Главная страница -> VRTP -> Texнологии -> Радиосвязь -> Узлы и блоки

[Ghost1]

Перевод

Как цифровые настраиваемые фильтры включены в приложения широкополосного приемника.

Брэд Холл, менеджер по разработке системных приложений, и Дэвид Майлу, инженер по применению продуктов, Analog Devices

В современных многоканальных, широкополосных многооктавных настраиваемых ВЧ-приемниках часто необходимо устранить нежелательные блокираторы для сохранения точности интересующих сигналов. Фильтры сыграли важную роль в уменьшении этих нежелательных сигналов, особенно в части входного ВЧ-интерфейса приемника и локального генератора (LO) этих систем. В этой статье будут рассмотрены фильтры в цепях РЧ-сигналов, рассмотрена концепция блокирующих сигналов, рассмотрены традиционные технологии фильтрации и в заключение представлены новейшие решения для оптимизации характеристик сигнальных цепей.
С целью постоянного уменьшения размера, веса, мощности и стоимости при одновременном повышении или сохранении производительности разработчикам ВЧ-систем стало необходимо оценивать каждый компонент в сигнальной цепи и искать возможности для инноваций. Поскольку фильтры традиционно занимали много места, они представляют собой очевидную область для изучения возможности уменьшения размера.
В то же время архитектура приемников развивается благодаря возможности аналого-цифровых преобразователей (АЦП) производить выборку на более высоких входных частотах. С более высокой входной частотой АЦП изменились ограничения, наложенные на фильтры в сигнальной цепи. В целом, эта тенденция означает ослабление требований к подавлению фильтров, что открывает возможности для дальнейшей оптимизации их размера и настраиваемости.
Чтобы начать это исследование, общий обзор цепочек радиочастотных сигналов и определений может помочь объяснить, где и зачем нужны фильтры. Кроме того, обзор традиционных технологий может дать представление о статус-кво. Затем, сравнивая эти традиционные технологии с новейшими продуктовыми решениями, становится ясно, как разработчики систем могут легко достичь своих целей.




Присоединённое изображение (Нажмите для увеличения)

[Ghost1]

Цепь радиочастотного сигнала

Типичная широкополосная сигнальная цепочка, охватывающая диапазон от 2 ГГц до 18 ГГц, показана на рисунке 1. Основная теория работы заключается в следующем. end) до того, как частоты будут преобразованы в сигнал ПЧ, который АЦП может оцифровать. Функции фильтрации на этой блок-схеме можно разделить на четыре основные категории:
- Преселектор подоктавной фильтрации
- Подавление сигналов RF/IF
- гармоники гетеродина
- Сглаживание
Подоктавная фильтрация преселектора должна находиться в начале цепочки сигналов и использоваться для устранения интермодуляционных искажений второго порядка (IMD2), которые могут проявляться в присутствии сигналов помех (также известных как блокираторы). Это происходит, когда два внеполосных (OOB) паразитных сигнала складываются или вычитаются и создают паразитный сигнал, который попадает в полосу пропускания, потенциально маскируя полезный сигнал. Субоктавный фильтр удаляет эти мешающие сигналы до того, как они попадут на нелинейный компонент в сигнальной цепи (такой как усилитель или микшер). Часто требования к абсолютной полосе пропускания для субоктавного фильтра сужаются по мере уменьшения центральной частоты.
Например, первая полоса в цепочке сигналов от 2 до 18 ГГц может охватывать только диапазон от 2 ГГц до 3 ГГц и потребует хорошего подавления на 1,5 ГГц на нижней стороне (F_high/2) и на 4 ГГц на верхней стороне ( F_low × 2), в то время как самая высокая полоса в сигнальной цепочке может охватывать от 12 до 18 ГГц с хорошим подавлением на 9 ГГц на нижней стороне и на 24 ГГц на верхней стороне. Эти различия означают, что для охвата более низких частотных диапазонов требуется намного больше фильтров, чем более высокочастотных. Пример частотного спектра преселекторной фильтрации показан на рисунке 2.

