числа. Інтенсивність завад зменшується з ростом m і n	Щоб завада попадала в смугу пропускання фільтра-преселектора, для будь-якого побічного каналу прийому повинно виконуватися співвідношення mfc±nfгет=F, де F — дуже низька звукова частота. Приблизно можна вважати mfc±nfгет=0. Генерування гармонік сигналу в перемішувачі майже випадковий процес, так як для цього необхідні рівні сигналу, наближені до рівня гетеродинного. Тому m=1, отже побічні канали утворюються лише на частотах гармонік гетеродину 2fгет, 3fгет і т. д. Навіть прості фільтри майже повністю відфільтрують ці компоненти. Залишається лише дзеркальний канал основної гармоніки гетеродина. Для пригнічення цього ефекту використовуються програмні засоби, що діють ефективніше аналогових
Для цього типа приймачів характерні інтерференційні свисти при налаштуванні приймача на частоти mfгет.ПЧ±nfгет. В такому випадку на вхід приймача потрапляють гармоніки чи комбінаційні частоти двох гетеродинів приймача	Інтерференційні свисти в гетеродинному приймачі взагалі відсутні, оскільки мається тільки один гетеродин

За наведеними причинами проектування хорошого супергетеродину стає вельми складною задачею, оскільки потрібно враховувати комбінаційні частоти двох гетеродинів. Це ставить у вигідне становище приймач прямого перетворення. Суб’єктивно ефір здається “чистішим” і, окрім того, почувши слабкий сигнал можна бути впевненим, що станція працює на частоті налаштування приймача, а не на якій-небудь іншій частоті.

Для практичних досліджень було обрано схему, розроблену радіоаматором Tasic Sinisa (YU1LM/QRP) [9].

Ця схема має наступні характеристики:

1. Точка IP3 лежить на рівні 32–36 дБм.
2. Чутливість (MDS) від –117 до –123 дБм (0,6–0,8 мкВ).
3. Пригнічення дзеркального каналу 35–60 дБ.
4. SFDR дорівнює 94–96 дБ. Такий результат досягнено для сигналів з інтервалом 5 кГц та більше.

Усі вимірювання здійснено за використання зовнішньої 24-бітної звукової карти SB Audigy NX2. Наведена схема являє собою аналогову частину SDR приймача, в якому використовується пряме перетворення спектру — сигнал з РЧ відразу переноситься на частоту обробки сигналу.

Гетеродин реалізовано як дільник частоти та фазообертач. На двох тригерах частота опорного генератора ділиться на 4, та на виходах тригерів формується сітка фаз 0°, 90°, 180°, 270°. Частота опорного генератора гетеродину має бути в 4 рази вище частоти гетеродину. Така необхідність викликана вимогами до “чистоти” сигналу гетеродину від частотних та фазових шумів.

3.4 Динамічний діапазон радіоприймача

Динамічний діапазон радіоприймача — це відношення максимальної потужності вхідного сигналу в смузі пропускання радіоприймача до порогової чутливості радіоприймача. Зазвичай динамічний діапазон виражається у децибелах [2].

динамічний діапазон приймача залежить від факторів, що впливають на рівні сигналів, що приймаються:

1. Чутливість. Характеризує здатність пристрою приймати слабкі сигнали [3].
2. Динамічний діапазон за інтермодуляційними завадами (вільний від інтермодуляційних завад, Spurious Free Dynamic Range, SFDR). Дорівнює величині динамічного діапазону, за якого подальше збільшення амплітуди вхідного двотонового сигналу призводить до утворення їх продуктів інтермодуляції в смузі прийому [1, 4, 5].
3. Динамічний діапазон за компресією (забиттям). Найбільш характерний для підсилювачей. Характеризується зниженням коефіцієнта підсилення при наростанням вхідного сигналу вище рівня забиття [6].
4. Динамічний діапазон за блокуванням. Природа виникнення спотворень схожа с тою, що розглянута при описанні SFDR. Але сигнали, що викликають завади в смузі прийому є позасмуговими [4].
5. Пряме детектування. Це зсув рівня сигналу, що приймається в результаті переносу спектру з РЧ на нульову частоту (при співпаданні частоти сигналу з ефіру і сигналу гетеродину.
6. Фліккер шум. Шум електронних елементів.
7. Динамічний діапазон АЦП. Нелінійності і параметри аналого-цифрового перетворювача [7].

Для вирішення проблеми недостатнього динамічного діапазону SDR приймача існує ряд засобів: модифікація частоти, ємнісний зв’язок, калібрування постійного струму, метод автоматичного регулювання підсилення (АРП), узгодження рівнів сигналів.

