Преимущества блочной реализации приемо-передающих устройств

№ 03’2018
PDF версия
По мере стремительного внедрения интернета вещей (Internet of Things, IoT) в нашу жизнь возрастает необходимость в обеспечении беспроводной связи между широким рядом устройств, начиная с носимой электроники и заканчивая бытовыми приборами умных домов. Кроме того, растет число стандартов и протоколов для радиоинтерфейсов, используемых в таких устройствах. Беспроводные технологии востребованы и в «традиционных» системах спутниковой связи, авионики и оборудовании связи для морских перевозок, а также во многих других областях — научных, медицинских и промышленных.

Концепция проектирования приемо-передающих устройств

Несмотря на преобладание беспроводных приложений Wi-Fi и Bluetooth, работающих в полосе частот 2,4 ГГц, по-прежнему остаются востребованными системы, которые функционируют в диапазонах ВЧ, ОВЧ и УВЧ. Некоторые из них занимают полосы, прежде использовавшиеся станциями наземного радиовещания. В этих условиях задача инженеров, реализующих проекты в жестких временных рамках, становится еще сложнее. Положение усугубляется также тем, что традиционный подход по созданию дискретных схемных решений для приемо-передающей аппаратуры уже не годится.

Компания CML Microcircuits (CML) является мировым лидером в разработке, конструировании и поставке маломощных полупроводников для обработки аналоговых, цифровых и смешанных сигналов. Ассортимент радиочастотных изделий компании CML представляет собой набор блоков (платформ) для реализации части или всего тракта беспроводного радиоинтерфейса. С помощью этих высокоэффективных микросхем создаются универсальные решения для приложений, работающих в ВЧ-, ОВЧ- и УВЧ-диапазонах.

Модульный подход позволяет значительно сократить цикл проектирование радиоинтерфейсов приемо-передающих устройств.

 

Как ускорить разработку приемо-передающих устройств

Ни для кого не секрет, что проектирование приемо-передающих приложений может оказаться чрезвычайно сложным делом. Некоторые инженеры, особенно старой школы, предпочитают использовать дискретную реализацию, однако такой подход в настоящее время находится в противоречии с тенденцией компаний вывести свою продукцию на рынок быстрее конкурентов.

Эволюция беспроводных технологий в сторону увеличения скорости передачи данных и объемов передаваемой информации не только открывает множество возможностей, но и порождает немало проблем. Одна из них заключается в необходимости обеспечить высокую эффективность при очень малом уровне потребления энергии. Кроме того, быстрый рост беспроводных сервисов увеличивает потребность в высокоинтегрированных и недорогих решениях с техническими характеристиками, соответствующими жестким требованиям. Чтобы их выполнить, необходимы новые полупроводниковые изделия и технологии проектирования конечных систем.

Блочный подход (рис. 1), применяемый для построения радиоканала, имеет более высокий уровень абстракции, обеспечивает повторное использование блоков и анализ характеристик системы на самых ранних этапах проектирования.

Разработка радиочастотной системы на основе готовых блоков

Рис. 1. Разработка радиочастотной системы на основе готовых блоков

Рассмотрим в качестве примера беспроводной приемник, состоящий из радиочастотных, аналоговых и цифро-аналоговых каскадов обработки сигналов (рис. 2).

Блочный метод разработки приемопередатчика

Рис. 2. Блочный метод разработки приемопередатчика

Как правило, проектирование системы и дискретной схемы осуществляются раздельно. Однако решающее значение для построения оптимальной системы имеет как раз учет взаимодействия между ее разными уровнями. В отличие от традиционного подхода, блочный метод проектирования представляет систему с начального уровня до ее конечной схемной реализации.

Блочная реализация приемо-передающего тракта беспроводной системы позволяет решить несколько задач — повысить надежность системы в целом, проанализировать ее производительность, построить абстрактные поведенческие модели и т.д. Оптимизация на уровне системы выполняется с помощью поведенческих моделей. Чтобы обеспечить требуемую точность, характеристики моделей ограничивают фактической эффективностью реализации конкретной схемы. Результаты показывают, что блочное проектирование обеспечивает требуемые характеристики системы.

