Содержание к диссертации
Введение
1. Требования к приемным трактам мобильных терминалов стандартов GSM, UMTS. Сравнительный анализ структур радиоприёмных трактов. Выбор наиболее перспективных вариантов для реализации универсального радиоприёмного тракта 24
1.1. Требования, предъявляемые к приемным трактам стандартов GSM и UMTS 24
1.2. Обеспечение узлами РЧ тракта основных показателей спецификаций стандартов GSM/EDGE и UMTS 26
1.3. Структурные схемы для построения радиотрактов приёмников современных мобильных терминалов 3 О
1.3.1 Супергетеродинный приемник 3 3
1.3.2 Приемники с низкой ПЧ (Low-IF) 35
1.3.3 Приемники с «цифровой» ПЧ 37
1.3.4 Приемник прямого преобразования частоты с обработкой сигналов в квадратурных каналах (Zero-IF) 38
1.3.5 Выбор основной структуры построения тракта для многодиапазонного приемного устройства стандартов GSM и UMTS 40
1.4. Анализ современных и перспективных тенденций построения и оптимизации структур радиоприемного тракта для многодиапазонных мобильных устройств 41
Выводы по первой главе 49
2. Предварительный анализ возможности реализации РЧ радиоприёмного тракта для совмещённой обработки сигналов GSM и UMTS 51
2.1. Расчет приемного тракта для стандартов GSM и UMTS 56
2.1.1 Определение требований к узлам приемного тракта для стандарта UMTS 58
2.1.1.1 Определение максимального коэффициента шума в приемнике 59
2.1.1.2 Избирательность по соседнему каналу 61
2.1.1.3 Оценка требований приемного тракта к уровню интермодуляционных помех 62
2.1.2 Определение требований к узлам приемного тракта для стандарта GSM(EDGE) 69
2.1.2.1 Определение максимального коэффициента шума приемника 69
2.1.2.2 Оценка требований приемного тракта к уровню интермодуляционных помех 70
2.2. Определение требований к параметрам отдельных узлов тракта 74
2.3. Дополнительные требования к узлам приемного тракта 83
Выводы по второй главе 86
3. Исследование влияния на помехоустойчивость неидеальной работы узлов универсального радиоприёмного тракта . 88
3.1. Теоретические оценки помехоустойчивости идеализированного приёмного тракта для сигналов цифровой манипуляции наиболее близких к стандартам GSM и UMTS 89
3.2. Частные случаи расчета помехоустойчивости приема для схемы приемника прямого преобразования 93
3.2.1 Влияние фазовых шумов синтезатора частот на помехоустойчивость приема 95
3.2.1.1. Оценка допустимого значения дисперсии фазовых шумов синтезатора частоты для обеспечения требуемой вероятности ошибки приема 95
3.2.2 Оценка влияния смещения постоянной составляющей в квадратурном демодуляторе на помехоустойчивость приёмного тракта 99
3.3. Исследование влияния неидеальной работы узлов радиоприёмного тракта на вероятность ошибки приема методом компьютерного моделирования 105
3.3.1 Описание имитационной модели для исследования влияния неидеальной работы узлов тракта на его помехоустойчивость 106
3.3.1.1 Влияние разбалансов амплитуд и фаз в IQ - демодуляторе на помехоустойчивость приемника прямого преобразования 109
3.3.1.2 Влияние паразитного смещения постоянной составляющей на выходе квадратурного демодулятора на помехоустойчивость приема 114
3.3.1.3 Влияние шумов синтезатора частот на помехоустойчивость приема 120
3.3.2. Исследование влияния параметров фильтров нижних частот и АЦП в аналоговой части «бэйсбенд» тракта на изменение отношения сигнал/шум 123
3.3.2.1 Исследование влияния параметров узлов фильтрации в низкочастотном тракте на величину отношения сигнал/шум 124
3.3.2.2 Исследование влияния параметров АЦП на потери отношения сигнал/шум 127
3.4. Итоговые ограничения на параметры, характеризующие неидеальную
работу узлов тракта приема, полученные в результате моделирования 129
Выводы по третьей главе 131
4. Методика расчета универсального радиоприёмного тракта систем мобильной связи GSM и UMTS и рекомендации по его реализации 134
4.1. Получение аналитических соотношений зависимостей вероятности ошибки от параметров, характеризующих неидеальную работу узлов радиоприемного тракта 135
4.1.1 Результаты моделирования случаев неидеальной работы узлов тракта и их аппроксимация 135
