Что такое динамический диапазон приемника
Что такое динамический диапазон, и какие бывают его разновидности?
Односигнальный динамический диапазон по блокированию, Динамический
диапазон по перекрёстным помехам, Динамический диапазон по интермоду-
ляции.
А поскольку в последнюю фразу без пол-литра не въедешь, приведу рисунок.
Рис.1
Описанная динамическая характеристика устройства в первую очередь характеризует его односигнальный динамический диапазон, который определяется методом подачи на вход изучаемого объекта сигнала одной частоты. Иногда этот параметр в радиотехнике именуется динамическим диапазоном по блокированию и обозначается DD1 или DB1.
В высокочастотной электронике это свойство может быть использовано для преобразования частот в устройствах, называемых «смеситель».
Ну вот мы медленно, но верно подобрались к определению понятия «динамический диапазон по интермодуляции«.
Рис.2
Процесс измерения этого параметра подобен предыдущему описанию и сводится к определению величины продуктов 2-го порядка с частотами (f1 ± f2) и нахождению точки интермодуляции (IP2) посредством построения такого же графика.
Кривая интермодуляционных продуктов 2-го порядка растёт медленнее, чем 3-го (всего лишь в 2 раза быстрее идеальной передаточной характеристики), а потому и точка пересечения, обозначающая значение IP2, находится дальше от начала координат.
Динамический диапазон приемника
Динамический диапазон приемника (Receiver Dynamic Range) с одной стороны определяет способность приемника обнаруживать слабый входной сигнал, больший уровня шума, с другой — обрабатывать сигналы большого уровня без искажения. Отношение максимального сигнала к минимальному сигналу на входе приемника и определяет динамический диапазон приемника:
Специфическую важность имеют следующие два параметра радиоприемного устройства: динамический диапазон, свободный от помех SFDR (Spurious Free Dynamic Range), и динамический диапазон по блокированию BDR (Blocking Dynamic Range).
Динамический диапазон, свободный от помех SFDR, основан на отношении между максимальным входным уровнем, для которого интермодуляционные продукты третьего порядка имеют уровень, меньший уровня шума, и минимальным различимым сигналом Smin.
Рисунок 1. Интермодуляционные продукты приемника третьего порядка, ограничивающие динамический диапазон приемника
Верхнюю границу динамического диапазона приемника по блокированию BDR определяет сигнал однодецибельной точки блокирования, нижнюю — Smin.
Рисунок 2. Иллюстрация определения динамического диапазона приемника по блокированию BDR
Максимальный коэффициент усиления функционально законченного тракта приемника определяется, исходя из максимально возможного внутриполосного блокирования Pбл. Это означает, что максимальный коэффициент усиления зависит от качества фильтрации перед каскадами основного усиления.
Понравился материал? Поделись с друзьями!
Вместе со статьей «Динамический диапазон приемника» читают:
Диапазон рабочих частот радиоприемных устройств В зависимости от значения принимаемой частоты схемные и конструктивные решения радиоприемников могут значительно различаться.
https://digteh.ru/WLL/DiapPrmFr.php
Чувствительность приемника Чувствительность приемника характеризует способность приемника принимать слабые сигналы.
https://digteh.ru/WLL/ChustvitPrm.php
Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/
Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин
Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).
А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре «Сигнал», Научно производственной фирме «Булат». В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.
Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи «Сигнал-201», авиационной системы передачи данных «Орлан-СТД», отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.
Динамический диапазон rtl-sdr
Ниже я сделал перевод одной замечательной заметки Mile Kokotov о динамическом диапазоне rtl-sdr. Это очень важный показатель, которым я заинтересовался и решил разобраться. Возможно кому-нибудь это тоже будет полезно.
Большинство людей думает, что наиболее важной характеристикой радиоприёмника является чувствительность, но это не совсем так. Вообще, спроектировать и произвести приёмник с высокой чувствительностью не проблема. Гораздо сложнее для инженеров спроектировать приёмник с большим динамическим диапазоном, который смог бы принимать как очень слабые сигналы, так и очень сильные одновременно.
Перегрузка приёмника означает то, что он больше не является линейным и сам по себе начинает генерировать сигналы, добавляя шум. Очень сильные сигналы на входе приёмника делают его менее чувствительным, таким образом он больше не может принимать слабые сигналы до тех пор, пока существует сильный сигнал рядом. Не стоит забывать, что на вход приёмнику приходят все сигналы, несмотря на то, что нам нужен только один конкретный. Соответственно, чем шире полоса приёма, тем больше нужен динамический диапазон для того, чтобы избержать перегрузки.
