eng
Выпуск #3/2003
В.Голуб.
Квадратурные модуляторы и демодуляторы в системах радиосвязи
Квадратурные модуляторы и демодуляторы в системах радиосвязи
Просмотры: 9883
Цифровые методы обработки сигналов получают все более широкое распространение в аппаратуре радиосвязи, причем не только в цепях низкой (НЧ), но и промежуточной (ПЧ) частот [1]. Важное место среди устройств обработки сигналов, предназначенных для систем связи, занимают квадратурные модуляторы и демодуляторы: аналоговые и цифровые, используемые в цепях высокой частоты (ВЧ) и ПЧ, соответственно [2, 3]. Они являются универсальными устройствами, которые могут применяться независимо от вида модуляции, но с дополнительным преобразованием модулирующего и демодулируемого сигналов. Квадратурные модуляторы – устройства балансного типа, не требующие фильтрации для выделения суммарной или разностной составляющей модулированного сигнала. Они могут также использоваться в качестве повышающих преобразователей частоты. Характерные особенности модуляторов и демодуляторов можно проиллюстрировать на примере микросхем ведущей в этой области фирмы Analog Devices [4–10]. Микросхемы фирмы – это универсальные устройства AD66xx, AD834x, AD977x, AD987x и др. для различных систем связи (GSM, GPRS, EDGE, 1S136, AMPS и др.) и специализированные, например, AD6523/4 и AD6534 – для систем связи стандартов GSM/DSC1800/PCS1900/GPRS.
Является ли система связи аналоговой или цифровой, определяется, прежде всего, типом модулирующего сигнала – аналоговым или цифровым. Несущее высокочастотное колебание в обоих случаях аналоговое. Цифровой модулирующий сигнал может иметь параллельный или последовательный формат, например восьмиразрядный параллельный формат при 256-позиционной квадратурной амплитудной модуляции КАМ-256 (QAM-256) и последовательный формат при двухпозиционной манипуляции типа GMSK (в системах радиосвязи GSM, GPRS и др.) [11]. Понятия "аналоговый" и "цифровой" относятся и к схемотехническим устройствам, в том числе к модуляторам и демодуляторам. Но модулированный сигнал на выходе цифрового модулятора или на входе цифрового демодулятора имеет цифровую несущую, представляемую дискретными (во времени) отсчетами, выражаемыми цифровым кодом.
Структурная схема приемопередатчика. На рис.1 приведен ранний вариант схемы с цифровой обработкой НЧ-сигналов. Квадратурный модулятор и преобразователь ПЧ в ВЧ (в передатчике), а также преобразователь ВЧ в ПЧ и квадратурный демодулятор (в приемнике) являются аналоговыми. На входе модулятора, раздельно в каждом квадратурном канале I и Q, используются ЦАП, а на выходе демодулятора – АЦП. Сигналы с выхода АЦП (в приемном канале) поступают на сигнальный процессор (DSP) или специальный аудиокодек (аудиокодер) для последующей цифровой обработки НЧ-сигнала. В передающем канале сигналы с того же DSP (аудиодекодера, аудиокодека) поступают на ЦАП. В ряде случаев в передающем канале преобразование в ПЧ отсутствует, и несущая на выходе модулятора является ВЧ-несущей. А в приемном канале используется двойное преобразование частоты, не показанное на рис.1. Кроме того, на смену супергетеродинному методу радиоприема приходит супергомодинный – без преобразования ВЧ в ПЧ и с непосредственной демодуляцией ВЧ-сигналов [12].
В схемах современных цифровых приемопередатчиков используются цифровые модулятор и демодулятор. При этом на входе демодулятора должен стоять АЦП (обычно с дециматором), а на выходе модулятора – ЦАП (с интерполятором). При таком включении АЦП и ЦАП преобразовывают не НЧ-, а существенно более высокочастотный ПЧ-сигнал. Демодулятор и модулятор как бы встроены в системы преобразования: демодулятор включается между АЦП и дециматором, а модулятор – между интерполятором и ЦАП. В результате, модулятор и демодулятор работают при более высоких частотах дискретизации и, соответственно, при меньших шумах, вносимых цифровым преобразованием.
Аналоговые квадратурные модулятор и демодулятор. Основной элемент модулятора и демодулятора – перемножитель (смеситель). Рассматриваемый перемножитель (рис.2) представляет собой балансное устройство (double balanced Gilbert-cell mixer) на четырех транзисторах с дифференциальными входами (сигнальным и опорного колебания) и дифференциальным выходом. Для входного и выходного сигналов перемножитель представляет собой токовый элемент с низким входным (эмиттерным) и высоким выходным (коллекторным) сопротивлениями. Опорное колебание, с которым перемножается входной сигнал, подается в виде напряже-ния на базы транзисторов. Перемножитель используется вместе с преобразователем "напряжение–ток", включаемым на его эмиттерном входе. В квадратурном модуляторе (рис.3) для суммирования выходных сигналов соответствующие коллекторные выводы двух перемножителей соединяются.
