Пол Хендрикс, Ричард Шрейер, Джо Ди Пилато

Проектирование высококачественного узкополосного радиоприемника с использованием микросхемы в корпусе LQFP

Мобильная радиосвязь используется в целях общественной безопасности и в чрезвычайных ситуациях такими службами, как полиция, пожарная охрана, скорая помощь, а также для обслуживания частных лиц и организаций, например, в целях осуществления оперативного управления. Для улучшения качества предоставляемых услуг всё чаще, наряду с повышением эффективности использования выделенного спектра частот и увеличением зоны охвата передатчиков, при проектировании мобильных систем связи переходят от схем с аналоговой модуляцией (таких как ЧМ и ФМ) к схемам с цифровой модуляцией.

Рисунок 1. Большой проблемой во всех приёмниках является динамический диапазон

Радиоприёмники в мобильных системах связи должны оцифровывать маломощные, высокочастотные сигналы в условиях сильных помех. В приёмниках, использующих один из узкополосных стандартов мобильной связи, уровень помехи может на 70 дБ превышать уровень полезного сигнала при разносе частот до 25 кГц. Поскольку такие системы обычно не являются сотовыми, то величина радиуса действия мобильной радиостанции также становится важным параметром, её приёмник должен обладать очень высокой чувствительностью, чтобы принимать сигналы, исходящие от абонентов на краю зоны действия. Дополнительные сложности привносит то, что такие радиостанции как правило являются переносными и используются очень интенсивно. Необходимым требованием поэтому является низкое энергопотребление от миниатюрных долговечных аккумуляторов.

Для разработчиков подобных устройств компания Analog Devices создала микросхему AD9870, осуществляющую аналого-цифровое преобразование сигнала на промежуточной частоте, отвечающую требованиям мобильной радиоаппаратуры и других аналогичных узкополосных устройств с супергетеродинной архитектурой, в которых используются аналоговые и/или цифровые методы модуляции. AD9870 содержит весь тракт обработки сигнала промежуточной частоты (ПЧ) и требует минимального числа внешних компонентов. Она принимает сигнал ПЧ с несущей до 300 МГц, полосой до 150 кГц и выдаёт последовательный 16-бит код квадратурных компонент сигнала I и Q, который может быть продетектирован хост-процессором. Схема AD9870 спроектирована так, чтобы удовлетворить требованиям как к базовым, так и к абонентским станциям, обеспечивая динамиче-ский диапазон, необходимый для базовых станций, и малое потребление мощности, необходимое для абонентских станций.

Большой проблемой во всех приемниках является динамический диапазон

Динамический диапазон приёмника определяет его возможности по приёму маломощных сигналов на фоне более сильных сигналов помех. На рис. 1 показаны различные источники уменьшения динамического диапазона приёмника.

Предположим на минуту, что единственный сигнал, который присутствует в спектре, это малый полезный сигнал. Минимальный обнаруживаемый сигнал, или чувствительность, в этом случае будет определяться шириной полосы сигнала (DF), порогом обнаружения приёмника (С/Шмин — минимальное отношение сигнал/шум), коэффициентом шума приёмника (Кш) и тепловыми шумами (kTDF). При температуре 290 К чувствительность может быть оценена по следующей формуле:

Чувствительность* = С/Ш_мин + 10log(DF) + К_ш + (-174 дБм/Гц).

*) Чувствительность, а также уровни мощности сигнала и помех представляются логарифмически в единицах дБм, то есть по отношению к 1 мВт.

Рассмотрим некоторые из потенциальных источников шума.

Низкочастотный фликкер-шум вида 1/f становится проблемой, если недостаточно усилить полезный сигнал перед его переносом в область частот ниже характерной точки перегиба частотной характеристики плотности шума 1/f, зависящей от технологии изготовления ИМС. Неприятности может доставить и постоянная составляющая, вызванная смещением и искажениями второго порядка.

