Прокопенко Всеволод Анатольевич
Тема магистерской работы:
Разработка и исследование модема для сверхвысокочастотного радиоканала телекоммуникационной системы.
Научный руководитель: Воронцов А.Г.
|
|
Прокопенко Всеволод АнатольевичТема магистерской работы: |
| [Назад в библотеку] |
Чтобы определить характеристики приемника или передатчика, создаются различные спецификации отчета, которые были получены в результате произведенных измерений. Пожалуй, наименее понимаемые из них, в радиолюбительских кругах это интермодуляционные показатели и как они измеряются. Цель этой статьи заключается в том, чтобы сначала обсудить продукты интермодуляции или интермодуляционные (ИМ) компоненты и то, как они получаются.
При подаче одной и той же частоты (f1) на устройство, чей выход не линейная функция некого порядка, f1 генерируются гармоники, т.е. 2f1, 3f1, 4f1, 5f1, и т.д. (не бывает совершенных устройств и гармоники всегда образуется хотя бы на низких уровнях).
Теперь, если две отдельных частоты поступающих в нелинейное устройство образуются дополнительные гармоники суммы и разницы частот. Это может быть доказано математически, гармоники являются результатом умножения между двумя частотами и, следовательно, появившиеся две новые частоты называются продукты. Если две первоначальные частоты f1, f2 и f2 - частота которая выше, тогда мы можем ожидать две другие компоненты (f1 + f2) и (f2 - f1). Однако на этом все не останавливается. Поскольку имеются гармоники частот f1 и f2, то тогда будет и сумма разница между продуктами всех гармоник и основных частот и между собой. Это интермодуляционные продукты частоты, которых отличаются от гармонических компонент, обсуждаемых в предыдущем пункте. Конечно, если есть более двух основных частот, то появление множества компонент усугубляется.
Можно показать, используя математический ряд, что, когда появляются гармоники они продолжаются вверх по частоте до бесконечности, постепенно уменьшаясь в амплитуде с повышением частоты. Так же, количество интермодуляционных продуктов также может рассматриваться как бесконечное число. Однако мы действительно заинтересованы только в тех которые имеют практическое значение, то есть уровня, достаточного для ухудшения качества нашего сигнала выше некоторого приемлемого уровня.
Для изучения интермодуляционных продуктов мы рассмотрим двух частот f1 и f2, и некоторые из порядки интермодуляционных продуктов. Для определения порядка, мы добавляем гармонических умножения констант двух частот появления интермодуляционных продуктов. Например, (f1 + f2) имеет второй порядок, (2f1 - f2) является третьего порядка, (3f1 - 2f) пятого порядка, и т.д. Давайте рассмотрим две частоты f1 и f2 частот 100 кГц и 101 кГц соответственно, находящихся на 1 кГц друг от друга. Подготовим таблицу 1, содержащая ряд интермодуляционных продуктов.
Таблица 1. Интермодуляционные продукты.
Таблица 2. Продукты нечетного порядка.
Давайте расширим изображение для нечетных продуктов, как показано в таблице 2.
Члены нечетного порядка могут быть видны как понижающиеся и поднимающиеся постепенно с шагом 1 кГц с двух основных частотах f1 и f2, соответственно. Типичный спектр может быть изображен как показано на рис.1.
Рисунок 1 - Спектр Интермодуляционных компонент.
Из всех гармоник и интермодуляционных компонентов, производимых, зачастую интересует лишь те, которые подпадают в зону пропускания нашего оборудования и, в том случае, интермодуляционные компоненты, которые окажутся ближе к нашим основным частотам. Третьи компоненты являются самыми близкими и, как правило, высокими по амплитуде. Из-за этого они, как правило, компоненты которым выделяется наибольшее внимание, и те, которые обычно измеряются и определяют в передатчике и приемнике эксплуатационные характеристики.
