Конструкция радиостанции малого форм-фактора в диапазонах X и Ku

Многим аэрокосмическим и оборонным электронным системам в сферах спутниковой связи, радаров и EW / SIGINT давно требуется доступ к части или всем полосам частот X и Ku. По мере того, как эти приложения переходят на более портативные платформы, такие как беспилотные летательные аппараты (БПЛА) и портативные радиостанции, критически важно разработать новые маломощные конструкции радиостанций с малым форм-фактором, которые работают в диапазонах X и Ku, сохраняя при этом очень высокие уровни представление. В этой статье описывается новая архитектура высокочастотной ПЧ, которая резко снижает размер, вес, мощность и стоимость как приемника, так и передатчика, не влияя на технические характеристики системы. Полученная платформа также является более модульной, гибкой и программно определяемой, чем существующие конструкции радиостанций. Введение В последние годы все активнее стремятся к расширению полосы пропускания, повышению производительности и снижению мощности в радиочастотных системах при одновременном увеличении частотного диапазона и уменьшении размера. Эта тенденция стала движущей силой для технологических улучшений, которые позволили более тесную интеграцию радиочастотных компонентов, чем это было раньше. Есть много драйверов, поддерживающих эту тенденцию. Системы спутниковой связи получают желаемую скорость передачи данных до 4 Гбит / с для поддержки передачи и приема терабайт собранных данных в день. Это требование подталкивает системы к работе в Ku- и Ka-диапазонах из-за того, что на этих частотах легче достичь более широкой полосы пропускания и более высоких скоростей передачи данных. Это требование означает более высокую плотность каналов и более широкую полосу пропускания на канал. Еще одна область повышенных требований к характеристикам - это РЭБ и радиотехническая разведка. Скорость сканирования для таких систем увеличивается, что вызывает потребность в системах с быстрой настройкой ФАПЧ и широкой полосой пропускания. Стремление к меньшему размеру, весу и мощности (SWaP) и большему количеству интегрированных систем проистекает из желания работать с портативными устройствами в полевых условиях, а также увеличения плотности каналов в больших фиксированных системах определения местоположения. Развитие фазированных решеток также стало возможным благодаря дальнейшей интеграции радиочастотных систем в одном кристалле. Поскольку интеграция увеличивает размеры приемопередатчиков, она позволяет каждому антенному элементу иметь собственный приемопередатчик, что, в свою очередь, позволяет перейти от аналогового формирования диаграммы направленности к цифровому формированию диаграммы направленности. Цифровое формирование луча дает возможность отслеживать несколько лучей одновременно из одного массива. У систем с фазированной антенной решеткой есть множество приложений, будь то метеорологические радиолокаторы, приложения РЭБ или направленная связь. Во многих из этих приложений стремление к более высоким частотам неизбежно, поскольку сигнальная среда на более низких частотах становится более перегруженной. В этой статье эти проблемы решаются с использованием высокоинтегрированной архитектуры, основанной на приемопередатчике AD9371 в качестве приемника и передатчика ПЧ, что позволяет удалить весь каскад ПЧ и связанные с ним компоненты. Включено сравнение традиционных систем и предлагаемой архитектуры, а также примеры того, как эта архитектура может быть реализована через типичный процесс проектирования. В частности, использование встроенного приемопередатчика позволяет осуществлять некоторое расширенное частотное планирование, которое недоступно в стандартном приемопередатчике супергетеродинного типа. Обзор супергетеродинной архитектуры Супергетеродинная архитектура была предпочтительной архитектурой в течение многих лет из-за достижимой высокой производительности. Архитектура супергетеродинного приемника обычно состоит из одного или двух каскадов микширования, которые подаются на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Типичную архитектуру супергетеродинного трансивера можно увидеть на рисунке 1.       & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; lt; img src = 'https: // www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/x-and-ku-band-small-form-factor-radio-design/figure1.png?w=435 'alt = 'Рисунок 1' & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; gt; Рисунок 1. Традиционные супергетеродинные цепи приема и передачи X- и Ku-диапазонов. Первый каскад преобразования преобразует с повышением или понижением частоты входных радиочастотных частот во внеполосный спектр. Частота первой ПЧ (промежуточная частота) зависит от планирования частоты и паразитных пиков, а также от характеристик смесителя и доступных фильтров для входного радиочастотного интерфейса. Затем первая IF преобразуется в более низкую частоту, которую АЦП может оцифровать. Хотя АЦП добились впечатляющих успехов в своей способности обрабатывать более широкие полосы пропускания, их верхний предел сегодня составляет около 2 ГГц для оптимальной производительности. На более высоких входных частотах есть компромисс между производительностью и характеристиками. входная частота, которую необходимо учитывать, а также тот факт, что более высокие входные скорости требуют более высоких тактовых частот, которые увеличивают мощность. Помимо смесителей, есть фильтры, усилители и ступенчатые аттенюаторы. Фильтрация используется для отклонения нежелательных внеполосных сигналов (OOB). Если этот параметр не отмечен, эти сигналы могут создавать паразитные помехи, которые попадают в верхнюю часть полезного сигнала, что затрудняет или делает невозможным их демодуляцию. Усилители устанавливают коэффициент шума и коэффициент усиления системы, обеспечивая адекватную чувствительность для приема слабых сигналов, но не обеспечивая такой большой мощности, чтобы АЦП пересыпался. Следует также отметить, что для этой архитектуры часто требуются фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ), чтобы удовлетворить жесткие требования к фильтрации для сглаживания в АЦП. Фильтры на ПАВ обеспечивают резкий спад, соответствующий этим требованиям. Однако также появляются значительная задержка, а также пульсации. Пример частотного плана супергетеродинного приемника для X-диапазона показан на рисунке 2. В этом приемнике желательно принимать от 8 ГГц до 12 ГГц с полосой пропускания 200 МГц. Требуемый спектр смешивается с настраиваемым гетеродином (LO) для генерации ПЧ на частоте 5.4 ГГц. Затем ПЧ 5.4 ГГц смешивается с гетеродином 5 ГГц для получения конечной ПЧ 400 МГц. Конечная ПЧ находится в диапазоне от 300 МГц до 500 МГц, что соответствует диапазону частот, в котором многие АЦП могут хорошо работать.       & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; lt; img src = 'https: // www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/x-and-ku-band-small-form-factor-radio-design/figure2.png?w=435 'alt = 'Рисунок 2' & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; gt; Рисунок 2. Пример частотного плана для приемника X-диапазона. Технические характеристики приемника - что имеет значение Помимо хорошо известных характеристик усиления, коэффициента шума и точки пересечения третьего порядка, некоторые типовые спецификации, которые влияют на частотное планирование для любой архитектуры приемника, включают подавление изображения, подавление ПЧ, самогенерируемые паразитные излучения и гетеродинное излучение. Шпоры изображения - RF за пределами интересующей полосы, которые смешиваются с LO для генерации тона в IF. Шпоры ПЧ - РЧ на частоте ПЧ, которая проходит через фильтрацию перед смесителем и проявляется в виде тона в ПЧ. Излучение гетеродина - RF от гетеродина, просачивающегося на входной разъем цепи приемника. Излучение гетеродина дает возможность быть обнаруженным даже в режиме только приема (см. Рисунок 3).       & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; lt; img src = 'https: //www.analog.com/-/media/analog/en/landing- страницы / технические-статьи / x-and-ku-band-small-form-factor-radio-design / figure3.png? w = 435 'alt =' Рисунок 3 '& amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; gt; Рисунок 3. Излучение гетеродина просачивается обратно через переднюю часть. Самогенерируемые паразиты - паразитные помехи на ПЧ, возникающие в результате смешения тактовых сигналов или гетеродинов в приемнике. Спецификации отклонения изображения применимы как к первому, так и ко второму этапу микширования. В типичном приложении для X- и Ku-диапазона первая ступень микширования может быть сосредоточена вокруг высокой ПЧ в диапазоне от 5 ГГц до 10 ГГц. Здесь желателен высокий IF, поскольку изображение попадает на Ftune + 2 × IF, как показано на рисунке 4. Таким образом, чем выше IF, тем дальше будет падать полоса изображения. Эта полоса изображения должна быть отклонена до попадания в первый смеситель, иначе внеполосная энергия в этом диапазоне будет отображаться как паразитная в первой ПЧ. Это одна из основных причин, почему обычно используются две ступени смешивания. Если бы был один каскад микширования с ПЧ в сотни МГц, было бы очень трудно отклонить частоту изображения на входе приемника.       & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; lt; img src = 'https: //www.analog.com/ - / media / analog / en / landing-pages / Technical-article / x-and-ku-band-small-form-factor-radio-design / figure4.png? w = 435 'alt =' Рисунок 4 '& amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; gt; Рисунок 4. Смешивание изображений в IF. Полоса изображения также существует для второго микшера при преобразовании первой IF во вторую IF. Поскольку вторая ПЧ имеет более низкую частоту (от нескольких сотен МГц до 2 ГГц), требования к фильтрации первого фильтра ПЧ могут незначительно отличаться. Для типичного приложения, где вторая ПЧ составляет несколько сотен МГц, фильтрация может быть очень сложной с первой высокочастотной ПЧ, требующей больших настраиваемых фильтров. Часто это может быть самый сложный фильтр в системе из-за высокой частоты и, как правило, узких требований к подавлению. Помимо подавления изображения, уровни мощности гетеродина, возвращаемые от микшера на входной разъем приема, должны подвергаться агрессивной фильтрации. Это гарантирует, что пользователя нельзя будет обнаружить из-за излучаемой мощности. Для этого гетеродин следует размещать далеко за пределами полосы пропускания РЧ, чтобы обеспечить адекватную фильтрацию. Представляем архитектуру с высокой ПЧ Последнее предложение интегрированных трансиверов включает AD9371, трансивер прямого преобразования от 300 МГц до 6 ГГц с двумя каналами приема и двумя каналами передачи. Полоса пропускания приема и передачи регулируется от 8 МГц до 100 МГц и может быть настроена для работы в дуплексном режиме с частотным разделением (FDD) или дуплексном режиме с временным разделением (TDD). Деталь размещена в корпусе 12 мм2 и потребляет ~ 3 Вт мощности в режиме TDD или ~ 5 Вт в режиме FDD. С развитием калибровок квадратурной коррекции ошибок (QEC) достигается подавление изображения от 75 до 80 дБ.       & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; lt; img src = 'https: //www.analog.com/ - / media / analog / en / landing-pages / Technical-article / x-and-ku-band-small-form-factor-radio-design / figure5.png? w = 435 'alt =' Рисунок 5 '& amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; gt; Рисунок 5. Блок-схема приемопередатчика прямого преобразования AD9371. Улучшение характеристик интегрированных ИС приемопередатчиков открыло новые возможности. AD9371 включает в себя второй смеситель, вторую фильтрацию и усиление ПЧ, АЦП с переменным затуханием, а также цифровую фильтрацию и прореживание цепи сигнала. В этой архитектуре AD9371, который имеет диапазон настройки от 300 МГц до 6 ГГц, может быть настроен на частоту от 3 ГГц до 6 ГГц и напрямую принимать первую ПЧ (см. Рисунок 6). AD16 идеально подходит для использования в качестве приемника ПЧ с коэффициентом усиления 19 дБ, коэффициентом шума 3 дБ и OIP40 5.5 дБмВт на частоте 9371 ГГц.       & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; lt; img src = 'https: //www.analog.com/-/ media / analog / en / landing-pages / Technical-article / x-and-ku-band-small-form-factor-radio-design / figure6.png? w = 435 'alt =' Рисунок 6 '& amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; gt; Рисунок 6. Приемопередатчик X- или Ku-диапазона с AD9371 в качестве приемника ПЧ. При использовании встроенного трансивера в качестве приемника ПЧ изображение через второй смеситель больше не влияет на качество изображения, как в случае с супергетеродинным приемником. Это может значительно снизить фильтрацию, необходимую в первой полосе ПЧ. Тем не менее, для учета эффектов второго порядка в приемопередатчике все же должна существовать некоторая фильтрация. Первая полоса ПЧ должна теперь обеспечивать фильтрацию на частоте, в два раза превышающей частоту первой ПЧ, чтобы свести на нет эти эффекты - задача намного проще, чем отфильтровать второе изображение и второй гетеродин, которые могут составлять несколько сотен МГц. Эти требования к фильтрации обычно могут быть удовлетворены с помощью недорогих небольших готовых фильтров LTCC. Эта конструкция также обеспечивает высокий уровень гибкости в системе и может быть легко повторно использована для различных приложений. Одним из способов обеспечения гибкости является выбор частоты ПЧ. Общее практическое правило выбора ПЧ состоит в том, чтобы поместить ее в диапазон, который на 1–2 ГГц выше, чем желаемая полоса пропускания спектра с помощью входной фильтрации. Например, если разработчику требуется 4 ГГц полосы пропускания спектра от 17 ГГц до 21 ГГц через входной фильтр, ПЧ может быть размещена на частоте 5 ГГц (на 1 ГГц выше желаемой полосы пропускания 4 ГГц). Это позволяет реализовать фильтрацию во внешнем интерфейсе. Если требуется полоса пропускания только 2 ГГц, можно использовать ПЧ 3 ГГц. Кроме того, благодаря программно-определяемой природе AD9371 легко изменить ПЧ на лету для приложений когнитивного радио, где можно избежать блокирующих сигналов по мере их обнаружения. Легко регулируемая полоса пропускания AD9371 от 8 МГц до 100 МГц также позволяет избежать помех вблизи интересующего сигнала. Благодаря высокому уровню интеграции в архитектуре с высокой ПЧ мы получаем сигнальную цепь приемника, которая занимает около 50% пространства, необходимого для эквивалентного супергетеродина, при снижении энергопотребления на 30%. Кроме того, архитектура с высокой ПЧ является более гибким приемником, чем супергетеродинная архитектура. Эта архитектура является инструментом для рынков с низким SWaP, где желателен небольшой размер без потери производительности. Планирование частоты приемника с использованием архитектуры высокой ПЧ Одним из преимуществ архитектуры высокой ПЧ является возможность настройки ПЧ. Это может быть особенно полезно при попытке создать частотный план, исключающий любые паразитные помехи. Мешающий паразитный сигнал может возникнуть, когда принятый сигнал смешивается с гетеродином в смесителе и генерирует паразитный сигнал m × n, который не является желаемым тоном в полосе ПЧ. Смеситель генерирует выходные сигналы и паразитные сигналы в соответствии с уравнением m × RF ± n × LO, где m и n - целые числа. Принятый сигнал создает паразитный сигнал m × n, который может попадать в полосу ПЧ, и в некоторых случаях желаемый тон может вызвать паразитный переход на определенной частоте. Например, если мы наблюдаем систему, предназначенную для приема от 12 ГГц до 16 ГГц с ПЧ на 5.1 ГГц, как на рисунке 7, частоты изображения m × n, которые вызывают