При подаче на входы перемножителя сигнала, в общем случае выражаемого как
... (1)
где A1(t) и Dj(t) – модулированные амплитуда и изменение фазы, и опорного колебания a0(t) = A0cosw0t с его выхода снимается сумма двух колебаний – с суммарной и разностной частотами:
... (2)
где A2(t) пропорционально A1(t). Нужное колебание выделяется путем фильтрации или без фильтрации – в квадратурных преобразователях. Первая составляющая, с суммарной частотой w1+w0, выделяется в повышающих преобразователях частоты, а вторая, с разностной частотой w1 – w0, – в понижающих преобразователях (при w1 > w0). При w1 < w0 вторая составляющая в выражении (2) равна A2(t)cos[(w0 – w1)t – Dj(t)]. В модуляторах реализуется режим с w0 (при w1 = 0), а в демодуляторах используется составляющая разностной частоты, равной нулю (при w1 = w0).
Основные режимы квадратурных модулятора и демодулятора (см. рис.3) – модуляция/демодуляция сигнала с синфазной I(tn) и квадратурной Q(tn) модулирующими посылками и модуляция/демодуляция аналогового сигнала с одной боковой полосой (ОБП, SSB). В первом режиме модулирующие посылки – аналоговые, с постоянным уровнем в течение каждой посылки и дискретным изменением уровней от посылки к посылке. Уровни содержат информацию о цифровом коде модулирующего сигнала. На выходе модулятора
... (3)
__________________
где A(tn) = Ц[I2(tn) + Q2(tn)] и Dj(tn) = arctg[Q(tn)/I(tn)] – дискретно изменяемые амплитуда и фаза модулированного сигнала. Сигналы на выходе демодулятора
... (4)
... (5)
пропорциональны входным сигналам модулятора I(tn) и Q(tn). Отметим, что НЧ-составляющие I(tn), Q(tn) на входе модулятора и Iдем(tn), Qдем(tn) на выходе демодулятора представляют сигнал в прямоугольной системе, тогда как сигнал на выходе модулятора и входе демодулятора, согласно выражению (3), – в полярной системе координат.
Во втором режиме на квадратурные входы модулятора подаются "комплексные" составляющие модулирующего НЧ-сигнала (со сдвигом 90°). С выхода модулятора, в зависимости от знака суммирования, снимается один из двух модулированных сигналов:
... (6)
или
... (7)
содержащих верхнюю или нижнюю боковые полосы (без инверсии и с инверсией спектра, соответственно). В выражениях (6) и (7) Ai(t) и Dji(t) – амплитуды и изменения фазы спектральных составляющих модулирующего сигнала.
Пример аналоговых квадратурных модуляторов/демодуляторов – микросхемы серии AD834x фирмы Analog Devices (модуляторы AD8345/6/9 и демодуляторы AD8347/8, см. таблицу) [4]. Модуляторы могут быть использованы также в качестве повышающих бесфильтровых преобразователей частоты. Другая серия аналоговых микросхем – AD607 и ее вариант AD61009. Это – микросхемы подсистем приемного тракта, содержащих понижающий преобразователь частоты и квадратурный демодулятор.
Цифровые модуляторы с интерполятором и ЦАП. На рис.4 показана часть структурной схемы приемопередатчика с цифровыми модулятором и демодулятором. На входе канала модуляции используется цифровой двухканальный интерполирующий ФНЧ (интерполятор), повышающий частоту дискретизации в модуляторе, а на выходе канала, после цифрового квадратурного модулятора, – ЦАП. На вход канала поступают составляющие I(tn) и Q(tn) модулирующего цифрового сигнала в параллельном формате. На интерполятор от синтезатора частот поступают, как минимум, две последовательности тактовых импульсов, определяющих частоту отсчетов, – входных с частотой fд1 и выходных с большей частотой ... где Kинт – коэффициент интерполяции. Последовательность импульсов с частотой fд2 подается также и на ЦАП.
Цифровое опорное колебание, определяющее частоту несущей на выходе модулятора, может быть синусоидальным, формируемым, например, методом прямого цифрового синтеза (DDS), или прямоугольным, формируемым системой ФАПЧ. Отсчеты составляющих синусоидального опорного колебания (cosw0tm и sinw0tm на рис.4) характеризуются значениями описывающего их многоразрядного цифрового кода. Частота их следования равна fд2 (на рис.4 не показана). В модуляторе цифровые коды входного сигнала и опорного колебания перемножаются, и, в зависимости от знака суммирования, выбирается сумма или разность их произведений.