Наличие интермодуляционных компонент отражается на работе аппаратуры в различных формах. Для начала рассмотрим звуковые усилители. Наличие любых компонент на выходе усилителя, но не поступающих на вход в нее ухудшает качество сигнала. Искажения, которые могут быть результатом нелинейности усилителя вызывающие появление гармоник частот сигнала сигнала и частоты, называем интермодуляционными компонентами. Таким образом, мы имеем гармонические искажения и интермодуляционные искажения, которые могут быть индивидуально определены.
Некоторые различные эффекты могут возникнуть, когда нелинейность существует в радиочастотном в передатчике, в частности, в оконечном линейных усилителя передатчика. Рассмотрим усилитель передачи боковой компоненты антенны на радиочастоты и вследствие нелинейности, гармоники различных компонент генерируются боковой плюс различных интермодуляционных компонентов. Гармонические составляющие, равно как и интермодуляционные компоненты того же порядка будут располагаться вдали от рабочей частотой, и надеемся, подавятся настроенным усилительным параллельным резонансным контуром и антенны при настройке системы. Но се не так для нечетного порядка интермодуляционных компонентов, которые тесно расположенны около основных компонент, из которых они были произведены. Прежде всего они будут отображаться как звуковые искажения после их получения их самим приемником. Однако это еще не все! Мы видели из предшествующих пунктов, что нечетные компоненты распространения в обе стороны от основных компонентов в прогрессии постепенно уменьшается в амплитуде. Эффект состоит в расширении излучаемого сигнала и получения сигнала, мы воспринимаем в близи боковой полосы всплески. Большинству из нас известно, это создает помехи для других каналов близлежащих по частоте.
Еще одна область, где нечетные интермодуляционные компоненты имеют важное значение, это первый смеситель супергетеродинного приемника. Особая функция смесителя заключается в подготовке той или иной форме нелинейности, так что промежуточные низкой частоте представляет собой сумму или разницу между радиочастотами входящего сигнала и частоты внутреннего генератора. Смеситель, таким образом, является основным местом для формирования других интермодуляционных продуктов, которых мы не хотим. Давайте рассмотрим пример. Наш приемник, настроенный на сигнал 1000 кГц, но также имеются две мощные сигналы, f1 и f2 на 1020 кГц и на 1040 кГц соответственно. Ближайшая из них f1 отстоит на 20 кГц от средней частоты нашего сигнала, этап фильтрации полосой 2,5 кГц вполне способен отбросить этот сигнал. Однако радиочастоты до смесителя не на столько отбираются и два сигнала f1 и f2 приходят на смеситель, что свободно порождает интермодуляционные компоненты. Теперь работают третий порядок интермодуляционных компонент (2f1 - f2) и мы получаем (2*1020-1040) = 1000 кГц, лежащие на нашей частоте сигнала. Это лишь один пример того, как интермодуляционные компоненты или внеполосные сигналы могут создавать помехи в рабочем диапазоне.
Другой формой проникновения в приемники, которая является результатом смешения интермодуляционных компонент это кросс модуляция. Это становится более очевидным при рассмотрении AM сигналов и сильного сигнала, отстоящего значительно по частоте от частоты передачи сигнала, здесь происходит модуляция сигнала. Процесс сложный, по причине не линейности приемника, вполне можно предположить, что произойдет перенос и боковых полос внеполосного сигнала, смешивание производит гармоники второго порядка компонентов на звуковые частоты. Из-за той же нелинейности, нежелательные интермодуляционные компоненты появляются в аудио сигнале при приеме. Если приемник сконструирован с хорошей интермодуляционной невосприимчивостью, он будет также иметь хорошую невосприимчивостью к кросс перекрестной модуляции.
