Ключевые слова: радиоприемники, шумы, аналого-цифровое преобразование, динамический диапазон, пороговая чувствительность.

1. Целесообразность и сложность построения цифровых радиоприемников

Развитие технологий цифровой обработки сигналов и создания быстродействующих цифровых устройств коренным образом изменило структуру современных радиоприемных устройств. Появились большие возможности по обработке сигналов, по автоматизации управления приемниками [1, 2]. Сложным остался вопрос стыковки аналогового тракта системы связи с устройствами цифровой обработки.

Критическим параметром современных радиоприемных устройств, особенно работающих в коротковолновом диапазоне, является линейность входных высокочастотных цепей. Современный эфир плотно заселен, и приемнику приходится работать при большом количестве внеполосных помех высокого уровня. Из-за нелинейности возникают эффекты блокирования и интермодуляционных искажений, которые не позволяют качественно принимать сигналы. Использование прямого аналого-цифрового преобразования высокочастотных сигналов с помощью современных АЦП позволяет в значительной степени решить описанную задачу.

2. Порог чувствительности приемника с прямым АЦП
высокочастотных сигналов

В настоящей работе проведена разработка и экспериментальное исследование характеристик радиоприемника коротковолнового диапазона с использованием прямого аналого-цифрового преобразования на 16 разрядном АЦП LTC 2208. Получены хорошие характеристики. Но обнаружились и трудности.

Экспериментально показано, что с использованием сверхдискретизации (oversampling) [1,3] удается обеспечить аналого-цифровое преобразование слабых сигналов с амплитудой много меньше минимального интервала квантования АЦП (34,3 мкВ для LTC 2208) в смеси с более мощными внеполосными колебаниями. При частоте дискретизации 130 МГц обеспечивается реальная чувствительность приемника в полосе сигнала 3,1 кГц (прием однополосных сигналов) U_C = 2,2 мкВ (при отношении сигнал/шум на выходе 10 дБ, СКО шумов АЦП 0,7 мкВ). На рис. 1 показан результат преобразования слабого сигнала.

Коэффициент шума приемника при описанных условиях составляет 28,9 дБ (при сопротивлении источника сигнала 50 Ом). Высокий коэффициент шума является существенным недостатком данного метода построения приемников.

 

Рис. 1. Результат преобразования гармонического сигнала: f = 29 МГц; U_C = 2,2 мкВ. Превышение уровня сигнала над шумами 15 дБ (в полосе 991 Гц)

Вторым недостатком является существование дополнительных помех – продуктов не идеальности АЦП (Spurious).

Коэффициент шума удается понизить путем включения согласующего трансформатора на входе АЦП. Экспериментально проверено, коэффициент трансформации 1:2 обеспечивает уменьшение коэффициента шума на 6 дБ.

С целью уменьшения уровня Spurious в АЦП LTC2208 существует режим Dither. В этом режиме к входному аналоговому сигналу добавляется дополнительный шум, созданный специальным цифровым генератором шума. На выходе АЦП осуществляется вычитание цифрового шума из полученного кода. Dither позволяет уменьшить Spurs на 20 и более дБ.

Применение трансформатора на входе, однако, нарушает работу алгоритма компенсации добавочного шума в режиме Dither. В итоге уменьшения коэффициента шума АЦП за счет трансформатора не происходит. Рис.2 и 3 иллюстрируют влияние трансформатора.

 

Рис. 2. Результат преобразования гармонического сигнала: f = 15,1 МГц; U = 1 мВ. Режим «Dither» включен

 

Рис. 3. Результат преобразования гармонического сигнала: f = 15,1 МГц; U = 1 мВ. Режим «Dither» выключен

3. Динамический диапазон приемника с прямым АЦП
высокочастотных сигналов

Главным достоинством применения прямого АЦП входных высокочастотных сигналов при построении радиоприемников является широкий динамический диапазон, позволяющий принимать слабые сигналы на фоне мощных помех.

