Основы радиолокации — Супергетеродинный приемник
Супергетеродинный приемник
Для получения желаемой информации принятые радиолокатором высокочастотные (иногда употребляют термин «радиочастотные») эхо-сигналы должны быть преобразованы в видеосигналы. Такое преобразование выполняется в приемнике радиолокатора. Радиолокационный приемник может быть реализован по разным схемам. Наиболее распространенной схемой является схема супергетеродинного приемника. Основные компоненты типовой схемы супергетеродинного приемника приведены на Рисунке 1.
RF
IF
Video
LO
Рисунок 1. Структурная схема супергетеродинного приемника
RF
IF
Video
LO
Рисунок 1. Структурная схема супергетеродинного приемника
RF
IF
Video
LO
Рисунок 1. Структурная схема супергетеродинного приемника
Особенностью супергетеродинного приемника является то, что в нем сигналы высокой частоты вначале преобразуются в сигналы промежуточной частоты, обработка сигналов на которой более проста. Затем сигналы промежуточной частоты усиливаются и детектируются для получения видеосигналов.
На Рисунке 1 приведена типовая структурная схема супергетеродинного приемника. Сигнал несущей частоты с антенны поступает в приемник и попадает в полосовой фильтр. Параметры фильтра подбираются таким образом, чтобы на его выход проходили бы только спектральные составляющие, соответствующие полосе частот ожидаемых сигналов. Часто после фильтра помещают малошумящий усилитель высокой частоты, предназначенный для усиления слабых эхо-сигналов. По причине низкой мощности высокочастотных эхо-сигналов такой усилитель должен иметь низкий уровень собственных шумов, отчего его и называют малошумящим. Далее сигнал высокой частоты поступает на смеситель, на второй вход которого подается сигнал местного гетеродина. В смесителе возникают биения колебаний этих двух частот и выделяется сигнал промежуточной частоты (ПЧ, англ. Intermedia Frequency, IF). Данный процесс называют гетеродинированием. Разница между несущей частотой и частотой местного гетеродина поддерживается постоянной путем подстройки частоты последнего. Эта разница и является промежуточной частотой. Сигнал промежуточной частоты поступает на фильтр и с него на усилитель промежуточной частоты. После усиления сигнал подается на детектор. На выходе детектора наблюдается видеосигнал, представляющий собой огибающую исходного высокочастотного сигнала.
Фильтр зеркальной частоты
Малошумящий усилитель, который располагается на входе приемного тракта до цепей (устройств) преобразования частоты, обеспечивает низкий уровень шума и определяет, в основном, чувствительность всего приемника. Однако это не единственная его функция. Кроме этого, он выполняет функцию подавления сигналов на зеркальных частотах. Граничные частоты полосы пропускания этого усилителя подбираются так, чтобы в нее не попадали мешающие сигналы на зеркальных частотах.
Во многих устаревших радиолокаторах в приемниках отсутствуют малошумящие предварительные усилители (на несущей частоте) и принятый эхо-сигнал поступает сразу на смеситель. Недостатком такой схемы является то, что такой приемник, будучи настроен на определенную частоту, будет принимать сигналы, кроме нее еще и на совершенно другой частоте, которую называют зеркальной.
Наличие же фильтра зеркальных частот приводит к тому, что ширина полосы частот приемника не может быть существенно больше, чем его промежуточная частота. Для устранения данного недостатка приемник строят по супергетеродинной схеме с двойным преобразованием частоты. Такой приемник имеет два каскада преобразования частоты и, соответственно, две промежуточные частоты.
Смеситель
Смеситель используется для переноса принятого эхо-сигнала с несущей частоты на промежуточную. Для этого на второй вход смесителя подается сигнал местного гетеродина. В смесителе возникают биения колебаний этих двух частот и на его выходе наблюдается сумма двух сигналов: на разностной частоте и на суммарной. Чтобы в этом убедиться, достаточно вспомнить формулу произведения двух тригонометрических функций (например, синусов), имеющих разные частоты. Разностная частота, то есть разница несущей частоты и частоты местного гетеродина, является промежуточной частотой. При этом, сигнал на прмежуточной частоте будет возникать как в случае, когда несущая частота выше частоты местного гетеродина, так и в противоположном случае, то есть: f IF = | flocal oscillator – fRF | Этим объясняется эффект возникновения зеркального канала приема — канала приема на «зеркальной» частоте.
Предположим, что промежуточная частота приемника равна 60 МГц, а местный гетеродин генерирует колебания на частоте, более высокой, чем несущая частота эхо-сигнала. Например, приемник настроен на несущую частоту сигнала 1030 МГц. Тогда частота сигнала местного гетеродина 1090 МГц. Данные сигналы перемножаются в смесителе и одна из частот, воникающих в результате этого, а именно, разностная частота 1090 — 1030 = 60 МГц, является промежуточной частотой. Для этого примера «зеркальная» частота имеет значение 1150 МГц, поскольку разница между ней и частотой гетеродина составляет также 60 МГц. То есть входной каскад приемника в нашем случае должен отфильтровывать (подавлять) сигналы на частоте 1150 МГц.
После преобразования частоты и выделения промежуточной частоты сигнал подается на усилитель промежуточной частоты, затем на детектор и далее на видеоусилитель.
Фильтр промежуточной частоты (ПЧ)
Этот фильтр настраивается на требуемое значение промежуточной частоты и, таким образом, отфильтровывает сигнал на этой частоте от сигналов на других частотах, возникающих в смесителе. Он выполняется в виде одного или нескольких полосовых фильтров.
Обычно полосу пропускания фильтра ПЧ делают как можно более узкой, но такой, чтобы она не влияла на фактическую энергию сигнала. Это значит, что полоса пропускания фильтра должна охватывать почти всю полосу частот спектра ожидаемого сигнала. При использовании в радиолокаторе зондирующих сигналов разной длительности (например, короткого и длинного) полоса пропускания фильтра ПЧ должна соответствовать спектрам обоих сигналов.
Усилитель ПЧ
Основное усиление сигнала в приемнике выполняется в усилителе промежуточной частоты. Он же определяет полосу пропускания приемника. Усилитель ПЧ может содержать несколько каскадов усиления, а также может иметь изменяемый коэффициент усиления. Благодаря последнему обеспечивается одинаковый уровень сигналов на выходе усилителя при разных уровнях сигналов на его входе. Тем самым обеспечивается требуемый динамический диапазон приемника.
Детектор
Огибающая
ВЧ-заполнение
Рисунок 2. Вид радиоимпульса на экране осциллографа
Огибающая
ВЧ-заполнение
Рисунок 2. Вид радиоимпульса на экране осциллографа
Детектор радиолокационного приемника служит для преобразования сигналов промежуточной частоты в видеосигналы (Рисунок 2).
Рисунок 3. Простейший детектор
Рисунок 3. Простейший детектор
Простейшей формой детектора является диодный детектор (Рисунок 3). Он выделяет огибающую сигнала. Конденсатор здесь выполняет функцию фильтра нижних частот и подавляет остатки колебаний на промежуточной частоте.
Кроме показанной на рисунках амплитудной модуляции могут использоваться и другие виды модуляции сигналов.
Видеоусилитель
Видеоусилитель усиливает поступающие на него с детектора видеосигналы. Усиленные видеосигналы поступают на устройство индикации. Обычно видеоусилитель строится по схеме усилителя с RC-цепью, в котором используются транзисторы с высоким коэффициентом усиления. При этом видеоусилитель должен обладать достаточно широкой частотной характеристикой. Выходной каскад видеоусилителя, как правило, представляет собой эммитерный повторитель. Обладая низким импедансом, эммитерный повторитель служит для согласования с сопротивлением кабеля (фидера). По кабелю усиленные видеоимпульсы поступают на устройство отображения.
Местный гетеродин
В местном гетеродине генерируется колебание, которое подается на смеситель для получения сигнала на промежуточной частоте.
В большинстве радиолокационных приемников значение промежуточной частоты находится в интервале от 30 до 75 МГц. Исходя из предназначения, местный гетеродин должен быть перестраиваемым и высокостабильным. Например, если частота сигнала гетеродина составляет 3 000 МГц, то нестабильность частоты на уровне всего лишь 0,1% соответствует сдвигу частоты сигнала на 3 МГц. Это примерно соответствует ширине полосы пропускания многих приемников. Следовательно такое смещение частоты приведет к ухудшению усилительных свойств приемника.
Требуемая выходная мощность местного гетеродина обычно мала и для большинства гетеродинов составляет от 20 до 50 мВт. Поэтому в схемах гетеродинов используются кварцевые смесители, имеющие низкое энергопотребление.
Местный гетеродин должен имет достаточно широкий диапазон перестройки частоты (до 1000 МГц!). Перестройка частоты местного гетеродина должна выполняться синхронно с перестройкой частоты передатчика радиолокатора. Благодаря этому поддерживается постоянная разница частот между принятым эхо-сигналом и сигналом местного гетеродина, равная промежуточной частоте приемника. Наиболее распространенной схемой перестройки частоты гетеродина является генератор, управляемый напряжением.
Частота сигнала местного гетеродина может быть как выше несущей частоты зондирующего сигнала, так и ниже ее.
Преимущества промежуточной частоты в радиочастотных системах
Добавлено 30 июня 2018 в 08:20
Сохранить или поделиться
Узнайте о «ПЧ» (IF) – широко распространенном и полезном техническом приеме, используемом во многих беспроводных системах.
До сих пор мы обсуждали радиочастотные сигналы в терминах частотных диапазонов: низкочастотный (базовый) диапазон и радиочастотный диапазон. Этот подход обеспечивает простую концептуальную структуру, в которой RF схемы в основном являются средством преобразования низкочастотного информационного сигнала в высокочастотный передаваемый сигнал, или высокочастотного принимаемого сигнала в низкочастотный информационный сигнал. Эта модель не является неправильной, и предыдущие статьи полностью уместны для систем, которые в дополнение к низкочастотному и радиочастотному сигналам содержат сигнал «промежуточной частоты».
Что такое ПЧ (IF)?
Аббревиатура «ПЧ» (или IF, intermediate frequency) относится к самой промежуточной частоте или, в более общем смысле, к методам на основе промежуточных частот. Как следует из названия, промежуточная частота находится где-то между частотой базового диапазона частот и несущей частотой. Схемотехника ПЧ может быть включена и в передатчик, и в приемник, хотя преимущества технических приемов ПЧ более важны для приемников. Мы обсудим ПЧ в контексте разработки RF приемника, но при чтении имейте в виду, что эти полезные характеристики могут применяться и к передатчикам.
Схема получения сигнала промежуточной частотыВозможно, вы слышали слово «гетеродин» или «супергетеродин». Эти термины относятся к радиочастотному приемнику, который включает в себя промежуточную частоту. Технологии ПЧ были разработаны в первой половине двадцатого века, и в настоящее время системы на основе ПЧ очень распространены.
Несущих много, ПЧ одна
Одним из наиболее интуитивных преимуществ ПЧ является возможность разработать приемник, в котором большее количество схем будет разработано для одного неизменного диапазона частот. До сих пор мы предполагали, что приемник может быть разработан для одной неизменной частоты передатчика, но любой, кто использовал автомобильный радиоприемник, должен понимать, что это далеко от реальности. Фактически, одна из наиболее знакомых характеристик радиочастотного приемника заключается в том, что он может передавать пользователю информацию только одной станции (для радио) или только одного канала (для телевидения) – другими словами, он может быть настроен на разные частоты несущих, и этот процесс настройки позволяет ему выбирать один из передаваемых сигналов и игнорировать все остальные.
Если перестраиваемый приемник не использует промежуточную частоту, все высокочастотные схемы должны быть совместимы с полным диапазоном возможных несущих частот; это нежелательно, потому что проще проектировать радиочастотные компоненты и схемы, оптимизированные для небольшого диапазона частот сигнала. Кроме того, для настройки потребуется несколько регуляторов, потому что будет необходимо подстроить несколько подсхем в соответствии с выбранной частотой. Гетеродинный приемник сначала сдвигает вниз принимаемый спектр в полосу, центрированную относительно промежуточной частоты, а затем работает оставшаяся схема, оптимизированная для этого частотного диапазона.
Минимизация высокочастотной обработки
Еще одним интуитивным преимуществом архитектуры приемника с ПЧ является уменьшенное количество компонентов, которые должны работать на высокой (а иногда и на очень высокой) частоте принимаемого сигнала. Всё становится труднее, когда частоты поднимаются в диапазон гигагерц: транзисторы дают меньшее усиление, пассивные компоненты всё больше отличаются от своих идеализированных моделей, влияние линий передачи становится более заметным.
Конечно, у нас всегда будет, по крайней мере, несколько компонентов, которые совместимы с принимаемой несущей частотой: нам нужен смеситель, который выполняет преобразование РЧ в ПЧ, а перед смесителем может стоять малошумящий усилитель и фильтр подавления зеркального канала (проблема зеркального канала обсуждается в следующей статье). Но подход с промежуточной частотой позволяет нам выполнять в радиочастотном диапазоне только самую необходимую обработку.
Меньшая добротность
Фильтрация является общим требованием для всех типов радиочастотных систем, но в некоторых ситуациях имеют место особенно высокие требования к схемам фильтров. Рассмотрим следующий сценарий: приемник должен извлечь информацию из узкополосного радиочастотного сигнала, который сопровождается сильными мешающими сигналами с частотами, близкими к краям спектра необходимого сигнала.
Полосовой фильтр с недостаточной добротностью может не справиться с подавлением мешающих сигналовПолосовой фильтр используется для подавления этих мешающих сигналов, чтобы они не искажали демодулированные данные; однако создание эффективного полосового фильтра в этих условиях непросто.
