Идея использования непосредственного преобразования частоты в приемниках достаточно долго пользовалась вниманием разработчиков радиочастотных трактов. Причина очевидна: каскады преобразования увеличивают стоимость, размеры и вес пользовательского оборудования. Каждый каскад требует наличия локального генератора (часто включающего частотный синтезатор для точной настройки на заданную частоту), смесителя, фильтра и, возможно, усилителя. Учитывая все это, привлекательность приемников прямого преобразования не удивляет. Отсутствие промежуточных каскадов позволяет сократить стоимость, габариты и вес приемника.
Комплект микросхем Othello™ также позволяет дополнительно сократить число внешних компонентов за счет интеграции внешнего интерфейса GSM с малошумящим усилителем (LNA). Такое решение дает возможность обойтись без радиочастотного фильтра зеркальной частоты ("зеркального" фильтра), который необходим для подавления паразитной зеркальной частоты или продуктов интерференции сигналов смесителя и малошумящего усилителя. Этот каскад обычно выполняется на ключевом транзисторе с цепью смещения и соответствующей обвязкой, что в сумме выражается приблизительно в 12 компонентах. Включение LNA в интерфейсный блок сокращает количество внешних компонентов в среднем приблизительно на 15–17 единиц в зависимости от степени соответствия описанному фильтру.
Функциональная блок-схема архитектуры двухдиапазонного GSM-модуля радиоканала Othello™ показана на рис. 9.17.
Приемная часть расположена в верхней части рисунка. От антенного разъема принимаемый сигнал поступает на переключатель режима «прием/передача» и направляется, в зависимости от диапазона, на один из двух фильтров: 925–960 МГц для GSM-диапазона или 1805–1880 МГц для DCS-диапазона. Сигнал проходит через полосовой радиочастотный фильтр (так называемый roofing-фильтр) который служит для выделения необходимой полосы частот и подавления составляющих других частот (включая частоты в диапазоне передачи), чтобы предотвратить перегрузку активных компонентов в приемной части. После roofing-фильтра расположен малошумящий усилитель (LNA). Это первый усилительный элемент в системе, позволяющий значительно сократить вклад всех последующих каскадов в уровень суммарного шума системы. После малошумящего усилителя смеситель с прямым преобразованием частоты переводит полезный сигнал с радиочастоты непосредственно на основную частоту с помощью умножения радиосигнала на выходной сигнал локального генератора такой же частоты.
Выходной сигнал смесительного каскада затем направляется через квадратурный модулятор (каналы I и Q) на усилительный каскад основной частоты с переменным коэффициентом усиления. Регулируемый усилитель также обеспечивает некоторую фильтрацию смежных каналов и подавление паразитных частот. Этим блокируются сигналы других GSM-каналов, разнесенных на некоторое расстояние от принимаемого канала, как правило, 3 и более мегагерц. Фильтр усилителя основной частоты ослабляет эти сигналы до уровня, гарантирующего отсутствие перегрузки АЦП приемника. После усилительного каскада принимаемый сигнал оцифровывается в приемном АЦП.
Передающая часть, показанная в нижней части рисунка, начинается с мультиплексированных входных/выходных каналов I и Q. Поскольку система GSM является дуплексной с разделением по времени, передатчик и приемник никогда не работают одновременно. За счет этого, комплект Othello™ позволяет сэкономить четыре вывода на корпусе ИМС приемопередатчика. С квадратурного модулятора сигналы поступают через мультиплексированные каналы I/Q на передатчик. Затем сигналы подвергаются модуляции с промежуточной частотой более 100 МГц.
Выходной сигнал модулятора далее поступает на фазочастотный детектор (PFD), где он сравнивается с опорной частотой генератора, управляемого внешним синтезатором. Сигнал с PFD с частотой более 100 МГц проходит через фильтр с достаточно широкой полосой пропускания (1 МГц). Выходной сигнал фильтра направляется на управляющий вход генератора, управляемого напряжением (VCO), с частотными диапазонами, перекрывающими полосы передачи стандартов GSM и DCS.