4.1.1.1 Аппроксимация влияния разбаланса амплитуд и фазы в демодуляторе приемника прямого преобразования на величину вероятности ошибки 136
4.1.1.2 Аппроксимация зависимостей влияния шумов синтезатора частот и смещения постоянной составляющей на помехоустойчивость приемника прямого преобразования 140
4.2. Оценка требований к основным параметрам радиоприёмных трактов стандартов GSM и UMTS с помощью программного комплекса расчёта и проектирования 148
4.3. Рекомендации по использованию конкретных схем отдельных узлов Радиоприемных трактов 160
4.3.1 Использование активных фильтров на переключаемых конденсаторах в качестве ФНЧ на выходе смесителя в приемнике прямого преобразования 160
4.3.2 Использование компенсационной схемы в качестве ПФ в преселекторе радиоприемного тракта 163
Выводы по четвертой главе 167
Заключение 169
Список сокращений и аббревиатур 171
Список литературы 172
- Структурные схемы для построения радиотрактов приёмников современных мобильных терминалов
- Оценка требований приемного тракта к уровню интермодуляционных помех
- Влияние фазовых шумов синтезатора частот на помехоустойчивость приема
- Получение аналитических соотношений зависимостей вероятности ошибки от параметров, характеризующих неидеальную работу узлов радиоприемного тракта
Введение к работе
Актуальность темы
Развитие цифровых систем мобильной радиосвязи является одной из главных составляющих мирового прогресса в сфере телекоммуникаций. С каждым годом темпы развития данного вида связи увеличиваются. На текущий момент широкое распространение среди стандартов мобильной связи в России получили системы второго поколения GSM и CDMA, системы третьего поколения UMTS, WCDMA. Выданы разрешения па развертывания систем четвертого поколения LTE, и в некоторых регионах такие сети запущены в эксплуатацию в тестовом режиме.
На фоне таких быстрых темпов развития отрасли связи интенсивно совершенствуются и мобильные терминалы. Современный мобильный терминал представляет собой сложное техническое устройство, работа которого ориентирована не только на обеспечение абонента голосовой связью, но и на работу в сетях передачи данных, обработку мультимедийного контента. В состав современного абонентского оборудования зачастую помимо трактов обработки сигналов мобильной связи, входят и блоки для обработки сигналов систем беспроводной связи Bluetooth, систем широкополосного доступа Wi-Fi и WiMAX.
Таким образом, современный терминал должен поддерживать не только работу максимального количества стандартов связи, но и обслуживать максимальное количество частотных диапазонов, закрепленных за каждым из этих стандартов в различных регионах мира. Такое требование продиктовано необходимостью обеспечения всем спектром услуг абонентов, обладающих в последнее время высокой мобильностью, в сетях роуминговых партнеров без замены абонентского оборудования.
Увеличение количества трактов обработки сигналов в современном абонентском терминале ведет к неизбежному росту энергопотребления, а также к увеличению количества аналоговых компонентов па печатной плате и, как следствие, к увеличению массогабаритиых параметров устройства.
Учитывая вышеизложенные факты, весьма актуальными становятся задачи снижения массогабаритиых характеристик и энергопотребления трактов мобильного терминала от питающего элемента для увеличения времени непрерывной работы всего устройства без подзарядки.
Перечисленные задачи могут быть отчасти решены путём создания универсального (в смысле возможности поддержания нескольких частотных диапазонов и нескольких стандартов мобильной связи, а по возможности и стандартов беспроводных сетей и сетей широкополосного доступа) радиоприемного тракта с пониженным энергопотреблением и минимальными массогабаритными показателями. Для этого необходима реализация широкополосного тракта с совмещенной обработкой сигнала в максимально возможном количестве общих узлов. Построение таких трактов немыслимо без всестороннего анализа влияния характеристик всех функциональных
узлов радиотракта на помехоустойчивость приёмника в целом для всех типов сигналов, используемых в мобильной связи.
