Метод Antenna Diversity: теория и практика применения (стр. 4 )

50 миллисекунд, кажется приемлемым для практического выполнения для телефонной трубки и не приводит к большой деградации параметров. При снижении усиления за счет разделения от 8,0 дБ при нулевом времени отклика до 7,1 дБ при времени отклика

50 миллисекунд усиление решетки остается равным 2,1 дБ для обеих величин времени отклика. Одновременное применение эквалайзеров и разделенного приема улучшает качество принимаемых сигналов таким образом, что коэффициент ошибок по битам оказывается уменьшенным. Некоторые аспекты этих двух методов приводятся.

Два критерия при комбинации сигналов двух антенн рассмотрены в Разделе 1.5.1: суммирование по максимальному уровню сигнала и суммирование по минимальной задержке распространения. Для этих двух критериев проанализировано воздействие на усиление за счет разделения и усиление решетки, так же как и на задержку распространения. Задержка распространения эффективно уменьшается системой из двух антенн с критерием суммирования по максимальному уровню сигнала. Соответствующие данному критерию параметры и легкость выполнения – причины того, что именно он был выбран как оптимальный для телефонных трубок.

В Разделе 1.5.2 введен сигнал качества, предназначенный для управления адаптивными схемами разделения. Этот сигнал качества есть мера отношения "сигнал/ шум + интерференция". Этот сигнал может быть получен из детектора внеполосного шума.

Заключения, сделанные на основании размышлений в указанных разделах, приводят к исполнению схемы разделения, обладающей низкой сложностью и высокой эффективностью. У этой схемы есть следующие особенности:

- Тип выполнения разделения: пространственное.

- Тип метода суммирования: равного усиления.

- Тип фазовращателя: непрерывный или дискретный с равномерно распределенными величинами фазового сдвига.

- Тип сигнала качества: полученный из детектора внеполосного шума.

Новые особенности предложенной системы запатентованы ф. Philips. В пределах проекта предложенная система упоминается как система разделения с угловым сканированием. Ее исполнение будет описано в следующей главе.

2. Сумматор равного усиления с дискретным фазовращателем

В предыдущей главе на основе моделирования и измерений, проведенных для портативного устройства, был сделан выбор типа устройства для выполнения разделения в пользу устройства разделения за счет углового сканирования. Этот тип устройства представляет собой сумматор равного усиления с пространственным разделением и внеполосным шумовым детектором. В этой главе будут обсуждены его исполнение на уровне аппаратных средств и сделана оценка параметров опытного образца. Блок-схема опытного образца показана на Рисунке 2.1. Она основана на двойном сумматоре равного усиления, который уже был показан на Рисунке 1.8 Раздела 1.3.2.

Сигналы антенн обрабатываются на входе FE, как описано в Разделе 2.2. Архитектура приемника, выбранная для опытного образца, является архитектурой с нулевой промежуточной частотой (нулевой ПЧ). В таком приемнике принятый антенной сигнал усиливается и затем преобразовывается в нулевую ПЧ путем смешивания сигнала с его несущей частотой. Как следствие, два фазовращателя, обозначенные на Рисунке 2.1, должны также обрабатывать нулевую ПЧ. В Разделе 2.3 рассматриваются два типа фазовращателей: непрерывный фазовращатель и дискретный фазовращатель. Дискретный фазовращатель была выбран из-за его относительно простого выполнения. Дискретный фазовращатель производит 8 вариантов фазового сдвига для входного сигнала. Одна из этих версий отбирается посредством схемы селекции, показанной на Рисунке 2.1 (Раздел 2.4). Схема селекции управляется микропроцессором C.

Версия сдвинутого по фазе сигнала одного входного устройства объединена с оригинальным сигналом другого входного устройства в сумматоре, обозначенном как C. У сумматора есть два режима: суммирование двух входных сигналов или направление одного из входных сигналов непосредственно на выход (Раздел 2.5). Первый способ используется во время нормального функционирования. Второй способ - для тестирования и наладки двух цепей приемника. Объединенные сигналы затем разбиваются на сигнал основной полосы приемника BB, который восстанавливает данные (Раздел 2.2). Данные одного из сигналов основной полосы приемника могут быть подключены микроконтроллером к остающейся части приемника DECT. Эта часть заботится о протоколе DECT, который включает устранение ошибок и декомпрессию звукового сигнала.

Рисунок 2.1: Блок-схема прототипа с разделением по методу углового сканирования. Сплошные линии представляют линии сигнала, пунктирные линии – линии управления.

Качество принятого сигнала определяется внеполосным шумовым детектором

(det), который описан в Разделе 2.6. Результирующий сигнал качества преобразуется в цифровой сигнал микроконтроллером C (Раздел 2.7). Микроконтроллер управляет адаптивным приемником, основываясь на сигналах качества обеих частей приемника, так чтобы было получено максимальное качество приема.

