Odbiorniki w.cz. - parametry i konfiguracje

Jednymi z ważniejszych parametrów odbiorników radiowych są selektywność i czułość. Pierwsza charakteryzuje zdolność tych urządzeń do wydzielenia sygnału o żądanej częstotliwości spośród innych sygnałów, które są odbierane przez antenę. Właściwa selektywność zapewnia skuteczne tłumienie sygnałów zakłócających i zapobiega interferencjom.

Z kolei czułość charakteryzuje zdolność odbiornika do przetwarzania sygnałów o małej amplitudzie. Ilościowo określa się ją jako najmniejszy poziom sygnału, jaki odbiornik dostrojony do określonej częstotliwości może odebrać, zapewniając wymagane parametry, jak stosunek sygnału do szumu i zniekształceń (Signal to Noise And Distorsion, SINAD) albo bitową stopę błędów (Bit Error Rate, BER). Czułość zależy głównie od szumów własnych odbiornika, zwłaszcza szumów termicznych.

Jak ważne są szumy własne odbiornika?

Jeżeli szumy własne odbiornika są znacznie większe niż odebrany sygnał użyteczny, tego drugiego nie da się poprawnie odtworzyć. Można do tego nie dopuścić na kilka sposobów. Pierwszy to zwiększenie amplitudy sygnału informacyjnego. Można to uzyskać, zwiększając moc wyjściową nadajnika. Innym sposobem jest zwiększenie apertury anteny odbiornika, anteny nadajnika lub obu tych anten. Cel ten osiąga się, m.in. zwiększając rozmiary anteny. Obie metody mają wady.

Jeśli chodzi o pierwszą, to im większa moc wyjściowa nadajnika, tym większy pobór energii, a więc i koszty. Ponadto, jak wiadomo, moc wyjściowa nadajników jest odgórnie regulowana. Czynnikiem hamującym jest także możliwość interferencji z sąsiednimi kanałami. Wymiary anten nadawczych wpływają na łatwość ich instalacji w stacji bazowej, natomiast anten odbiorczych na rozmiary urządzenia.

Im większe anteny, tym w obu przypadkach gorzej. Dlatego zwiększenie amplitudy sygnału użytecznego nie zawsze jest możliwe albo praktyczne. Żeby więc umożliwić prawidłowy odbiór również słabszych sygnałów, na czułość odbiornika próbuje się wpływać na etapie projektu, zmniejszając jego szumy własne.

Czym jest współczynnik szumów odbiornika?

Parametrem charakteryzującym szumy własne odbiornika jest współczynnik szumów (noise factor). Opisuje go następująca zależność:

gdzie: S_I - moc sygnału wejściowego, N_i - moc szumów na wejściu, S_O - moc sygnału wyjściowego, a N_O - moc szumów na wyjściu. Parametr ten określa zatem to, jak zmienia się stosunek sygnału do szumu po przejściu sygnału odebranego przez antenę przez odbiornik. Można to wyjaśnić na przykładzie wzmacniacza.

Idealnie wzmacniacz wzmacnia oprócz sygnału użytecznego również szumy na wejściu. W efekcie na jego wyjściu stosunek sygnału do szumu powinien pozostać niezmienny w stosunku do tego na jego wejściu.

W rzeczywistości jednak szumy na wyjściu obejmują także szumy własne wzmacniacza, w rezultacie czego stosunek sygnału do szumu na jego wyjściu się zmniejsza. Im mniejszą wartość ma współczynnik szumów, tym mniejsze są szumy własne wzmacniacza. Współczynnik szumów można także wyrazić w decybelach (noise figure):

i powiązać z mocą szumu termicznego, która jest proporcjonalna do stałej Boltzmanna k, temperatury T oraz szerokości pasma przenoszenia odbiornika B. Wyraża to wzór:

gdzie: T_o = 290K, N_R - szum własny odbiornika, G - wzmocnienie odbiornika. Współczynnik szumów odbiornika można też wyznaczyć, korzystając z zależności:

Formuła ta wymaga znajomości współczynników szumów (Fn) i współczynników wzmocnienia (GN) jego poszczególnych członów.