Проблема заключается в добротности, которая соответствует тому, насколько избирательным является полосовой фильтр. Например:
Амплитудно-частотные характеристики полосовых фильтров с разной добротностьюКомбинация высокочастотной работы и узкой полосы пропускания требует очень высокой добротности (Q), и в итоге мы достигаем точки, в которой просто невозможно создать полосовой фильтр с достаточной избирательностью. Добротность полосового фильтра определяется следующим образом:
\[Q = {центральная \, частота \over полоса \, пропускания}\]
Таким образом, мы видим, что простым способом уменьшить требуемую добротность является снижение центральной частоты, и именно это позволяет нам сделать технология ПЧ. Ширина спектра сигнала не изменяется, но центральная частота сдвигается до промежуточной частоты.
Более простая квадратурная демодуляция
Из предыдущей главы мы знаем, что квадратурная демодуляция является важной технологией в современных радиочастотных системах. Математические выражения, которые определяют квадратурную демодуляцию и обработку I/Q сигналов, всегда предполагают идеальный сдвиг фазы на 90°. Но в реальной жизни совершенство достигается не так легко, и квадратурная схема не является исключением. Отклонения от идеализированной разности фаз 90°, а также несоответствия амплитуд между каналами I и Q приводят к ошибкам в демодулированных данных.
Это может показаться проблемой квадратурной модуляции в целом; какова связь с приемниками с ПЧ? Оказывается, что эти источники ошибок наиболее заметны в архитектурах без промежуточной частоты, поскольку разделение I/Q происходит на более высоких частотах, и потому что требуются дополнительные компоненты усиления и фильтрации после разделения.
Почему бы не преобразовывать напрямую в низкочастотный сигнал?
Если приемник с ПЧ должен включать в себя высокочастотные схемы для преобразования частоты из РЧ в ПЧ, почему бы просто не использовать частоту основной полосы (НЧ) вместо промежуточной частоты?
Структурная схема приемника прямого усиленияПриемник, который сдвигает сигнал на НЧ вместо ПЧ, относится к архитектуре прямого преобразования (гомодинный приемник, приемник с нулевой ПЧ). Являются ли традиционные преимущества промежуточной частоты (в контексте современных радиочастотных систем) причиной, достаточной для выбора ПЧ вместо метода прямого преобразования? Ответ на этот вопрос несколько сложен, и он выходит за рамки тем, представленных в данной статье. В следующей статье мы рассмотрим более подробную информацию о приемниках с ПЧ, а также обсудим сравнение гетеродинного приемника с приемником прямого преобразования.
Резюме
- Многие радиочастотные системы включают в себя промежуточную частоту (ПЧ, IF), которая ниже несущей частоты и выше частоты базовой полосы частот сигнала. Приемник с ПЧ известен как гетеродинный приемник.
- Использование ПЧ упрощает проектирование перестраиваемых приемников и уменьшает количество компонентов, которые должны быть совместимы с высокими частотами.
- Архитектуры ПЧ упрощают проектирование полосовых фильтров, поскольку уменьшенная центральная частота приводит к требованию более низкой добротности.
- Система на основе ПЧ позволяет реализовать более надежную квадратурную демодуляцию.
Оригинал статьи:
Теги
IF / ПЧ (промежуточная частота)ГетеродинГУН (генератор, управляемый напряжением)ДемодуляцияДобротностьКвадратурная демодуляцияПолоса пропусканияСупергетеродинСохранить или поделиться
Типы радиоприёмников
Супергетеродинный радиоприёмник (супергетеродин) — один из типов радиоприёмников, основанный на принципе преобразования принимаемого сигнала в сигнал фиксированной промежуточной частоты (ПЧ) с последующим её усилением. Основное преимущество супергетеродина перед радиоприемником прямого усиления в том, что наиболее критичные для качества приема части приемного тракта (узкополосный фильтр, усилитель ПЧ и демодулятор) не должны перестраиваться под разные частоты, что позволяет выполнить их со значительно лучшими характеристиками.
Супергетеродинный приёмник изобрёл американец Эдвин Армстронг в 1918 году.
Упрощённая структурная схема супергетеродина показана на рисунке. Радиосигнал из антенны подаётся на вход усилителя высокой частоты (в упрощённом варианте он может и отсутствовать), а затем на вход смесителя — специального элемента с двумя входами и одним выходом, осуществляющего операцию преобразования сигнала по частоте. На второй вход смесителя подаётся сигнал с локального маломощного генератора высокой частоты — гетеродина. Колебательный контур гетеродина перестраивается одновременно с входным контуром смесителя (и контурами усилителя ВЧ) — обычно конденсатором переменной ёмкости (КПЁ), реже катушкой переменной индуктивности (вариометром, ферровариометром). Таким образом, на выходе смесителя образуются сигналы с частотой, равной сумме и разности частот гетеродина и принимаемой радиостанции. Разностный сигнал постоянной промежуточной частоты (ПЧ) выделяется с помощью фильтра сосредоточенной селекции (ФСС) и усиливается одним или несколькими каскадами, после чего поступает на демодулятор, восстанавливающий сигнал низкой (звуковой) частоты. Обычно фильтр ПЧ рассосредоточен по всем каскадам усилителя промежуточной частоты, поскольку ФСС сильно ослабляет сигнал и приближает его к уровню шумов. А в приёмниках с фильтром с рассредоточенной селекцией в каждом каскаде сигнал лишь немного ослабляется фильтром, а затем усиливается, что позволяет улучшить отношение сигнал/шум. В настоящее время фильтр сосредоточенной селекции применяется лишь в относительно недорогих приемниках, выполненных на интегральных микросхемах (например К174ХА10), а также в телевизорах.
В обычных приёмниках длинных, средних и коротких волн промежуточная частота, как правило, равна 465 или 455 кГц, в ультракоротковолновых — 6,5 или 10,7 МГц. В телевизорах используется промежуточная частота 38 МГц. Так как супергетеродинный приёмник хорошо настроен на сигнал с промежуточной частотой, то даже слабый сигнал на этой частоте принимается. Поэтому промежуточная частота применяется для передачи сигналов SOS. На указанных частотах запрещена работа любых радиостанций мира.
Преимущества
Недостатки
Наиболее значительным недостатком является наличие так называемого зеркального канала приёма — второй входной частоты, дающей такую же разность с частотой гетеродина, что и рабочая частота. Сигнал, передаваемый на этой частоте, может проходить через фильтры ПЧ вместе с рабочим сигналом.
Например, если вход настроен на радиостанцию, передающую на частоте 70 МГц, а частота гетеродина равна 76,5 МГц, на выходе фильтра ПЧ будет нормальный сигнал с частотой 6,5 МГц. Однако, в случае присутствия другой мощной радиостанции на частоте 83 МГц её сигнал также может просачиваться на вход смесителя, и разностный сигнал с частотой также 83 — 76,5 = 6,5 МГц не будет подавлен. В таком случае приём сопровождается различными помехами. Избирательность по зеркальному каналу зависит от добротности и числа входных контуров. При двух перестраиваемых входных контурах требуется трёхсекционный конденсатор переменной ёмкости (КПЁ), что дорого.
Для уменьшения помех от зеркального канала часто применяют метод двойного (или даже тройного) преобразования частоты. Подобные приёмники, несмотря на достаточно высокую сложность построения и наладки, стали фактически стандартом в профессиональной и любительской радиосвязи.
В современных приёмниках в качестве гетеродина используется цифровой синтезатор частот с кварцевой стабилизацией.
Регенеративный радиоприёмник (регенератор) — радиоприёмник с положительной обратной связью в одном из каскадов усиления радиочастоты. Обычно прямого усиления, но известны и супергетеродины с регенерацией как в УРЧ, так и в УПЧ.
Отличается от приёмников прямого усиления более высокой чувствительностью (ограничена шумами) и избирательностью (ограничена устойчивостью параметров), пониженной устойчивостью работы.
Схема регенеративного радиоприёмника
История
Изобретён Э. Армстронгом во время учёбы в колледже, запатентован в 1914 году, после этого также запатентован Ли де Форестом в 1916. Это привело к судебной тяжбе продолжительностью в 12 лет, завершившейся в Верховном суде США в пользу Ли де Фореста.
Регенератор позволяет получить наибольшую отдачу от одного усилительного элемента. Поэтому в ранние годы развития радиотехники, когда лампы, пассивные детали и источники питания были дороги, он широко применялся в профессиональных, любительских и бытовых приёмниках, успешно конкурируя с изобретённым в 1918 г. тем же Армстронгом супергетеродином.
Абсолютный рекорд дальности радиосвязи до космической эры был установлен 12 января 1930 г. советским радистом Э.Т. Кренкелем с антарктической экспедицией Р.Э. Бёрда именно на регенеративном приёмнике.
С широким распространением в конце 1930х гг. смесительной лампы-гептода и кварцевых фильтров промежуточной частоты, преимущество супергетеродина в стабильности и избирательности стало решающим, и концу 1940х регенератор был полностью вытеснен из серьёзных применений, оставшись лишь в радиолюбительских наборах для сборки.
Достоинства и недостатки
Достоинства:
Недостатки:
Теоретические основы
В регенеративном приёмнике добротность (Q) колебательного контура повышается путём компенсации части потерь за счёт энергии усилителя, т.е. введения положительной обратной связи.
Добротность = резонансное сопротивление / сопротивление потерь, т.е. Q = Z / R
Положительная обратная связь, компенсируя часть потерь, вносит некоторое отрицательное сопротивление: Qreg = Z / (R — Rneg)
Коэффициент регенерации: M = Qreg / Q = R / (R — Rneg)
Отсюда видно, что при увеличении обратной связи коэффициент регенерации M и добротность могут стремиться к бесконечности, но их практический рост ограничен стабильностью параметров схемы — если изменение коэффициента усиления будет больше 1 / M, то регенератор либо сорвётся в генерацию (если усиление выросло), либо потеряет половину чувствительности и избирательности (если усиление упало).
Для улучшения стабильности и достижения плавности управления вблизи порога генерации, регенератор должен иметь отрицательную обратную связь по уровню сигнала или АРУ. В приведённой схеме такая ООС обеспечивается цепью R1C2 (гридлик, от англ. grid leak — утечка сетки) — сигнал детектируется диодом состоящим из сетки и катода лампы, и выделяется на резисторе R1. Переменная составляющая усиливается и звучит в наушниках, а постоянная подзапирает лампу и снижает её усиление.
Без такой АРУ управление обратной связью будет очень «острым», и если регенератор сорвётся в генерацию, то размах колебаний будет ограничен только источником питания, а остановить его можно будет только намного уменьшив обратную связь (явление гистерезиса). Такой усилитель не годится для использования как регенератор.
Радиоприёмник прямого усиления — один из самых простых типов радиоприёмников.
Блок-схема приёмника прямого усиления
Радиоприёмник прямого усиления (герадеаус) состоит из колебательного контура, нескольких каскадов усиления высокой частоты, квадратичного амплитудного детектора, а также нескольких каскадов усиления низкой частоты.
Колебательный контур служит для выделения сигнала требуемой радиостанции. Как правило, частоту настройки колебательного контура изменяют конденсатором переменной ёмкости. К колебательному контуру подключают антенну, иногда и заземление.
Сигнал, выделенный колебательным контуром, поступает на усилитель высокой частоты. Усилитель высокой частоты (УВЧ), как правило, представляет собой несколько каскадов избирательного транзисторного усилителя. С УВЧ сигнал подаётся на диодный детектор, с детектора снимается сигнал звуковой частоты, который усиливается ещё несколькими каскадами усилителя низкой частоты (УНЧ), откуда поступает на динамик или наушники.
В литературе приёмники прямого усиления классифицируют по числу каскадов усилителей низкой и высокой частоты. Приёмник с n-каскадами усиления высокой и m-каскадами усиления низкой частоты обозначают n-V-m, где V обозначает детектор. Например, приёмник с одним каскадом УВЧ и одним каскадом УНЧ обозначается 1-V-1. Детекторный приёмник, который можно рассматривать как частный случай приёмника прямого усиления, обозначается 0-V-0.
Преимущества и недостатки
Главное преимущество приёмника прямого усиления — простота конструкции, в результате чего его может собрать даже начинающий радиолюбитель. В СССР в 1970-80 гг продавались, а в других странах продаются и ныне, радиоконструкторы — наборы деталей для изготовления приёмника прямого усиления на транзисторах. Кроме того, радиоприёмники прямого усиления (в отличие от супергетеродинных приёмников) отличаются отсутствием паразитных излучений в эфир, что может быть важно, если необходима полная скрытость приёмника.
Основной недостаток приёмника прямого усиления — малая селективность (избирательность), то есть малое ослабление сигналов соседних радиостанций по сравнению с сигналом станции, на которую настроен приёмник (к регенеративному приемнику, являющемуся разновидностью приемника прямого усиления, это не относится). Поэтому этот тип приёмников удобно использовать только для приема мощных радиостанций, работающих в длинноволновом или средневолновом диапазоне (из-за особенностей распространения волн в ионосфере длинноволновые и средневолновые сигналы не могут распространяться слишком далеко, поэтому приёмник «видит» только ограниченное число местных станций). Из-за этого недостатка приёмники прямого усиления не производятся промышленностью и в основном используются ныне только в радиолюбительской практике.
Как правило, радиоприёмники этого типа могут принимать только амплитудно-модулированные радиопередачи. Также обычно необходимо подключение внешней антенны и заземления, в связи с их невысокой чувствительностью, ограниченной усилением.