Для оценки ресивера по его допуску исходя из внутреннего порождения интермодуляционных продуктов, приемник тестируется по его восприимчивости к интермодуляционным продуктам третьего порядка продуктов, с помощью двух равных по уровню сигналов, подаваемых на его вход разницу подаваемых на его вклад 20 кГц, как правило, расходятся. Приемник настроен на частоту одной из третьего порядка компоненты производные из двух сигналов. Уровень объединяемых сигналов на входе регулируется до тех пор, пока уровень не зафиксируется выходной уровень равный уровню генерируемых собственных шумов. То есть, есть изменение в 3 дБ уровня выхода, когда между состоянием когда они есть и их нет. Уровень компонент третьего порядка, необходимых для создания выхода равный - уровню шумов ресиверу регистрируется. Для последующего обсуждения мы будем называть этот уровень порогом интермодуляционных искажений (IMD floor).
Мы также должны знать, нормальный уровень сигнала входа, который производит аудио выход, равноценный собственному шуму приемника или уровню шумов приемника. Это делается путем настройки приемника: регулируется по уровню одна из двух частот для достижения уровня равного уровню шума.Для целей обсуждения мы будем называть этот уровень пороговым. Разница в дБ между ИМ порогом и порогом сигнала называется Интермодуляционным динамическим диапазоном или ИМ динамическим диапазоном. Чем выше эта разница, тем лучше помехозащищенность от ИМ продукции.
Теперь характеристика для компонент третьего порядка является важной, но их присутствие делает еще более серьезную проблему, чем могло делает сначала показаться. Принимая отсутствие уплотнения (вследствие АРУ и т.д.), выход первоначальных сигналов пропорционален входу, т.е. на 10 дБ разницы входных уровней означает 10 дБ разницы выходных уровней. Однако, выход компонент третьего порядка пропорционален кубу от уровня входного сигнала входа и, для 10 дБ изменения входного уровня, изменение компонент возрастает до 30 дБ.
Теперь посмотрим на рисунок 2. Одина кривая отображает линейный роста уровня исходного сигнала выхода на фона роста исходного сигнала на входе. Другой график отображает прирост уровеня продуктов ИМ третьего порядка выхода на 30 дБ на каждые 10 дБ изменения в уровня входа. На уровене собственных шумов входа, обе кривые разделены разница уровней равна Динамическому Диапазону интермодуляционных искажений. Интермодуляционная кривая имеет больший наклон чем основная, кривой они пересекаются в точке называемой точкой отсечение третьего порядка, где выходной уровень интермодуляционных продукции равен уровню основного сигнала.
Рисунок 2 - Приемник, кривые интермодуляционных показателей..
Точка отсечение третьего порядка как правило, намного выше теоретической точки уровеня перегрузки приемника. Однако, часто для определения характеристики интермодуляционных уровней, и особенно в спецификации пакетов смесителя.
Точка отсечение третьего порядка может быть получена на шкале децибел первого распространения сигнала с линейной кривой сигнала пороговой величины, на уровень шумов оси так, что увеличении объема ввода в дБ равно увеличится уровень в дБ. Пометим ИМ пороговую точку по оси уровень шумов. Это на уровень выше, чем уровень порога сигнала на величину, равную ИМ динамического диапазона. Пометим другой точкой на оси уровеня шумов за ИМ порог центра на величину, равную половине ИМ динамического диапазона. Продливая до вертикали этой точки сигнал кривой, получим Точка отсечение третьего порядка Продлевая от этой точки до центра ИМ порог проводим кривые, как показано на рисунке 2. На диаграмме, уровень шумов входа составляет -120 дБм, третьей компоненты становятся обнаруживаемой на 40 дБм и ИМ динамический диапазон 80 дБ. Теоретически Точка отсечение третьего порядка ввода лежит на уровне 120 дБ уровень шумов выше уровня ввода.
Как видно из кривых на рисунке 2, что выше порогового уровня ИМ, ИМ продукты могут стать довольно серьезной проблемой. Для примера, ИМ продукты внеполосных сигналов на входном уровне -40 дБм, едва лишь ли видны. Увеличение уровне всего лишь 10 дБ и помехе от этих продуктов будет возрастать на 30 дБ.
| [Назад в библотеку] |
© Прокопенко В.А., 2007г.