Разработка устройства приёма и обработки радиосигнала аппарата 4G

 

Характеристику дуплексора в полосе пропускания в сторону передатчика можно наблюдать на рисунке 2.6, где отчетливо видно, что потери при передаче составляют порядка 1,75 дБ.

Рисунок 2.6 – Вносимые потери дуплексора ACMD-6007 в полосе передачи

 

Характеристику дуплексора в полосе пропускания и непропускания в сторону,  как передатчика, так и приёмника можно наблюдать на рисунке 2.7, где видно, что потери при прёме также составляют порядка 1,75 дБ. [2]

 

 

Рисунок 2.7 – Амплитудно-частотная характеристика дуплексора ACMD-6007

 

2.2 Фильтр на  поверхностно-акустических волнах (ПАВ)

Поверхностные акустические волны (ПАВ) – это упругие  деформации в твердом теле, имеющие  преимущественно продольную компоненту. Поперечная компонента, направленная в глубь твердого тела, мала. Поэтому ПАВ распространяются в приповерхностном слое, глубиной не более 3-4 длин волн.

Основными элементами акустического тракта устройств  на ПАВ являются входной и выходной преобразователи и пьезоэлектрический звукопровод (подложка) между ними. Характеристики устройств на ПАВ  формируются за счет частотно-зависимого преобразования электрического сигнала  в акустическую волну входным  преобразователем и акустической волны  в электрический сигнал выходным преобразователем. Скорость ПАВ составляет 3-4 км/сек, т.е. на 4 порядка меньше скорости электромагнитной волны. Этим обусловлены габариты устройств на ПАВ, меньшие на 2-3 порядка по сравнению с электромагнитными аналогами.

К преимуществам фильтров на ПАВ можно  отнести:

• чрезвычайно малые габариты (на 2-3 порядка по сравнению с электро- магнитными аналогами);
• высокая температурная стабильность (0,5-1,0)×10-6 ед/оС для кварцевых подложек; (18-35)×10-6 ед/оС для танталат литиевых подложек; (50-90)×10-6 ед/оС для ниобат литиевых подложек;
• широкий диапазон рабочих частот (1,0 МГц – 15 ГГц);
• малые вносимые потери 1,0-3,0 дБ при полосах пропускания 1-3 %;
• высокая надежность (50-100 тыс. чипов), т.к. число соединений составляет 6-8 вместо нескольких сотен, например, в LC и ФСС;
• высокая повторяемость параметров и низкая стоимость серийном производстве;
• простота регулировки или отсутствие необходимости регулировки вообще.

К недостаткам фильтров на ПАВ можно отнести:

- малая рассеиваемая мощность (типичная 20-50 мВт, максимальная 1,0-1,5 ВТ);

- высокие вносимые потери для  трансверсальных устройств (10-20 дБ);

- чувствительность к электростатическому  разряду.

Устройства на ПАВ можно  условно разделить на два класса: трансверсальные и резонаторные.

Трансверсальные устройства являются неминимально-фазовыми и позволяют при проектировании независимо задавать АЧХ и ФЧХ сложной формы, например, симметричную АЧХ и линейную фазу, или несимметричную АЧХ и нелинейную фазу.

К трансверсальным устройствам  на ПАВ относятся: полосовые фильтры, взвешивающие фильтры, согласованные  фильтры ЛЧМ, ФМ и ММС сигналов, линии задержки, дисперсионные линии  задержки, дифференциаторы, частотные  дискриминаторы, преобразователи Гильберта  и т.д.

Полосно-пропускающий фильтр представляет собой устройство, которое  пропускает сигналы в диапазоне  частот с шириной полосы BW, расположенной приблизительно вокруг центральной частоты ω0. На рисунке 2.8 изображены реальная и идеальная амплитудно-частотные характеристики. В реальной характеристике частоты ωL и ωU представляют собой нижнюю и верхнюю частоты среза и определяют полосу пропускания и её ширину.