Радиоприёмник прямого преобразования — вид радиоприемника, в котором принимаемый высокочастотный сигнал преобразуется непосредственно в выходной низкочастотный посредством смешения сигнала гетеродина с принимаемым сигналом. Частота гетеродина равна (почти равна) или кратна частоте сигнала. Также называется гомодинным или гетеродинным — не путать с супергетеродинным.
История
Первые приемники прямого преобразования появились на заре радио, когда ещё не было радиоламп, связи проводились на длинных и сверхдлинных волнах, передатчики были искровыми и дуговыми, а приёмники, даже связные — детекторными.
Было замечено, что чувствительность детекторного приемника к слабым сигналам существенно возрастает, если с приемником был связан собственный маломощный генератор, работающий на частоте близкой к частоте принимаемого сигнала. При приеме телеграфного сигнала были слышны биения со звуковой частотой, равной разности частоты гетеродина и частоты сигнала. Первыми гетеродинами служили машинные электрогенераторы, потом их заменили генераторы на вакуумных лампах.
К 40-м годам приемники прямого преобразования были вытеснены супергетеродинами и приемниками прямого усиления. Обуславливалось это тем, что основное усиление и селекция приемника прямого преобразования осуществлялось на низкой частоте. Построить на лампах усилитель с высокой чувствительностью и малым коэффициентом шума затруднительно. Возрождение приемников прямого преобразования началось в 60-х годах с применением новой элементной базы -операционных усилителей, транзисторов. Стало возможным применение высокодобротных активных фильтров на операционных усилителях. Оказалось что при сравнительной простоте приемники прямого преобразования показывают характеристики, сравнимые с супергетеродинами. Кроме того, так как частота гетеродина приемников прямого преобразования может быть в два раза ниже частоты сигнала, их удобно применять для приема сигналов КВЧ и СВЧ.
Пректирование приемника для систем WiMax с дискретизацией промежуточной частоты, полученной после двойного преобразования с понижением частоты
Базовые понятия
В появляющемся стандарте WiMax осуществлена модуляция OFDM, в которой имеется несколько поднесущих частот с различными IQ модуляционными параметрами, используемыми для достижения высокой скорости передачи данных. Данный стандарт обладает устойчивостью к ошибкам из-за многолучевого распространения сигнала. При многолучевом распространении радиоволн возникает ослабляющая интерференция, приводящая к затуханию части передаваемого спектра частот. Благодаря тому, что информация в модулирующих сигналах распределена по поднесущим частотам, при ослабляющей интерференции теряется незначительная часть данных. Возможность вариации в способе модуляции поднесущих частот позволяет адаптировать передачу сигнала: на больших расстояниях применяется низкая скорость передачи данных и наоборот — данные передаются с большей скоростью на малых расстояниях при высоком отношении сигнал/шум (SNR).
Разнообразие схем модуляции поднесущих частот и способов кодирования приводит к тому, что требования к уровню параметра SNR в приемнике отличаются. Зачение уровня чувствительности в приемнике WiMax определено стандартом IEEE Std. 802.16-2004 как –91 дБм для канала с шириной рабочей полосы частот 1,5 МГц при использовании кодирования QPSK-1/2 и –65 дБм для канала с шириной полосы частот 20 МГц при использовании кодирования 64-QAM-3/4. Поэтому приемник должен иметь коэффициент шума NF = 7 дБ (с введенным запасом 5 дБ).
Стандарт 802.16 определяет максимальный уровень входной мощности (–30 дБм) для успешного обнаружения и детектирования СВЧ-сигнала. При этом предельное (максимально допустимое) значение уровня мощности определяется на уровне не более 0 дБм. Несмотря на то, что базовая станция или абонентский терминал не способны работать с уровнем мощности принимаемого сигнала 0 дБм, оборудование должно быть устойчивым к большим значениям мощности до 0 дБм без повреждения входных СВЧ-каскадов. Стандарт 802.16 также определяет требование по подавлению соседнего канала в приемном устройстве. Для поддержания частоты появления ошибочных битов (BER — частота ошибок по битам) на уровне 10–6 необходимо обеспечить следующие значения отношения мощности помехи в соседнем и несоседнем каналах к желаемому уровню мощности сигнала в рабочей полосе частот канала (табл. 1). При этом желаемый уровень мощности полезного сигнала для разрабатываемой системы должен быть не более чем на 3 дБ больше указанного стандартного значения чувствительности.
Таблица 1. Требования по подавлению соседнего и несоседнего частотных каналов согласно описанию в стандарте 802.16-2004
Архитектура построения приемного канала
На рис. 1 изображен классический вариант приемника с двойным преобразованием с понижением частоты и последующей дискретизацией промежуточной частоты. Архитектура с дискретизацией промежуточной частоты весьма уместна при большой рабочей полосе частот сигнала, что используется в системах WiMax или других системах с несколькими поднесущими. При использовании многократного преобразования с понижением частоты появляется возможность применения нескольких полосовых фильтров, которые способствуют улучшению селективной способности приемника и повышают устойчивость к внешним блокирующим сигналам, которые способны ухудшить чувствительность приемника. Двойное преобразование с понижением частоты позволяет установить достаточно высокое значение первой промежуточной частоты, при этом полоса частот зеркального канала выпадает из полосы пропускания входного СВЧ-тракта, представленного на схеме полосовым СВЧ-фильтром.
Схема приемника, построение которого описано в данной статье, основана на использовании 14-битового АЦП. Для выполнения требований к приемному устройству согласно стандарту 802.16 можно использовать и 12-битовый АЦП. Однако рекомендуется применять 14-битовый АЦП как для однократного преобразования с понижением частоты, так и для сигнала с модуляцией нескольких поднесущих. Данная рекомендация предложена с целью компенсации недостаточно эффективной селективной способности приемника и во избежание насыщения АЦП при наличии высоких уровней мощности источников помех. Для проектирования приемника, способного успешно обеспечивать все возможные варианты скорости передачи данных, необходимо внимательно отнестись к выбору центрального значения промежуточной частоты и убедиться в доступности необходимого ПАВ-фильтра для эффективной селекции промежуточной частоты.
На рис. 2 показаны кривые взаимной модуляции различного порядка для смесителя, используемого совместно с гетеродином после входной части СВЧ-тракта приемника. Согласно приведенному рисунку, для работы в диапазоне 2,3–2,4 ГГц с минимальным числом компонентов взаимной модуляции в спектре на выходе смесителя, которые могут вмешиваться в полезный сигнал, необходимо выбрать первую промежуточную частоту в интервале 210–400 МГц. Серая заштрихованная область определяет относительную ширину рабочей полосы частот, ограниченную значениями ƒRF/ƒLO и ƒIF/ƒLO для промежуточной частоты 374 МГц с использованием частоты гетеродина, меньшей по отношению к частоте принимаемого СВЧ сигнала (LO1 = 1926–2026 МГц). Допускается выбор других центральных значений промежуточной частоты, но при этом следует быть осторожным, так как необходимо убедиться в отсутствии паразитных откликов на выходе первого смесителя, которые могут стать причиной возникновения внутриканальной интерференции. Для рассматриваемого проекта выбрана первая промежуточная частота — 374 МГц. Существует несколько серийно выпускаемых и имеющихся в продаже фильтров ПАВ с различными полосами пропускания фирмы Sawtek, а также других изготовителей, эти фильтры работают на данной центральной частоте нашего приемного устройства.
Далее необходимо рассмотреть получение второй промежуточной частоты. У второго понижающего частоту смесителя есть преимущество: более узкий спектр входного сигнала, как правило, не более 20 МГц. Это позволяет рассмотреть несколько возможных вариантов второй промежуточной частоты в диапазоне от 10 до 70 МГц, а также более высокие значения диапазонов промежуточной частоты, сосредоточенные в пределах частот 107–140 МГц. Выбираем промежуточную частоту 70 МГц с целью исключения гармоник гетеродина высшего порядка, которые могут просочиться назад к приемной антенне и попасть в рабочий диапазон частот. Кроме того, промежуточная частота 70 МГц предусматривает широкий выбор существующих в продаже фильтров ПАВ или, в качестве альтернативы, LC пассивные фильтры на элементах с сосредоточенными параметрами.
После установления конкретных значений промежуточных частот становится возможным рассмотрение работы приемника по каскадам. В таблице 2 приведены ожидаемые динамические характеристики приемника с двойным преобразованием частоты, начиная с выхода полосового фильтра до входного интерфейса АЦП.
Таблица 2. Ожидаемые динамические характеристики каскадов приемника, изображенного на рис. 1
Реализация
Первый компонент в цепи приемника — входной полосовой фильтр. Несколько изготовителей, таких как Anatech Electronics, Inc., K & L Microwave Inc. и Digital Communications Inc., выпускают резонаторные и керамические фильтры, которые работают в диапазоне WCS и нелицензируемом диапазоне частот ISM и используются для стандарта WiMax 2,3–2,5 ГГц. Резонаторные фильтры обладают низким уровнем вносимых потерь: менее 2 и до 60 дБ подавления в полосе режекции фильтра уже при отстройке 25 МГц от центрального значения частоты в полосе пропускания. Более дешевые фильтры на керамической основе обладают подавлением около ~50 дБ в полосе режекции фильтра при отстройке 150 МГц. Выбор типа избирательного фильтра с учетом обеспечиваемых им характеристик зависит от требований по подавлению зеркального канала приемника и ожидаемой величины сигналов помех вблизи рабочей полосы частот. Для данного демонстрационного проекта отобран резонаторный полосно-пропускающий фильтр фирмы Digital Communications Inc. с 10 секциями и центральной частотой 2350 МГц.
Первый каскад малошумящего усилителя (МШУ) следует за входным полосовым фильтром ВЧ-тракта. Вносимые фильтром потери и коэффициент шума первых каскадов доминируют в результирующей чувствительности приемника среди всех составляющих коэффициентов шума. Поэтому можно сделать вывод о том, что очень важно достигнуть низкого коэффициента шума в первом каскаде МШУ. По этой причине был выбран транзистор ATF541M4 GaAs, выполненный компанией Agilent Technologies по технологии pHEMT. Он обладает низким значением коэффициента шума и высокой величиной выходной точки пересечения OIP3. Реализация схемы для первого и второго каскадов МШУ представлена на рис. 3.
Экспериментальные значения коэффициента усиления и коэффициента шума NF приведены на рис. 4.
Для улучшения подавления зеркального канала и минимизации широкополосного шума, поступающего на первый смеситель, при проектировании СВЧ-тракта между первым и вторым МШУ была использована простая схема фильтрации верхних частот. Требования по подавлению в данном случае не очень высокие, так как первый фильтр, выделяющий рабочую полосу, обеспечивает подавление нежелательных сигналов помех, появляющихся на частоте зеркального канала, более чем на 60 дБ. При входном диапазоне рабочих частот от 2,3 до 2,4 ГГц и выбранной промежуточной частоте 374 МГц получаем полосу зеркального канала в диапазоне от 1552 до 1652 МГц.
Между первым и вторым каскадами МШУ был разработан и установлен простой фильтр с 3 полюсами на элементах с сосредоточенными параметрами. Фильтр обеспечивает режекцию полосы частот зеркального канала более чем 20 и менее 2,5 дБ вносимых потерь в рабочем диапазоне частот. Измеренная частотная характеристика и реализация схемы фильтра изображены на рис. 5.
После второго каскада МШУ организовано понижение сигнала до фиксированного значения промежуточной частоты 374 МГц с использованием смесителя ADL5350. Микросхема ADL5350 представляет собой пассивный смеситель со встроенным буферным усилителем для сигнала гетеродина. Смеситель устанавливается с цепями фильтрации вне кристалла для изоляции каналов промежуточной частоты и СВЧ-сигнала. Схема, изображенная на рис. 7, включает смеситель ADL5350, внешние цепи фильтрации и внешний буферный усилитель сигнала гетеродина, необходимый для обеспечения достаточной динамики сигнала на входе LOIN-микросхемы.
Дополнительный каскад усиления на микросхеме AD8353 необходим для усиления выходной мощности схемы формирования частот PLL/VCO до уровня ~4 дБм на входном контакте микросхемы LOIN. На выходе гетеродина организована дополнительная фильтрация с целью уменьшения гармоник, попадающих из синтезатора частот гетеродина. Простой фильтр с 3 полюсами представляет собой фильтр нижних частот, построенный с использованием элементов с сосредоточенными параметрами. Без фильтра вторая гармоника гетеродина привела бы к возникновению дополнительной мощности высокочастотного шума, преобразованной в полосу промежуточной частоты, ухудшая тем самым установленное значение чувствительности приемника. Измеренные динамические характеристики схемы ADL5350, включая внешние цепи буферного усилителя сигнала гетеродина и фильтра, представлены на рис. 6. Смеситель обеспечивает входную характеристику IIP3 на уровне не менее 24 дБм с потерями на преобразование CG ~8 дБ и шумами NF в одной боковой полосе.
В процессе преобразования с понижением частоты фазовые шумы ФАПЧ накладываются на каждую поднесущую модулированного посредством сверточного кодирования OFDM-сигнала. С целью минимизации влияния на уровень чувствительности приемника в качестве динамичного ФАПЧ для первого гетеродина LO1 выбран ФАПЧ с дробным коэффициентом деления N. Разработка схемы выполнена на микросхеме синтезатора частот ADF4153. Полоса пропускания замкнутой петли составляет приблизительно 30 кГц, а предполагаемая флуктуация фазы — 0,3 градуса.
