Наименование Артикул Цена Скидка К-во Стоимость
{$description} {$articul} {$price} {$sum} 1
Всего: ${quantity} ${sum}
Корзина заказов:
Ваша корзина пуста



9. Требования к параметрам приемника

на главную Статьи ЧАО «Рокс» 9. Требования к параметрам приемника

9. Требования к параметрам приемника

9.1. Требования к динамическому диапазону радиочастотной системы
Динамический диапазон приемника часто ограничивается параметрами аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Для получения достаточной чувствительности приемника в самом худшем случае желательно достигнуть величины системного NF плюс потери на исполнение меньшей, чем 6,5 дБ. Если допустить для АЦП добавление 0,5 дБ к NF приемника, то приведенный к входу шум АЦП должен быть приблизительно на 10 дБ ниже шумов других шумовых источников в приемнике. При полосе пропускания 2,5 МГц отнесенная к входу мощность шума при NF = 5,5 дБ равна приблизительно -103,1 дБм, так что шум АЦП, отнесенный к антенне, должен быть меньше чем -113,1 дБм. Максимальная мощность сигнала в антенне -45 дБм, а отношение пиковой мощности к средней (PAR) составляет 8дБ (в некоторых случаях оно может достигать и 12дБ). С учетом величины изменения усиления на краю полосы на 3 дБ получим, что полный уровень сигнала на входе АЦП должен быть равен -34 дБм. На практике рассчитанный таким образом динамический диапазон может оказаться неадекватным. Вполне можно допустить, что максимальный уровень входного сигнала, равный–45 дБм не соответствует особенностям применения, потому что передатчик может приблизиться к приемнику на расстояние всего 10 - 20 см. Как показано на рисунке 7, потери на трассе могут снизиться до 20 дБ, что приведет к уровню на входе приемника–42 дБм. Проблема перегрузки приемника может стать еще более ощутимой при использовании антенн с более высокими коэффициентами усиления.
На практике эти требования могут привести к необходимости повышения разрядности АЦП до величины, превышающей 14 бит. Особенно это накладно в приемниках, поддерживающих несколько входов (Antenna Diversity), так как схема приемника Antenna Diversity потребует применения, по меньшей мере, двух относительно дорогих многоразрядных АЦП, что неприемлемо по стоимости для потребителя. С учетом непрактичности такого подхода, нужно найти другой подход, который позволит достигнуть не только требуемых параметров, но и низкой цены.
Для начала при вычислении динамического диапазона примем величину коэффициента усиления приемника постоянной. Пристальное рассмотрение RCT показывает, что для получения указанного уровня чувствительности в действительности нет необходимости в приеме сигнала с уровнем –45 дБм при той же величине коэффициента усиления.

Таким образом, как показано на рисунке 4, динамический диапазон АЦП должен составлять приблизительно 79,1 дБ (эффективное число битов, ENOB = 12,8 битов) для режима с полосой пропускания 2,5 МГц и без использования АРУ. При увеличении полосы пропускания до 10 МГц уровень шума уменьшается до 4,5 дБ, но частота квантования увеличивается, что приводит к тем же требованиям по качеству для АЦП.
Для резкого уменьшения динамического диапазона на входе АЦП может использоваться автоматическая регулировка усиления (АРУ). Проектировщики систем знают, что применение регулировки усиления - намного более дешевое решение, чем увеличение динамического диапазона АЦП. Неудобство при использовании регулировки усиления состоит в том, что несколько отличающихся по уровню сигналов не могут быть приняты одновременно. Если, например, усиление будет уменьшено для того, чтобы устройство смогло принимать сигналы большого уровня, то возросший вследствие этого коэффициент шума будет мешать приему слабых сигналов. В нашей разработке это несущественно, поскольку приемник будет принимать сигнал только одного передатчика.
Для того чтобы продемонстрировать, каким образом АРУ может использоваться для повышения динамического диапазона, обратимся к рисунку 5, на котором показаны зависимости величины ошибки амплитуды вектора (EVM) от величины входной мощности при разных коэффициентах усиления. Наилучшая чувствительность достигается при наибольшей величине коэффициента усиления, которая равна 75 дБ, но при этом EVM уменьшается только на 15 дБ при уровне входного сигнала -67 дБм. Снижение коэффициента усиления, например, до 54 дБ позволяет работать при уровне входной мощности -45 дБм при потере чувствительности только на 4 дБ.

