Формирование
радиосигналов с использованием преобразования частоты с одной боковой полосой.
Федчун Андрей
Александрович,
аспирант
кафедры Радиоэлектронных Средств Защиты и Сервиса
Таганрогского
Технологического Института Южного Федерального Университета,
ведущий специалист ООО
«Центр», г. Москва.
В настоящее время в цифровых радиосистемах передачи информации на сверхвысоких частотах достаточно широко применяется формирование рабочих сигналов однократным аналоговым преобразованием частоты с одной боковой полосой с помощью квадратурного модулятора [1, 2]. При этом квадратурные составляющие относительно низкочастотного сигнала цифровой части системы передачи информации преобразуются в аналоговый вид и поступают на соответствующие входы преобразователя частоты в составе квадратурного модулятора и гетеродина. Такой подход по сравнению с многократным повышающим аналоговым преобразованием частоты с фильтрацией или умножением частоты обычно имеет существенные преимущества по экономическим и массогабаритным показателям, и по качеству передаваемого сигнала [1]. Данный метод преобразования частоты подходит для формирования практически любых радиосигналов из сигналов цифровой промежуточной частоты, многоканальных радиосигналов, радиосигналов с OFDM, а также для непосредственной модуляции несущей такими видами цифровой модуляции, как однополосная, частотная и фазовая манипуляции, КАМ [1, 2].
Однако несовершенство аналогового квадратурного модулятора приводит при однополосном преобразовании частоты к высокому уровню внеполосного сигнала обусловленного остатком второй боковой полосы, обычно на уровне –30…–40 дБ относительно полезного сигнала. Это приводит к взаимному влиянию каналов передачи информации и ухудшению качества принимаемых радиосигналов. При этом выполнение приемлемой дополнительно фильтрации остатка второй боковой полосы на выходе квадратурного модулятора не всегда возможно, в частности из-за малой расстройки по частоте относительно передаваемого полезного сигнала [1].
Рассмотрим улучшенный метод преобразования частоты с одной боковой полосой с эффективным подавлением внеполосного излучения, с использованием предварительной цифровой обработки квадратурных модулирующих колебаний. Данный метод основывается на преобразовании спектра квадратурных модулирующих сигналов используемом в фазофильтровом методе формирования радиосигналов с однополосной модуляцией [3].
Структурная схема устройства реализующего рассматриваемый метод применительно к модуляции OFDM показана на рисунке 1.
Рисунок 1.
Структурная схема формирователя OFDM-радиосигнала с однополосным преобразованием частоты.
На рисунке 1 введены следующие обозначения: М – OFDM-модулятор с квадратурными выходами I и Q; ЦГ – цифровой низкочастотный генератор; Г – аналоговый высокочастотный гетеродин, ФВ – высокочастотный фазовращатель (фазорасщепитель) с квадратурными выходами I и Q; П1…П6 – перемножители; С1...С3 – суммирующие устройства.
Рассмотрим преобразование спектра модулирующего сигнала и получение однополосного сигнала данной схемой с помощью спектральных диаграмм показанных на рисунке 2. Для простоты спектры цифровых сигналов показаны аналоговыми эквивалентами.
Рисунок 2.
Преобразование спектра при преобразовании
частоты с одной боковой полосой.
Условный спектр квадратурных компонент низкочастотного модулированного OFDM сигнала на выходе цифрового модулятора показан на рисунках 2,а и 2,б. Цифровой низкочастотный генератор формирует гармонический сигнал c частотой w и фазами 0, 90 и 180 градусов. Частота w выбрана равной средней частоте в спектре низкочастотного модулированного сигнала.
Спектры сигналов
образующихся в результате перемножения в перемножителях
П1…П4 показаны соответственно на рисунках 2,в…2,е. Верхние
боковые полосы пар перемножений в перемножителях П1,
П2 и П3, П4 находятся в противофазе и взаимно уничтожаются в сумматорах С1 и С2
(рисунки 2,ж и 2,з).
Сигналы с выходов сумматоров С1 и С2 преобразуются в аналоговые низкочастотные квадратурные компоненты I и Q с помощью соответственно АЦП1, ФНЧ1 и АЦП2, ФНЧ2 и подаются на входы квадратурного модулятора. Таким образом, получаются колебания такого же вида что и в фазофильтровом методе [3].
Аналоговый высокочастотный
гетеродин формирует гармонический сигнал с частотой F. Спектры сигналов образующихся в
результате перемножения в перемножителях П5 и П6
показаны соответственно на рисунках 2,и и 2,к.
Инвертированные спектры находятся в противофазе и взаимно уничтожаются в сумматоре
С3 (рисунок 2,л), в результате чего получается OFDM-радиосигнал с центральной частотой F и несущей F–w.
Фазовая и амплитудная асимметрия сигналов в аналоговой части реальной схемы данного метода приводит к неполной компенсации в сумматоре С3 инвертированного OFDM-радиосигнала, обычно до уровня –30…–40 дБ относительно полезного сигнала. Однако метод обладает интересной особенностью, заключающейся в том, что спектр такого инвертированного сигнала лежит в той же частотной полосе, что и спектр передаваемого полезного OFDM-радиосигнала. Поэтому неполная компенсация инвертированного сигнала не приводит к внеполосному излучению, а лишь вносит незначительные искажения в сформированный полезный сигнал.
Таким образом, рассмотренный метод по сравнению с классическим преобразованием частоты с одной боковой полосой [1] требует дополнительно всего 6 арифметических операций для формирования OFDM-радиосигналов и полностью устраняет внеполосное излучение второй боковой полосы. Это позволяет без изменения аппаратной части устройств применяемых для реализации классического преобразования частоты с одной боковой полосой существенно повысить качество излучаемого радиосигнала. Аналогично, путем замены модулятора в схеме показанной на рисунке 1 можно получить групповые сигналы цифровых РРЛ, базовых станций сетей сотовой связи GSM и др.
Литература.
1. Кушинг Р. Прямой цифровой синтез (DDS) и преобразование квадратурных сигналов в диапазон 800 – 2500 МГц с одной боковой полосой. // Мир электронных компонентов. 2006. Вып.1.
2. Вишневский В.М., Ляхов
А.И., Портной С.Л., Шахнович И.В. Широкополосные
беспроводные сети передачи информации. – М.: Техносфера, 2005 – 592 с.
3. Верзунов
M.В.
Однополосная модуляция в радиосвязи. – М.: Воениздат, 1972. – 296 с.
Поступила
в редакцию 26 октября