Цифровой обработки сигналов

Функциональная  схема приемного тракта представлена на рисунке 2.14:

     Рисунок 2.14 - функциональная схема РПрУ  СВЧ тракта, МШУ – малошумящий, ПУПЧ промежуточный усилитель промежуточной частоты, УПЧ – усилитель промежуточной частоты, СМ- смеситель, ПФ – полосовой фильтр, ФВ – ферритовый вентиль.

   

       На приемной стороне сигнал (f_с = 35 ГГц) через полосовой фильтр поступает на вход малошумящего усилителя (МШУ), усиливается на 15 – 20 дБ и поступает на смеситель. Кроме полезного сигнала на входе смесителя всегда присутствуют некоторая мощность шума (шумы атмосферы, индустриальные помехи,  шумы приемника и др.). На второй вход смесителя поступает сигнал гетеродина, формируемый синтезатором частот. На выходе смесителя выделяется сигнал промежуточной частоты, равный разности частот принимаемого сигнала и сигнала гетеродина (f_пр = 300 МГц), далее этот сигнал усиливается до необходимого уровня.

     

 

 

 

 

3 РАЗРАБОТКА И РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ                  ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ СВЧ-Т

 

        3.1 Расчёт коэффициента шума РПрУ

 

Перед тем, как рассчитать коэффициент шума РПрУ, подберем микросхемы для МШУ и широкополосного  усилителя.

На данное время производится и поступает в продажу множество  различных микросхем усилителей. Известными поставщиками этой продукция  являются такие фирмы как Hittite Мicrowave, Мini-circuits, RADIS.

Пускай РПрУ будет строится на микросхемах фирмы Hittite. Из широкого спектра предлагаемых малошумящих усилителей выберем микросхему

HMC-ALH369, рабочий диапазон 24 - 40 ГГц. МШУ имеет следующие параметры:

- значение коэффициента  шума Ks = 2 дБ;

- значение коэффициента  усиления K = 22 дБ.

При бесконечно большом значении коэффициента усиления МШУ, коэффициент  шума РПрУ определяется коэффициентом  шума первого каскада. Наш усилитель  имеет относительно небольшое значение коэффициента усиления (22 дБ), что сравнимо с потерями коэффициента передачи в  следующем каскаде смесителе. Поэтому  необходимо рассмотреть влияние  следующих каскадов (смесителя) на шумы РПрУ.

Для расчета коэффициента шума РПрУ рассмотрим упрощенную структурную  схему РПрУ, рисунок 3.1. Для упрощения схемы синтезатора частот РПрУ, используем субгармонический смеситель (работающий на второй гармонике частоты гетеродина). Коэффициент передачи такого смесителя составляет около минус 13 дБ. Рассмотрим упрощенную структурную схему РПрУ для двух  вариантов.

1. МШУ выполнен на двух  одинаковых усилителях. В этом  случае приемное устройство может  быть представлено в виде трех  каскадов имеющих следующие значения  коэффициентов усиления:

K₁=22 дБ;               K₂=22 дБ;                K₃=-13 дБ;

W₁=2 дБ;               W₂=2 дБ;          W₄=2 дБ,         

где    k₁, k₂ – коэффициенты усиления СВЧ смесителя;

k₃ – коэффициент передачи смесителя;

W₁, W₂ – коэффициенты шума усилителя;

W₄ – коэффициент шума   ПУПЧ.

 

 

 

 

                                  

Рисунок 3.1 -  Структурная схема РПрУ

 

Тогда значение коэффициента шума РПрУ равно:

 

k_s =1,59(раза)

или K_s=2,014 дБ.

2. В  МШУ использован  один каскад усиления.  Тогда 
   

k_s =1,66

или  К_s=2.2 дБ.

Учитывая, что шумовая  температура атмосферы равна  Т_ш=300 К, то изменением коэффициента шума  от 1.52 до 1.7 можно пренебречь и использовать один каскад усиления.  Тогда значение коэффициента шума РПрУ  Ks = 1.66 (Ks_дБ = 2.2 дБ).

 

        3.2 Определение энергетических и спектрально-временных соотношений на входах и выходах функциональных элементов СВЧ-Т ЦСП, расчет их коэффициентов передачи, параметров и частотных характеристик

 

Функциональные схемы  приемного и передающего СВЧ  тракта показаны на рисунках 2.13, 2.14

При расчете значений коэффициентов  передачи необходимо учитывать, что  уровни сигналов в каждой точке РПдУ должны быть такими, чтобы обеспечивался  линейный режим работы всех элементов  схемы. Максимальной значение мощности смесителя сдвига при которой  смеситель является линейным элементом  для входного сигнала составляет Рсм = (0.1 – 0.5) мВт (1 – 5)10^-4 Вт.  Указанное значение мощности на входе смесителя устанавливается переменным аттенюатором, включенным на входе РПдУ. При выполнении смесителя сдвига на диодах, коэффициент передачи смесителя составляет минус (8 – 10) дБ.  Тогда мощность сигнала на выходе смесителя сдвига составит

Pвых.см = Рсм* 10 ^-(8-10)/10  = (1 – 5)10^-5 Вт.

