Author Topic: О выборе разумных требований к фазовым шумам синтезатора частот  (Read 8838 times)

0 Members and 1 Guest are viewing this topic.

Offline ra3apw

  • Администратор
  • *****
  • Posts: 455
    • http://www.ra3apw.ru
О выборе разумных требований к фазовым шумам синтезатора частот при разработке D-Star радиоканала

При проектировании трансивера для цифровой радиосвязи стандарта D-Star на диапазон 70см встал вопрос о сбалансированности технических требований к различным узлам устройства, одним из которых являются требования к однополосным фазовым шумам синтезатора частоты для первого смесителя. Нет смысла усложнять схемотехнику, использовать более дорогие радиокомпоненты в синтезаторе частоты или изменять структурную схему трансивера для получения более низких фазовых шумов, если другие параметры узлов радиоканала будут хуже требуемых и в итоге будут ухудшать его совокупное качество.

Было проведено макетирование нескольких синтезаторов частот на диапазон 70 см  с использованием различных микросхем синтезаторов (National Semiconductor и Analog Devices) и различных ГУН.
Полученные значения однополосных фазовых шумов на контрольной частоте 435 МГц получились без оптимизации в пределах -95…-100 дБн/Гц при отстройке на 10 кГц.

Эти цифры и вызвали основной вопрос – много это или мало? Продолжать улучшать синтезатор или остановиться на достигнутом?
Для ответа на этот вопрос надо понять на что влияет фазовый шум синтезатора в режимах приема и передачи.

Допущение 1: Проектируемый трансивер предназначен для повседневной работы,  главным критерием являются хорошая повторяемость и невысокая цена изготовления.
Такой подход определяет использование при разработке только широкодоступных и недорогих радиокомпонентов, стабильно имеющихся в продаже и находящихся в наличии в российских компаниях.

Допущение 2: Указанные ниже цифры относятся только к D-Star GMSK сигналу, проходящему через UHF FM тракт. 


В режиме приема.

Фактически совокупная селективность приемного тракта будет определяться тремя параметрами: селективностью по соседнему каналу, уровнем однополосных фазовых шумов синтезатора частоты и динамическим диапазоном по интермодуляции.

Высокие фазовые шумы синтезатора приводят к ухудшению многосигнальной избирательности и отношению сигнал/шум (что для DStar радиоканала приводит к ухудшению значения BER (bit-error-rate) и в результате к ошибкам декодирования цифрового DStar потока, приводящие к выпадению/прерыванию аудио сигнала на приемном конце.

При этом существуют два типа воздействия фазовых шумов синтезатора на принимаемый сигнал:

•   Шумы синтезатора попадают в полосу пропускания приемного ПЧ тракта вследствие прямого преобразования при смешивании с полезным сигналом f сигн.
•   Шумы синтезатора попадают в полосу пропускания приемного ПЧ тракта вследствие их преобразования из-за воздействия мощной помехи с частотой f пом, для которой справедливо соотношение f пч = f ш - f пом или f пч = f пом - f ш. Данный явление называется преобразованием на шумах гетеродина (Reciprocal Mixing).


 

Основываясь на стандартных значениях селективности по соседнему каналу современных УКВ ЧМ трансиверов (Pac), которые составляют от 60 до 70 дБ, можно однозначно определить требования к фазовым шумам синтезатора по следующей формуле

Ppn = Pac + 10*log(Bc) ,

где

Ppn – однополосный фазовый шум синтезатора частоты при отстройке на канальный интервал, дБн/Гц
Pac – селективность по соседнему каналу, дБ
Bc – полоса фильтра основной селекции, Гц.

Максимальная полоса сигнала DStar (модуляция GMSK, модулирующий поток 4800 бит/с) составляет 6 кГц максимум.
Канальный разнос для DStar станций выбирается минимум 12.5 кГц.
Полоса пропускания фильтра основной селекции в тракте ПЧ составляет не менее 7,5 кГц по уровню 3 дБ.

В таком случае требуемый уровень фазовых шумов синтезатора, при котором не будет происходить ухудшения совокупной селективности приемного канала может быть определен как

(60…70) + 10*log (7500) = (60…70) +39 = от 99 до 109 дБн/Гц при отстройке на 12.5 кГц,

где 7500 – это полоса ФОС ПЧ в Гц.

Отступление 1: При этом следует заметить, что требования к фазовым шумам синтезаторов в терминалах сотовой/мобильной телефонной связи существенно ниже, чем для аналоговой FM (как в нашем случае, так как D-Star сигнал использует типовой FM трансиверный тракт для GMSK сигнала). Например, стандарт GSM при канальном разносе 200 кГц и требованиях к селективности по соседнему каналу 9 дБ !!! определяет максимальный фазовый шум синтезатора величиной -72 дБн/Гц при отстройке на 200 кГц !!!  Примерно такие же не высокие требования и для других стандартов сотовой связи – NADC и PDC.  Поэтому применяя VCO от сотовых телефонов в качестве VCO синтезатора для первого смесителя  не всегда можно быть уверенным в получении высоких параметров по селективности.

Для правильно спроектированного приемного тракта динамический диапазон по интермодуляции должен быть примерно равен динамическому диапазону, определяемому однополосными фазовыми шумами.
То есть, динамический диапазон по интермодуляции должен быть в пределах от 60 до 70 дБ, чтобы не допустить ухудшение общей селективности приемного канала.