Але не можна сказати, в якому випадку, який метод буде давати найбільшу ефективність, а також, чи будуть дані методи ефективні у комплексі, аніж по-одному.

Таким чином, задача дослідження залежності динаміного діапазону від різних факторів, так саме, як і методів його розширення є вельми актуальною.

3.5 Огляд існуючих методів розширення динамічного діапазону

3.5.1 Модифікація частоти

Полягає в тому, що частота опорного генератора гетеродину зміщується за частотою щоб завадити впливу ефекту прямого детектування внаслідок наводок генератору на інші ланки схеми та дії власних шумів (частотних і фазових).

Для зсуву за частотою можуть бути використані різні прийоми:
1) множення, ділення, або дрібне перетворення частоти (рис. 5);
2) використання генератора зсуву (рис. 6).

Усі прийоми передбачають використання опорного генератору, що не знаходиться на необхідній гетеродину частоті.

Перший прийом полягає в тому, що частота гетеродину модифікується напряму через використання засобів множення та ділення частоти.

Другий полягає у використанні додаткового генератора зсуву, що виконує зсув частоти гетеродину на необхідну частоту [1].

3.5.2 Ємнісний зв’язок

Ефект прямого детектування викликає виникнення постійної напруги після перенесення сектру із РЧ на частоту прийому. Тому, встановивши роздільні ємності після перемішувачів, можна завадити появі постійної напруги.

Однак, ємності будуть діяти як ВЧ фільтр і частоти, які є інформативними, можуть бути задавлені. Тому такий прийом є доречним для сигналів, які мають відносно широкий спектр, тобто не зосереджені біля однієї частоти.

Приклад методу [1] наведено на рис. 7.

3.5.3 Калібрування постійного струму

Полягає в тому, що виміряється рівень постійної компоненти і виробляється сигнал компенсації, що додається до первісного сигналу, тим самим, вирівнює амплітуду сигналу відносно нуля.

Калібрування може здійснюватися як цифровим, так і аналоговим шляхами (а саме вимірювання, бо складання сигналів повинно бути аналоговим). Але у випадку цифрового вимірювання виникає потреба використання додаткових ЦАП, що будуть виробляти сигнал корекції.

Цей метод, подібно до ємнісного зв’язку, буде пригнічувати певну частину спектру в області нульових частот. Але він є більш дієвим відносно ємнісного зв’язку, адже можна досягти такої якості, якої не дасть ні один конденсатор.

Отже такий метод є вельми коштовним, але має беззаперечні переваги перед ємностями.

Приклад методу [1] наведено на рис. 8.

3.5.4 Метод АРП

Регулювання підсилення допомагає завадити перевантаженню ланок потужними компонентами, а також виділити слабкі компоненти, підвищуючи рівень сигналу, тим самим роблячи його більш придатним до оцифрування АЦП.

Приклад методу [1] наведено на рис. 9.

3.5.5 Метод узгодження шуму ефіру з чутливістю приймача

Для узгодження шуму ефіру з чутливістю приймача необхідно ввести атенюатор, що буде “опускати” рівень спектру до рівня чутливості, тим самим розширюється динамічний діапазон приймача. Атенюатор доречно робити змінним, адже при наявності сильних завад слід його сильніше вводити, а при відсутності доречно зменшувати його вплив [5, 6].

3.6 Обґрунтування необхідності моделювання

При проектуванні радіоприймача необхідно враховувати властивості елементів, їх взаємодію і вплив на процедуру обробки сигналу. Але через досить високий рівень шумів, як самих елементів, так і вимірювальної техніки, точно дослідити вплив елементів на якість прийому досить важко. Тому проблемою є виявлення впливу характеристик елементів на якість прийому. Для цього було прийнято рішення створення моделі системи, для можливості керування характеристиками елементів з метою вивчення впливу цих характеристик на динамічний діапазон.

4 Створення моделі для досліджень

4.1 Створення моделі для досліджень в середовищі програми System View

Щоб дослідити властивості прототипу було створено модель у пакеті System View (рис. 10).

Для оцінки роботи системи її характеристики наближено до ідеальних.

Результат роботи наведено на рис. 11. Для очищення сигналу від похибки моделювання застосовуємо зважуюче вікно Ханнінга.

Було виконано дослідження в умовах однотонового сигналу. Встановлено, що модель веде себе адекватно.