Bezpośrednia przemiana

Rys. 1. Odbiornik z bezpośrednią przemianą

Na rysunku 1 przedstawiono schemat odbiornika z bezpośrednią przemianą (direct conversion), zwanego także homodynowym lub zero-IF. Składa się on z następujących bloków funkcyjnych: wzmacniacza, mieszacza, w którym sygnał odebrany w antenie jest przenoszony w pasmo m.cz., heterodyny (generatora lokalnego, local oscillator) oraz filtru dolnoprzepustowego.

Częstotliwości sygnałów z generatora lokalnego i na wejściu odbiornika są takie same. Częścią tych odbiorników może być też demodulator I/Q z dwoma mieszaczami. Sygnały z heterodyny dla tych bloków są przesunięte w fazie o 90o.

Na rysunku 2a przedstawiono schemat blokowy odbiorników z bezpośrednią przemianą z serii CMX994 firmy CML Microcircuits. Główne bloki funkcyjne tych układów to: wzmacniacz o regulowanym wzmocnieniu, demodulator I/Q, sekcja przetwarzania sygnału m.cz. złożona ze wzmacniaczy i przestrajanych filtrów dolnoprzepustowych oraz generator lokalny.

Ten ostatni składa się z układu pętli fazowej z podziałem całkowitym (integer-N PLL) oraz generatora przestrajanego napięciem (Voltage Controlled Oscillator). Można też dołączyć zewnętrzny VCO, jak i, po wyłączeniu wbudowanych układów PLL oraz VCO, zewnętrzną heterodynę. Odbiorniki CMX994 wyposażono oprócz tego w interfejs C-Bus, za pośrednictwem którego wymieniają się z kontrolerem danymi i są przez niego konfigurowane (rys. 2 b).

Rys. 2. Odbiorniki z bezpośrednią przemianą z serii CMX994

Opisywane układy są używane m.in. w radiu analogowym, cyfrowym, programowalnym (Soft ware Defined Radio) i łączności satelitarnej. Ich wybrane parametry to: wzmocnienie 63 dB, współczynnik szumów 4,5 dB, czułość (dla BER 1%) -116 dBm oraz selektywność >90 dB.

Najważniejszą zaletą odbiorników z bezpośrednią przemianą w porównaniu do tych, które przedstawiamy dalej, jest prostsza konstrukcja. Zapewnia ją mniejsza liczba komponentów.

Odbiorniki superheterodynowe

Rys. 3. Odbiornik superheterodynowy

Na rysunku 3 przedstawiono odbiornik superheterodynowy. W tym przypadku zmodulowany sygnał w.cz. jest przetwarzany w sygnał o niższej częstotliwości przez zmieszanie z sygnałem z heterodyny, który ma inną częstotliwość. Powstaje wtedy sygnał odkształcony.

Poza składową o częstotliwości w.cz. i częstotliwości heterodyny i ich wielokrotnościami zawiera on składowe o częstotliwościach, które są równe ich sumie i różnicy. Kolejnym blokiem po mieszaczu jest filtr dostrojony do jednej z tych składowych, na przykład f_H-f_W.CZ., czyli częstotliwości pośredniej p.cz. (intermediate frequency, IF). Częstotliwość pośrednia jest stała.

Problemem w przypadku odbiorników superheterodynowych jest sygnał lustrzany docierający do anteny, który trzeba stłumić. Jeżeli na przykład zmodulowany sygnał ma częstotliwość 100 MHz, a heterodyny 120,7 MHz, w wyniku ich mieszania m.in. powstanie przebieg o częstotliwości 20,7 MHz. Do niej jest dostrojony filtr p.cz.