Для фильтрации канала первой промежуточной частоты установлен фильтр ПАВ на 374 МГц. Превосходные характеристики фильтра ПАВ Sawtek 855898 по подавлению полосы режекции позволяют приемнику иметь исключительную селективность и повышенную устойчивость к помехам соседних каналов. Фильтр согласован на нагрузку 50 Ом с использованием внешних компонентов LC, приведенных на рис. 7. Частотная характеристика фильтра представлена на рис. 8.
Далее сигнал отфильтрованной первой промежуточной частоты преобразуется во вторую промежуточную частоту 70 МГц посредством активного смесителя AD8344. Схема подмешивания частоты второго гетеродина строилась таким образом, чтобы гарантировать оптимальное подавление откликов и обеспечить высокий коэффициент усиления в смесителе. В общем случае микросхема AD8344 обеспечивает немного большее значение коэффициента усиления при использовании гетеродина. Гетеродин на 304 МГц представлен микросхемой ADF4360-8. Это интегрированный чип ФАПЧ + ГУН, обеспечивающий экономию стоимости и площади монтажа по дискретным решениям. Две катушки индуктивности, которые являются внешними индуктивностями резонансного контура для установленного внутри чипа ГУН, определяют центральную частоту. Дифференциальные выходы микросхемы ADF4360-8 объединены в симметрирующем трансформаторе. При использовании гетеродина на 304 МГц микросхема AD8344 обеспечивает коэффициент передачи преобразователя ~11 дБ, уровень IIP3 12 дБм и величину SSB NF на уровне 8 дБ. Для предотвращения проникновения сигнала гетеродина и гармоник смесителя более высокой частоты выходной сигнал частотой 70 МГц проходит через фильтр нижних частот четвертого порядка.
Конечный сигнал промежуточной частоты 70 МГц передается через микросхему усилителя AD8370 с программно управляемым переменным коэффициентом усиления на дальнейшую обработку — дискретизацию промежуточной частоты микросхемой AD9246. Микросхема AD8370 обеспечивает высокий уровень характеристики IIP3 и диапазон регулирования коэффициента усиления более чем 40 дБ. Это позволяет регулировать и подстраивать полный коэффициент передачи смесителя в приемнике с целью согласования динамического диапазона входных каскадов с широкими пределами изменения входной мощности сигнала.
Выбранный АЦП обеспечивает превосходный динамический диапазон без искажений до уровней более чем 200 МГц промежуточной частоты, при этом потребляет всего лишь ~250 мВт. Широкая полоса пропускания по аналоговому входу (650 МГц) позволяет применять AD9246 на более высоких промежуточных частотах. В рассматриваемом демонстрационном примере выбрана промежуточная частота 70 МГц с частотой дискретизации 80 MSPS, при этом промежуточная частота находится во второй зоне Найквиста АЦП.
Для предотвращения ухудшения уровня чувствительности АЦП необходимо использовать фильтр защиты от наложения спектров. Этот фильтр помогает устранить помехи более высокой частоты, такие как просачивание частоты гетеродина, ухудшающее входной уровень собственных шумов АЦП. К тому же фильтр защиты от наложения спектров помогает подавить широкополосный шум, произведенный каскадами усилителей, который бы в противном случае стал дополнительным шумом от наложения спектров в требуемой полосе Найквиста. Для обеспечения наилучшего подавления помех в более высоких зонах Найквиста выбран эллиптический НЧ-фильтр. Резонансный параллельный контур образован двумя индуктивностями 72 нГн и емкостью. Резонансная цепь контура обеспечивает повышение полного сопротивления нагрузки на требуемой промежуточной частоте, а цепь фильтра — преобразование импеданса от 100 до 600 Ом. В данном случае присутствует эффект усиления напряжения на ~8 дБ. Преобразование с повышением напряжения необходимо учитывать при покаскадном анализе приемника.
За дополнительной информацией по решению задачи сопряжения каскадов приемника с АЦП следует обратиться к статье по применению AN-827 [1]. Подробная схема интерфейса между микросхемами AD8370 и AD9246 показана на рис. 11.
Результаты моделирования частотной характеристики фильтра и экспериментальные данные приведены на рис. 10.
Краткие выводы по характеристикам приемника
Для полной оценочной проверки покаскадной работы приемника необходимо получить оцифрованные данные с АЦП AD9246 с использованием оценочного комплекта высокоскоростного аналогового АЦП с FIFO USB фирмы Analog Devices. Дополнительная дочерняя плата FIFO (“first-in-first-out”) служит буфером данных, который необходим для обеспечения захвата длинных последовательностей выходного сигнала данных, сгенерированных АЦП с заданной частотой дискретизации. Плата FIFO может далее передать полученные данные на компьютер с более низкой скоростью передачи данных, что может быть выполнено через стандартный интерфейс USB. Оценочная плата с АЦП управляется посредством специального программного обеспечения ADC Analyzer. Программа ADC Analyzer обеспечивает анализ во временной и частотной областях.
Результаты исследования характеристик искажений с помощью этой программы представлены на рис. 12 и 13. Отметьте наличие неоднородности (рис. 13) приблизительно в точке 48 дБ по оси коэффициента усиления сигнала. Это связано с переходом микросхемы усилителя с регулируемым коэффициентом усиления AD8370 от низкого значения коэффициента усиления к высокому коэффициенту усиления. Данная неоднородность не приводит к какому-либо ухудшению работы всего приемника с точки зрения появления ошибочных битов.
К моменту проводившейся нами оценки подходящее испытательное оборудование для определения частоты появления ошибочных битов с использованием сигналов 802.16 OFDM не было доступно. Однако для достоверной оценки работы приемника и его динамического диапазона можно использовать анализ модуля вектора ошибок (EVM). Чтобы выполнить анализ EVM с использованием тестовых сигналов 802.16 OFDM, необходимо использовать карту FIFO с расширенной памятью, составляющей, по крайней мере, 65 кБ. Это позволит принять полный пакет СВЧ-сигнала.
Полученные целочисленные вектора составляют диапазон от 0 до 65 536 (216) с центральным значением 32 768. Отметьте, что микросхема AD9246 является 14-битовым АЦП, а слова выходных данных представляют собой 16-битовые последовательности. Записанные векторы целых чисел были обработаны в программе Advanced Design System (ADS) 2006A фирмы Agilent. Программа ADS делит вектор промежуточной частоты в 16-битовом представлении на четыре, чтобы привести к виду 214 целых чисел. Далее вектор сдвигается и масштабируется по амплитуде с целью приведения к нулевому среднему значению сигнала с пиковыми значениями ±1 В. После этого сигнал демодулируется с использованием идеального IQ демодулятора. Векторы IQ проходят десятикратное сжатие по времени для приведения к векторам группового спектра с 1/4 установленной частоты дискретизации.
Обработанные векторы IQ передаются в программу 89600 Vector Signal Analyzer фирмы Agilent для определения характеристики EVM. Зависимость полученной рабочей характеристики EVM от входной мощности изображена на рис. 14 для сигнала 64-QAM OFDM с полосой модуляции 10 МГц и кодовой скоростью 3/4. Характеристика EVM приведена для сравнения с использованием и без микросхем ФАПЧ ADF4153, ADF4360. При этом наблюдается ухудшение рабочей характеристики из-за присутствия фазовых шумов.
Для определения селективной способности приемника необходимо исследовать прохождение одиночного входного сигнала, перестраиваемого в пределах рабочего диапазона частот на входе приемника. На рис. 15 представлена избирательная способность приемника, в том числе все каскады кроме полосового фильтра во входном ВЧ-тракте. Частотно-избирательная способность приемника с двойным преобразованием частоты обеспечивает очень высокую защиту от соседних (близко расположенных по частоте) помех. С подключением полосового фильтра во входном СВЧ-тракте может быть достигнуто подавление соседних каналов более чем на 60 дБ.
Типовые спектральные характеристики приемника приведены на рис. 16. При использовании программного обеспечения ADC Analyzer можно легко наблюдать мгновенный спектр сигнала и записывать данные сигнала во временном представлении для дальнейшего анализа». Принимая во внимание, что промежуточная частота составляет 70 МГц, а дискретизация происходит с тактовой частотой 80 MSPS, обработанный сигнал появляется как сигнал полосой 10 МГц в первой зоне Найквиста. Программное обеспечение ADC Analyzer позволяет быстро проанализировать и устранить помехи от сигналов дискретизации и гетеродина, которые могут в противном случае испортить характеристики приемника в рабочей полосе. Многочисленные каскады фильтрации промежуточной частоты и фильтры гетеродинов способствуют минимизации помех и шумов до незначительных уровней. Обратите внимание на слабую помеху на частоте 32 МГц. Она обусловлена просачиванием частоты гетеродина в полосу промежуточной частоты после первого смесителя.
В заключение данные по рабочим характеристикам приемника представлены в таблице 3. В разработанном проекте обеспечена характеристика EVM на уровне –25 дБ для входных сигналов с уровнем мощности более –74 дБм, с подавлением зеркального канала более 60 дБ и превосходным подавлением соседнего и несоседнего каналов.
Таблица 3. Краткие результирующие характеристики (при входном сигнале с кодированием 64-QAM 3 /4 и шириной полосы 10 МГц OFDM)
Литература- Newman E., Reeder R. A Resonant Approach to Interfacing Amplifiers to Switched-Capacitor ADCs. Application Note AN-827. Analog Devices, Inc. (January). 2006.
- IEEE Std 802.16-2004. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks. Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems. Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. (June).
Выбор — промежуточная частота — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 3
Выбор — промежуточная частота
Cтраница 3
При выборе / пр для телевизионного приемника необходимо учитывать выбранный метод передачи звукового сопровождения. Если сигналы изображения и звука передаются на одной несущей частоте, специфических особенностей при выборе промежуточной частоты не возникает. При неправильно выбранных значениях этих промежуточных частот на изображении возникают помехи. Помехи на изображении появляются в тех случаях, когда на нелинейные элементы приемника ( смеситель или детектор) воздействуют совместно напряжение гетеродина или его гармоник и напряжения гармоник промежуточной частоты канала изображения или звука. Во всех этих случаях возникают биения. Огибающая биений после детектирования и последующего усиления в видеоусилителе проявляется на изображении в виде растра или полос. При выборе номинальных значений промежуточных частот необходимо найти такие их значения, при которых не могут образоваться гармоники, лежащие в полосе пропускания канала изображения. Паразитный сигнал на изображении не будет заметен. [31]
Преобразование частоты дает возможность повысить чувствительность и избирательность приемника. Основное усиление происходит на сравнительно низкой промежуточной частоте. Выбор промежуточной частоты приемника имеет большое значение. [32]
К другому преимуществу выбора промежуточной частоты 144 МГц можно отнести то, что приемники на данную частоту специально рассчитаны на получение тминимального коэффициента шума. При этом отпадает необходимость иметь в приемном тракте дополнительный малошумящий УПЧ. Однако выбор промежуточной частоты 144 МГц обладает также некоторыми недостатками. Так, выходная частота гетеродина 1152 МГц кратна частоте 144 МГц. Это накладывает ограничения на выбор частоты кварцевого генератора, которая не должна быть субгармоникой частоты 144 МГц. В противном случае гармоники гетеродина попадут в начальный участок диапазона и создадут помехи при работе радиостанции в режиме приема. [33]
Минимизацию площади фильтров и усилительных МСБ можно проводить последовательно. При этом данные, полученные в результате минимизации площади фильтров ( значения ПЧ), используются в качестве исходных при минимизации площади усилительных МСБ. Поскольку выбор промежуточных частот ПУТ помимо минимизации площади фильтров определяется рядом важных факторов [21], относящихся к области системо — и схемотехники, то остановимся на решении второй задачи — оптимизации по критерию занимаемой площади усилительных МСБ. [34]
В приемниках с фиксированной настройкой в преселекторе могут применяться более сложные резонансные системы из двух и более связанных контуров, образующих полосовой фильтр с достаточно малым коэффициентом прямоугольности резонансной кривой. Это в значительной степени повышает избирательность приемника. Но методика выбора промежуточной частоты, схемы и числа резонансных систем высокочастотного тракта остается той же. [35]
Перед тем как перейти к предварительному расчету приемника, необходимо, руководствуясь рекомендациями, изложенными в § 45, выбрать промежуточную частоту, от величины которой зависят ряд основных показателей супергетеродина. Предварительному расчету также должен предшествовать выбор транзисторов и расчет их эквивалентных параметров. Таким образом, после выбора промежуточной частоты рекомендуется следующая последовательность расчета. [36]
Усиление каскада УПЧ в первом приближении не зависит от выбранной промежуточной частоты. Поэтому величина усиления не является руководящим соображением при выборе промежуточной частоты. При очень низких промежуточных частотах трудно спроектировать колебательные контуры, так как полоса частот на низких промежуточных частотах становится значительной долей средней частоты. С другой стороны, трудно разработать усилитель очень высоких частот, потому что в этом случае требуются короткие соединительные провода и тщательно продуманное соединение деталей между собой. [37]
Значит, на длинных волнах приходится иногда умышленно расширять полосу пропускания по сравнению с достижимой ее величиной. На коротких же волнах полоса пропускания всегда получается более широкой, нежели это необходимо по соображениям избирательности радиотелефонного приема. Для приема художественного вещания с частотной модуляцией и для телевизионного приема спектры сигналов значительно шире, а потому и выбор промежуточной частоты производится в других диапазонах. [38]
Для этого на оба входа подают одно и то же напряжение и добиваются показания нулевого сдвига фаз, которое должно сохраняться и при переключении напряжений на противоположные входы. После этого производят измерение. В качестве низкочастотного фазометра удобно в данном случае использовать цифровой фазометр, позволяющий производить непосредственный отсчет сдвига фазы при выборе промежуточной частоты, равной или кратной 2 78 кгц. [40]
Таким образом, на основе сказанного определяются типы первых элементов приемника, при которых обеспечивается заданная чувствительность. В частности, выбирается схема входной цепи, тип и число необходимых каскадов усилителя высокой частоты, тип преобразователя частоты, а также тип электронных приборов и схема для первых каскадов усилителя промежуточной частоты. Но окончательное решение о выборе типа и схем первых каскадов приемника, а также о необходимости применения системы АПЧ принимают лишь после проверки выполнения требуемой избирательности и выбора промежуточной частоты супергетеродинного приемника. Методика решения этого вопроса описывается в следующем параграфе. [41]
Усилитель промежуточной частоты служит для повышения напряжения, полученного на выходе преобразователя частоты. Благодаря постоянству промежуточной частоты контуры этого усилителя в процессе эксплуатации приемника не перестраиваются. Последнее позволяет применять в каждом каскаде усилителя промежуточной частоты не один, а несколько связанных контуров без существенного усложнения конструкции приемника. Это в значительной степени улучшает избирательные свойства каскада усилителя промежуточной частоты и делает их независимыми от частоты принимаемого сигнала. Выбор промежуточной частоты ниже несущей частоты сигнала также способствует улучшению избирательности усилителя и увеличению его коэффициента усиления. Эти обстоятельства и позволяют получать лучшую избирательность и большее усиление в супергетеродинном приемнике, чем в приемнике прямого усиления. По этим же причинам подавляющее большинство современных приемников строится по супергетеродинной схеме. [42]
Страницы: 1 2 3
Марков_Проектирование.indd
%PDF-1.6 % 1 0 obj >]/Pages 3 0 R/Type/Catalog/ViewerPreferences>>> endobj 2 0 obj >stream 2015-09-02T11:14:15+05:002015-09-02T11:15:05+05:002015-09-02T11:15:05+05:00Adobe InDesign CS6 (Windows)uuid:58041814-b03e-4bf6-b3cb-e408ae4e3483xmp.did:A3EFBA1FB752E4118BF5AA137F15CC0Cxmp.id:E59D52253751E511A817D0330E45F3A6proof:pdf1xmp.iid:E39D52253751E511A817D0330E45F3A6xmp.did:A7EFBA1FB752E4118BF5AA137F15CC0Cxmp.did:A3EFBA1FB752E4118BF5AA137F15CC0Cdefault
Супергетеродин. Как я собрал коротковолновый радиоприемник на STM32 и Si5351 — «Хакер»
Даже в современном мире радио остается эффективным способом приема и передачи информации, который позволяет миновать границы и лишних посредников. Простой и максимально надежный, сигнал радиостанций можно принять вне зависимости от наличия вышек сетей 5G в твоей местности. Как собрать свой приемник из россыпи микросхем и деталей, ты узнаешь из этого материала.
