Исследование свч модулятора и демодулятора высокоскоростной fsk
На правах рукописи
ГРИНЕВ ВЛАДИМИР ВЛАДИМИРОВИЧ ИССЛЕДОВАНИЕ СВЧ МОДУЛЯТОРА И ДЕМОДУЛЯТОРА ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ FSK Специальность 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Санкт-Петербург 2010
Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича на кафедре Радиоприема, вещания и электромагнитной совместимости.
Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Устименко Вячеслав Михайлович Научный консультант: кандидат технических наук, с.н.с.
Назаров Владислав Борисович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, проф.
Томашевич Сергей Викторович кандидат технических наук, доцент Ветринский Юрий Анатольевич Санкт-Петербургский филиал
Ведущая организация:
ФГУП НИИР-ЛОНИИР
Защита диссертации состоится «»2010 г. в «_» часов на заседании диссертационного совета Д.219.004.01 при Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч Бруевича по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, д. 61.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.
Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, д. 61, на имя ученого секретаря диссертационного совета.
Автореферат разослан «»_2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор В.В. Сергеев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Современный уровень техники радиосвязи не исчерпал потребность в скоростных каналах передачи. Широкое внедрение ком пьютерных технологий привело к существенному росту объема цифровых дан ных, передаваемых в режиме реального времени. Потребность передачи возрас тающего объема информации неизбежно приводит к необходимости повышения скорости передачи данных, поэтому проблема увеличения быстродействия кана лов радиосвязи не теряет своей актуальности и по сегодняшний день.
На данный момент самыми распространенными и быстро развивающимися системами высокоскоростной беспроводной связи являются WLAN 802.11b, 802.11g, 802.11a, 802.11n, Bluetooth, WiMAX, Wireless USB. Основу перечис ленных систем составляют различные фазовые (BPSK, QPSK) или квадратурные амплитудные модуляции (QAM-16, QAM-64, QAM-256, QAM-1024). Их приме нение позволяет увеличить эффективность использования спектра частот (ЭИС).
Увеличение числа позиций приводит к необходимости повышения отношения сигнал/шум на входе детектора, что требует увеличения мощностей передачи сигналов, либо сокращения дальности связи. Возрастают также требования к линейности усилителей для уменьшения уровня интермодуляционных продук тов. Этот эффект неизбежно приводит к увеличению потребляемой энергии, что отрицательно скажется на времени работы мобильных устройств, таких как Bluetooth, Wireless USB и т.д.
Альтернативой PSK и QAM может быть частотная манипуляция FSK, кото рая не требует высокой линейности тракта усиления и позволяет использовать усилители с высоким кпд. Такая модуляция представляет интерес для мобиль ных передатчиков, работающих от автономного блока питания. Использование FSK упрощает радиочастотный тракт, так как огибающая сигнала остается по стоянной. При FSK требуется, чтобы переход от старой частоты сигнала к новой происходил максимально быстро (от этого зависит скорость передачи), что при водит к прерывному изменению выходного сигнала, во время которого выделя ется много энергии на частотах, выходящих за рамки используемого частотного диапазона. Ограничение скорости модуляции частотных модуляторов несущей частоты в современных СВЧ системах радиосвязи связано с тем, что для возбу ждения гармонических колебаний в схеме генератора нагруженная добротность контура, подключенного к активному элементу генератора, должна быть больше некоторой предельной величины, зависящей от типа активного элемента.
Повышение скорости передачи на основе FSK возможно при использовании элементов с малой инерционностью. Таким элементом является диод Ганна. Это устройство характеризуется собственной постоянной времени порядка единиц пикосекунд, что позволяет считать его перспективным для высокоскоростных систем передачи данных. Малая инерционность диода Ганна наиболее полно может быть реализована в релаксационном низкодобротном режиме его работы в составе модулятора с быстрым переключением частоты (FFSK, Fast Frequency Shift Keying).
Таким образом, разработка методов построения высокоскоростного радио модема является актуальной проблемой для систем радиосвязи. Одним из путей решения указанной проблемы может служить использование малой инерционно сти релаксационного генератора на диоде Ганна для создания быстродействую щей FFSK модуляции.
Объект исследования: высокоскоростная беспроводная передача данных.
Предмет исследования: построение модулятора и демодулятора, обеспе чивающих прием и передачу малоинерционного FFSK сигнала, полученного с помощью низкодобротного релаксационного режима работы диода Ганна.
Целью диссертационной работы является разработка высокоскоростного FFSK радиомодема, работающего с использованием малой инерционности ре лаксационного генератора на диоде Ганна, и проведение его экспериментально го и компьютерного моделирования.
