Страница 283 из 436
Аналоговые базовые станции сотовой телефонии
Рассмотрим аналоговый супергетеродинный приемник, изобретенный в 1917 году Эдвином Армстронгом (см. рис. 9.18).
Эта архитектура представляла собой существенный шаг вперед по сравнению с однокаскадными аналоговыми приемниками прямого преобразования (гомодинными), которые строились с использованием перестраиваемых усилителей промежуточной частоты, одного детектора и каскада усиления сигнала звуковой частоты. (Необходимо обратить внимание, что гомодинная техника теперь получила широкое распространение в приемниках с цифровой обработкой, как показано выше). Основное преимущество супергетеродинного аналогового приемника состоит в том, что он имеет существенно меньшие массогабариты и более экономичен при обеспечении заданного усиления и селективности приемника на фиксированных промежуточных частотах (IF) по сравнению с усилением и частотной избирательностью схем с перестройкой по частотному диапазону.
Частоты, показанные на рис. 9.18, выделены для AMPS (Служба усовершенствованной мобильной телефонии) — аналоговой системы сотовой телефонии, используемой в настоящее время в США. Приемник предназначен для приема AMPS-радиосигналов частотой 900 МГц. Полоса частот для несущих "А" или "В", обслуживающих локальную географическую область, составляет — 12,5 МГц (416 каналов, каждый шириной 30 кГц). В приемнике, как показано на рисунке, используется трехкратное преобразование частоты, с первой промежуточной частотой 70 МГц, второй частотой 10,7 МГц и третьей частотой 455 кГц. Зеркальная частота на входе приемника отделяется от несущей подстройкой первой промежуточной частоты (при использовании относительно высокой первой промежуточной частоты разработка зеркального фильтра упрощается).
Выходной сигнал третьего каскада промежуточной частоты демодулируется с использованием аналоговых методов (дискриминаторов, детекторов огибающей, синхронных детекторов и т. д.) В случае AMPS используется частотная модуляция. Важным свойством упомянутой схемы является то, что на каждый канал требуется один приемник, а антенна, каскад предварительной фильтрации и малошумящий усилитель могут быть общими.
Необходимо отметить, что для упрощения схемы на рисунке не показаны межкаскадные усилители. Они, однако, являются важной частью приемника и при дальнейшей разработке необходимо это учитывать.
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.