Разработка устройства приёма и обработки радиосигнала аппарата 4G

 

На интервале времени FFT В системе без ЗИ сигнал одного ОФДМ символа перекрывается со своим собственным задержанным сигналом и сигналом другого ОФДМ символа. В то время как в системе с ЗИ на интервале времени FFT сигнал перекрывается только со своим собственным задержанным сигналом. В первом случае исправить и восстановить сигнал либо очень сложно либо совсем не возможно, во втором случае сигнал очень легко восстанавливается. Системы без ЗИ практически не используются. [14]

 

2 Элементная  база

Современные технологии изготовления микросхем  малой и средней степени интеграции, а так же продукции на их основе шагнули далеко вперед. В настоящее время предпочтение отдаётся КМОП технологии их изготовления в виду чрезвычайно малого потребления электроэнергии (ввиду применения полевого транзистора как активного элемента), что в свою очередь не только позволяет вместить гораздо больше полевых транзисторов без увеличения тепловыделения, но и увеличить скорость работы, т.к. снижение токов в электронных ключах снижает их инерционность и соответственно увеличивает быстродействие.

Конечно же вершиной этой технологии являются современные процессоры, частоту ядра которых удалось поднять до 8ГГц, а размеры самих транзисторов уменьшить до нанометров. Такой рост в области развития процессоров не мог не задеть роста параметров других электронных компонентов, которые позволяют не только уменьшить габариты готовых устройств, их массу, ввиду уменьшения как самих элементов (малогабаритные SMD компоненты), так и их количества (путем унификации параметров и универсализации), но позволяют также значительно увеличить характеристики приборов без использования дополнительных схемных решений.

Цель  данного дипломного проекта –  на основе современной радиоэлектронной элементной базы собрать приёмный тракт  аппарата 4G стандарта LTE, отвечающий всем характеристикам, утвержденным в спецификации TS 36.101(Release 9) стандарта.

Основными элементами данного приёмного тракта являются:

1. Дуплексор;
2. Фильтр на поверхностно-акустических волнах (ПАВ);
3. Малошумящий усилитель (МШУ);
4. IQ Демодулятор;
5. Операционный усилитель (ОУ);
6. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).

2.1 Дуплексор

 

Сотовый телефон представляет собой две комплектные радиостанции, каждая из которых включает приемник и передатчик, настроенные на разные частоты. Передатчик ББ и приемник НБ настроены на частоту одного из каналов, например, в диапазоне 46,61...46,97 МГц, а РПДУ НБ и РПУ ВБ - на более высокую частоту в пределах 49,67...49,99 МГц. Таким образом, работа в эфире осуществляется одновременно по двум каналам связи и носит название дуплексной, в отличие от одноканальной - симплексной, при которой необходимо переключение каждой радиостанции с приема на передачу и обратно.

Однако, при дуплексной связи очень важно  защитить входной каскад радиоприемника высокой чувствительности от сильного сигнала передатчика своего блока. Так, обычная чувствительность приемника сотового телефона составляет единицы микровольт и менее, а выходное напряжение передатчика сотового телефона в общей антенне - доли вольта или единицы вольт. Поэтому, несмотря на отличие частот настройки РПУ и РПДУ, на вход приемника будет поступать мешающее высоко-частотное напряжение своего передатчика, значительно превышающее полезный сигнал. Такая помеха серьезно нарушает работу входного каскада радиоприемника, «забивая» вход РПУ.

Для развязки радиоприемного устройства и радиопередающего устройства в одном блоке многие модели сотовых телефонов фирм SONY, PANASONIC, SANYO,GЕ, АТ&Т и других снабжены специальным устройством - дуплексором, представляющим собой систему колебательных контуров и ВЧ трансформаторов.

Дуплексор включается между антенной, входными цепями РПУ и выходными РПДУ. Он осуществляет высокую степень развязки приемника и передатчика, а также  предотвращает шунтирование входа  РПУ низкоомным выходом РПДУ. [15]

Рисунок 2.1 – Структурная схема дуплексора

 

Дуплексный  фильтр (дуплексор или диплексор) представляет собой два полосовых  фильтра, настроенные на различные  частоты, соединенные между собой. Полосовой фильтр, включенный на выходе передатчика, настраивается так, чтобы  пропускать весь диапазон допустимых частот передатчика. Полосовой фильтр, включенный на входе приемника, настраивается  так, чтобы пропускать весь допустимый диапазон частот приемника. В результате сигнал с выхода передатчика может  свободно проходить на антенну, но при  этом он будет подавляться на входе  приемника. Структурная схема дуплексной радиостанции с цифровыми видами модуляции приведена на рисунке  2.2.

