РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 49, № 4, с. 493-498
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ^^^^^^^^^^^^ В ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ
УДК 621.396.633
О НЕКОТОРЫХ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЯХ УЛУЧШЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АКУСТОЭЛЕКТРОННЫХ КОРРЕЛЯЦИОННЫХ ПРОЦЕССОРОВ
© 2004 г. В. В. Проклов, Ю. Б. Синдлер, В. В. Штыков, О. А. Бышевский-Конопко, В. И. Григорьевский
Поступила в редакцию 17.01.2003 г.
Показано, что в существующих акустоэлектронных корреляционных процессорах, предназначенных для обработки сигналов с расширенным спектром в широкополосных системах подвижной связи, метод целенаправленного выбора спектрорасширяющих функций может дать существенное (до 2.5 раза) увеличение полосы сигналов. Установлено также, что в диапазоне частот ~400 МГц замена ниобата лития как материала подложки в акустоэлектронном конвольвере на титанат бария позволит увеличить динамический диапазон на величину порядка 10 дБ.
ВВЕДЕНИЕ
Создание широкополосных систем наземной подвижной связи третьего и последующих поколений требует проведения исследований по оптимизации элементной базы для типовых классов этих систем. К одному из таких классов относятся беспроводные пикосети, которые могли бы выполнять функции удаленного доступа к фиксированным сетям, а также функции локальных беспроводных компьютерных пикосетей, работающих в безлицензионных диапазонах 400 МГц, 2.4 и 5.3 ГГц. Как известно, наиболее важным условием нормальной работы в указанных диапазонах является электромагнитная совместимость с другими независимыми широкополосными пикосетями, а также с существующими узкополосными системами наземной подвижной связи.
В последние годы выяснилось, что акустоэлект-ронные согласованные фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ) могут быть хорошей альтернативой широко применяемым цифровым фильтрам при создании ключевого узла радиоприемников рассматриваемого класса -корреляционного процессора кодового разделения абонентских сигналов [1, 2]. Однако для успешной конкуренции и практической реализации этих возможностей в ближайшем будущем требуется улучшение ряда физико-технических и информационных параметров таких устройств. Это относится к направленному совершенствованию самой акустоэлектронной элементной базы и создаваемым на ее основе характеристикам корреляционных процессоров.
Цель данной работы - анализ факторов, ограничивающих информационные характеристики существующих акустоэлектронных процессоров, а также оценка возможностей улучшения основ-
ных параметров, обеспечивающих требования данного класса систем подвижной связи.
1. ОСНОВНЫЕ ОГРАНИЧИТЕЛЬНЫЕ ФАКТОРЫ КОРРЕЛЯЦИОННОСТИ ПРОЦЕССОРОВ НА БАЗЕ ПАВ-КОНВОЛЬВЕРОВ
Как известно, пригодность ПАВ-конвольверов в сигнальных корреляционных процессорах наиболее сильно зависит от двух информационных параметров: широкополосности и помехоустойчивости, тесно связанных с двумя физическими свойствами используемых материалов: линейным и квадратичным пьезоэффектами [2].
Влияние линейного пъезоэффекта. Линейный пьезоэффект определяет на конкурентной основе потери преобразования и величину относительной полосы частот пропускания по критерию Рэлея для встречно-штыревых электромеханических преобразователей (ВШП), присутствующих в любом устройстве на ПАВ. Например, в материале с малой величиной константы электромеханической связи для снижения потерь преобразования в целях генерации достаточно интенсивных акустических волн приходится увеличивать число электродов ВШП, что приводит к сужению полосы частот акустических сигналов. В результате уменьшается пропускная способность процессора на ПАВ, которая определяется как полосой, так и динамическим диапазоном. Для снижения ограничительной роли указанного принципиального фактора в данной работе предлагается использовать, помимо обычного выбора материала и среза с более высоким пьезоэффектом, расширение полосы частот сигналов сверх обычно принятых пределов. Обычный способ выбора полосы определяется требованием, чтобы в ее пределах не-
равномерность амплитудно-частотнои характеристики (АЧХ) не превышала 3 дБ. Предлагается увеличить допуск на неравномерность АЧХ до 15 дБ, а во избежание ухудшения помехоустойчивости -осуществлять целенаправленный выбор спектро-расширяющих функции (СРФ) (см. разд. 2).
Влияние квадратичного пъезоэффекта. В корреляционных процессорах на основе ПАВ-конволь-веров квадратичный пьезоэффект определяет величину проходных потерь в устройстве и, соответственно, уровень выходного сигнала, содержащего искомую информацию и отношение сигнал/шум на выходе процессора. Излишнее ослабление выходного сигнала и связанная с этим необходимость его компенсации при помощи последующего усиления сигнала приводят как к снижению помехоустойчивости приема, так и к росту энергопотребления приемника. В связи с этим актуальным и до сих пор не решенным остается вопрос о целенаправленном выборе материала подложки кон-вольвера, срезов и направлении распространения ПАВ в конвольвере (см. разд. 3).