Rys. 4. Odbiornik superheterodynowy z podwójną przemianą częstotliwości

Sygnałem lustrzanym będzie w takim przypadku ten o częstotliwości 141,4 MHz, czyli różniącej się od częstotliwości pożądanego sygnału o wartość równą podwojonej częstotliwości pośredniej. Jeżeli nie zostanie on wytłumiony przez obwody wejściowe, po zmieszaniu go z sygnałem heterodyny również powstanie przebieg o częstotliwości 20,7 MHz. Zakłóci on odbiór sygnału użytecznego.

Ze względu na małą różnicę częstotliwości sygnału lustrzanego i użytecznego, pierwszy trudno stłumić. Problem ten rozwiązano w odbiornikach superheterodynowych z podwójną przemianą częstotliwości (rys. 4) zbudowanych z dwóch mieszaczy, dwóch generatorów lokalnych, dodatkowych filtrów oraz wzmacniaczy.

Podwójna przemiana

Rys. 5. Odbiornik TH71101

Im większa p.cz., tym większy jest odstęp między częstotliwością użytecznego sygnału w.cz. a częstotliwością sygnału lustrzanego. Dzięki temu łatwiej stłumić sygnał zakłócający w obwodzie wejściowym.

W związku z tym w odbiorniku superheterodynowym z podwójną przemianą częstotliwość pośrednia (f_P.CZ.1) w pierwszym stopniu przemiany jest znacznie większa niż p.cz. w drugim segmencie przemiany (f_P.CZ.2). Dzięki mniejszej wartości f_P.CZ.2 drugi stopień przemiany zapewnia lepszą selektywność.

Jeżeli na przykład do anteny dociera sygnał o częstotliwości 35 MHz, a częstotliwość pośrednia pierwszego stopnia przemiany to 30 MHz, heterodyna musi generować przebieg o częstotliwości 65 MHz. Przebieg lustrzany można wówczas łatwo wyeliminować w obwodach wejściowych, gdyż ma on ponad trzykrotnie większą częstotliwość (95 MHz) niż sygnał użyteczny.

Sygnał o stałej częstotliwości pośredniej f_P.CZ.1 jest podawany na wejście drugiego stopnia przemiany, dlatego nie trzeba przestrajać drugiego generatora lokalnego. Przy stałej f_P.CZ.2 = 0,5 MHz heterodyna numer 2 musi generować przebieg o częstotliwości 30,5 MHz.

Odbiorniki superheterodynowe - przykłady

Rys. 6. Przykład wykorzystania odbiornika TH71101

Na rysunku 5 przedstawiono schemat blokowy układu TH71101 firmy Melexis. Jest to odbiornik superheterodynowy FSK/ASK, który spełnia wymogi normy EN 300220 w zakresie komunikacji w paśmie ISM 433 MHz. Poza tym można go używać w łączności na częstotliwościach w zakresie od 300 do 450 MHz.

Jego główne komponenty to: układ PLL (PLL_SYNTH), który pełni funkcję generatora lokalnego (zbudowany z generatora przestrajanego napięciem (VCO1), dzielnika częstotliwości (DIV_16), detektora fazy (PFD) z pompą ładunkową (CP) i rezonatora kwarcowego), wzmacniacz niskoszumowy (LNA), pierwszy mieszacz (MIX1), który przetwarza sygnał RF w sygnał o częstotliwości pośredniej, drugi mieszacz (MIX2), który pełni funkcję przedwzmacniacza dla sygnału o częstotliwości pośredniej, właściwy wzmacniacz tego ostatniego (IFA), demodulator (DEMOD) z trzecim mieszaczem (MIX3) do demodulacji sygnału p.cz. i wzmacniacz operacyjny, który jest detektorem ASK (OA).

Z tych samych elementów zbudowany jest odbiornik TH71102 z podwójną przemianą częstotliwości. Drugi mieszacz jest w nim wykorzystywany do przetworzenia sygnału o częstotliwości p.cz.1 w sygnał p.cz.2.