В соответствии с основной целью и предметом исследования определены основные задачи исследования:
- провести анализ видов модуляции современных систем высокоскоростной беспроводной передачи данных;
детально рассмотреть возможности непрерыв ной (без разрыва фазы) FSK модуляции;
исследовать методы получения FFSK модуляции на основе релаксационного генератора;
выбрать необходимый режим работы диода Ганна для обеспечения малой инерционности FFSK модуляции;
- разработать метод анализа модулятора на основе релаксационного генера тора на диоде Ганна, создать и отладить программу автоматизации расчетов;
- определить и исследовать модель быстродействующего демодулятора FFSK сигнала без разрыва фазы. Рассмотреть различные схемы детектирования, проанализировать их и дать рекомендации по способам построения и выбору параметров детекторов FFSK;
- провести экспериментальное исследование модулятора и математическое моделирование детектора FFSK сигнала с применением специальных программ;
- обеспечить внедрение полученных результатов.
Методологическую и теоретическую основы исследования составили на учные труды отечественных и зарубежных авторов в области передачи данных.
Методы проведения исследований. Для решения поставленных задач ис пользовались методы математического моделирования, метод конечных элемен тов, методы нелинейного анализа в СВЧ проектировании (метод гармонического баланса), численные методы на основе уточняющей процедуры Рунге-Кутта, программирование в среде Delphi, метод обобщения опыта.
Научная новизна и новые полученные результаты:
1. Показано, что для построения высокоскоростного СВЧ FFSK радиомо дема удобно использовать релаксационный низкодобротный режим работы дио да Ганна.
2. Разработан новый метод анализа релаксационного генератора на диоде Ганна на основе расчета его импедансных характеристик с учетом второй гар моники напряжения на нагрузке. Отличие разработанного метода состоит в том, что ранее при расчете импедансных характеристик генератора на диоде Ганна вторая гармоника напряжения на нагрузки не учитывалась, что ограничивает область импедансов нагрузки, в которой итерационная процедура сходится. При учете второй гармоники в напряжении на нагрузке диода Ганна обеспечивается форма колебания напряжения на кристалле диода, которая позволяет получить улучшения по коэффициенту полезного действия и чувствительности управле ния частотой. Особенно это важно при создании модулятора, в котором для по вышения быстродействия необходимо получить согласование с нагрузкой по первой гармонике, а управление переключением частот проводить по второй.
3. Разработана и реализована программа расчета импедансных характери стик генератора на диоде Ганна. Структура программы, а также использованный при её написании язык Delphi, сделали возможным её применение не только в научно-исследовательских целях, но и как законченный программный продукт.
Данная программа зарегистрирована в ФИПС (свидетельство № 2007615090).
4. Разработаны модели быстродействующего детектора, пригодного для детектирования FFSK сигнала. Даны рекомендации по способам их построения.
Практическая значимость и реализация результатов работы:
1. Теоретическое решение задачи расчета импедансных характеристик ге нератора на диоде Ганна позволило создать высокоскоростной модулятор для формирования FFSK сигнала.
2. На основе предложенного метода разработано и внедрено программное обеспечение, позволяющее организовывать автоматический расчет импедансных характеристик генератора на диоде Ганна с учетом и без учета второй гармони ки напряжения на нагрузке.
3. Определена модель быстродействующего демодулятора, способного де тектировать FFSK сигнал без разрыва фазы.
4. Решение задачи построения высокоскоростного радиомодема на базе релаксационного режима работы диода Ганна получено впервые и позволяет по аналогии в дальнейшем повысить скорость передачи в канале при использова нии многопозиционной FFSK модуляции.
5. Материалы диссертационной работы использовались в ФГУП «НИИ «Рубин» при выполнении НИР «Размерность», а также в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им.
проф. М.А. Бонч-Бруевича и Института ФСБ РФ (г. С-Петербург). Внедрение результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами.
Апробация работы. Полученные в работе результаты докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподава тельского состава СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича в Санкт-Петербурге в 2004 – 2009 годах.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 13 печатных работах, включая 5 публикаций в виде тезисов докладов, 6 статей из них 2 ста тьи в изданиях, рекомендованных ВАК, а также в одной заявке на полезную мо дель, по которой получен патент РФ № 82389 и одной заявке на регистрацию программы, по которой получено свидетельство № 2007615090.
Структура и объём диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы и четырех приложений. Основная часть работы содержит 179 страниц текста, рисунка, 5 таблиц, включает 92 наименования отечественной и зарубежной ли тературы, объем приложений составляет 17 страниц.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Использование низкодобротного релаксационного режима работы гене ратора на диоде Ганна позволяет создать FFSK модулятор со скоростью переда чи более 4 Гбит/с.
2. Для анализа режимов работы модулятора удобно пользоваться импе дансными характеристиками, рассчитанными с учетом второй гармоники на пряжения на нагрузке диода Ганна, что обеспечивает улучшения по коэффици енту полезного действия и чувствительности управления частотой.
3. Программа расчета импедансных характеристик генератора на диоде Ганна, созданная на основе разработанного метода, является пригодной для про ведения научных исследований и решения практических задач.