 

 

Рисунок 2.8 – Идеальная и реальная амплитудно-частотные характеристики полосно-пропускающего фильтра

 

В полосе пропускания амплитудно-частотная  характеристика никогда не превышает  некоторого определённого значения, например А1 на рисунке 2.8 Существуют так же две полосы задерживания 0 ≤ ω ≤ ω1 и ω ≥ ω2, где значение АЧХ никогда не превышает заранее выбранного значения, скажем, А2. Диапазоны частот между полосами задержки и полосой пропускания образуют нижнюю и верхнюю переходные области, в которых характеристика является монотонной.

Отношение Q = ω0/BW характеризует качество самого фильтра и является мерой его избирательности. Высокому значению Q соответствует относительно узкая, а низкому значению Q – относительно широкая полосы пропускания. Коэффициент усиления фильтра К определяется как значение его АЧХ на центральной частоте; таким образом, K = |H(jω0)|. [17]

 

2.2.1 Полосовой фильтр фирмы Murata

 

В качестве фильтра основной селекции был выбран фильтр фирмы  Murata с производственным номером SAFEA2G65FL0F00.

Murata является признанным лидером  на рынке микроволновых компонентов для беспроводных средств связи. Компания производит фильтры – ПАВ, Cerafil, которые востребованы для многих современных устройств: аудио – видео техника, телекоммуникационное оборудование, бытовая техника и т.д.

Данный  фильтр является керамическим. Керамика - это материал, который получается с помощью обжига различных химических веществ, очищенных на атомарном уровне. С помощью специальных примесей, изменяя температуру процесса обжига можно изменять электрические свойства керамических материалов.

Керамические  фильтры используются в тех случаях, когда устройство чувствительное к  помехам или сам источник помех  находятся слишком близко друг к  другу. Одной из главных задач построения приемного тракта является  выбор элементов эксплуатационно-устойчивых ко всем видам помех. Именно поэтому выбор был сделан в сторону керамического фильтра.

Приёмник  LTE является супергетеродинным, основанным на принципе преобразования принимаемого сигнала в сигнал фиксированной промежуточной частоты (ПЧ) с последующим её усилением. Основное преимущество супергетеродина перед радиоприёмником прямого усиления в том, что наиболее критичные для качества приёма части приёмного тракта (узкополосный фильтр, усилитель ПЧ и демодулятор) не должны перестраиваться под разные частоты, что позволяет выполнить их со значительно лучшими характеристиками.  Пример построения супергетеродинного приёмника представлен на рисунке 2.9.

 

Рисунок 2.9 – Структурная схема супергетеродинного приёмника

 

Наиболее  значительными недостатками супергетеродинного приёмника является наличие так называемого зеркального канала приёма и помехи на гармониках гетеродина. Все эти уязвимости приводят к появлению канала приёма, дающего 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, пусть приёмник с ПЧ 20 Мгц настроен на радиостанцию, передающую на частоте 2690 МГц и частота гетеродина равна 2710 МГц. На выходе фильтра ПЧ будет выделяться сигнал с частотой 2710- 2690= 20 МГц. Однако, если на частоте 2695 МГц работает другая мощная радиостанция, и её сигнал сможет просочиться на вход смесителя, то разностный сигнал с частотой 2730 − 2710= 20 МГц не будет подавлен, попадёт в усилитель ПЧ и создаст помеху. Величина подавления такой помехи (избирательность по зеркальному каналу) зависит от эффективности входного фильтра и является одной из основных характеристик супергетеродина. Процесс образования зеркального канала изображен на рисунке 2.10.

 

Рисунок 2.10 - Процесс образования зеркального канала в супергетеродинном приемнике

 

Что же касается помех возникающих на гармониках гетеродина, то наличие побочных каналов вокруг гармоник гетеродина вызвано даже не тем, что колебания гетеродина несинусоидальны; основной фактор - это отличие характеристики смесителя от квадратичной. То есть, в конечном счете, несинусоидальным является закон изменения крутизны преобразовательной лампы S(t).

Это вызывает появление дополнительных каналов приема на частотах:

 

                                                   (2.2)

 

где n – номер гармоники, начиная со второй гармоники.

 

Обычно  самым опасным (наиболее близким  к рабочему диапазону частот) является канал, образованный на второй гармонике гетеродина:

 

                                                    (2.3)    

                    

Хорошо  еще, что (в отличие от зеркального  канала) каналы приема, обусловленные  гармониками гетеродина, в принципе уже ослаблены относительно основного  канала. А на сколько - зависит от формы колебаний S(t).