Rys. 7. MLX71122 – odbiornik superheterodynowy z podwójną przemianą częstotliwości

W TH71101 w celu wytłumienia niepożądanych sygnałów na wejściu odbiornika trzeba na wejściu LNA dołączyć filtr, ceramiczny albo SAW, natomiast na jego wyjściu - filtr LC. Jeżeli chodzi o dobór rezonatora kwarcowego, to w zależności, czy f_P.CZ. = f_WE-f_LO, czy f_P.CZ. = f_LO-f_WE, dołączony rezonator kwarcowy powinien stanowić źródło częstotliwości, odpowiednio (f_WE- f_P.CZ.)/16 lub (f_WE+f_P.CZ.)/16.

Rysunek 6 przedstawia przykład wykorzystania odbiornika TH71101. Wybrane parametry tego układu to: czułość -113 dBm (ASK), -107 dBm (FSK), zakres p.cz. 400 kHz... 22 MHz, tłumienie sygnału lustrzanego >45 dB.

Na rysunku 7 przedstawiono natomiast schemat blokowy układu MLX- 71122, również z oferty firmy Melexis. Jest to odbiornik superheterodynowy z podwójną przemianą częstotliwości.

Próbkowanie bezpośrednie

Rys. 8. Odbiornik z próbkowaniem bezpośrednim

Postęp, jaki nastąpił w ostatnich latach w dziedzinie konstrukcji przetworników analogowo-cyfrowych, sprawił, że możliwe stało się bezpośrednie próbkowanie sygnałów o częstotliwościach radiowych (RF sampling), bez potrzeby ich wcześniejszego przetwarzania w sygnały o niższej częstotliwości. Dzięki przetwornikom, które są w stanie realizować to zadanie bez pogorszenia jakości sygnału, można konstruować odbiorniki w postaci, jak na rysunku 8.

Składa się on z trzech komponentów: wzmacniacza, wymaganych filtrów oraz przetwornika analogowo-cyfrowego. Ten ostatni przetwarza sygnał radiowy do postaci cyfrowej. Za dalszą jego obróbkę odpowiada procesor.

Rys. 9. Jeden komponent - przetwornik A/C - zastępuje kilka

Dzięki temu, że nie wykonuje się przemiany częstotliwości, znacznie upraszcza się konstrukcja odbiornika, zwłaszcza w porównaniu z odbiornikami superheterodynowymi, szczególnie tymi z podwójną przemianą częstotliwości. Jeden komponent - przetwornik A/C - zastępuje bowiem wiele elementów, w tym mieszacze, te, które tworzą generator lokalny, wzmacniacze i filtry p.cz. (rys. 9).

Przetworniki, które można wykorzystać do budowy odbiorników RF, ma w swojej ofercie wielu producentów. Jednym z nich jest Texas Instruments. Przykładowy układ to ADS5403.

Rys. 10. Schemat blokowy przetwornika ADS5403

Jest to jednokanałowy, 12-bitowy przetwornik A/C, o szybkości próbkowania do 500 MS/s, poborze mocy 1 W, współczynnikach SN_R i SFDR wynoszących odpowiednio 59,5 dBFS i 72 dBc, przy częstotliwości sygnału wejściowego 700 MHz oraz pasmie przenoszenia (3 dB) powyżej 1,2 GHz. Rysunek 10 przedstawia schemat blokowy przetwornika ADS5403.

Wśród jego bloków funkcyjnych można wyróżnić między innymi moduł, który wykrywa przekroczenie wartości granicznej sygnału na wejściu przetwornika, blok korekcji przeplatania (ADS5403 składa się z dwóch przetworników próbkujących sygnał na wejściu na zmianę, czyli z przeplotem czasowym), cyfrowy filtr decymacyjny, który można zaprogramować jako dolno- lub górnoprzepustowy oraz blok synchronizacji z innymi przetwornikami.

Monika Jaworowska