4. Детектирование FFSK сигнала возможно при использовании в качестве частотно-чувствительного элемента короткозамкнутой или разомкнутой микро полосковой линии. При определенной структуре детектора показана возмож ность детектирования FFSK сигнала, передаваемого на скорости 2 Гбит/с.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность работы, формулируются цель и задачи исследования, дается оценка новизны и значимости полученных резуль татов, излагаются выносимые на защиту научные положения. Там же приведена аннотация работы и описана ее структура.
В основной части диссертационной работы проанализированы современ ные системы высокоскоростной беспроводной передачи данных с точки зрения используемых в них видов модуляций. В отличие от фазовых и квадратурных амплитудных манипуляций частотная манипуляция FSK не требует высокой ли нейности тракта усиления, а также упрощает радиочастотный тракт из-за отсут ствия синфазного и квадратурного каналов. Но частотная манипуляция обеспе чивает относительно низкую скорость передачи из-за использования высокодоб ротных фильтров в радиотрактах для настройки на определенные частоты, что является недостатком классических схем FSK модуляторов и демодуляторов.
В ходе анализа частотной манипуляции было отмечено, что среди разно видностей FSK модуляции наибольший интерес представляют ансамбли ортого нальных сигналов без разрыва фазы (CPFSK), обеспечивающие возможность ко герентного детектирования. Выбор в пользу когерентной FSK в первую очередь связан с более высокой помехоустойчивостью и удвоением эффективности ис пользования спектра по сравнению с некогерентной частотной манипуляцией.
Одним из путей повышения скорости передачи CPFSK является использо вание релаксационного низкодобротного режима работы модулятора с быстрым переключением частот FFSK. Любой двухполюсник, имеющий падающий уча сток на статической вольтамперной характеристике, нагруженный на низкодоб ротную цепь, в некотором диапазоне частот может генерировать релаксацион ные колебания, характеризующиеся большой скоростью изменения напряжения.
В СВЧ диапазоне релаксационный режим может возникать в туннельных диодах и диодах Ганна (ДГ). У туннельного диода существенно меньше уровень гене рируемой мощности. В его работе используется туннельный эффект через слой объемного заряда, а в диодах Ганна задействован весь объем полупроводника, что упрощает проблему рассеяния тепла, выделяющегося при работе, и значи тельно увеличивает полезную СВЧ мощность. В данной работе рассматривался модулятор, для которого мощность имеет первостепенное значение, поэтому ав тор ограничился диодами Ганна.
Релаксационные колебания на ДГ возникают при достаточно малой величи не емкости, подключенной непосредственно к кристаллу полупроводника. Если диод включен в колебательную систему с низкой добротностью, то изменение частоты генератора при переключении емкости в этой цепи будет происходить в течение малого числа циклов, в пределе за один. Поэтому релаксационный гене ратор можно использовать для модуляции методом быстрого переключения час тоты.
Важным моментом при выборе схемы генератора является наличие стабиль ного релаксационного режима, для получения которого необходимо обеспечить подавление домена и исключить рассеяние энергии на высших гармониках.
В данной работе для подавления домена и возбуждения на диоде Ганна ста бильных релаксационных колебаний за основу модулятора FFSK была принята двухдиодная схема СВЧ генератора (рис. 1). Генератор содержит два диода Ган на, связанные через линию передачи 1, варикап 3, включенный в эту линию сим метрично относительно диодов, линию передачи 2, отводящую мощность колебаний в нагрузку 5 через полосовой фильтр 4. Линия 2 подключена к линии 1 в месте включения варикапа. Полосовой фильтр согласует линию передачи 2 с нагрузкой 5 на основной частоте и имеет индуктивное входное сопротивление на частоте второй гармоники для изоляция диодов от нагрузки на частоте второй гармоники путем ее отражения в линии передачи 2.
Рис. 1. Схема FFSK модулятора на основе двухдиодного СВЧ генератора:
1 и 2 – линии передачи;
3 – варикап;
4 – полосовой фильтр;
5 – нагрузка;
6, 7 – диод Ганна;
8, 9 и 10 – фильтры нижних частот Переключение частоты осуществляется за счет регулирования амплитуды и фазы второй гармоники частоты в точках включения диодов Ганна посредством электрического управления емкостью варактора, изменение которой более эф фективно влияет на режим колебаний в линии передачи 1 на второй гармонике, чем на первой, так как линия передачи 2 согласована и имеет относительно низ кое волновое сопротивление, шунтирующее варактор на первой гармонике. На второй гармонике линия 2 в сечении варактора имеет высокий импеданс и слабо шунтирует варактор.
Для анализа релаксационного режима работы диода Ганна был выбран ме тод построения импедансных характеристик, которые для ДГ в корпусе являют ся основой для получения оптимальных характеристик релаксационного генератора. Они представляют собой совокупность характеристик постоянной частоты и постоянной мощности на плоскости комплексного сопротивления схемы устройства с ДГ в точках подключения внешних клемм диода.
