Odbiorniki radiowe. Przegląd podstawowych konfiguracji

Ostateczny projekt zależy od rodzaju, złożoności i ilości transmitowanych danych. Metody projektowania odbiorników w.cz. także zmieniły się na przestrzeni lat. Wpłynęło na to przede wszystkim zwiększenie możliwości dostępnych układów scalonych, głównie dzięki rozwojowi nowych technologii ich wytwarzania. Nie bez znaczenia jest także zmniejszenie kosztów, przy jednoczesnym wzroście funkcjonalności układów przetwarzających sygnały (procesory DSP). Jednak bez względu na architekturę układy odbiorników powinny spełniać pewne niezmienne wymagania, które dotyczą zakresu częstotliwości, budżetu energetycznego, wydajności oraz podstawowych parametrów: selektywności i czułości.

Odbiornik AM

Jednym z podstawowych układów jest odbiornik przeznaczony do przetwarzania sygnału zmodulowanego amplitudowo, czyli fali nośnej, w której zmiana wartości amplitudy odzwierciedla transmitowaną informację. Demodulację takiego sygnału można uzyskać przy użyciu prostego detektora diodowego. Schemat podstawowego odbiornika AM (rys. 1) obejmuje następujące elementy składowe: antenę, filtr, detektor diodowy i – opcjonalnie – wzmacniacz zapewniający odpowiedni poziom zdemodulowanego sygnału. Detektor diodowy w najprostszych rozwiązaniach odbiorników AM pracuje jako prostownik jednopołówkowy śledzący zmiany obwiedni zmodulowanego sygnału poprzez ładowanie i rozładowywanie kondensatora.

Istnieją różne modyfikacje modulacji amplitudy, które powstały ze względu na wady wersji podstawowej. Widmo sygnału zmodulowanego amplitudowo oprócz częstotliwości nośnej zawiera także składowe o częstotliwościach będących sumą i różnicą częstotliwości fali nośnej i częstotliwości sygnału informacyjnego. Są to tzw. wstęgi boczne nazywane tak dlatego, że w rzeczywistości sygnał, którym modulowana jest fala nośna, może zawierać wiele składowych o różnych częstotliwościach. Do odtworzenia oryginalnego sygnału jest potrzebna tylko jedna wstęga. Uzyskanie wąskiego pasma emisji i wysokiej sprawności energetycznej uzyskuje się za pomocą tłumienia jednej wstęgi bocznej i fali nośnej (SSB).

Odbiorniki o wzmocnieniu bezpośrednim

Kolejnym krokiem w rozwoju techniki radiowej było wprowadzenie odbiorników o wzmocnieniu bezpośrednim, których powstanie było związane z rozpowszechnieniem wzmacniaczy budowanych w oparciu o lampy elektronowe. Rozwiązanie to było powszechnie stosowane w pierwszych radioodbiornikach. W przeciwieństwie do późniejszych rozwiązań w odbiornikach o bezpośrednim wzmocnieniu nie stosowano przemiany częstotliwości, a zatem zadaniem detektora była demodulacja bezpośrednio odebranego sygnału w.cz. Zaletą tej prostej konstrukcji był przede wszystkim brak wpływu tzw. sygnału lustrzanego.

W odbiornikach wykorzystujących mieszanie częstotliwości jest to poważny problem, ponieważ przypadkowo odebrany sygnał lustrzany pogarsza jakość sygnału użytecznego. Każdy dodatkowy obwód rezonansowy zwiększał selektywność odbiornika. Wadą tego rozwiązania była jednak konieczność równoczesnego strojenia wszystkich obwodów, co stanowiło duże wyzwanie konstrukcyjne. Problemem było również to, że selektywność odbiornika malała wraz ze wzrostem częstotliwości. Wady tego rozwiązania przyczyniły się do rozpowszechnienia odbiorników z bezpośrednią przemianą częstotliwości oraz odbiorników superheterodynowych.