Данной проблематике было посвящено огромное количество работ. В частности, можно выделить работы следующих отечественных авторов: Рыжкова А.В., Рыбинского С.Ю., Иванкович М.В., в которых был проведен анализ влияния шумов узлов схемы синтезаторов частот для различных типов модуляции на помехоустойчивость приёмного тракта. Из зарубежных авторов можно выделить работы таких ученых, таких как: Малм Б. (Malm В.) и Линдофф П. (Lindoff Р.). В их работах исследовалось влияние смещения постоянной составляющей в приёмниках прямого преобразования для сигналов с QPSK и 8-PSK модуляцией. Однако многие вопросы остались неисследованными. В частности: зависимости влияния смещения постоянной составляющей, фазовых шумов, разбалансов амплитуд и фаз, а также характеристик канальных фильтров, частоты дискретизации, числа уровней квантования и т.п. в приёмнике прямого преобразования на качество приёма реальных сигналов с различными типами модуляции, используемыми в современных системах мобильной связи. Структура таких сигналов далека от классических типов модуляции, анализу которых чаще всего посвящаются известные классические работы Котельникова В.А, Харкевича А.А., Шепона К., Скляра Б., Феера К. и Прокиса Д. В более современных работах Шломы A.M., Крейнделина В.Б. и ряда других авторов рассматриваются вопросы синтеза и анализа алгоритмов квазиоптимальной обработки (обычно, цифровой) более сложных сигналов современных систем мобильной связи. Вопросы схемотехнического построения и реализации широкополосных РЧ устройств нашли широкое освещение в работах таких иностранных специалистов как: Бехзад Разави (Razavi В.), Хусейн Хашеми (Hossein Hashemi). Однако в данных работах проводится анализ реализации только отдельных широкополосных узлов тракта приёма без окончательного вывода возможности реализации самого универсального (многостандартного и многодиапазоиного) тракта с помощью предлагаемых в их работах схемотехнических решений. Особое внимание заслуживают работы, посвященные рассмотрению вопроса реализации универсального тракта и расчёту требований к его узлам в зависимости от используемого стандарта мобильной связи, иностранного коллектива авторов: Хорста Фишера (Horst Fischer) и соавторов. Но общим недостатком таких работ является то, что на фоне формулировки основных требований к узлам радиоприёмного тракта согласно спецификациям, проведения обзора возможных схемотехнических решений отдельных узлов тракта, получения окончательной структурной схемы устройства, отсутствуют выводы относительно возможности снижения энергопотребления и массогабаритных параметров тракта.
В этой связи следует считать весьма актуальной задачу исследования возможности реализации многостандартного и многодиапазонного устройства для систем мобильной связи стандартов UMTS и GSM/EDGE, удовлетворяющего всем требованиям спецификаций этих стандартов и
обладающих минимальными энергопотреблением и массогабаритпыми показателями.
Цели работы и задачи исследования
Целью данной работы является обоснование возможности и выбор наиболее рационального варианта реализации универсального миогодиапазопиого, мпогостапдартиого радиоприемного тракта систем мобильной связи стандарта GSM(EDGE) и UMTS.
Для достижения поставленной в диссертационной работе цели необходимо решить следующие задачи:
-
Проанализировать известные варианты реализации радиоприемных трактов систем сотовой связи второго и третьего поколений в целях выбора структуры построения широкополосного РПрУ для приёма сигналов GSM и UMTS. Определить современные тенденции в построении широкополосных РПрУ.
-
Получить предварительную оценку возможности реализации совмещенного РЧ тракта согласно спецификациям стандартов UMTS FDD, TDD и GSM/EDGE для квазистатической модели приемного тракта.
-
Оцепить влияния нсидсалыюй работы узлов тракта па интегральный показатель качества работы - вероятность ошибки или BER (bit error rate).
-
Получить аналитические выражения зависимостей влияния неидеалыюй работы узлов тракта па его помехоустойчивость с помощью численных методов аппроксимации и экстраполяции для реальных видов сигналов GSM/EDGE и UMTS.
-
Создать расчетный комплекс технического анализа и расчета основных параметров узлов и законченных структур РПрУ для разработчиков РЧ модулей, а также для использования в учебном процессе.
-
Произвести окончательный расчет радиоприемного тракта совмещенной обработки сигналов стандартов GSM/EDGE и UMTS с учетом результатов расчета квазистатической модели радиоприемного тракта и зависимостей влияния неидеалыюй работы его узлов на помехоустойчивость при помощи расчетного комплекса, в который включены все вышеперечисленные результаты исследований.
Методы исследования
Для решения задач оценки влияния неидеалыюй работы узлов тракта на качество приёма сигнала используются элементы теории помехоустойчивости прибма и методы компьютерного моделирования, численные методы аппроксимации. Разрабатываемая в диссертации методика проектирования широкополосного тракта приема для сигналов стандартов GSM/EDGE и UMTS основывается на аналитических соотношениях оценки
основных характеристик квазистатической модели радиоприемного тракта, а также на аналитических соотношениях, полученных с помощью аппроксимации результатов компьютерного моделирования, зависимостей величины BER от величин, характеризующих неидеальиую работу узлов приёмного тракта.