Ранее анализ релаксационного генератора Ганна проводился с учетом пер вой гармоники колебаний на контактах корпуса диода. Методика заключалась в решении обыкновенного дифференциального уравнения второй степени для ДГ в корпусе и последующем вычислении первых гармоник тока и напряжения на кристалле диода, которые позволяют определить комплексную амплитуду на пряжения на внешнем (относительно корпуса ДГ) импедансе. При таком расчете ограничивается область импеданса, в которой итерационная процедура сходится.
Для проведения анализа модулятора на диоде Ганна была рассмотрена его эквивалентная схема (рис. 2). В исследуемой схеме нелинейная проводимость g(Uд) диода Ганна D образует низкодобротный контур с собственной «геометри ческой» емкостью кристалла диода С и индуктивностью L, отображающей ин дуктивность контактной иглы и керна корпусного диода. В схему включен ис точник постоянного напряжения смещения U0. В точках 1-1 схемы включена (не показана) широкополосная линейная часть генератора, к которой отнесена ем кость корпуса диода Cp. Поведение нагрузки описывается переменным синусои дальным напряжением uср = U ср1 cos(t 1 ) + U ср 2 cos(2t 2 ), являющимся реакцией линейной части на ток iL с учетом второй гармоники.
Рис. 2. Исследуемая схема релаксационного генератора При описании поведения диода принималось отсутствие напряжения на до мене и однородное распределение электрического поля по длине диода, поэтому нелинейная проводимость диода определялась вольтамперной характеристикой (ВАХ), получаемой из известной характеристики (E), аппроксимируемой тремя линейными участками (рис. 3).
В зависимости от напряжения на диоде активная дифференциальная прово димость диода принимает три значения:
g = 1 / R0 – проводимость при напряжении ниже порогового, (1) g = g () – проводимость на падающем участке ВАХ диода, (2) g = 0 – проводимость на участке насыщения диода. (3) Для каждого из участков с постоянным значением проводимости диода бы ла найдена зависимость напряжения uд на диоде от времени путем решения ли нейного неоднородного дифференциального уравнения второго порядка с посто янными коэффициентами, построенного на основе системы уравнений для экви валентной схемы (см. рис. 2):
d 2u д [ ] g duд uд = 1 U 0 + U cp1 cos(t 1 ) + U cp 2 cos(2t 2 ), (4) + + C dt LC LC dt где 1, 2 – значения фаз напряжений ucp1 и ucp2 соответственно в начале линей ного участка ВАХ диода, когда начинается отсчет времени t.
Рис. 3. Зависимость дрейфовой скорости электронов от электрического поля Е:
а – реальная, б – линейная аппроксимация Зависимость напряжения uд от времени в течение одного периода устано вившихся колебаний была определена путем сшивания решений для всех участ ков с постоянной проводимостью g. Для каждого из интервалов были определе ны величины uд, uд и длительность интервала.
Например, для первого интервала получено:
R R0 R R R 0t U cp1 sin(t 1 ) + 0 U cp2 sin(2t 2 ) + (U д0 U 0 + U cp1 0 sin 1 + U cp2 0 sin 2 )e L uд = U 0 + L 2L L 2L (5) Далее для расчета частоты и мощности, генерируемой ДГ во внешнюю на грузку (сечение 1-1), были найдены комплексные амплитуды первых и вторых гармоник тока и напряжения на кристалле диода. Интегрирование выполнялось отдельно для каждого из пяти интервалов 1 – 5 полного периода колебаний.
Процедура последовательных приближений для вычисления величин часто ты колебаний, U ср1, U ср 2, для некоторого значения импеданса нагрузки Z н1 в & & & плоскости диаграммы Смита начинается с выбора исходного значения 0 и ну левых приближений комплексных величин U ср10, U ср 20. Осуществляется внутрен & & ний итерационный процесс для приведения соответствия частоты колебаний с длительностями интервалов. Исходные значения 0, U ср10, U ср 20 подставляются в & & формулы для нахождения интервалов 1 – 5. Затем находится = i и вычисля ется частота как 1 /. Если новое значение частоты достаточно мало отличается от первоначального, считается, что сходимость достигнута. Далее определяются комплексные значения гармоник напряжений и токов U д1, I&д1, U д 2, I&д 2 и нахо & & дятся новые значения напряжений U ср1 и U ср 2, которые принимаются в качестве & & следующего приближения для повторного цикла расчетов.
Процедура повторяется до тех пор, пока разности U ср1( n ) U ср1( n 1) и & & U ср 2( n ) U ср 2( n 1) не окажутся меньше заранее заданного допуска. После этого оп & & ределяется величина мощности первой гармоники, рассеиваемой в линейной части модулятора по формуле P1 = 1 U ср1 Re Z н1. Далее происходит переход к следующей точке на импедансной характеристике, а исходными величинами, U ср1, U ср 2 становятся найденные на предыдущем этапе. Полученные значения & & частот и мощностей наносятся на плоскость Смита, а для образования семейства кривых равных частот и мощностей точки с равными значениями соединяются.
Для автоматизации предложенного алгоритма автором была разработана специальная программа построения импедансных характеристик, которая заре гистрирована в ФИПС.
