Разработка устройства приёма и обработки радиосигнала аппарата 4G

 

При решении конструктроских особенностей учитывается согласование импедансов(волновых сопротивлений) элементов по входу  и по выходу. При  соединении  сечений  имеющих  несогласованный импеданс, возникает условие отражения от этого сечения падающей  эл/магн  волны.

Цель согласование импедансов - обеспечение передачи максимальной мощности или минимума отражений.

Данный  фильтр имеет несимметричный вход и  симметричный выход. Волновое сопротивление  по входу и по выходу составляет 50 Ом, то есть является стандартным. По входу фильтр будет согласован с 50 Ом-ным выходом предыдущего  каскада дуплексора ACMD-6007.

На  рисунке 2.10 отображена амплитудно-частотная характеристика фильтра SAFEA2G65FL0F00. По ней видно, что основная полоса пропускания расположена в диапазоне 2620-2690 МГц. [3]

Рисунок 2.10 - Амплитудно-частотная характеристика фильтра SAFEA2G65FL0F00

 

Размеры фильтра  составляют 1.35*1.05*0.5 мм.

2.3 Малошумящий  усилитель

 

С развитием высокочастотной интегральной технологии на рынке радиоэлементов появились сверхширокополосные  усилительный ИМС. На их основе можно создавать миниатюрные, малошумящие усилители работающие на частотах УКВ/УВЧ диапазонах.

Малошумящий усилитель (МШУ) предназначен для повышения  чувствительности приемников мобильных устройств различных систем подвижной связи, работающих на прием в широком диапазоне частот и в сложной электромагнитной обстановке.

Эта задача решается за счет низкого коэффициента шума транзисторного усилителя МШУ и подключения его непосредственно к приемной антенне. При этом осуществляется компенсация потерь в фидерах, соединяющих приемную антенну со входами приемников.

Включение МШУ в тракт приема не приводит к ухудшению параметров многосигнальной избирательности приемной системы в целом благодаря высокому динамическому диапазону и наличию перед усилителем многозвенного полосового фильтра.

МШУ должен располагаться около антенны, в этом случае потери существенно  уменьшаются. Это решение плюс качественное согласование и фильтрация, могут  улучшить шумовую характеристику более  чем на 1,5 дБ.

Основные  требования к МШУ следующие:

• ширина полосы пропускания должна быть не менее заданной (800 МГц);
• коэффициент усиления должен быть достаточным для эффективного уменьшения влияния шумов усилительно-преобразовательных устройств, следующих за ним (обычно составляет 25...35 дБ);
• коэффициент шума (шумовая температура) должен быть к можно меньше (0,7-1,0 дБ);
• уровень насыщения должен быть достаточно высоким, в противном случае могут возникнуть нелинейные искажения;
• амплитудно-частотная характеристика должна обладать заданной неравномерностью (обычно ±2 дБ), а фазочастотная – линейной.

МШУ усиливает принятый сигнал до уровня, требуемого последующим приемным оборудованием, с которым соединен МШУ. МШУ также называют антенными усилителями сигнала. [18]

 

2.3.1 Малошумящий усилитель фирмы Freescale Semiconductor

 

MML20242H фирмы Freescale Semiconductor является двух ступенчатым малошумящий усилитель (LNA) с активным смещением, обладающий высокой изоляцией для использования в приложениях сотовой инфраструктуры.

Он  разработан для диапазона с низкий уровнем шума, высокой линейностью приложений. Работает от одного источника напряжения и подходит для устройств, работающих на частоте от 1400 до 2800 МГц, таких стандартов сотовой связи, как TDSCDMA, WCDMA, UMTS, PCS, LTE и BWA.

Характеристики  МШУ MML20242H:

1. МШУ работоспособен и соответствует основным параметрам при температуре окружающей среды от -50° до +50°С и питании его от источника +5…6 вольт. Ток потребления составляет 160 мА.
2. Усиления сигнала в диапазоне частот 2620 – 2690 МГц составляет порядка 32 – 33 дБ, что является хорошим показателем среди усилителей, при этом он имеет очень низкий коэффициент шума усилительных каскадов транзисторов и составляет 0,7 дБ.
3. Размеры MML20242H очень компактны: 3×3×1. Размеры МШУ представлены на рисунке 2.11.

 

 

Рисунок 2.11 – Вид сверху МШУ MML20242H

 

4. Ширина полосы усиления составляет 1400 МГц;
5. Усилитель имеет входы и выходы с волновым сопротивлением равным 50 Ом, что обеспечивает согласование с предыдущим каскадом из фильтра на поверхностных акустических волнах (ПАВ), и последующим. [4]

2.4 IQ Демодулятор

 

В цифровых приемниках перенос частоты  осуществляется сразу на нулевую  частоту. При приеме сигналов со сложными видами модуляции важен точный прием  не только амплитудной, но и фазовой  составляющей сигнала.