Научная новизна диссертационной работы состоит в теоретическом обосновании возможности создания многостандартного и многодиапазонного радиоприемного тракта мобильных устройств сотовой связи стандартов GSM/EDGE и UMTS, обладающего пониженным энергопотреблением и массогабаритными показателями, в котором реализована совмещенная обработка сигналов данных стандартов в максимальном количестве узлов. В частности:
-
Получены оценки влияния параметров отдельных узлов радиоприемного тракта на величину BER, позволяющие дополнить требования к универсальному тракту, полученные при предварительном квазистатическом анализе схемы приёмника прямого преобразования.
-
Обоснована возможность реализации многостандартного и многодиапазонного радиоприемного тракта стандартов GSM/EDGE и UMTS с помощью анализа требований к узлам квазистатической модели приемного тракта с учетом влияния на помехоустойчивость приема работы отдельных его узлов.
-
Выявлены узлы универсального тракта, в которых возможна совместная обработка сигналов стандартов GSM и UMTS и доказана таким образом возможность сокращения энергопотребления радиоприёмного тракта за счёт уменьшения количества узлов в тракте.
Практическая значимость диссертационной работы:
-
Предложена схема приемного тракта совмещенной обработки сигналов стандартов GSM/EDGE и UMTS, позволившая сократить количество трактов обработки сигналов. Это позволило сократить энергопотребление тракта и уменьшить количество навесных компонент в многодиапазонных и многостандартных радиотрактах мобильных терминалов мобильной связи.
-
Разработаны рекомендации и предложены схемы реализации совмещенной обработки сигналов вышеуказанных стандартов в ФНЧ и ПФ преселсктора приемника прямого преобразования.
3. Создано программное обеспечение для технического проектирования
радиоприемных трактов мобильных терминалов стандартов GSM/EDGE и
UMTS с учетом неидеальной работы всех функциональных узлов тракта.
4. Полученные в диссертационной работе результаты и программный комплекс по расчету радиоприемных трактов стандартов GSM/EDGE и UMTS внедрены в НИР «Цифра», выполненной в НИЧ МТУСИ, а также в учебный процесс кафедр радиопередающих и радиоприёмных устройств МТУСИ по дисциплинам, посвященным изучению оборудования систем подвижной связи, в качестве инструментария для курсового и дипломного проектирования, постановки лабораторных работ.
Апробация результатов диссертационной работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и Всероссийских научно-технических конференциях и семинарах, проводимых РНТОРЭС им. А.С. Попова в 2008, 2009 и 2010 годах, научно-методических и научно-технических секциях отраслевой научно-технической конференции «Технологии информационного общества», проводимой МТУСИ в 2008, 2009 и 2010 годах, Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (INTERMATIC-2009).
Публикации результатов диссертационной работы. Основное содержание диссертационной работы изложено в 8 публикациях автора. Из них три опубликованы в рецензируемых научных журналах, определенных Высшей аттестационной комиссией - журнале «Электросвязь» и «T-Comm». Четыре работы написаны лично, без участия соавторов.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Результаты компьютерного моделирования неидеалыюй работы функциональных узлов приемного тракта и ряда нелинейных эффектов: разбалансов амплитуд и фаз, фазовых шумов синтезатора частот, смещения постоянной составляющей, влияние разрядности и частоты дискретизации АЦП, порядка ФНЧ на энергетические потери отношения сигнал/шум и их аппроксимированные зависимости.
-
Методика расчета широкополосного тракта приемного устройства, построенного по схеме приемника прямого преобразования, на основе как квазистатической модели приемника, так и модели, учитывающей влияние неидеалыюй работы узлов приемника на его помехоустойчивость.
-
Рекомендации по проектированию приемника прямого преобразования для совмещенных трактов приема сигналов систем сотовой связи второго и третьего поколений.
-
Схема тракта совместной обработки сигналов двух стандартов сотовой связи GSM/EDGE и UMTS в полосе частот 1800...2200 МГц.
Структура и объём диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, списка литературы и трёх приложений, изложена на 230 страницах машинописного текста,
иллюстрированного 83 рисунками и 40 таблицами. Список литературы включает 107 наименований.
Структурные схемы для построения радиотрактов приёмников современных мобильных терминалов
Принципы построения современных радиоприемных трактов устройств мобильной связи можно разделить на два класса, исходя из принципов поддержки нескольких стандартов мобильной связи и диапазонов частот: hardware-defined radio (аппаратно-ориентированные радиоустройства) и software-defined radio (SDR - программно-определяемые радиоустройства) [15-17]. Второй класс устройств находит более широкое распространение в многодиапазонных и многостандартных радиоустройствах. Связано это с тем, что перенастройку аппаратно-ориентированного радиоприемного устройства достаточно легко выполнить через радиоинтерфейс, послав необходимые настройки. Аппаратно-определяемое построение тракта ориентировано на фиксированное количество стандартов и их частотных диапазонов. При таком построении в тракте используются РЧ компоненты, работающие только с этими стандартами и частотными диапазонами. Такого рода устройства находят распространение в стационарных устройствах.