Несмотря на то, что многоразрядные АЦП обладают высоким уровнем собственных шумов (коэффициент шума 28,9 дБ) динамический диапазон приемников с прямым АЦП сигналов оказывается значительно шире, чем при других схемах преобразования сигналов.

Эксперименты, проведенные в настоящей работе, обнаружили особенность собственных шумов АЦП, состоящую в том, что мощность шумов не возрастает с увеличением частоты дискретизации. Подобно шумам квантования [1] спектральная плотность мощности собственных шумов АЦП уменьшается с увеличением частоты дискретизации (с расширением полосы Найквиста).

Экспериментально показано, что изменение частоты дискретизации от 60 до 180 МГц приводит к уменьшению порога чувствительности (определенного в полосе 3,1 кГц) примерно на 10 дБ.

Динамический диапазон АЦП, определенный на основании приведенного в Data sheet SNR = 78 дБ, численно равен также 78 дБ (в полосе Найквиста 65 МГц) [4]. Пересчитанный к полосе 3,1 кГц, динамический диапазон составляет 111 дБ (при минимальном отношению сигнал/шум 10 дБ).

Широкий динамический диапазон обеспечивает работоспособность при действии большой блокирующей помехи. Динамический диапазон по блокированию составляет 111 дБ.

Чтобы подчеркнуть достоинства приемника с прямым АЦП сигналов, в данной работе проведены измерения динамического диапазона по блокированию приемных устройств, входящих в состав трансиверов AD 9361 и RN 2483. Приемники в обоих трансиверах построены с использованием аналоговых квадратурных преобразователей на нулевую промежуточную частоту с последующим АЦП на низкой частоте.

Оба приемника способны выдерживать блокирующую помеху на 70 дБ превышающую полезный сигнал при существенной расстройке относительно полосы пропускания основного тракта. При более высоком уровне помехи начинает ухудшаться порог чувствительности. Устойчивость приемника с прямым АЦП сигналов к действию блокирующей помехи выше на 40 дБ.

Вторым достоинством приемника на АЦП LTC2208 является низкий уровень интермодуляционных искажений второго и третьего порядка. Экспериментально установлено, что уровень интермодуляционных составляющих при максимальном значении амплитуд двух гармонических колебаний около 0,5 В не превышает -110 дБ. Оценка значения точки пересечения третьего порядка показывает IIP3 = + 60 дБм. Для сравнения, эта величина для приемников трансиверов AD 9361 и RN 2483 соответственно -18 дБм и -11 дБм (данные Data sheets).

Достоинством аналогового преобразования сигналов в названных приемниках является более низкий коэффициент шума – 4…6 дБ.

4. Заключение

Представлены результаты экспериментального исследования приемника с прямым аналого-цифровым преобразованием, разработанным для работы в коротковолновом диапазоне и предназначенным для использования в условиях мощных помех.

Эксперименты показали реализуемость основного достоинства данного метода приема сигналов – большого динамического диапазона. Обнаружены закономерности и проблемы в достижении основных характеристик.

Список литературы

[1] Ричард Лайонс. Цифровая обработка сигналов. Второе издание. Пер. с англ. М.: ООО «Бином-пресс», 2006. 656 с.

[2] Пронин К. Проектирование, оптимизация и моделирование SDR // Электронные компоненты. 2012. №2. С. 49-53.

[3] Уолт Кестер (Walt Kester). Входной шум АЦП: хороший, плохой и опасный. Хорошо ли, когда его нет? Пер с англ Е. Трошковой // Компоненты и технологии. 2008. № 9. С.42-46.

[4] Data sheet LTC2208, 16-Bit, 130 Msps ADC. // LT 0909 REV C, printed in USA. LinearTechnologyCorporation. 2005. 32p.

Подписка на журналы «Электронные компоненты» и «Электроника СВЧ»: Марина Панова, panovaid@yandex.ru