 

Разработка приемо-передающих устройств с помощью решений CML

Ассортимент радиочастотных изделий от компании CML в полной мере отвечает требованиям широкого ряда приложений, в т.ч. систем передачи речи и обработки данных.

На рис. 3 приведены примеры типичных архитектур для высокоинтегрированных решений: системы цифровой/аналоговой двухсторонней радиосвязи (TWR); системы беспроводной передачи (WD) телеметрической информации и программно-определяемой радиосистемы (SDR).

Типичные структурные схемы построения блочных приемо-передающих систем

Рис. 3. Типичные структурные схемы построения блочных приемо-передающих систем

Модули типичных приемо-передающих устройств, представленных на рис. 3, обычно включают в себя следующие элементы.

  • Приемник (Rx). Поскольку каждый из блоков в цепочке приемника Rx в некоторой степени усиливает сигнал (или вносит в него потери), цепь приема сигналов характеризуется распределенным коэффициентом усиления. Следует учитывать несколько факторов, которые сказываются на распределении коэффициента усиления во входной радиочастотной части, каскадам усиления промежуточной частоты (ПЧ) и каскадам основной полосы частот (baseband BB). Во многих случаях требуется, чтобы передача сигнала по всей системе осуществлялась линейно в широком диапазоне условий эксплуатации, включая уровень сигнала, наличие помех и изменение температуры окружающей среды.
  • Передатчик (Tx) осуществляет модуляцию, преобразование с повышением частоты и усиление мощности; в модульном подходе первые две функции объединены. Разработка передатчика требует глубокого понимания особенностей типов модуляции, что напрямую оказывает влияние на выбор таких модулей как смесители с повышающим преобразованием, задающие генераторы и усилители мощности (УМ).
  • Приемопередатчик (XCVR) представляет собой комбинацию двух упомянутых выше главных составляющих частей радиоканала. Далее мы рассмотрим пример блочного проектирования приемопередатчика.
  • Усилитель мощности является одним из важнейших компонентов беспроводных передатчиков, поскольку он обеспечивает заданные рабочие характеристики, надежность и приемлемую стоимость радиопередатчика. При проектировании УМ для передатчика требуется учитывать факторы, которые влияют на характеристики микросхемы усилителя мощности: выбор оптимальной полупроводниковой технологии, точность моделей транзисторных устройств, особенности корпусирования, теплоотвод и методы проектирования схемы передатчика.
  • Смеситель (Mixer) предназначен для преобразования частоты. Выполняет две главные функции:
    • преобразование частоты радиосигнала в промежуточную частоту (ПЧ или в частоту основной полосы) для дальнейшей обработки в приемнике;
    • преобразование сигнала основной полосы частот или сигнала промежуточной частоты в более высокую или в несущую для последующей передачи.

Примечание. Смесители, как правило, требуют соответствующей фильтрации, поскольку одной из его функций является удаление побочных частот в передатчиках или удаление нежелательных эффектов преобразования в приемниках.

  • Гетеродин (LO) используется во всех приемо-передающих устройствах беспроводных систем. Усилитель гетеродина функционирует при условии, что его тракт обратной связи (ОС) удовлетворяет двум условиям — балансу амплитуд и балансу фаз.
  • Условие баланса амплитуд: усиление превышает потери в схеме обратной связи.
  • Условие баланса фаз: генерация колебаний происходит, если фаза выходного напряжения цепи ОС и входного напряжения совпадают.

В современных системах гетеродин должен перестраиваться в заданном диапазоне частот, что определяется системой. С этой целью применяется генератор, управляемый напряжением (ГУН) с программно-управляемой петлей фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).