Отступление 2: проведенные на специальном стенде несколько лет назад RA3ACE измерения по интермодуляции ряда зарубежных мобильных УКВ трансиверов на диапазон 2м показали, что не все представленные изделия смогли перешагнуть границу даже в 60 дБ, диапазон значений составил от 57 до 71 дБ. Полагаю, что на 70см диапазоне эти значения будет получить еще труднее. 

В режиме передачи

GMSK сигнал D-Star не требует линейности передающего тракта и не предполагает специальных схем линеаризации, а поэтому работает с достаточно высоким к.п.д. с использованием активных PA модулей для FM режима.
При этом выходная мощность УКВ передатчика для РФ ограничена величиной в 10 Вт. В соответствии с этим значением и величиной фазового шума синтезатора в -100 дБн/Гц (при отстройке на 10 кГц) можно проверить, что проникновение в соседний канал при отстройке на 12.5 кГц от несущей составит не более 10W – (100 – 39)дБ = 8 мкВт, что можно считать несущественным и далее указанную мощность не принимать во внимание.  То есть уровень фазового шума синтезатора в диапазоне -95 …100 дБн/Гц более чем отвечает техническим требованиям в режиме передачи.

Выводы

Основываясь на вышеизложенном можно сделать следующие выводы относительно требований к уровню однополосных фазовых шумов для синтезатора частоты DStar UHF трансивера:

•   Уровень однополосных фазовых шумов синтезатора должен лежать в пределах [селективность по соседнему каналу + 39] или 99…109 дБн/Гц  (в зависимости от конкретного схемотехнического решения и полученного в результате значения селективности приемного канала – несложно измерить)
•   Динамический диапазон по интермодуляции должен быть в пределах от 60 до 70 дБ, чтобы не ухудшить общую селективность приемного канала.
•   В режиме передачи при уровне фазовых шумов синтезатора -95…-100 дБн/Гц вопросов относительно мощности проникновения сигнала в соседний канал не возникает.
•   Для получения меньшего уровня фазового шума и уменьшения вероятности попадания на безлицензионные средства в  диапазоне 430-440 МГц желательно использовать в синтезаторе частотный сдвиг 12.5 кГц и канальный шаг 25 кГц.

Буду благодарен за конструктивные предложения и замечания.
« Last Edit: 02 February 2013, 09:06:10 by ra3apw »
Карен, RA3APW

Offline ua3atq

  • DStar
  • *
  • Posts: 158
Quote
Такой подход определяет использование при разработке только широкодоступных и недорогих радиокомпонентов, стабильно имеющихся в продаже и находящихся в наличии в российских компаниях.

Насчет этого - я бы не зарекался. ;) Сегодня оно у наших в розницу есть, а через год - на заказ от 6 недель и от нормоупаковки.... Мне уже не раз так "попрыгать" пришлось.

Так что я бы ориентировался на "монстров" типа Digi-Key, а уж из их ассортимeнта отдавал преимущество тому, что на efind/einfo светится в стоке у местных.

Если разобраться, затраты на то, чтобы собрать у десятка московских продавцов мелочевку могут быть сравнимы с (одной) пересылкой из Штатов или Европы от продавца у которого есть весь список. Беда, правда, в том, что Digi-Key перестал работать с частными лицами из России (видимо ему таможня хвост накрутила когда попер бешеный вал заказов на частников с явно коммерческими целями). Без помощи тамошних людей сейчас не особо просто заказать.
« Last Edit: 22 February 2013, 13:30:39 by ua3atq »

Offline ra3apw

  • Администратор
  • *****
  • Posts: 455
    • http://www.ra3apw.ru
Quote
Такой подход определяет использование при разработке только широкодоступных и недорогих радиокомпонентов, стабильно имеющихся в продаже и находящихся в наличии в российских компаниях.

За годы работы с импортными компонентами выработались собственные правила и рабочие связи с поставщиками.

Вот некоторые из моих правил для подобного типа разработок для р/л связи:
  • по возможности не закладывать уникальные компоненты в разработку (в свое время тоже обжегся с чипами Moto)
  • желательно использовать компоненты, имеющие аналоги у других производителей. Как пример - синтезаторы ADF4113 и LMX2306, совпадающие полностью по контактам.
  • главная унификация - по типам корпусов компонентов. Как пример синтезаторы ADF4113 и LMX2306
  • если компонент дорогой и заказной, попробовать его реализовать самостоятельно в виде отдельного набора компонентов. Как пример - VCO со специальными характеристиками
  • главный критерий для обсуждаемой задачи - надежность и высокая повторяемость для минимизации времени настройки радиотракта. Для этого могу применить немного более дорогое решение, если оно позволяет существенно облегчить настройку
  • местный backup со стороны дистрибьюторов в Европе в случае задержки по основному каналу поставки
  • у брендов типа Digikey, Farnell, ЧипДип могу купить только образцы для быстрого макетирования. Когда схема отработана и требуется сделать некоторое количество плат использую своих поставщиков, которые уже в Москве предлагают цены в разы ниже, чем тот же Digikey. 
  • найти одного поставщика, у которого лучшие позиции по всем компонентам радиотракта мне не удалось. Поэтому придерживаюсь специализации. В качестве поставщиков могут быть как известные и малоизвестные компании, так и отдельные ИП.
  • efind/einfo - бесспорно хороший и полезный проект. Но он не является полным и оптимальным для всех вариантов запросов. Поэтому всегда смотрю альтернативу.   

С 1989 года (года выпуска первого TNC) эти правила меня не подводили...
Карен, RA3APW