Происхождение
История приемников принципиально нового типа началась в 1901 году, когда Реджинальд Фессенден показал возможность приема сигнала на биениях. Суть революционного метода заключалась в том, что в приемник, помимо радиосигнала из антенны, подавался вспомогательный сигнал близкой частоты, в результате чего на выходе можно было обнаружить биения — сигнал с частотой, равной разности частот принимаемого сигнала и выхода вспомогательного генератора. Эти биения были слышны в телефонных аппаратах, причем, как показали несколько позднее, амплитуда этих биений оказалась заметно выше амплитуды полезного сигнала.
Вспомогательный генератор исследователь назвал «гетеродином» (от греческого ἕτερος — иной или внешний и δύναμις — сила), а сам приемник «гетеродинным». На тот момент это был новый способ детектирования, который позволял принимать телеграфный радиосигнал тоном на слух.
Здесь буквой O обозначен гетеродин, а сам приемник представлял собой две индуктивно связанные катушки на общем сердечнике. При этом сигнал биений заставлял колебаться металлическую мембрану D (надо полагать, диффузор). В общем, как ты понимаешь, все было сурово, вполне в духе того далекого времени. Позднее приемник модернизировали, повысив чувствительность.
Внимательное изучение схемы позволяет заметить здесь кристаллический диод — да, представь себе, эта штука была сделана уже в 1913 году! Однако большого успеха эта конструкция не снискала, так как в то время генератор вспомогательного сигнала был громоздкой, сложной и очень дорогой в изготовлении штукой. Тогда наибольшее распространение получили механические генераторы, а до изобретения первой радиолампы оставалось еще несколько лет.
Следующей итерацией стал гетеродинный приемник Генри Раунда, созданный в том же 1913 году. В этом устройстве генератор был уже на электронной лампе, которая выполняла сразу три функции: усиливала принимаемый сигнал, генерировала вспомогательный, а также работала в качестве микшера, перемножая сигналы. Из‑за такой обильной функциональности автор дал приемнику название «автодин», намекая, что генерация вспомогательного сигнала здесь происходит в приемно‑усилительных цепях.
А дальше случилась война, которая ярко показала, насколько радиосвязь полезна. Но требовались надежные, более чувствительные и селективные приемники, ведь к тому времени радиостанций стало заметно больше. У тогдашних радиоприемников было три серьезные проблемы: недостаточные чувствительность, что напрямую связано с дальностью связи, селективность, то есть способность выделить сигнал нужной радиостанции из нескольких принятых, и устойчивость к атмосферным помехам.
Изучая эти проблемы, три исследователя независимо друг от друга пришли к концептуально похожим решениям. Первым с незначительным отрывом был француз Люсьен Леви, который предположил, что если в приемнике преобразовывать сигнал принимаемой станции не сразу в звуковую частоту, а в некоторую промежуточную частоту (выше слышимой), то на этой промежуточной частоте будет проще избавиться от атмосферных помех, после же ее можно преобразовать в слышимую (звуковую).
Такое решение требует введения в конструкцию приемника дополнительного гетеродина. В результате получился прибор, говоря современным языком, с двойным преобразованием частоты. Леви назвал свой приемник «супергетеродинным», то есть содержащим дополнительный гетеродин. Вероятно, именно это и объясняет происхождение столь замысловатого названия.
Впрочем, существует и другая версия, которая предполагает, что приставка «супер» перекочевала от промежуточной частоты, которая была выше слышимой, или, как было принято писать в то время, supersonic (ультразвук). В любом случае надо понимать, что супергетеродинный прием подразумевает наличие промежуточной частоты.
Схема первого супергетеродинного приемника ЛевиЗдесь h2 и h3 — точки подключения первого и второго гетеродина. Несколько с другой стороны к проблеме подступились независимо друг от друга Эдвин Армстронг и Вальтер Шоттки. Их больше занимала идея увеличения чувствительности, для чего требовался усилитель на радиолампах. Однако надо понимать, что радиолампы в 1918 году были несовершенными и капризными устройствами и построить усилитель с большим коэффициентом, способный работать на частотах КВ‑диапазона (2–30 МГц), было просто невозможно.
Для решения этой проблемы исследователи предложили преобразовать полезный сигнал высокой частоты в промежуточную (на которой лампы могли эффективно работать) и уже на этой частоте усилить сигнал, что технологии того времени вполне позволяли. Более того, авторы указывали, что такое преобразование можно выполнять в несколько этапов, что повысит устойчивость работы усилителя.
И если изыскания немца Шоттки носили теоретический характер, то инженер Армстронг в Америке уже в 1918 году построил работающий прототип своего супергетеродина на восьми лампах (на самом деле безумное количество для того времени). Выглядело это как‑то так.
Ранний вариант супергетеродинаТем не менее тогда супергетеродины не нашли широкого применения, и причиной тому была в первую очередь высокая цена. В то время как раз появились регенеративные приемники, которые хоть и уступали супергетеродинам по своим характеристикам, но зато позволяли построить приемлемого качества приемник, используя всего одну или две лампы. Любопытно, что регенеративный приемник был изобретен также Армстронгом и, что характерно, принес ему гораздо больший доход и известность.
По‑настоящему эпоха супергетеродинных приемников началась лишь в 1930-х годах, когда лампы стали гораздо доступнее и истек срок соответствующих патентов. В итоге к концу Второй мировой войны супергетеродины практически вытеснили все остальные типы приемников. В настоящее время супергетеродинные приемники считаются стандартом. Основное же преимущество супергетеродина заключается в том, что выбрать принимаемый сигнал можно перестройкой самого гетеродина.
При этом промежуточная частота остается постоянной, так что можно применить высокоэффективные кварцевые фильтры в усилителе промежуточной частоты. Это позволяет легко получить желаемую избирательность по соседнему каналу.
Чувствительность, избирательность и полоса пропускания
Среди всех характеристик любого приемника полезно выделять ряд ключевых: чувствительность, избирательность и полоса пропускания. Чувствительность — это минимальный уровень радиосигнала в микровольтах, позволяющий получить на выходе сигнал с заданным соотношением сигнал/шум. Или, говоря проще, это минимальный уровень сигнала, при котором станцию еще можно услышать. Хорошие современные приемники имеют чувствительность около 1 мкВ.
Избирательность по соседнему каналу характеризует способность приемника выделять нужный сигнал при наличии близко расположенных мешающих сигналов, измеряется в децибелах. Допустим, есть две станции равной мощности, отстоящие друг от друга на 10 кГц (типичная ширина канала на вещательных КВ‑диапазонах). Избирательность будет показывать, насколько слабее будет приниматься сигнал соседней станции при настройке на желаемую.
Наконец, полоса пропускания — это параметр, тесно связанный с избирательностью, который показывает отклонение частоты сигнала от частоты настройки, когда сигнал ослабевает на 3 дБ (это примерно 0,7 для напряжения и 0,5 для мощности).
В чем профит?
Конечно, сейчас сборка собственного радиоприемника лишена экономической целесообразности. Более того, с развитием интернета радиовещание сегодня уже потеряло былую актуальность. Даже FM-диапазон заметно поредел, не говоря уже о коротких волнах. И все же радиоприем на коротких волнах, как сейчас принято выражаться, дает ощущение «теплой ламповости». Более того, сама идея «свободно» передавать информацию, минуя границы и посредников, до сих пор выглядит весьма злободневно.
Так, фактически не вставая со стула, можно пробежаться если не по всему миру, то как минимум по своему материку: тысячи километров для коротких волн совершенно не проблема, даже в крупных городах, где радиоэфир сильно зашумлен. Находясь в Москве, можно без труда услышать Китай, Индию, Катар и другие страны. Существует даже такое явление, как DXing — «охота» на дальние радиостанции, своего рода состязание. Приняв радиостанцию и отправив соответствующий ответ, можно получить карточку QSL с эмблемой радиостанции.
В интернете на некоторых форумах есть отдельные темы, посвященные таким карточкам. Как пишут участники, китайцы охотно отправляют карточки. Впрочем, лично меня больше интересует само создание и настройка приемника. Дальше я расскажу об относительно несложном приемнике с цифровой шкалой и кварцевой стабилизацией частоты, вполне пригодном для приема сигнала с дальних станций.
Почему именно супергетеродин
Разумеется, для приема на коротких волнах можно использовать гораздо более простые решения. Например, регенеративные приемники, наиболее известен из которых, пожалуй, «Могиканин» MFJ-8100. Его можно приобрести готовым (долларов за сто на популярных онлайновых площадках) или в виде набора для сборки, а можно и вовсе собрать самому — благо схема открыта. Но регенератор — это скорее «для баловства», так как, прослушивая станцию, постоянно придется подстраивать регенерацию и аттенюатор. Это происходит из‑за того, что КВ‑сигнал практически постоянно меняет свою интенсивность в широких пределах. Связано это с атмосферными явлениями, влияющими на прохождение. И этого как раз регенератор очень не любит.
Практика
Итак, суть работы гетеродинов в таком приемнике заключается в том, что входной «высокочастотный» сигнал преобразуется в промежуточную частоту (мы будем использовать 455 кГц), на которой будет выполняться основная селекция и усиление сигнала. Далее следует детектор, выделяющий сигнал звуковой частоты, и усилитель, необходимый для громкоговорящего приема. Рассмотрим структурную схему супергетеродина.
Синтезатор
За основу была взята конструкция, которую я уже использовал в SDR-приемнике, однако в данном случае я посчитал, что использование микроконтроллера STM32F103 избыточно, и портировал некоторые куски кода на STM32F030. Последний слабее по характеристикам, но несколько дешевле и, кроме того, доступен в более удобном для самоделок корпусе LQFP32. Это один из немногих МК c ядром Cortex-M и шагом между контактами 0,8 мм. Впрочем, у SI5351 шаг все равно 0,5 мм, поэтому полностью избавиться от мелочовки в проекте не выйдет.
Я добавил в схему стабилизатор питания и операционный усилитель для отображения уровня принимаемого сигнала. ОУ работает в режиме повторителя, а на его выходе стоит делитель напряжения, что позволяет измерять напряжение управляющего сигнала АРУ (изменяется в диапазоне от 0,5 до 4,7 В). Так как управляющее напряжение АРУ близко к напряжению питания, то применен rail-to-rail операционный усилитель MV358. Его здесь можно заменить на более распространенный LM358, но тогда верхний предел измеряемого напряжения снизится до 4 В (при питании 5 В).
Также в схеме заложена возможность управлять варикапами для автонастройки входных цепей, однако подходящих варикапов я не нашел, поэтому такую функцию не реализовал. Схема синтезатора представлена на рисунке.
