|
Функционирование радиоприемных устройств в ССПО Основная функция тракта приема заключается в усилении принятого сигнала и его последующей демодуляции в присутствии сильных помех, шумов и замираний. Уровень полученного сигнала в системах подвижной связи зависит от расстояния Tx-Rx и состояния среды распространения сигнала между передатчиком и приемником. В силу этого уровень РЧ сигнала на входе приемника ССПО может значительно измениться, что приводит к необходимости применения трактов приема с большим динамическим диапазоном. В современных ССПО приемные устройства функционируют в очень тяжелых условиях, резко отличающихся от условий работы традиционных связных приемников. При этом имеется ряд факторов, существенно ухудшающих качество функционирования приемного устройства, связанных с условиями работой в составе системы:
Ухудшение качества функционирования трактов приема Наличие рассмотренных факторов может привести к возникновению различных явлений, существенно ухудшающих качество функционирования приемного устройства:
РЧ параметры приемопередатчика Как уже отмечалось ранее, качество приемопередатчика обычно характеризуется рядом параметров, определяемых в трех частотных областях: канальной (in-channel Как правило, соответствующие нормативные документы современных ССПО содержат сведения, конкретизирующие определения различных параметров и характеристик РЧ трактов, уточняют порядок их измерения. Они отражают специфику использования ПК применительно к конкретному радиоинтерфейсу ССПО. Параметры приемопередатчиков GSM и измерения, производимые в них, определены в следующих основных стандартах ETSI и ANSI:
Ряд параметров и характеристик радиоприемных устройств ССПО являются достаточно традиционными. Подробные сведения о них можно найти в литературе, приведенной в конце раздела. Здесь упомянем только о специфике их использования и учета применительно к РЧ блокам подвижной связи. Основные показатели качества приемника Для стандарта GSM основные нормируемые характеристики тракта приема приведены в документе GSM 05.05 - Radio transmission and reception.
Основные нормируемые характеристики тракта приема абонентского оборудования UE и базовых станций BS для стандарта UMTS можно найти в ряде документов:
Вероятностные характеристики приемных устройств Для оценки качества функционирования приемных устройств цифровых систем связи используется ряд вероятностных характеристик. Прежде всего, это различного рода коэффициенты ошибок: битовых (bit error rate, BER), фреймовых FER и.т. Однако, следует отметить, что для нахождения величин таких ошибок необходимо наличие не только собственно РЧ тракта приема, но и цифрового бейсбенд тракта. В системах связи стандарта UMTS при действии сигнала помехи величина BER не должна превышать 10Е-3. [TS 25.101, 7.6].
Одним из важнейших показателей качества тракта приема является его чувствительность (Sensitivity). Чувствительность определяется как минимальный уровень сигнала входного сигнала устройства, необходимый для обеспечения требуемого качества полученной информации. Традиционно чувствительность приемника определяется наименьшим уровнем сигнала на входе приемника, который приемник может обнаружить при обеспечении удовлетворительного для демодуляции отношения сигнал-шум SNR (Signal-to-Noise Ratio) на выходе приемника [13]. В цифровых системах связи качество измеряется коэффициентом битовых ошибок. Для заданного коэффициента битовых ошибок необходимо определенное отношение сигнал-шум на входе информационного блока. Чувствительность определяет абсолютный уровень мощности входного сигнала, обеспечивающий требуемое отношение сигнал-шум SNR на выходе приемника. Для системы с цифровой схемой модуляции минимальный коэффициент битовых ошибок BER (Bit Error Rate) определяет минимальное SNR (Eb/No), необходимое для удовлетворительного воспроизводства желательного сигнала. Высокопоставленные моделирования системы помогают оценивать минимум Eb/No (для данной архитектуры демодулятора) в присутствии потерь канала типа результата(влияния) закона мощности и исчезновения. Чувствительность