Цифровое радиоприемное устройство

 

Коэффициент усиления аналоговой части выбирается с тем расчетом, чтобы вклад цифровой части в  шумы был сравним с вкладом  аналоговой части. При этом АЦП вносит наибольшие шумы из всей цифровой части (по аналогии с первыми каскадами УРЧ), т.к. последующие процессоры имеют большую разрядность (16 и более бит).

 

Максимальный коэффициент  усиления выбранного МШУ на центральной  частоте равен 20 дБ (100). Возьмем H_Pa = 550 (27дБ).

 

          Проверим полученный коэффициент шума приемника и сравним его с допустимым коэффициентом, рассчитанный выше:

Требование по шумам  выполняется.

          Проверим отношение сигнал-шум  на выходе приемника без учета  шумов последующей цифровой обработки:

Расчет  динамического диапазона.

 

Расчет динамического  диапазона необходим для оценки корректной работы АЦП, т.к. при большом  уровне входного сигнала АЦП, выходящего за его апертуру, возможны искажения  выходного сигнала.

Исходными данными для  расчета являются:

- номинальное число разрядов АЦП ,

- апертура АЦП  ,

- коэффициент усиления  аналогового тракта по мощности  ,

- число каналов приема  ,

- чувствительность ЦРПУ  ,

- динамический диапазон входных сигналов ЦРПУ ,

- коэффициент формы  входных сигналов  .

 

Уровень максимального  сигнала находится из предположения, что во всех каналах приема находится  сигнал:

D_ВХ – динамический диапазон входного сигнала (по ТЗ)

Рассчитаем число уровней  квантования для преобразования минимального и максимального сигнала  на входе АЦП:

Где К_ф - пик-фактор сигнала (для случайного гауссовского сигнала равен, наихудший случай приема)

Максимальное значение уровней квантования превышает значение выбранного АЦП ( ), поэтому необходимо ввести автоматическую регулировку усиления.

Рассчитаем глубину  регулировки. Она показывает во сколько  раз необходимо понизить коэффициент усиления по мощности (напряжению), чтобы обеспечить размах сигнала на входе АЦП не более его апертуры.

Полученная цифра означает, что усиление аналогового тракта с 27 дБ необходимо изменить до:

В качестве аттенюаторов возьмем изделия фирмы M/A-COM AT-210, являющиеся аттенюатором на GaAs-технологии с цифровым управлением. Его характеристики:

-  затухание в режиме прямого пропускания 1.3 дБ;

-  уровни ослабления дискретные: 1, 2, 4, 8, 15 дБ;

-  точка iIP3 50 dBm на частоте от 0.5 – 2 ГГц

-  относительная точность регулировки  ±(0.15+3% от установленного значения) дБ;

-  количество управляющих бит – 4

Для реализации заданной глубины регулировки выгоднее использовать два аттенюатора и нужный коэффициент  набирать из их суммы. Ближайшее значение к рассчитанному коэффициенту ослабления равно 15+15=30 дБ, что дает запас по апертуре АЦП с учетом его недоиспользования и действия тепловых шумов. Управляться аттенюаторы будут с микроконтроллера.

Так как аттенюаторы  даже в режиме прямого прохождения дают затухание, то необходимо на эту же величину поднять усиления МШУ.

Скорректированное значение коэффициента усиления МШУ равно:

Установить требуемое  усиление, как говорилось выше, возможно путем установки управляющего напряжения на МШУ. Данное усиление соответствует напряжению контроля V_c=1.2 В.

 

Выбор цифровой части приемника.

Для осуществления последующей  обработки принятого сигнала  – детектирования, - необходим цифровой процессор. В настоящее время  в качестве таковых используются RSP (Receive Signal Processor), которые имеют в своем составе DDC (Digital Down-converter). В связке с ним часто используют МС (микроконтроллер), детектирование сигнала и управление всей работой приемника выполняет ЦСП (DSP) (Digital Signal Processor). Управление работой приемника осуществляется через цифровой синтезатор частот DDS. Выберем эти элементы, исходя из поступающих после аналоговой цепи сигналов, самой аналоговой цепи и структуры цифровой части приемника.

Выбранный АЦП AD9218 имеет конвейерную структуру – рис. 4.

