Исследование и разработка универсального радиочастотного тракта приемника сотовой связи тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат технических наук Макаров, Евгений Валерьевич

• Макаров, Евгений Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Макаров, Евгений Валерьевич

Введение

1. Требования к приемным трактам мобильных терминалов стандартов GSM, UMTS. Сравнительный анализ структур радиоприёмных трактов. Выбор наиболее перспективных вариантов для реализации универсального радиоприёмного тракта

1.1. Требования, предъявляемые к приемным трактам стандартов GSM и

1.2. Обеспечение узлами РЧ тракта основных показателей спецификаций стандартов GSM/EDGE и UMTS

1.3. Структурные схемы для построения радиотрактов приёмников современных мобильных терминалов 3 О

1.3.1 Супергетеродинный приемник

1.3.2 Приемники с низкой ПЧ (Low-IF)

1.3.3 Приемники с «цифровой» ПЧ

1.3.4 Приемник прямого преобразования частоты с обработкой сигналов в квадратурных каналах (Zero-IF)

1.3.5 Выбор основной структуры построения тракта для многодиапазонного приемного устройства стандартов GSM и UMTS

1.4. Анализ современных и перспективных тенденций построения и оптимизации структур радиоприемного тракта для многодиапазонных мобильных устройств

Выводы по первой главе

2. Предварительный анализ возможности реализации РЧ радиоприёмного тракта для совмещённой обработки сигналов GSM и UMTS

2.1. Расчет приемного тракта для стандартов GSM и UMTS

2.1.1 Определение требований к узлам приемного тракта для стандарта UMTS

2.1.1.1 Определение максимального коэффициента шума в приемнике

2.1.1.2 Избирательность по соседнему каналу

2.1.1.3 Оценка требований приемного тракта к уровню интермодуляционных помех

2.1.2 Определение требований к узлам приемного тракта для стандарта GSM(EDGE)

2.1.2.1 Определение максимального коэффициента шума приемника

2.1.2.2 Оценка требований приемного тракта к уровню интермодуляционных помех

2.2. Определение требований к параметрам отдельных узлов тракта

2.3. Дополнительные требования к узлам приемного тракта

Выводы по второй главе

3. Исследование влияния на помехоустойчивость неидеальной работы узлов универсального радиоприёмного тракта.

3.1. Теоретические оценки помехоустойчивости идеализированного приёмного тракта для сигналов цифровой манипуляции наиболее близких к стандартам GSM и UMTS

3.2. Частные случаи расчета помехоустойчивости приема для схемы приемника прямого преобразования

3.2.1 Влияние фазовых шумов синтезатора частот на помехоустойчивость приема

3.2.1.1. Оценка допустимого значения дисперсии фазовых шумов синтезатора частоты для обеспечения требуемой вероятности ошибки приема

3.2.2 Оценка влияния смещения постоянной составляющей в квадратурном демодуляторе на помехоустойчивость приёмного тракта

3.3. Исследование влияния неидеальной работы узлов радиоприёмного тракта на вероятность ошибки приема методом компьютерного моделирования

3.3.1 Описание имитационной модели для исследования влияния неидеальной работы узлов тракта на его помехоустойчивость

3.3.1.1 Влияние разбалансов амплитуд и фаз в 1С> - демодуляторе на помехоустойчивость приемника прямого преобразования

3.3.1.2 Влияние паразитного смещения постоянной составляющей на выходе квадратурного демодулятора на помехоустойчивость приема

3.3.1.3 Влияние шумов синтезатора частот на помехоустойчивость приема

3.3.2. Исследование влияния параметров фильтров нижних частот и АЦП в аналоговой части «бэйсбенд» тракта на изменение отношения сигнал/шум

3.3.2.1 Исследование влияния параметров узлов фильтрации в низкочастотном тракте на величину отношения сигнал/шум

3.3.2.2 Исследование влияния параметров АЦП на потери отношения сигнал/шум

3.4. Итоговые ограничения на параметры, характеризующие неидеальную работу узлов тракта приема, полученные в результате моделирования

Выводы по третьей главе

4. Методика расчета универсального радиоприёмного тракта систем мобильной связи GSM и UMTS и рекомендации по его реализации

4.1. Получение аналитических соотношений зависимостей вероятности ошибки от параметров, характеризующих неидеальную работу узлов радиоприемного тракта

4.1.1 Результаты моделирования случаев неидеальной работы узлов тракта и их аппроксимация

4.1.1.1 Аппроксимация влияния разбаланса амплитуд и фазы в IQ -демодуляторе приемника прямого преобразования на величину вероятности ошибки

4.1.1.2 Аппроксимация зависимостей влияния шумов синтезатора частот и смещения постоянной составляющей на помехоустойчивость приемника прямого преобразования

4.2. Оценка требований к основным параметрам радиоприёмных трактов стандартов GSM и UMTS с помощью программного комплекса расчёта и проектирования

4.3. Рекомендации по использованию конкретных схем отдельных узлов Радиоприемных трактов

4.3.1 Использование активных фильтров на переключаемых конденсаторах в качестве ФНЧ на выходе смесителя в приемнике прямого преобразования

4.3.2 Использование компенсационной схемы в качестве ПФ в преселекторе радиоприемного тракта

Выводы по четвертой главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка универсального радиочастотного тракта приемника сотовой связи»

Стандарты сотовой связи второго поколения, к которым относятся GSM и CDMA IS-95, изначально были ориентированы преимущественно на предоставление услуг голосовой связи. Однако в скором времени мобильные телефоны стали использоваться для обеспечения доступа в интернет. Дальнейшее совершенствование сетей, технологий, расширение спектра интернет-ориентированных услуг связи требовали от стандартов сотовой связи постоянного увеличения скорости передачи данных (рисунок В.1)

1,2,3].