При оценке динамического диапазона радиосистемы должны быть получены ответы на такие вопросы:
- Если передатчик работает при минимальном уровне мощности, на какое расстояние может приблизиться к нему приемник для того, чтобы уровень принимаемой мощности был равен -45 дБм?
- Если приемник принимает сигнал с уровнем -45 дБм, то до какой величины должен быть уменьшен коэффициент усиления приемника и до какого уровня возрастет при этом коэффициент шума?

Для того чтобы ответить на поставленные вопросы, воспользуемся вычислениями потерь на трассе передачи, которые приведены на рисунке 7. Одна из линий соответствует режиму «прямой видимости» (LOS), а другая режиму «без прямой видимости» (NLOS) и показывают потери на трассе для обоих случаев.

Если уровень передаваемой передатчиком мощности равен -22 дБм, а максимальная мощность на входе приемника равна -45 дБм, то минимальные потери на трассе составят 23 дБ, что соответствует расстоянию всего 15 см. То есть, приемник и передатчик находятся в одном месте!
В таблице 1 представлены расчетные значения максимального расстояния и расстояния, соответствующего уровню на входе приемника -45 дБм при различных модуляциях и полосе канала 2,5 МГц.

Использование регулировки усиления значительно в большей степени способствует расширению динамического диапазона, чем применение АЦП с очень высоким разрешением: во-первых, потому что при применении АРУ при низком уровне принимаемого сигнала для уменьшения шумов АЦП может использоваться высокое усиление. Обычно АЦП добавляет к шумам приемника не более 0,15 дБ при максимальном усилении. По сравнению с этим, АЦП с большим разрешением добавит к NF 0,5 дБ при той же величине динамического диапазона. Поскольку потери на трассе пропорциональны 30lg(d), то на 0,5 дБ больший NF по сравнению с системой с фиксированным усилением снизит максимальное расстояние примерно на 4%. Эти вычисления были выполнены в предположении, что коэффициенты усиления антенн равны 0 дБи, но в реальных системах могут использоваться антенны с большими коэффициентами усиления. При применении антенн с более высокими коэффициентами усиления приемник будет воспринимать еще больший сигнал передатчика в тех случаях, когда передатчик будет вести передачу на максимальной для данного расстояния мощности. Для приема сигнала такого высокого уровня приемник должен будет еще более понизить усиление, что приведет к увеличению NF приемника. В этом случае только быстрая АРУ может предотвратить срыв приема при высоких входных уровнях сигнала. Как уже было сказано ранее, для нашего случая это неактуально, благодаря чему появляется возможность увеличить коэффициенты усиления антенн, а систему АРУ сделать медленной.

Вывод. Использование эффективной АРУ в приемнике является обязательным.

9.2. Соотношение потребляемая мощность/параметры для тракта Rx
Из-за ограничений по стоимости и размерам необходимо остановить выбор на технологии приема с разделением, при которой используются только две приемных антенны. Для того чтобы полностью реализовать потенциальные возможности сдвоенного приемника, радиочастотные тракты приемника, так же как и большая часть цифровой схемы входного устройства, должны в принципе полностью дублироваться. Однако при продуманном проектировании, при котором используется много общих элементов радиочастотной схемы и модулей обработки сигнала, только приблизительно 15 % РЧ тракта и приблизительно 10 % модулей модема основной полосы должны дублироваться.
Учитывая, что при этом достигается большой выигрыш по параметрам, это - очень благоприятный обмен. Необходимо также учитывать расход энергии источника питания, который является весьма важным параметром для мобильных терминалов, которые обычно используют батарейное питание. Эта проблема может быть решена за счет эффективного использования концепции динамического разделения. Основная идея динамического разделения состоит в том, что за счет оценки качества связи на стороне приемника, полный режим разделения по уровню мощности используется только в том случае, когда связь становится ненадежной. За счет использования данного метода при небольшом дополнительном расходе энергии возможно существенное повышение качества связи.
Вывод. Поскольку в проектируемой системе ограничения по массе, габаритам и потреблению для приемника менее критичны, чем для передатчика, остановим свой выбор на схеме с двумя ветвями разделения и без использования алгоритма динамического разделения.

