Цифровой обработки сигналов

f_ЗК = f_C + 2f_ПР

 Подавление (ослабление) зеркального канала может быть обеспечено полосовым фильтром, установленным в тракте антенна - смеситель и настроенным на частоту принимаемого сигнала, рисунок 3.10. В приемопередающих устройствах этот фильтр одновременно обеспечивает подавление сигнала передатчика (частота излучение собственного РПдУ всегда отличается от частоты принимаемого сигнала), поступающего на вход приемного устройства в результате работы на общее антенное устройства и неидеальной развязки передатчик – приемник.  Из рисунка 3.10 видно,  что при выбранном значении промежуточной частоты приемника 70 МГц, применение одноконтурного входного фильтра обеспечивает малое  ослабление сигнала зеркального канала. Величина ослабления может быть увеличена, как увеличением промежуточной частоты приемника, рисунок 3.11, так и применением фильтров, обеспечивающих более значительное ослабление сигналов вне полосы рабочих частот приемного устройства рисунок 3.12.

 

Рисунок 3.8 – Спектры сигналов на входе смесителя приемника при fпр = 300 МГц

Рисунок 3.9(б) – Спектры сигналов на выходе смесителя приемника при

fпр = 300МГц

 

Рисунок 3.10 – Прием зеркального канала при f_пр = 70 МГц

Рисунок 3.11 – Спектры входного сигнала смесителя приемника при fпр = 300 МГц

Рисунок 3.12 – Применение фильтров, обеспечивающих более значительное            ослабление сигналов вне полосы рабочих частот приемного устройства

Увеличение промежуточной  частоты позволяет значительно  ослабить вторую боковую полосу частот смесителя, но может привести к усложнению схемы  РРЛ.

 

 

       3.4 Выбор типа полосового фильтра промежуточной частоты (ПЧ)  

           РПрУ, расчёт его частотных параметров и ГВЗ

 

Выполним расчёт фильтров для подавления побочных излучений  и зеркального канала. Ослабление сигнала верхней боковой полосы частот смесителя на выходе радиопередающего устройства не менее 40 Дб. Диапазон рабочих частот РПдУ равен + - 2% от центральной частоты  РПдУ.  Для центральной частоты рабочего диапазона  РПдУ  35 ГГц диапазон рабочих частот составит  fпрд = (34300–35700) МГц. При неизменной частоте сигнала цифрового передатчика  перестройка РПдУ обеспечивается изменением частоты его  синтезатора частот. Диапазон перестройки частоты синтезатора составит fcч = fпрд + fцп.

При fцп = 150 МГц, диапазон перестройки синтезатора частот  равен  34450-35850 МГц, для fцп = 300 МГц , диапазон перестройки синтезатора частот  равен  34600-36000 МГц. При этом диапазон частот побочного канала излучений на выходе смесителя сдвига составит f пи = 34600 –36000 МГц, при fцп = 150 МГц, и 34900-36300 МГц, при fцп = 300 МГц. Из рисунка 3.13 видно, что диапазоны частот выходного сигнала передатчика fпрд = (34300–35700) МГц и побочных излучений f пи = (34600 –36000) МГц, при fцп = 150 МГц перекрываются.

Рисунок 3.13 – Диапазоны частот при f_цп=150 МГц:

Fпрд(f) – радиопередающего устройства (34.3 – 35.7 ГГц);

Fсч(f) – синтезатора частот (34.45 – 35.85 ГГц);

Fпи(f) – побочных излучений (34.6 – 36.0 ГГц);

 К3(f) – АЧХ полосового фильтра

     В этом случае применение полосового фильтра с полосой пропускания 34300–35700МГц не будет подавлять побочные излучения в диапазоне частот 34600-35700 МГц. Для того чтобы  диапазоны частот выходного сигнала передатчика и побочных излучений не перекрывались необходимо выбрать верно частоту цифрового передатчика. Для подавления побочных излучений с помощью неперестраиваемого полосового фильтра необходимо выполнение условия [1]:

fцп > 0.5(fmax – f min),

где fцп – частота цифрового передатчика;

fmin, fmax – нижняя и верхняя частоты рабочего диапазона частот РПдУ.

Тогда, для нашего случая fцп > 700 МГц.