 

Рисунок 2.2 - Структурная схема дуплексной цифровой радиостанции

 

Учитывая, что полосовой фильтр не может  быть реализован со строго прямоугольной амплитудно-частотной характеристикой, между диапазоном частот передатчика и диапазоном частот приемника вводится защитный интервал, который называется дуплексным разносом частот. Чем выше частотный диапазон системы мобильной связи, тем больше применяется дуплексный разнос частот. Например, для систем сотовой связи GSM900 или CDMA применяется дуплексный разнос частот 45 МГц, а для системы GSM1800 — уже 140 МГц.

Амплитудно-частотные  характеристики дуплексора приведены  на рисунке 2.3.[16]

 

Рисунок 2.3 - Амплитудно-частотные характеристики дуплексора

 

Помимо  выбранного типа АЧХ и числа звеньев n, технически корректны следующие  характеристики фильтров:

• ширина полосы частот (Bandwidth) для заданного уровня потерь. Например, полоса пропускания для ППФ по умолчанию устанавливается на уровне  3 дБ (Passband – BW3dB), а полоса заграждения – по уровню  40 дБ (Stopband – BW40dB). Относительная ширина полосы (Percent Bandwidth) для ППФ и ПЗФ нормируется в процентах от значения центральной частоты, то есть от полусуммы значений граничных частот на уровне 3 дБ. Кроме граничной частоты на уровне 3 дБ указывают предельные значения минимальной и максимальной частот, для которых нормируется форма АЧХ;
• время установления отклика (Rise Time) – время, в течение которого после включения сигнала амплитуда отклика на выходе изменяется от 10 до 90% от максимальной амплитуды;
• уровень потерь (Insertion Loss – IL) в полосе прозрачности, пропорциональный Q_фактору (добротности) фильтра и обратно пропорциональный относительной полосе пропускания BW3dB:

 

                                                (2.1)

 

Некоторые производители различают потери сквозного прохождения (Dissipation Loss) и потери на отражение (Reflection Loss);

• коэффициент прямоугольности Кп (Shape Factor). Нормируется по умолчанию как отношение полосы по уровню 30 дБ к полосе по уровню 3 дБ;
• потери в полосе заграждения (изоляция нежелательной полосы);
• уровень неравномерности (пульсации) коэффициента передачи либо в полосе прозрачности (Passband Ripple), либо в полосе заграждения (Stopband Ripple), либо в обоих полосах, измеряемый в децибелах;

• коэффициент стоячей волны (Voltage Standing Wave Ratio – VSWR) или коэффициент отражения в полосе пропускания;

• уровень входной мощности Рвх. Значение входной мощности ограничивается не только электрической прочностью фильтра. Из-за наличия в составе фильтра активных компонент указывают входную мощность, при которой потери возрастают на 1 дБ – P1дБ, а также входную мощность, при которой для двухчастотного входного сигнала уровень комбинационных компонент третьего порядка на выходе будет равен уровню основных компонент – РIP3 (Intercept Point 3 order). Причина появления интермодуляционных искажений в, казалось бы, линейном фильтре заключается в том, что в состав большинства фильтров входят индуктивные элементы, выполненные на базе ферритовых материалов, магнитная проницаемость и потери которых нелинейно зависят от амплитуды сигнала, а в состав электрически перестраиваемых фильтров – нелинейные емкости, варикапы (кроме того, некоторые фильтры интегрированы с транзисторными усилителями);
• диапазон перестройки (Tuning Range), скорость перестройки (Tuning Speed), вид и разрядность цифрового интерфейса, напряжения и токи питания и управления;
• устойчивость к внешним воздействиям: диапазон рабочих температур, допустимые значения ударопрочности и вибростойкости, стойкости к перепадам температуры, давления и влажности, к уровню проникающей радиации;
• массогабаритные и установочные показатели, входные и выходные импедансы, вид разъемов подключения по входу и выходу.

2.1.1 Дуплексер фирмы Avago

Дуплексер ACMD-6007 является весьма миниатюрным, предназначенным для использования в стандарте LTE седьмой частотной (2500 - 2570 МГц UL, 2620- 2690 МГц DL) телефонов и мобильных терминалов передачи данных.

Низкие  вносимые потери в канале передачи минимизирует потребление тока от усилителя мощности, а низкие вносимые потери в канале приема улучшает чувствительность приемника. ACMD-6007 имеет повышенную чувствительность, обеспечивает широкий динамический диапазон приемника мобильного телефона и высокую изоляцию передаваемого сигнала от входа приемника, как и подавление порожденных шумов в полосе приема.