UMTS

EDGE

GPRS HSCSD GSM 384k

Высоко-юе еедео

Водео среднего качества

Мобильный офис

1яйпб!-г0аф«кэ internet-текст

E-mal

Рисунок В.1. Увеличение скорости передачи данных в сетях сотовой связи

Наращивание возможностей сетей связи принципиально можно было обеспечить двумя путями: революционным и эволюционным. Революционный метод связан с внедрением и развитием новых стандартов сотовой связи, он не выгоден для операторов связи, так как связан с затратами на развертывание фактически новых сетей (закупку и монтаж нового оборудования). Эволюционный метод модернизации систем сотовой связи предполагает увеличение ее возможностей за счет частичного обновления оборудования существующих сетей, не требующего значительной перестройки структуры существующей сети. Однако данный метод тоже связан с совершенствованием технологий в существующем стандарте, но при неизменных основных его характеристиках (ширине рабочего канала, частотного диапазона и т.п.).

В Российской Федерации до последнего времени операторы в основном использовали эволюционный подход в развитии сотовых сетей, что было обусловлено следующими основными причинами:

• решением вопроса перераспределения частотного спектра между различными наземными службами для высвобождения необходимых диапазонов частот;

• большой территориальной протяженностью страны и необходимостью больших зон её покрытия сотовой связью;

• отсутствием широкого интереса к новым видам услуг,' предоставляемых новыми поколениями систем сотовой связи высокая цена и т.д.).

Получив широкое распространение в России, стандарт GSM первоначально обеспечивал скорость передачи данных 9,6 кбит/с (фактически ее было достаточно для организации работы электронной почты и передачи коротких сообщений - SMS). Первым шагом в направлении совершенствования существующих сетей GSM стала реализация технологии HSCSD. Она позволила поддерживать передачу данных со скоростью 19,2 кбит/с (2 канальных интервала по 9,6 кбит/с) или 28,8 (2x14,4) кбит/с. Внедрение HSCSD со скоростью до 28,8 кбит/с требует в основном модификации программных средств и протоколов обмена, при этом инфраструктура действующей сети GSM остается неизменной. Одним из важных шагов на пути эволюции сетей GSM к UMTS и IMT-2000 стало внедрение услуг пакетной передачи GPRS (General Packet Radio Service). Система GPRS обеспечивает сквозную передачу данных (от абонента до абонента) в пакетном режиме по IP-протоколу с повышением скорости передачи до 115,2 кбит/с. Неофициально данный стандарт относят к так называемому поколению 2.5G.

Однако скорость передачи данных в сетях, работающих с технологией GPRS, сильно зависит от многих факторов: от скорости передвижения абонентов, от количества абонентов, обслуживающихся в данный момент в соте и т.д.

В рамках эволюционного перехода существующих систем связи к более скоростным технологиям используется несколько приемов. Одним из методов увеличения ■ скорости передачи данных в - системах сотовой связи является введение новых прогрессивных, более высокоскоростных видов модуляции в уже развернутых системах. Примером такой технологии является концепция поколения 2.75G - EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution), которая была предложена группой ETSI SMG в начале 1997 г. Она позволяет устранить недостатки технологии GPRS и увеличить скорость передачи данных за счет использования модифицированной Зя78- 8ФМ модуляции, позволяющей в одном информационном символе передавать 3 бита данных.

Созданный на основе стандартов GSM новый радио-интерфейс EDGE обеспечивает плавный переход к третьему поколению, позволяя увеличить скорость передачи данных до 384 кбит/с на несущую. При этом новый радиоинтерфейс надстраивается над существующим оборудованием GSM, не требуя трансформации инфраструктуры сетей GSM/GPRS, и использует тот же спектральный диапазон.

Второй этап развития EDGE нацелен на модернизацию служб, работающих в реальном времени, улучшение качества передачи речи, поддержку VoIP. Предусмотрена одновременная передача речи и данных, предполагается увеличение скорости в радиоканале до 2 Мбит/с.

К основным преимуществам EDGE следует отнести не только использование спектрально эффективной модуляции, но и адаптивную настройку канала в зависимости от требований абонента и реальной помеховой обстановки за счет динамического изменения схем канального кодирования.

Дальнейшим этапом совершенствования систем мобильной связи является переход к системам третьего поколения, предоставляющим абонентам широкий спектр услуг связи, характерных как для фиксированных сетей (телефонных сетей общего пользования, цифровых сетей с интеграцией служб'и т.д.), так и для систем связи с подвижными объектами. В Европе-разработка стандартов для системы третьего поколения началась с 1990 года в Европейском институте стандартизации электросвязи (ETSI). В рамках Европейского союза система третьего поколения получила название Universal Mobile Telecommunication System (UMTS).

Системы третьего поколения обладают следующими отличительными чертами:

- высокой степенью унификации оборудования в глобальном масштабе;

- совместимостью услуг в пределах IMT-2000 с услугами стационарных сетей;

- высоким качеством обслуживания пользователей;

- удобным портативным абонентским оборудованием для всемирного использования;

- всемирным роумингом;

- высокой степенью гибкости сетей к возможности поддержки вновь появляющихся видов услуг;

- предоставлением услуг мультимедиа.

Основными факторами, обусловившими эволюцию от существующих систем подвижной связи общего пользования второго поколения к системам третьего поколения, стали: рост потребностей в услугах высокоскоростной передачи данных и необходимость в повышении эффективности использования радиочастотного спектра.

Дальнейшее развитие сетей UMTS в направлении повышения скорости передачи данных определило разработку технологии HSPA, в которой нашли применение многопозиционные виды манипуляций, такие как 16QAM и 64QAM.

