Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
|
Навчальна дисципліна |
Перспективні досягнення теорії телекомунікацій |
|
Модуль 1 |
|
|
Змістовий модуль № 1 |
Методи формування та обробки сигналів в телекомунікаційних системах |
|
Тема 2 |
Цифрові методи формування, модуляції і демодуляції сигналів |
|
Лекція № 5 |
Побудова стільникових базових станцій |
ПЛАН ЛЕКЦІЇ
Навчальні питання:
Навчально-матеріальне забезпечення:
Навчальна література:
Cергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. – СПб.: Питер, 2003. – 604 с.
Гепко И.А., Олейник В.Ф., Чайка Ю.Д., Бондаренко А.В. Современные беспроводные сети: состояние и перспективы развития. – К.: ЕКМО, 2009. – 672 с.
1. Аналогові базові станції стільникової телефонії
Розглянемо аналоговий супергетеродинний приймач, винайдений в 1917 році Едвіном Армстронгом (див. слайд 2). Ця архітектура представляла собою істотний крок вперед у порівнянні з однокаскадними аналоговими приймачами прямого перетворення (гомодинними), які будувалися з використанням перестроюваних підсилювачів проміжної частоти, одного детектора і каскаду підсилення сигналу звукової частоти. (Необхідно звернути увагу, що гомодинна техніка тепер отримала широке розповсюдження в приймачах з цифровою обробкою, як показано вище). Основна перевага супергетеродинного аналогового приймача полягає в тому, що він має суттєво менші масогабарити і більш економічний при забезпеченні заданого підсилення і селективності приймача на фіксованих проміжних частотах (IF) у порівнянні з підсиленням і частотною вибірковістю схем з перестроюванням по частотному діапазону.
Частоти, показані на слайді 2, виділені для AMPS (Служба вдосконаленої мобільної телефонії) – аналогової системи стільникової телефонії, яка використовується в даний час в США. Приймач призначений для прийому AMPS-радіосигналів частотою 900 МГц. Смуга частот для несучих "A" або "B", які обслуговують локальну географічну область, складає 12,5 МГц (416 каналів, кожен шириною 30 кГц). В приймачі, як показано на рисунку, використовується триразове перетворення частоти, з першою проміжною частотою 70 МГц, другою частотою 10,7 МГц і третьою частотою 455 кГц. Дзеркальна частота на вході приймача відділяється від несучої підстроюванням першої проміжної частоти (при використанні відносно високої першої проміжної частоти розробка дзеркального фільтра спрощується).
Вихідний сигнал третього каскаду проміжної частоти демодулюється з використанням аналогових методів (дискримінаторів, детекторів огинаючої, синхронних детекторів і т.д.) У випадку AMPS використовується частотна модуляція. Важливою властивістю згаданої схеми є те, що на кожен канал необхідний один приймач, а антена, каскад попередньої фільтрації і малошумливий підсилювач можуть бути загальними.
Необхідно зазначити, що для спрощення схеми на рисунку не показані міжкаскадні підсилювачі. Вони, однак, є важливою частиною приймача і при подальшій розробці це необхідно враховувати.
Розробка аналогового приймача є складним процесом, і є багато додаткових функціональних вузлів, які можуть бути використані на проміжній частоті між першим і другим або третім перетворенням частоти: фільтри, які здорожчують та ускладнюють кожен каскад приймача, схеми демодуляції і т.д. Є багато чудових рекомендацій щодо побудови аналогового приймача, і мета цього обговорення полягає лише в тому, щоб сформувати систему відліку для подальшого обговорення використання цифрових методів при розробці вдосконалених телекомунікаційних приймачів і приймачів базових станцій стільникового телефонії.
Слайд 2. Супергетеродинний аналоговий приймач базової станції системи AMPS
(U.S. ADVANCED MOBILE PHONE SERVICE).
2. Цифрові стільникові базові станції
Мобільні телефонні базові станції формують основу сучасної бездротової стільникової інфраструктури. Вони повинні забезпечувати отримання численних запитів, обробку запитів і їх ретрансляцію. З'єднання з базовою станцією в суміжних стільниках повинно виконуватися без втрати сигналу при русі абонента. Крім того, базові станції часто повинні задовольняти декільком стандартам одночасно. У деяких областях США в досить великому числі частотних смуг використовуються різні технології в межах однієї і тієї ж географічної області, наприклад AMPS і CDMA.
Гнучкість, висока продуктивність і низька вартість каналу є основними вимогами до сучасних базових станцій. Максимальне використання DSP в прийомопередавачах дозволяє обробляти декілька стандартів без необхідності заміни апаратних засобів. Це призвело до широкого розповсюдження програмного забезпечення для обробки радіосигналів (software radios), яка домінує в даний момент на ринку базових станцій.