Выберем fцп=750 МГц

При неизменной частоте сигнала  цифрового передатчика  перестройка  РПдУ обеспечивается изменением частоты  его  синтезатора частот. Диапазон перестройки частоты синтезатора  составит fcч = fпрд + fцп. При fцп = 750 МГц, диапазон перестройки синтезатора частот  равен 35050-36450 МГц, для центральной частоты 35750 МГц. При этом диапазон частот побочного канала излучений на выходе смесителя сдвига составит f пи = 35800 –37200 МГц, для центральной частоты 36500 МГц.   Т.е. для fцп = 750 МГц диапазон частот выходного сигнала и побочного канала не пересекаются.

При этом следует учитывать, что увеличение частоты передатчика  приводит к увеличению погрешностей установления амплитуд и разности фаз  квадратурных составляющих в цифровом передатчике, что ухудшает работу ЦСП. Для решения возникшей проблемы используют два метода.

    1. Используют узкополосный перестраиваемый полосовой фильтр, центральная частота которого всегда равна частоте передатчика, рис.3.17.

Из рисунка 3.17 видно, что фильтр обеспечивает подавление побочных излучений, частоты которых находятся в полосе частот РПдУ. Но  при изменении выходной частоты РПдУ необходимо перестраивать частоту узкополосного перестраиваемого фильтра.

 Недостатки:

- трудность создания перестраиваемого  полосового фильтра в СВЧ диапазоне;

- нелинейность ФЧХ одноконтурного  полосового фильтра;

- изменение частоты полосового  фильтра при воздействии дестабилизирующих  факторов (изменение температуры,  радиация и т.д.).

Рисунок 3.14 – Диапазоны  частот РПдУ (синий  цвет), СЧ (красный цвет), побочных излучений (зеленый цвет), спектральные составляющая частот РПдУ ( f = 35 ГГц), СЧ (f = 35.75 ГГц), побочных излучений (f  = 36.5 ГГц) и АЧХ перестраиваемого узкополосного фильтра K(f) (черный цвет)

 

    2. Использование двух смесителей сдвига частоты сигнала цифрового передатчика.   

В этом случае цифровой передатчик работает в диапазоне частот, где  может быть обеспечена малая погрешность  установления амплитуд и фаз выходного  сигнала, затем модулированный сигнал цифрового передатчика переносится  на более высокую частоту (например 2 ГГц), а затем в диапазон частот 35 ГГц. При fцп = 2 ГГц: f_сч =36300-37700 МГц.

     При этом  диапазон частот побочного канала  излучений на выходе смесителя  сдвига составит f _пи = 38300 - 39700 МГц. На рисунке 3.14 показаны диапазоны частот РПдУ, СЧ и    побочных излучений.

                Рисунок 3.14 — Диапазоны частот

Fпрд(f) – радиопередающего устройства (34.3 – 35.7ГГц);

Fсч(f) синтезатора частот (синий цвет, 36.3 – 37.7ГГц);

Fпи(f) побочных излучений (бардовый цвет. 38.3– 39.7 ГГц);

КЗ(f) – АЧХ полосового фильтра (розовый цвет).

 

        Для  обеспечения высокой крутизна  АЧХ вне полосы пропускания  фильтра при большой полосе  пропускания и достаточно плоской  вершине полосовой фильтр состоит  из двух фильтров второго порядка  (два колебательных контура, рисунок  3.15), имеющих достаточно высокую  добротность и расстроенных относительно  центральной частоты полосы пропускания.  Суммарная АЧХ имеет форму,  приближающуюся к прямоугольной. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3.15 – АЧХ двухконтурного фильтра

К1(f) – АЧХ одноконтурного фильтра с центральной частотой 34.3 ГГц; К2(f) – АЧХ одноконтурного фильтра с центральной частотой 35.7 Гц;

К3(f) – АЧХ двухконтурного фильтра

 

ФЧХ двухконтурного фильтра  имеет большой линейный участок (рисунок 3.16). Это обеспечивает малую  неравномерность времени групповой  задержки сигнала в полосе частот двухконтурного фильтра, рисунок 3.15, и  малый уровень линейных искажений  цифрового сигнала на выходе полосового фильтра.

 

Рисунок 3.16 – ФЧХ двухконтурного фильтра

К1(f) – ФЧХ одноконтурного фильтра с центральной частотой 34.3 ГГц;

К2(f) – ФЧХ одноконтурного фильтра с центральной частотой 35.7 Гц;

К3(f) – ФЧХ двухконтурного фильтра.

Рисунок 3.17 —  Время групповой задержки сигнала  (ГВЗ) в  двухконтурном фильтре

ts₁(f) – ГВЗ одноконтурного фильтра с центральной частотой f=34,3  ГГц;

ts₂(f) – ГВЗ одноконтурного фильтра с центральной частотой f=35,7 ГГц;

ts₃(f) – ГВЗ двухконтурного фильтра.