Прямоугольное опорное колебание (последовательность чередующихся "0" и "1"), которое можно рассматривать как одноразрядное, дополнительно содержит нечетные гармоники. В результате в выходном сигнале модулятора возникают дополнительные спектральные составляющие, которые могут либо фильтроваться на выходе ЦАП, либо одна из гармоник может быть использована для образования более высокочастотной несущей.
Синусоидальное DDS-колебание применяется в микросхемах AD9853/6/7 и AD9873/7/9, а прямоугольное – в AD9773/5/7 и AD9782/4/6 (усовершенствованные варианты AD9773/5/7, содержащие цепи компенсации для уменьшения искажений преобразуемого сигнала). Следует отметить особенность микросхем AD9773/5/7 – наличие двух модуляторов и двух ЦАП. Это позволяет выполнять преобразование Гильберта (Hilbert transform), т.е. формировать "комплексный" модулированный сигнал, состоящий из двух составляющих с фазовым сдвигом 90° (рис.5). Комплексный сигнал (с выхода ЦАП) используется, например, при работе AD9773/5/7 или двух AD9782/4/6 с аналоговым модулятором AD8345 (или AD8346/9), выполняющим функцию квадратурного повышающего преобразователя частоты (рис.6).
Фирма Analog Devices выпускает также серию четырехканальных процессоров AD6622/3 (Transmit Signal Processor – TSP). Процессоры выполняют функции: преобразования и расщепления (на квадратурные составляющие) модулирующего цифрового сигнала – для получения различных видов модуляции (PSK, MSK, GMSK, QPSK и др.); интерполяции; квадратурной модуляции; суммирования четырех потоков информации в один широкополосный поток. Они не имеют своего ЦАП и могут входить в состав чипсета SoftCell вместе с ЦАП AD9754.
Цифровые демодуляторы с АЦП и дециматором. Канал демодуляции содержит АЦП, встроенный цифровой демодулятор и децимирующий фильтр (см.рис.4). Пример – микросхемы AD9870/4, представляющие собой субсистемы приемника и содержащие аналоговый преобразователь частоты и канал демодуляции. АЦП является узкополосным, так как его задача – произвести цифровое преобразование ПЧ-сигнала, поступающего с выхода преобразователя частоты. Узкополосность обеспечивается полосовой фильтрацией, ограничивающей спектр преобразуемого сигнала. При этом частота дискретизации может быть меньше верхней частоты спектра, но должна быть больше отфильтрованной полосы частот.
Обычно используется сигма-дельта АЦП, содержащий, в общем случае, сигма-дельта модулятор и преобразующий децимирующий фильтр [13]. В простейшем случае сигма-дельта модулятор формирует одноразрядную частотно-модулированную последовательность посылок "0" и "1", синхронизированную тактовыми импульсами с частотой fт. Частота модулятора, пропорциональная модулирующему сигналу, равна ..., где n0 и n1 – число посылок со значениями "0" и "1", соответственно, на интервале дискретизации. Интервал определяется частотой дискретизации fд в преобразующем фильтре и равен 1/fд. Частоту fт, которая значительно выше частоты дискретизации fд, называют также частотой передискретизации, а частоту fд – частотой децимации. Обычно fт = 2Nfд, где 2N – коэффициент передискретизации (он же – коэффициент децимации), а N – разрядность получаемого на выходе АЦП цифрового сигнала. Частоты fт и fд соответствуют fд2 и fд1 на рис.4 (в канале демодуляции).
Преобразующий фильтр, входящий в состав сигма-дельта АЦП и называемый также децимирующим, выполняет преобразование частотно-модулированного сигнала сигма-дельта модулятора в многоразрядный цифровой сигнал, сопровождаемое цифровой фильтрацией и децимацией. Используется цифровой фильтр (обычно трансверсальный или эквивалентный ему рекурсивный), суммирующий посылки "1", существующие на интервале дискретизации. Результаты суммирования выражаются цифровым кодом на многоразрядном выходе фильтра [13].
Рассмотренный сигма-дельта модулятор – одноразрядный, однако в AD9870/4 используется многоразрядный, работающий аналогично, но формирующий на выходе многоразрядную последовательность посылок. Его можно рассматривать как АЦП с передискретизацией. Допускается и применение других типов АЦП. Важно, чтобы дискретизация была с повышенной частотой (с fд2, см. рис.4), при которой в канале демодуляции уровень шумов, обусловленных цифровым преобразованием, снижается.