Качество sdr приёмника зависит от множества факторов. И одним из наиболее важных параметров, которые напрямую влияют на качество sdr приёмника, является его динамический диапозон.
Что же такое “динамический диапазон”?
В sdr уровень аналогового сигнала, поступающего в АЦП, может быть отрегулирован (вручную или с помощью АРУ) для того, чтобы максимально эффективно использовать доступный динамический диапазон.
Если аналоговый сигнал слишком сильный, то его нельзя представить соответствующими значениями битов. В таком случае АЦП подставляет максимальное или минимальное значение. Это называется отсечение и с точки зрения обработки сигналов представляет собой форму нелинейного сигнала. При этом появляются фантомные сигналы, которые копируют оригинальный на различных частотах.
Если аналоговый сигнал слишком слабый, то его присутствие не сможет дать даже одного бита выходного цифрового сигнала. На практике же, более грубое представление цифрового сигнала приводит к потере информации. Эту ситуацию называют шумом квантования.
Динамический диапазон SDR зависит от количества бит согласно формуле:
Согласно формуле динамический диапазон АЦП 8 бит равен
50dB, 12 бит 74dB и 16 бит 98dB.
Почему же динамический диапазон важен для SDR?
Кто-то может подумать, что достаточно иметь АРУ (автоматическая регулировка усиления), которая поддерживает входной сигнал на необоходимом уровне и, поэтому не нужен большой динамический диапазон. Это может сработать, но не стоит забывать что sdr приёмник получает сигнал на АЦП гораздо большей ширины, нежели необходимо. Дополнительная ширина сигнала позволяет получить спектограмму всей доступной полосы частот, но это так же значит, что на АЦП попадает множество энергии в том числе и от нежелательных частот. Эти частоты могут быть достаточно сильными по сравнению с сигналом, который необходимо получить.
В таком случае, уровень усиления должен быть равен суммарной мощности всего радио сигнала поступающего на АЦП. Это решит проблему “слишком сильного” сигнала, при этом самый слабый сигнал будет определяться динамическим диапазоном. Тем не менее, при большом динамическом диапазоне шум квантирования уменьшается, позволяя принимать слабые узкополосные сигналы.
В крайнем случае можно использовать фильтр, равный полосе принимаемого сигнала. Недостатком этого метода является то, что нельзя будет увидеть полный спектр.
Ограничения динамического диапазона
Помимо количества бит АЦП, динамический диапазон может зависеть от шума и фантомных сигналов.
Если в приёмнике нет предусилителя, то его динамический диапазон ограничен динамическим диапазоном АЦП. Но если он есть, то динамический диапазон ограничен либо АЦП, либо предусилителем. При этом шум усилителя задаёт минимальный сигнал, который может быть оцифрован.
Динамический диапазон системы должен быть больше соотношения сигнал/шум. Если же он меньше, то входящий сигнал будет искажён приёмником и узким местом такой системы будет мощность усилителя.
Фантомные сигналы намного более опасны, чем шум. Они имеют гораздо большую амплитуду нежели шум и она не зависит от выбранной полосы пропускания. Эти сигналы появляются в результате нелинейности АЦП. SFDR для АЦП определяется как отношение RMS амлитуды сигнала к RMS амлитуды самого большего фантомного сигнала. SFDR представлен на картинке ниже:
Использование децимации
На самом деле в некоторых sdr приёмниках используется децимация. Процесс децимации заключается в том, что цифровой сигнал, полученный с гораздо большей частотой дискретизации, уменьшается до интересующей частоты дискретизации. В результате динамический диапазон увеличивается за счёт “усиления обработки”. Усиление достигается за счёт того, что удаляется шум вне интересующей полосы частот, тем самым увеличивая соотношение сигнал/шум.
Например, Если взять 12-битный АЦП, работающий с частотой дискретизации 10МГц, то с помощью децимации можно увеличивать динамический диапазон на 3dB при каждом увеличении децимации в 2 раза:
Динамический диапазон приемника
Динамический диапазон приемника
Динамический диапазон приемника (Receiver Dynamic Range) с одной стороны определяет способность приемника обнаруживать слабый входной сигнал, больший уровня шума, с другой — обрабатывать сигналы большого уровня без искажения. Отношение максимального сигнала к минимальному сигналу на входе приемника и определяет динамический диапазон приемника:
Специфическую важность имеют следующие два параметра радиоприемного устройства: динамический диапазон, свободный от помех SFDR (Spurious Free Dynamic Range), и динамический диапазон по блокированию BDR (Blocking Dynamic Range).