ACMD-6007 разработан по инновационной технологии Film Bulk Acoustic Resonator (FBAR) компанией Avago Technologies, которая позволяет производить фильтры ультра-малых размеров с высокой добротностью по сравнению с обычными фильтрами. Отличные возможности обработки сигнала поддерживают высокие уровни выходной мощности, используемых в мобильных коммуникационных приложений.

ACMD-6007 также разработан с применением технологии Microcap bonded-wafer (связанных пластин), по технологии упаковки чипов в масштабе. Этот процесс позволяет собирать фильтры на чип-на-плате модуля с общим максимальным размером всего 2,0 х 2,5 мм с максимальной высотой 0,95 мм.

Особенности дуплексора:

1. Миниатюрный размер:

• максимальный размер 2,0 х 2,5 мм

• максимальная высота 0,95 мм

Габариты дуплексора ACMD-6007 представлены на рисунке 2.4 и 2.5.

 

Рисунок 2.4 – Вид сверху дуплексора ACMD-6007

 

Рисунок 2.5 – Вид сбоку и снизу дуплексора ACMD-6007

 

На рисунке 2.5 цифрами от одного до девяти пронумерованы ножки подключений дуплексора.  Назначения эти ножек представлены в таблице 2.1.

 

Таблица 2.1 - Назначение ножек дуплексора

Ножка	Подключение
1	Приемник
2,4,5,7,9,	Земля
3	Передатчик
6	Антенна
8	Optional: Gnd, NC or Rx(–)

2. Высокая изоляция
3. Высокая номинальная мощность:

• 33 дБм Abs Max Tx Power

 

Технические характеристики:

• Приёмная полоса частот: 2620-2690 МГц, -20 до +85 ° C

- Вносимые потери: 2,5 дБ  Max

- Rx шумов Блокировка: 50 дБ мин

• Передающая полоса частот: 2500-2570 МГц, -20 до +85 ° C

- Вносимые потери: 2,1 дБ  Max

- Tx помех блокирования: 55 дБ мин

 

Таблица 2.2 – Электрические спецификации дуплексора ACMD-6007

Параметры	Температура								Единицы
	20°C		+25°C			+85°C
	Min	Max	Min	Typ	Max	Min	Typ	Max
Antenna Port to Receive Port
Входные потери в приемной полосе (2620-2690 МГц)		2,5		1,5	2,5			2,5	дБ
Обратные потери приёмного  порта в приемной полосе (2620-2690 МГц)	9.5		9.5	17		9.5			дБ
Затухание в передающей полосе (2500-2570 МГц)	45		45	57		45			дБ
Затухание в полосе 1-2380 МГц	30		30	32		30			дБ
Затухание в полосе 2380-2450 МГц	35		35	48		35			дБ
Затухание в полосе 2450-2484 МГц	35		35	51		35			дБ
Затухание в полосе 2775-6000 МГц	20		20	38		20			дБ
Transmit Port to Antenna Port
Входные потери в передающей полосе (2500-2570 МГц)		2.0		1.8	2.0			2.1	дБ

 

Продолжение таблицы 2.2
Обратные потери приёмного  порта в приемной полосе (2500-2570 МГц)	10		10	18		10			дБ
Затухание в приемной полосе (2620-2690 МГц)	45		45	58		45			дБ
Затухание в полосе 10 – 1573 МГц	30		30	42		30			дБ
Затухание в полосе приема GPS (1574.42-1576.42 МГц)	45		45	57		45			дБ
Затухание в полосе 1577-1680 МГц	25		25	50		25			дБ
Затухание в полосе 1845-1880 МГц	30		30	42		30			дБ
Затухание в полосе 2110-2170 МГц	30		30	34		30			дБ
Затухание в полосе 2400-2450 МГц	30		30	57		30			дБ
Затухание в полосе 5150-5850 МГц	20		20	35		20			дБ
Затухание в полосе 7500-7710МГц	20		20	37		20			дБ
Antenna Port
Обратные потери антенного  порта в приемной полосе (2620-2690 МГц)	10		10	18		10			дБ
Обратные потери антенного  порта в передающей полосе (2500-2570 МГц)	10		10	16		10			дБ
Isolation Transmit Port to Receive Port
Tx-Rx изоляция в приёмной полосе (2620-2690 МГц)	50		50	58		50			дБ
Tx-Rx изоляция в передающей полосе (2500-2570 МГц)	55		55	61		55			дБ