Присоединённое изображение (Нажмите для увеличения)

[Ghost1]

Фильтрация подавления изображения/ПЧ, как правило, осуществляется дальше по цепочке сигнала, между МШУ и смесителем. Он используется для подавления частот изображения и нежелательных частот ПЧ. Изображение представляет собой полосу частот, которая при наличии на входе смесителя будет генерировать сигналы, равные по амплитуде нужным сигналам на выходе смесителя.
Подавление изображения может быть достигнуто с помощью нескольких компонентов в сигнальной цепочке, таких как преселекторные фильтры, специальные фильтры подавления изображения и фильтры изображения.
подавление от однополосных (SSB) смесителей. Подавление сигнала ПЧ требуется для подавления спектра на частотах ПЧ перед смесителем, чтобы избежать их просачивания непосредственно через смеситель и проявления в виде нежелательных паразитных составляющих. Пример частотного спектра нежелательного изображения и полос ПЧ показан на рисунке 3.
В зависимости от схемы, используемой для генерации гетеродина, требования к фильтрации могут различаться в этой точке сигнальной цепочки. Желаемый сигнал, подаваемый на порт гетеродина микшера, представляет собой чистую синусоидальную или прямоугольную волну. Часто схема гетеродина создает субгармоники и гармоники полезного сигнала гетеродина. Эти нежелательные сигналы (см. рис. 4)

Присоединённое изображение (Нажмите для увеличения)

[Ghost1]

необходимо подавлять до того, как они достигнут смесителя, чтобы избежать генерации нежелательных побочных продуктов MxN. Если гетеродинный сигнал находится на одной частоте, то достаточно фиксированного полосового фильтра, который можно оптимизировать для пропускания только полезного сигнала. В широкополосном сигнале в концевых цепях обычно реализуется настраиваемый гетеродинный сигнал, для которого требуется либо набор переключаемых фильтров, либо настраиваемый фильтр.
При выборке с помощью АЦП разработчик системы должен выбрать, какую зону Найквиста оцифровывать. Первая зона Найквиста находится в диапазоне от DC до fS/2 (где fS — частота дискретизации АЦП). Вторая зона Найквиста — от fS/2 до fS и так далее. Фильтры сглаживания используются для подавления сигналов помех в зонах Найквиста, смежных с желаемой зоной Найквиста. Помехи в этом месте сигнальной цепи могут исходить из различных источников, таких как паразитные помехи MxN, генерируемые в смесителе, преобразованные с понижением частоты сигналы, соседние с полезными сигналами, или гармоники, генерируемые в сигнальной цепи ПЧ. Любые нежелательные сигналы, поступающие на АЦП, будут накладываться на первую зону Найквиста при выполнении оцифровки. Пример частотного спектра нежелательных сигналов наложения показан на рисунке 5.


Присоединённое изображение (Нажмите для увеличения)

[Ghost1]

Блокирующие сигналы
В системах РЧ-связи блокиратор представляет собой принятый и нежелательный входной сигнал, который ухудшает коэффициент усиления и отношение сигнал-шум-и-искажение (SINAD) полезных сигналов, представляющих интерес. Блокировщик может быть сигналом, который напрямую маскирует полезный сигнал или создает ложные продукты, которые маскируют полезный сигнал. Эти нежелательные сигналы могут быть результатом непреднамеренных или преднамеренных помех.
В первом случае это исходит от другой системы радиочастотной связи.
работает в соседнем частотном диапазоне. В последнем случае речь идет о гнусных системах радиоэлектронной борьбы (РЭБ), предназначенных для преднамеренного нарушения радиочастотной связи или радиолокационных систем. Пример частотного спектра блокирующего сигнала и полезного сигнала показан на рисунке 6.
Многие радиочастотные компоненты демонстрируют слабо нелинейное поведение без памяти. Это означает, что они могут быть аппроксимированы полиномом низкого порядка. Например, широкополосный усилитель можно смоделировать полиномом нечетного порядка, который включает только члены первого и третьего порядка:



Присоединённое изображение (Нажмите для увеличения)

[Ghost1]

Когда на входе усилителя присутствуют два падающих сигнала в пределах рабочего диапазона частот, как это может быть в случае полезного сигнала ω1 и блокирующего сигнала ω2, входной сигнал можно описать как:
Подстановка входного уравнения в полином нечетного порядка приводит к результату:
Когда амплитуда полезного сигнала намного меньше блокирующего сигнала, A << B, то полином в уравнении 3 дополнительно сводится к:
Учитывая упрощение в уравнении 4, амплитуда полезного сигнала теперь сильно зависит от амплитуды блокирующего сигнала, B. Поскольку большинство интересующих РЧ-компонентов являются сжимающими, альфа-коэффициенты должны иметь противоположный знак1, так что α1α3 < 0. Результат двух утверждений, упомянутых ранее, является последовательным в том, что усиление полезного сигнала стремится к нулю для больших амплитуд блокирующего сигнала.

