Receptor radio cu conversie directă

Cea mai recomandată interfaţă analogică pentru un receptor radio cu prelucrare digitală a semnalelor, în cazul în care se impune un traseu de radiofrecvenţă de bandă largă, o reprezintă arhitectura cu conversie directă sau frecvenţă intermediară zero. În acest caz, semnalul de radiofrecvenţă recepţionat este mai întâi amplificat într-u amplificator cu zgomot redus – LNA, apoi este translatat direct în banda de bază cu ajutorul unui mixer şi a unui oscilator în cuadratură, ca în fig. 7.3.

Semnalele I şi Q sunt prefiltrate cu ajutorul unor filtre antialiere trece jos, cu frecvenţa de tăiere variabilă, apoi sunt convertite în digital cu ajutorul celor două CAD. Pentru a se adapta la gama dinamică a semnalelor de la intrare, pe fiecare canal în parte avem amplificatoare prevăzute cu posibilitatea de reglare automată a amplificării. Traseul digital va selecta canalul dorit în vederea extragerii informaţiei originale.

Fig. 7.3 Receptor radio cu conversie directă cu eşantionare în banda de bază

O astfel de structură nu este caracterizată de prezenţa canalului imagine, specific altor structuri, astfel încât problema atenuării acestuia nu se impune. Totuşi, orice imperfecţiune legată de dezechilibrul de fază sau amplitudine în prelucrarea semnalelor pe cele două canale, poate provoca un răspuns imagine rezidual sau latent faţă de frecvenţa de zero hertzi (curent continuu), iar semnalele mari, cu modulaţie liniară, determină distorsiuni de neliniaritate de ordinul doi în jurul componentei de curent continuu, în special în aplicaţii multicanal.

În cazul unei astfel de arhitecturi eşantionarea semnalului se face în banda de bază. Pentru a înţelege particularităţile eşantionării semnalului în banda de bază vom considera, mai întâi, un semnal sinusoidal, monotonal, de frecvenţă , eşantionat cu o frecvenţă ( ) de către un circuit ideal de eşantioane (fig. 7.4 a). Spectrul la ieşirea circuitului de eşantionare va reprezenta imaginile semnalului original în jurul multiplilor lui , adică la frecvenţele:

cu k = 1, 2, 3, 4, ........ (7.1)

Definim lărgimea de bandă Nyquist ca spectrul de frecvenţe cuprins între 0 şi . Spectrul de frecvenţe este împărţit într-un număr infinit de zone Nyquist, fiecare având lăţimea egală cu 0,5 . În practică, circuitul de eşantionare ideal este înlocuit cu un CAD urmat de un procesor FFT, care furnizează la ieşire spectrul de la 0 la , adică semnalele sau imaginile care apar în prima zonă Nyquist.

Fig. 7.4 Eşantionarea semnalelor radio

Vom considera, în continuare, cazul unui semnal ce se găseşte în afara primei zone Nyquist (fig. 7.4 b). Se observă că, deşi semnalul este în afara primei zone Nyquist, imaginea sa (sau componenta de aliere) cade în interiorul acesteia. Revenind la fig. 7.4 a, rezultă că, dacă un semnal nedorit apare pe una din frecvenţele imagine ale lui , se va manifesta şi pe

, producând astfel o componentă falsă (spurious) în prima zonă Nyquist. Acest fenomen este similar procesului de mixare analogică şi impune o filtrare prealabilă la intrarea circuitului de eşantionare (sau CAD) pentru a

elimina componentele ce se găsesc în afara benzii Nyquist, dar ale căror imagini ajung în interiorul ei. Performanţele filtrului vor depinde de locul de dispunere a semnalului din afara benzii în raport cu şi de atenuarea impusă.

Eşantionarea în banda de bază necesită ca semnalul de eşantionat să se găsească în prima zonă Nyquist. Trebuie menţionat că, fără nici o filtrare prealabilă la intrarea circuitului de eşantionare ideal, orice componentă (semnal perturbator sau zgomot) ce se află în afara benzii Nyquist, în orice zonă Nyquist, va produce o imagine în prima zonă Nyquist. Din acest motiv, în aproape orice aplicaţie de eşantioane şi conversie analog-digitală se va folosi un filtru antialiere pentru a elimina semnalele nedorite.