появление шпор в полосе, можно найти с помощью следующего уравнения : & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; ; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp ; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; lt; img src = 'https: //www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical -articles / x-and-ku-band-small-form-factor-radio-design / figure7.png? w = 435 'alt =' Рисунок 7 '& amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp ; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp ; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp ; amp; amp; gt; Рисунок 7. Архитектура приемника и передатчика с высокой ПЧ от 12 ГГц до 16 ГГц. В этом уравнении RF - это частоты RF на входе смесителя, которые вызывают падение тонального сигнала в IF. Давайте проиллюстрируем это на примере. Если приемник настроен на 13 ГГц, это означает, что частота гетеродина составляет 18.1 ГГц (5.1 ГГц + 13 ГГц). Подставляя эти значения в предыдущее уравнение и позволяя m и n принимать значения от 0 до 3, мы получаем следующее уравнение для RF: Результаты представлены в следующей таблице: Таблица 1. Таблица паразитных составляющих M × N для 18.1 ГГц LO mn RFsum (ГГц) RFdif (ГГц) 1 1 23.200 13.000 1 2 41.300 31.100 1 3 59.400 49.200 2 1 11.600 6.500 2 2 20.650 15.550 2 3 29.700 24.600 3 1 7.733 4.333 3 2 13.767 10.367 3 3 19.800 16.400 В таблице первая строка / четвертый столбец показывает желаемый сигнал 13 ГГц, который является результатом произведения 1 × 1 в смесителе. Пятый столбец / четвертая строка и восьмой столбец / третья строка показывают потенциально проблемные внутриполосные частоты, которые могут проявляться как шпоры в полосе. Например, сигнал 15.55 ГГц находится в пределах желаемого диапазона от 12 ГГц до 16 ГГц. Тональный сигнал на частоте 15.55 ГГц на входе смешивается с гетеродином для генерации тонального сигнала 5.1 ГГц (18.1 × 2–15.55 × 2 = 5.1 ГГц). Другие строки (2, 3, 4, 6, 7 и 9) также могут представлять проблему, но из-за того, что они находятся вне диапазона, они могут быть отфильтрованы входным полосовым фильтром. Уровень шпоры зависит от нескольких факторов. Главный фактор - производительность миксера. Поскольку смеситель по своей сути является нелинейным устройством, внутри его генерируется много гармоник. В зависимости от того, насколько хорошо согласованы диоды внутри смесителя и насколько хорошо смеситель оптимизирован для работы с паразитными помехами, будут определяться уровни на выходе. Диаграмма ответвления смесителя обычно включается в лист данных и может помочь в определении этих уровней. Пример диаграммы ответвления смесителя показан в таблице 2 для HMC773ALC3B. На диаграмме указан уровень дБн паразитных сигналов относительно желаемого тона 1 × 1. Таблица 2. Диаграмма шпора смесителя для HMC773ALC3B n × LO 0 1 2 3 4 5 м × RF 0 - 14.2 35 32.1 50.3 61.4 1 –1.9 - 17.7 31.1 32.8 61.2 2 83 55.3 60 59.6 6 73.7 87.9 3 82.6 86.1 68 68.5 61.9 85.9 4 76 86.7 82.1 77.4 74.9 75.8 5 69.3 74.7 85.3 87 85.1 62 С помощью этой гистограммы, наряду с расширением анализа, который был проведен в таблице 1, мы можем создать полную картину того, какие тона изображения m × n могут мешать нашему приемнику и какой уровень. Таблицу можно сгенерировать с выводом, аналогичным показанному на рисунке 8.       & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; lt; img src = 'https: //www.analog.com/-/ media / analog / en / landing-pages / Technical-article / x-and-ku-band-small-form-factor-radio-design / figure8.png? w = 435 'alt =' Рисунок 8 '& amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; gt; Рисунок 8. m × n изображений для приемника от 12 ГГц до 16 ГГц. На рисунке 8 синяя часть показывает желаемую полосу пропускания. Линии показывают разные изображения m × n и их уровни. Из этой диаграммы легко увидеть, какие требования к фильтрации необходимы перед смесителем, чтобы удовлетворить требования