Появление более совершенных технологий многостанционного доступа, модуляции и формирования сигналов с ортогональной частотной манипуляцией (OFDMA) привело к дальнейшей эволюции сетей радиодоступа. На основании данной технологии была построена новая сеть радиодоступа E-UTRAN и базовая сеть SAE. Такая система получила название LTE (Long Term Evolution) или система связи четвёртого поколения (4G).

Использование новой технологии OFDMA существенно повысило спектральную эффективность и скорость передачи данных систем мобильной связи LTE. Некоторые компании, занимающиеся разработкой оборудования для сетей LTE, проводят тестирование технологий LTE со скоростью передачи данных до 100 Мбит/с в движении и 1Гбит/с в стационарном режиме. Главными целями эволюции систем 3G к системам связи 4G являются дальнейшее улучшение качества предоставляемых услуг и увеличения скорости передачи данных в системах сотовой связи до скорости, сопоставимой со скоростью передачи данных в системах широкополосного доступа WiMAX и WiFi.

С развитием стандартов сотовой связи неразрывно связано и совершенствование абонентских мобильных терминалов систем сотовой связи. Современные абонентские терминалы систем сотовой связи — это сложное техническое устройство, предназначенное не только организации передачи голосового трафика, но и для работы в сетях беспроводного и широкополосного доступа: Bluetooth, Wi-Fi, WiMAX. Помимо прочего в абонентском терминале используется огромное количество приложений, ориентированных на работу с различными видами контента (видео, музыка, мобильные офисные приложения и т.п.).

При разворачивании сетей сотовой связи новых поколений операторы связи не могут одновременно позволить полную замену оборудования существующей сети связи оборудованием систем связи нового поколения. В связи с этим современный мобильный терминал должен обеспечивать работу с несколькими стандартами в максимальном количестве частотных диапазонов. Требование поддержки нескольких стандартов сотовой связи, беспроводной связи и широкополосного доступа обусловлено высокой мобильностью абонентов сотовых операторов, нуждающихся в доступе к различным видам контента и сервисов по всему миру, то есть ощущается острая потребность в роуминге без смены терминала и абонентского номера.

С учётом этих факторов можно выделить несколько тенденций в схемотехнике радиоприёмных трактов современных абонентских терминалов:

• увеличение количества обслуживаемых стандартов мобильной связи с возможностью поддержки работы в сетях беспроводного и широкополосного доступа;

• увеличение количества обслуживаемых частотных диапазонов (в частности для обеспечения роуминга в любой точке различных регионов земного шара).

В таких условиях меняется и подход к проектированию радиочастотных (РЧ) трактов абонентских терминалов. При наличии одного стандарта связи, работающего в одном или максимум двух частотных диапазонах, проектирование приемно-передающего тракта, тракта синтеза частот не представляло особой проблемы и ограничивалось организацией отдельных трактов приёма для каждого частотного диапазона. Такой подход позволил производителям элементной базы разработать огромное количество узкоспециализированных микросхем для конкретных стандартов и диапазонов с хорошими показателями и низкой стоимостью. Но с течением времени, учитывая все вышеизложенные факты, такой подход в проектировании радиотрактов стал неприемлемым, так как это приводит к возникновению следующих проблем:

• увеличению количества радиокомпонент и навесных элементов на весьма ограниченном пространстве печатной платы (прямое влияние на массогабаритные показатели устройства);

• увеличению энергопотребления трактами;

• увеличению стоимости такого устройства.

В связи с этими актуальной задачей становится разработка универсального радиоприемного тракта мобильных терминалов, позволяющего снизить энергопотребление, уменьшить количество навесных компонентов. Под универсальным трактом здесь и далее понимается радиоприемный тракт систем мобильных связей, поддерживающий несколько стандартов мобильной связи, максимальное количество частотных диапазонов при использовании наименьшего количества функциональных узлов. Создание такого рода устройств полезно не только для мобильных терминалов систем сотовой связи, но и для портативных комплексов систем радиомониторинга, широко применяемых, например, организациями по надзору за электросвязью в области управления использованием радиочастотного спектра (РЧС). Данные службы должны располагать оборудованием для контроля частотной обстановки в широкой полосе частот. Для анализа параметров радиосигнала и его принадлежности к конкретному стандарту радиосвязи необходимо иметь максимальный набор радиоприемных трактов в широкой полосе частот, параметры которых соответствуют определенным для каждого стандарта требованиям.

Для решения задачи проектирования универсальных РЧ трактов мобильной связи необходимо провести обширный комплекс работ: выполнить обзор существующих схем построения радиоприемных трактов, структура которых учитывает особенности различных стандартов, и выбрать варианты структурных схем, пригодных для построения универсального приёмного тракта; оценить требования к узлам тракта при его использовании для конкретных стандартов связи согласно спецификациям на данные стандарты; произвести анализ неидеальной работы различных узлов тракта, сказывающихся на качестве обработки полезного сигнала.