приемного устройства определяется коэффициентом его усиления Кус. Приемник должен обеспечивать усиление даже самых слабых входных сигналов до выходного уровня, необходимого для нормального функционирования устройства. Однако, на входе приемника действуют помехи и шумы, которые также усиливаются в приемнике и могут ухудшать качество его функционирования. Кроме того, на выходе приемника появляются усиленные внутренние шумы приемника. Чем меньше внутренние шумы - тем лучше качество приемника, тем выше его чувствительность. Для обеспечения нормального функционирования приемного устройства необходимо обеспечить требуемое превышение выходного сигнала всех действующих на выходе шумов и помех. Чувствительность приемника может быть охарактеризована несколькими параметрами:
Нормативными документами для приемных устройств систем GSM введено понятие эталонной чувствительности (Reference Sensitivity) [GSM 05.05, 6.2]: Величины эталонной чувствительности в показателях разрушения кадра (frame erasure), битовой ошибки (bit error) или остаточного коэффициента битовых ошибок (residual bit error rate) для различных типов каналов GSM и состояния распространения (propagation condition) приведены в таблице 1 [GSM 05.05, 6.4]. Фактический уровень чувствительности (actual sensitivity level) устройств определяется как уровень входного сигнала, для которого выполняется заданное условие. Фактический уровень чувствительности должен быть меньше, чем опорный уровень чувствительности. Эталонный уровень чувствительности для различных типов оборудования приведен в таблице:
Приведенные технические данные для базовых станций BTS должны быть выполняться, когда в двух таймслотах, смежных (соседних) с необходимым, обнаруживаются пригодные GSM сигналы, на 50 дБ превышающие мощность в требуемом таймслоте. Для мобильной станции MS вышеупомянутые требования должны выполняться для двух смежных таймслотов, на 20 дБ превышающих необходимый.
Параметры, определяемые наличием побочных каналов приема К побочным каналам приема супергетеродинного приемника, возникающим при преобразовании частоты обрабатываемого сигнала, относятся:
Образование зеркального канала
Рис. 1. Образование побочных каналов приема в супергетеродине Сигналы с частотами зеркального канала переносятся на промежуточную частоту без ослабления, точно так же, как и полезный сигнал. Усиление преобразователя частоты по основному и зеркальному каналу (Image Channel) одинаково, поэтому влияние сигналов, попадающих в этот канал особенно велико.
Рис. 2. Перенос полезного и зеркального сигналов на промежуточную частоту Сигналы с частотами, попадающими в побочные каналы приема, должны быть отфильтрованы уже на входе приемного устройства - в преселекторе. Подавление сигнала по зеркальному каналу производится обычно стоящим перед первым смесителем полосовым фильтром, который зачастую так и называется: фильтр подавления зеркального канала ФПЗК (Image Reject Filter).
Рис. 3. Выбор значения промежуточной частоты Выбор высокого значения промежуточной частоты fпч облегчает подавление зеркального канала, что иллюстрирует рис. 3. Однако при выборе низких значений промежуточной частоты обеспечивается более устойчивая работа каскадов ПЧ и высокая избирательность по соседнему каналу. С учетом этого противоречия и происходит выбор значений промежуточных частот в супергетеродинных приемниках. Параметры, обусловленные нелинейностью тракта приема Для оценки линейности и качества тракта приема в целом используется целый ряд характеристик и параметров, уже рассмотренных ранее в разделе, посвященном основным параметрам отдельных РЧ компонентов:
Интермодуляция (Intermodulation) – явление возникновения на выходе приемника помех при действии на его входе двух или более помех, частоты которых не совпадают с частотами основного и побочных каналов приема. В результате взаимодействия помех с частотами f1 и f2 на нелинейных элементах приемного устройства возникают интермодуляционные продукты вида: fin = ± m f1 ± n f2. При этом в приемном тракте может получаться сигнал помехи с частотой, равной частоте полезного сигнала или попадающей в полосы каналов побочного приема приемника. Такие помехи обрабатываются в приемном устройстве совместно с полезным сигналом, ухудшая качество принимаемого сообщения. На практике для количественной оценки интермодуляционных искажений (Intermodulation Distortion, IMD) используют коэффициенты, вычисляемые при подаче на вход приемника двух внеполосных гармонических сигналов f1 и f2 с равными амплитудами:
Продукты третьего и более высоких порядков, возникающие при смешивании двух интерферирующих радиосигналов может создавать сигнал помехи в рабочем канале. Так как полоса обрабатываемых частот обычно ограничивается в преселекторе на входе приемника, нелинейность измеряется путем подачи на вход приемного устройства двух сигналов равной амплитуды с частотами f1 и f2, достаточно близко расположенными к частоте настройки приемника, и измерением уровня продуктов интермодуляции третьего порядка 2f1- f2 и 2f2-f1. Другие комбинационные продукты обычно находятся вне полосы рабочих частот приемника. Подавление эффекта интермодуляции (Intermodulation response rejection) - мера способности приемника принимать требуемый сигнал на назначенной частоте канала в присутствии двух или более сигналов помех, которые имеют определенное соотношение частот с требуемым сигналом [TS 25.102, 7.8]. Нелинейные искажения принимаемого сигнала в приемном устройстве могут возникать не только в том случае, если его уровень значителен, но и при воздействии сильной внеполосной помехи. Нелинейность приемного тракта приводит к тому, что при появлении помех, воздействующих на вход приемника на частотах, которые не совпадают с частотами основного и побочных каналов приема, происходит изменение уровня сигнала или изменение отношения сигнал/шум на выходе приемника. Воздействие мощной помехи на вход приемника приводит к снижению коэффициента усиления устройства. Такое явление называется блокированием или забитием (Blocking). Численно блокирование может быть оценено с помощью коэффициента блокирования (забития): Кбл = (Uвых - Uбл) / Uвых, где: Uвых - амплитуда сигнала на выходе приемника при отсутствии помехи на входе; Uбл - амплитуда сигнала на выходе приемника при действии помехи на входе. Таким образом, при отсутствии блокирования в приемнике Кбл = 0. Коэффициент блокирования тем сильнее, чем больше уровень помехи на входе и чем ближе частота помехи к частоте полезного сигнала. Характеристики частотной избирательности приемного устройства по блокированию обычно строят при заданном коэффициенте блокирования 3 дБ или 6 дБ, что составляет Кбл = 0,3 или 0,5 соответственно. При этом на вход подается полезный сигнал с уровнем, равным чувствительности приемного устройства.
Характеристика блокирования (blocking characteristic) - мера способности приемника получить требуемый сигнал на назначенной частоте канала в присутствии нежелательного сигнала, действующего на частотах, отличных от каналов побочного приема (spurious response) или соседних каналов (adjacent channel). При этом нежелательный входной сигнал не должен вызывать снижения качества функционирования приемника ниже определенных ограничений, определяемых стандартом. При действии сигнала помехи в системах UMTS величина BER не должна превышать 10Е-3. [TS 25.101, 7.6].
Другое полезное определение для оценки линейности тракта – однодецибельная точка компрессии, (1-dB compression point), определяемая как точка на амплитудной характеристике, в которой коэффициент усиления по мощности уменьшается на 1 дБ по сравнению с идеальным. Динамический диапазон приемника Динамический диапазон приемника (Receiver Dynamic Range) с одной стороны определяет способность приемника обнаруживать слабый входной сигнал, больший уровня шума, с другой - обрабатывать сигналы большого уровня без искажения. Отношение максимального сигнала к минимальному сигналу во входе приемника и определяет динамический диапазон. Из специфической важности - динамический диапазон, свободный от помех SFDR (spurious free dynamic range), и динамический диапазон по блокированию BDR (blocking dynamic range).