Принципы приемников промежуточной частоты (ПЧ)% PDF-1.4 % 1 0 obj> поток application / pdf Концепции приемников промежуточной частоты (IF)
Промежуточная частота — обзор
2.6.4.2 Настройка и полоса пропускания
Поскольку усилитель ПЧ предварительно настроен на выбранную частоту ПЧ, следует, что гетеродин должен быть тщательно отрегулирован так, чтобы частота, которую он генерирует, отличалась от частоты передатчика, такого как магнетрон ( и, следовательно, входящие полезные сигналы) на величину, равную выбранной ПЧ. Это может быть выполнено системой автоматически, но, как правило, системы на основе магнетронов также имеют возможность ручной настройки, которой пользователь может управлять с консоли радара.Это положение позволяет пользователю следить за дисплеем радара, внося изменения в настройку приемника. Следует иметь в виду, что почти во всех обстоятельствах автоматическая схема на большинстве современных радаров обычно соответствует или даже превышает возможности опытного человека-оператора по оптимизации этой задачи, но для оператора может быть полезно изменять этот контроль в особых обстоятельствах. .
Магнетрон не отличается высокой стабильностью по частоте и может изменяться в краткосрочном, среднем и долгосрочном периодах (от минут — особенно сразу после включения, когда магнетрон нагревается — до лет по мере старения магнетрона).Это связано с тем, что магнетрон полагается на точно спроектированные физические полости для управления частотой, которые могут меняться по своим точным размерам, например, в зависимости от температуры, давления воздуха, ударов, вибрации и загрязнения.
Важно понимать концепцию ширины полосы сигнала при рассмотрении приемника и других конструктивных аспектов, касающихся радара. Это функция, которая влияет на все радиосистемы, и ее легче всего понять, рассматривая информационное содержание, содержащееся в сигнале.В простой радиосистеме, такой как морской УКВ-приемник или даже голосовой канал смартфона, требуется очень небольшая полоса пропускания. Речь может быть понятной, даже если только звуковые частоты примерно до 5000 Гц «модулируются» (т.е. накладываются) на РЧ передачи. Визуальная информация хорошего качества со стереозвуком, например, используемая для широкоэкранного телевидения высокой четкости, требует гораздо большей полосы пропускания, обычно много мегагерц. Эта полоса пропускания, возможно, более чем в тысячу раз больше, чем у простой радиосистемы.
Необходимость в морском радаре для определения присутствия и точного измерения дальности относительно небольших целей в условиях моря и дождя требует удивительно большой полосы пропускания — около 20 МГц. Можно подумать, что радар на основе магнетрона передает только одну частоту, только в импульсном режиме. Однако именно эта пульсация придает передаваемому сигналу широкую полосу пропускания. Более того, возвращаемый сигнал даже немного шире по полосе пропускания, потому что он включает в себя вариации, создаваемые целями и помехами, ту самую информацию, которую необходимо «декодировать», чтобы отобразить на дисплее радара.Как уже подчеркивалось, в системе на основе магнетрона именно быстрое время включения и выключения импульса, вместе с фактической длиной импульса, в основном определяет способность радара обнаруживать цели и отличать их от других целей и помех.
Математическая концепция, известная как анализ Фурье, названная в честь французского первооткрывателя Жозефа Фурье, родившегося в 1768 году, может использоваться для преобразования формы сигнала в его частотные составляющие. Он показывает, что импульс радара, который будет соответствовать требованиям морского радара на малой дальности, обязательно будет иметь полосу пропускания около 20 МГц.К сожалению, математика, лежащая в основе этого, слишком сложна, чтобы включать ее в эту книгу. Однако на рис. 2.24 (а) показано, как простая импульсная структура может быть сформирована всего из трех синусоидальных волн. Использование более чем трех волн делает результирующую волну все более квадратной с более коротким временем нарастания и спада. Анализ Фурье эффективно начинается с формы результирующей волны и вычисляет одночастотные волны, необходимые для ее создания. Волна наивысшей частоты, необходимая для адекватного воспроизведения требуемого сигнала, представляет собой полосу пропускания передачи.
Рисунок 2.24. Формирование импульса почти прямоугольной формы из трех синусоидальных волн. (i) Синусоидальная волна с амплитудой A единиц, частота f . (ii) Синусоидальная волна с амплитудой А / 3 единиц, частота 3f . (iii) Синусоидальная волна с амплитудой A / 5 единиц, частота 5f . (iv) Сумма (i) + (ii) + (iii) → стремится к прямоугольной волне.
Эта базовая информация Ширина полосы должна сохраняться при всей предварительной обработке радиолокационного сигнала, включая каскады усиления РЧ, ПЧ и основной полосы частот, а также «преобразование с понижением частоты» в смесителе.В большинстве морских радарных систем на основе магнетронов ширина полосы при выборе длинного импульса обычно находится в диапазоне от 3 до 5 МГц и от 15 до 25 МГц в случае выбора короткого импульса.
Супергетеродинные приемники Супергетеродинные приемники Введение в Военно-морская техникаОбъектив
Что такое гетеродининг
Что такое супергетеродининг?
Супергетеродинный приемник
Преимущества использования супергетеродинирования
Сводка
1.Узнайте, как работает супергетеродинный приемник и в чем его преимущества являются.
Гетеродин означает смешивать частоты вместе, чтобы произвести частота биений, а именно разница между ними. Амплитуда модуляция — гетеродинный процесс: информационный сигнал смешанный с носителем для получения боковых полос. Боковые полосы возникают именно на суммарной и разностной частотах несущей и информация. Это частоты ударов (обычно удары частота связана с нижней боковой полосой, разница между двумя).
Когда вы используете нижнюю боковую полосу (разница между двумя частоты), вы супергетеродинируете. Строго говоря, термин супергетеродин относится к созданию частоты биений, которая ниже исходного сигнала. Хотя мы использовали пример боковых полос амплитудной модуляции в качестве примера, мы не говорим о кодировании информации для передачи. Какой супергетеродин делает это намеренно микшировать другую частоту в приемнике, чтобы уменьшить частоту сигнала перед обработкой.Почему и как это делается, будет рассказано ниже.
Мы обсуждали, что супергетеродинирование просто уменьшает входящий сигнал — частота путем смешивания. В приложении для радио мы уменьшаем сигнал AM или FM, который сосредоточен на несущей частота до некоторого промежуточного значения, называемого IF (промежуточное частота). Для практических целей супергетеродинный приемник всегда сводится к одному и тому же значению IF. Для этого требуется что мы можем непрерывно изменять частоту микширования в сигнал, чтобы разница оставалась неизменной.Вот как выглядит супергетеродинный ресивер:
По сути, это обычный ресивер с добавлением смесителя и гетеродина. Гетеродин подключен к тюнеру, потому что они оба должны изменяться в зависимости от несущей частоты. Например, предположим, вы хотите настроиться на телеканал на 235 МГц. Полосовой фильтр (который пропускает сигналы только в небольших диапазон около центральной частоты для передачи) должен быть центрирован на 235 МГц (или немного выше в SSB).Гетеродин должен быть установлен на частоту, которая будет гетеродинить 235 МГц к желаемая ПЧ 452 кГц (типовая). Это означает, что гетеродин должен быть установлен на 234,448 МГц (или, альтернативно, на 235,452 МГц), поэтому что разностная частота будет ровно 452 кГц. Местный осциллятор должен иметь возможность изменять частоту в пределах одного и того же диапазон как тюнер; на самом деле они различаются на одинаковое количество. Следовательно, тюнер и гетеродин связаны, поэтому они работают все вместе.
Теперь мы легко видим, что этот тип приемника может быть сконструирован, но с какой целью? Все, что нам удалось, — это уменьшить частота до значения IF.Мы по-прежнему должны обрабатывать сигнал как перед. Так почему же так много приемников используют супергетеродин? метод? В зависимости от области применения можно выделить три основных преимущества. используется для:
- Уменьшает сигнал от очень высокочастотных источников, где обычные компоненты не работали (как в приемнике радара).
- Позволяет многим компонентам работать на фиксированной частоте (Раздел IF), и поэтому их можно оптимизировать или сделать больше недорого.
- Может использоваться для улучшения изоляции сигналов за счет арифметической селективности
Понижение частоты
На очень высоких частотах перестают работать многие обычные компоненты. функционировать.Хотя мы видим много компьютерных систем, которые работают на недостижимых ранее частотах, таких как 166 МГц, вы, безусловно, никогда не видеть систему, которая работает на частотах радара, например, 10 ГГц (попробуйте тот Intel!). Для этого есть много физических причин, но достаточно сказать, что это невозможно (пока). Итак, дизайнер радиолокационного перехватчика (fuzz-buster и др.) сталкивается с устрашающей обстоятельства, если он / она не может использовать супергетеродинный приемник чтобы сбить частоту до значения ПЧ. На самом деле это гетеродин (работающий на радиолокационных частотах) супергетеродина радиолокационный приемник, который позволяет обнаруживать ваш радар-детектор полиция (например, в Вирджинии, где используются детекторы радаров) незаконно).
Оптимизация компонентов
Это типичная инженерная дилемма: как сделать компоненты, которые обладают выдающейся производительностью, но также могут охватывать широкий диапазон частот. Опять же, детали не важны, но проблема вполне реальна. Возможное решение — сделать как можно больше приемников всегда работают на одной и той же частоте (IF). Это достигается с помощью супергетеродинного метода. Большинство компонентов можно оптимизировать для работы на ПЧ. без каких-либо требований для охвата широкого диапазона частот.
Арифметическая избирательность
Способность изолировать сигналы или отклонять нежелательные — это функция полосы пропускания приемника. Например, полосовой фильтр в тюнере — это то, что изолирует полезный сигнал от соседние. В реальной жизни часто встречаются источники, может помешать вашему сигналу. FCC присваивает частоты которые обычно этому препятствуют. В зависимости от приложения вы может потребоваться очень узкая изоляция сигнала. Если спектакль вашего полосового фильтра недостаточно для этого, производительность может быть улучшена за счет супергетеродинирования.
Часто полоса пропускания приемника составляет некоторую долю несущей. частота. Если ваш приемник имеет пропускную способность 2%, и вы настроен на 850 кГц, то только сигналы в диапазоне от 2% сверху и снизу пропущены. В этом случае это будет от От 833 до 867 кГц.
Арифметическая селективность берет эту дробь и применяет ее к пониженная частота (ПЧ). Для фиксированной ПЧ 452 кГц это означает сигналы, которые супергетеродифицированы в диапазоне 443 до 461 кГц перейдет.Возврат этого диапазона обратно в носитель диапазон, только несущие частоты в диапазоне от 841 до 859 кГц пройдет. Если это сбивает с толку, вспомните, что гетеродин установлен для уменьшения частоты с 850 кГц до 452 кГц (т.е. должен быть установлен на 398 кГц). Таким образом, частота 850 кГц супергетеродирована до 452 кГц. Любой соседние сигналы также супергетеродифицируются, но остаются такими же выше или ниже исходного сигнала. Пример может прояснить это вверх:
Предположим, есть мешающий сигнал на частоте 863 кГц, пока вы настроен на 850 кГц.Обычный приемник 2% передаст 833 в 867 кГц и поэтому мешающий сигнал тоже проходит. Супергетеродин приемник смешивает оба сигнала с частотой 398 кГц для получения желаемого сигнал на 452 кГц и помехи на 465 кГц. При 2% Секция IF проходит только от 443 до 461 кГц, поэтому помехи сейчас подавлено. Мы говорим, что супергетеродинный приемник более избирательный. Если немного подумать, причина проста: он работает с меньшей частотой, поэтому 2% фактически включают меньший диапазон.Вот почему это называется арифметической избирательностью. Пропускная способность, выраженная в процентах, меньше, когда центральная частота меньше (так же, как 2% от $ 10 составляет менее 2% от 10 000 000 долларов США).
Независимо от того, нужно ли вам использовать арифметическую избирательность зависит от приложения. Если у вас нет проблем с помехами при вашей текущей пропускной способности и / или это не сложно или дорого чтобы уменьшить пропускную способность вашего приемника, тогда вам не нужно Это. Однако в случаях, когда важна избирательность или частота очень высока (как радар), то супергетеродинирование может значительно улучшить представление.
- Супергетеродинные приемники снижают частоту смешивания сигнала в сигнале гетеродина для создания промежуточного частота (IF). Супергетеродинные приемники
- имеют лучшую производительность, потому что компоненты могут быть оптимизированы для работы с одним промежуточным звеном частота и может использовать преимущества арифметической избирательности.
Поставщики средств беспроводной связи и ресурсы
О мире беспроводной связи RF
Веб-сайт RF Wireless World является домом для поставщиков и ресурсов радиочастотной и беспроводной связи.На сайте представлены статьи, руководства, поставщики, терминология, исходный код (VHDL, Verilog, MATLAB, Labview), тестирование и измерения, калькуляторы, новости, книги, загрузки и многое другое.
Сайт RF Wireless World охватывает ресурсы по различным темам, таким как RF, беспроводная связь, vsat, спутник, радар, волоконная оптика, микроволновая печь, wimax, wlan, zigbee, LTE, 5G NR, GSM, GPRS, GPS, WCDMA, UMTS, TDSCDMA, Bluetooth, Lightwave RF, z-wave, Интернет вещей (IoT), M2M, Ethernet и т. Д. Эти ресурсы основаны на стандартах IEEE и 3GPP.Он также имеет академический раздел, который охватывает колледжи и университеты по инженерным дисциплинам и MBA.
Статьи о системах на основе Интернета вещей
Система обнаружения падений для пожилых людей на основе Интернета вещей : В статье рассматривается архитектура системы обнаружения падений, используемой для пожилых людей.