Як і у випадку стільникових телефонів, техніка прямого перетворення широко використовується і в базових станціях. Сигнал оцифровується високоефективним широкосмуговим АЦП, після чого слідує тільки один каскад перенесення частоти. На слайді 3 показані два основних підходи до побудови цифрового приймача: вузькосмуговий і широкосмуговий фільтри.
При вузькосмуговому підході мається на увазі, що була виконана достатня попередня фільтрація сигналу, в результаті чого придушені всі паразитні сигнали і на вході АЦП присутній тільки корисний сигнал. Широкосмуговий підхід передбачає наявність на вході АЦП безлічі каналів і подальша фільтрація, настроювання й обробка виконуються в цифровій формі. Звичайно, широкосмуговий приймач призначений для прийому суцільної смуги сигналів, наприклад для стільникової телефонії, або інших систем бездротового зв'язку (PCS або CDMA). Фактично, один широкосмуговий цифровий приймач може використовуватися для одночасного прийому всіх можливих каналів в межах виділеного частотного діапазону, що дозволяє використовувати практично тільки аналогові засоби (включаючи АЦП) для виділення потрібного каналу.
Слайд 3. Вузькосмуговий і широкосмуговий цифрові приймачі
для стільникових базових станцій.
Широкосмуговий підхід накладає серйозні обмеження на параметри використовуваного АЦП і вимагає широкого динамічного діапазону (SFDR) і високого відношення сигнал/шум (SNR), особливо в стільникових системах, де рівень сигналів сусідніх каналів може відрізнятися більш ніж на 100 дБ. Це вимагає застосування АЦП зі смугою пропускання більше 100 МГц і частотою дискретизації більш ніж 50 МГц (наприклад, для роботи з мультинесучою зі смугою частот 25 МГц). З іншого боку, вузькосмуговий підхід забезпечує більш ретельну обробку, оскільки кожен канал може бути оцифрований з більш високою частотою дискретизації, але цей підхід також вимагає більшої кількості АЦП для обробки того ж самого числа каналів.
Комплект ІМС від Analog Devices – SoftCell™ адресований в першу чергу операторам бездротових систем зв'язку, дозволяючи знизити вартість обслуговування та розміри обладнання, підвищити гнучкість і якість обслуговування. Базові станції, що містять комплект ІМС SoftCell, легко дозволяють проводити модифікацію: організацію нових послуг, додаткових каналів, і заміну стандартів бездротової передачі даних. У дійсності, оператори будуть мати можливість використовувати будь-який стандартний радіочастотний інтерфейс (наприклад, GSM, PHS, D-AMPS), збільшити кількість каналів, більш ефективно використовувати виділені частотні смуги. Нова архітектура також дозволяє обійтися без надлишкових радіоканалів і для передавачів, і для приймачів.
Комплект SoftCell оптимізовано для чотирьох радіоканалів і може бути легко розширено. Це рішення дозволяє виробникам устаткування використовувати масштабовану мультинесучу, багатомодові базові станції на основі вузлів традиційних багатоканальних базових станцій, що використовують аналогові методи. Блок-схема системи, що використовує комплект SoftCell, показана на слайді 4.
Слайд 4. Структурна схема базової станції для роботи з багатьма несучими
на чипсеті SoftCell™.
Зменшення розмірів при збереженні вартості за рахунок використання SoftCell дозволяє розмістити більш щільно на обмеженій площі більшу кількість базових станцій. В результаті забезпечується краще покриття, більш висока якість зв'язку і менша ймовірність відмов обслуговування користувачів. Мобільність і компактність систем на базі SoftCell робить їх ідеальним варіантом для організації офісних бездротових систем зв'язку. Крім того, технологія програмного забезпечення радіоканалу, реалізована в цьому комплекті, дозволяє використовувати нові можливості, наприклад смарт-антени або фазовані антенні решітки, які дають можливість більш ефективно споживати потужність передавача без збільшення вартості системи, а також організувати маленькі мікростільникові установки для збільшення охоплення внутрішньоофисных бездротових систем.
Комплект ІМС SoftCell складається з 14-розрядного АЦП AD6644, чотириканального процесора обробки сигналу (RSP) AD6624, 14-розрядного ЦАП AD9772 і чотириканального процесора обробки сигналу (TSP) AD6622. Використання сигнальних процесорів дозволяє покращити розділення каналів, корекцію АЧХ, коригування помилок і підвищити гнучкість та ефективність декодування. Цей новий комплект інтегральних мікросхем оптимізований для роботи з багатопроцесорними системами на базі архітектури TigerSharc™.