Анализ работы программы показал, что проведение процедуры расчета им педансных характеристик с учетом второй гармоники приводит к расширению области сходимости итерационного процесса и повышению мощности и коэф фициента полезного действия используемого в модуляторе диода Ганна. Но об ласть сходимости увеличивается только в нижней части частотного диапазона.
На верхних частотах импедансные характеристики изменяются незначительно.
Это объясняется тем, что с ростом частоты увеличивается реактивное сопротив ление индуктивности контактов корпуса с кристаллом (Ls), и для второй гармо ники оно оказывается значительным, не пропуская ее в нагрузку. Именно по этому на верхних частотах влияние второй гармоники получается мало замет ным.
В ходе анализа в программе СВЧ моделирования HFSS на основе метода конечных элементов была проведена оптимизация конструкции линейной части модулятора и получен ее частотный годограф. Наложением импедансных харак теристик диода Ганна на годограф конструкции линейной части модулятора определены две частоты стабильной генерации (9,75 и 11,25 ГГц), на которых обеспечивается передача двухпозиционного FFSK сигнала. Годограф с наложен ными импедансными характеристиками для нижней частоты представлен на рис. 4.
На базе полученной модели модулятора была создана опытная волноводная конструкция, которая использовалась в эксперименте. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 5. В связи со сложностью создания высокоско ростного импульсного потока работа модулятора оценивалась в статическом ре жиме при медленном переключении частот. В качестве модели информационно го потока использовалась последовательность прямоугольных импульсов со скважностью 2 (меандр). Генератор прямоугольных импульсов с максимальной частотой повторения 1 МГц (скорость двоичного потока 2 Мбит/с) служил ис точником сигнала для FFSK модулятора. С выхода модулятора модулированный сигнал через направленные ответвители подавался на анализатор спектра и из меритель мощности. В эксперименте использовались диоды Ганна 3А723 и ва ракторный диод 3А617. Эксперимент подтвердил правильность расчетов и нали чие стабильной генерации на частотах 9,75 и 11,25 ГГц.
Рис. 4. Годограф на нижней частоте с наложенными импедансными характеристиками Рис. 5. Схема экспериментальной установки исследования модулятора FFSK Оценка быстродействия модулятора проводилась в специально написанной автором программе в среде Delphi. Процессы в динамической системе описыва лись с помощью системы обыкновенных дифференциальных уравнений, которая решалась численным методом с использованием уточняющей процедуры Рунге Кутта. Анализ, проведенный в программе, показал, что в выбранной схеме двух диодного релаксационного модулятора время переключения частот составляет один – два периода высокочастотного колебания. Следовательно, скорость пере дачи двухуровневого FFSK сигнала оказывается около 5 Гбит/с.
В качестве частотно-чувствительного элемента детектора FFSK сигнала предлагается использовать короткозамкнутый или разомкнутый отрезок линии передачи соответствующей длины. В сечении, удаленном от конца отрезка на столько, что разные частоты будут создавать в нем существенно различающиеся уровни электрического поля стоячей волны, устанавливается амплитудный де тектор, в нагрузке которого выделялся модулирующий сигнал.
Схема детектирования двухпозиционного FFSK сигнала представлена на рис. 6. Она состоит из короткозамкнутой линии передачи, циркулятора и ампли тудного детектора. Короткозамкнутый отрезок линии передачи 1 подключается к источнику FFSK сигнала 2 через циркулятор 3, обеспечивающий отсутствие повторных отражений в линии и согласование линии с источником сигнала. Ам плитудный детектор 4 включается в линию 1 в сечении, отстоящем от коротко замыкателя 5 на таком расстоянии, которое обеспечивает максимальное разли чие уровней электрического поля стоячей волны для различных частот FFSK сигнала.
Уменьшение габаритов детектора может быть достигнуто при обеспечении холостого хода на конце линии (рис. 7а). В этом случае минимальная длина от разомкнутого края равна четверти длины волны на нижней частоте модуляции.
На верхней частоте в сечении установится значение напряжения стоячей волны, близкое к максимальному.
Увеличение чувствительности таких детекторов может быть получено при включении в линию передачи двух детекторных диодов, установленных в узлах fв и fн. В качестве полезного сигнала используется разность напряжений на вы ходах детекторов (рис. 7б).
Рис. 6. Детектор FFSK в режиме короткого замыкания и распределение напряжения стоячей волны вдоль линии передачи Рис. 7. Детектор FFSK: а) в режиме холостого хода;
б) при подключении к линии передачи двух диодов Длина линии передачи от места включения диода до ее конца определяет время установления режима стоячей волны после отражения. Чем отрезок линии короче, тем быстрее будет процесс установления стоячей волны и выше быстро действие. При этом длина отрезка задает расстояние l между узлами нижней и верхней частоты. В работе был вычислен уровень сигнала верхней частоты в узле нижней, получено соотношение между частотами для общего случая:
fв = 1 + 4l, (6) nв fн где n – число четвертьволновых отрезков, укладывающихся от края линии пере дачи до узла нижней частоты fн.
