Цифровые радиоприемники. Шумы. Динамический диапазон

Целесообразность и сложность построения цифровых радиоприемников

Развитие технологий цифровой обработки сигналов и создания быстродействующих цифровых устройств коренным образом изменило структуру современных радиоприемных устройств. Появились большие возможности по обработке сигналов, по автоматизации управления приемниками [1, 2]. Сложным остался вопрос стыковки аналогового тракта системы связи с устройствами цифровой обработки.

Критическим параметром современных радиоприемных устройств, особенно работающих в коротковолновом диапазоне, является линейность входных высокочастотных цепей. Современный эфир плотно занят, и приемнику приходится работать при большом количестве внеполосных помех высокого уровня. Из-за нелинейности возникают эффекты блокирования и интермодуляционных искажений, которые не позволяют качественно принимать сигналы. Использование прямого аналого-цифрового преобразования высокочастотных сигналов с помощью современных АЦП позволяет в значительной степени решить описанную задачу.

Порог чувствительности приемника с прямым АЦП высокочастотных сигналов

В настоящей работе проведена разработка и экспериментальное исследование характеристик радиоприемника коротковолнового диапазона с использованием прямого аналого-цифрового преобразования на 16‑разрядном АЦП LTC 2208. Получены хорошие характеристики. Но обнаружились и трудности.

Экспериментально показано, что с использованием передискретизации (oversampling) [1, 3] удается обеспечить аналого-цифровое преобразование слабых сигналов с амплитудой много меньше минимального интервала квантования АЦП (34,3 мкВ для LTC 2208) в смеси с более мощными внеполосными колебаниями. При частоте дискретизации 130 МГц обеспечивается реальная чувствительность приемника в полосе сигнала 3,1 кГц (прием однополосных сигналов) UC = 2,2 мкВ (при отношении сигнал/шум на выходе 10 дБ, СКО шумов АЦП 0,7 мкВ). На рисунке 1 показан результат преобразования слабого сигнала. Рисунки 1–3 представляют собой снимки экрана анализатора спектра – приложения к демонстрационной плате АЦП LTC 2208.

Коэффициент шума приемника при описанных условиях составляет 28,9 дБ (при сопротивлении источника сигнала 50 Ом). Высокий коэффициент шума является существенным недостатком данного метода построения приемников.

Вторым недостатком является существование дополнительных помех – результата неидеальности АЦП. Коэффициент шума удается понизить путем включения согласующего трансформатора на входе АЦП. Экспериментально проверено, что коэффициент трансформации 1:2 обеспечивает уменьшение коэффициента шума на 6 дБ.

Уменьшить уровень помех в АЦП LTC2208 можно с помощью режима Dither. В нем к входному аналоговому сигналу добавляется шум, созданный специальным цифровым генератором шума. На выходе АЦП осуществляется вычитание цифрового шума из полученного кода. Этот режим позволяет уменьшить паразитные составляющие на 20 и более дБ.

Применение трансформатора на входе, однако, нарушает работу алгоритма компенсации добавочного шума в режиме Dither. В итоге коэффициент шума АЦП не уменьшается из-за трансформатора. На рисунках 2–3 иллюстрируется влияние трансформатора.

Динамический диапазон приемника с прямым АЦП высокочастотных сигналов

Главным достоинством применения прямого АЦП входных высокочастотных сигналов при построении радиоприемников является широкий динамический диапазон, позволяющий принимать слабые сигналы на фоне мощных помех. Несмотря на то, что многоразрядные АЦП обладают высоким уровнем собственных шумов (коэффициент шума 28,9 дБ), динамический диапазон приемников с прямым АЦП сигналов оказывается значительно шире, чем при других схемах преобразования сигналов.

Эксперименты, проведенные в настоящей работе, обнаружили особенность собственных шумов АЦП. Она заключается в том, что мощность шумов не возрастает с увеличением частоты дискретизации. Подобно шумам квантования [1], спектральная плотность мощности собственных шумов АЦП уменьшается с увеличением частоты дискретизации (с расширением полосы Найквиста).

Экспериментально показано, что изменение частоты дискретизации с 60 до 180 МГц приводит к уменьшению порога чувствительности (определенного в полосе 3,1 кГц) примерно на 10 дБ.

Динамический диапазон АЦП, определенный на основании данных из технического описания SNR = 78 дБ, также равен 78 дБ (в полосе Найквиста 65 МГц) [4]. Пересчитанный к полосе 3,1 кГц, динамический диапазон составляет 111 дБ (при минимальном отношению сигнал/шум равном 10 дБ).

Широкий динамический диапазон обеспечивает работоспособность при воздействии большой блокирующей помехи. Динамический диапазон по блокированию составляет 111 дБ.

Чтобы подчеркнуть достоинства приемника с прямым АЦП сигналов, в данной работе были проведены измерения динамического диапазона по блокированию приемных устройств, входящих в состав трансиверов AD 9361 и RN 2483. Приемники в обоих трансиверах построены с использованием аналоговых квадратурных преобразователей на нулевую промежуточную частоту с последующим АЦП на низкой частоте.

Оба приемника выдерживают блокирующую помеху на 70 дБ, превышающую полезный сигнал при существенной расстройке относительно полосы пропускания основного тракта. При большем уровне помехи начинает ухудшаться порог чувствительности. Устойчивость приемника с прямым АЦП сигналов к воздействию блокирующей помехи выше на 40 дБ.

Вторым достоинством приемника на АЦП LTC2208 является низкий уровень интермодуляционных искажений 2‑го и 3‑го порядков. Экспериментально установлено, что уровень интермодуляционных составляющих при максимальном значении амплитуд двух гармонических колебаний около 0,5 В не превышает –110 дБ. Оценка значения точки пересечения 3‑го порядка показывает IIP3 = 60 дБм. Для сравнения, эта величина у приемников трансиверов AD 9361 и RN 2483, соответственно, равна –18 и –11 дБм (данные из техописаний).

Достоинством аналогового преобразования сигналов в названных приемниках является более низкий коэффициент шума – 4…6 дБ.

Выводы

Представлены результаты экспериментального исследования приемника с прямым аналого-цифровым преобразованием, предназначенного для работы в коротковолновом диапазоне и в условиях мощных помех.

Эксперименты показали реализуемость основного достоинства этого метода приема сигналов – большого динамического диапазона. Обнаружены закономерности и проблемы в достижении основных характеристик.