9.3. Увеличение усиления системы и расстояния за счет приема с разделением
Чтобы получить полный выигрыш по усилению за счет разделения для OFDM, принимаемые сигналы, полученные от двух радиочастотных трактов, объединяются для каждой поднесущей или набора частот раздельно. Основная идея состоит в том, чтобы перед демодуляцией суммировать два сигнала таким образом, чтобы больший упор был сделан на сигнал, испытывающий меньшие интермодуляционные замирания. Такая операция суммирования вообще нелинейна, а ее оптимальная схема известна как Суммирование Максимального Отношения. Суммирование производится на базе поднесущей. Существуют также и другие эффективные алгоритмы суммирования, которые дают близкие к оптимальным параметры при значительном сокращении аппаратных средств.
Применив технологию сдвоенного Rx, можно получить увеличение отношения сигнал/шум на 8 дБ при 1 % PER. Это может также интерпретироваться таким образом, что технология сдвоенного Rx позволяет  достигнуть того же самого PER, как и обычная схема Rx, но при среднем отношении сигнал/шум на 8 дБ меньше. Легко видеть, что преимущество в SNR приводит к увеличению дистанции, так как существует более или менее монотонное соотношение между расстоянием и мощностью сигнала. Обратимся к известной модели потерь на трассе распространения сигнала, рекомендуемой Международным Телекоммуникационным Союзом (ITU):

Где PL – это потери на трассе (потери мощности сигнала) в дБ, fg – частота в ГГц, n – экспонента параметрических потерь и dm – расстояние в метрах.
На основе этого соотношения между мощностью сигнала и расстоянием, можно прямо рассчитать увеличение расстояния вследствие увеличения бюджета SNR, которое вызвано применением технологии сдвоенного приема. В процентах это увеличение может быть рассчитано по формуле:

При n равном 3,1 и соответствующем бюджете SNR 8дБ увеличение расстояния будет составлять около 80%.
Предполагается, что параметры замираний для двойных трасс полностью независимы. Это предположение вполне соответствует среде с очень большим рассеянием и случаю применения приемных антенн, разнесенных на интервалы (базы разделения) большие, чем половина длины волны на радиочастоте. Несмотря на это, в некоторых реальных каналах две трассы могут быть статистически коррелированы. Тем не менее, замечено, что даже для коррелированных трасс улучшение параметров за счет разделения все еще является существенным. По сравнению с обычной схемой Rx усиление в этих условиях составляет приблизительно 5 дБ. Согласно модели для потерь на трассе ITU это переводит к увеличению расстояния на 45 %.
Возможности приемника OFDM часто ограничены фазовым шумом в петлях RF PLL. Таким образом, способность приемника эффективно противодействовать фазовому шуму имеет первостепенную важность для успешного приема OFDM. Технология сдвоенного Rx намного менее чувствительна к фазовому шуму, чем технология обычного с одной антенной тракта Rx. Например, чтобы достигнуть PER=1%  или лучше, обычный с единственным трактом Rx приемник может работать в условиях фазового шума только до -86 дБн/Гц, тогда как сдвоенный Rx может нормально работать при фазовом шуме до -80,5 дБн/Гц. Это показывает, что приемник со сдвоенным каналом Rx  в присутствии большого фазового шума ведет себя значительно лучше.
Исходя из вышесказанного, для максимального улучшения энергетики радиолинии и ее готовности в условиях NLOS выбираем схему приемника с разделенным приемом (Antenna Diversity).