Построенные по (6) зависимости напряжения стоячей волны верхней часто ты в сечении установки детекторного диода Uв, нормированного к его ампли тудному значению Uм, от отношения верхней и нижней частот показали, что для получения высокого уровня напряжения Uв в сечении установки амплитудного детектора необходимо увеличение полосы сигнала FFSK. При переходе к n=2 и выше уровень напряжения растет быстрее и достигает максимального значения при меньшем отношении f в f н. Это указывает на то, что увеличение длины от резка линии от края до сечения включения детекторного диода позволяет сузить полосу частот сигнала FFSK при условии получения максимальной селективно сти детектора по частоте (см. рис. 8). Для получения высокого уровня напряже ния верхней частоты в узле нижней для близко располагающихся частот, следу ет использовать отрезки линии с длиной не менее половины длины волны (n2).
Рис. 8. График зависимости Uв/Uм от fв/fн Главное требование к детектору – достаточно малые постоянные времени заряда и разряда емкости нагрузки. Слишком низкое входное сопротивление секции схемы с амплитудным детектором может нарушить режим стоячей волны в линии передачи, что негативно скажется на скорости детектирования FFSK сигнала. Выбор высокого входного сопротивления, нагруженного на линию пе редачи, приведет к тому, что на детекторном диоде окажется очень низкий уро вень сигнала, и детектирование будет невозможно.
Для того, чтобы в наименьшей степени нарушить режим стоячей волны в линии передачи при достаточном для детектирования уровне сигнала на диоде, было принято решение подключать его через специальную детекторную линию.
В ходе анализа входного сопротивления Zвх детекторной линии с нагрузкой было выявлено, что наибольший интерес представляет отрезок линии длиной / принимаемой частоты. Его входное сопротивление определяется формулой Rн + j ( X н + ) Z вх =, (7) ( X н ) + jRн где – волновое сопротивление детекторной линии, Rн – активное сопротивление нагрузки, Xн – реактивное сопротивление нагрузки.
Из (7) следует, что если X н 0, модуль входного сопротивления такого от резка линии будет равен ее волновому сопротивлению. Если Rн 0, входное со противление реактивное и при малых Xн также по модулю равно волновому со противлению.
Для определения влияния детекторной линии с нагрузкой на режим стоячей волны был вычислен на основе волновых матриц передачи коэффициент переда чи входного сигнала с циркулятора в детекторный диод, в качестве которого ис пользовался линейный эквивалент (последовательное соединение резистора и конденсатора). Это позволило установить параметры диода, обеспечивающие наилучший коэффициент передачи. В качестве примера на рис. 9 представлены графики зависимостей коэффициента передачи от емкости перехода Cд при Rд=10 Ом и сопротивления Rд диода при Cд=0,1 пФ для случая короткозамкну той линии передачи (n=2).
Рис. 9. Коэффициент передачи в детекторный диод для режима короткого замыкания Проведенный анализ показал, что наилучшими параметрами с точки зрения коэффициента передачи являются Rд=10 Ом, Сд=0,1 пФ, волновое сопротивле ние детекторной линии =135 Ом.
Для сравнения коэффициентов передачи в нагрузку при различных длинах линии передачи и детекторной линии их значения сведены в табл. 1. Наиболее выгодным вариантом длины детекторной линии является в/8, обеспечивающий самый высокий коэффициент передачи.
Таблица Коэффициент передачи для различных вариантов построения детектора FFSK Длина линии передачи Длина n=1 n=2 N=3 n= детекторной холостой короткое холостой короткое линии ход замыкание ход замыкание н/4 н/2 3н/4 н в/8 0,516 0,602 0,615 0, в/4 0,086 0,155 0,212 0, в/2 0,097 0,199 0,287 0, Значения коэффициентов передачи, полученные при моделировании в про граммах Microwave Office и Advanced Design System (ADS) отличались от теоре тических на несколько процентов, что подтвердило правильность расчетов.
Для определения максимально возможных скоростей передачи сигнала FFSK, с которыми смогут работать детекторы на длинных линиях, было прове дено исследование представленных схем во временной области с помощью си мулятора переходных процессов в программе ADS. В моделировании использо вались детекторы с линиями передачи длиной н/4 в режиме холостого хода и длиной н/2 в режиме короткого замыкания.
Исследование показало, что время установления сигналов в случае коротко замкнутого отрезка линии передачи на 35% меньше, чем для режима холостого хода. Максимально достигнутое время переключения сигнала в детекторе с ли нией передачи в режиме короткого замыкания составило 1,25 нс, что обеспечи вает прием потока данных FFSK на скорости 800 Мбит/с. Результаты моделиро вания для схемы на двух диодах с линией передачи в режиме короткого замыка ния представлены на рис. 10. Значения времени переключения и скорости пере дачи для всех рассмотренных схем сведены в табл. 2.