В данной области исследований близки работы Рыжкова A.B., Рыбинского С.Ю., Колесникова И.И и Иванкович М.В. [67-69,71], в которых был проведен анализ влияния шумов узлов схемы синтезаторов частот для различных типов модуляции входного сигнала на помехоустойчивость приёмного тракта. Также близки работы иностранных ученых, таких как: Малм Б. (Malm В.) и Линдофф П. (Lindoff Р.) [73]. В этих работах исследовалось, влияние смещения постоянной составляющей в приёмниках прямого преобразования для таких распространённых сигналов с QPSK и 8-PSK модуляцией. Однако остались неисследованными влияние вышеперечисленных эффектов в приёмнике прямого преобразования, а также разбалансы амплитуд и фаз, на сигнал с типами модуляции, используемых в современных системах мобильной связи. Структура таких сигналов далека от сигналов классических типов модуляции и требует дополнительных исследований; влияния работы- узлов тракта на его помехоустойчивость. Для анализа качества принимаемого сигнала необходимо прибегать к вопросам помехоустойчивости радиоприема — данные вопросы нашли широкое: распространение в трудах таких знаменитых ученых, как: Котельников В.А, Харкевича, A.A., Шенона: К.,Скляра Б., Феера К. и Прокиса Д. [56,57], вопросы! современной обработки, сигналов- в цифровых: трактах: и способы повышения помехоустойчивости нашли отражение* в работах Шломы A.M., Крейнделина В.Б. [60] и. ряда других авторов; схемотехнические вопросы; построения« и реализации широкополосных РЧ устройств нашли широкое освещение: в; работах таких, иностранных- специалистов как: Бехзад Разави (Razavi В.),.ХусейнаХашеми (Hossein Hashemi) [15,21,25,27]. В то же время в данных работах проводится анализ реализации только отдельных широкополосных узлов тракта приёма без анализа возможности- реализации самого универсального тракта (многостандартного и многодиапазонного устройства). Значимыми работами по рассмотрению возможности реализации универсального тракта и расчёту требований к его узлам в зависимости от используемого стандарта мобильной связи приводится в работах Хорста Фишера (Horst Fischer) и т.д. [41]. Однако недостатком таких работ является то, что в них сформулированы основные требования к некоторым узлам тракта согласно спецификациям, приведены схемы отдельных цепей приёмного тракта, но не делается окончательное заключение о возможности реализации универсального тракта.

В связи с этим, появляется актуальная проблема исследования возможности реализации многостандартного и многодиапазонного устройства для систем мобильной связи стандартов UMTS и GSM на основании не только требований спецификаций, но и с учётом влияния узлов тракта приёма на помехоустойчивость приёма в зависимости от выбранной структурной схемы. Разработка такого устройства также должна учитывать и современные требования к мобильным терминалам, такие как: низкое энергопотребление и малые массогабаритные показатели.

Цель и задачи диссертации

Целью данной работы является обоснование возможности и выбор наиболее рационального варианта- реализации универсального многодиапазонного, многостандартного радиоприемного тракта систем мобильной связи стандарта GSM(EDGE) и UMTS.

Для достижения поставленной в- диссертационной работе цели необходимо решить следующие задачи:

1) проанализировать известные варианты реализации радиоприемных трактов систем сотовой связи второго и третьего поколений в целях выбора структуры построения широкополосного РПРУ для приёма сигналов EDGE и UMTS. Определить современные тенденции в построении широкополосных РПРУ;

2) получить предварительную оценку возможности реализации совмещенного РЧ тракта согласно спецификациям стандартов UMTS FDD, TDD и EDGE для квазистатической модели приемного тракта;

3) оценить влияния неидеальной работы узлов тракта на интегральный показатель качества работы — вероятность ошибки или BER (bit error rate);

4) получить аналитические выражения для оценки влияния неидеальной работы узлов тракта на его помехоустойчивость с помощью численных методов аппроксимации и экстраполяции для реальных видов сигналов EDGE и UMTS;

5) создать расчетный комплекс для технического анализа и расчета основных параметров узлов и законченных структур РПРУ для разработчиков РЧ модулей, а также для использования в учебном процессе;

6) произвести окончательный расчет радиоприемного тракта совмещенной обработки сигналов стандартов GSM и UMTS с учетом результатов расчета квазистатической модели и расчетов влияния неидеальной работы его узлов на помехоустойчивость с помощью расчетного комплекса для радиоприемных устройств.

Общая методика исследований

Разрабатываемая в диссертации методика проектирования широкополосного тракта приема для сигналов стандартов GSM (EDGE) и UMTS основывается на аналитических соотношениях расчёта основных показателей квазистатистической модели радиоприемного тракта. Для решения задач оценки влияния неидеальной работы узлов тракта на качество обработки полезного сигнала используются элементы теории помехоустойчивого приема, методы компьютерного моделирования, численные методы аппроксимации и экстраполяции.

Научная новизна результатов

1. Получены оценки влияния параметров отдельных узлов радиоприемного тракта на вероятность ошибки приёма (BER), которые позволяют перераспределить энергетические показатели тракта за счет варьирования значений данных величин.

2. Предложена методика проектирования широкополосного радиоприемного тракта стандартов GSM(EDGE), основанная на совместном анализе линейных моделей приемного тракта с учетом влияния на помехоустойчивость приема нелинейных эффектов в отдельных его узлах.

3. Выполнена оценка возможности реализации совмещенного тракта приёма сигнала для стандартов GSM (EDGE) и UMTS и подготовлены рекомендации по построению универсального приёмного тракта, позволяющего сократить энергопотребление и уменьшить массогабаритные показатели устройства в целом.

Практическая ценность работы

1. Предложена схема приемного тракта совмещенной обработки сигналов стандартов GSM и UMTS, позволившая сократить количество трактов обработки сигналов. Это привело к сокращению энергопотребления тракта и уменьшению количества навесных компонент в многодиапазонных и многостандартных радиотрактах мобильных терминалов мобильной связи.

2. Разработаны рекомендации и предложены схемы реализации совмещенной обработки сигналов вышеуказанных стандартов в ФНЧ и ПФ преселектора приемника прямого преобразования.

3. Разработано программное обеспечение для технического проектирования радиоприемных трактов мобильных терминалов стандартов

GSM и UMTS с учетом неидеальной работы узлов тракта (только для схем приемников прямого преобразования).