Из-за фазовых шумов гетеродина приёмника спектр сильных помех может расширяться из-за процесса, известного как "взаимное преобразование". Чем сильнее помеха и чем она ближе к полезному сигналу, тем больше вероятность того, что он будет искажён из-за перемещения шумовых компонент в область рабочих частот. Кроме того, если уровень сигнала помехи достаточно большой, чтобы вызвать нелинейные искажения во входных каскадах приёмника, то паразитная составляющая может из-за обратного преобразования просочиться в полосу пропускания полезного сигнала. Проблема "половинной ПЧ" — это особый случай, который имеет место в приёмниках с высоким уровнем нелинейности второго порядка, где помеха, попадающая посередине между частотой гетеродина и частотой полезного сигнала, порождает вторичную составляющую, которая смешивается со второй гармоникой гетеродина и порождает, в свою очередь, помеху, попадающую в область частот полезного сигнала. Параметр IIP2 (IIP2, IIP3 — характеристические точки мощности искажений, вызванных комбинационными сигналами, соответственно, второго и третьего порядка при двухтональном воздействии.), специфицируемый для радиоприёмников, позволяет разработчикам этих устройств количественно оценивать уровень паразитного сигнала "половинной ПЧ". Разность между мощностью помехи Pп и мощностью паразитной компоненты второго порядка составляет IIP2 – P_п. Если уровень IIP2 не превышает 45 дБм, то проблема "половинной ПЧ" в большинстве случаев никак не проявляется при использовании AD9870.

Два мощных сигнала помехи, имеющие между собой сдвиг по частоте, равный сдвигу сигнала меньшей частоты относительно полезного сигнала (f₀ + D и f₀ + 2D), вызовут появление паразитных составляющих в пределах основного участка спектра полезного сигнала из-за интермодуляции. Линейность приёмника в этом случае описывается спецификацией IIP3 — чем больше эта величина, тем выше его устойчивость к интермодуляции третьего порядка. Если на входе действуют две одинаковые помехи мощностью P_п, то разность между ними и результирующим паразитным сигналом, образовавшимся вследствие интермодуляции, составит 2 x (IIP3 – P_п). AD9870 имеет вполне приемлемые показатели по величине интермодуляционных искажений: значение IIP3 составляет -1 дБм. Благодаря этому обеспечивается устойчивая работа приёмника без ухудшения его чувствительности при уровне помех до -45 дБм.

Супергетеродинная архитектура

Для борьбы с мощными помехами, которые ухудшают возможность приёма сигналов низкого уровня, радиоприёмники строятся по супергетеродинной схеме. При этом осуществляется одно или несколько преобразований с понижением частоты ВЧ-сигнала и формированием ПЧ, что обеспечивает более высокое качество фильтрации близко расположенных помех, а также большее усиление и регулировку уровня полезного сигнала. Супергетеродинная архитектура используется со времён Первой Мировой Войны, и по сей день остаётся наиболее популярной. Типовой вариант схемы, наиболее часто используемой в узкополосных цифровых приёмниках, показан на рис. 2.