Рис.4. Структура АЦП AD9218

Выбор микросхемы DDC производится исходя из скорости оцифровки АЦП, интерфейса поступающего кода (параллельного или последовательного), разрядности входных данных. Поэтому в качестве микросхемы DDC выберем AD6636:

• 4 канала входных данных (возможны I и Q каналы);
• скорость ввода данных – до 150 MSPS;
• параллельный интерфейс ввода данных;
• разрядность входных данных – с фиксированной точкой (16 бит) или с плавающей точкой (16 мантисса+3 экспонента);
• встроенные цифровые гетеродины NCO с заданием частоты в виде 32-разрядного цифрового кода;
• фильтры для осуществления децимации и фильтрации;
• порты SPORT, SPI для связи с ЦП/МК;
• SNR=101 дБ;
• напряжение питания 3.3 В, 1.8 В;
• максимальный ток потребления 500 мА.

Рис.5. Структура DDC AD6636

Для осуществления последующей  цифровой обработки (селекции нужного канала, детектирования и т.д.) возьмем цифровой сигнальный процессор ADSP-BF533 – рис. 8. Он является высокопроизводительным решением фирмы Analog Devices семейства Blackfin. Основные характеристики данного процессора:

• максимальная частота ядра 600 МГц;
• два 16-битных перемножителя MAC, два 40-битных АЛУ;
• до 146 КБ внутренней памяти;
• параллельный интерфейс ввода/вывода, интерфейс SPI, SPORT, JTAG;
• 3 таймера/счетчика с ШИМ-режимом;
• напряжение питания 3.3 В. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.6. Структура ADSP-BF533

В качестве генератора напряжения частоты дискретизации целесообразно выбрать цифровой метод синтеза частоты. С учетом запаса частоты (примерно в 4-5 раз) возьмем микросхему DDS AD9859:

• диапазон генерируемых частот – 1…400 МГц (без умножения частоты);
• разрешение цифрового кода в ЦАП – 10 бит;
• разрядность кода частоты – 32 бит;
• SFDR на частоте 80 МГц – 87 dBc;
• напряжение питания 1.8 В и 3.3 В.

Рис.7. Структура DDS AD9859

 

 

Для управления работой  микросхем приемника возьмем микроконтроллер ATmega64-16Aw:

• Flash память программ: 64 Кбайт;
• Память данных: EEPROM 2 Kбайт, SRAM 4 Кбайт;
• Количество линий ввода/вывода: 53;
• Количество источников прерываний: 26 (внутренние), 8(внешние);
• Интерфейсы: 1 SPI, 2 USART, 1 TWI;
• Рабочая частота: 0…16 МГц;
• Напряжение питания: 4.5…5.5 В.

Рис.8. Структура MC Atmega64 

Управление синтезатором частоты AD9859 (запись кода частоты) организуем по последовательному порту SPI, управление AD6636 – по USART0, управление переключением входных фильтров (ADG904) и аттенюаторов через порты микроконтроллера. Включение аттенюаторов выполним с использованием функции Control Gain. Смысл функции заключается в измерении мощности сигнала и превышении заданного порога – формирование сигнала управления через выводы EXP[2…0] на внешнюю схему – микроконтроллер, который в свою очередь управляет аттенюаторами. Кроме того, в качестве внешнего управления, например с компьютера, всего приемника возьмем COM-порт (RS-232) по протоколу RS-485, для чего использует транслятор уровней ADM488 и порт USART1 микроконтроллера.

Подсчитаем количество необходимых выводов управления:

• 6 выводов на переключатели на два ADG904;
• 8 выводов на аттенюаторы (инверсные биты формируются инверторами SN54ALS);
• 3 вывод на АЦП AD9254;
• 5 вывода на DDC AD6636;
• 3 вывода на DDS AD9859;

 

Заключение.

В данной работе была разработана  схема ЦРПУ основанная на прямом методе преобразования частоты. Был произведен расчет параметров и режимов схемы  при данном методе построения. В ходе данного проекта были рассмотрены и рассчитаны основные проблемы и параметры цифрового радиоприемного устройства. В основе построенного приемника лежит современная элементная база, удовлетворяющая требованиям технического задания. Имеется запас по наращиванию сервисных функций приемника.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература.

1. Побережский Е.С. Цифровые радиоприемные устройства. – М.: Радио и связь, 1987. – 184 с.: ил.
2. Цифровые радиоприемные устройства: Методические указания к лабораторным работам/РГРТУ; Сост. Ю.Н. Паршин. Рязань, 2004. 52 с. 
3. Лекции по курсу «ЦРПрУ», лектор Ю.Н. Паршин
4. http://www.analog.com – Analog Devices
5. http://www.maxim-ic.com/
6. http://www.ua1cbm.ru/ 
7. http://zone.ni.com – National Instr.