К микросхемам с цифровыми демодуляторами, встраиваемыми в АЦП с дециматором, относятся также процессоры серии AD66xx – AD6620/24/24A/34/35/52 (Receive Signal Processor – RSP). В микросхемах этой серии демодуляторы именуются частотными трансляторами. Микросхемы AD66xx, кроме AD6652, требуют применения внешнего АЦП – AD6600/40/42 или AD9042, AD922x, AD923x, AD924x, AD943x. Микросхемы AD6600/40/42 (из той же серии AD66xx) – АЦП другого, конвейерного, типа.
Квадратурная и другие виды модуляции. Квадратурные модулятор и демодулятор предназначены, прежде всего, для сигналов КАМ – квадратурной амплитудной модуляции (манипуляции) и ОБП, но могут применяться и для сигналов других видов. Несущее колебание сигнала КАМ модулируется по амплитуде и фазе, например в соответствии со структурами, приведенными на рис.7. Но структура сигналов КАМ специально приспособлена для того, чтобы позиции манипуляции можно было характеризовать не амплитудой и фазой (в полярной системе координат), а проекциями амплитуды (через косинус и синус фазы) на оси I и Q прямоугольной системы координат. Сказанное соответствует выражениям (4) и (5). Классической в этом смысле является структура, приведенная на рис.7а (КАМ-16). Структура на рис.7б в равной мере может рассматриваться как АФМ-16 (амплитудно-фазовая манипуляция), так и КАМ-16. Структуру, приведенную на рис.7б, может иметь и сигнал с АОФМ-16 – амплитудной и относительной фазовой манипуляцией. Сигналы других видов – АМ, ФМ и ОФМ (ФРМ) – могут рассматриваться как частные случаи КАМ и АФМ (АОФМ).
Особое место занимают сигналы с частотной модуляцией (манипуляцией). Примером может быть сигнал с GMSK – гауссовской частотной манипуляцией с минимальным сдвигом [11,14]. В сигнале с GMSK помимо гауссовской фильтрации обеспечивается и непрерывность фазы манипулируемого колебания, что обусловлено минимальным сдвигом (изменением) частоты при манипуляции. Используемый в этом случае частотный квадратурный модулятор содержит частотный предмодулятор (ЧПМ) и "стандартный" квадратурный модулятор (рис.8). На вход ЧПМ подается последовательность модулирующих посылок. ЧПМ производит гауссовскую фильтрацию (с аппроксимацией по Гауссу), интегрирование (для формирования функции фазы) и образование функций косинуса и синуса: Acos[±Dj(tn)] и Asin[±Dj(tn)], где "+" или "–" – знаки манипулирующих посылок, соответствующих "0" и "1". Преобразованный в ЧПМ сигнал модуляции поступает на вход модулятора, на выходе которого
...(8)
при Dj(tn) » Dwtn. Правая часть выражения (8) не учитывает переходные процессы при смене знака посылок и поэтому является приближенной.
Литература
1. Шлеев С. Е. Элементная база и архитектура цифровых радиоприемных устройств.–Цифровая обработка сигналов, 1999, № 1.
2. Парамонов А., Куропаткин О. Цифровая обработка при когерентной демодуляции сигналов. – Chip News, 2000, № 8, с.2.
3. Гольцова М. Быстродействующие широкополосные ЦАП. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2001, № 2, с.24.
4. Электронные компоненты и системы (журнал). – Киев: VD MAIS, № 4/99 (AD9850/1), № 5/99 (AD9853/6), № 6/99 (AD8346), № 10/99 (AD9751/3/5, AD9763/5/7, AD9772), № 11/99 (ADF4xxx), № 2/00 (AD9852/4), № 3/00 (AD6630, AD8350), № 5/00 (Othello: AD6523/4), № 9/00 (SoftCell: AD6622/24/44, AD9754), № 7/01 (AD9857, AD9773/5/7); № 10/01 (AD9870/3/5/6), № 2/02 (AD9220/1/3/4/5/6, AD9235, AD9244, AD9430/2/3), № 11/02 (AD9858), № 12/02 (AD831, AD834x).
5. A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis.– Analog Devices, 1999.
6. Gentile K. Digital Upconverter IC Tames Complex Modulation. – Microwaves & RF, August 2000.
7. Cushing R. Single-Sideband Upconversion of Quadrature DDS Signals to the 800-to-2500-MHz Band.– Analog Dialogue, 2000, 34-3.
8. Hendriks P., Schreier R., DiPilato J. High Performance Narrowband Receiver Design Simplified by IF Digitizing Subsystem in LQFP.– Analog Dialogue, 2001, 35–3, (также – в Chip News, 2002, N7).