Динамический диапазон, свободный от помех SFDR, основан на отношении между максимальным входным уровнем, для которого интермодуляционные продукты третьего порядка имеют уровень, меньший уровня шума, и минимальным различимым сигналом Smin.
Рисунок 1. Интермодуляционные продукты приемника третьего порядка, ограничивающие динамический диапазон приемника
Верхнюю границу динамического диапазона приемника по блокированию BDR определяет сигнал однодецибельной точки блокирования, нижнюю — Smin.
Рисунок 2. Иллюстрация определения динамического диапазона приемника по блокированию BDR
Максимальный коэффициент усиления функционально законченного тракта приемника определяется, исходя из максимально возможного внутриполосного блокирования Pбл. Это означает, что максимальный коэффициент усиления зависит от качества фильтрации перед каскадами основного усиления.
Параметры, обусловленные нелинейностью тракта приема (Многосигнальная избирательность)
Интермодуляция
Интермодуляция (Intermodulation) IMD — явление возникновения на выходе приемника помех при действии на его входе двух или более помех, частоты которых не совпадают с частотами основного и побочных каналов приема.
В результате взаимодействия помех с частотами f1 и f2 на нелинейных элементах приемного устройства возникают интермодуляционные продукты вида:
.
При этом в приемном тракте может получаться сигнал интермодуляционной помехи с частотой, равной частоте полезного сигнала или попадающей в полосы каналов побочного приема приемника. Такие помехи обрабатываются в приемном устройстве совместно с полезным сигналом, ухудшая качество принимаемого сообщения.
Рассмотрим механизм возникновения интермодуляционных искажений. Пусть на вход радиоприемного устройства воздействуют две помехи с частотами f1 и f2
Рисунок 1. Механизм возникновения интермодуляции
При измерении интермодуляционных помех на вход приемника подается два гармонических сигнала, настроенных на частоты второго и четвертого соседних каналов. Как это хорошо видно на спектре сигнала на выходе первого усилительного каскада, приведенном на рисунке 2, выше или ниже принимаемой частоты будут подаваться эти частоты, для возникновения интермодуляционной помехи на принимаемой частоте значения не имеет.
Рисунок 2. Спектр сигнала при подаче на вход приемника двух гармонических сигналов одинаковой амплитуды
Коэффициент интермодуляционных искажений второго порядка определяется как отношение амплитуды комбинационной составляющей f2 ± f1, к амплитуде одного из входных сигналов. Обычно этот коэффициент выражается в относительных единицах (дБс) — децибелах относительно несущей. Если диапазон принимаемых частот радиоприемного устройства достаточно узок, как это имеет место для систем УКВ мобильной связи или систем сотовой связи, то комбинационные частоты второго порядка образуются за диапазоном принимаемых частот и подавляются входным фильтром приемника.
На практике для количественной оценки интермодуляционных искажений (InterModulation Distortion, IMD) используют коэффициенты, вычисляемые при подаче на вход приемника двух внеполосных гармонических сигналов f1 и f2 с равными амплитудами:
коэффициент интермодуляционных искажений третьего порядка — отношение амплитуды комбинационной составляющей 2∙f2 – f1 (или 2∙f1 – f2) к амплитуде одного из этих сигналов на входе.
Продукты третьего и более высоких порядков, возникающие при смешивании двух интерферирующих радиосигналов могут создавать сигнал помехи в рабочем канале. Так как полоса обрабатываемых частот обычно ограничивается в преселекторе на входе приемника, то нелинейность измеряется путем подачи на вход приемного устройства двух сигналов равной амплитуды с частотами f1 и f2, достаточно близко расположенными к частоте настройки приемника. При этом измеряется уровень продуктов интермодуляции третьего порядка 2∙f1 – f2 и 2∙f2 – f1. Другие комбинационные продукты обычно находятся вне полосы рабочих частот приемника и подавляются фильтром основной избирательности.
Подавление эффекта интермодуляции (Intermodulation response rejection) — мера способности приемника приниматьтребуемый сигнал на частоте рабочего канала в присутствии двух или более сигналов помех, которые имеют определенное соотношение частот с требуемым сигналом.