Для того чтобы не потерять фазу принимаемого сигнала, из сигнала с выхода цифрового  фильтра основной избирательности  выделяется его синфазная I и квадратурная составляющие. Для этого сигнал умножается на тригонометрические функции sin(w_прt) и cos(w_прt). На выходе умножителя на синусоидальную функцию формируется сигнал, описываемый следующей формулой:

 

 

 

                (2.5)

 

После пропускания этого сигнала через  цифровой фильтр низкой частоты на его выходе остается сигнал квадратурной составляющей входного сигнала.

На  выходе умножителя на косинусоидальную функцию формируется сигнал, описываемый следующей формулой:

 

 

 

           (2.6)

 

Этот  сигнал тоже пропускается через фильтр низких частот с точно такой же частотной характеристикой. На выходе  этого фильтра остается сигнал синфазной  составляющей входного сигнала.

Структурная схема квадратурного демодулятора, реализованного в цифровом виде, приведена  на рисунке 2.12.

 

Рисунок 2.12 - Структурная схема квадратурного демодулятора

 

Для формирования сигналов синуса и косинуса принимаемой частоты обычно применяется  цифровой генератор.

После ограничения преобразованного по частоте  сигнала по спектру, появляется возможность  уменьшить частоту его дискретизации. Поэтому на выходе фильтров низкой частоты ставятся дециматоры. Обычно операции децимации и фильтрации удобно выполнять в одном устройстве. Такие устройства получили название децимирующих фильтров.[19]

 

 

 

2.4.1 IQ демодулятор фирмы Texas Instruments

 

TRF371125 является высоко-линейным и интегрированным квадратурным демодулятором прямого преобразования частоты. TRF371125 включает сбалансированы I и Q смесители, LO буферы и фазо-разветвители для преобразования радиосигнала непосредственно к I и Q полосы. Демодулятор имеет внутренний усилитель с программируемым коэффициентом усиления, позволяющий регулировать уровень выходного сигнала без необходимости использования внешних аттенюаторов с переменным коэффициентом усиления. TRF371125 включает фильтр нижних частот с программируемой полосой пропускания, который ослабляет близкорасположенные помехи, устраняя необходимость внешнего фильтра. Частотный диапазон демодулятора варьируется от 700 МГц до 4 ГГц. TRF371125 изготовлен по кремний-германиевой технологии. Напряжение питания: 4.5 – 5.5 В. Применяется в WiMAX и LTE (Long Term Evolution). Структурная схема демодулятора TRF371125 отображена на рисунке 2.13.

 

Рисунок 2.13 – Структурная схема демодулятора TRF371125

По  структурной диаграмме видно, что  TRF371125 демодулятор имеет встроенные смесители для I и Q квадратур, усилители с программированным коэффициентом усиления, ФНЧ с программированной полосой пропускания, SPI-порт.

Размер  TRF371125 составляет 7×7 мм.

Электрические характеристики демодулятора TRF371125 представлены в таблице 2.4.

 

Таблица 2.4 - Электрические характеристики IQ демодулятора TRF371125

Характеристика	Значение
Ток питания	360	мА
Напряжение питания	5	В
Рабочий температурный диапазон	-40 ÷ 80	С
Диапазон усиления программированного усилителя  (PGA)	1÷24	дБ
Шаг усиления	1	дБ
Максимальный уровень мощности на входе дуплексора	24	дБм
Диапазон частот	700÷4000	МГц
Минимальная программируемая частота  пропускания ФНЧ	700	КГц
Максимальная программируемая частота  пропускания ФНЧ	15	МГц
Частота пропускания, при отключении фильтра ФНЧ	30	МГц
Входное волновое сопротивление согласующего трансформатора LDB212G4005C-001	50	Ом
Выходное волновое сопротивление	1	кОм

 

Для сбора данных, преобразования сигналов сенсоров и прочих приложений, где входной сигнал изменяется в  широком диапазоне, требуется использовать усилители с программируемым  коэффициентом усиления

Texas Instruments выпускает широкую номенклатуру измерительных операционных усилителей с программируемым коэффициентом усиления. Измерительные операционные усилители с цифровым программированием коэффициента усиления (PGA) являются универсальными входными операционными усилителями, которые за счет цифрового управления коэффициентом усиления позволяют улучшить точностные характеристики и расширить динамический диапазон.

