Широкополосный понижающий конвертор с двойным преобразованием частоты

В [1] была рассмотрена схема и конструкция прямого QPSK модулятора L-диапазона с боль­шим диапазоном перестройки по частоте. Этот модулятор соответствует стандарту DVB—S и мо­жет работать совместно с обычным тюнером спутникового телевидения. Это удобно при прове­дении испытаний, поскольку DVB—S set—top—box практически всегда под рукой. Однако параметры этого модулятора избыточны для стандарта DVB— S, что позволяет использовать модулятор не толь­ко в широкополосных линиях связи, предназна­ченных для передачи мультиплекса из 8-ми ТВ программ, но и в более узкополосных передатчи­ках РРС (радиорелейных станций) или станций спутниковой связи. Для применений в устройст­вах наземной связи и вещания некоторые из па­раметров тюнеров спутникового ТВ, перекрываю­щих весь диапазон первой спутниковой ПЧ (950…2150 МГц), оказываются недостаточными для надежной работы. В первую очередь, это от­носится к их применению в тракте ПЧ приемников РРС, которые работают в более сложных услови­ях, обусловленных более высоким уровнем шумов и наличием помех от других РЭС или помех про­мышленного происхождения. Эти трудности чаще всего связаны с ограниченным динамическим диапазоном по входу и низкой помехозащищен­ностью спутниковых тюнеров, которые обычно выполняются по схеме прямого преобразования и не имеют в тракте ВЧ преселекторов. Бороться с ука­занными недостатками можно, используя широко­полосный понижающий конвертор с двойным преобразованием частоты, описание которого приведено в этой статье.

Вся фильтрация по соседнему и не соседним каналам в спутниковых тюнерах производится после демодуляции на сигнале основной полосы перед его оцифровкой и далее, а с помощью ци­фрового фильтра Найквиста. При этом на квадра­турные смесители демодулятора воздействуют все сигналы и помехи, частоты которых находят­ся в пределах диапазона первой спутниковой ПЧ.

Бороться с этими помехами можно только за счет повышения избирательности и динамическо­го диапазона по входу.

Меры, которые следует предпринять при пост­роении широкополосного понижающего преобра­зователя, способного успешно работать в устрой­ствах наземной связи и вещания, таковы:

• введение в схему перестраиваемого преселектора;
• применение в одном из входных каскадов АРУ и принятие мер по стабилизации мощ­ности гетеродина перед его подачей на смеситель.

В данной статье мы предлагаем схему понижа­ющего преобразователя, в которой эти меры ре­ализованы. Нашей задачей было создание устрой­ства, позволяющего в полной мере использовать все достоинства нашего модулятора при совмест­ной работе с ним в наземной линии связи.

Конвертор состоит из двух отдельных понижа­ющих преобразователей, которые вместе осуще­ствляют двойное преобразование частоты из ди­апазона 950… 1920 МГц сначала в сигнал первой промежуточной частоты 480 МГц, а затем в сигнал второй промежуточной частоты 70 МГц без инвер­сии спектра принимаемого сигнала. Схема второ­го преобразователя полностью независима от схемы первого преобразователя, что дает возмож­ность отдельно использовать их в других устрой­ствах. Схема гетеродина первого преобразовате­ля почти полностью повторяет схему задающего генератора модулятора, которая представляет собой комбинированный синтезатор частот DDS/PLL и подобна той, которая была описана в [1]. Мы остановимся только на тех особенностях, которые отличают эти схемы друг от друга.

Архитектура конвертора

Преимущество супергетеродинной схемы над схемой прямого преобразования состоит в том, что при использовании многократного понижаю­щего преобразования можно использовать не­сколько фильтров канальной селекции, которые помогают улучшить селективность приемника и улучшить защищенность по отношению к блокиру­ющим сигналам. Двойное преобразование также позволяет использовать достаточно высокую пер­вую ПЧ, для которой полоса зеркальных частот удалена от края полосы пропускания, ограничен­ной полосовым RF фильтром, что особенно важ­но для широкополосных приемников с перестра­иваемым фильтром зеркального канала. Без сильного увеличения стоимости системы такой фильтр трудно сделать высокодобротным. Чтобы спроектировать приемник, способный успешно работать при многих доступных скоростях переда­чи данных, необходимо тщательно выбрать цент­ральную частоту ПЧ и быть уверенным, что досту­пен выбор фильтров на ПАВ, имеющих разные полосы пропускания.

Конструктивно понижающий преобразователь реализован на двух платах. На каждой из плат по­строена одна ступень преобразования.

На рис.1 показана структурная схема понижаю­щего преобразователя с двойным преобразовани­ем частоты. Если этот понижающий преобразователь будет использоваться в составе приемника, прини­мающего сигнал в диапазоне частот, который совпа­дает с частью диапазона приема самого понижаю­щего преобразователя, то на его входе следует установить преселектор и малошумящий усили­тель. Поскольку ширина полосы приема очень вели ка (0,95… 1,92 ГГц), широкополосный преселектор лучше выполнить в виде комбинации ФВЧ и ФНЧ.