2. ВОЗМОЖНОСТЬ РАСШИРЕНИЯ
ПОЛОСЫ ЧАСТОТ ОБРАБАТЫВАЕМЫХ СИГНАЛОВ ЗА СЧЕТ ЦЕЛЕНАПРАВЛЕННОГО ВЫБОРА СРФ
Широкополосность корреляционных процессоров (т.е. ширина полосы частот сигналов, подвергаемых корреляционной обработке) является од-ноИ из основных характеристик, определяющих эффективность применения процессоров в перспективных системах подвижноИ связи множественного доступа с кодовым разделением каналов 3-го и последующих поколении. Для того чтобы корреляционные процессоры на ПАВ могли успешно конкурировать с процессорами, создаваемыми на цифровоИ элементной базе, необходимо учесть влияние на характеристики процессоров многих факторов. В работе [3] рассмотрены влияющие на широкополосность факторы физико-технологического характера: выбор конструкции ПАВ-коррелятора и его элементов и узлов, выбор материалов с большим линеИным пьезоэффектом, требования к точности изготовления. В данноИ работе рассматривается вопрос о возможности увеличения спектра сигналов за счет выбора ансамбля СРФ, используемых при генерации широкополосных сигналов на передающем и при детектировании на приемном концах линии связи.
При исследовании применяем ту же модель линии радиосвязи на корреляционных ПАВ-процес-сорах и тот же экспериментально-вычислительный метод, которые приведены в [2]. При этом используем обозначения, принятые в [2].
Экспериментально-вычислительныИ метод позволяет, с одноИ стороны, выразить совокупность погрешностеИ обработки сигналов в ПАВ-кон-вольвере в виде двухчастотноИ передаточноИ характеристики (ДПХ) и собственного дополнительного выходного шума приемника п(г), а с другоИ -вычислить основную информационную характеристику ПАВ-приемника - вероятность ошибки на бит информации рош с учетом искажениИ сигналов в процессе обработки. Вычисление рош проводится для каждого ансамбля СРФ [ Ск}, к = 1, ..., ВТ; I = 1, ..., N ВТ > N где ВТ - база сигнала; N - число СРФ.
Указанная характеристика ПАВ-конвольвера определяется комплексноИ функциеИ Я(ю1, ю2) от двух аргументов: спектральноИ составляющеИ входного сигнала на частоте ю1 и спектральноИ составляющеИ опорного сигнала на частоте Ш2.
Функция Н(ю1, Ш2) дает полное описание электрических своИств любого билинеИного устроИства независимо от происходящих в нем процессов и позволяет вычислить выходноИ сигнал конвольве-ра при заданных входных сигналах. Эта функция учитывает многие погрешности обработки в реальном конвольвере на ПАВ, которые могут существенно нарушать его работу.
ВыходноИ сигнал конвольвера представляет со-боИ сумму по всем спектральным составляющим входного и опорного сигналов:
^вых (г) = 1Л Н(Ш1,Ш2) ) в2 (Ш2 )х
х ехр[](ю1 + ш2)г]йш1 йш2,
(1)
где 01 и 02 - спектры входного и опорного сигналов соответственно.
На практике ДПХ измеряется в дискретноИ последовательности частотных точек шп на одном входе конвольвера и шт на другом входе. Для дискретноИ последовательности во временноИ точке Ть к = -2, -1, 0, +1, +2, ..., выходноИ сигнал конвольвера имеет вид
5,ых(гк) = XXН(ю„, юш)х
п т
X ехр [ ] (Шп + Ют ) гк ]^1(Шп ) ^(«т ).
(2)
Формула (2) используется в данноИ работе для вычисления элементов матрицы [^у(0)} авто- и кросскорреляционных функциИ выходных сигналов параллельных кодовых каналов в радиоинтер-феИсе ^-СЭМА на ПАВ.
В случае идеального коррелятора матрица является диагональноИ: ^,/0) = 1; ^,/0) = 0 при I ф}.
В случае реального конвольвера условие ортогональности нарушается, причем чем больше отличие от ортогональности, тем хуже помехоустоИчи-
Рис. 1. Амплитудно-частотная характеристика ПАВ-конвольвера; F - частота; К - ослабление выходного сигнала.
Рис. 2. Зависимость границ спектра сигналов от допускаемой неравномерности АК; амплитудно-частотной характеристики ПАВ-конвольвера; 1 - верхняя граница расстройки, 2 - нижняя граница расстройки.
вость приема. Заметим, что АЧХ, т.е. зависимость мощности выходного сигнала ПАВ-конвольвера в частотной области К от расстройки относительно промежуточной частоты приемника ^пч (рис. 1), имеет слегка выпуклую вершину в области ^пч и спадает по мере увеличения расстройки как в сторону понижения, так и в сторону повышения частоты.
Обычно расширение спектра сигналов в трактах радиоприемных систем определяется допускаемой неравномерностью АЧХ в полосе приема сигналов АК, дБ. На рис. 2 показана зависимость отношения ширины спектра сигналов А^ к промежуточной частоте ^пч в радиоинтерфейсе W-CDMA на ПАВ-конвольверах от допускаемой неравномерности АЧХ, изображенной на рис. 1. Видно, что при росте неравномерности АЧХ от 3 до 15 дБ полоса частот сигналов расширяется в 2.5 раза.
На рис. 3 представлены результаты статистического моделирования радиоприема при расширении спектра сигналов, соответствующем рис. 2, при помощи экспериментально-вычислительного метода [2], когда в качестве СРФ используются функции Уолша, преобразованные из кодов Уол-ша путем замены "0" на "-1". Из рис. 3 видно, как влияет СРФ при увеличении неравномерности АЧХ в полосе сигналов. Например, при расширении спектра сигналов при кодах Уолша с номерами 8 и 14 наблюдается резкое ухудшение помехоустойчи
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.