4. Полученные в диссертационной работе результаты и программный комплекс по расчету радиоприемных трактов стандартов GSM и UMTS внедрены в НИР «Цифра», выполненных в НИЧ МТУ СИ, а также в учебный процесс кафедр радиопередающих и радиоприёмных устройств МТУСИ по дисциплинам, посвященным изучению оборудования систем подвижной связи, в качестве инструментария для курсового и дипломного проектирования, постановки лабораторных работ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты компьютерного моделирования случаев неидеальной работы узлов приемного тракта и нелинейных эффектов: разбалансов амплитуд и фаз, фазовых шумов синтезатора частот, смещение постоянной составляющей, влияние разрядности и частоты дискретизации АЦП, порядка ФНЧ на энергетические потери отношения сигнал/шум и их аппроксимированные зависимости.

2. Методика расчета широкополосного тракта приемного тракта, построенного по структуре приемника прямого преобразования, на основе как квазистатической модели приемника, так и учета влияния неидеальной работы данной схемы приемника на помехоустойчивость приёма.

3. Рекомендации по проектированию приемника прямого преобразования для совмещенных трактов приема сигналов систем сотовой связи второго и третьего поколений.

4. Схема тракта совместной обработки сигналов двух стандартов сотовой связи GSM и UMTS в полосе частот 1800 . 2200 МГц.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, трёх приложений, заключения и списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения», Макаров, Евгений Валерьевич

ВЫВОДЫ ПО ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ:

1. На базе аналитических соотношений для расчета квазистатической модели радиоприемного тракта и аппроксимированных зависимостей показателя BER от величин, характеризующих неидеальную работу узлов тракта, разработан расчетный комплекс Receiver Calculator для расчета радиочастотных трактов абонентских устройств систем мобильной связи. Он может быть использован в учебном процессе при подготовке курсового и дипломного проектирования, лабораторных практикумов, в качестве расчетного инструментария для предварительного анализа возможности реализации выбранной структуры тракта в процессе его проектирования.

2. Расчет отношения сигнал/шум в программном комплексе RecCalc показывает, что необходима корректировка параметров узлов и структуры тракта, предложенных во второй главе диссертации. Для стандартов UMTS TDD и GSM/EDGE для выполнения требований в отношении сигнал/шум предложено либо добавление еще одного каскада МШУ, либо введение в существующую схему АРУ, позволяющую регулировать коэффициент усиления в диапазоне 25.35 дБ в каскаде МШУ, также можно рекомендовать применение МШУ с наименьшим коэффициентом шума. Применение схемы АРУ в каскаде МШУ позволяет получить требуемые значения отношения сигнал/шум.

3. В результате корректировки предварительной схемы универсального тракта получена схема универсального тракта для совместной обработки сигналов стандартов GSM/EDGE диапазона 1900 МГц, а также стандартов UMTS FDD и TDD в диапазоне частот 2110 . 2170 и 2010 . 2025 МГц. В данной схеме общими также остались следующие блоки: широкополосный МШУ, квадратурный демодулятор, каскады усилителей низкой частоты с регулируемым усилением. Раздельная обработка сигналов стандартов GSM/EDGE и UMTS осуществляется в следующих узлах: полосовых фильтрах преселектора и ФНЧ в «бэйсбенд» тракте.

4. Обзор текущих схемотехнических решений для построения ФНЧ с перестраиваемыми полосами частот и дополнительное компьютерное моделирование позволяют рекомендовать для использования в качестве ФНЧ схемы фильтров на коммутируемых конденсаторах. Преимуществом данных схем является цифровое управление с помощью микропроцессора. Моделирование показало, что приемлемым для использования в универсальном тракте является фильтр на коммутируемых конденсаторах, порядок которого выше четвертого.

5. Для стандарта UMTS FDD дуплексный фильтр в тракте приёма предлагается заменить широкодиапазонной, перестраиваемой компенсационной схемой для сокращения количества используемых ДФ для каждого отдельно взятого диапазона частот.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате работы над диссертацией получены следующие результаты:

1. Показано, что для построения многодиапазонного и многостандартного приёмного тракта наиболее рациональной структурной схемой является схема приёмника прямого преобразования.

2. Предварительный квазистатический анализ схемы приемника прямого преобразования для спецификаций каждого из рассматриваемых стандартов показал, что возможна реализация тракта со следующими совмещенными узлами: квадратурным демодулятором и узлами аналоговой части бэйсбенд тракта — УНЧ.

3. Недостатки схемы приемника прямого преобразования, вызванные её конструктивными особенностями, приводят к появлению следующих вариантов неидеальной работы узлов: разбалансов амплитуд и фаз в квадратурных каналах, смещению постоянной составляющей на выходах преобразователей и возникновению фазовых шумов синтезаторов частот тракта гетеродина. В результате компьютерного моделирования выявлено, что данные типы неидеальностей оказывают значительное влияние на помехоустойчивость приёма сигнала всех стандартов мобильной связи, что необходимо учитывать при проектировании универсального тракта.

4. От корректного выбора параметров ФНЧ в аналоговой части бэйсбенд тракта и АЦП, таких как: порядок ФНЧ, разрядность АЦП и частота дискретизации сигнала, зависит величина отношения сигнал/шум и, соответственно, помехоустойчивость приёма. В частности, некорректный выбор разрядности АЦП и частоты дискретизации может привести к проигрышу в отношении сигнал/шум в 1,5 дБ, а порядка фильтра - примерно в 1 дБ.