9.4. Методы приема при антенном разделении
Антенное разделение – это один из наиболее важных методов приема, позволяющий за счет незначительных дополнительных затрат существенно улучшить работу недорогих приемников. Он может помочь смягчить действие ухудшающих качество радиоканала факторов, таких как многолучевой режим распространения, образование областей «радиотени» и интерференционные искажения, которые способны серьезно ухудшить параметры системы, а иногда и вовсе сделать ее неработоспособной. При использовании нескольких антенн бюджет линии связи может быть существенно улучшен за счет подавления замираний в канале, а в некоторых случаях - за счет использования усиления системы антенн. Существует несколько методов увеличения усиления за счет разделения, которые могут быть ранжированы по степени сложности. Основные их типы – это Суммирование при Разделении за счет Переключения (SDC), Суммирование Равного Усиления (EGC) и Суммирование Максимального Отношения (MRC). Метод SDC основан на переключении нескольких ветвей приемника и выборе той из ветвей, которая позволяет получить при приеме максимальное отношение сигнал/шум. Для того чтобы система работала должным образом, необходимо, чтобы каждая ветвь приемника со своей антенной обладала соответствующей независимой по отношению к замираниям характеристикой. Для достижения этого антенны должны быть или пространственно разнесены, или иметь различную поляризацию, или использовать и то, и другое в комплексе.
Пространственная корреляция антенн может быть аппроксимирована функцией Бесселя нулевого порядка, которая показывает, что для того, чтобы получить ветви с некоррелированными антеннами, необходимо обеспечить пространственное разнесение антенн на величину, большую четверти длины волны, не забывая о требовании достижения малых размеров для приемника.
Для получения оптимальных параметров при использовании метода SDC процесс выбора нужной ветви разделения и получения данных должен быть закончен в продолжение периода времени когерентности. Время когерентности – это период времени, на протяжении которого распространяющиеся волны сохраняют почти постоянное отношение фаз одновременно и во времени, и в пространстве. При потере когерентности антенна должна быть выбрана повторно за счет отслеживания изменений в канале. Процесс продолжается до окончательного выбора оптимальной антенны.
Для систем с временным дуплексом (TDD), в которых наблюдается взаимность характеристик каналов uplink (UL) и downlink (DL), выбранная приемная антенна может также использоваться как передающая.
Хотя метод SDC является наиболее простым, тем не менее, при разработке эффективного алгоритма с его помощью может быть получено большое усиление за счет разделения для системы в целом.
Есть два фактора, позволяющие оценить степень увеличения усиления при применении схем антенного разделения. Это усиление за счет разделения и усиление системы антенн (антенной решетки). При изменении параметров канала, усиление за счет разделения эквивалентно уменьшению изменений усиления при флуктуациях уровня отдельного сигнала в системе из нескольких антенн по отношению к флуктуациям при приеме на одну антенну.
К увеличению усиления за счет разделения приводит уменьшение глубины замираний за счет обработки сигналов, получаемых от нескольких антенн. Оно является следствием того, что каждая из антенн в мультиантенной системе принимает независимо замирающие во времени и в пространстве сигналы. Второй показатель качества – усиление антенной решетки состоит в аккумулировании усиления антенн, которое связано с повышением направленности мультиантенной решетки. В типичной системе при увеличении количества элементов антенной решетки усиление возрастает в 10*log (n) раз, где n – количество элементов антенной решетки. Это означает, что при каждом удвоении количества элементов решетки усиление также возрастает в два раза (т. е. на 3 дБ).
Второй из главных методов антенного разделения – это EGC.  В отличие от выбора одной из n антенн, как в методе SDC, этот метод предполагает использование алгоритма суммирования мощностей, поступающих от всех антенн. Несколько сигналов, поступающих от независимых ветвей, выравниваются по фазе, а  усиление в каждой из ветвей устанавливается равным единице (равное усиление). Затем сигналы отдельных ветвей суммируются. При методе антенного разделения EGC достигается усиление за счет разделения с одновременным использованием усиления антенной решетки. Таким образом, за счет метода EGC достигается более высокий уровень усиления за счет разделения, чем за счет метода SDC.
Для достижения близкого к оптимальному усиления за счет разделения, необходимо использовать метод Суммирования Максимального Отношения (MRC). Этот метод подобен методу EGC с тем лишь различием, что данный алгоритм перед суммированием мощностей сигналов от всех антенн требует подстройки и по фазе, и по усилению для каждого из элементов разделения.
Суммирование сигналов в системе Antenna Diversity может быть произведено как  в аналоговой, так и в цифровой частях приемника. Если суммирование производится в цифровой части, радиочастотные аппаратные средства для каждой из независимых антенных ветвей должны использоваться на участке от РЧ входа до блока основной полосы.
Если метод MRC реализуется в аналоговой части, суммирование может быть произведено прямо на РЧ. При обработке в цифровой области достигаются лучшие параметры, поскольку параметры частотно - селективного канала компенсируются в каждой из ветвей. При аналоговом MRC среднее искажение в канале используется для компенсации изменений фазы и амплитуды между отдельными элементами антенной решетки. При цифровом MRC дискретные частотные компоненты, попадающие в полосу пропускания, выравниваются по фазе и индивидуально взвешиваются на основе оценки SNR в приемнике. Метод MRC реализует самое высокое усиление за счет разделения по сравнению с другими упоминавшимися методами. 
Несмотря на то, что сложность реализующего данный метод оборудования высока, затраты при исполнении MRC могут быть уменьшены благодаря лучшей интеграции на РЧ и уменьшению геометрических размеров КМОП интегральных схем процессоров основной полосы.

Тем не менее, благодаря более простому алгоритму и более простой реализации приемника, остановимся на выборе метода SDC с обработкой сигналов ветвей разделения в цифровой части приемника.



 




mediasat

search_ch



вверх
Рокс © 2007—2020. Спутниковое телевидение. Все права защищены