Блокирование
Нелинейные искажения принимаемого сигнала в приемном устройстве могут возникать не только в том случае, если его уровень значителен, но и при воздействии сильной внеполосной помехи. Нелинейность приемного тракта приводит к тому, что при появлении помех, воздействующих на вход приемника на частотах, которые не совпадают с частотами основного и побочных каналов приема, происходит изменение уровня полезного сигнала или изменение отношения сигнал/шум на выходе приемника. Воздействие мощной помехи на вход приемника приводит к снижению коэффициента усиления устройства. Такое явление называется блокированием приемника (Blocking). Численно блокирование может быть оценено с помощью коэффициента блокирования:
где: Uвых — амплитуда сигнала на выходе приемника при отсутствии помехи на входе;
Uбл — амплитуда сигнала на выходе приемника при действии помехи на входе.
Таким образом, при отсутствии блокирования в приемнике Кбл = 0. Коэффициент блокирования тем сильнее, чем больше уровень помехи на входе и чем ближе частота помехи к частоте полезного сигнала. Это влияние определяется избирательностью приемника по соседнему каналу.
Цифровые радиоприемники. Шумы. Динамический диапазон
В статье представлены результаты разработки и исследования радиоприемников, построенных по технологии SDR (программно определяемое радио) с прямым аналого-цифровым преобразованием на АЦП LTC 2208 и с квадратурным преобразованием на нулевую частоту (AD 9361, RN 2483 в режиме LoRa). Приведены сравнительные характеристики по пороговой чувствительности и динамическому диапазону. Экспериментально показаны возможности и сложности построения приемников на основе прямого аналого-цифрового преобразования.
Целесообразность и сложность построения цифровых радиоприемников
Развитие технологий цифровой обработки сигналов и создания быстродействующих цифровых устройств коренным образом изменило структуру современных радиоприемных устройств. Появились большие возможности по обработке сигналов, по автоматизации управления приемниками [1, 2]. Сложным остался вопрос стыковки аналогового тракта системы связи с устройствами цифровой обработки.
Критическим параметром современных радиоприемных устройств, особенно работающих в коротковолновом диапазоне, является линейность входных высокочастотных цепей. Современный эфир плотно занят, и приемнику приходится работать при большом количестве внеполосных помех высокого уровня. Из-за нелинейности возникают эффекты блокирования и интермодуляционных искажений, которые не позволяют качественно принимать сигналы. Использование прямого аналого-цифрового преобразования высокочастотных сигналов с помощью современных АЦП позволяет в значительной степени решить описанную задачу.
Порог чувствительности приемника с прямым АЦП высокочастотных сигналов
В настоящей работе проведена разработка и экспериментальное исследование характеристик радиоприемника коротковолнового диапазона с использованием прямого аналого-цифрового преобразования на 16‑разрядном АЦП LTC 2208. Получены хорошие характеристики. Но обнаружились и трудности.
Экспериментально показано, что с использованием передискретизации (oversampling) [1, 3] удается обеспечить аналого-цифровое преобразование слабых сигналов с амплитудой много меньше минимального интервала квантования АЦП (34,3 мкВ для LTC 2208) в смеси с более мощными внеполосными колебаниями. При частоте дискретизации 130 МГц обеспечивается реальная чувствительность приемника в полосе сигнала 3,1 кГц (прием однополосных сигналов) UC = 2,2 мкВ (при отношении сигнал/шум на выходе 10 дБ, СКО шумов АЦП 0,7 мкВ). На рисунке 1 показан результат преобразования слабого сигнала. Рисунки 1–3 представляют собой снимки экрана анализатора спектра – приложения к демонстрационной плате АЦП LTC 2208.
Рис. 1. Результат преобразования гармонического сигнала: f = 29 МГц; UC = 2,2 мкВ. Превышение уровня сигнала над шумами – 15 дБ (в полосе 991 Гц)
Коэффициент шума приемника при описанных условиях составляет 28,9 дБ (при сопротивлении источника сигнала 50 Ом). Высокий коэффициент шума является существенным недостатком данного метода построения приемников.
Вторым недостатком является существование дополнительных помех – результата неидеальности АЦП. Коэффициент шума удается понизить путем включения согласующего трансформатора на входе АЦП. Экспериментально проверено, что коэффициент трансформации 1:2 обеспечивает уменьшение коэффициента шума на 6 дБ.