5. Уточнённые расчеты радиоприёмных трактов с использованием разработанного программного комплекса RecCalc, в котором применены математические соотношения квазистатического анализа и аппроксимированные зависимости влияния неидеальной работы узлов на помехоустойчивость приёма, подтвердили возможность реализации универсального тракта для совместной обработки сигналов стандартов GSM/EDGE диапазонов 1800 и 1900 МГц, а также стандартов UMTS FDD и TDD диапазонов 2000. .2200 МГц.

6. Использование универсального тракта позволяет значительно сократить количество трактов индивидуальной обработки для различных частотных поддиапазонов стандартов GSM/EDGE и UMTS, что, в свою очередь, уменьшает количество РЧ компонентов и энергопотребление приёмника в целом.

В дальнейшем пути совершенствования трактов объединенной обработки мне видятся в плавном отказе от структур приемного тракта, проектируемых под конкретный стандарт или частотный диапазон - переход от «платформо-определяемого» радио (hardware defined radio) к программно-определяемому радио (software defined radio). Такие типы приемников позволят реализовать идею всемирного роуминга, когда устройство — мобильный терминал - сможет быть сконфигурирован непосредственной передачей настроек через радиоэфир. Это приведет к отказу от аналоговой обработки сигналов, то есть к уменьшению количества узлов в аналоговой части РЧ тракта, и созданию цифрового РЧ приемника, позволяющего сразу оцифровывать сигнал, пришедший из эфира [17].

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И АББРЕВИАТУР

АБГШ — аддитивный белый гауссовский шум

АЦП — аналого - цифровой преобразователь

ДФ - дифференциальный фильтр

ПФ - полосой фильтр

РПрУ — радиоприёмное устройство

УНЧ — усилитель низкой частоты

ФВЧ - фильтр высоких частот

ФНЧ — фильтр низких частот

DPCH (dedicated physical channel) — выделенный физический канал передачи данных

EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) — цифровая технология для мобильной связи, которая функционирует как надстройка над 2G и 2.5G (ОРЬ^-сетями

FDD (frequency division duplex) — системы связи с частотным дуплексным разносом передачи и приёма

GSM (Global System for Mobile Communications) — глобальный цифровой стандарт мобильной сотовой связи второго поколения

LTE (Long Term Evolution)— название технологии мобильной передачи данных четвертого поколения

TDD (time division duplex) — системы связи с временным дуплексным разносом передачи и приёма

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System - универсальная Мобильная Телекоммуникационная Система) — технология сотовой связи, разработана Европейским Институтом Стандартов Телекоммуникаций (ETSI) для внедрения 3G в Европе

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Макаров, Евгений Валерьевич, 2010 год

1. Закиров 3. Г. и др. Сотовая связь стандарта GSM. М: ЭкоТрэндз, 2004. - 264 с.

2. Кааренен X. и др. Сети UMTS.-M: Техносфера, 2007. 464 с.

3. Величко В. В. Передача данных в сетях мобильной связи третьего поколения.-М: Радио и связь, 2005. — 332 с.

4. Razavi В. Next-Generation RF Circuits and Systems//IEEE Circuits and Devices, 1997

5. Loke A., Ali F., Direct Conversion Radio for Digital Mobile Phones — Design Issues, Status, and Trends/ЛЕЕЕ Transactions on Microwave Theory and Techniques.-2002.-V. 50.

6. Kimuli,K. Introduction to GSM and GSM mobile RF transceiver derivation//RF Design Magazine.-2003.-№6.-P.12,16-20.

7. Регламент радиосвязи/ТМеждународный союз электросвязи (ITU).-2004,-Том 1.

8. Challenges in portable RF transceiver design//IEEE Circuits and Devices.-1996.-№9.-P.12-25.

9. Razavi, B. Architectures and Circuits for RF CMOS Receivers//IEEE Custom integrated circuits conference.-1998.-P.393-400.

10. Novak, R. Overcoming the RF challenges of multiband mobile handset design//RF Design Magazine.-2007.-№7.-P.38-42.

11. Malcolm, S. and etc. Architecture, system, and circuit considerations for SDR receiver front-ends//SDR 4th Technical Conference and Product Exposition. USA, 2004.

12. Konanur K. CMOS RF transceiver chip tackles multiband 3.5G radio system//RF Design magazine.-2006.-№4.-P.22-30.

13. Pilgrim, D. Simplifying RF front-end design in multiband handset//RF Design magazine.-2008.-№2.-P.30-32.

14. Ivrissimitzis, L. The evolution of the GSM Radio Subsystem//Agere Systems.-2004.-№5 .-P .1 -12.

15. Razavi, B. Design Considerations for Direct -Conversion Receivers//IEEE Transactions on circuits and systems -1999. V.44. - P. 1 -7.

16. Weigel, R. RF transceiver architectures for W-CDMA systems like UMTS: State of the Art and Future Trends//IEEE Transaction on Communications23. www.rfdesign.ru (дата обращения 11.06)

17. Дингес С. И. Мобильная связь: технология DECT. М: Солон-Пресс, 2003.-272 с.

18. Hashemi, Н. Integrated concurrent multi-band radios and multiple-antenna systems, PhD Dissertation - California Institute of Technology, Pasadena, California, 2003,-P. 10-12.

19. Lin et al. Multiband RF Receiver. United States Patent US 7548743 B2, 2009.

20. Hashemi, H. Concurrent Multiband Low-Noise Amplifiers—Theory, Design, and Applications/ЛЕЕЕ transactions on microwave theory and techniques.-2002.-V.50. P.288 301.

21. Abidili, A. Direct-Conversion Radio Transceivers for Digital Communications//IEEE Journal of Solid-State Circuits.-1995.-V.30.-P.1399-1409.