 

Блочный подход для разработки приемо-передающих устройств

Поскольку в приемо-передающих устройствах применяется большинство упомянутых функций, разумно использовать предлагаемые на рынке устройства. Так, например, микросхемы серий CM99x и CM97x от компании CML Microcircuits уже включают в себя интегрированный приемник, передатчик, приемопередатчик, модулятор/демодулятор и синтезатор частоты с ФАПЧ. Применение этих ИС значительно ускорит проектирование и сократит время вывода конечного устройства на рынок. Давайте кратко остановимся на характеристиках микросхем упомянутых серий:

  • CMX971 — высокоэффективный квадратурный модулятор с широким диапазоном рабочей частоты (рис. 4). Управление CMX971 осуществляется либо по последовательной шине, либо напрямую. Коэффициент деления гетеродина устройства CMX971 программируется (2 или 4), оно позволяет улучшить линейность и уменьшить шум.
Типовое приложение, использующее квадратурный демодулятор CMX971, квадратурный демодулятор ПЧ/РЧ CMX970 и CMX983 — аналоговый интерфейс

Рис. 4. Типовое приложение, использующее квадратурный демодулятор CMX971, квадратурный демодулятор ПЧ/РЧ CMX970 и CMX983 — аналоговый интерфейс

  • CMX972 — маломощный квадратурный демодулятор ПЧ/РЧ с широким диапазоном рабочей частоты и оптимизированным энергопотреблением (рис. 5). Этот демодулятор, предназначенный для супергетеродинных схем с ПЧ до 300 МГц, можно использовать в приложениях с низкой ПЧ или систем с преобразованием вниз в основную полосу частот. Встроенная схема ФАПЧ с ГУН вместе с раздельными дифференциальными усилителями для основной полосы частот повышают гибкость такого решения. Управление CMX972 осуществляется по последовательной шине.
Типичное приложение, использующее квадратурный демодулятор CMX972 с синтезатором частоты, CMX998 с декартовой ОС и цифровой радиоинтерфейс CMX983

Рис. 5. Типичное приложение, использующее квадратурный демодулятор CMX972 с синтезатором частоты, CMX998 с декартовой ОС и цифровой радиоинтерфейс CMX983

  • CMX973 — цифровой радиоинтерфейс с аналоговым препроцессором (рис. 6). В состав микросхемы входит квадратурный (I/Q) модулятор и маломощный квадратурный демодулятор ПЧ/РЧ. Этот демодулятор, предназначенный для супергетеродинных схем с ПЧ до 300 МГц, может использоваться в системах с низкой ПЧ или при преобразовании сигнала в основную полосу частот в приемниках прямого преобразования. Модулятор преобразует непосредственно из основной полосы в желаемую частоту передачи вплоть до 1 ГГц и имеет квадратурную фазовую коррекцию, обеспечивающую малую погрешность I/Q. Встроенный синтезатор частоты с ФАПЧ и ГУН вместе с несвязанными дифференциальными усилителями основной полосы обеспечивают дополнительную гибкость. Управление CMX973 осуществляется по последовательной шине. Подобно CMX971 и CMX971, микросхема CMX973 поставляется в малогабаритном 32-контактном корпусе VQFN, специально оптимизированном для работы с радиочастотными сигналами. Необходимость лишь в минимальном числе внешних компонентов позволяет успешно использовать это устройство в приложениях с ограниченным свободным пространством.
Типичное приложение, использующее квадратурный модулятор/демодулятор CMX973 и цифровой радиоинтерфейс с аналоговым препроцессором CMX983

Рис. 6. Типичное приложение, использующее квадратурный модулятор/демодулятор CMX973 и цифровой радиоинтерфейс с аналоговым препроцессором CMX983

  • CMX975 — компактный блок, расширяющий возможности построения приемопередатчиков (рис. 7). В его состав входят: радиочастотный синтезатор частоты с ГУН, синтезатор ПЧ с ГУН, повышающий смеситель для передатчика, понижающий смеситель приемника и МШУ. РЧ-синтезатор с дробными коэффициентами деления работает на частоте до 3,6 ГГц с использованием полностью интегрированного внутреннего ГУН или с внешним источником сигнала до 6 ГГц. Синтезатор ПЧ использует синтезатор с целочисленным коэффициентом деления и работает на частоте до 1 ГГц. В его состав входит ГУН, требующий всего одной внешней индуктивности. Смеситель приемника настраивается в режиме отклонения изображения или в обычном режиме, а смеситель передатчика конфигурируется для подавления боковой полосы или в обычном режиме. Интегрированный малошумящий усилитель уменьшает коэффициент усиления на 18 дБ в три этапа.
Микросхема CMX975 предназначена для работы в паре с квадратурным модулятором/демодулятором CMX973 от компании CML для реализации простого и экономичного высокочастотного супергетеродинного приемопередатчика, работающего в диапазоне частоты 1,0–2,7 ГГц