Определения фильтра
Чтобы решить проблему нежелательных сигналов в системах радиочастотной связи, инженеры использовали фильтры для уменьшения этих сигналов и сохранения нужных сигналов. Проще говоря, фильтр — это компонент, который позволяет передавать частоты в полосе пропускания и подавлять частоты в полосе режекции2.
Обычно вносимые потери фильтра можно описать как низкочастотный, высокочастотный, полосовой или режекторный. Эта номенклатура относится к допустимой частотной характеристике полосы пропускания, построенной в зависимости от увеличения частоты. Фильтры могут быть дополнительно классифицированы по форме их частотной характеристики, такой как пульсация в полосе пропускания, пульсация в полосе задерживания и
насколько быстро они затухают в зависимости от частоты. В иллюстративных целях на рисунке 7 показаны четыре основных типа фильтров.
Помимо вносимых потерь, еще одной важной характеристикой фильтров является групповая задержка, которая определяется как скорость изменения фазы передачи по отношению к частоте. Единицами групповой задержки являются время (в секундах), поэтому эту метрику можно рассматривать как время прохождения конкретного сигнала через фильтр. Время прохождения само по себе для одной частоты, как правило, не имеет большого значения, но когда широкополосный модулированный сигнал проходит через фильтр, неравномерность групповой задержки становится важной, поскольку она может исказить сигнал, внося различные временные задержки в принимаемый сигнал. сигнал. Уравнение для групповой задержки приведено в уравнении 5, где θ — фаза, а ƒ — частота:
Классическими типами фильтров с отличными характеристиками вносимых потерь и групповой задержки являются фильтры Баттерворта, Чебышева, эллиптические фильтры и фильтры Бесселя. Каждый из них обычно определяется порядковым номером, который описывает, сколько реактивных элементов содержится в фильтре. Чем выше порядковый номер, тем быстрее происходит спад частоты.
При рассмотрении фильтров аналогичного порядка стиль Баттерворта предлагает максимально плоскую характеристику полосы пропускания за счет спада частоты, где:
поскольку фильтр Чебышева имеет хороший частотный спад с некоторой пульсацией в полосе пропускания. Эллиптический фильтр (иногда называемый фильтром Кауэра-Чебышёва) имеет больший спад частоты, чем фильтр Чебышева, но, следовательно, пульсации как в полосе пропускания, так и в полосе задерживания.
Фильтр Бесселя имеет максимально ровную частотную и групповую задержки, хотя и с наихудшими характеристиками спада частоты. В иллюстративных целях на рис. 8 показаны идеальные вносимые потери и групповая задержка для фильтра нижних частот пятого порядка с частотой 3 дБ (f3 дБ) 2 ГГц, допустимой пульсацией в полосе пропускания 1 дБ и пульсации в полосе задерживания 50 дБ.
Для систем, где важно поддерживать постоянную фазу по частоте, таких как радиолокационные системы, неравномерность групповой задержки по интересующей полосе имеет решающее значение, чтобы избежать неожиданных фазовых отклонений в принимаемом импульсе. Учитывая, что принимаемые сигналы могут охватывать полосу частот 1 ГГц и более, неравномерность групповой задержки в широкой полосе пропускания должна быть сведена к минимуму.
Эмпирическое правило заключается в том, чтобы поддерживать неравномерность групповой задержки менее 1 нс, но это будет зависеть от допуска системы к отклонению фазы. Графики на рисунке 9 показывают пример фильтра с неравномерностью групповой задержки 2,24 нс и 0,8 нс соответственно. Наблюдение за графиками показывает гораздо более последовательное изменение фазы по частоте для более плоской групповой задержки.


Присоединённое изображение (Нажмите для увеличения)

[Ghost1]

Наконец, добротность (добротность)
реактивные элементы, используемые для разработки фильтров, являются важным атрибутом, который может повлиять на производительность. Коэффициент добротности определяется как отношение реактивного сопротивления к сопротивлению последовательных потерь для конкретного элемента цепи. Это функция технологического процесса и физической площади, используемой для реализации. Более высокие коэффициенты качества обеспечивают более четкую частотную характеристику и меньшие вносимые потери.