9. Mehr I., DiPilato J., Kessler M. AD9873 Mixed-Signal Front End (MxFE) for Broadband Digital Set-Top Boxes. – Analog Dialogue, 2001,35-1.
10. Голуб В. Новые синтезаторы частот серии ADF4xxx. – Chip News, 2002, № 4, с.20.
11. Голуб В. Модуляция GMSK в современных системах радиосвязи– Chip News, 2001, № 8, с.18 (поправка в № 9, с.63).
12. Шахнович И. Сотовый телефон третьего поколения: SuperHomodyne versus SuperHeterodyne. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2001, № 3, с.20.
13. Голуб В. Цифровая обработка сигналов: сигма-дельта АЦП. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2001, № 4, с.22.
14. EN 300 959 ETSI European Standard: Digital cellular telecommunications system (Phase 2+) (GSM); Modulation (GSM 05.04 version 8.1.2 Release 1999). – ETSI Catalogue, 3rd Quarter 2002.
Голуб Владислав Сергеевич. Канд. техн. наук.
Научно-производственная фирма VD MAIS, г.Киев
http://www.vdmais.kiev.ua; info@vdmais.kiev.ua
тел. (+38 044) 2271356, 2272262, 2275281.
Структурная схема приемопередатчика. На рис.1 приведен ранний вариант схемы с цифровой обработкой НЧ-сигналов. Квадратурный модулятор и преобразователь ПЧ в ВЧ (в передатчике), а также преобразователь ВЧ в ПЧ и квадратурный демодулятор (в приемнике) являются аналоговыми. На входе модулятора, раздельно в каждом квадратурном канале I и Q, используются ЦАП, а на выходе демодулятора – АЦП. Сигналы с выхода АЦП (в приемном канале) поступают на сигнальный процессор (DSP) или специальный аудиокодек (аудиокодер) для последующей цифровой обработки НЧ-сигнала. В передающем канале сигналы с того же DSP (аудиодекодера, аудиокодека) поступают на ЦАП. В ряде случаев в передающем канале преобразование в ПЧ отсутствует, и несущая на выходе модулятора является ВЧ-несущей. А в приемном канале используется двойное преобразование частоты, не показанное на рис.1. Кроме того, на смену супергетеродинному методу радиоприема приходит супергомодинный – без преобразования ВЧ в ПЧ и с непосредственной демодуляцией ВЧ-сигналов [12].
В схемах современных цифровых приемопередатчиков используются цифровые модулятор и демодулятор. При этом на входе демодулятора должен стоять АЦП (обычно с дециматором), а на выходе модулятора – ЦАП (с интерполятором). При таком включении АЦП и ЦАП преобразовывают не НЧ-, а существенно более высокочастотный ПЧ-сигнал. Демодулятор и модулятор как бы встроены в системы преобразования: демодулятор включается между АЦП и дециматором, а модулятор – между интерполятором и ЦАП. В результате, модулятор и демодулятор работают при более высоких частотах дискретизации и, соответственно, при меньших шумах, вносимых цифровым преобразованием.
Аналоговые квадратурные модулятор и демодулятор. Основной элемент модулятора и демодулятора – перемножитель (смеситель). Рассматриваемый перемножитель (рис.2) представляет собой балансное устройство (double balanced Gilbert-cell mixer) на четырех транзисторах с дифференциальными входами (сигнальным и опорного колебания) и дифференциальным выходом. Для входного и выходного сигналов перемножитель представляет собой токовый элемент с низким входным (эмиттерным) и высоким выходным (коллекторным) сопротивлениями. Опорное колебание, с которым перемножается входной сигнал, подается в виде напряже-ния на базы транзисторов. Перемножитель используется вместе с преобразователем "напряжение–ток", включаемым на его эмиттерном входе. В квадратурном модуляторе (рис.3) для суммирования выходных сигналов соответствующие коллекторные выводы двух перемножителей соединяются.
При подаче на входы перемножителя сигнала, в общем случае выражаемого как
... (1)
где A1(t) и Dj(t) – модулированные амплитуда и изменение фазы, и опорного колебания a0(t) = A0cosw0t с его выхода снимается сумма двух колебаний – с суммарной и разностной частотами:
... (2)
где A2(t) пропорционально A1(t). Нужное колебание выделяется путем фильтрации или без фильтрации – в квадратурных преобразователях. Первая составляющая, с суммарной частотой w1+w0, выделяется в повышающих преобразователях частоты, а вторая, с разностной частотой w1 – w0, – в понижающих преобразователях (при w1 > w0). При w1 < w0 вторая составляющая в выражении (2) равна A2(t)cos[(w0 – w1)t – Dj(t)]. В модуляторах реализуется режим с w0 (при w1 = 0), а в демодуляторах используется составляющая разностной частоты, равной нулю (при w1 = w0).