Цифровий сигнальний процесор з архітектурою TigerSHARC оптимізований для телекомунікаційних додатків і здатний виконувати 1 млрд. операцій множення з накопиченням в секунду над 16-розрядними даними при тактовій частоті 150 МГц. Ще однією унікальною особливістю архітектури TigerSHARC є здатність підтримувати 8-, 16- і 32-розрядний формат даних на одному кристалі. Модуляція/демодуляція, канальне кодування/декодування та інші функції обробки радіоканалу можуть бути мультиплексовані, що дозволяє підтримувати обробку кількох несучих на одному процесорі.
На додаток до комплекту SoftCell, ADI недавно представила універсальний приймальний АЦП AD6600. AD6600 призначений для вузькосмугових додатків, в яких неможливо реалізувати архітектуру з безліччю несучих, але можлива організація безпосередньої оцифровки сигналів проміжної частоти до 250 МГц. У комбінації з відповідним цифровим процесором обробки сигналу AD6600 може обробляти різноманітні стандартні бездротові інтерфейсні сигнали, включаючи GSM Macrocell.
Класична архітектура базової станції вимагає повноцінного прийомопередавача для обробки кожної радіочастотної несучої (від 4 до 80 каналів для цифрових і аналогових систем відповідно). Ці радіоканали повинні дублюватися з урахуванням властивостей антен. Звідси очевидно, чому електроніка базових станцій займає так багато місця, споживає велику потужність і дорого коштує. Перевага програмної обробки мультинесучої проявляється в усуненні надлишкових радіоканалів на користь єдиного швидкодіючого радіоканалу, де кожна несуча обробляється в цифровій формі. Поширення такої програмної обробки радіосигналів обмежується властивостями аналого-цифрових перетворювачів, які повинні оцифровувати величезний динамічний діапазон, необхідний для обробки спектру кількох несучих і придушення інтерференції сусідніх каналів.
Передавачі з декількома несучими мають подібні вимоги до апаратної частини для організації нових бездротових інтерфейсів. Цифро-аналогові перетворювачі (ЦАП) і підсилювачі потужності мультинесучих (MCPAS) повинні передавати спектр декількох генерованих в цифровій формі несучих без спотворень або змішування сигналів в суміжних каналах. AD9772 являє собою 14-розрядний інтерполіруючий ЦАП, оптимізований для точного перетворення кількох несучих в єдину проміжну частоту. AD9772 є останнім представником сімейства швидкодіючих перетворювачів TxDAC ® ADI.
Серцем комплекту ІМС SoftCell є AD6644 – 14-розрядний АЦП з тактовою частотою 65 МГц, який забезпечує динамічний діапазон (SFDR) до 100 дБ і відношення сигнал/шум (SNR) 77 дБ. Такі параметри приймальної частини необхідні для оцифровки радіосигналу з декількома несучими, які використовуються в багатьох додатках. При зміні налаштування каналу фільтрація і демодуляція в цифровій формі дозволяють гнучко підтримувати різні бездротові стандарти, число каналів і частотних планів при наявності єдиного модуля радіоканалу.
Наступний після АЦП цифровий процесор обробки сигналу (RSP) виконує функції канального налаштування, фільтрації і проріджування, необхідні для виділення базової частоти і обробки її в цифровому сигнальному процесорі (DSP). Функції DSP виконує AD6624 – чотириядерний процесор з продуктивністю 65 MSPS, що підтримує стандарти GSM, IS136 і інші вузькосмугові стандарти. AD6624 має чотири незалежні канали, що дозволяє легко змінювати характеристики бездротового інтерфейсу по мірі необхідності. Такий підхід також дає можливість паралельного включення AD6624S для збільшення кількості каналів. AD6624 також може бути налаштований для підтримки EDGE-розширень стандартів GSM і IS136.
Чотириканальний цифровий процесор обробки сигналу AD6622 обробляє сигнал основної частоти, що надходить з DSP. Він виконує всю необхідну сигнальну обробку для виведення даних на ЦАП AD9772. Кожен канал може бути незалежно запрограмований таким чином, щоб забезпечити необхідну фільтрацію каналу для більшості бездротових стандартних інтерфейсів. AD6622 підтримує IS95 і WCDMA стандарти і може бути використаний для об'єднання довільної кількості каналів на одному 18-розрядному цифровому виході.
Розробив:
доцент кафедри КІ
к.т.н., с.н.с. Волошко С.В.