Рис. 10. Картина переходного процесса при переключении частот в схеме детектора на двух диодах с линией передачи в режиме короткого замыкания Более высокие скорости не удается получить из-за наличия емкости нагруз ки амплитудного детектора. Ее значение порядка 4 – 5 пФ приводит к росту времени разряда и не позволяет получить малые значения времени установления выходного сигнала. Снижение емкости ниже 2 пФ влечет за собой резкое увели чение первой гармоники принимаемого сигнала, которая ухудшает чувствитель ность детектора.
Таблица Время переключения и скорость передачи для различных схем детектора FFSK Измеряемые Детектор FFSK Детектор FFSK Усовершенствованный параметры с одним диодом с двумя диодами детектор FFSK холостой короткое холостой короткое холостой короткое ход замыкание ход замыкание ход замыкание, нс 2 1,3 2 1,25 0,75 0, V, Мбит/с 500 770 500 800 1,33 Для повышения скорости переключения выхода и обеспечении высокого входного сопротивление амплитудного детектора при большой постоянной вре мени нагрузки автором предложена схема, приведенная на рис. 11. В ней два диода включены в линию так, что один диод оказывается в узле стоячей волны на нижней частоте, а другой – в узле на верхней частоте. При передаче нижней частоты диод в узле напряжения верхней частоты попадает в положительное электрическое поле, а на верхней – диод в узле напряжения нижней частоты окажется в отрицательном поле. К емкости с двух сторон подключены специ альные диоды, которые замыкают на землю цепи зарядов каждого детекторного диода. Нагрузка диодов представляет собой параллельное соединение емкости и двух резисторов с заземленной средней точкой, подключенное противополож ными концами к диодам и двум входам дифференциального усилителя (ДУ). На выходе ДУ выделяется исходная информационная последовательность.
В этой схеме детектора заряд и разряд емкости нагрузки происходит от ли нии со стандартным сопротивлением через малое сопротивление диодов. Посто янство напряжения импульсов между моментами переключения частот обеспе чивается относительно медленным разрядом конденсатора через сопротивление нагрузки, которое равно 1000 Ом. Входное сопротивление амплитудного детек тора имеет величину того же порядка. На данную схему усовершенствованного детектора получен патент РФ на полезную модель.
Рис. 11. Детектор с повышенным входным сопротивлением Проведенное моделирование в программе ADS показало, что при использо вании усовершенствованных схем время переключения выходного сигнала в де текторе уменьшается в 2,5 раза и обеспечивается детектирование потока данных FFSK на скорости 2 Гбит/с. Применение в качестве заземляющих p-i-n диодов позволяет снизить уровень первой гармоники в выходном сигнале и улучшить чувствительность детектора. Временная зависимость для схемы на p-i-n диодах с линией передачи в режиме короткого замыкания представлена на рис. 12. Ис пользуемые p-i-n диоды имеют общую емкость C=0,4 пФ, емкость корпуса Сp=0,4 пФ и индуктивность L=0,45 нГн. Значения времени переключения и ско рости передачи для двух вариантов построения усовершенствованной схемы сведены в табл. 2.
Рис. 12. Картина переходного процесса при переключении частот в схеме детектора на p-i-n диодах с линией передачи в режиме короткого замыкания В заключении кратко излагаются основные научные и практические ре зультаты, полученные в диссертационной работе.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ В ходе диссертационного исследования получены следующие теоретиче ские и практические результаты:
1. Проведено сравнение различных видов цифровых модуляций. Показа но, что частотная манипуляция обеспечивает относительно низкую скорость передачи из-за использования высокодобротных фильтров в радиотрактах для настройки на определенные частоты, что является недостатком классических схем FSK модуляторов и демодуляторов. Определен способ повышения скоро сти передачи сигналов на основе FSK при использовании малой инерционности диода Ганна в составе модулятора FFSK с быстрым переключением частоты без разрыва фазы, работающего в релаксационном низкодобротном режиме.
2. Предложен метод анализа режимов работы релаксационного модулято ра на диоде Ганна на основе расчета его импедансных характеристик при учете второй гармоники напряжения на нагрузке, что приводит к расширению области сходимости и повышению мощности и коэффициента полезного действия ис пользуемого в модуляторе диода Ганна.
3. Разработанный алгоритм расчета импедансных характеристик реализо ван в виде программы, написанной на языке Delphi, которая позволяет автомати зировать итерационный процесс расчета для различных диодов Ганна с после дующим построением импедансных характеристик на диаграмме Смита. Данная программа зарегистрирована в ФИПС.
4. В программе СВЧ моделирования проведен анализ конструкции линей ной части модулятора FFSK. Наложением годографа линейной части и импе дансных характеристик на диаграмме Смита получены частоты стабильной ге нерации модулятора. Численным методом на основе процедуры Рунге-Кутта теоретически определены предельные скорости переключения частот в схеме релаксационного модулятора.