Основные режимы квадратурных модулятора и демодулятора (см. рис.3) – модуляция/демодуляция сигнала с синфазной I(tn) и квадратурной Q(tn) модулирующими посылками и модуляция/демодуляция аналогового сигнала с одной боковой полосой (ОБП, SSB). В первом режиме модулирующие посылки – аналоговые, с постоянным уровнем в течение каждой посылки и дискретным изменением уровней от посылки к посылке. Уровни содержат информацию о цифровом коде модулирующего сигнала. На выходе модулятора
... (3)
__________________
где A(tn) = Ц[I2(tn) + Q2(tn)] и Dj(tn) = arctg[Q(tn)/I(tn)] – дискретно изменяемые амплитуда и фаза модулированного сигнала. Сигналы на выходе демодулятора
... (4)
... (5)
пропорциональны входным сигналам модулятора I(tn) и Q(tn). Отметим, что НЧ-составляющие I(tn), Q(tn) на входе модулятора и Iдем(tn), Qдем(tn) на выходе демодулятора представляют сигнал в прямоугольной системе, тогда как сигнал на выходе модулятора и входе демодулятора, согласно выражению (3), – в полярной системе координат.
Во втором режиме на квадратурные входы модулятора подаются "комплексные" составляющие модулирующего НЧ-сигнала (со сдвигом 90°). С выхода модулятора, в зависимости от знака суммирования, снимается один из двух модулированных сигналов:
... (6)
или
... (7)
содержащих верхнюю или нижнюю боковые полосы (без инверсии и с инверсией спектра, соответственно). В выражениях (6) и (7) Ai(t) и Dji(t) – амплитуды и изменения фазы спектральных составляющих модулирующего сигнала.
Пример аналоговых квадратурных модуляторов/демодуляторов – микросхемы серии AD834x фирмы Analog Devices (модуляторы AD8345/6/9 и демодуляторы AD8347/8, см. таблицу) [4]. Модуляторы могут быть использованы также в качестве повышающих бесфильтровых преобразователей частоты. Другая серия аналоговых микросхем – AD607 и ее вариант AD61009. Это – микросхемы подсистем приемного тракта, содержащих понижающий преобразователь частоты и квадратурный демодулятор.
Цифровые модуляторы с интерполятором и ЦАП. На рис.4 показана часть структурной схемы приемопередатчика с цифровыми модулятором и демодулятором. На входе канала модуляции используется цифровой двухканальный интерполирующий ФНЧ (интерполятор), повышающий частоту дискретизации в модуляторе, а на выходе канала, после цифрового квадратурного модулятора, – ЦАП. На вход канала поступают составляющие I(tn) и Q(tn) модулирующего цифрового сигнала в параллельном формате. На интерполятор от синтезатора частот поступают, как минимум, две последовательности тактовых импульсов, определяющих частоту отсчетов, – входных с частотой fд1 и выходных с большей частотой ... где Kинт – коэффициент интерполяции. Последовательность импульсов с частотой fд2 подается также и на ЦАП.
Цифровое опорное колебание, определяющее частоту несущей на выходе модулятора, может быть синусоидальным, формируемым, например, методом прямого цифрового синтеза (DDS), или прямоугольным, формируемым системой ФАПЧ. Отсчеты составляющих синусоидального опорного колебания (cosw0tm и sinw0tm на рис.4) характеризуются значениями описывающего их многоразрядного цифрового кода. Частота их следования равна fд2 (на рис.4 не показана). В модуляторе цифровые коды входного сигнала и опорного колебания перемножаются, и, в зависимости от знака суммирования, выбирается сумма или разность их произведений.
Прямоугольное опорное колебание (последовательность чередующихся "0" и "1"), которое можно рассматривать как одноразрядное, дополнительно содержит нечетные гармоники. В результате в выходном сигнале модулятора возникают дополнительные спектральные составляющие, которые могут либо фильтроваться на выходе ЦАП, либо одна из гармоник может быть использована для образования более высокочастотной несущей.
Синусоидальное DDS-колебание применяется в микросхемах AD9853/6/7 и AD9873/7/9, а прямоугольное – в AD9773/5/7 и AD9782/4/6 (усовершенствованные варианты AD9773/5/7, содержащие цепи компенсации для уменьшения искажений преобразуемого сигнала). Следует отметить особенность микросхем AD9773/5/7 – наличие двух модуляторов и двух ЦАП. Это позволяет выполнять преобразование Гильберта (Hilbert transform), т.е. формировать "комплексный" модулированный сигнал, состоящий из двух составляющих с фазовым сдвигом 90° (рис.5). Комплексный сигнал (с выхода ЦАП) используется, например, при работе AD9773/5/7 или двух AD9782/4/6 с аналоговым модулятором AD8345 (или AD8346/9), выполняющим функцию квадратурного повышающего преобразователя частоты (рис.6).
