Устройства генерирования и формирования сигналов

Устройства генерирования и формирования сигналов

Преподаватель: Карякин Владимир Леонидович

Литература:

1. Шахгильдян В.В. Проектирование устройств генерирования и формирования сигналов в системах подвижной связи: Учебное пособие для вузов.

2. Карякин В.Л. Технология эксплуатации систем и сетей цифрового телевидения стандарта DVB-T2: Монография.

Дополнительная литература:

1. Карякин В.Л. Устройства генерирования и формирования сигналов в системах подвижной радиосвязи: Учебник для вузов.

Цели и задачи дисциплины:

Цели и задачи определяются Федеральным государственным образовательным стандартом высшего образования, в котором сформулирована совокупность требований, обязательных при реализации основных профессиональных образовательных программ высшего образования - программ бакалавриата по направлению подготовки 11.03.01 Радиотехника.

Дисциплина “Устройства генерирования и формирования сигналов” посвящена изучению передающих устройств, входящих в состав систем и сетей подвижной радиосвязи, эфирного радио и телевизионного вещания.

Цель курса - создание у студента знаний и умений в различных видах профессиональной деятельности:

· производственно-технологической

· проектной

· экспериментально-исследовательской

· организационно-управленческой

· сервисно-эксплуатационной.

Задачи курса:

· изучение принципов построения передающих устройств, входящих в состав систем и сетей подвижной радиосвязи, эфирного радио и телевизионного вещания;

· ознакомление со стандартами цифрового сжатия, модуляции, методами передачи, цифрового сигнала по каналам связи;

· изучение технологий эксплуатации передатчиков на связных и вещательных предприятиях;

· ознакомление с опытом работы филиалов компании Российская телевизионная и радиовещательная сеть.

Объём дисциплины и виды учебной работы

Таблица 1.

Вид учебной работы	Всего часов
Общая трудоёмкость дисциплины час/зач.ед.	180/5
Аудиторные занятия
Лекции
Практические занятия
Лабораторные работы
Самостоятельная работа
Виды самостоятельной работы
Вид итогового контроля	Экзамен

Программное обеспечение

Программное обеспечение для практических занятий и выполнения лабораторных работ:

1. Программа визуального моделирования AWR MWO, являющейся частью программной среды AWR Design Environment (AWR DE), производимой компанией Applied Wave Research.

В рамках сформулированных ранее задач с учётом современных требований к специалисту учебные занятия будут посвящены следующим темам:

1. Новые информационные технологии в проектировании и изготовлении радиопередающих устройств, позволяющие в полной мере реализовать возможности отечественной и зарубежной элементной базы, значительно повысить надёжность радиотехнического оборудования и сократить сроки разработок.

2. Параметры и характеристики передающих устройств, основные технические и конструктивные требования к ним, связью этих требований с назначением и параметрами систем и сетей радиосвязи, телерадиовещания, в которых эти устройства используются.

3. Передача сервисной информации в системах цифрового вещания.

Новые технологии в проектировании и изготовлении радиопередающих устройств в литературе освещены недостаточно полно. Методика проектирования радиопередатчиков на отечественной элементной базе наиболее полно изложена в книгах:

1. Устройства генерирования и формирования радиосигналов. Белов, Богачев, Благовещенский

2. Радиопередающие устройства. Шахгильдян, Козырев, Ляховкин

3. Проектирование радиопередатчиков. Шахгильдян, Шумилин, Козырев

Однако, данная методика не позволяет в полной мере реализовать возможности зарубежной элементной базы, а также не ориентирована на использование в дисциплине новых информационных технологий.

Эффективным способом решения задач проектирования передатчиков является применение инструментальной среды AWR.

Методика проектирования радиопередатчиков с использованием инструментальной среды AWR наиболее полно изложена в книгах:

1. Карякин. Устройства генерирования и формирования сигналов в системах подвижной радиосвязи.

2. Шахгильдян. Проектирование устройств генерирования и формирования сигналов в системах подвижной радиосвязи.

3. Карякин. Цифровое телевидение: учебное пособие для вузов.