Рисунок 2. Типичная супергетеродинная схема цифрового приёмника

Перед тем как осуществить перенос ВЧ-сигнала в область ПЧ, полосовой избирательный фильтр (диплексер) и/или полосовой фильтр подавления зеркального канала выделяют всю полосу ВЧ-сигнала, в которой находится полезный сигнал. Параметры малошумящего усилителя (МШУ), который осуществляет усиление выделенного ВЧ-сигнала перед преобразованием частоты, оказывают большое влияние на чувствительность приёмника. Преобразованный спектр ПЧ на выходе ВЧ-смесителя содержит, помимо полезного сигнала, ряд дополнительных сигналов различной мощности. Частотная селекция и усиление осуществляются на ПЧ: полезный сигнал выделяется среди прочих с помощью одного или нескольких пассивных кварцевых фильтров или фильтров на ПАВ. После фильтрации полезный сигнал подвергается дальнейшему усилению со стабилизацией мощности на определённом уровне с помощью петли АРУ, что необходимо для оптимизации процесса квадратурной демодуляции. Во многих цифровых приёмниках аналоговый фазовый модулятор разделяет сигнал промежуточной частоты на две квадратурные составляющие: I - прямую и Q - сдвинутую на 90°, - которые затем оцифровываются сдвоенным АЦП. В этом случае точность детектирования сигнала очень сильно зависит от погрешностей смещения аналоговых элементов, фазового рассогласования двух выходных сигналов гетеродина, различия коэффициентов передачи квадратурных каналов ПЧ, фазового детектора и сдвоенного АЦП.

Архитектура AD9870

Подсистема дискретизации на ПЧ, реализованная в AD9870, упрощает схему типичного супергетеродинного приёмника благодаря интеграции на кристалле ИМС большинства функциональных узлов обработки сигналов ПЧ, основной полосы частот, а также некоторых блоков цифровой постобработки (рис. 3).

Рисунок 3. AD9870 упрощает цифровые приёмники, одновременно улучшая их характеристики

Схема AD9870 отличается от типовой супергетеродинной схемы использованием для дискретизации на 2-ой ПЧ смеси полезного сигнала и помех сигма-дельта АЦП с широким динамиче-ским диапазоном и частотной характеристикой типа полосового фильтра.

Детектирование полезного сигнала осуществляется с цифровой точностью и стабильностью, в то время как проникшие в тракт близкие по частоте к полезному сигналу помехи могут быть подавлены с помощью цифровой фильтрации.

На рис. 4 показана структурная схема AD9870. По функциональному назначению элементов она похожа на ВЧ-тракт супергетеродинного приёмника: МШУ и смеситель используются для усиления и понижения частоты полезного сигнала с 1-ой до 2-ой ПЧ, на которой и осуществляется дискретизация с помощью полосового АЦП.

Рисунок 4. Функциональная схема AD9870 демонстрирует уровень интеграции устройства

МШУ и смеситель обеспечивают усиление приблизительно 10,5 дБ. Динамический диапазон системы характеризуется коэффициентом шума на входе 9 дБ и величиной мощности, соответствующей характеристической точке интермодуляционных искажений третьего порядка, 0 дБм. Высокое входное сопротивление (360 Ом) упрощает согласование с кварцевыми фильтрами и фильтрами на ПАВ. Размещённый на кристалле синтезатор частоты гетеродина с ФАПЧ может использоваться совмест-но с внешним петлевым фильтром и генератором, управляемым напряжением (ГУН) для перестройки частоты гетеродина.

Центральная частота 2-ой ПЧ составляет точно 1/8 частоты дискретизации полосового АЦП (f_CLK/8), что позволяет использовать простую схему цифрового квадратурного детектора. После понижения частоты сигнала до 2-ой ПЧ он обрабатывается настраиваемым (и программируемым) активным фильтром третьего порядка для защиты от наложения спектров - чтобы подавить паразитные компоненты, которые могут появиться в пределах повторяющихся участков спектра дискретного сигнала (N·f_CLK/8 ± f_CLK/8). Схема подстройки этого фильтра поддерживает значения частоты дискретизации АЦП от 13 до 18 МГц, а значение частоты среза по уровню -3 дБ в типовом случае устанавливается немного ниже 2-ой ПЧ (f_-3дБ = f_CLK/3,2).

В фильтр, препятствующий наложению спектров, встроен регулируемый усилитель (РУ), который обеспечивает усиление до 26 дБ (рис. 5). Усиление РУ, которое расширяет динамический диапазон AD9870, можно программировать либо непосредственно, либо регулировать с помощью системы АРУ. Механизм АРУ используется при наличии мощных сигналов, чтобы исключить перегрузку АЦП или ограничение сигнала на его входе. Это обеспечивается поддержанием программно установленного уровня сигнала на входе АЦП. AD9870 реализует функцию АРУ с помощью высокоэффективной аналого-цифровой системы (рис. 5). При выполнении процедуры оценки величины и регулировании уровня сигнала цифровая и аналоговая части работают совместно.