Фирма Analog Devices выпускает также серию четырехканальных процессоров AD6622/3 (Transmit Signal Processor – TSP). Процессоры выполняют функции: преобразования и расщепления (на квадратурные составляющие) модулирующего цифрового сигнала – для получения различных видов модуляции (PSK, MSK, GMSK, QPSK и др.); интерполяции; квадратурной модуляции; суммирования четырех потоков информации в один широкополосный поток. Они не имеют своего ЦАП и могут входить в состав чипсета SoftCell вместе с ЦАП AD9754.
Цифровые демодуляторы с АЦП и дециматором. Канал демодуляции содержит АЦП, встроенный цифровой демодулятор и децимирующий фильтр (см.рис.4). Пример – микросхемы AD9870/4, представляющие собой субсистемы приемника и содержащие аналоговый преобразователь частоты и канал демодуляции. АЦП является узкополосным, так как его задача – произвести цифровое преобразование ПЧ-сигнала, поступающего с выхода преобразователя частоты. Узкополосность обеспечивается полосовой фильтрацией, ограничивающей спектр преобразуемого сигнала. При этом частота дискретизации может быть меньше верхней частоты спектра, но должна быть больше отфильтрованной полосы частот.
Обычно используется сигма-дельта АЦП, содержащий, в общем случае, сигма-дельта модулятор и преобразующий децимирующий фильтр [13]. В простейшем случае сигма-дельта модулятор формирует одноразрядную частотно-модулированную последовательность посылок "0" и "1", синхронизированную тактовыми импульсами с частотой fт. Частота модулятора, пропорциональная модулирующему сигналу, равна ..., где n0 и n1 – число посылок со значениями "0" и "1", соответственно, на интервале дискретизации. Интервал определяется частотой дискретизации fд в преобразующем фильтре и равен 1/fд. Частоту fт, которая значительно выше частоты дискретизации fд, называют также частотой передискретизации, а частоту fд – частотой децимации. Обычно fт = 2Nfд, где 2N – коэффициент передискретизации (он же – коэффициент децимации), а N – разрядность получаемого на выходе АЦП цифрового сигнала. Частоты fт и fд соответствуют fд2 и fд1 на рис.4 (в канале демодуляции).
Преобразующий фильтр, входящий в состав сигма-дельта АЦП и называемый также децимирующим, выполняет преобразование частотно-модулированного сигнала сигма-дельта модулятора в многоразрядный цифровой сигнал, сопровождаемое цифровой фильтрацией и децимацией. Используется цифровой фильтр (обычно трансверсальный или эквивалентный ему рекурсивный), суммирующий посылки "1", существующие на интервале дискретизации. Результаты суммирования выражаются цифровым кодом на многоразрядном выходе фильтра [13].
Рассмотренный сигма-дельта модулятор – одноразрядный, однако в AD9870/4 используется многоразрядный, работающий аналогично, но формирующий на выходе многоразрядную последовательность посылок. Его можно рассматривать как АЦП с передискретизацией. Допускается и применение других типов АЦП. Важно, чтобы дискретизация была с повышенной частотой (с fд2, см. рис.4), при которой в канале демодуляции уровень шумов, обусловленных цифровым преобразованием, снижается.
К микросхемам с цифровыми демодуляторами, встраиваемыми в АЦП с дециматором, относятся также процессоры серии AD66xx – AD6620/24/24A/34/35/52 (Receive Signal Processor – RSP). В микросхемах этой серии демодуляторы именуются частотными трансляторами. Микросхемы AD66xx, кроме AD6652, требуют применения внешнего АЦП – AD6600/40/42 или AD9042, AD922x, AD923x, AD924x, AD943x. Микросхемы AD6600/40/42 (из той же серии AD66xx) – АЦП другого, конвейерного, типа.
Квадратурная и другие виды модуляции. Квадратурные модулятор и демодулятор предназначены, прежде всего, для сигналов КАМ – квадратурной амплитудной модуляции (манипуляции) и ОБП, но могут применяться и для сигналов других видов. Несущее колебание сигнала КАМ модулируется по амплитуде и фазе, например в соответствии со структурами, приведенными на рис.7. Но структура сигналов КАМ специально приспособлена для того, чтобы позиции манипуляции можно было характеризовать не амплитудой и фазой (в полярной системе координат), а проекциями амплитуды (через косинус и синус фазы) на оси I и Q прямоугольной системы координат. Сказанное соответствует выражениям (4) и (5). Классической в этом смысле является структура, приведенная на рис.7а (КАМ-16). Структура на рис.7б в равной мере может рассматриваться как АФМ-16 (амплитудно-фазовая манипуляция), так и КАМ-16. Структуру, приведенную на рис.7б, может иметь и сигнал с АОФМ-16 – амплитудной и относительной фазовой манипуляцией. Сигналы других видов – АМ, ФМ и ОФМ (ФРМ) – могут рассматриваться как частные случаи КАМ и АФМ (АОФМ).
