Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №8

Разработка аналогового приемника является сложным процессом, и имеется много дополнительных функциональных узлов, которые могут быть использованы на промежуточной частоте между первым и вторым или третьим преобразованием частоты: фильтры, удорожающие и усложняющие каждый каскад приемника, схемы демодуляции и т. д. Имеется много превосходных рекомендаций по построению аналогового приемника, и цель этого обсуждения состоит лишь в том, чтобы сформировать систему отсчета для последующего обсуждения использования цифровых методов при разработке усовершенствованных телекоммуникационных приемников и приемников базовых станций сотовой телефонии.

Цифровые сотовые базовые станции

Сотовые телефонные базовые станции формируют основу современной беспроводной сотовой инфраструктуры. Они должны обеспечивать получение многочисленных запросов, обработку запросов и их ретрансляцию. Соединение с базовой станцией в смежных ячейках должно выполняться без потери сигнала при движении абонента. Кроме того, базовые станции зачастую должны удовлетворять нескольким стандартам одновременно. В некоторых областях США в достаточно большом числе частотных полос используются различные технологии в пределах одной и той же географической области, например AMPS и CDMA.

Гибкость, высокая производительность и низкая стоимость канала являются основными требованиями к современным базовым станциям. Максимальное использование DSP в приемопередатчиках позволяет обрабатывать несколько стандартов без необходимости замены аппаратных средств. Это привело к широкому распространению программного обеспечения для обработки радиосигналов (software radios), которое доминирует в текущий момент на рынке базовых станций.

Как и в случае сотовых телефонов, техника прямого преобразования широко используется и в базовых станциях. Сигнал оцифровывается высокоэффективным широкополосным АЦП, после чего следует только один каскад переноса частоты. На рис. 9.19 показаны два основных подхода к построению цифрового приемника: узкополосный и широкополосный фильтры.

При узкополосном подходе подразумевается, что была выполнена достаточная предварительная фильтрация сигнала, в результате чего подавлены все паразитные сигналы и на входе АЦП присутствует только полезный сигнал. Широкополосный подход подразумевает наличие на входе АЦП множества каналов и дальнейшая фильтрация, настройка и обработка выполняется в цифровой форме. Обычно, широкополосный приемник предназначен для приема сплошной полосы сигналов, например для сотовой телефонии, или других систем беспроводной связи (PCS или CDMA). Фактически, один широкополосный цифровой приемник может использоваться для одновременного приема всех возможных каналов в пределах выделенного частотного диапазона, что позволяет использовать практически только аналоговые средства (включая АЦП) для выделения нужного канала.

Широкополосный подход накладывает серьезные ограничения на параметры используемого АЦП и требует широкого динамического диапазона (SFDR) и высокого отношения сигнал/шум (SNR), особенно в сотовых системах, где уровень сигналов соседних каналов может отличаться более чем на 100 дБ. Это требует применения АЦП с полосой пропускания более 100 МГц и частотой дискретизации более чем 50 МГц (например, для работы с мультинесущей с полосой частот 25 МГц). С другой стороны, узкополосный подход обеспечивает более тщательную обработку, поскольку каждый канал может быть оцифрован с более высокой частотой дискретизации, но этот подход также требует большего количества АЦП для обработки того же самого числа каналов.

Комплект ИМС от Analog Devices — SoftCell™ адресован в первую очередь операторам беспроводных систем связи, позволяя снизить стоимость обслуживания и размеры оборудования, повысить гибкость и качество обслуживания. Базовые станции, содержащие комплект ИМС SoftCell, легко позволяют производить модификацию: организацию новых услуг, дополнительных каналов, и замену стандартов беспроводной передачи данных. В действительности, операторы будут иметь возможность использовать любой стандартный радиочастотный интерфейс (например, GSM, PHS, D-AMPS), увеличить число каналов, более эффективно использовать выделенные частотные полосы. Новая архитектура также позволяет обойтись без избыточных радиоканалов и для передатчиков и для приемников.

Комплект SoftCell оптимизирован для четырех радиоканалов и может быть легко расширен. Это решение позволяет изготовителям оборудования использовать масштабируемую мультинесущую, многомодовые базовые станции на основе узлов традиционных многоканальных базовых станций, использующих аналоговые методы. Блок-схема системы, использующей комплект SoftCell, показана на рис. 9.20.

Уменьшение размеров при сохранении стоимости за счет использования SoftCell позволяет разместить более плотно на ограниченной площади большее число базовых станций. В результате обеспечивается лучший охват, более высокое качество связи и меньшая вероятность отказов обслуживания пользователей. Мобильность и компактность систем на базе SoftCell делает их идеальным вариантом для организации офисных беспроводных систем связи. Кроме того, технология программного обеспечения радиоканала, реализованная в данном комплекте, позволяет использовать новые возможности, например смарт-антенны или фазированные антенные решетки, которые дают возможность более эффективно потреблять мощность передатчика без увеличения стоимости системы, а также организовать маленькие микросотовые установки для увеличения охвата внутриофисных беспроводных систем.

Комплект ИМС SoftCell состоит из 14-разрядного АЦП AD6644, четырехканального процессора обработки принимаемого сигнала (RSP) AD6624, 14-разрядного ЦАП AD9772 и четырехканального процессора обработки передаваемого сигнала (TSP) AD6622. Использование сигнальных процессоров позволяет улучшить разделение каналов, коррекцию АЧХ, коррекцию ошибок и повысить гибкость и эффективность декодирования. Этот новый комплект интегральных микросхем оптимизирован для работы с многопроцессорными системами на базе архитектуры TigerSharc™.

Цифровой сигнальный процессор с архитектурой TigerSHARC оптимизирован для телекоммуникационных приложений и способен выполнять 1 млрд. операций умножения с накоплением в секунду над 16-разрядными данными при тактовой частоте 150 МГц. Еще одной уникальной особенностью архитектуры TigerSHARC является способность поддерживать 8-, 16-, и 32-разрядный формат данных на одном кристалле. Модуляция / демодуляция, канальное кодирование/декодирование и другие функции обработки радиоканала могут быть мультиплексированы, что позволяет поддерживать обработку нескольких несущих на одном процессоре.

В дополнение к комплекту SoftCell, ADI недавно представила универсальный приемный АЦП AD6600. AD6600 предназначен для узкополосных приложений, в которых невозможно реализовать архитектуру с множеством несущих, но возможна организация непосредственной оцифровки сигналов промежуточной частоты до 250 МГц. В комбинации с соответствующим цифровым процессором обработки принимаемого сигнала, AD6600 может обрабатывать разнообразные стандартные беспроводные интерфейсные сигналы, включая GSM Macrocell.

Классическая архитектура базовой станции требует полноценного приемопередатчика для обработки каждой радиочастотной несущей (от 4 до 80 каналов для цифровых и аналоговых систем соответственно). Эти радиоканалы должны дублироваться с учетом свойств антенн. Отсюда очевидно, почему электроника базовых станций занимает так много места, потребляет огромную мощность и дорого стоит. Преимущества программной обработки мультинесущей проявляется в устранении избыточных радиоканалов в пользу единственного быстродействующего радиоканала, где каждая несущая обрабатывается в цифровой форме. Распространение такой программной обработки радиосигналов ограничивается свойствами аналого-цифровых преобразователей, которые должны оцифровывать огромный динамический диапазон, необходимый для обработки спектра нескольких несущих и подавления интерференции соседних каналов.