Таким образом, в современных трактах мобильных устройств преобладает тенденция в построении трактов приема в виде SDR устройств. Это определяет перспективное направление в проектировании трактов по принципу - «больше цифровой и меньше аналоговой обработки сигнала». По данному принципу все схемы приемных трактов можно разделить на несколько подклассов в зависимости от того, где начинается цифровая обработка сигнала (рисунок 1.2) [17].
В первом случае (рисунок 1.2а) оцифровка полезного сигнала (расположение АЦП) производится непосредственно перед так называемым «бэйсбенд» трактом, а обработка аналогового РЧ сигнала производиться с помощью нескольких последовательных преобразований частоты. Данный тип построения тракта имел широкое применение еще 3-4 года назад и в настоящее время находит широкое применение в стационарных устройствах, а также в тех случаях, когда требуется получить высокую чувствительность приемного устройства и хорошую селективность сигнала на фоне помех. Существует огромное количество реализаций такой структуры в виде микросхем у различных производителей.
Во втором случае (рисунок 1.26) количество трактов переноса частот и их обработки уменьшается, соответственно и уменьшается количество аналоговых узлов в тракте. По сравнению с первым классом схем (рисунок 1.2а) на второй схеме (рисунок 1.26) минимизировано количество аналоговых трактов промежуточной частоты (ПЧ тракт) и сигнал проходит с минимальной последующей оцифровкой сигнала (расположение АЦП). К такого рода приемным устройствам относятся: приемники прямого преобразования (Zero-IF) и приемники с низкой промежуточной частотой (Low IF). Данные структуры получают всё более широкое распространение в перспективных многодиапазонных и многостандартных радиотрактах, так как обладают меньшим количеством РЧ компонент по сравнению со схемой на рисунке 1.2а.
Идеальной структурой для приемников является третья структура, представленная на рисунке 1.2в. В данной структуре производится оцифровка не сигнала промежуточной частоты, а непосредственно РЧ -сигнала, с последующей его обработкой в «бэйсбенд» тракте. К сожалению, данные схемы не применяются в системах мобильной связи, так как для них необходимы АЦП с очень высокой частотой дискретизации в несколько гигагерц. Однако использование быстродействующих АЦП обязательно приведет к росту энергопотребления и цены абонентского терминала.
Проведём краткий сравнительный анализ основных схем построения радиоприемных трактов мобильных терминалов на основании следующих источников [13-17,19-22]. 1.3.1 Супергетеродинный приемник (Heterodyne receiver)
Самой распространенной и известной схемой приемного устройства является супергетеродинный приемник. Такая схема обладает отличными техническими показателями, но не отвечает современным тенденциям построения радиооборудования с точки зрения технологичности и экономичности. В радиотехнических устройствах применяются супергетеродинные приемники, как с двойным, так и с однократным преобразованием частоты.
Оценка требований приемного тракта к уровню интермодуляционных помех
Значение величины ПР2 можно получить на основании данных для тестов для определения характеристик подавления AM, приведенных в п.5.2.1 спецификации [9], в этом случае уровень полезного сигнала составляет Рпо = -99 дБм, РАМ= -31 дБм (при отстройке частоты в 6 МГц), уровень шума в этом случае PN= -111 дБм. Допустимый уровень интермодуляционных помех должен быть: ПР2 2РШ -PN = -62 + 111 = 49 дБм (2.15) Требования к интермодуляционным помехам третьего порядка Требования к интермодуляционным помехам третьего порядка для GSM стандарта формируются, исходя из следующих данных, используемых для измерения интермодуляционных характеристик абонентских терминалов, приведенных в п.5.3.1 спецификации [9]. Согласно данному пункту спецификации для измерений необходимы следующие сигналы: полезный сигнал с GMSK или 8PSK модуляцией и уровнем Рп01— - 99 дБм (на 3 дБ выше, чем значение эталонной чувствительности) с частотой /0, смодулированный синусоидальный (CW) сигнал с уровнем сигнала Ршт = дБм и частотой fx, и модулированная GMSK модуляцией псевдослучайная последовательность из 148 бит с уровнем РЧ сигнала Рмт = -49 дБм и частотой /2 (рисунок 2.7).