Радиопередатчики классифицируются:

· По назначению (телекоммуникационные, радиовещательные, телевизионные, радиолокационные, радионавигационные, телеметрические)

· По мощности (маломощные (до 100 Вт), средний мощности (до 10 кВт), мощные (до 1000 кВт), сверхмощных (свыше 1000 кВт))

· По способу обработки информационного сигнала (аналоговые, цифровые)

· По способу транспортировки (стационарные, подвижные)

· По диапазону частот

Телекоммуникационные передающие устройства систем подвижной связи можно классифицировать:

· По диапазону волн, используемому в беспроводных каналах систем подвижной радиосвязи (дециметровом (1...0, 1 м), сантиметров оно (0, 1...0, 01 м), миллиметрового (0, 01...0, 001 м) и инфракрасного ((0, 001...7, 5)*10^-7 м))

· По технологии организации мобильной связи (передатчики пейджинговой, транкинговой, спутниковой связи, сотовой телефонии)

· По назначению систем связи (передатчики ведомственных радиотелефонных систем и радиотелефонных сетей общего пользования)

· По способу обработки информационных сигналов (передатчики цифровые, аналоговые)

· По функциональному назначению (передатчики базовых станций, абонентские)

Структурные схемы передатчиков различаются и зависят от способа обработки передаваемых информационных сигналов, диапазона волн и их функционального назначения.

Обобщённая структурная схема передатчиков систем радиосвязи и телерадиовещания изображена на рис.В.1.

Здесь введены следующие обозначения:

· ИС - источник информационного сигнала

· ИБ - информационный блок

· ФВР - формировать видов работ

· СЧ - синтезатор частот

· УМ - усилитель мощности

· ФГ - фильтр гармоник

· А - антенна.

Радиочастотные колебания в заданном диапазоне частот формируются возбудителей радиопередатчика, который в общем случае состоит из синтезатора частот (СЧ) и формирования видов работ (ФВР).

Информационный сигнал (ИС) поступает на второй вход ФВР, предварительно прошедший обработку в информационном блоке (ИБ).

В формирователе видов работ осуществляется модуляция высокочастотного несущего колебания низкочастотным информационным сигналом.

Первая группа методов имеет постоянную амплитуду промодулированного сигнала, что допускает использование в передатчиках нелинейных усилителей мощности (УМ).

В передатчиках систем подвижной связи и телевизионных передатчиках преимущественно используются методы модуляции второй группы, в которых присутствует изменение амплитуды выходного сигнала. В этих случаях к усилителю мощности предъявляются высокие требования по линейности его характеристик.

Учитывая, что в соответствие со стандартами каждому каналу связи, а, следовательно, и передатчику отводится определённая полоса частот, а в выходном сигнале усилителя мощности помимо рабочих частот находятся их гармоники, которые необходимо от фильтровать до заданного уровня, схема передатчика дополнительно содержит фильтр гармоник.

Сформированные и усиленные до необходимого уровня по мощности высокочастотные колебания излучаются в эфир антенной.

Анализ развития подвижной связи позволяет прогнозировать существенное увеличение числа пользователей мультимедийных услуг связи.

Абонентское устройство, кроме выполнения собственно функций обмена данными по радиоканалу, должно обеспечивать высококачественное отображение видеоинформации, ввод и хранение большого объёма различного рода данных, и обладать определённой вычислительной мощностью для их обработки. К тому же такое устройство должно иметь малый вес, объём, энергопотребление и цену.

Для этого необходимо решать следующие задачи:

· Совершенствовать методику проектирования малошумящих сверхширокополосных управляемых генераторов, синтезаторов частот, линейных усилителей мощности с высоким коэффициентом полезного действия;

· Максимально использовать возможности современных информационных технологий для создания многофункциональных узлов радиочастотного блока и повышения их надежности.

Перспективным направлением реализации перечисленных задач является разработка современных телевизионных передатчиков с цифровой обработкой информационного сигнала, многодиапазонных и многорежимных устройств мобильной связи с использованием инструментальной среды MWO.