4.2 Дослідження в умовах двотонового сигналу

Для того, щоб оцінити якість прийому сигналівв рамках обмеженого динамічного діапазону, проведено дослідження в умовах двотонового сигналу. За результатами цього дослідження можна судити про якість відновлення сигналу більше наближеного до реального, а також оцінити розподільну здатність прийому.

Для дослідження було обрано довільним чином, але з тенденцією до спадання захисного інтервалу між сигналами. Обрано інтервали 10 кГц, 5 кГц, 3 кГц. Результати дослідження наведено на рис. 12.

Із спектрів видно, що із зменшенням інтервалу між сигналами, розподільна здатність прийому спадає. Задовільною вона є ще при 5 кГц интервала, інтервалу, а вже при менших значеннях розділити сигнали становиться набагато складніше.

Загалом спектр виглядає «чистим», хоча спостерігається його підіймання на декілька дБ. Це пояснюється більшим впливом ефекту розтікання спектру внаслідок обмеженості часу реалізації симуляції. Справді, при збільшенні часу реалізації, загальний рівень спектру (саме шуму, а не сигналів) опускається.

Висновки

SDR приймач являє собою універсальний пристрій, який може об’єднувати в собі функції різних інших радіопристроїв. Дотримуючись концепції SDR, ідеальний SDR приймач повинен містити в своєму складі якомога менше елементів.

Реалізувати в повному обсязі концепцію SDR стає можливим лише за достатнього динамічного діапазону SDR приймача.

В рамках дослідження виконано:

1. Аналіз концепції побудови SDR приймачів. В ході аналізу з’ясовано, що ідеальне SDR має складатися тільки з АЦП, ЦАП, антени та пристрої цифрової обробки (рис. 1). Також визначено, що SDR має перепони динамічному діапазону крім тих, що притаманні звичайним приймачів, властиві саме апаратурі SDR.
2. Дана характеристика динамічному діапазону. Визначено, що він має обмеження як “зверху”, так і “знизу”, які, перш за все, пов’язані з власними шумами і нелінійностямі елементів. Основні параметри динамічного діапазону: чутливість, SFDR, динамічний діапазон за компресією, динамічний діапазон за блокуванням.
3. Визначено проблеми, пов’язані з недостатнім динамічним діапазоном. З’ясовано, що побудова надійних та багатофункціональних пристроїв неможлива за відсутності широкого динамічного діапазону.
4. Поставлено мету і задачі, які повинні бути виконані під час написання магістерської роботи.
5. Розглянуто типові структури побудови SDR приймачів. Серед розглянутих були виділені два найбільш ефективних і популярних — супергетеродинний і прямого перетворення частоти. Були з’ясовані їх переваги та недоліки. Головною перевагою супергетеродинні схеми є те, що вона забезпечує поділ I/Q сигналів на фіксованій частоті, отже, баланс фаз і амплітуд необхідно виконувати лише для однієї частоти. Недоліками супергетеродину є наявність декількох гетеродинів і складність придушення побічних каналів прийому. Перевагами приймача прямого перетворення є простота його побудови і наявність всього одного гетеродина, а також більш проста фільтрація і пригнічення побічних каналів. Недоліками такої схеми є необхідність побудови досить стабільного гетеродину.
6. Були проаналізовані фактори, що визначають динамічний діапазон. З’ясовано, що виникнення завад головним чином пов’язано із підсилювачами і власними шумами ланок. Проте визначальним елементом для динамічного діапазону SDR приймача є АЦП, оскільки саме від нього безпосередньо залежить, яким буде опрацьований сигнал.
7. Обрано прототип для подальших досліджень. Цим прототипом стала схема сербського радіоаматора Tasic Sinisa (YU1LM/QRP) [9].
8. На основі прототипу створена імітаційна модель для подальших досліджень.
9. Проведено дослідження створеної моделі в ідеальних умовах для однотонового і двухтонового сигналу.
10. Визначено, що на якість прийому у високій мірі впливають як розрядність АЦП, так і частота дискретизації сигналу. Також для досягнення максимального динамічного діапазону необхідна хороша реконструююча фільтрація оцифрованого сигналу.

Подальші напрями досліджень:

1. Більш детальне дослідження впливу АЦП на якість прийому.
2. Наближення моделі до реальних умов.
3. Розробка концепції розширення динамічного діапазону SDR приймача.
4. Створення рекомендацій щодо розширення динамічного діапазону SDR приймача.

При написанні даного реферату магістерська робота народилась на стадії написання. Остаточне завершення — грудень 2012 року. Додаткова довідка та матеріали роботи можуть бути отримані у автора, або його керівника.

Перелік посилань

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/...