Рисунок 5. Аналого-цифровая система АРУ расширяет динамический диапазон AD9870

В ситуации, когда сильный полезный сигнал или помеха попадают в полосу пропускания первого каскада цифрового прореживающего фильтра, имеющего коэффициент децимации 20, цифровыми средствами производится оценка уровня сигнала и сравнение его с запро-граммированным опорным значением. Разность между ними подаётся на цифровой интегратор, который с помощью ЦАП подстраивает аналоговое напряжение на управляющем входе РУ. Поскольку сильные помехи, не попадающие в полосу пропускания первой ступени цифрового фильтра, не могут быть точно оценены, имеется также аналоговая система АРУ, построенная на основе простого дифференциального компаратора, которая следит за входом АЦП и управляет системой, снижая усиление РУ во всех случаях выхода амплитуды сигнала за установленный диапазон.

Для сглаживания выходного сигнала ЦАП используется внешний конденсатор, причём постоянная времени задаётся величиной ёмкости конденсатора и величиной сопротивления одного из резисторов ЦАП. Частота среза этой RC-цепочки обычно устанавливается далеко за пределами полосы пропускания системы АРУ, чтобы гарантированно обеспечить непрерывный цифровой контроль за динамическими параметрами системы. Можно в очень широких пределах программно устанавливать полосу пропускания системы АРУ, а также длительность переднего и заднего фронтов, что обеспечивает возможность реагирования на любые перегрузки.

Мгновенное значение динамического диапазона сигнального тракта любого узкополосного приёмника, содержащего РУ, зависит от установленного коэффициента усиления РУ, так как приведённый ко входу вклад в суммарный уровень шума каждого из последовательно включенных каскадов, уменьшается с увеличением коэффициента усиления предыдущего каскада. Это означает, что входной шум, характеризуемый коэффициентом шума (К_ш), почти всегда определяется вкладом нескольких первых каскадов (МШУ и смесителя), а источники шума в конце сигнального тракта (АЦП) оказывают минимальное влияние на К_ш системы, если сигнал между этими блоками усилен в достаточной степени.

В AD9870 номинальное значение коэффициента усиления РУ подстраивается в диапазоне 25 дБ. На рис. 6 показано, как установленная величина коэффициента усиления РУ влияет на коэффициент шума AD9870 при увеличении входной мощности полезного сигнала или помехи от -85 до -23 дБм. При малых сигналах коэффициент усиления РУ достигает максимальной величины, коэффициент шума AD9870 определяется МШУ и смесителем, а также входным шумом РУ. Но по мере того как мощность сигнала растёт, он достигает точки (которая зависит от уровня опорного напряжения АРУ), с которой коэффициент усиления РУ начинает падать, чтобы предотвратить блокировку АЦП из-за выхода сигнала за допустимый диапазон. После этой точки коэффициент усиления РУ уменьшается линейно с наклоном -1 дБ на 1 дБм повышения мощности сигнала. Кроме того, в этой области уровень сигнала на входе АЦП остаётся постоянным, шумы АЦП становятся преобладающими, и поэтому коэффициент шума системы также линейно растёт с наклоном 1 дБ на 1 дБм роста мощности сигнала на входе приёмника. При дальнейшем увеличении мощности сигнала, он достигает точки -26 дБм, в которой коэффициент усиления РУ становится минимальным. Повышение уровня сигнала на входе приёмника до -24 дБм приводит к блокировке АЦП.