Уменьшить уровень помех в АЦП LTC2208 можно с помощью режима Dither. В нем к входному аналоговому сигналу добавляется шум, созданный специальным цифровым генератором шума. На выходе АЦП осуществляется вычитание цифрового шума из полученного кода. Этот режим позволяет уменьшить паразитные составляющие на 20 и более дБ.
Применение трансформатора на входе, однако, нарушает работу алгоритма компенсации добавочного шума в режиме Dither. В итоге коэффициент шума АЦП не уменьшается из-за трансформатора. На рисунках 2–3 иллюстрируется влияние трансформатора.
Рис. 2. Результат преобразования гармонического сигнала: f = 15,1 МГц; U = 1 мВ. Режим Dither включен 
Рис. 3. Результат преобразования гармонического сигнала: f = 15,1 МГц; U = 1 мВ. Режим Dither выключен
Динамический диапазон приемника с прямым АЦП высокочастотных сигналов
Главным достоинством применения прямого АЦП входных высокочастотных сигналов при построении радиоприемников является широкий динамический диапазон, позволяющий принимать слабые сигналы на фоне мощных помех. Несмотря на то, что многоразрядные АЦП обладают высоким уровнем собственных шумов (коэффициент шума 28,9 дБ), динамический диапазон приемников с прямым АЦП сигналов оказывается значительно шире, чем при других схемах преобразования сигналов.
Эксперименты, проведенные в настоящей работе, обнаружили особенность собственных шумов АЦП. Она заключается в том, что мощность шумов не возрастает с увеличением частоты дискретизации. Подобно шумам квантования [1], спектральная плотность мощности собственных шумов АЦП уменьшается с увеличением частоты дискретизации (с расширением полосы Найквиста).
Экспериментально показано, что изменение частоты дискретизации с 60 до 180 МГц приводит к уменьшению порога чувствительности (определенного в полосе 3,1 кГц) примерно на 10 дБ.
Динамический диапазон АЦП, определенный на основании данных из технического описания SNR = 78 дБ, также равен 78 дБ (в полосе Найквиста 65 МГц) [4]. Пересчитанный к полосе 3,1 кГц, динамический диапазон составляет 111 дБ (при минимальном отношению сигнал/шум равном 10 дБ).
Широкий динамический диапазон обеспечивает работоспособность при воздействии большой блокирующей помехи. Динамический диапазон по блокированию составляет 111 дБ.
Чтобы подчеркнуть достоинства приемника с прямым АЦП сигналов, в данной работе были проведены измерения динамического диапазона по блокированию приемных устройств, входящих в состав трансиверов AD 9361 и RN 2483. Приемники в обоих трансиверах построены с использованием аналоговых квадратурных преобразователей на нулевую промежуточную частоту с последующим АЦП на низкой частоте.
Оба приемника выдерживают блокирующую помеху на 70 дБ, превышающую полезный сигнал при существенной расстройке относительно полосы пропускания основного тракта. При большем уровне помехи начинает ухудшаться порог чувствительности. Устойчивость приемника с прямым АЦП сигналов к воздействию блокирующей помехи выше на 40 дБ.
Вторым достоинством приемника на АЦП LTC2208 является низкий уровень интермодуляционных искажений 2‑го и 3‑го порядков. Экспериментально установлено, что уровень интермодуляционных составляющих при максимальном значении амплитуд двух гармонических колебаний около 0,5 В не превышает –110 дБ. Оценка значения точки пересечения 3‑го порядка показывает IIP3 = 60 дБм. Для сравнения, эта величина у приемников трансиверов AD 9361 и RN 2483, соответственно, равна –18 и –11 дБм (данные из техописаний).
Достоинством аналогового преобразования сигналов в названных приемниках является более низкий коэффициент шума – 4…6 дБ.
Выводы
Представлены результаты экспериментального исследования приемника с прямым аналого-цифровым преобразованием, предназначенного для работы в коротковолновом диапазоне и в условиях мощных помех.
Эксперименты показали реализуемость основного достоинства этого метода приема сигналов – большого динамического диапазона. Обнаружены закономерности и проблемы в достижении основных характеристик.
Литература
1 комментарий
Guest
«Оценка значения точки пересечения 3‑го порядка показывает IIP3 = 60 дБм. »
60 dBm = 1 kW