Условия проведения тестовых испытаний для измерения уровня интермодуляционных характеристик для стандарта GSM/EDGE
Так как уровень полезного сигнала незначительно отличается от порога чувствительности, то будем при расчетах учитывать как шум, так и интерференционные помехи. Тогда общий уровень шумов и помех на входе антенны будет составлять:
Тогда, допустимые уровни блокирующих сигналов, создающих интермодуляционные помехи, будут равны РП0Л1= Ршум+помеха - 8= - 103 дБм, так как на интермодуляционные помехи приходится примерно 15% энергии шума в тракте приёма [37]. В результате получим значение ІЩ, определяющее точку пересечения третьего рода:
Ш (800/1600) Ртт + 0.5(P1NT -Рвои)= -22 дБм (2.17).
Требования к фазовым шумам синтезатора частот
Требования к фазовым шумам синтезатора частот выдвигаются исходя из следующих соображений: форма односторонней плотности мощности фазового шума выбирается таким образом, чтобы в результате обратного преобразования шумов (reciprocal mixing) [24,98] сигналов внутриполосных и внеполосных блокировок и составляющих фазового шума синтезатора частот на выходе смесителя формировались сигналы помех с наименьшими уровнями сигнала. Поэтому для вычисления параметров шума воспользуемся данными, используемыми при измерении уровня внутриполосных и внеполосных блокировок (п.5.1.1 спецификации [9]). Уровни односторонней плотности мощности фазового шума также, как и для UMTS, можно рассчитать с помощью соотношения (2.13). В данном соотношении уровень шума для синтезатора частот возьмем из описанного выше правила, что на фазовый шум синтезатора частот отводится 5% мощности сигнала PN, или другими словами уровень шума на
Спектральная плотность мощности фазового шума синтезатора частот при д/ 3МГц, дБн/Гц —141 2.2 Определение требований к параметрам отдельных узлов тракта
На основе данных таблиц 2.1 и 2.2 произведем выбор параметров узлов приемного тракта, построенного по схеме приемника прямого преобразования с переносом частоты в квадратурных каналах с учетом цепей коммутации диапазонов (рисунок 2.8), основываясь на типовых значениях параметров современных микросхем для РЧ и НЧ трактов мобильных устройств сотовой связи [49-54]. Типовые значения параметров современных микросхем РЧ блоков приведены в таблицах П.2.2-П.2.4 Приложения 2.
Схема тракта приведена на рисунке 2.8 для двух стандартов связи UMTS FDD (а) и UMTS TDD (б). Для стандартов GSM 1800, 1900 в качестве основной примем схему, аналогичную стандарту UMTS TDD с рисунка 2.86. Связано это с тем, что также как и в UMTS TDD, передатчик и приемник в GSM работают не одновременно, что позволяет исключить дифференциальный фильтр (ДФ), применяемый для развязки приемного и передающего трактов.
Схема приемного тракта для распределения основных параметров из таблиц 2.1 и 2.2 по каскадам для UMTS FDD (a), UMTS TDD и GSM (б) На данных рисунках для каждого из блоков указаны типовые параметры, на основе которых будет проводиться расчет тракта и рассмотрение вариантов реализация совмещенного тракта обработки сигналов. В качестве основных параметров выбраны следующие показатели: коэффициент усиления - Кп; коэффициент шума - NF„; значение точки пересечения второго рода - ПР2п и точки пересечения третьего рода - 1ЩП. Расчет общего коэффициента усиления тракта Коэффициент усиления всего тракта до АЦП для схемы с рисунка 2.8а будет составлять: Кобщ ідБ] = КДФ + КПФ + КМШУ\ + K1Q + КУНЧ У (2.18) а для рисунка 2.86 соответственно: Кобщ = КПФ + КМШУ2 + KIQ + К оч (2-19) Фактически суммарный коэффициент усиления аналоговой части тракта должен обеспечивать усиление слабого сигнала на входе тракта (после дуплексного фильтра) до уровня, необходимого для оцифровки сигнала в АЦП. Анализ современной элементной базы [49-54] показал, что минимальный уровень сигнала на входе АЦП (LSB) составляет примерно 0,5 В (-6 дБВ). Соответственно, Кобщ « 98 дБ. Используя данные таблиц П.2.2 — 2.4 Приложения 2, рассчитаем необходимое количество каскадов усиления в приемнике на рисунке 2.8. В качестве начальных расчетов возьмем наихудшие показатели по усилению выбранных микросхем. Примем, что коэффициент, усиления дуплексного фильтра -3 дБ. Для рисунка 2.8а имеем КвСщ = -Ъ-Ъ-2 + \5 + 20+Кнч =27 + Кнч(дБ), тогда на низкочастотный тракт (в него входят ФНЧ и каскады усилителей низкой частоты) приходится примерно яу=71дБ с учетом потерь мощности полезного сигнала в ФНЧ. Учитывая это, в низкочастотном тракте необходимо использовать три каскада усиления со средним значением коэффициента усиления ЯГ 24 дБ. Для рисунка 2.86 имеем Кобщ =-Ъ + \5-2+2Ъ+Кнч =30 + КИЧ, тогда на видеотракт приходится примерно Кт - 68 дБ с учетом потерь мощности полезного сигнала в ФНЧ, что также потребует около 3...4 каскадов усиления в низкочастотном тракте. Для стандарта GSM в качестве основной примем схему построения рисунка 2.86. Учитывая, что в тракте использованы широкополосные микросхемы, то выполнить тракт можно будет на одной и той же элементной базе с аналогичными параметрами.
