В системах мобильной связи

Общие сведения о РПрУ в системах МС

Системы радиосвязи, обнаружения и противодействия отбору информации: аналоговые и цифровые, мобильные и фиксированные системы связи; место радиоприемных устройств в системах мобильной связи (СМС) и общие требования, предъявляемые к ним. Способы организации дуплексной связи в системах, предназначенных для передачи информации, их особенности. Классификация радиоприемных устройств по назначению, диапазонам частот, организации многостанционного доступа, видам модуляции и особенностям управления. Следует обратить внимание на проблемы: организации передачи цифрового сигнала в канале, обладающем ограниченной полосой пропускания, достижения скорости передачи сигналов, близким к предельным, при заданной вероятности ошибки, способов построения сетей МС, обеспечивающих эстафетную передачу абонента при переходе в соседнюю зону или зону обслуживания другого оператора. Показать возможные способы решения перечисленных задач и степень влияния на эффективность системы выбранных видов модуляции и способов обработки сигнала на приемной стороне (согласованная фильтрация, оптимальный прием, корреляционная обработка сигналов).

Структурные схемы приемников: прямого усиления, прямого преобразования, супергетеродинного. Их достоинства и недостатки.

[1, c. 15-17, c. 25-28; 2: c. 12-15; 3: с.5-7; 4: c. 5-10; 5: с.141-163 6: c.9-18]

Вопросы для самопроверки

1. Какие виды сигналов используются для передачи информации в СMС?

2. Какие виды модуляции используются в СМС?

3. Каков функциональный состав радиоприёмного устройства?

4. Начертите и поясните структурную схему радиоприёмника прямого усиления. Его преимущества и недостатки.

5. Начертите и поясните структурную схему супергетеродинного приёмника. Его преимущества и недостатки.

6. В чем различие режимов FDD и TDD?

7. Что такое дуплексное разнесение?

8. Объясните отличие систем CDMA, TDMA, FDMA

9. Начертите и поясните структурную схему приёмника прямого преобразования (гомодинный приёмник). Его преимущества и недостатки

Основные технические показатели РПрУ

в системах мобильной связи

К основным показателям РПрУ относят: чувствительность, избирательность (селективность), полоса пропускания, шумовые параметры (коэффициент шума и шумовая температура), показатели электромагнитной совместимости, стабильность параметров, надёжность, ремонтопри­годность.

Чувствительность РПрУ – это мера способности радио­приёмника обеспечивать приём слабых радиосигналов. Различают чув­ствительность, ограниченную усилением; чувствительность, ограни­ченную шумами, и пороговую чувствительность радиоприёмника. Чувст­вительностью радиоприёмника, ограниченной усилением, называется чувствительность, определяемая минимальным уровнем радиосигнала на его входе, необходимым для получения заданного уровня сигнала на выходе приёмника. Чувствительность радиоприёмника, ограничен­ная шумами, определяется минимальным уровнем радиосигнала на его входе при заданном отношении уровней полезного сигнала и шума, и заданном уровне полезного сигнала на выходе радиоприёмника. По­роговая чувствительность определяется минимальным уровнем радио­сигнала на входе радиоприёмника при равных уровнях полезного сиг­нала и шума на его выходе. В диапазонах длинных, средних и корот­ких волн в реальных условиях чувствительность радиоприёмных уст­ройств ограничивается в основном различными видами индустриальных и атмосферных помех, а в диапазоне СВЧ, характерном для систем подвижной связи, – собственными шумами радиоприёмника

Важно усвоить, что радиотракт приемника вне зависимости от его архитектуры обладает свойством линейности к входному сигналу, т.е. не создает новые спектральные составляющие. Даже в преобразователе частоты, детекторе (демодуляторе) осуществляемый перенос спектра в новую частотную область не создает частот кратных входному воздействию. Вследствие этого коэффициент усиления радиотракта находится как произведение коэффициентов передачи отдельных каскадов. С учетом этого шумы, создаваемые в первых каскадах приемника, оказывают наибольшее влияние на результирующий коэффициент шума приемника и поэтому они должны обладать минимальным коэффициентом шума.

Такой показатель приемника как избирательность – способность приемника отделять полезный сигнал от мешающих, может рассматриваться как: частотная, пространственная, временнáя и др. Чаще всего используемая частотная фильтрация помех (частотная избирательность) может характеризоваться односигнальной или многосигнальной избирательностью.

Односигнальная избирательность определяется АЧХ фильтров радиотракта приемника без учета нелинейных явлений при действии на входе одного сигнала (либо полезного, либо мешающего) Как известно, АЧХ устройства представляет собой зависимость его коэффициента передачи от частоты. Очевидно, АЧХ радиотракта определяется его резонансными цепями и имеет колоколообразный вид. При этом интерес представляет характер изменения коэффициента передачи (в данном случае коэффициента усиления) от частоты, а не значения резонансного коэффициента усиления . Численно односигнальная избирательность оценивается как отношение коэффициента усиления радиотракта на резонансной частоте к коэффициенту усиления на частоте помехи .