Рис. 7. Микросхема CMX975 предназначена для работы в паре с квадратурным модулятором/демодулятором CMX973 от компании CML для реализации простого и экономичного высокочастотного супергетеродинного приемопередатчика, работающего в диапазоне частоты 1,0–2,7  ГГц

  • CMX979 — маломощный синтезатор с двойным синтезатором — радиочастотным с дробным и целочисленным делением ПЧ, который обеспечивает генерацию сигналов в широком диапазоне частоты. Он напрямую поддерживает не только однократное преобразование частоты, но и супергетеродинную архитектуру, а также минимизирует количество внешних компонентов. CMX979, выполненный в малогабаритном корпусе VQFN размером 6×6 мм, обеспечивает гибкую настройку генератора. Дробный синтезатор РЧ с собственным ГУН работает в диапазоне 2,7–3,6 ГГц и в диапазоне 338 МГц…3,6 ГГц при использовании настраиваемого делителя выходной частоты. Синтезатор ПЧ, обеспечивающий целочисленное деление, работает в диапазоне 500–1000 МГц. В его состав входит полностью интегрированный фильтр контура и ГУН.
  • CMX99x — семейство высокоэффективных и гибких интегральных микросхем, в состав которых входят: квадратурный приемопередатчик CMX991, квадратурный приемник CMX992, квадратурный модулятор CMX993/993W, приемник прямого преобразования CMX994 (рис. 8) и передатчик CMX998 с картезианской обратной связью. Микросхемы CMX993/993W предназначены для работы в диапазоне 100 МГц…1 ГГц, а CMX998 — до 30 МГц. Эти микросхемы учитывают потребности большинства форматов передачи информации, в т.ч. передачи данных и кодированного речевого сигнала в системах с постоянной огибающей и линейной модуляции. Эти микросхемы, выпускаемые в компактных корпусах типа VQFN, имеют высокую степень интеграции и малое энергопотребление, что позволяет уменьшить занимаемую площадь на печатной плате. Чтобы максимально сократить время проектирования с использованием этих РЧ-изделий, предлагаются отладочные и демонстрационные комплекты, а также информационные материалы с рекомендациями по практическому применению в соответствующих приложениях.
Пример комбинированного решения с микросхемами CMX971 и CMX994

Рис. 8. Пример комбинированного решения с микросхемами CMX971 и CMX994

 

Выводы

Основные преимущества использования модульного подхода для разработки приемо-передающих устройств заключаются в следующем:

  • уменьшается время проектирования и быстрее окупаются затраты;
  • упрощается тестирование готовой конструкции;
  • уменьшается количество внешних дискретных компонентов;
  • повышается надежность;
  • улучшаются технические характеристики и управление системой;
  • повышается вероятность повторного использования готового решения;
  • уменьшается себестоимость конечного изделия.

Технология и продукция CML Microcircuits в полной мере адаптированы к реализации блочного подхода к проектированию приемо-передающих устройств.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

سكس عربي مصري مجاني sexauskunft.net سكسحر unblurred hentai nicehentai.com omega hentai chinki sex renklipornoo.net village naked dance hot x porn video hindipornsite.com heather jayne nude huge dick comics streamhentai.net hentai msngs
قصص وصور سكس wiwiuku.com مشاهدة أفلام سكس ラブホテル完全盗撮 浮気ドキュメント 禁断の関係 javshare.info とらぶるだいありー brawling go 132 hentaika.org all the way through futa www.indiansexmms pornhindivideo.com ftv hot live 福岡 風俗 図鑑 javwhores.mobi 日本で一番黒いgカップグラドルの絶倫性欲でハメ撮りsexしまくった日常を記録
x videos american fucktube24.com sex odia video 完全拘束イラマチオ 3 あべみかこ javpussy.net 300maan-316 xnxx miya khalifa indianpornsearch.com www.tamil sex videos どエロイ女のムチムチ肉感!ふにゃふにゃ星人 羽生ありさ freejavstreaming.net 生意気j○妹プリ尻挑発 telugu outdoor sex hindipornmovies.org mehreen kaur pirzada