Влияние фазовых шумов синтезатора частот на помехоустойчивость приема
Анализ влияния фазовых шумов синтезатора частот на помехоустойчивость приема проводился во многих работах [68-71]. Воспользуемся для дальнейшего анализа результатами, полученными в [69].
Оценка допустимого значения дисперсии фазовых шумов синтезатора частоты для обеспечения требуемой вероятности ошибки приема
Для приближенной оценки влияния фазовых шумов СЧ на основной показатель качества работы приемника — вероятность ошибки приема используется значение допустимой дисперсии фазовых шумов или полученные на основе этой величины шаблоны на допустимые уровни спектральной плотности мощности фазовых шумов синтезатора для конкретных сигналов [71]. Для сигналов типа ФМ-n значение допустимой дисперсии фазовых шумов при заданном значении сигнал/шум может быть оценено с использованием похода, предложенного в [67,71]. Известно, что функция плотности вероятности фазовой ошибки для когерентного демодулятора на основе системы ФАПЧ определяется
Таким образом, при помощи зависимостей, показанных на рисунке 3.3 и рисунке 3.4, а также зная допустимую вероятность ошибки приема символа и входное отношение сигнал/шум для конкретных систем связи можно найти допустимую дисперсию фазы СЧ для ФМ-М сигналов.В пунктах 3.2.1 и 3.2.2 рассмотрены случаи оценки помехоустойчивости приёма при наличии фазовых шумов и смещения постоянной составляющей для классических видов цифровой модуляции QPSK и 8PSK при условии того, что обработка принимаемого сигнала в узлах приёмника является идеальной. Однако в реальных системах мобильной связи используются модифицированные типы цифровой модуляции (к примеру, для технологии EDGE стандарта GSM применяется модифицированная 3TZ78-8PSK модуляция), в тракте присутствуют дополнительные необходимые узлы для обработки полезного сигнала (в частности формирующие фильтры (shape filters)), характеристики которых могут оказывать влияние на помехоустойчивость приёма. Помимо прочего, неидеальная работа стандартных узлов приёмника прямого преобразования также может приводить к ухудшению помехоустойчивости приёма. В связи с этим актуальным становится вопрос исследования помехоустойчивости приёма в приемнике прямого преобразования с учётом всех перечисленных на рисунке 3.2 типов неидеальной работы узлов тракта для моделей сигналов и узлов, близких по характеристикам к применяемым в современном телекоммуникационном оборудовании. Такие исследования, как уже упоминалось ранее, трудно проводить с помощью аналитических методов, по этой причине при дальнейших исследованиях использовалось компьютерное моделирование в профессиональной среде моделирования ADS Agilent, результаты которого приведены в пункте 3.3 диссертации.
Использование аналитических методов исследования помехоустойчивости приёма реальных сигналов систем мобильной связи с-учётом перечисленных выше особенностей работы узлов тракта до настоящего времени практически не удавалось из-за непреодолимых математических сложностей. Даже создание полной математической модели процессов, учитывающих одновременно неидеальную работу всех узлов тракта при разнообразных шумах и помехах для реальных сигналов является весьма трудоемким. В связи с этим всё большую популярность у исследователей и разработчиков аппаратуры мобильной связи получают методы анализа, базирующиеся на имитационном компьютерном моделировании. Подобный подход использован и в этом разделе.
Результаты компьютерного моделирования во многом зависят от опыта подобных исследований у производителей специализированного программного обеспечения в необходимой области, уровня финансирования, сотрудничества с производителями РЧ оборудования и т.п. С этой точки зрения аналитические выкладки имеют явное преимущество, так как получены на основе доказанных фактов (недостатки же метода при использовании реальных моделей блоков РЧ оборудования изложены выше). Поэтому основные результаты компьютерного моделирования будут сравниваться (где это возможно) с результатами оценки помехоустойчивости, полученными аналитическими методами и приведенными в разделе 3.2 данной главы. Такое сравнение послужит оценкой адекватности и обоснованности построенных моделей структур приёмного тракта, и отдельных узлов в используемой среде моделирования.