На выходе смесителя установлен усилитель. Микросхемы усилителей имеют  значение коэффициента усиления 12-15 дБ. Тогда мощность сигнала на выходе усилителя будет равна

Pус =  (1 – 5)10^-5 10^{(12 – 15)/10} = (1.6 – 8)10^-4 Вт.

Управляемый аттенюатор, обеспечивающий линейный режим работы усилителя  выходного каскада имеет регулируемый  диапазон ослабления сигнала 0 – минус 10 дБ.

Мощность сигнала на выходе управляемого аттенюатора составит

Ратт = (0.16 – 8) 10^-4 Вт.

Такие значения мощности будут  иметь РПдУ практически всех диапазонов частот и различных значений мощности выходного сигнала. Для обеспечения  необходимого значения мощности выходного  сигнала, значение коэффициента усиления выходного каскада должно быть равно

К = Р_1дБ/ P_ВХ,

K _1дБ = 10 log (K) ,                 

 где

                   Р_1дБ – необходимое значение выходной мощности РПдУ в линейном режиме работы,

                   P_ВХ  -  входная мощность усилителя мощности РПдУ.

         P_ВХ = Рат =(0.16 – 8) 10^-4 Вт.

Для обеспечения выходной мощности РПдУ 10 Вт, понадобиться усилитель  имеющий значения Р_1дБ = 1 Вт =41дБ

Для выходной мощности РПдУ 8 мВт, необходимое значение коэффициента составит 10 дБ.

K_дБ = 10 log (8*10^-3/8*10^-4) = 10 дБ.

Если значение коэффициента выбранного усилителя больше расчетного, линейный режим работы обеспечивается введением ослабления в управляемом  аттенюаторе.

В соответствии с требованием  задания на КП дальность связи  должна составить 60 км. Определим необходимое значение мощности РПдУ для формата 32КАМ в следующей последовательности.

         Определим чувствительность  приемного  устройства СВЧ модуля:

   P_{пр. min}  =  Ks k T₀  df  ,       где

Ks – коэффициент шума РПрУ в разах (Ks = 1.66);

k - постоянная Больцмана;

T₀ – температура РПрУ в градусах Кельвина (T₀ = 300 К).

df – полоса частот системы связи для заданного формата (определена в первом разделе);

                      P_прmin =  1.66*1.4*10^-23*300* 90*10⁶ = 6.28*10^-13  (Вт)

          Определим мощность принимаемого  сигнала для обеспечения заданного  значения вероятности ошибки:

                       Рс =  P_прmin10^0.1*С/Ш= 2.23*10^-10 Вт.

Отношение сигнал/шум определено в первом разделе (С/Ш = 25.5  дБ).

          Для обеспечения полученного  значения мощности сигнала на  входе приемного устройства  на  расстоянии R= 60000 м мощность передатчика должна быть равна:

                                                      

где  G₁, G₂ – коэффициенты усиления антенн передающего и приемного устройств;

λ – длина волны ( );

          Если  диаметр антенного устройства  не должен превысить 0.4м, то  значение коэффициента усиления  антенны равно:

                                                                     ,

     где   S_эф – эффективная площадь антенны.

 

                                      м².

Тогда =0.7*S_г = 0.088 м².

                 

 

 

Следовательно

 

        Выбираем усилитель, имеющий значение выходной мощности в линейном режиме работы, равную P_1дБ = 10дБ.

  Необходимо отметить, что мы рассматривали идеализированную систему приемопередатчика, и так как кроме тепловых шумов мы ничего не учитывали, и,например, при наличии дождя с интенсивностью 50 мм/час (сильный дождь) дополнительные потери составляют -1 дБ/км. Это приводит к значительному уменьшению дальности связи.

      Оценивая энергетические  характеристики системы, можно утверждать, что  с увеличением формата модуляции и постоянном значении мощности РПдУ, дальность связи уменьшается. Снижая энергетические затраты, мы тем самым увеличиваем размеры передающей и приёмной антенн. Чем меньше  коэффициент шума МШУ, тем меньше может быть значение  мощности принимаемого сигнала на входе приемника.