Далее сигнал с ГУН распределяется на два блока. Основной — на усилитель мощности передатчика (РА), который повышает относительный уровень передаваемого сигнала от + 3 дБм до + 35 дБм, после чего сигнал направляется на коммутатор приема/передачи и НЧ-фильтр (подавляющий гармоники усилителя мощности). Усилители мощности имеют две полосы частот с простым переключением по напряжению с помощью сигналов КМОП-уровня. Выходной сигнал ГУН также поступает на смеситель цепи обратной связи через ответвитель, который может быть выполнен как в виде печатной платы, построенной на базе дискретных катушек и конденсаторов, так и в виде монолитного (обычно) керамического устройства связи. Смеситель обратной связи переносит передаваемый сигнал снова на промежуточную частоту и использует этот сигнал в качестве сигнала локального генератора для модулятора передатчика.
Этот тип модулятора имеет несколько названий, но вероятно наиболее наглядное из них "транслирующая петля". Транслирующая петля модулятора использует преимущества одного ключевого аспекта стандарта GSM: схема модуляции выполняется с использованием гауссовой частотной модуляции с минимальным частотным сдвигом (GMSK). Этот тип модуляции не затрагивает амплитуду сигнала, что означает, что усилитель мощности может входить в режим насыщения без искажения GMSK-сигнала.
Модуляция GMSK может быть выполнена несколькими различными способами. В других европейских стандартах (для беспроводных телефонов) модуляция GMSK может производиться посредством непосредственной модуляции потока данных управляемым ГУН с гауссовой фильтрацией. В стандарте GSM был выбран метод квадратурной модуляции. Квадратурная модуляция позволяет получить точную фазовую GMSK. Но недостатки в схеме модулятора (или каскада преобразования с повышением частоты) могут привести к флуктуациям огибающей, которые могут, в свою очередь, привести к фазовым искажениям при перегрузке выходного усилителя мощности. Чтобы избежать подобных искажений, производители телефонов стандарта GSM были вынуждены использовать усилители с более высокой линейностью за счет уменьшения эффективности и сокращения времени разговора за один цикл зарядки аккумуляторов.
Модулятор с транслирующей петлей объединяет преимущества модуляции непосредственно с помощью ГУН и более точной квадратурной модуляции. В результате в схеме создана петля фазовой автоподстройки частоты (PLL), в которую включены сигнал модулятора, сигнал генератора и выходной сигнал ГУН, а также сигнал смесителя цепи обратной связи. В конечном итоге получается непосредственно модулированный сигнал на выходе ГУН с абсолютно постоянной огибающей и прекрасными фазовыми характеристиками. Неравномерность фазовой характеристики не превышает 1,5 градуса при нестационарное™ микросхемы приемопередатчика AD6523, использующей сигнал генератора в качестве локального осциллятора для обеспечения стабильности петли ОС.
Компактность комплекта Othello ™ позволяет использовать GSM-технологии для создания многих изделий, в которых ранее это было невозможно, например, в очень компактных телефонах или PCMCIA картах. Однако основные преимущества прямого преобразования станут очевидными при разработке универсальных мультистандартных телефонов третьего поколения. С использованием прямого преобразования отпадает необходимость в аппаратном фильтре выбора канала, поскольку эта операция выполняется в блоке цифровой сигнальной обработки, который может быть перепрограммирован для работы с множеством стандартов. Сравните этот подход с супергетеродинной архитектурой, где требуется несколько цепей радиоканала для работы с различными стандартами (поскольку каждый из них требует различные фильтры выбора канала) и все схемы должны иметь минимальные размеры. При использовании прямого преобразования один и тот же радиоканал может использоваться в принципе для нескольких различных стандартов, частотных полос и типов модуляции. Таким образом, Интернет-навигация и голосовая связь могут быть в принципе реализованы на базе одного и того же телефона стандарта GSM.