Przemiana bezpośrednia

Sposobem na uniknięcie konieczności stosowania wielu indywidualnie przestrajanych filtrów okazało się przeniesienie sygnału w.cz. w pasmo częstotliwości m.cz. Odbiornik z bezpośrednią przemianą (rys. 2), zwany też homodynowym, składa się z następujących modułów: obwodu wejściowego, mieszacza, czyli elementu, w którym następuje przeniesienie sygnału odebranego w antenie w pasmo m.cz., generatora lokalnego oraz filtru i wzmacniacza małej częstotliwości. Cechą charakterystyczną tego rozwiązania jest podwójna rola mieszacza, pełniącego jednocześnie rolę detektora. Inną konfiguracją są tzw. odbiorniki superheterodynowe (rys. 3), w których stopień przemiany częstotliwości jest oddzielony od bloku detektora.

W grupie odbiorników tego typu wyróżnia się dwie zasadnicze struktury: odbiornik superheterodynowy z pojedynczą i podwójną przemianą częstotliwości.

Odbiornik superheterodynowy

W układzie superheterodynowym zmodulowany sygnał w.cz. jest przetwarzany w sygnał o niższej częstotliwości poprzez zmieszanie wejściowego sygnału w.cz. z sygnałem o innej częstotliwości, który jest wytwarzany przez układ generatora lokalnego, tzw. heterodynę. Mieszanie częstotliwości jest przeprowadzane w elemencie o charakterystyce nieliniowej (dioda, tranzystor). W wyniku tej operacji powstaje sygnał odkształcony, który oprócz składowych o częstotliwości w.cz. (f_w.cz.) i częstotliwości heterodyny (f_h) (oraz ich wielokrotności) zawiera także składowe o częstotliwościach będących ich sumą i różnicą.

Za mieszaczem wprowadza się filtr, który jest dostrojony do jednej z tych składowych, na przykład f_h–f_w.cz., nazywanej częstotliwością pośrednią p.cz. (IF). Częstotliwość pośrednia jest stała. Elementem przestrajanym jest natomiast heterodyna. Częstotliwość generatora lokalnego jest zmieniana w zależności od odbieranego sygnału.

Sygnał lustrzany

Wadą odbiorników z przemianą częstotliwości jest konieczność zapewnienia tłumienia tzw. sygnału lustrzanego (rys. 4) docierającego do anteny. Wyjaśnienie niekorzystnego wpływu sygnału lustrzanego warto prześledzić na przykładzie. Zakładamy, że zmodulowany sygnał ma częstotliwość 100 MHz, a heterodyna generuje przebieg o częstotliwości 110,7 MHz. W wyniku zmieszania obu sygnałów powstaje między innymi przebieg o częstotliwości f_h–f_w.cz. = 10,7 MHz. Do tej częstotliwości dostrojony jest filtr p.cz.. Załóżmy, że do anteny dociera również sygnał o częstotliwości 121,4 MHz. Jest to właśnie sygnał lustrzany, czyli przebieg o częstotliwości różniącej się od częstotliwości pożądanego sygnału o wartość równą podwojonej częstotliwości pośredniej.

Jeżeli sygnał lustrzany nie zostanie wytłumiony przez obwody wejściowe to w wyniku zmieszania tego sygnału i sygnału z generatora lokalnego również powstanie przebieg o częstotliwości 10,7 MHz. Będzie on zakłócał poprawny odbiór pożądanego sygnału niosącego informację użyteczną. Rozwiązaniem problemu z zakłócaniem odbioru przez sygnały lustrzane jest stosowanie konfiguracji odbiornika superheterodynowego z podwójną przemianą częstotliwości.

Podwójna przemiana częstotliwości

Im większa jest częstotliwość pośrednia, tym większy jest odstęp pomiędzy częstotliwością użytecznego sygnału w.cz. i częstotliwością sygnału lustrzanego. Dzięki temu zwiększa się prawdopodobieństwo wytłumienia przebiegu zakłócającego w obwodzie wejściowym. Dlatego 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). Ze względu na mniejszą wartość f_p.cz.2 drugi stopień przemiany zapewnia lepszą selektywność.