22. Laskar, J. et al. Modern Receiver Front-Ends. Systems, Circuits, and Integration. USA: Wiley Interscience, 2004.

23. Ryynanen, J. Low-Noise Amplifiers for Integrated Multi-Mode Direct-Conversion Receivers. -Helsinki University of Technology, 2004.

24. Thomsen, P. Multiband receiver for multiband radio signals and multiband mobile telephone comprising a receiver. European Patent Application EP 0945990A1, 1999.

25. Burns, P. Software Defined Radio for 3G. — Boston: Artech House, 2003.

26. Cruz P., Carvalho N. Multi-Mode Receiver for Software Defined Radio//2004 SDR technical conference and product exposition.-2004.-November.-P. 100-104.

27. Okada Т. Mobile Terminal RF circuit technology for increasing capacity/coverage and international roaming//NTT DOCOMO Technical Journal.-2007.-Vol. 10.- №2. PP.47-56.

28. Jensen O., etc. RF receiver Requirements for 3G W-CDMA mobile equipment//Microwave Magazine.-2003.-№2. -P. 1-10.

29. Liu C., Domgaard M. IP2 and IP3 Nonlinearity Specifications for 3G/WCDMA receivers//Broadcom Corporation.-2009.-№5.

30. Ali-Ahmad W. Effective IM2 estimation for two-tone and WCDMA modulated blockers in zero-IF//RF Design magazine.-2004.-№4.-P.32-40.

31. P. Madsen, et al., "RF Requirements for UTRA/FDD Transceivers", Proceedings of the Fourth International Symposium on Wireless Personal Multimedia Communications Conference, September 2001, Vol.1 PP.197202.

32. Fischer H., Henkel F., etc. UMTS/GSM Multimode receiver design// IEEE• International Symposium on Circuits and Systems.-2004.-Vol.4.-PP.261264.

33. Qizheng Q. RF system design of transceivers for wireless communications.-Springer Science, 2005.-p.483.

34. Cascaded 2-Tone, 2nd-Order Compression Point (IP2) (материал сайта www.rfcafe.com).

35. Cotter S. Complete Wireless Design. MCGrawHill, 2008. -p.550.

36. Korowajczuk L., etc. Designing CDMA2000. John Wiley and Sons, 2004. -p.897.

37. Буга Н. Н. и др. Радиоприемные устройства. Учебник для вузов/Н. Н.Буга, А. И.Фалько, Н. И.Чистяков. М: Радио и связь, 1986. — 380 с.

38. Головин О. В. Радиоприемные устройства: Учеб. для техникумов. М: Высшая школа, 1997. 384 с.

39. Гурский Д., Турбина Е. Майк^ для студентов и школьников. — М: Питер, 2005. 544 с.

40. Скляр Б. Цифровая связь. — 2-ое изд. М: Издательский дом «Вильяме», 2003. — 1104 е.: ил. — Парал. тит. анг.

41. Прокис Дж. Цифровая связь. -М: Радио и связь, 2000. — 800 е.: ил.

42. Харкевич А. А. Борьба с помехами. Изд.З-е. — М: Книжный дом «Либриком», 2009.- 280 с.

43. Зюко А. Г., Кловский Д. Д., Коржик В. И., Назаров М. В. Теория электрической связи под ред. Д.Д.Кловского. — М: Радио и связь, 1999.-432 е.: 204 ил.

44. Шлома А. М. и др. Новые алгоритмы формирования и обработки сигналов в системах подвижной связи — М: Горячая линия-Телеком, 2008. 344 с.

45. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы. — М: Высшая школа, 2002.-212 с.

46. Немировский M. С. и др. Беспроводные технологии от последней мили и до последнего дюйма. М: ЭкоТрендз, 2010. - 400 е.: ил.

47. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы. — М: Радио и связь, 1977.-608 с.

48. Ипатов В. Широкополосные системы и кодовое разделение каналов. Принципы и приложения. — М: Техносфера, 2007. — 488 с.

49. Волков JI. Н. и др. Системы цифровой радиосвязи: базовые методы и характеристики. -М: ЭкоТрендз, 2005. 392 с.

50. Журавлев В. И., Трусевич Н. П. Методы модуляции демодуляции радиосигналов в системах передачи цифровых сообщений. — М: МТУ СИ, 2009.-312 с.

51. Рыбинский С. Ю. Исследование и разработка прецизионных источников колебания метрового и дециметрового диапазона: дис. кандидата техн. наук. М., 2000.

52. Колесников И. И. Цифровая частотная модуляция в системе импульсно-фазовой автоподстройки частоты стереофонического возбудителя ОВЧ диапазона: дис. кандидата техн. наук. — М., 2006.

53. Иванкович М. В. Исследование путей повышения эффективности и разработка синтезатора частот для приемника комплекса мониторинга систем мобильной радиосвязи: дис. кандидата техн. наук. М., 2008.

54. Манассевич В. Синтезаторы частот. Теория и проектирование. Пер. с англ./Под ред. А.С. Галина. М.: Радио и связь, 1979. - 384 с.

55. Рыжков А. В., Попов В. Н. Синтезаторы частот в технике радиосвязи. -М.: Радио и связь, 1991.-264 с.

56. Спилкер Дж. Цифровая спутниковая связь. Пер. с англ./Под ред. В.В. Макарова. М.: Связь, 1979. - 592 с.

57. Lindoff В., Malm P. BER Performance Analysis of a Direct Conversion Receiver//IEEE Transactions on communications.-2002. -Vol.50. №5. -P.856-865.

58. Nezami, M. Performance assessment of baseband algorithms for direct conversion tactical software defined receivers: I/Q imbalance correction, image rejection, DC removal and channelization//IEEE, 2002, P. 1-8.