Особое место занимают сигналы с частотной модуляцией (манипуляцией). Примером может быть сигнал с GMSK – гауссовской частотной манипуляцией с минимальным сдвигом [11,14]. В сигнале с GMSK помимо гауссовской фильтрации обеспечивается и непрерывность фазы манипулируемого колебания, что обусловлено минимальным сдвигом (изменением) частоты при манипуляции. Используемый в этом случае частотный квадратурный модулятор содержит частотный предмодулятор (ЧПМ) и "стандартный" квадратурный модулятор (рис.8). На вход ЧПМ подается последовательность модулирующих посылок. ЧПМ производит гауссовскую фильтрацию (с аппроксимацией по Гауссу), интегрирование (для формирования функции фазы) и образование функций косинуса и синуса: Acos[±Dj(tn)] и Asin[±Dj(tn)], где "+" или "–" – знаки манипулирующих посылок, соответствующих "0" и "1". Преобразованный в ЧПМ сигнал модуляции поступает на вход модулятора, на выходе которого
...(8)
при Dj(tn) » Dwtn. Правая часть выражения (8) не учитывает переходные процессы при смене знака посылок и поэтому является приближенной.
Литература
1. Шлеев С. Е. Элементная база и архитектура цифровых радиоприемных устройств.–Цифровая обработка сигналов, 1999, № 1.
2. Парамонов А., Куропаткин О. Цифровая обработка при когерентной демодуляции сигналов. – Chip News, 2000, № 8, с.2.
3. Гольцова М. Быстродействующие широкополосные ЦАП. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2001, № 2, с.24.
4. Электронные компоненты и системы (журнал). – Киев: VD MAIS, № 4/99 (AD9850/1), № 5/99 (AD9853/6), № 6/99 (AD8346), № 10/99 (AD9751/3/5, AD9763/5/7, AD9772), № 11/99 (ADF4xxx), № 2/00 (AD9852/4), № 3/00 (AD6630, AD8350), № 5/00 (Othello: AD6523/4), № 9/00 (SoftCell: AD6622/24/44, AD9754), № 7/01 (AD9857, AD9773/5/7); № 10/01 (AD9870/3/5/6), № 2/02 (AD9220/1/3/4/5/6, AD9235, AD9244, AD9430/2/3), № 11/02 (AD9858), № 12/02 (AD831, AD834x).
5. A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis.– Analog Devices, 1999.
6. Gentile K. Digital Upconverter IC Tames Complex Modulation. – Microwaves & RF, August 2000.
7. Cushing R. Single-Sideband Upconversion of Quadrature DDS Signals to the 800-to-2500-MHz Band.– Analog Dialogue, 2000, 34-3.
8. Hendriks P., Schreier R., DiPilato J. High Performance Narrowband Receiver Design Simplified by IF Digitizing Subsystem in LQFP.– Analog Dialogue, 2001, 35–3, (также – в Chip News, 2002, N7).
9. Mehr I., DiPilato J., Kessler M. AD9873 Mixed-Signal Front End (MxFE) for Broadband Digital Set-Top Boxes. – Analog Dialogue, 2001,35-1.
10. Голуб В. Новые синтезаторы частот серии ADF4xxx. – Chip News, 2002, № 4, с.20.
11. Голуб В. Модуляция GMSK в современных системах радиосвязи– Chip News, 2001, № 8, с.18 (поправка в № 9, с.63).
12. Шахнович И. Сотовый телефон третьего поколения: SuperHomodyne versus SuperHeterodyne. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2001, № 3, с.20.
13. Голуб В. Цифровая обработка сигналов: сигма-дельта АЦП. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2001, № 4, с.22.
14. EN 300 959 ETSI European Standard: Digital cellular telecommunications system (Phase 2+) (GSM); Modulation (GSM 05.04 version 8.1.2 Release 1999). – ETSI Catalogue, 3rd Quarter 2002.
Голуб Владислав Сергеевич. Канд. техн. наук.
Научно-производственная фирма VD MAIS, г.Киев
http://www.vdmais.kiev.ua; info@vdmais.kiev.ua
тел. (+38 044) 2271356, 2272262, 2275281.
Отзывы читателей
