Цифровые методы модуляции и демодуляции

Тенденции развития цифровых радиопередающих устройств

Радиопередающие устройства (РПдУ) применяются в сферах телекоммуникации, телевизионного и радиовещания, радиолокации, радионавигации. Стремительное развитие микроэлектроники, аналоговой и цифровой микросхемотехники, микропроцессорной и компьютерной техники оказывает существенное влияние на развитие радиопередающей техники как с точки зрения резкого увеличения функциональных возможностей, так и с точки зрения улучшения ее эксплуатационных показателей. Это достигается за счет использования новых принципов построения структурных схем передатчиков и схемотехнической реализации отдельных их узлов, реализующих цифровые способы формирования, обработки и преобразования колебаний и сигналов, имеющих различные частоты и уровни мощности.

Радиопередатчики, в которых используются цифровые способы формирования, обработки и преобразования колебаний и сигналов, будем далее называть цифровыми радиопередающими устройствами (ЦРПдУ).

Рассмотрим современные требования к РПдУ, которые ставят проблемы, не решаемые в принципе методами аналоговой схемотехники, что вызывает необходимость применения цифровых технологий в РПдУ.

В области телекоммуникаций и вещания можно выделить следующие основные непрерывно возрастающие требования к системам передачи информации, элементами которых являются РПдУ:

- обеспечение помехоустойчивости в перегруженном радиоэфире;

- повышение пропускной способности каналов;

- экономичность использования частотного ресурса при многоканальной связи;

- улучшение качества сигналов и электромагнитной совместимости.

Стремление удовлетворить этим требованиям приводит к появлению новых стандартов связи и вещания. Среди уже известных телекоммуникационных стандартов GSM, DECT, Bluetooth, Wi-Fi, SmarTrunk II, TETRA, DRM и др., см. параграф 1.1.

К радиопередающим устройствам, являющимся элементами современных телекоммуникационных систем, в том числе передатчикам абонентских терминалов и базовых станций, предъявляются и специфические требования:

- работа в области СВЧ (как правило) при обеспечении качества модуляции заданного вида, синхронизации и стабильности частоты, соответствующих жестким требованиям современных стандартов передачи данных по радиоканалу;

- спектральная чистота выходного колебания, обеспечение требований по электромагнитной совместимости;

- экономичность, в частности, способность к длительной работе от автономных источников питания;

- возможность цифрового управления режимами работы, частотой и видом модуляции, автоматического контроля параметров, самодиагностики, обеспечение безопасного режима работы (автоматическая защита от перегрузки, рассогласования антенны и т.п.);

- соответствие современным требованиям к массогабаритным показателям.

Кроме того, современная концепция построения приемопередающей техники для телекоммуникационных применений «Software Defined Radio» (SDR, программируемое радио) требует, чтобы один и тот же комплект аппаратуры был бы пригоден для использования в радиосетях с различными стандартами передачи данных без изменения аппаратной части, т.е. за счет смены программного обеспечения, определяющего виды работы приемника и передатчика, параметры и характеристики излучаемых и принимаемых радиосигналов.

Что касается систем вещания, здесь основным требованием является повышение качества сигнала на стороне абонента, что опять же приводит к повышению объема передаваемой информации в связи с переходом на цифровые стандарты вещания. Крайне важна также стабильность во времени параметров таких радиопередатчиков - частоты, модуляции. Аналоговая схемотехника с такими задачами справиться уже не в состоянии, и формирование сигналов вещательных передатчиков необходимо осуществлять цифровыми методами.

Первоначально цифровыми методами стали решаться вопросы управления работой передатчиков, контроля их параметров и создания пользовательского интерфейса. Достаточно долгую историю развития имеют также некоторые аналогово-цифровые методы синтеза частот и модуляции ВЧ сигналов. И лишь сравнительно недавно, приблизительно с середины 90-х гг., стали доступны полностью цифровые методы формирования ВЧ сигналов, в частности, методы прямого цифрового синтеза частот и формирования модулированных сигналов на основе этих методов. В результате стала возможной разработка полностью цифровых радиопередатчиков, отвечающих принципам концепции «Software Defined Radio»; необходимость в аналоговых каскадах возникает в случае требования переноса спектра сформированного цифровым способом сигнала в область СВЧ (см. параграф 8.2), а также усиления сигнала по мощности.