Alegerea corectă a filtrului antialiere reprezintă o problemă foarte importantă. Primul pas constă în cunoaşterea caracteristicilor semnalului ce trebuie eşantionat. Să presupunem că cea mai mare frecvenţă de interes este

. Filtrul antialiere atenuează semnalele cu frecvenţă mai mare de , lăsând să treacă semnalele între 0 şi . Efectul tranziţiei finite de la atenuarea minimă la cea maximă asupra gamei dinamice a sistemului este ilustrat în fig. 7.5.

Fig. 7.5 Limitarea gamei dinamice de către componentele de aliere

Să presupunem că semnalul de intrare are şi componente peste frecvenţa maximă de interes, . Din fig. 7.5 rezultă că toate componentele

cu frecvenţe peste produc imagini în banda (0, ). Aceste imagini nu pot fi deosebite de semnalele utilele şi, de aceea, limitează gama dinamică la o valoare care, în figură, este notată GD.

În unele lucrări se recomandă alegerea filtrului antialiere cu frecvenţa de tăiere chiar frecvenţa Nyquist , dar aceasta presupune că banda de interes a semnalului se extinde de la 0 la , caz mai rar întâlnit în practică. În exemplul din fig. 7.5 componentele imagine între şi nu prezintă interes, deci nu limitează gama dinamică. Prin urmare, banda de tranziţie a filtrului antialiere este determinată de frecvenţa de tăiere , lărgimea benzii de tranziţie, între şi şi de atenuarea în banda de blocare, GD. Gama dinamică ce se impune sistemului este aleasă în funcţie de cerinţele privind fidelitatea acestuia.

Cu cât banda de tranziţie este mai îngustă, cu atât filtrele devin mai complexe. De exemplu, un filtru Butterworth are o atenuare de 6 dB/decadă pentru fiecare pol, [1]. Realizarea unei atenuări de 60 dB într-o regiune de tranziţie între 1 MHz şi 2 MHz (o octavă) necesită minim 10 poli. De aceea, pentru aplicaţiile de mare viteză, unde este necesară o bandă de tranziţie îngustă şi o bună neuniformitate în interiorul benzii, corelată cu o caracteristică de fază liniară, sunt mai potrivite filtrele eliptice, care pot asigura o atenuare de cel puţin 80 dB între şi 1,2 , la frecvenţe de tăiere de până la 100 MHz [1].

Din cele prezentate se poate constata că se poate ajunge la un compromis între îngustimea benzii de tranziţie şi frecvenţa de eşantionare a CAD. Alegerea unei rate de eşantioane mai mari (supraeşantionare) va reduce complexitatea filtrului cu preţul folosirii unui CAD mai rapid şi a prelucrării datelor la o rată mai mare.

Algoritmul de proiectare a filtrului începe cu alegerea unei rate de eşantionare iniţiale de 2 până la 4 ori . Se determină parametrii filtrului pe baza gamei dinamice solicitate şi se verifică dacă realizarea unui astfel de filtru se încadrează în cerinţele de cost şi performanţă ale sistemului. Dacă nu, se consideră o rată de eşantionare mai mare, care poate necesita un CAD mai rapid.

Fig. 7.6 Receptor cu conversie directă şi eşantionare pe frecvenţa intermediară

O altă configuraţie de receptor cu conversie directă, diferită de cea anterioară, prezentată în fig. 7.6, realizează mai întâi conversia directă în banda de bază, pentru o selecţie grosieră a benzii sistemului împotriva antialierii, apoi reconverteşte spectrul selectat pe o frecvenţă intermediară – FI, programabilă. Semnalul de frecvenţă intermediară rezultat este un semnal de bandă limitată ce poate fi digitizat şi apoi convertit direct în banda de bază prin metode digitale, în vederea selectării canalului dorit.

O astfel de arhitectură reprezintă un receptor cu conversie directă şi eşantionare pe frecvenţa intermediară. Valoarea frecvenţei intermediare se alege într-un mod convenabil, astfel încât CAD să aibă un consum minim de putere. Mai mult decât atât, semnalul de frecvenţă intermediară poate fi demodulat folosind un demodulator cu numărător de impulsuri de FI, un detector diferenţial de FI sau un discriminator digital de FI.

Particularităţile eşantionării unui semnal de frecvenţă intermediară vor fi analizate în paragraful următor.