Рассмотрим, как увеличение значения частоты передатчика влияет на мощность побочных излучений

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     Рисунок 3.18 – Спектр сигнала на выходе полосового фильтра второго порядка

U_пf    – Выходная частота передающего устройства - 35000 МГц;

U1_пf –   Частота второй боковой полосы смесителя (при частоте цифрового    

 передатчика 300 МГц) - 35600 МГц;

U2_пf – Частота второй боковой полосы смесителя (при частоте цифрового передатчика 750МГц) - 36500 МГц;

 

Из рисунка 3.18 видно, что увеличение значения частоты цифрового передатчика приводит к уменьшению мощности побочных излучений на выходе полосового фильтра.

Рассчитаем порядок фильтров для ослабления побочного и  зеркального  канала для передатчика с f=35ГГц:

Увеличение промежуточной  частоты позволяет значительно  ослабить вторую боковую полосу частот смесителя, но может привести к усложнению схемы  РРЛ. Выражение для вычисления уровня побочных излучений на выходе радиопередающего устройства имеет  вид:

 

где

Q – добротность контура;

fc – центральная частота выходного сигнала передающего устройства;

f -  частота побочного канала;

n -  порядок полосового фильтра.

При Q(f – fc) >> 1,       A = 10*n*log|fc/(Q*(fc-f))|  (дБ)    (2.1)

Для определения уровня ослабления побочного канала РПдУ при значении частоты цифрового передатчика  fцп, выражение (2.1) имеет вид

                     A = 10*n*log|fc/(Q(fc - fцп))|  (дБ) 

       Следовательно, фильтр второго порядка обеспечит нужное ослабление побочного канала РПдУ.

Ослабление зеркального  канала может быть рассчитано используя  выражение 

          A = 10*n*log|f_С/(Q(f_С-f_ЗК))|  (дБ)      или        A = 10*n*log|f_С/2Qf_ЦП|  (дБ) .

          Добротность контура Q = 300.

          Следовательно      

 

 

 

Выберем порядок фильтров равный 3.

 

 

         4 РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ ЦИФРОВОГО СИНТЕЗАТОРА ЧАСТОТ

 

 

       4.1 Составление функциональной схемы синтезатора частот с учётом последних достижений в этой области и современной элементной базы

 

Цифровой синтезатор частоты  представляет собой систему фазовой  автоподстройки частоты (ФАПЧ), (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 — Структурная схема цифрового синтезатора частоты

Предположим, что частота  опорного кварцевого генератора (ОКГ) равна 10 МГц . Делитель частоты (ДЧ) уменьшает частоту ОКГ до частоты сравнения, которую выберем равной 10 кГц . В этом случае коэффициент деления делителя частоты равен

 

Частота сравнения ОКГ  поступает на один из входов фазового детектора, который выполняет математическую операцию перемножения входных сигналов. На второй вход фазового детектора  через делитель с переменным коэффициентом  деления (ДПКД) поступает сигнал от генератора, управляемого напряжением (ГУН).

Предположим, что нам необходимо обеспечить частоту выходного сигнала . В этом случае значение коэффициента деления делителя с переменным коэффициентом деления равно

 

Предположим, что частота  ГУН отличается от заданного значения   на величину ошибки . Частота на выходе ДНКД будет равна

 

В этом случае на входы фазового детектора поступают колебания  двух различных частот: — с делителя частоты и — с ДПКД.

 — сигнал с делителя частоты;

 — сигнал с ДПКД.

Фазовый детектор выполняет  математическую операцию перемножения входных сигналов. В результате перемножения на выходе фазового детектора формируется  сигнал суммарной и разностной частоты

 

И сигнал ошибки

 

Верхняя частота полосы пропускания  фильтра нижних частот значительно  меньше , поэтому на выходе ФНЧ выделяется только сигнал ошибки. Этот сигнал усиливается и поступает на управляющий вход ГУН, изменяя частоту ГУН таким образом, чтобы сигнал ошибки был равен нулю. В этом случае частота выходного сигнала ДПКД равна . В стационарном режиме частота ГУН всегда равна

 

Если значение увеличить на 1 , выходная частота станет равной

 

Видно, что изменение коэффициента деления ДПКД на целое число единиц приводит к изменению частоты  выходного сигнала ГУН на величину . Это означает, что частота выходного сигнала синтезатора частоты может принимать только дискретные значения, кратные частоте сравнения (говорят, что на выходе формируется сетка частот с шагом ).