В следующем разделе будет описан каждый из блоков. Не все детали схемы проработаны, а только те, которые наиболее важны для правильной работы. Внимание будет сосредоточено на выравнивании обеих частей приемника, заботясь о компенсации фазового сдвига и получении равного усиления. Если между двумя частями будет наблюдаться неидентичность, то алгоритм разделения не будет работать оптимальным способом. Для всех схем будут даны символические представления, которые будут показывать только входы и выходы. С помощью этих символов в Разделе 2.8 будет представлено полное исполнение схемы опытного образца. В этом разделе работа опытного образца будет объяснена более подробно.

Эта глава заканчивается оценкой работы опытного образца схемы разделения (Раздел 2.9) и заключением (Раздел 2.10).

Микросхемы и другие компоненты для соответствующих блоков схемы будут приводиться каждый раз по мере их ввода. Список литературы дан далее:

- полное описание оценочной платы: [Philips Semiconductors, 1995c],

- Приемник с нулевой ПЧ для DECT UAA2078M: [Philips Semiconductors, 1995d],

- приемник с нулевой ПЧ для основной полосы UAA2079M: [Philips Semiconductors, 1995e],

- операционный усилитель (opamp) AD847: [Analog Devices, Inc., 1997],

- 8-миканальный аналоговый (де-) мультиплексор HCT4051: [Analog Devices, Inc., 1997],

[Philips Semiconductors, 1995a],

- диод Шоттки BAT83: [Philips Semiconductors, 1996],

- 8-битовый микроконтроллер семейства MC68HC11, включающий MC68HC11A1:

[Motorola, 1996],

- конвертер уровней TTL/CMOS (0V, +5V) к уровням интерфейса компьютера RS-232

(-10V, +10V) ICL232CPE: [Intersil, 1999],

- тройной 2-канальный аналоговый (де-) мультиплексор HCT4053: [Philips Semiconductors,1990b], [Philips Semiconductors, 1995b].

2.1 Приемопередатчик DECT с нулевой ПЧ

Прототип приемника с разделением основан на демонстрационной плате приемопередатчика с нулевой ПЧ для DECT. Приемник с нулевой ПЧ преобразует принятые высокочастотные сигналы сразу в промежуточную частоту 0 Гц. Это достигается путем умножения принятого сигнала на его несущую частоту. Такой приемник также называют приемником прямого преобразования. Этот тип приемника был выбран для прототипа приемника с разделением, потому что большая часть обработки сигнала очень легко производиться на нулевой ПЧ (или на низкой ПЧ для другой архитектуры приемника). Это особенно характерно для фазовращателя, который описан в Разделе 2.3.

Приемопередатчик на демонстрационной плате состоит из отдельных приемной и переедающей частей. Приемная часть в основном состоит из двух IC: входной приемник с нулевой ПЧ - UAA2078M и приемник основной полосы с нулевой ПЧ - UAA2079M. Управляемый напряжением генератор на 1,9 ГГц (VCO), который управляется синтезатором на основе петли ФАПЧ (PLL), обеспечивает сигнал гетеродина для входного устройства. В передающей части та же самая комбинация VCO и PLL - синтезатора используется, чтобы произвести модулированную несущую посредством прямой модуляции. Этот сигнал впоследствии усиливается усилителем мощности и поступает в антенну. Управление различными IC производится со стороны цифровых IC основной полосы, установленных на отдельной плате. Передающая и приемная части являются полностью независимыми. Антенна переключается между ними. На Рисунке 2.2 показана блок-схема приемной части.

Принятый антенной сигнал отфильтровывается, чтобы защитить приемник от сильных помех вне диапазона частот DECT. Система DECT использует как режим модуляции GFSK. При идеальных условиях напряжение на выходе приемной антенны V r может быть записано как для фазомодулированной несущей:

где A - амплитуда, fo - несущая частота, и - фазовая модуляция.

Принимаемый шум опущен всюду по выражениям в этой главе. Модуляция по фазе для GFSK – это сложный сигнал, который приводит к спектрально эффективной схеме модуляции. Он является функцией времени, потому что его величина изменяется в зависимости от переданного символа.

