Подавление зеркального канала и приемники прямого преобразования
В данной статье мы обсудим проблему «зеркального канала» в приемниках на основе ПЧ, а также рассмотрим альтернативный подход, который устраняет это усложнение.
В предыдущей статье мы изучили преимущества, связанные с использованием промежуточной частоты (ПЧ или IF, intermediate frequency). Однако ПЧ-архитектуры повлекли за собой серьезный недостаток, и на самом деле этот недостаток является важным фактором, мотивирующим к разработке альтернатив, основанных на прямом преобразовании.
Зеркальный канал
Приемник на основе ПЧ использует сигнал генератора с переменной частотой (ГПЧ или VFO, variable-frequency oscillator) для смещения принимаемого спектра вниз до эквивалентного спектра, центрированного вокруг промежуточной частоты; смещение выполняется посредством умножения. Однако эта операция умножения влияет не только на принимаемый спектр, но и на любой спектр, расположенный симметрично относительно частоты ГПЧ. Другими словами, умножение сдвинет один спектр, который ниже частоты ГПЧ на величину ПЧ, и другой спектр, который выше частоты ГПЧ на величину ПЧ.
Как вы можете видеть, и спектр зеркального канала, и спектр искомого сигнала, оба присутствуют в сигнале промежуточной частоты, который будет затем демодулироваться. На этом рисунке мы можем легко отличить один от другого, но в реальной схеме это не так – частотная информация в нужном спектре искажается частотной информацией в спектре зеркального канала.
Этот симметрично расположенный спектр зеркального канала является серьезным препятствием для надежного приема, основанного на ПЧ. Почему? Поскольку спектр зеркального канала (предположительно) не находится под управлением проектируемой беспроводной системы, и, следовательно, это может быть что угодно, включая сигнал, который намного мощнее интересующего нас сигнала. Таким образом, если мы не сделаем что-то для уменьшения влияния зеркального канала, качество приема системы будет зависеть от непредсказуемого поведения сигналов, близких к частоте зеркального канала.
Подавление зеркального канала
Чтобы уменьшить влияние спектра зеркального канала, гетеродинные приемники используют фильтры подавления зеркального канала. Они помещаются перед смесителем, так чтобы спектр зеркального канала подавлялся до смещения на промежуточную частоту. Это эффективное решение, но есть два осложнения.
Компромисс
Фильтр подавления зеркального канала будет не очень полезен, если он ослабляет и спектр зеркального канала, и спектр интересующего нас сигнала. Таким образом, амплитудно-частотная характеристика фильтра должна переходит от низкого ослабления в полосе необходимого сигнала к высокому затуханию в полосе зеркального канала. Как и в случае с любым фильтром, быстрые переходы от полосы пропускания до полосы задерживания являются сложными, и, таким образом, будет легче разработать фильтр подавления зеркального канала, если между необходимой полосой и полосой зеркального канала будет большой разнос по частоте.
Однако разделение между требуемой полосой и полосой зеркального канала пропорционально промежуточной частоте (более конкретно, это разделение в два раза больше промежуточной частоты). Это означает, что большее разделение соответствует более высокой ПЧ. Это не катастрофично, но мы должны помнить, что мы хотим, чтобы промежуточная частота была значительно удобнее (с точки зрения обработки сигналов), чем высокая частота, используемая для радиочастотной передачи. Если мы увеличим промежуточную частоту слишком сильно, то трудности, создаваемые более высокой ПЧ, могут перевесить преимущества улучшенного подавления зеркального канала. Таким образом, фильтрация подавления зеркального канала влечет за собой фундаментальный компромисс между подавлением зеркального канала и желанием поддерживать более низкую промежуточную частоту.
Интеграция или отсутствие
Подавление зеркального канала обычно осуществляется с помощью фильтра, который не включен в интегральную микросхему. Другими словами, фильтры подавления зеркального канала занимают площадь на печатной плате и время на проектирование, а в контексте современной электроники оба этих ресурса ценны и в дефиците.