В нем упоминаются преимущества или преимущества системы обнаружения падений Интернета вещей.
Читать дальше➤
Также обратитесь к другим статьям о системах на основе Интернета вещей следующим образом:
• Система очистки туалетов самолета.
• Система измерения столкновений
• Система отслеживания скоропортящихся продуктов и овощей
• Система помощи водителю
• Система умной торговли
• Система мониторинга качества воды.
• Система Smart Grid
• Система умного освещения на базе Zigbee
• Умная парковка на базе Zigbee
• Система умной парковки на основе LoRaWAN
RF Статьи о беспроводной связи
В этом разделе статей представлены статьи о физическом уровне (PHY), уровне MAC, стеке протоколов и сетевой архитектуре на основе WLAN, WiMAX, zigbee, GSM, GPRS, TD-SCDMA, LTE, 5G NR, VSAT, Gigabit Ethernet на основе IEEE / 3GPP и т. Д. .стандарты. Он также охватывает статьи, относящиеся к испытаниям и измерениям, по тестированию на соответствие, используемым для испытаний устройств на соответствие RF / PHY. УКАЗАТЕЛЬ СТАТЬИ ДЛЯ ССЫЛКИ >>.
Физический уровень 5G NR : Обработка физического уровня для канала 5G NR PDSCH и канала 5G NR PUSCH рассмотрена поэтапно. Это описание физического уровня 5G соответствует спецификациям физического уровня 3GPP. Читать дальше➤
Основы повторителей и типы повторителей : В нем объясняются функции различных типов ретрансляторов, используемых в беспроводных технологиях.Читать дальше➤
Основы и типы замирания : В этой статье рассматриваются мелкомасштабные замирания, крупномасштабные замирания, медленные, быстрые замирания и т. Д., Которые используются в беспроводной связи. Читать дальше➤
Архитектура сотового телефона 5G : В этой статье рассматривается блок-схема сотового телефона 5G с внутренними модулями 5G. Архитектура сотового телефона. Читать дальше➤
Основы помех и типы помех: В этой статье рассматриваются помехи в соседнем канале, помехи в совмещенном канале, Электромагнитные помехи, ICI, ISI, световые помехи, звуковые помехи и т. Д.Читать дальше➤
5G NR Раздел
В этом разделе рассматриваются функции 5G NR (New Radio), нумерология, диапазоны, архитектура, развертывание, стек протоколов (PHY, MAC, RLC, PDCP, RRC) и т. Д.
5G NR Краткий указатель ссылок >>
• Мини-слот 5G NR
• Часть полосы пропускания 5G NR
• 5G NR CORESET
• Форматы DCI 5G NR
• 5G NR UCI
• Форматы слотов 5G NR
• IE 5G NR RRC
• 5G NR SSB, SS, PBCH
• 5G NR PRACH
• 5G NR PDCCH
• 5G NR PUCCH
• Эталонные сигналы 5G NR
• 5G NR m-последовательность
• Золотая последовательность 5G NR
• 5G NR Zadoff Chu Sequence
• Физический уровень 5G NR
• Уровень MAC 5G NR
• Уровень 5G NR RLC
• Уровень 5G NR PDCP
Учебные пособия по беспроводным технологиям
В этом разделе рассматриваются учебные пособия по радиочастотам и беспроводной связи.Он охватывает учебные пособия по таким темам, как сотовая связь, WLAN (11ac, 11ad), wimax, bluetooth, zigbee, zwave, LTE, DSP, GSM, GPRS, GPS, UMTS, CDMA, UWB, RFID, радар, VSAT, спутник, WLAN, волновод, антенна, фемтосота, тестирование и измерения, IoT и т. Д. См. УКАЗАТЕЛЬ >>
Учебное пособие по 5G — В этом учебном пособии по 5G также рассматриваются следующие подтемы по технологии 5G:
Учебное пособие по основам 5G.
Частотные диапазоны
руководство по миллиметровым волнам
Волновая рама 5G мм
Зондирование волнового канала 5G мм
4G против 5G
Испытательное оборудование 5G
Сетевая архитектура 5G
Сетевые интерфейсы 5G NR
канальное зондирование
Типы каналов
5G FDD против TDD
Разделение сети 5G NR
Что такое 5G NR
Режимы развертывания 5G NR
Что такое 5G TF
В этом руководстве GSM рассматриваются основы GSM, сетевая архитектура, сетевые элементы, системные спецификации, приложения,
Типы пакетов GSM, структура или иерархия кадров GSM, логические каналы, физические каналы,
Физический уровень GSM или обработка речи, вход в сеть мобильного телефона GSM, установка вызова или процедура включения питания,
MO-вызов, MT-вызов, VAMOS, AMR, MSK, модуляция GMSK, физический уровень, стек протоколов, основы работы с мобильным телефоном,
Планирование RF, нисходящая линия связи PS-вызовов и восходящая линия связи PS-вызовов.
➤Подробнее.
LTE Tutorial , охватывающий архитектуру системы LTE, охватывающий основы LTE EUTRAN и LTE Evolved Packet Core (EPC). Он обеспечивает связь с обзором системы LTE, радиоинтерфейсом LTE, терминологией LTE, категориями LTE UE, структурой кадра LTE, физическим уровнем LTE, Стек протоколов LTE, каналы LTE (логические, транспортные, физические), пропускная способность LTE, агрегация несущих LTE, передача голоса по LTE, расширенный LTE, Поставщики LTE и LTE vs LTE продвинутые.➤Подробнее.
RF Technology Stuff
Эта страница мира беспроводной радиосвязи описывает пошаговое проектирование преобразователя частоты RF на примере преобразователя RF UP диапазона 70 МГц в диапазон C.
для микрополосковой платы с использованием дискретных радиочастотных компонентов, а именно. Смесители, гетеродин, MMIC, синтезатор, опорный генератор OCXO,
колодки аттенюатора. ➤Подробнее.
➤Проектирование и разработка радиочастотного трансивера
➤Конструкция RF-фильтра
➤Система VSAT
➤Типы и основы микрополосковой печати
➤ОсновыWaveguide
Секция испытаний и измерений
В этом разделе рассматриваются контрольно-измерительные ресурсы, испытательное и измерительное оборудование для тестирования ИУ на основе
Стандарты WLAN, WiMAX, Zigbee, Bluetooth, GSM, UMTS, LTE.УКАЗАТЕЛЬ испытаний и измерений >>
➤Система PXI для T&M.
➤ Генерация и анализ сигналов
➤Измерения слоя PHY
➤Тест устройства на соответствие WiMAX
➤ Тест на соответствие Zigbee
➤ Тест на соответствие LTE UE
➤Тест на соответствие TD-SCDMA
Волоконно-оптическая технология
Оптоволоконный компонент , основы, включая детектор, оптический соединитель, изолятор, циркулятор, переключатели, усилитель,
фильтр, эквалайзер, мультиплексор, разъемы, демультиплексор и т. д.Эти компоненты используются в оптоволоконной связи.
Оптические компоненты INDEX >>
➤Учебное пособие по оптоволоконной связи
➤APS в SDH
➤SONET основы
➤SDH Каркасная конструкция
➤SONET против SDH
Поставщики и производители беспроводных радиочастотных устройств
Сайт RF Wireless World охватывает производителей и поставщиков различных радиочастотных компонентов, систем и подсистем для ярких приложений, см. ИНДЕКС поставщиков >>.
Поставщики радиочастотных компонентов, включая радиочастотный изолятор, радиочастотный циркулятор, радиочастотный смеситель, радиочастотный усилитель, радиочастотный адаптер, радиочастотный разъем, радиочастотный модулятор, радиочастотный трансивер, PLL, VCO, синтезатор, антенну, генератор, делитель мощности, сумматор мощности, фильтр, аттенюатор, диплексор, дуплексер, микросхема резистора, микросхема конденсатора, индуктор микросхемы, ответвитель, оборудование ЭМС, программное обеспечение для проектирования радиочастот, диэлектрический материал, диод и т. д.Производители RF компонентов >>
➤Базовая станция LTE
➤RF Циркулятор
➤RF Изолятор
➤Кристаллический осциллятор
MATLAB, Labview, встроенные исходные коды
Раздел исходного кода RF Wireless World охватывает коды, связанные с языками программирования MATLAB, VHDL, VERILOG и LABVIEW.
Эти коды полезны для новичков в этих языках.
ИНДЕКС ИСХОДНОГО КОДА >>
➤3-8 декодер кода VHDL
➤Код MATLAB для дескремблера
➤32-битный код ALU Verilog
➤T, D, JK, SR триггеры labview коды
* Общая информация о здоровье населения *
Выполните эти пять простых действий, чтобы остановить коронавирус (COVID-19).
СДЕЛАЙТЕ ПЯТЬ
1. РУКИ: часто мойте их.
2. КОЛЕНО: Откашляйтесь
3. ЛИЦО: не трогайте его
4. НОГИ: держитесь на расстоянии более 3 футов (1 м) друг от друга
5. ЧУВСТВОВАТЬ: Болен? Оставайся дома
Используйте технологию отслеживания контактов >>, соблюдайте >> рекомендации по социальному дистанцированию и установить систему видеонаблюдения >> чтобы спасти сотни жизней. Использование концепции телемедицины стало очень популярным в таким странам, как США и Китай, чтобы остановить распространение COVID-19, поскольку это заразное заболевание.
RF Калькуляторы и преобразователи беспроводной связи
Раздел «Калькуляторы и преобразователи» охватывает ВЧ-калькуляторы, беспроводные калькуляторы, а также преобразователи единиц измерения.
Сюда входят такие беспроводные технологии, как GSM, UMTS, LTE, 5G NR и т. Д.
СПРАВОЧНЫЕ КАЛЬКУЛЯТОРЫ Указатель >>.
➤ Калькулятор пропускной способности 5G NR
➤5G NR ARFCN против преобразования частоты
➤Калькулятор скорости передачи данных LoRa
➤LTE EARFCN для преобразования частоты
➤ Калькулятор антенн Яги
➤ Калькулятор времени выборки 5G NR
IoT-Интернет вещей Беспроводные технологии
Раздел IoT охватывает беспроводные технологии Интернета вещей, такие как WLAN, WiMAX, Zigbee, Z-wave, UMTS, LTE, GSM, GPRS, THREAD, EnOcean, LoRa, SIGFOX, WHDI, Ethernet,
6LoWPAN, RF4CE, Bluetooth, Bluetooth Low Power (BLE), NFC, RFID, INSTEON, X10, KNX, ANT +, Wavenis, Dash7, HomePlug и другие.Он также охватывает датчики Интернета вещей, компоненты Интернета вещей и компании Интернета вещей.
См. Главную страницу IoT >> и следующие ссылки.
➤ НИТЬ
➤EnOcean
➤Учебник по LoRa
➤Учебник по SIGFOX
➤WHDI
➤6LoWPAN
➤Zigbee RF4CE
➤NFC
➤Lonworks
➤CEBus
➤UPB
СВЯЗАННЫЕ ЗАПИСИ
RF Wireless Учебники
Различные типы датчиков
Поделиться страницей
Перевести страницу
Цифровой приемник промежуточной частоты
на базе системы с несколькими ПЛИС
Стремясь решить проблемы высокой стоимости, большого размера и негибкости традиционного аналогового приемника промежуточной частоты в системе аэрокосмической телеметрии, слежения и управления (TTC), мы предложили в этой статье представлен новый цифровой приемник промежуточной частоты (ПЧ) на основе системы Multi-FPGA.Цифровое формирование луча (DBF) реализуется с помощью алгоритма цифрового компьютера с координированным вращением (CORDIC). Был разработан экспериментальный прототип компактной системы с несколькими ПЛИС с тремя ПЛИС для приема 16 каналов цифровых сигналов ПЧ. Наши экспериментальные результаты показывают, что предложенная нами схема может обеспечить большое удобство при проектировании цифрового приемника ПЧ, который является ценным эталоном для проектирования приемников реального времени с низкой мощностью, высокой плотностью и небольшими размерами.
1. Введение
В области аэрокосмической системы TTC наземная станция в основном используется для захвата и отслеживания летательных аппаратов с помощью большого узкого луча с высоким коэффициентом усиления.Такой процесс поиска и отслеживания работает, когда детектор угловой ошибки антенной сервосистемы может обнаруживать угловую ошибку (включая ошибку азимута и ошибку тангажа) между инерциальной осью лазерного гироскопа и осью антенны. После усиления и определенных операций этот сигнал угловой ошибки может приводить в действие серводвигатель, чтобы заставить ось электрической антенны нацеливаться на инерциальную ось лазерного гироскопа, чтобы реализовать автоматическое слежение за летательным аппаратом [1, 2]. Этот традиционный метод в основном основан на аналоговых устройствах и технологиях, что приводит к некоторым серьезным недостаткам, например к дорогостоящему лазерному гироскопу и большой поворотной антенне.
С развитием цифровых устройств и технологии цифровой обработки сигналов, появляется новая концепция радара с цифровой решеткой (DAR), который может идеально сочетать цифровую технологию и антенную технологию, чтобы принять DBF для замены традиционного аналогового формирования луча как в передающем, так и в передающем исполнении. режим приема [3–5]. Ключевые методы DAR в основном включают в себя модуль цифрового передатчика и приемника (T / R), многоканальный цифровой прием, высокоскоростную передачу данных с большой пропускной способностью, широкополосный DBF и высокопроизводительную программную обработку сигналов.Многоканальный цифровой приемник является ядром DAR из-за его высокой аппаратной / программной сложности, высокой степени интеграции и высокого показателя производительности.