В лекциях приводятся модели биполярных и полевых транзисторов в среде MWO. Даны методики исследования влияния параметров схемы ГВВ на режимы его работы, оценки оптимального сопротивления нагрузки и сопротивления источника возбуждения, оптимизации цепей согласования, которые в результате позволили создать методику проектирования высокочастотных и сверхвысокочастотных ГВВ на биполярных и полевых транзисторах.

Показаны особенности построения структурных схем передатчиков с амплитудной, угловой и однополосной модуляцией, телевизионных передатчиков и передатчиков спутниковой системы связи.

Отмечается, что перспективы развития техники радиопередающих устройств во многом определяются использованием новых информационных технологий проектирования при переходе от аналоговых методов обработки информационного сигнала к цифровым методам, т.е. при замене аналоговых передатчиков на цифровые.

Глава 1

Усилители мощности

Модели полевых транзисторов

В базе данных инструментальной среды проектирования AWR MWO имеются сведения о моделях следующих полевых транзисторов:

1. С управляющим переходом JFET (junction field-effect transistor).

2. На основе перехода металл-полупроводник (полевой транзистор с затвором на основе барьера Шотки) MESFEST (metal semiconductor field - effect transistor).

3. На основе перехода металл-оксид-полупроводник МОП-транзистор MOSFEST (metal-oxide semiconductor field effect transistor).

4. С высокой подвижностью электронов HEMT (high electron mobility transistor)

5. На гетероструктурах HFET (heterostructure field-effect transistor)

JFET - полевой транзистор с управляющим переходом, является самым простым и дешёвым прибором.

Транзисторы JFET находят применение на частотах до нескольких сотен МГц.

Подача смещения между затвором и стоком приводит к изменению размера области пространственного заряда перехода затвор-канал (управляющий p-n переход). При этом изменяется сечение проводящего канала для носителей заряда, соответственно, изменяется проводимость канала.

Модель полевого транзистора JFET в AWR.

MESFET - полевой транзистор на основе перехода металл-полупроводник (полевой транзистор с затвором на основе барьера Шотки).

Технология изготовления барьера Шотки позволяет уменьшать межэлектродные расстояния вплоть до субмикронных размеров, что позволяет существенно повысить гранитную частоту усиления.

Мощные полевые транзисторы с барьером Шотки превосходят биполярные по уровню мощности и КПД на высоких частотах.

Модель полевого транзистора технологии MESFET в AWR MWO.

MOSFET - полевой транзистор на основе перехода металл-оксид-полупроводник (МОП-транзистор).

МОП структура состоит из металла и полупроводника, разделённых слоем оксида кремния (4). В общем случае структуру называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник).

Вся современная цифровая техника основана на МДП транзисторах.

Модель полевого транзистора технологии MOSFET в AWR MWO.

HEMT - транзистор с высокой подвижностью электронов (другие названия: транзистор на селективно легированной гетероструктуре или транзистор с двумерным электронным газом) относится к типу полевых.

Отличие от последних заключается в том, что проводящий канал в HEMT транзисторе целенаправленно создаётся нелегированным (в полевом транзисторе канал n- или p-типа) для увеличения подвижности носителей заряда в канале, и, следовательно, быстродействия прибора.

Модель полевого транзистора технологии HEMT в AWR MWO.

HFET - полевой транзистор на гетероструктурах.

Из рассмотренных выше полевых транзисторов технология HFET является в настоящее время наиболее перспективной по мощности, частотному диапазону, КПД и надежности.

На сайте компании Excelics Semiconuctor представлены технические характеристики высокоэффективных мощных арсенид галлиевых транзисторов на гетероструктурах (High Efficiency Heterojunction Power FETs).

Модель полевого транзистора технологии HFET в AWR MWO.

SPICE - параметры, являющиеся составной частью математической модели транзистора в AWR MWO, определяются типом выбранного транзистора.

В AWR MWO имеется библиотека SPICE - параметров для транзисторов JFET, MESFET, MOSFET, HEMT, HFET.

Кроме того, в сети Internet существует сайты производителей радиоэлектронных компонентов (Excelics Semiconuctor, NEC, Philips, Motorola и др.), содержащие SPICE - параметры полевых транзисторов.