Działanie opisywanego odbiornika superheterodynowego warto prześledzić na przykładzie (rys. 3). Załóżmy, że do anteny dociera sygnał o częstotliwości 25 MHz, a częstotliwość pośrednia pierwszego stopnia przemiany wynosi 20 MHz. Wynika z tego, że heterodyna powinna generować przebieg o częstotliwości 45 MHz. Sygnałem zakłócającym w takim przypadku byłby przebieg lustrzany, który można w prosty sposób wyeliminować w obwodach wejściowych ze względu na jego blisko trzykrotnie większą częstotliwość (65 MHz) w porównaniu z częstotliwością sygnału użytecznego. W związku z tym, że sygnał o stałej częstotliwości pośredniej f_p.cz.1 staje się przebiegiem wejściowym drugiego stopnia przemiany, nie ma konieczności przestrajania drugiego generatora lokalnego. Przy założeniu stałej f_p.cz.2 równej 0,465 MHz heterodyna numer 2 powinna generować przebieg o częstotliwości 20,465 MHz.

Obwody wejściowe i heterodyna

Podstawowym elementem każdego toru przetwarzania odbiornika są obwody wejściowe, a w przypadku konfiguracji z przemianą częstotliwości także heterodyna i mieszacz. Głównym zadaniem obwodów wejściowych jest wydzielenie z sygnałów docierających do anteny przebiegu o konkretnej częstotliwości, doprowadzenie go do kolejnego stopnia przetwarzania układu z jak najmniejszymi stratami oraz tłumienie wszystkich sygnałów zakłócających docierających do anteny. Najważniejszym parametrem obwodów wejściowych jest więc selektywność. Istotny jest również zakres przestrajania oraz pasmo przenoszenia. Generatorem lokalnym może być oscylator przestrajany napięciem (VCO).

W ostatnich latach rozwinęło się także wiele innych metod, w tym bezpośrednia synteza cyfrowa (DDS), które są używane do generacji przebiegów o pożądanej częstotliwości. Heterodyna powinna umożliwiać generację sygnałów w określonym paśmie i przestrajanie z odpowiednim krokiem częstotliwości. Dodatkowo powinien cechować ją odpowiednio niski poziom szumów fazowych w danym paśmie pokrywającym się z szerokością kanału. Sygnał wyjściowy generatora powinien również charakteryzować się odpowiednim poziomem potrzebnym do wysterowania mieszacza.

Często konieczne okazuje się zastosowanie dodatkowego wzmacniacza. Jego zadaniem jest zapewnienie takiego poziomu sygnału, aby straty przemiany w mieszaczu były do zaakceptowania. W przypadku urządzeń przenośnych dodatkowym istotnym parametrem heterodyny staje się zasilanie i pobór mocy.

Mieszacze, wzmacniacze

Mieszacze są budowane głównie w oparciu o nieliniowe elementy półprzewodnikowe (diody, tranzystory). Ze względu na prostotę konstrukcji w urządzeniach bezprzewodowych dominują rozwiązania odbiorników wykorzystujących mieszacze diodowe. Najpopularniejsze konfiguracje układów tego typu to mieszacze pojedyncze (single-ended) oraz mieszacze pojedynczo lub podwójnie zrównoważone.

Możliwe są różne dodatkowe modyfikacje wymienianych układów, na przykład mieszacze z eliminacją sygnałów lustrzanych (image-reject mixers), które znajdują zastosowanie przede wszystkim w zakresie wielkich częstotliwości (GHz). Najprostszym mieszaczem diodowym jest mieszacz pojedynczy, należący do grupy wzmacniaczy sumacyjnych. Układ ten jest zbudowany z transformatorów sprzęgających sygnały wejściowe (w.cz. i heterodyny) z mieszaczem, pojedynczej diody oraz filtru wyjściowego dostrojonego do pożądanej częstotliwości.

Drugi rodzaj mieszaczy to mieszacze iloczynowe, w których sygnał wejściowy i sygnał z heterodyny są doprowadzane do dwóch niezależnych wejść. Przykładem układu tego typu jest mieszacz zrównoważony. Stosuje się go, aby wyeliminować niepożądane składowe o częstotliwości heterodyny, przenikające do wzmacniacza częstotliwości pośredniej znajdującego się za mieszaczem.