Наибольшее влияние на точность восстановления принятого сигнала (вероятность ошибки) в приемниках супергетеродинного типа оказывают селективность по зеркальному каналу (Se _зк) и каналу прямого прохождения (Se _пр). Избирательность по соседнему каналу (Se _ск), присуща всем типам приемников и, определяется мешающим воздействием соседнего по частоте радиопередатчика.

В реальной ситуации на входе приемника, особенно в системах мобильной связи, построенных по сотовому принципу, действует одновременно много сигналов. При этом помехи в полосе рабочих частот, могут обладать существенно большей мощностью, чем полезный сигнал. Это приводит к взаимодействию полезного сигнала с продуктами нелинейности помехи (или нескольких узкополосных помех) и формированию в полосе принимаемого сигнала комбинационных составляющих. Результатом такого воздействия, является резкое возрастание нелинейных искажений, обусловленное интермодуляцией, перекрестной модуляцией и даже прекращение приема, вызванное блокированием радиотракта. Искажения подобного типа оцениваются многосигнальной избирательностью.

Радиотракт приемника, являющийся аналоговой частью его архитектуры, должен обладать высокой линейностью амплитудной характеристики и постоянством амплитудно-частотной характеристики в полосе рабочих частот. Для снижения уровня интермодуляционных искажений, который оценивается двух (IIP2 - Input Intercept Point 2)– или трехсигнальной (IIP3 – Input Intercept Point 3) селективностью, расширяют динамический диапазон входных каскадов. Допустимый уровень искажений и интермодуляционных искажений можно обеспечить, используя в качестве активных компонентов, малошумящих транзисторов с большей мощностью рассеивания на коллекторе (стоке), расширяя динамический диапазон или снижая коэффициент усиления. В последнем случае это может приводить к повышению уровня собственных шумов каскада и радиотракта и, как следствие - снижению чувствительности приемника.

Интегральной оценкой помехоустойчивости цифровой системы и приемника, как его составной части, является вероятность появления ошибочных битов (BER, Bit Error Rate), предельное значение которой определено в теории потенциальной помехоустойчивости В.А.Котельникова. Огромную роль в повышении достоверности передаваемой информации при одновременном увеличении скорости ее передачи играют применяемые методы модуляции и демодуляции.

Построение оптимальных демодуляторов, обеспечивающих когерентный идеальный прием, являющийся основным методом обработки сигналов в современных системах цифрой радиосвязи, требует высокой стабильности частоты настройки приемника и взаимной синхронизации мобильного оборудования и базовой станции.

Различные показатели радиоприёмника тесно связаны друг с дру­гом. Например, сужение полосы пропускания приёмника и увеличение избирательности приводит к уменьшению уровня помехи и к повышению помехоустойчивости приёма, но в то же время и к увеличению искажений сигнала. Это указывает на необходимость оптимального выбора их со­отношения для заданного технического условия проектирования приемника, обеспечивающего наименьшую вероятности ошибки при заданном отношении сигнал/шум.

[1: c. 17-25, 3: c.15-20, 4: 5-15, 6: 9-16]

Вопросы для самопроверки

Входные цепи

Основное назначение входной цепи (ВЦ) это наиболее эффективная передача мощности их антенны на вход первого активного элемента радиотракта и предварительная фильтрация помех от внешних источников.

Снижение уровня внеполосных помех, действующих на входе приемника, достигается включением избирательных цепей (фильтров). Такие цепи, будучи сравнительно широкополосными, мало ослабляют соседний канал. Они являются эффективным средством борьбы с зеркальным каналом и каналом прямой передачи, особенно при перестраиваемой конструкции.

ВЦ приемников современных цифровых систем связи делаются неперестраиваемыми (принимают всю полосу рабочих частот, а не одного канала), что приводит к воздействию на его входе помех, создаваемых другими источниками (например, передатчиками других сот), и возникновению интермодуляционных искажений. Для уменьшения их воздействия, особенно в первых каскадах, применяют АЭ с большим динамическим диапазоном (в малошумящих входных усилителях и преобразователях).

Антенны приемников сетей мобильной связи, работающих в СВЧ диапазоне, независимо от принадлежности мобильной или базовой станции и их конструкции, являются настроенными, вследствие достаточно узкой относительной полосы рабочих частот (менее 15-20 %). Отсутствие перестройки таких ВЦ позволяет выполнять их, в зависимости от частотного диапазона, многозвенными фильтрами на дискретных компонентах или фильтрами на поверхностных акустических волнах, реализующих высокую стабильность их характеристик с коэффициентом прямоугольности близким к единице (k _{п 0,001} ≈ 1,2…2).