5. Определены способы детектирования FFSK сигнала. В качестве частот но-чувствительного элемента малоинерционных детекторов предложены отрез ки микрополосковых линий передачи, у которых в сечении с существенно раз личающимися уровнями стоячей волны принимаемых частот установлены ам плитудные детекторы, детектирующие выходной сигнал. Рассмотрены различ ные варианты построения детекторов FFSK. Теоретически определены уровни сигналов в линии передачи при различных режимах ее работы, выбраны спосо бы подключения детекторных диодов к линии передачи. Для оценки влияния амплитудного детектора на режим стоячей волны рассчитаны коэффициенты пе редачи в нагрузку.
6. В программах СВЧ моделирования проведен статический и динамиче ский анализ различных схем детекторов FFSK. Установлены зависимости вы ходных сигналов от параметров схем, даны рекомендации по их выбору. Рас смотрены переходные процессы при переключениях частот, найдено время ус тановления сигналов в различных схемах детекторов FFSK. Получены значения максимальных скоростей передачи FFSK сигнала, детектирование которых обеспечивается в малоинерционных схемах.
7. Для повышения скорости переключения выходного сигнала и обеспече ния высокого входного сопротивление амплитудного детектора при большой постоянной времени нагрузки предложена схема детектора, обеспечивающая де тектирование FFSK сигнала, передаваемого на скорости 2 Гбит/с, повышающая быстродействие детектирования в 2,5 раза. На разработанную схему получен па тент РФ на полезную модель.
8. Результаты диссертационного исследования использованы в ФГУП «НИИ «Рубин» при выполнении НИР «Размерность», внедрены в учебный про цесс Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, а также в учебный процесс Института ФСБ Рос сии (г. С-Петербург).
Таким образом, в диссертационной работе поставлена и решена новая акту альная задача в области передачи данных на основе FFSK модуляции – разрабо таны метод расчета режимов работы модулятора FFSK и малоинерционные де текторы для таких сигналов.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Гринев В.В. Беспроводные локальные сети: тенденции развития // 58-я СНТК: материалы / СПбГУТ. – СПб, 2004. – С. 39 – 41.
2. Гринев В.В. Анализ возможности построения высокоскоростного моду лятора на основе использования релаксационного режима диодного генератора СВЧ // 60-я СНТК / СПбГУТ. – СПб, 2006. – С. 21 – 25.
3. Гринев В.В. Учет второй гармоники напряжения на диоде Ганна при рас чете его импедансных характеристик // Труды учебных заведений связи. Вып.
176. – СПб, 2007. – С. 216 – 223.
4. Гринев В.В., Назаров В.Б. Повышение скорости беспроводных систем передачи данных за счет использования релаксационного режима диодного ге нератора СВЧ // Проблемы и перспективы совершенствования охраны государ ственной границы и объектов. Научно-методический сборник № 21. часть 3, книга 1 / Институт пограничных войск. Калининград, 2007. – С. 91 – 95.
5. Гринев В.В. Новый взгляд на реализацию FFSK // Мобильные системы.
2008. № 01/02. – С. 62 – 65. (Из перечня ВАК РФ).
6. Гринев В.В., Устименко В.М. Способы детектирования высокоскорост ного ВСРН-сигнала // Информационно-измерительные и управляющие системы.
2009. № 8. – С. 50 – 54. (Из перечня ВАК РФ).
7. Гринев В.В. Планирование беспроводных локальных сетей стандарта 802.11 // 58-я НТК: материалы / СПбГУТ. – СПб, 2006. – С. 59.
8. Гринев В.В. Учет второй гармоники напряжения на диоде Ганна при рас чете его адмиттансных характеристик // 59-я НТК: материалы / СПбГУТ. – СПб, 2007. – С. 75 – 76.
9. Гринев В.В., Назаров В.Б., Устименко В.М. Анализ методов построения высокоскоростного радиомодема // 59-я НТК: материалы / СПбГУТ. – СПб, 2007. – С. 74 – 75.
10. Гринев В.В., Назаров В.Б. Моделирование конструкции модулятора FFSK на двухдиодном генераторе Ганна // 60-я НТК: материалы / СПбГУТ. – СПб, 2008. – С. 65.
11. Гринев В.В., Назаров В.Б., Устименко В.М. Высокоскоростное детектиро вание FFSK сигнала // 61-я НТК: материалы / СПбГУТ. – СПб, 2009. – С. 102 – 103.
12. Гринев В.В., Назаров В.Б. Программа расчета импедансных характери стик релаксационного генератора на диоде Ганна: свид. об офиц. рег. прогр. для ЭВМ № 2007615090 Рос. Федерация. № 2007614811 ;
заявл. 27.11.2007 ;
опубл.
11.12.2007.
13. Гринев В.В., Назаров В.Б., Устименко В.М. Детектор сверхвысоких час тот: пат. на пол. модель № 82389 Рос. Федерация. № 2008144992/22 ;
заявл. 07.11.08 ;
опубл. 20.04.09. Бюл. № 11.