Рисунок 6. Динамический диапазон AD9870 зависит от настройки регулируемого усилителя

"Сердцем" AD9870 является сигма-дельта АЦП (рис. 7) с частотной характеристикой полосового (резонансного) типа. Именно он обеспечивает возможность практического воплощения на базе ИМС реальной системы дискретизации на 2-ой ПЧ, предназначенной для радиосистем, которым необходимы большой динамический диапазон и минимальное энергопотребление. Этот АЦП, совместно с оконечным цифровым прореживающим фильтром, образует преобразователь с эффективной разрядностью около 14,5 бит при полосе пропускания 10 кГц и расположении центральной частоты спектра преобразуемого сигнала около 2,25 МГц. Такие характеристики достигаются при потреблении всего 13 мА от источника напряжением -3 В.

Рисунок 7. Мультибитный полосовой - D АЦП четвёртого порядка имеет АЧХ с провалом на частоте f_CLK/8

Сигма-дельта АЦП выполнен на базе мультибитного модулятора четвёртого порядка (с 9-разрядным квантователем и многоразрядными ЦАП в петле ОС) по схеме с переключаемыми конденсаторами и состоит из двух последовательно включенных резонаторов, которые обеспечивают формирование двух комплексных пар с нулями в частотной характеристике шума квантования, находящихся около частоты f_CLK/8. Расположение этих комплексных нулей на частоте 2-ой ПЧ, наряду с многоразрядной цепью обратной связи, помогает обеспечить малый уровень шума в узкой полосе вокруг 2-ой ПЧ (±73,3% от f_CLK/8).

Оцифрованный сигнал с выхода АЦП поступает в блок цифровой обработки сигналов AD9870 (рис. 8). Этот блок состоит из комплексного (квадратурного) демодулятора с понижением частоты на fCLK/8, за которым следуют три цифровых КИХ-фильтра с линейной фазовой характеристикой. Перед фильтрацией квадратурный детектор разделяет полезный сигнал 2-ой ПЧ с центральной частотой f_CLK/8 на сдвинутые по фазе на 90º составляющие I и Q.

Рисунок 8. Схема, содержащая цифровой квадратурный детектор и следующие за ним программируемые прореживающие фильтры, формирует квадратурные компоненты I и Q сигнала в основной полосе частот

Выходной спектр комплексного детектора состоит из полезного сигнала, теперь сосредоточенного вокруг нулевой частоты, а также нежелательных помех и/или шумов, которые были не полностью отфильтрованы в аналоговой части. Многокаскадная структура из последовательно включенных прореживающих фильтров подавляет эти нежелательные составляющие, одновременно уменьшая частоту обновления выходных отсчётов в соответствии с полосой полезного сигнала. В зависимости от схемы детектора, частота обновления комплексных отсчётов (а, следовательно, и коэффициент децимации) устанавливается так, чтобы она минимум в два раза превышала ширину полосы сигнала, что необходимо для дальнейшей обработки. Оба фильтра - DEC1 и DEC2 реализованы по схеме гребенчатого фильтра 4-го порядка. Коэффициент децимации DEC2 программируется пользователем для обеспечения возможности обработки сигналов с различной шириной полосы частот. DEC3 - это прореживающий фильтр КИХ с коэффициентом децимации 3. Он определяет характеристики переходной зоны всего составного фильтра. 16-бит код I и Q компонент с выхода фильтра DEC3 поступает на синхронный последовательный интерфейс, который преобразует данные в последовательный поток битов и добавляет в него вспомогательную информацию, такую как параметры АРУ, код уровня сигнала, а также импульсы синхронизации.

Производство и поставки

Микросхема AD9870 была запущена в производство зимой 2001 г. Она поставляется в 48-выводном корпусе LQFP по цене 16,96 долларов США при заказе партии от 1000 штук. Документация на AD9870 имеется на WWW-сервере фирмы Analog Devices (www.analog.com). Поставляется также плата для ознакомления с работой устройства вместе с необходимым программным обеспечением.