Автоматическая регулировка усиления AGC-FE на Рисунке 2.2 уменьшает динамический диапазон принимаемого сигнала, после чего сигнал подается на смеситель IQ. Смеситель IQ производит синфазные I и квадратурные Q составляющие сигнала нулевой ПЧ, умножая принятый сигнал на несущую частоту LO и ее копию, сдвинутую на 90 град. Сигналы I и Q имеют переменную амплитуду, зависящую от уровня принятого сигнала. Преобразование в нулевую ПЧ не воздействует на фазу сигналов. На выходе смесителя UAA2078M получаем сигналы I и Q для приемника основной полосы - микросхемы UAA2079M, показанной на Рисунке 2.2. После фильтрации в фильтре нижних частот динамический диапазон сигналов далее уменьшается другой схемой АРУ под названием AGC-BB. Впоследствии сигналы I и Q преобразуются в видеосигналы посредством частотного дискриминатора F/V. Наконец, сигналы основной полосы частот преобразуются в цифровые сигналы формирователем битов. Сигнал на выходе частотного дискриминатора, обозначенный MON доступен на специальном управляющем выводе UAA2079M. Он может быть получен путем переключения IC в один из ее тестовых режимов. Этот сигнал необходим для метода детектирования внеполосного шума, описанного в Разделе 1.5.2, и показан на Рисунке 1.14. Опорное напряжение Vref от UAA2078M соединено с UAA2079M (Рисунок 2.2). Это напряжение определяет уровень смещения по постоянному току для выходов каналов I и Q. Опорное напряжение гарантирует, что DC смещение между входным устройством и приемником основной полосы не повлияет на работу.

Рисунок 2.2. Приемник DECT с нулевой промежуточной частотой.

Рисунок 2.3: Символическое представление микросхем UAA2078M и UAA2079M, на котором показаны только их входы и выходы.

Символическое представление обоих IC показано на Рисунке 2.3. IC представлены только теми символами, которые относятся к их входам и выходам.

2.2 IQ фазовращатель на нулевой ПЧ

Чтобы реализовать сумматор равного усиления, необходимо до суммирования принятых сигналов включить в тракт сигнала фазовращатель (Раздел 1.3.3 и Рисунок 1.15). До сих пор фазовращатель помещался в тракт сигнала RF непосредственно позади антенны. Однако та же самая величина изменения фазы может также быть получена, если поместить фазовращатель в тракте промежуточной частоты приемника. В случае приемника с нулевой ПЧ фазовращатель помещается между UAA2078M и UAA2079M, как показано на

Рисунке 2.2. Размещение фазовращателя на ПЧ имеет несколько преимуществ:

- На ПЧ легче сделать хороший, с низкими потерями и малыми искажениями фазовращатель.

- На RF любой из недостатков фазовращателя может вызвать большие возмущения относительно слабых сигналов. На ПЧ сигналы будут усилены и обработаны так, чтобы они были менее восприимчивыми к недостаткам схемы обработки сигнала.

- Фазовращатель на ПЧ может быть легко объединен с остальными частями схемы обработки основной полосы частот в одной IC.

- Можно ожидать, что потери мощности в фазовращателе на ПЧ будут меньшими, чем в фазовращателе на RF.

- Фазовращатель на ПЧ может быть сделан более точным и стабильным.

Исходя из этих преимуществ, фазовращатель был выполнен на ПЧ.

Анализировались два возможных варианта его исполнения:

1. непрерывный фазовращатель, основывающийся на управляемом напряжением усилителе (АРУ).

2. дискретный фазовращатель, основывающийся на интерполяции сигналов I и Q.

В Разделах 2.3.1 и 2.3.2 описаны обе эти возможности. Дискретный фазовращатель применен в прототипе схемы разделения, поэтому он описан более детально, чем непрерывный фазовращатель.

2.3.1 Непрерывный фазовращатель

На Рисунке 2.4 показана блок-схема непрерывного фазовращателя. Принцип его работы основан на умножении оригинальных I и Q сигналов на действительные переменные и , затем суммировании их для того, чтобы получить сдвинутые по фазе версии I’ и Q’:

На Рисунке 2.5 показана векторная диаграмма устройства, реализующего данный принцип. Величина изменения фазы также определяемая на Рисунке 2.5, равна:

Рисунок 2.4: непрерывный фазовращатель, который выполнен на четырех управляемых напряжением усилителях, инверторе и двух сумматорах. I и Q – оригинальные принимаемые сигналы, I’ и Q’ – их сдвинутые по фазе версии, и - два действительных числа, на которые умножаются I и Q.

Рисунок 2.5: Векторная диаграмма непрерывного фазовращателя, показанного на

Рисунке 2.4.

Работа непрерывного фазовращателя была смоделирована с помощью анализатора цепей. Были произведены несколько измерений на единственном VCA, чтобы проверить результаты моделирования. Результаты экспериментов при применении фазовращателя на ПЧ были следующими:

- Обычные простые, основанные на смесителях (перемножителях Гильберта) VCA, имеют очень нелинейную зависимость усиления от управляющего напряжения. Для того чтобы получить правильные коэффициенты умножения для линейного фазовращателя, управляющие сигналы должны быть также нелинейными. Из-за необходимости в нелинейности по управлению должен быть выбран VCA с очень большим диапазоном регулировки, для того чтобы можно было получить хорошее разрешение во всем диапазоне регулировки.

- Фазовращатель перестраивается за счет изменения уровня DC сигналов I и Q. Это не подходит для правильной работы UAA2079M (Раздел 2.2).

- Лучшим способом реализации коэффициентов умножения и является использование цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и микроконтроллера.