  Например, симметрично искаженные колебания практически не содержат второй гармоники 2fГ. Если к тому же они близки к прямоугольным ("меандр"), то каждая гармоника ослаблена ровно во столько раз, каков ее номер. Если в прямоугольных колебаниях полуволны различаются по длительности (короткие импульсы), то ослабление высших гармоник относительно основной частоты будет меньше, и вдобавок вылезут четные гармоники. Если колебания все же сглажены, высшие гармоники будут затухать быстрее.

Фильтр  фирмы Murata имеет очень компактные габариты, что не мало важно, и хорошие электрические характеристики.

Подавление  помех на частотах второй гармоники  гетеродина исходило из формулы (2.2). Так как у нас приёмник с преобразованием на нулевую промежуточную частоту (f_пч = 0), следовательно, частота сигнала равна частоте гетеродина. Сигнал может варьироваться в диапазоне предусмотренным стандартом LTE, а именно от 2620 МГц до 2690 МГц.

В качестве примера возьмем центральную  частоту фильтра, равную 2655 МГц. Мешающий зеркальный канал второй гармоники  гетеродина будет находиться на частоте:

 

                             (2.4)

 

Исходя  из диапазона 2620-2690 МГц, можно сделать  вывод, что зеркальный канал второй гармоники гетеродина может находиться на частотах в диапазоне 5240 – 5380 МГц.

В спецификации к фильтру SAFEA2G65FL0F00 идет подавление зеркального канала второй гармоники гетеродина до 52 дБ. Этот показатель является более чем достаточным, чтобы подавить мешающий канал.

Важной  характеристикой при построении схем является уровень вносимых потерь (затуханий), оказывающих влияние  на чувствительность приемника. Данный показатель должен быть небольшим. В  данном фильтре он составляет 2.6 дБ, что считается хорошим значением.

Основные  технические характеристики фильтра  представлены в таблице 2.3.

 

Таблица 2.3 – Спецификация фильтра SAFEA2G65FL0F00

	Характеристики
	-30 до 85 °C	25±2°C	Обычные
Центральная частота	2655 МГц
Вносимые потери (2620-2690 МГц)	3.3 дБ (макс)	3.0 дБ (макс)	2.6 дБ
Абсолютное затухание:   до 120 МГц   869-894 МГц	50 дБ (миним) 50 дБ (миним)	50 дБ (миним) 50 дБ (миним)	92 дБ 61 дБ

Продолжение таблицы 2.3

925-960 МГц   1805-1880 МГц   1920-1990 МГц   2380-2450 МГц   2500-2570 МГц   4880-5020 МГц   5120-5260 МГц 5240-5380 МГц 7620-7830 МГц 7860-8070 МГц	50 дБ (миним) 45 дБ (миним) 45 дБ (миним) 40 дБ (миним) 27 дБ (миним) 41 дБ (миним) 40 дБ (миним) 40 дБ (миним) 35 дБ (миним) 35 дБ (миним)	50 дБ (миним) 45 дБ (миним) 45 дБ (миним) 40 дБ (миним) 27 дБ (миним) 41 дБ (миним) 40 дБ (миним) 40 дБ (миним) 35 дБ (миним) 35 дБ (миним)		59 дБ 54 дБ 55 дБ 61 дБ 36 дБ 54 дБ 53 дБ 52 дБ 55 дБ 57 дБ
Неравномерность в полосе пропускания (2620-2690 МГц)	1.3 дБ		1.0 дБ (макс)	0.5 дБ
VSWR (2620-2690 МГц)	19.9 дБ (макс)		1.8 дБ (макс)	1.5
Амплитудный баланс (2620-2690 МГц)	±1.0 дБ (макс)		±1.0  дБ (макс)	0.4 дБ
Фазовый баланс (2620-2690 МГц)	80±10 градусов		80±10 градусов	180±5.5 градусов
Сопротивление несимметричного входа	50Ω
Сопротивление симметричного выхода	50Ω
Уровень входного сигнала	10 мВт(+10 дБм)