Компании часто пытаются свести к минимуму время, затрачиваемое на перенос нового продукта на фазу производства, а важным способом сокращения времени проектирования является, по возможности, избегание специальной разработки – другими словами, использование протестированных и проверенных интегральных микросхем вместо недавно разработанных внешних схем. Что касается площади на печатных платах, то неудивительно, что миниатюризация является одной из основных целей в различных отраслях электроники, и единственный способ добиться экстремальных уменьшений размеров – это технология интегральных микросхем. Таким образом, гетеродинные приемники, которые полагаются на фильтры подавления зеркального канала, в корне проблематичны в отношении неизбежных реалий в проектировании современной электроники.
Возможное решение: прямое преобразование
Как упоминалось в предыдущей статье, приемник с прямым преобразованием сдвигает принятый сигнал в базовый (низкочастотный) диапазон вместо промежуточной частоты. Другими словами, частота генератора переменной частоты всегда равна центральной частоте интересующего нас спектра.
Данный подход включает в себя одно очень важное преимущество – он устраняет проблему с зеркальным каналом. В схеме прямого преобразования отсутствует спектр зеркального канала: интересующий нас спектр центрирован вокруг частоты генератора переменной частоты, и нет спектра, который может быть симметрично расположен относительно частоты ГПЧ, когда необходимая центральная частота и частота ГПЧ равны.
Другим преимуществом прямого преобразования является просто расширение преимуществ, связанных с архитектурами на основе промежуточной частоты. Промежуточная частота облегчает обработку сигнала, поскольку она значительно ниже частоты передачи, но обработка может быть еще проще, когда «промежуточная» частота равна 0 Гц, т.е. когда принятый спектр смещается непосредственно на основную (низкочастотную) полосу частот.
Прямое преобразование сразу кажется превосходной альтернативой: концептуально проще, нет зеркального канала, чтобы испортить принятый спектр, обработка низкочастотных сигналов заменяет обработку сигналов на промежуточной частоте, а отсутствие фильтра подавления зеркального канала позволяет расширить использование технологии интегральных микросхем. Почему же кто-то даже рассматривает архитектуру на основе ПЧ? Ну, оказывается, что существует несколько существенных недостатков, связанных с прямым преобразованием. Здесь мы обсудим только тот недостаток, который, пожалуй, является самым серьезным.
Смещение по постоянному напряжению
Радиоприемники чувствительны к постоянным составляющим сигнала, поскольку амплитуда принимаемых сигналов часто чрезвычайно мала. Эти сигналы с малой амплитудой создают потребность в высоком усилении, но высокое усиление может быстро нарушаться, когда сигнал имеет значительное смещение по постоянному напряжению, поскольку умножение смещения насыщает усилитель.
Смесители легко создают смещение по постоянному напряжению, поскольку умножение синусоиды на другую синусоиду с одинаковой частотой и фазой создает неизменяющуюся составляющую сигнала. В главе 3 мы обсудили сложности, вызванные тем, что радиочастотные сигналы не ограничиваются предназначенными для них путями прохождения. Скорее их высокая частота позволяет им «утекать» в части схемы, где мы бы не хотели их видеть. Проблема создания смещения по постоянному напряжению является прекрасным примером этой проблемы: сигнал генератора утекает в другие части схемы таким образом, что он присутствует на обоих входах смесителя, и результатом является смещение по постоянному напряжению в выходном сигнале.
Приемник прямого преобразования должен реализовывать некоторый способ отмены смещения по постоянному напряжению, а это не особенно простая задача; фильтрация, как правило, невозможна, поскольку фильтр будет подавлять и участки необходимого спектра, которые были сдвинуты вниз до полосы вокруг постоянного напряжения. С другой стороны, гетеродинный приемник может легко удалять смещения по постоянному напряжению с помощью фильтрации, поскольку между постоянным напряжением и диапазоном ПЧ существует значительное разделение по частоте.
Резюме
- Преобразование по частоте вниз на промежуточную частоту приводит к тому, что спектр зеркального канала искажает спектр интересующего нас сигнала.
- Спектр зеркального канала может быть подавлен с помощью фильтрации, но подход фильтрации к подавлению зеркального канала включает в себя важный компромисс при проектировании и препятствует объединению схемы в интегральной микросхеме.
- Прямое преобразование устраняет проблему с зеркальным каналом, но имеет свои недостатки.
- Особенно важной характеристикой архитектуры прямого преобразования является ее восприимчивость к смещениям по постоянному напряжению, создаваемым смесителем.