к источникам помех. В этом случае есть несколько шпор изображения, которые попадают в полосу и не могут быть отфильтрованы. Теперь мы посмотрим, как гибкость архитектуры с высокой ПЧ позволяет нам обойти некоторые из этих «шпор», чего не позволяет супергетеродинная архитектура. Устранение источников помех в режиме приемника На диаграмме на рисунке 9 показан аналогичный частотный план в диапазоне от 8 ГГц до 12 ГГц с ПЧ по умолчанию на уровне 5.1 ГГц. Эта диаграмма дает другой взгляд на шпоры микшера, показывая центральную частоту мелодии в зависимости от частоты. Частота изображения m × n, в отличие от уровня шпор, как показано ранее. Выделенная жирным шрифтом диагональная линия 1: 1 на этой диаграмме показывает желаемый ответвление 1 × 1. Остальные линии на графике представляют изображения размером m × n. В левой части этого рисунка представлено изображение без гибкости настройки ПЧ. В этом случае ПЧ установлена ​​на частоте 5.1 ГГц. При частоте настройки 10.2 ГГц пик изображения 2 × 1 пересекает полезный сигнал. Это означает, что если вы настроены на 10.2 ГГц, есть большая вероятность, что ближайший сигнал может заблокировать прием интересующего сигнала. Правый график показывает решение этой проблемы с гибкой настройкой ПЧ. В этом случае ПЧ переключается с 5.1 ГГц на 4.1 ГГц около 9.2 ГГц. Это предотвращает возникновение перекрестной шпоры.       & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; lt; img src = 'https: //www.analog.com/-/ media / analog / en / landing-pages / Technical-article / x-and-ku-band-small-form-factor-radio-design / figure9.png? w = 435 'alt =' Рисунок 9 '& amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; gt; Рисунок 9. Ответвление кроссовера m × n без гибкости ПЧ (вверху) и без кроссовера с настройкой ПЧ (внизу). Это всего лишь простой пример того, как можно избежать блокирующих сигналов с помощью архитектуры с высокой ПЧ. В сочетании с интеллектуальными алгоритмами для определения помех и вычисления новых потенциальных частот ПЧ существует множество возможных способов создания приемника, который может адаптироваться к любой спектральной среде. Это так же просто, как определить подходящую ПЧ в заданном диапазоне (обычно от 3 ГГц до 6 ГГц), а затем пересчитать и запрограммировать гетеродин на основе этой частоты. Планирование частоты передатчика с архитектурой с высокой ПЧ Как и с планированием частоты приема, можно воспользоваться преимуществом гибкости архитектуры с высокой ПЧ для улучшения характеристик передатчика по паразитным помехам. В то время как на стороне приемника частотный контент несколько непредсказуем. На передающей стороне легче предсказать паразитные составляющие на выходе передатчика. Это РЧ-содержимое можно предсказать с помощью следующего уравнения: Если ПЧ заранее определена и определяется частотой настройки AD9371, гетеродин определяется желаемой выходной частотой. Схема микшера, аналогичная той, что была сделана для канала приемника, может быть сгенерирована на передающей стороне. Пример показан на рисунке 10. На этой диаграмме самые большие шпоры - это частота изображения и гетеродина, которые можно отфильтровать до желаемых уровней с помощью полосового фильтра после смесителя. В системах FDD, где паразитный выходной сигнал может снизить чувствительность ближайшего приемника, внутриполосные паразиты могут быть проблематичными, и именно здесь гибкость настройки ПЧ может оказаться полезной. В примере на Рисунке 10, если используется статическая ПЧ 5.1 ГГц, на выходе передатчика будет возникать кроссовер, который будет около 15.2 ГГц. Регулируя ПЧ на 4.3 ГГц при частоте настройки 14 ГГц, можно избежать появления паразитного эффекта кроссовера. Это изображено на рисунке 11.       & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; lt; img src = 'https: //www.analog.com/-/ media / analog / en / landing-pages / Technical-article / x-and-ku-band-small-form-factor-radio-design / figure10.png? w = 435 'alt =' Рисунок 10 '& amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; gt; Рисунок 10. Вывод паразитных сигналов без фильтрации.       & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; lt; img src = 'https: //www.analog.com/-/ media / analog / en / landing-pages / Technical-article / x-and-ku-band-small-form-factor-radio-design / figure11.png? w = 435 'alt =' Рисунок 11 '& amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; gt; Рисунок 11. Статическая ПЧ вызывает паразитный кроссовер (вверху), настройка ПЧ позволяет избежать кроссовера (внизу). Пример конструкции - широкополосная система FDD Чтобы продемонстрировать производительность, которая может быть достигнута с помощью этой архитектуры, прототип системы FDD приемника и передатчика был построен с использованием готовых компонентов Analog Devices и настроен на работу в диапазоне частот от 12 ГГц до 16 ГГц в полосе приема. и от 8 ГГц до 12 ГГц в полосе передачи. Для сбора данных о характеристиках использовалась ПЧ 5.1 ГГц. LO был установлен в диапазоне от 17.1 ГГц до 21.1 ГГц для канала приема и от 13.1 ГГц до 17.1 ГГц для канала передачи. Блок-схема прототипа представлена ​​на рисунке 12. На этой схеме плата преобразователя X и Ku показана слева, а оценочная плата AD9371 - справа.       & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; lt; img src = 'https: //www.analog.com/-/ media / analog / en / landing-pages / Technical-article / x-and-ku-band-small-form-factor-radio-design / figure12.png? w = 435 'alt =' Рисунок 12 '& amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; gt; Рисунок 12. Блок-схема прототипа системы FDD приемника и передатчика X- и Ku-диапазонов. Данные об усилении, коэффициенте шума и IIP3 были собраны на приемном понижающем преобразователе и показаны на рисунке 13 (вверху). Общее усиление составляло ~ 20 дБ, NF - ~ 6 дБ, IIP3 - ~ –2 дБм. Некоторое дополнительное выравнивание усиления может быть выполнено с использованием эквалайзера, или калибровка усиления может быть выполнена с использованием переменного аттенюатора в AD9371.       & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; lt; img src = 'https: //www.analog.com/-/ media / analog / en / landing-pages / Technical-article / x-and-ku-band-small-form-factor-radio-design / figure13.png? w = 435 'alt =' Рисунок 13 '& amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; gt; Рисунок 13. Данные приемника Ku-диапазона (вверху), данные передатчика X-диапазона (внизу). Также был измерен передающий преобразователь с повышением частоты, зафиксировав его усиление, равное 0 P1dB, и OIP3. Эти данные отображены в зависимости от частоты на Рисунке 13 (внизу). Коэффициент усиления составляет ~ 27 дБ, P1 дБ ~ 22 дБм и OIP3 ~ 32 дБм. Когда эта плата соединена со встроенным приемопередатчиком, общие характеристики приема и передачи показаны в таблице 3. Таблица 3. Таблица общих характеристик системы Rx, от 12 до 16 ГГц Tx, от 8 до 12 ГГц, усиление 36 дБ Выходная мощность 23 дБм Уровень шума 6.8 дБ –132 дБн / Гц IIP3 –3 дБм OIP3 31 дБм, макс. (Без АРУ ) –33 дБм OP1dB 22 дБм Внутриполосный m × n –60 дБн Внутриполосный паразитный сигнал –70 дБн Мощность 3.4 Вт Мощность 4.2 Вт В целом характеристики приемника соответствуют супергетеродинной архитектуре, в то время как мощность значительно снижена . Эквивалентная конструкция супергетеродина потребляла бы более 5 Вт для цепи приемника. Кроме того, прототип платы был изготовлен без приоритетного уменьшения размера. При правильной компоновке печатной платы, а также интеграции AD9371 на той же печатной плате, что и понижающий преобразователь, общий размер решения, использующего эту архитектуру, может быть уменьшен до 4–6 квадратных дюймов. Это показывает значительную экономию размера по сравнению с эквивалентным супергетеродинным решением, которое будет ближе к 8-10 квадратным дюймам.

Оставить сообщение 

Список сообщений