Подводя итог сказанному выше, выделим основные области применения цифровых технологий формирования и обработки сигналов в радиопередающих устройствах.

1. Формирование и преобразование аналоговых и цифровых информационных НЧ сигналов, а именно: преобразование входных аналоговых сигналов в цифровые; обработка входных цифровых потоков (кодирование, шифрование, формирование пакетов и групповых сигналов в соответствии с конкретным стандартом). Иначе говоря, речь идет о цифровом формировании модулирующих НЧ сигналов, независимо от того, какими будут сами методы модуляции, применяемые в данном передатчике – цифровыми или аналоговыми. С этой задачей справляются так называемые Baseband контроллеры (контроллеры НЧ информационного тракта), сведения о которых можно найти в параграфе 8.1. Применение таких схемотехнических решений оправдано в том случае, когда с целью упрощения передатчика модуляция осуществляется непосредственно в высокочастотном тракте аналоговыми методами.

2. Цифровые методы модуляции ВЧ сигналов, которые условно можно разделить на два класса. Во-первых, сравнительно простые и хорошо известные схемы модуляторов на элементах цифровой схемотехники, способные формировать сигнал со строго определенным видом модуляции (параграф 4.1). Во-вторых, универсальные цифровые квадратурные модуляторы, пригодные для формирования произвольных узкополосных видов модуляции (параграфы 7.5 и 7.6). Цифровые методы модуляции в основном пока ограничены областью промежуточных или невысоких рабочих частот (до 100 МГц на настоящее время).

3. Синтез частот и управление частотой. Существует большое разнообразие методов синтеза частот, в том числе и полностью цифровых. Часто в системе синтеза частоты осуществляется и модуляция сигнала. Этому вопросу посвящены параграфы 7.3-7.5.

4. Цифровой перенос спектра сигналов. Устройства цифрового переноса рабочей частоты сигнала передатчика (DUC – digital up-converter) находят применение в случае не слишком высоких рабочих частот, см. параграфы 7.6 и 8.2.

5. Цифровые методы усиления мощности ВЧ сигналов. В настоящее время, по имеющимся у нас сведениям, не создано общепризнанных и нашедших широкое применение цифровых методов усиления мощности для радиопередатчиков, хотя работы в этом направлении ведутся давно, и определенные успехи достигнуты.

6. Цифровые системы автоматического регулирования и управления передатчиками, индикации и контроля, в том числе сопряжения передатчика с компьютером, пользовательского интерфейса и цифрового дистанционного управления.

Рис.1.6.1

В качестве иллюстрации к пунктам 2 и 6 приведенного выше списка рассмотрим вещательный цифровой радиопередатчик HARRIS PLATINUM Z (рис.1.6.1), обладающий следующими основными особенностями:

А) Полностью цифровой FM-возбудитель HARRIS DIGITTM с встроенным стереогенератором с цифровой обработкой сигнала. Будучи первым в мире полностью цифровым FМ-возбудителем, HARRIS DIGITTM принимает звуковые частоты в стандарте AES/EBU в цифровом виде и генерирует максимально модулированную несущую радиочастоту полностью в цифровом режиме, благодаря чему уровень помех и искажений ниже, чем в любом другом FM-передатчике (16-битовое цифровое качество ЗЧ).

Б) Система быстрого пуска обеспечивает достижение полной мощности по всем показателям в течение 5 секунд после включения.

В) Контроллер на микропроцессорах позволяет осуществлять полный контроль, диагностику и вывод на дисплей. Включает в себя встроенную логику и команды для переключения между основными/дополнительными HARRIS DIGITTM возбудителями и предварительным усилителем мощности (ПУМ).

Г) Широкополосная схема позволяет отказаться от настройки в диапазоне от 87 до 108 МГц (при варианте N+1). Изменение частоты можно произвести вручную переключателями менее чем за 5 минут, и менее чем за 0,5 сек с помощью дополнительного внешнего контроллера.

В главах 7 и 8 читатель найдет более подробную информацию об элементной базе и основах проектирования цифровых радиопередающих устройств.

Цифровые методы модуляции и демодуляции