Układ składa się z dwóch diod połączonych w taki sposób, aby na wyjściu mieszacza nie pojawiało się napięcie o częstotliwości heterodyny. Modyfikacja tego układu, mieszacz podwójnie zrównoważony, zawiera cztery diody (rys. 5) i pozwala także na eliminację wpływu składowych sygnału odbieranego. Straty przemiany w obu typach mieszaczy są porównywalne. Istnieją także mieszacze aktywne, która są powszechnie produkowane w postaci układów scalonych i pozwalają na zmniejszenie strat przemiany, a nawet umożliwiają wzmocnienie przetwarzanego sygnału. Dzięki temu mogą współpracować z generatorami lokalnymi o niższym poziomie sygnału wyjściowego. Popularną strukturą jest mieszacz Gilberta, który zyskał uznanie ze względu na korzystne parametry: niski pobór mocy i duże wzmocnienie.

Wzmacniacze w odbiorniku muszą się charakteryzować niskim poziomem szumów i odpornością na przesterowanie. Ważne jest również to, aby wejściowy wzmacniacz niskoszumowy (LNA) był w stanie zapewnić odpowiednie wzmocnienie sygnału. Związany z tym parametr SNR na wejściu kolejnego stopnia odbiornika powinien osiągnąć poziom umożliwiający dalsze poprawne przetwarzanie sygnału. Podobnie jak w przypadku filtrów, także konkretne cechy wzmacniaczy LNA zależą od tego, w którym miejscu toru odbiornika dany układ jest umieszczony.

Najważniejsze parametry wzmacniaczy to szerokość pasma, współczynnik szumów, wzmocnienie, napięcie zasilania, pobór mocy i liniowość. W idealnym przypadku wzmacniacz LNA powinien zapewniać wystarczające wzmocnienie do odtworzenia słabych sygnałów, jak również nie powinien wprowadzać nadmiernych zniekształceń w przypadku sygnałów o dużej amplitudzie.

Rozwiązania cyfrowe

Obecnie większość analogowych elementów toru częstotliwości pośredniej może być realizowana w technice cyfrowej, a całość takiego rozwiązania określa się terminem SDR – Soft ware Defined Radio. To dlatego, że coraz częściej takie operacje, jak filtrowanie sygnałów oraz przemiana częstotliwości, będące dotychczas domeną elektroniki analogowej, są realizowane za pomocą filtrów cyfrowych i procesorów sygnałowych. Zdarza się też, że sygnały o częstotliwości pośredniej są przetwarzane do postaci cyfrowej w układach przetworników A/C i dopiero wówczas demodulowane w procesorze DSP.

W takim przypadku wybór przetwornika A/C jest zdeterminowany głównie przez typ architektury odbiornika. Wpływa na to selektywność filtrów, zakres dynamiczny wzmacniaczy oraz szerokość pasma i rodzaj stosowanej modulacji. Poziom sygnału doprowadzonego do przetwornika A/C narzuca zastosowanie odpowiedniej rozdzielczości. Na przykład w przypadku odbiornika z podwójną przemianą częstotliwości dedykowanego aplikacji w standardzie IEEE 802.16 do przetwarzania sygnału p.cz. stosuje się 12- bitowe przetworniki. W przypadku stosowania pojedynczej przemiany, gdy częstotliwość pośrednia jest wyższa, stosuje się przetworniki charakteryzujące się wyższą, 14-bitową rozdzielczością. Jest to spowodowane mniejszą selektywnością tego typu odbiorników.

Rozpowszechnienie układów cyfrowych sprawia, że obecnie decyzja o tym, które funkcje odbiornika mają być realizowane analogowo, a które cyfrowo, zależy od takich czynników jak wydajność, koszt, rozmiar oraz pobór mocy. W praktycznie każdym dowolnym urządzeniu, którego działanie opiera się na transmisji bezprzewodowej, można wyróżnić układy scalone składające się z modułów realizujących większość funkcji analogowego przetwarzania sygnałów, w tym filtrowanie, demodulację i wzmocnienie.

Wieloukładowe rozwiązania pokazują, jak bardzo wszechobecna tendencja do miniaturyzacji wpływa na projektowanie odbiorników. Integracja coraz większej liczby funkcji w pojedynczym układzie scalonym wpływa na właściwości gotowego urządzenia istotne z punktu widzenia użytkowników (niski koszt, mały pobór mocy, mały rozmiar). Jednak bez względu na poziom integracji podstawowe elementy architektury odbiorników i zasadnicze etapy przetwarzania odebranego sygnału pozostają niezmienione.

Monika Jaworowska