 

     3.3 Выбор фильтров обеспечивающих требуемое подавление внеполосных излучений  РПдУ и зеркального канала РПрУ, расчёт параметров фильтров

 

На вход передатчика СВЧ поступает модулированный сигнал промежуточной частоты 300МГц с выхода цифрового передатчика. Управляемый аттенюатор устанавливает необходимый уровень сигнала на входе смесителя. Выходная частота передатчика равна 35ГГц. Тогда на  второй вход смесителя необходимо подать такую частоту колебания синтезатора частот передатчика (f_СПД), чтобы суммарная или разностная частота выходного сигнала была  равна 35 ГГц (f_СПД = 35300 МГц или f_СПД = 34700 МГц). Выберем частоту синтезатора равной 35300 МГц. Спектры входных сигналов смесителя показаны на рисунке 3.2. Спектр выходного сигнала реального смесителя содержит спектральные составляющие входных сигналов смесителя (f_пч= 300 МГц), синтезатора (f_CПД = 35300 МГц), суммарную (f_СПД + f_ПЧ = 35600 МГц) и разностную (f_СПД - f_ПЧ = 35000 МГц) частоты, рисунок 3.3. На выходе смесителя включен полосовой фильтр, который выделяет спектр выходного сигнала на рабочей частоте передатчика 35000МГц, рисунок 3.4.

         Рисунок 3.2- Спектры входного сигнала и синтезатора частот на входах

                         смесителя.

                           Рисунок 3.3- Спектр выходного сигнала смесителя

 

Рисунок 3.4 - Выделение нижней боковой полосы спектра выходного                           сигнала смесителя при f_цп=300МГц

 

С выхода полосового фильтра  сигнал поступает на выходной усилитель. Требования, предъявляемые к выходному  усилителю передатчика, в значительной мере определяются видом модуляции  сигнала. В системах частотной (FM) модуляцией не предъявляются жесткие требования к уровню нелинейных искажений в  выходном каскаде передатчика. В  системах с квадратурной амплитудной  модуляцией (КАМ), информация о цифровом потоке содержится в амплитуде  и  фазе передаваемого сигнала, поэтому  искажения амплитуды и фазы выходного  сигнала РПдУ приводят к появлению  ошибок в ЦСП, т.е. к потере части  информации.  Поэтому при  использовании  квадратурной амплитудной модуляции  все каскады передатчика должны работать в линейном режиме, что  приводит к необходимости работать при значениях выходной мощности РПдУ в 1.5.-3 раза (на 2 – 5 дБ) меньших, максимальной мощности РПдУ.

Использование в качестве фильтра колебательного контура (фильтр второго порядка) не позволяет обеспечить необходимый уровень ослабления верхней боковой полосы частот смесителя, рисунок 3.5. Этот сигнал будет излучаться передатчиком и создавать помехи радиоэлектронным средствам, работающим на частоте 35140 МГц (при промежуточной частоте цифрового передатчика 70 МГц) это побочные излучения передатчика.  Увеличение ослабления второй боковой полосы частот выходного сигнала смесителя может быть достигнуто применением полосового фильтра с прямоугольной АЧХ или увеличением промежуточной частоты сигнала до 300МГц, рисунки (3.6 – 3.8).  

Рисунок 3.5 - Спектр сигнала на выходе полосового фильтра второго порядка при f_пч= 70 МГц

Рисунок 3.6 - Спектр сигнала на выходе  фильтра с прямоугольной АЧХ

Рисунок 3.7- Спектр сигнала на выходе полосового фильтра второго порядка при f_пч= 300 МГц

 

На приемной стороне сигнал (f_с = 35 ГГц) через полосовой фильтр поступает на вход малошумящего усилителя (МШУ), усиливается на 15 – 20 дБ и поступает на смеситель. Кроме полезного сигнала на входе смесителя всегда присутствуют некоторая мощность шума (шумы атмосферы, индустриальные помехи,  шумы приемника и др.). На второй вход смесителя поступает сигнал гетеродина, формируемый синтезатором частот приемника (частота гетеродина f_г = 35300 МГц, или 34700 МГц). Спектры входных и выходных сигналов смесителя показаны на рисунках 3.8. На выходе смесителя выделяется сигнал промежуточной частоты, равный разности частот принимаемого сигнала и сигнала гетеродина (f_пр = 300 МГц). Однако при частоте сигнала гетеродина f_г = 35300 МГц и поступлении на вход смесителя сигнала помехи с частотой f_п = 35600 МГц (рисунок 3.9), на выходе  смесителя также выделится сигнал промежуточной частоты 300 МГц (fп – fг  = 35600 – 35300 = 300 МГц). Такой канал приема называется зеркальным каналом.