Традиционные технологии фильтрации для радиочастотной связи.
При разработке фильтра для радиочастотных систем связи доступно множество технологий для реализации классических типов фильтров. Традиционно инженеры ВЧ полагались на реализации дискретных сосредоточенных элементов с компонентами для поверхностного монтажа или фильтрами с распределенными элементами, содержащими линии передачи, напечатанные на печатных платах. Однако в последние годы были разработаны фильтры на полупроводниковых процессах, которые позволяют получить точные термостабильные реактивные компоненты с улучшенными коэффициентами качества. Полупроводниковые процессы также позволяют использовать переключаемые и настраиваемые реактивные элементы, которые могут быть более сложными для реализации в дискретных реализациях с сосредоточенными элементами. Существуют и другие технологии, такие как объемная акустическая волна (ОАВ), поверхностная акустическая волна (ПАВ), низкотемпературная керамика с совместным обжигом (LTCC), объемные фильтры или керамические резонаторы.
Компромиссы существуют для каждого подхода и технологии (таблица 1):
• Сосредоточенные LC-фильтры реализуются с катушками индуктивности и конденсаторами для поверхностного монтажа на печатной плате. Преимущество заключается в простоте сборки и последующего изменения характеристик фильтра путем замены значений.
• Распределенные фильтры представляют собой резонансные части линии передачи, реализованные на диэлектрике (либо интегрированном в печатную плату, либо обособленно на отдельном диэлектрике) и ориентированы на то, чтобы вести себя как квазииндукторы или квазиконденсаторы в некотором частотном диапазоне. . Они
проявляют периодические свойства. В некоторых случаях для улучшения/уменьшения распределенного фильтра добавляются сосредоточенные компоненты.
• В фильтрах с керамическим резонатором используется несколько керамических резонаторов (которые представляют собой распределенный элемент), которые связаны через сосредоточенные элементы. Элементом связи обычно является конденсатор, но иногда также используются катушки индуктивности. Этот тип фильтра представляет собой гибрид распределенных и сосредоточенных элементов.
• Полостные фильтры выполнены с распределенными элементами (стержнями), заключенными в токопроводящую коробку. Они известны своей способностью обрабатывать большое количество энергии с небольшими потерями, но за счет размера и стоимости.
• Технологии BAW и SAW могут обеспечить отличные характеристики, но они, как правило, избирательны по частоте и не подходят для широкополосных приложений.
• Фильтры LTCC реализованы путем объединения многих слоев распределенных линий передачи в керамическом корпусе, который подобен распределенному фильтру и может служить ряду приложений, но является фиксированным. Поскольку они сложены в 3D, в конечном итоге они занимают мало места на печатной плате.
Наконец, фильтры, встроенные в полупроводники, поддерживают широкий диапазон частот благодаря последним достижениям в области полупроводниковых характеристик. Возможность легко интегрировать цифровые элементы управления в эти компоненты способствует внедрению в программно-определяемые приемопередатчики. В общем, компромисс между производительностью и интеграцией представляет собой убедительную ценность для разработчиков широкополосных систем.



Присоединённое изображение (Нажмите для увеличения)

[Ghost1]