59. Пестряков А. В., Макаров Е. В. Исследование узлов приемного тракта мобильных терминалов систем сотовой связи//Электросвязь.-2010.-№3.-С.27-30.

60. Пестряков А. В., Макаров Е. В. Влияние узлов тракта АЦП на энергетические потери в приемнике прямого преобразования систем сотовой связи//Т-Сотт — Телекоммуникации и Транспорт.-2009.-№6.-С.73-75.

61. Бахвалов Н. С. Численные методы. -М: Бином знаний, 2008. с. 632.

62. Костомаров Д. П., Фаворский А. П. Вводные лекции по численным методам. М: Логос, 2006. — 184 с.

63. Дьяконов В. П. Matlab 6.5SP1/7.0 + Simulink 5/6. Основы применения.-М: Солон Пресс, 2005. - 800 с.

64. Кетков Ю. и др. Matlab 7. Программирование, численные методы. — СПб:БХВ-Петербург, 2005. 742 с.

65. Махлин А. Фильтры на переключаемых конденсаторах//Компоненты и технологии.-2008.-№6.-С. 126 128.

66. Shen D. A 900-MHz RF Front-End with integrated Discrete-Time Filtering/ЯЕЕЕ Journal on Solid-State Circuits. 1996. - №12.-Vol.31.-РРД945-1954.

67. Опадчий Ю. Ф. Аналоговая и цифровая электроника. М: Горячая линия - Телеком, 2005. - 768 с.

68. Itkin and others, Patent US 2007/0123199 Al, 31.05.2007.

69. Макаров Е. В. Современные тенденции в построении многодиапазонных радиоприемных трактов устройств беспроводных сетей связи//Материалы VII Международно-технической конференции «Intermatic», часть 4 Москва, 2009. - С.242-244.

70. Семенов В. Фильтры сигналов низких и инфранизких частот на переключаемых конденсаторах//Современная электроника.-200б.-№2.-С.42-45.

71. Sterh U., etc. A fully differential CMOS integrated 4th order reconfigurable Gm-C lowpass filter for mobile communication//ICEC2003 papers.-2003.-pp. 1-5.

72. Kazcman D., etc. A single-chip tri-band (2100, 1900, 850/800 MHz) WCDMA/HSDPA cellular transceiver//IEEE of solid state circuits.-2006.-Vol.41.-№5.-pp.l 122 1132.

73. Walsh K., Johnson J. 3G/4G Multimode Cellular Front End Challenges. Part 1: Spectrum and Regulatory Issues.-RFMD White Paper, 2009 (www.rfmd.com)

74. Walsh K., Johnson J. 3G/4G Multimode Cellular Front End Challenges. Part 2: Architecture Discussion.-RFMD White Paper, 2009www.rfmd.coin)

75. Razavi B. RF Microelectronics. Prentice Hall. - 1998. - 345p.

76. Bowick Ch., etc. RF Circuit design. -Newnes.-1997.

77. Stefania S., etc. LTE The UMTS Long Term Evolution. From Theory to Practice. - The John Wiley and Sons, 2009. -p.612.

78. Brandollini M., etc. Toward multistandart mobile terminals — Fully integrated receivers requirements and architectures/ЯЕЕЕ Transaction on Microwave Theory and Techniques.-2005.- №3. Vol.53.-pp. 1026 - 1038.

79. Inder B. Fundamentals of RF and microwave transistor amplifiers. The John Wiley and Sons, 2009. -p.645.

80. Maxim Application Note 1762: A beginner's guide to filter topologies. -02, 2003 (www.maxim-ic.com).

81. Goldsmith A. Wireless Communications. Cambridge University Press, 2005.-p. 603.

82. Tabia P., etc. HSPA performance and Evolution: A practice perspective. -The John Wiley and Sons, 2009. -p.257.

83. Holma H., Toskala A. WCDMA for UMTS HSPA Evolution and LTE.-The John Wiley and Sons, 2007. -p.539.

84. Ramney M., etc. LTE and evolution to 4G wireless: Design and Measurement Challenges. Agilent Technologies Publication, 2009. -p. 445.

85. Банков В. H., Барулин JI. Г., Жодзишский М. И. и др.; под ред. Барулина Л. Г. Радиоприёмные устройства. — М: Радио и связь, 1984. — 272 е., ил.

86. Радиоприемные устройства: Учебник для вузов / Н. Н. Фомин, Н. Н. Буга, О. В. Головин и др.; Под редакцией Н. Н. Фомина. -3-е издание, стереотип. — М.: Горячая линия — Телеком, 2007. —520 е.: ил.

87. Распределение частотных диапазонов стандарта GSM (технологий GPRS, EDGE)

88. Основной стандарт GSM 900, P-GSM:- 890 915 МГц: передатчик мобильного терминала, приемник базовой станции;- 935 960 МГц: передатчик базовой станции, приемник мобильного терминала.

89. Расширенный стандарт GSM 900, E-GSM ( включает частотные диапазоны стандарта основного GSM 900):- 880 915 МГц: передатчик мобильного терминала, приемник базовой станции;- 925 960 МГц: передатчик базовой станции,' приемник мобильного терминала.

90. Распределение частотных диапазонов стандарта UMTS FDD

91. XI 1427.9-1447.9 1475.9 1495.91. XII 698-716 728 7461. XIII 777 787 746 - 7561. XIV 788-798 758-768

92. XV Зарезервировано Зарезервировано

93. XVI Зарезервировано Зарезервировано

94. XVII Зарезервировано Зарезервировано

95. XVIII Зарезервировано Зарезервировано1. XIX 830-845 875-8901. XX 832 862 791-821

96. XXI 1447.9-1462.9 1495.9-1510.9