Рис. 1

В рассматриваемом конверторе используется схема супергетеродина с двойным преобразова­нием частоты. С помощью первого гетеродина (LO- 1) производится настройка на принимаемый сиг­нал, а второй гетеродин (LO-2) имеет постоянную частоту настройки. Частота первого гетеродина пе­рестраивается в пределах 1430…2400 МГц. За счет перестройки гетеродина в указанных пределах ча­стота принимаемого сигнала, которая находится в пределах полосы 950… 1920 МГц, преобразуется в промежуточную частоту 480±18 МГц. Зеркальные частоты для этого преобразователя располагают­ся в полосе 1910…2880 МГц. Они частично пере­крываются с полосой полезного сигнала. Более то­го, значительный участок полосы полезного сигнала перекрывается с частотами гетеродина. Все это вызывает необходимость применения пе­рестраиваемого фильтра зеркального канала. Этот полосовой фильтр должен достаточно хорошо по­давлять зеркальные частоты на входе смесителя.

С помощью второго гетеродина, настроенного на частоту 550 МГц, сигнал первой ПЧ (480 МГц) преобразуется в сигнал второй ПЧ 70 МГц. Зер­кальная частота при втором преобразовании рав­на 620 МГц.

Оба примененных в схеме гетеродина имеют верхнюю относительно принимаемого сигнала на­стройку. Это необходимо для получения достаточ­но чистого спектра комбинационных частот на вы­ходе смесителя, в котором полосы комбинационных составляющих низких порядков удалены от полосы

перестройки полезного сигнала, и паразитные про­дукты преобразования могут быть эффективно по­давлены фильтрами, установленными за смесите­лем. Как известно, в подобных случаях верхний гетеродин обеспечивает более чистый спектр.

Но применение верхнего гетеродина влечет за собой инверсию спектра сигнала (верхние часто­ты становятся нижними, и наоборот), что не все­гда желательно. Однако если верхним сделать и гетеродин второго преобразователя, то инверсия произойдет дважды, в результате чего мы получим на выходе всего устройства сигнал с неинвертированным спектром. Именно по этой причине ге­теродин второго преобразователя также имеет верхнюю настройку.

Успех данной разработки во многом зависел от того, насколько успешно была решена задача со­здания перестраиваемого фильтра зеркального канала. Для того чтобы не повышать цену изделия, мы применили фильтр на микрополосковых и со­средоточенных элементах, выполненный по техно­логии печатного монтажа на плате из фольгированного стеклотекстолита, перестраиваемый с помощью четырех варакторов. Остановимся более подробно на конструкции фильтра.

Перестраиваемый полосовой фильтр

Для подавления гармоник и продуктов интермо­дуляции второго порядка был применен перестра­иваемый полосовой фильтр с диапазоном перест­ройки от 950 до 1920 МГц, схема которого показана на рис.2, а чертеж печатной платы фильтра — на рис.3 (размеры на рис.3 указаны в дюймах).

Рис. 2

Главное назначение этого полосового фильтра — это подавить частоту сигнала гетероди­на, который может со смесителя про­никнуть на вход устройства, а также по­давить зеркальный канал приема на входе смесителя. Для перестройки по частоте в схеме фильтра используются 4 варакторных диода 1SV245 от компа­нии Toshiba (ВВ857 от Infineon) и свя­занные отрезки линий передачи, за счет использования которых удалось получить большой диапазон перест­ройки при изменении управляющего напряжения в пределах от 1…20 В. Вносимые фильтром потери зависят от частоты и составляют от 6 дБ в нижней части диапазона перестройки до 2,5 дБ в его верхней части. Уровень подавле­ния сигнала-помехи гетеродина со­ставляет 25…30 дБ, а зеркального ка­нала — более 30 дБ. Номинальная длина связанных секций (L на рис.2) равна 8,89 мм. Возможно, что для получения оптимальных параметров она потребует некоторой подстройки. Фильтр изготавливается методом печатного монтажа на плате из фольгированного стеклотекстолита FR4 толщиной 0,8 мм с относительной диэлектрической проницаемостью 4,8. При использовании подложек с другой толщи­ной или диэлектрической проницаемостью потре­буется корректировка топологии фильтра.

Рис. 3

Уровни подавления гетеродина и зеркального канала с помощью одной секции фильтра недоста­точны. Поэтому в схеме используются две секции, управляемые одним напряжением.

Об АРУ в приемнике

В приемниках регулирование усиления приме­няется, в первую очередь, для адаптации к зами­раниям сигнала (выражающимся в некоторых из­менениях амплитуды принимаемых сигналов), которые требуют постоянного изменения усиления для получения постоянного уровня выходного сиг­нала. Необходимо спроектировать схему, главной функцией которой является получение постоянно­го уровня сигнала на выходе, не зависящего от уровня сигнала на входе системы. Схемы автома­тического регулирования усиления (АРУ) применя­ются во многих системах, в которых амплитуда входного сигнала изменяется в широких пределах.

Если изменение уровня сигнала происходит значительно медленнее, чем передается один символ информации, время передачи которого за­висит от скорости передачи информации, то схе­ма АРУ может использоваться для поддержания за­данного среднего уровня сигнала, который требуется для нормальной работы следующих за ней частей схемы (в цифровых системах — это обычно АЦП).

В большинстве применений время переходно­го процесса в петле, возникающего в ответ на изменение амплитуды входного сигнала, сохраняет­ся постоянным и не зависит от величины усиления в установившемся режиме.