Максимальный коэффициент усиления функционально законченного тракта приема определен, принимая во внимание самое большое возможное внутриполосное блокирование Pbl. Это означает, что максимальный коэффициент усиления зависит от качества фильтрации перед каскадами усиления. Если уровень сигнала, требуемый во входе демодулятора - Preq, то максимальный коэффициент усиления определяется следующим уравнением: Самый большой возможный доступный сигнал Psig (Макс) определяет минимальный коэффициент усиления. Уравнение для вычисления минимального коэффициента усиления: Динамический диапазон (Receiver Dynamic Range) приемника (ДДП) - диапазон изменений уровня входного сигнала, в пределах которого приемник ведет себя как линейное устройство. ДДП снизу ограничен уровнем собственных шумов приемника, сверху - проявляющимися нелинейными эффектами. Вне этих границ нарушается пропорциональность зависимости выходного сигнала устройства от входного. Количественно ДДП оценивается отношением максимального уровня Pmax входного сигнала, при котором используемый нелинейный критерий меньше допустимого, к минимальному уровню входного сигнала Pmin, при котором отношение сигнал/шум на выходе приемника равно заданному значению. При этом чаще всего на практике используется ДДП по мощности, выраженный в дБ: D[дБ] = 10 lg (Pmax / Pmin). Обратимся к ранее рассмотренному рисунку. Расстояние от точки пересечения прямой IMP3 c прямой, соответствующей уровню внутренних шумов устройства, до прямой А называется динамическим диапазоном по интермодуляционным помехам (intermodulation limited dynamic range). В зарубежной литературе для обозначения этого диапазона иногда используется обозначение SFDR (spurious-free dynamic range). Таким образом, нижнюю границу этого динамического диапазона определяет уровень внутренних шумов устройства, приведенный ко входу, верхнюю границу - уровень сигнала на входе, при котором уровень интермодуляционных продуктов начинает превышать уровень внутренних шумов устройства и эти продукты будут препятствовать нормальной работу устройства. Избирательность (Selectivity) или селективность приемного устройства - это совокупность параметров, характеризующая его способность выбрать желательный сигнал из массы сигналов, воздействующих на вход, и ослаблять мешающее действие сигналов, действующих по дополнительным (побочным) каналам приема. Оценка таких параметров чаще всего производится с помощью логарифмической меры мощности дБмВт, которая сокращенно записывается дБм (dBm): P [дБм] = 10 lg P / 1 мВт. Данная мера показывает, на сколько дБ оцениваемая мощность отличается от мощности 1 мВт (Decibel, relative to 1 mW). Для наиболее часто используемых супергетеродинных структур можно выделить три группы параметров, используемых для оценки избирательности:
Другая важнейшая характеристика приемника - его избирательность или селективность (selectivity). Селективность - способность приемника удовлетворительно выделить и обработать полезный сигнал в присутствии сильных помех, действующих в соседних каналах, и блокирования канала. В большинстве структур селективность приемника определяется фильтром тракта ПЧ. Приемник должен быть достаточно линеен, чтобы обработать сигнал с приемлемым уровнем искажений.
Избирательность по соседнему каналу Избирательность по соседнему каналу ACS (Adjacent Channel Selectivity) - это мера способности приемника принимать полезный сигнал на назначенной частоте канала в присутствии мешающего сигнала по соседнему каналу при заданной частотной расстройке от центральной частоты назначенного канала [TS 25.101, 7.5]. При этом стандартом UMTS оговаривается необходимое качество функционирования приемника: в присутствии мешающего сигнала по соседнему каналу (± 5 МГц) величина BER не должна превышать 10Е-3. Избирательность по каналам побочного приема Избирательность по каналам побочного приема (Spurious response) - мера способности приемника получить полезный (желательный) сигнал на назначенной частоте канала без превышения заданного ухудшения из-за присутствия нежелательного немодулированного сигнала помехи на любой другой частоте, на которой характеристика получена, то есть для которого не достигнут предел блокирования (blocking limit), выполнен [TS 25.101, 7.7]. Обратное преобразование шумов гетеродина Другой важный механизм, который ограничивает динамический диапазон приемника - обратное преобразование шумов гетеродина (Reciprocal mixing). Фазовый шум гетеродина (LO) путем гетеродинирования переносит нежелательный сигнал помехи в диапазон полезного сигнала – тракт ПЧ. Это приводит к ухудшению отношения с/ш на выходе приемника. Таким образом, используемые гетеродины должны иметь настолько низкий фазовый шум, чтобы при наихудшем условии блокирования он создавал шумы, меньшие уровня шума приемника. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|||| Гостевая книга ||||