На рисунке 2.14 показана базовая конфигурация использования PGA в качестве усилительного блока.

 

 

Рисунок 2.14- Использование PGA в качестве усилительного блока

 

TRF371125 имеет выход синфазного и квадратурного сигнала для осуществления последующей фильтрации и усиления сигналов. Выходной усилитель осуществляет преобразование несимметричного сигнала в дифференциальный и позволяет пользователю изменять постоянную составляющую синфазного выходного сигнала, что позволяет напрямую подключать к его выходу двухканальные АЦП.

Управление усилителем с  программированным коэффициентом  усиления (PGA) осуществляется посредством так называемого микроконтроллера через SPI-порта.

TRF371125 имеет информационный регистр с трехпроводным последовательным периферийный интерфейсом программирования(SPI - serial programming interface), который управляет внутренним 32-разрядным регистром сдвига. Есть четыре команды (сигнала), которые могут быть применены к SPI-порту:

• CLOCK (вывод 48);
• DATA (вывод 47);
• STROBE (вывод 46);
• READBACK (вывод 37).

Сам же SPI-порт управляется цифровым микроконтроллером.

Назначение  всех выводов демодулятора представлены в таблице 2.5. [5]

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2.5 – Описание выводов демодулятора

Вывод		Описание
Номер	Имя
1	GNDDIG	Заземление цепей питания цифровых каскадов
2	VCCDIG	Напряжение питания цифровых каскадов
3	CHIP_EN	Отключение чипа: режим пониженного энергопотребления
4	VCCMIX1	Напряжение питание первого смесителя
5	GND	Заземление
6	MIXinp	Вход смесителя: синфазный
7	MIXinn	Вход смесителя: противофазный
8	GND	Заземление
9	VCCMIX2	Напряжение питание второго смесителя
10	NC	Нет соединения
11	NC	Нет соединения
12	GND	Заземление
13	GND	Заземление
14	GND	Заземление
15	GND	Заземление
16	MIXQoutp	Выход смесителя Q: синфазный
17	MIXQoutn	Выход смесителя Q: противофазный
18	NC	Нет соединения
19	NC	Нет соединения
20	REXT	Вывод для подключения внешнего резистора источника опорного смещения
21	VCCBIAS	Напряжение питания цепей смещения
22	GNDBIAS	Заземление цепей смещения
23	NC	Нет соединения
24	VCM	Вход синфазного напряжения смещения выходных каскадов
25	VCCBBQ	Питание каскадов промежуточной частоты (канал Q)
26	GND	Заземление
27	BBQoutn	Выход промежуточной частоты (канал Q): синфазный
28	BBQoutp	Выход промежуточной частоты (канала Q): противофазный
29	VCCLO	Питание гетеродина
30	Loin	Вход гетеродина: отрицательный ввод
31	Loip	Вход гетеродина: положительный ввод
32	GND	Заземление
33	BBloutp	Выход промежуточной частоты (канал I): синфазный

 

Продолжение таблицы 2.5

34	BBloutn	Выход промежуточной частоты (канала I): противофазный
35	GND	Заземление
36	VCCBBI	Питание каскадов промежуточной частоты (канал I)
37	NC	Нет соединения
38	READBACK	Считывание данных
39	GAIN_B2	Управление программируемый усилителем с быстрой регулировкой усиления: бит 2
40	GAIN_B1	Управление программируемый усилителем с быстрой регулировкой усиления: бит 1
41	GAIN_B0	Управление программируемый усилителем с быстрой регулировкой усиления: бит 0
42	NC	Нет соединения
43	NC	Нет соединения
44	MIXloutn	Выход смесителя I: синфазный
45	MIXloutp	Выход смесителя I: противофазный
46	STROBE	SPI интерфейс: разрешение записи
47	DATA	SPI интерфейс: последовательность данных
48	CLOCK	SPI интерфейс: тактовый вход

2.5 Операционный  усилитель

 

Операционный  усилитель (ОУ, OpAmp) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

В настоящее время ОУ получили широкое  применение как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

Операционный  усилитель изначально был спроектирован  для выполнения математических операций (отсюда его название), путём использования  напряжения как аналоговой величины. Такой подход лежит в основе аналоговых компьютеров, в которых ОУ использовались для моделирования базовых математических операций (сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование и т. д.). Однако идеальный ОУ является многофункциональным схемотехническим решением, он имеет множество применений помимо математических операций. Реальные ОУ, основанные на транзисторах, электронных лампах или других активных компонентах, выполненные в виде дискретных или интегральных схем, являются приближением к идеальным.