Реализация диапазонных приемников с перестраиваемыми ВЦ, выделяющими достаточно узкую полосу частот, содержащую полезный канал, вместе с группой частот соседних, ограничивает число источников мешающего воздействия. Это позволяет принимать более слабые сигналы и упрощает конструкцию фильтров, часто ограничиваясь одиночными колебательными контурами. Вместе с этим для обеспечения работы в диапазоне частот необходимо усложнять механизм настройки фильтров на требуемый канал, а это в свою очередь, затрудняет выполнение требования на постоянство коэффициента передачи ВЦ при перестройке по диапазону.

При высоких требованиях к чувствительности приемника и подавления побочных каналов преобразования приходится использовать несколько простых фильтров, включаемых не только в ВЦ, но и в нагрузку малошумящих усилителей (МШУ), т.е. применять преселектор. Одновременная и одинаковая плавная перестройка всех контуров может осуществляться с помощью механических конденсаторов переменной емкости (КПЕ) или использованием вместо КПЕ варикапных матриц с электронной перестройкой. Когда изменение емкости контуров фильтров не обеспечивает перестройку по всему диапазону рабочих частот, применяют его разбиение на поддиапазоны, обычно используя один общий переменный конденсатор и изменяемые дискретно, подключаемые к нему индуктивности.

В приемниках супергетеродинного типа, когда в смесителе осуществляется перемножение напряжений, в результате чего происходит перенос спектра сигнала на промежуточную частоту, значение которой остается неизменным при работе в диапазоне частот . Это может быть реализовано только при одновременном и одинаковом изменении частот сигнала и гетеродина. Это выполнить достаточно затруднительно из-за различных требований к контурам ВЦ (эффективное подавление побочных каналов преобразования) и гетеродина (как можно более высокая добротность для обеспечения чистоты спектра). Одинаковое изменение переменной емкости в контуре ВЦ и гетеродина приводит к вариации значения промежуточной частоты, приводящее к проблеме сопряжения контуров. Точное совпадение с центральной частотой фильтра промежуточной частоты обычно обеспечивается только в трех точках: на границах и в середине диапазона принимаемых частот, включением в контуры дополнительных сопрягающих конденсаторов.

Изучая обобщенную теорию одноконтурной ВЦ, обратите внимание на то, что ее АЧХ определяется в основном АЧХ фильтра. Цепи согласования, подключенные к ее входу и выходу, позволяют выбором их характеристик получить наибольший коэффициент передачи ВЦ (режим оптимального рассогласования) и его постоянство для случая ненастроенной антенны. При перестройке по диапазону ее резонансная не должна попадать в рабочий диапазон частот. На практике чаще всего используется трансформаторная связь с антенной (режим удлинения), а так же емкостная и автотрансформаторная.

Сложность, а чаще всего невозможность использования перестраиваемых фильтров во ВЦ приемника цифровых систем радиосвязи, приводит к применению полосовых фильтров, выполненных на связанных полосковых линиях или в форме сосредоточенных компонентов, обеспечивающих АЧХ, близкую к П-образной. В конструкции таких фильтров, выполненных с применением пьезоэлектрических или композитных материалов, используется явление преобразования электрических колебаний в объемные или поверхностные акустические волны с последующим формированием электрических колебаний, характеристики которых определяются свойствами кристалла и конфигурацией электродов преобразователей. В зависимости от организации системы (с коммутацией канала или пакета), логический канал, выделяемый одному абоненту, может занимать весь частотный диапазон, выделяемый системе или его часть. При этом в последнем случае, полоса частот, выделяемая одному каналу, может переключаться в пределах рабочего диапазона даже в процессе сеанса связи (например, 217 раз в секунду в стандарте GSM).

Для настроенной антенны, когда антенна эквивалентна активному сопротивлению, равному сопротивлению фидера, используется режим согласования входа приемника и антенного фидера. Уменьшение мощности шума радиотракта, пересчитанного к входу приемника, добиваются включением на выходе ВЦ малошумящего усилителя, снижающего влияние последующего каскада (обычно ПрЧ). При высоких требованиях к чувствительности приемника применяют не режим согласования по мощности, а режим согласования по шумам.

[1: c. 41-73; 3: c. 31-34, 4: c.32 -37, 7: c. 461-472]

Вопросы для самопроверки

Нарисуйте эквивалентные схемы приёмных антенн.

Каковы основные способы перекрытия диапазона частот?

Каковы особенности построения входных цепей при использо­вании настроенных и ненастроенных антенн?

Каковы основные схемные решения входных цепей и их сравнительные характеристики?

Какова конструкция антенн базовых станций (BTS) и какие существуют

способы повышения эффективности выделения полезного сигнала?

Поясните назначение входного радиочастотного модуля и варианты его построения?

Зачем применяется дуплексер?

В каких случаях необходимо применение диплексера?