Получение аналитических соотношений зависимостей вероятности ошибки от параметров, характеризующих неидеальную работу узлов радиоприемного тракта
Для получения аналитических выражений влияния узлов приемника прямого преобразования на его помехоустойчивость воспользуемся следующими известными [79-82] методами аппроксимации функций: аппроксимация функции интерполяционным полиномом п-1 степени, аппроксимация интерполяционным полиномом с наименьшим квадратичным отклонением в узлах, сплайнами третьей степени и кусочными полиномами Эрмита третьей степени. Все эти методы реализованы в качестве стандартных функций в среде MATLAB. В качестве критерия для выбора конкретного метода аппроксимации функции будет принята величина наименьшего абсолютного отклонения значения вероятности ошибки в контрольной точке от значения аппроксимирующей функции в заданной точке.
Аппроксимация зависимости влияния разбаланса амплитуд и фаз в IQ — демодуляторе приемника прямого преобразования на величину вероятности ошибки
Данные вычислений величины BER в зависимости от величины разбаланса амплитуд и фазы в квадратурном демодуляторе, полученные в результате моделирования в среде Agilent ADS , приведены в таблицах 4.1-4.4.
Приведем значения функций аппроксимации зависимостей вероятности ошибки от разбалансов амплитуд и фаз в контрольных точках в таблице 4.5.
По данным таблицам 4.5 видно, что аппроксимация полиномом Эрмита имеет лучшее приближение к контрольным точкам для обоих случаев разбалансов в квадратурных каналах для стандарта GSM, для стандарта UMTS - кубические сплайн-аппроксимации для разбаланс амплитуд, и полинома Эрмита для разбаланса фаз. С помощью полученных функций можно будет выполнить расчет вероятности ошибки в процессе проектирования РЧ приемников не только для случаев, когда ее величина не превышает допустимые стандартами значение 10 3 [7-9].
Аппроксимация зависимостей влияния шумов синтезатора частот и смещения постоянной составляющей на помехоустойчивость приемника прямого преобразования
Отличительной особенностью задачи аппроксимации зависимостей вероятности ошибки от параметров фазового шума синтезатора частот и смещения постоянной составляющей в квадратурных каналах является то, что данные зависимости являются функциями не одного аргумента, а двух. Для шумов - от полосы частот шума и его уровня, для смещения постоянной составляющей - от смещений постоянной составляющей в каждом из квадратурных каналов.
Такую задачу можно решить методами многомерной аппроксимации, такими как: аппроксимация на прямоугольной сетке или же аппроксимация с помощью триангуляции [82], данные алгоритмы также являются стандартными и используются в таких системах математических расчетов, как MATLAB и Mathcad. Их применение требует весьма большой выборки значений в контрольных точках, и конечное аналитическое выражение может получиться громоздким.
Для таких случаев предложен иной подход при аппроксимации: составляется,зависимость вероятности ошибки от одной величины, при этом-получается семейство кривых. Влияние же второй величины; сведется к вычислению поправочного коэффициента, на который будет умножаться значение вероятности ошибки, полученное по зависимости от одной- из величин.
В таблицах 4.6-4.7 приведена зависимость вероятности ошибки (BER) от параметров шума синтезатора частот.На основании этих данных получены следующие аппроксимирующие функции, которые приведены на рисунке 4.2 (аппроксимация проводилась по тем же методам, что и для разбаланса амплитуд и фаз).
Ниже приведены значения аппроксимирующих функций в контрольных точках в зависимости от используемого метода аппроксимации для самых нижних кривых (таблица 4.8).
По результатам, приведенным в таблице 4.8, видно, что кривые можно аппроксимировать полиномом Эрмита.
Рассмотрим вопрос аппроксимации зависимости вероятности ошибки от смещения постоянной составляющей в квадратурных каналах. В таблицах 4.9- 4.10 приведены такие зависимости.
По данным таблиц 4.9-4.10 были простроены аппроксимирующие функции в системе MATLAB (методы аппроксимации те же, что и для случая разбалансов амплитуд и фаз).
Из приведенных графиков на рисунке 4.3 можно заключить, что абсолютное значение отклонения аппроксимированного значения искомой величины от ее значения в контрольной точке имеет минимальное абсолютное отклонение для формулы интерполирования кубическим полиномом Эрмита.
Ниже в таблицах 4.11 - 4.12 приведены аппроксимирующие расчетные соотношения, полученные на основании результатов компьютерного моделирования.