Новейшие решения для фильтрации.
Компания Analog Devices разработала новое семейство фильтров с цифровой настройкой, в которых используется усовершенствованный полупроводниковый процесс, а также современные технологии упаковки. Результатом этой технологии являются небольшие фильтры с высокой степенью подавления, которые устраняют проблемы с блокировкой, возникающие в приемнике.
Эти фильтры спроектированы так, чтобы их можно было легко конфигурировать с помощью стандартного последовательно-параллельного интерфейса (SPI) с высокой скоростью переключения ВЧ. Кроме того, ADI встроила в каждый чип справочную таблицу со 128 состояниями, что позволяет быстро менять состояния фильтра для приложений с быстрой скачкообразной перестройкой частоты. Сочетание быстрой настройки с высокой степенью подавления и широким частотным охватом позволяет использовать приемники следующего поколения в неблагоприятных спектральных условиях.
Последними продуктами, которые будут представлены с использованием этой технологии, являются ADMV8818 (рис. 10) с четырьмя фильтрами верхних частот и четырьмя фильтрами нижних частот, работающими в диапазоне от 2 ГГц до 18 ГГц, и ADMV8913 с фильтром верхних частот и фильтром нижних частот. -пропускающий фильтр, работающий в диапазоне частот от 8 до 12 ГГц.
ADMV8818 — очень гибкий фильтр в корпусе 9 мм × 9 мм, который может
получить настраиваемую характеристику полосы пропускания, верхних частот, нижних частот или обхода в диапазоне от 2 ГГц до 18 ГГц. Чип состоит из двух секций: входная секция и выходная секция. Входная секция имеет четыре фильтра верхних частот и дополнительный байпас, который выбирается двумя переключателями RFIN. Точно так же выходная секция имеет четыре фильтра нижних частот и дополнительный байпас, который выбирается двумя переключателями RFOUT. Каждый из фильтров верхних и нижних частот настраивается с 16 состояниями (4 бита управления) для регулировки частоты 3 дБ (f3 дБ).
Благодаря быстро реконфигурируемой гибкой архитектуре и небольшому форм-фактору ADMV8818 обеспечивает полное покрытие в диапазоне от 2 до 18 ГГц без каких-либо мертвых зон. ADMV8818 может быть сконфигурирован как субоктавный преселекторный фильтр,
изображение или фильтр ПЧ. При настройке в сигнальной цепочке, как показано на рис. 11, приемник может поддерживать высокую чувствительность с возможностью переключения на ADMV8818 в качестве преселектора при наличии более мощного внеполосного сигнала.
Например, если интересующий сигнал принимается на частоте около 9 ГГц, но на частоте 4,5 ГГц присутствует сильный блокировщик внеполосных излучений, то этот блокирующий сигнал может вызвать появление гармоник рядом с нужным сигналом на частоте 9 ГГц, препятствуя работе. Конфигурация ADMV8818 в качестве полосового фильтра от 6 ГГц до 9 ГГц позволит пропускать широкополосный сигнал, при этом должным образом снижая уровень блокиратора до того, как он вызовет гармонические проблемы в нелинейных элементах сигнальной цепи. Развертка S-параметров ADMV8818, сконфигурированная для этого случая, наложена на блокираторы и показана на рисунке 12.
Сравнение размеров типичного блока преселекторов от 2 ГГц до 18 ГГц показано на рис. 13. В этом сравнении блок преселекторов с переключаемыми фиксированными фильтрами реализован с использованием технологии распределенных фильтров на керамической подложке. Размер оценивается на основе имеющейся в продаже технологии фильтрации. Восьмипозиционные переключатели включены в оценку для сравнения эквивалентной функциональности.
Показан перестраиваемый полосовой фильтр ADMV8818, который перекрывает тот же частотный диапазон и обеспечивает полную гибкость настройки при переключении банка фильтров. Экономия площади ADMV8818 по сравнению с переключаемым блоком фильтров составляет более 75%. Функциональность преселектора в сигнальной цепочке приемника обычно занимает значительную часть общего размера системы, поэтому такая экономия площади имеет решающее значение для систем РЭБ ограниченного размера, которые обладают гибкостью для компромисса между размером и производительностью.
ADMV8913 представляет собой комбинацию фильтров верхних и нижних частот в корпусе 6 мм × 3 мм и специально разработан для работы в диапазоне частот от 8 до 12 ГГц (X-диапазон) с низкими вносимыми потерями 5 дБ. Фильтры верхних и нижних частот настраиваются с 16 состояниями (4 бита управления) для регулировки частоты 3 дБ (f3 дБ). Кроме того,
ADMV8913 включает в себя параллельный логический интерфейс, который позволяет устанавливать состояния фильтра без необходимости обмена данными по SPI. Этот параллельный логический интерфейс может быть весьма полезен для систем, требующих быстрого отклика фильтра, поскольку он устраняет время, необходимое для транзакции SPI. Функциональная блок-схема ADMV8913 показана на рисунке 14.
Современные радарные системы X-диапазона, независимо от того, используют ли они механически управляемые антенны или фазовые решетки с большим числом каналов, часто полагаются на решения для фильтрации, которые имеют компактные размеры, малые вносимые потери и легко конфигурируются. ADMV8913 хорошо подходит для этого приложения благодаря низким вносимым потерям, малому форм-фактору и гибким возможностям цифрового интерфейса (либо SPI, либо параллельное управление). Эти функции позволяют размещать его ближе к передней части этих систем, чтобы обеспечить оптимальную производительность и снизить сложность интеграции.

Присоединённое изображение (Нажмите для увеличения)

[Ghost1]

Заключение
При проектировании ВЧ входного каскада широкополосного приемника учитываются многочисленные соображения. Внешний интерфейс должен быть разработан для обработки сложных сценариев блокировщика, которые непредсказуемы, а также для обнаружения сигналов низкого уровня. Возможность динамической настройки производительности входной фильтрации для обработки этих блокирующих сигналов является критически важной функцией для входных радиочастотных интерфейсов. Новые продукты с перестраиваемым фильтром IC с цифровым управлением от ADI обеспечивают лучшую в отрасли производительность с расширенными цифровыми функциями, предназначенными для многих интерфейсных приложений. Эти два новых продукта являются лишь первыми из многих захватывающих новых разработок в портфолио фильтров с цифровой настройкой. Клиенты, заинтересованные в получении дополнительной информации об этих продуктах, могут посетить страницу продукта Digital Tunable Filters, чтобы ознакомиться с последними техническими данными, или связаться с местным представителем, чтобы обсудить конкретное конечное приложение.

Присоединённое изображение (Нажмите для увеличения)

[Ghost1]

источник


Присоединённый файл ( Кол-во скачиваний: 89 )
 download.pdf

[Eddy71]

Фигассе, как прогресс шагнул