Принимая во внимание строгие требования к DAR в отношении правильной идентификации амплитуды и фазы между несколькими приемниками, приемник DBF принимает идею программно-определяемого радио (SDR) [6–8]. Основная идея SDR заключается в создании открытой, стандартизированной и модульной платформы, которая будет использовать программное обеспечение для выполнения функций модуляции и демодуляции.И полоса пропускания высокоскоростного широкополосного аналого-цифрового преобразователя (A / D) очень близка к приемнику или даже к антенне. Базовые структуры SDR можно условно разделить на три типа: высокочастотная (RF) выборка нижних частот, полосовая выборка RF и полосовая выборка IF.
Чтобы улучшить избирательность, подавить внеполосные помехи и снизить скорость обработки последующего сигнального процессора, радары обычно используют полосовую выборку ПЧ, которая представляет собой цифровой приемник ПЧ, обычно использующий супергетеродинную систему [9].Поскольку выборка происходит непосредственно на промежуточной частоте, вся последующая обработка может выполняться в цифровой форме. Это позволит преодолеть недостатки традиционных приемников, основанных на аналоговых устройствах и методах обработки аналоговых сигналов, такие как изменение усиления, температурный дрейф постоянного тока и неортогональность между и. Таким образом, стабильность и стабильность могут быть значительно улучшены.
С развитием и применением широкополосных радаров высокого разрешения полоса пропускания цифровых приемников становится все шире, а частота дискретизации — все выше.Конструкция широкополосных цифровых приемников ПЧ более сложна, чем конструкция узкополосных цифровых приемников ПЧ [10–13], что в основном отражается в следующих аспектах: (1) С увеличением частоты дискретизации данных следящий сигнал скорость обработки не может угнаться. Кроме того, высокая скорость передачи данных также приводит к проблемам высокоскоростной передачи данных и синхронизации данных. (2) Комбинационные частотные помехи в приемнике значительно увеличиваются. Следовательно, оптимизированный дизайн с учетом множества факторов (например,g., рабочая частота, низкий фазовый шум, низкий уровень паразитных частот и электромагнитная совместимость) очень важны. (3) ВЧ аналоговые входные цепи приемника неизбежно имеют рассогласование по амплитуде и фазе, особенно для широкополосных приемников. Кроме того, существует несогласованность частотной характеристики канала, которая может повлиять на уровень боковых лепестков, отношение выходного сигнала к шуму (SNR) или нулевую глубину адаптивного формирования луча. Следовательно, эквалайзер канала [14, 15] должен быть адаптирован для коррекции.
Видно, что многоканальные цифровые приемники на основе DBF намного сложнее традиционных. Фактически, приемник DBF может включать в себя множество каналов, даже до тысяч каналов. Однако существуют некоторые строгие требования к размеру и весу приемника бортового радара, космического радара или других радаров.
Чтобы решить вышеупомянутые проблемы, в этой статье мы предлагаем приемник DAR на основе системы Multi-FPGA [16], который может обеспечивать большое количество цифровых сигналов для удовлетворения потребностей цифровых приемников для цифрового интерфейса.Возможность высокоскоростной параллельной обработки, основанная на аппаратном обеспечении Multi-FPGA, зрелых IP-ядрах и технологии цифровой обработки, может значительно облегчить конструкцию нашего цифрового приемника, делая его пригодным для приложений в реальном времени с функциями низкого энергопотребления, высокой плотности, и миниатюризация физических размеров.
Наш вклад в эту работу заключается в следующих аспектах: (1) Мы предлагаем, чтобы выходной цифровой сигнал многоканального АЦП напрямую подключался к ПЛИС, а многоканальное цифровое преобразование с понижением частоты (DDC) также реализовано в ПЛИС.Этот метод проще, дешевле и гибче по сравнению с использованием микросхемы ASIC с программируемым цифровым понижающим преобразователем, такой как GC4016 или AD6654. Это улучшение особенно важно для цифровых матричных приемников с сотнями каналов. (2) На основе принципа и анализа цифрового формирования луча мы предлагаем и реализуем схему алгоритма CORDIC для цифрового формирования луча в FPGA. (3) Мы реализуем наш цифровой приемник Схема кольцевой матрицы с 16 каналами в системе Multi-FPGA. Эта система с несколькими ПЛИС состоит из 3 частей ПЛИС: две ПЛИС напрямую подключены к выходу цифрового сигнала от АЦП, а третья ПЛИС предназначена для реализации DBF и драйвера дисплея терминала.
2. Анализ решетчатой антенны
Матричная антенна — это синтетическая антенна, состоящая из множества излучающих элементов, которая генерирует сильное направленное излучение. Антенный массив имеет две формы: один — линейный массив [17], в котором все элементы массива расположены по прямой линии; другой — плоский массив [18], в котором все элементы массива расположены на плоскости. Элемент решетки может быть простой слабонаправленной антенной, такой как диполь, полуволновой диполь и паз волновода, или может быть более сложной антенной, такой как параболическая антенна и антенна Яга.Решетчатая антенна формирует луч с узкой направленностью, характеристики которого определяются положением, амплитудой и фазой излучающих элементов. На рисунке 1 показано геометрическое соотношение элементов антенной решетки.
Предположим, что элемент находится в точке отсчета фазы. Напряженность электрического поля, измеренная в дальней точке поля, — это где — комплексная амплитуда, — это равное волновое число и — диаграмма направленности.
Учитывая, что источник излучения состоит из ряда элементов массива, координата любого элемента равна, а вектор от точки до где где, и являются единичными векторами осей, и, соответственно.
Компонента полного электрического поля в дальней зоне: где — комплексная амплитуда и — диаграмма направленности. можно представить следующим образом: где « и
На основе биномиального разложения лучшая оценка для (4) получается с помощью
Относительно опорной точки фазовый вклад в дальнем поле составляет
Единичный вектор вдоль направления, как показано в следующем уравнении:
Таким образом, (7) можно переписать как
Для решетки возбуждения равной амплитуды диаграмма направленности каждого элемента решетки изотропна.Без ограничения общности можно предположить. Таким образом, полное электрическое поле равно
Это называется выражением матричного фактора. Если равно другому значению, изменяется только коэффициент выражения, а амплитуда составного луча изменяется на другое значение. Однако это не повлияет на форму и направление луча.
3. DBF на базе CORDIC
3.1. Модель DBF
Хотя каждая диаграмма направленности антенной решетки является всенаправленной, усиление направления решетки может быть собрано в направлении полезного сигнала путем взвешивания дискретизированных данных каждого канала, что эквивалентно формированию луча с высоким коэффициентом усиления в желаемом направление.Принцип подбора весовых коэффициентов заключается в том, чтобы выходной сигнал был максимальным.
Как показано на рисунке 2, DBF для массива элементов достигается регулировкой весового коэффициента каждого элемента, выходом массива является взвешенная сумма каждого компонента из вектора принятого сигнала. Пусть весовой вектор будет; вывод может быть записан как где верхний индекс представляет комплексное сопряжение.
В узкополосной модели амплитуда сигнала каждого элемента в любой момент одинакова.Уравнение (11) может быть реализовано только путем настройки весового коэффициента фазовращателя, который предназначен только для фазы сигнала, без необходимости изменения амплитуды сигнала. Если есть только один сигнал от направления и вектор наведения есть, то при весовом векторе равен. Это самый крупный, который используется для достижения роли ориентированного позиционирования. В это время веса различных сигналов относятся к одной и той же фазовой суперпозиции, что также относится к фильтру пространственного согласования.
3.2. Модуль DBF на основе алгоритма CORDIC [19]
Пусть сигнал, полученный th элементом массива, равен
Комплексный весовой коэффициент равен
Выход после комплексного взвешивания равен
Посредством приведенного выше преобразования можно увидеть, что сложная операция взвешивания для каждого канала может быть реализована с использованием трех модулей алгоритма CORDIC: двух операций косинуса и одного модуля вращения. На рисунке 3 изображена схема одноканального комплексного весового модуля.
Чтобы отслеживать цель, нам нужно выполнить параллельную операцию сложения для сигналов и, получить общий вывод, а затем использовать векторный режим алгоритма CORDIC для получения, как показано на рисунке 4.
Выполненные выше операции могут реализуется путем настройки ядра CORDIC IP в ПЛИС.
3.3. Цифровой приемник ПЧ в FPGA
На основе схемы реализации DBF на основе алгоритма CORDIC, мы можем сконструировать приемник РЛС с цифровой антенной решеткой ПЧ, комбинируя его с аналого-цифровым преобразованием и цифровым понижающим преобразованием (DDC) [20].Упрощенная блок-схема приемника РЛС с цифровой антенной решеткой показана на рисунке 5.
4. Моделирование 16-элементной кольцевой решетки DBF
Как показано на рисунке 6, в плоскости xoy элементы изотропного излучения равномерно распределены. распределены по окружности радиусом,.
Здесь
Координаты th элементов равны
Итак,
Согласно (10), где — комплексный ток th элемента. Для возбуждения равной амплитуды имеем.Когда главный луч решетки направлен на, (19) можно выразить следующим образом:
Согласно (20) круговая диаграмма может сканировать в обоих направлениях. Для удобства наблюдения и анализа константу делаем отдельно. Сначала пусть будет константа ;, и = 1: 1; результаты моделирования показаны на рисунке 7. Сплошные линии представляют собой образец, а пунктирные линии представляют собой образец.
Тогда пусть будет константа; ,, и = 1: 1. На рисунке 8 показан образец массива из нашего моделирования.
Из (20) и наших результатов моделирования можно наблюдать следующее: (1) Луч круглой решетки может указывать в указанном направлении в двух измерениях, что может использоваться для определения направления цели, то есть Круглая решетка имеет разрешение с двумя измерениями, которые также могут различать угол места и азимут. (2) Поскольку на Рисунке 7 является константой, с увеличением ширина луча остается неизменной. Другими словами, разрешающая способность круглой решетки в диапазоне равна.Следовательно, луч круглой решетки можно сканировать в одном направлении, и амплитуда сигнала одинакова. (3) Из рисунка 8, где — константа, чем больше значение is, тем шире становится ширина луча. Это означает, что способность кругового массива различать цель будет уменьшена.
5. Экспериментальная проверка
5.1. Структура системы с несколькими ПЛИС
Аппаратная часть антенного решетчатого радиолокационного приемника ПЧ включает конструкцию печатной платы и разработку программы управления конфигурацией нескольких ПЛИС.OrCAD и PADS используются в конструкции печатных плат (PCB), а ISE используется в разработке нашей управляющей программы.
Наша разработанная система Multi-FPGA состоит из трех Spartan 3 FPGAXC3S2000FGG456, одного CPLD XC9572 и одного Prom XCF32p. XC3S2000 — это недорогая ПЛИС высокой плотности с 2 M логическими вентилями, тактовой частотой до 326 МГц, встроенной 40 умножителями. Структура системы показана на рисунке 9.
Взаимосвязь между тремя ПЛИС — 8-канальная топология [16], где номера выводов соединения — 24 между ПЛИС 1 и ПЛИС 2, 50 между ПЛИС 1 и ПЛИС 3 и 50 между ПЛИС 2 и ПЛИС. FPGA3.Имеется 20 ветвей приема ПЧ, из которых 16 используются для приема сигнала выборки по 16 каналам, а остальные 4 канала являются запасными. FPGA1 принимает цифровые сигналы выборки ПЧ с первого по восьмой каналы, а FPGA2 принимает цифровые сигналы выборки ПЧ с девятого по шестнадцатый канал. DDC восьми сигналов ПЧ реализуется в FPGA1 параллельно, а цифровой сигнал основной полосы частот отправляется на FPGA3. Точно так же FPGA2 выполняет цифровое преобразование с понижением частоты еще 8 параллельных IF-сигналов, и цифровой сигнал основной полосы частот также отправляется на FPGA3.Работа DBF завершается в FPGA3, который также управляет программой драйвера дисплея и обрабатывает отображение результатов DBF на экране. Архитектура XC9572 плюс XCF32p должна завершить настройку трех ПЛИС. XCF32p — это флэш-память объемом 32 Мб, которую можно разделить на четыре сегмента по 8 М для конфигурирования четырех ПЛИС с целью уменьшения количества используемых микросхем флеш-памяти. Программа управления конфигурацией микросхемы хранится в CPLD XC9572. Все микросхемы FPGA, флэш-памяти и CPLD являются продуктами XILINX, что может упростить проектирование нашей системы благодаря использованию того же интерфейса JTAG и программного обеспечения.
5.2. Схема разделения слоев печатной платы
Чтобы свести к минимуму неблагоприятное влияние схемы на производительность системы и обеспечить требования высокой частоты и скорости, электронные компоненты в нашей конструкции печатной платы были вручную размещены и разведены с помощью тщательное рассмотрение электромагнитной совместимости. Наша разработанная печатная плата имеет 8 слоев, расположение которых показано в таблице 1. Плата печатной платы показана на рисунке 10.
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
5.3. Полевые эксперименты и результаты
Мы провели полевые эксперименты с нашим разработанным цифровым приемником ПЧ. Приемная антенная решетка представляла собой круговую решетку, в которую входило 16 элементов решетки. Маяк представлял собой несимметричную антенну, распространяющую сигналы. Антенная решетка обнаружила цель, определила дальность до цели и сформировала сильный луч в направлении цели. На одном экране терминала отображался луч, чтобы завершить поиск и определение местоположения цели.
Условия и параметры испытаний перечислены в таблице 2.В качестве хорошего компромисса между экспериментальными эффектами и стоимостью прототипа антенная решетка приемника была определена как 16-элементная круглая решетка с элементом решетки монопольной антенны.
