بخشی از مقاله
نظری بر گیرنده های همود این ، معایب و راه حلها
چکیده: این مقاله به بررسی طرح همود این در ساخت گیرندههای بدون سیم مخابراتی می پردازد. پس از یک مقدمه کوتاه درباره پارامترها و اهداف طراحی گیرنده ها، ابتدا به بررسی طرح معروف هترود این که تقریباً در اکثر گیرنده ها به کار رفته می پردازیم و معایب آن را بیان می داریم. در ادامه، همود این و مزایای آن را بررسی خواهیم کرد، و در نهایت به چند تا از معایبمعروف هموداین و طرق اجمالی رفع آنها خواهیم پرداخت.
کلمات کلیدی : هترود این، فرکانس تصویر، هموداین، مجتمع سازی
۱- مقدمه در طراحی گیرنده ها، مهمترین پارامترها عبارتند از: پیچیدگی، قیمت، میزان اتلاف توان، تعداد المانهای خارجی و اخیراً (برای گیرندههای دستی) حجم کمتر، با پیشرفت تکنولوژی های IC، اهمیت نسبی هر یک از این عوامل تغییر میکند و روشهایی پدیدار میگردند که قبلا به نظر میآمد غیر ممکن باشند، اما حالا به راه حل مورد علاقه هم تبدیل شدهاند. گیرندههای همود این خیلی پیشتر اختراع شدهاند، اما تنها به تازگی مورد توجه بسیار قرار گرفته اند. مهمترین عواملی این توجه مجدد عبارتند از: ۱- قابلیت مجتمع سازی بالاتر نسبت به گیرنده های هترود این؛ ۲- همود این از عدم مطابقتها بسیار کمتر آسیب میبیند تا گیرنده های حذف تصویر؛ ۳- مشکلات قدیمی همود این مربوط به مدارهای discrete می شد و بسیاری از آن مشکلات، امروزه و با تکنولوژی IC قابل حل هستند.
۲ - گیرندههای هترود
این از آنجا که الزامات فیلترها مانع از آن می شود که انتخاب کانال، در فرکانسهای بالا (اصطلاحاً RF) صورت پذیرد، گیرندهها ناچار باید طیف ورودی را به یک فرکانس پایین تر بیاورند. این گیرنده ها سیگنال ورودی را به یک فرکانس میانی یا IF، پایین اورند، سپس از یک فیلتر میان گذر عبور داده، تقویت میکنند و در نهایت سیگنال را به بخش دمدولاتور
عمل پایین آوردن فرکانس ممکن است در یک، دو یا چند مرحله صورت بگیرد. اگر سیگنال ورودی، مدوله فرکانسی یا فازی شده باشد، پایین آوردن به باند پایه احتیاج به اجزای همفاز و متعامدا، هر دو، دارد. این بدان خاطر است که باندهای کناری این سیگنالها (مثلاً سیگنال FSK) حامل اطلاعات متفاوتی هستند و باید در هنگام انتقال به فرکانس صفر، دو مسیر جداگانه برای فازهای متعامد ترتیب بدهیم. شاید مهمترین قابلیت طرح هتروداین، قابلیت انتخاب آن باشد، یعنی امکان پردازش روی سیگنالهای کوچک در حضور تداخل کننده های بزرگ. اما هترود این تعدادی مشکل را هم به همراه خود میآورد. قابل توجهترین مشکل، فرکانسی تصویر ( image Frequency ) است. میکسرها که وظیفه انتقال سیگنال اصلی به یک فرکانس دیگر را برعهده دارند، معمولاً تنها یک ضرب کننده هستند که سیگنال را در یک تک تون ضرب میکنند. برای اینکه فرکانس مرکزی را از F1 به F2 تغییر دهیم، باید سیگنال را در F0=F1-F2 ضرب کنیم. از آنجا که حاصلضرب دوکسینوسی، فرکانسهای جمع و تفاضلی، هر دو، را به دست میدهد، سیگنال دیگری هم که حول فرکانسی F0+F1است، به فرکانس f2 انتقال مییابد.(شکل ۲) برای رفع این مشکل، عمل ضرب کردن باید بعد از حذف این سیگنال تصویر باشد و این کار توسط یک فیلتر حذف تصویر انجام می شود.(البته میتوان سیگنال تصویر را در حین عمل پایین آوردن سیگنال اصلی انجام داد. از این نمونه مدارها میتوان به طرح های Hartley و Weaver اشاره کرد. [۱]) فیلتر حذف تصویر معمولاً یک فیلتر پسیو است که خارج از IC قرار میگیرد، نسبتاً گران است و الزام می دارد که تقویت کننده کم نویز ( LNA)، یک بار ۵۰ اهمی (امپدانس ورودی فیلتر ) را تفذیه کند. همه اینها باعث میشود که ابعاد تازهای از لحاظ بهینه سازی نویز، بهره، خطی بودن و اتلاف توان به پیچیدگی طراحی تقویت کننده اضافه شود. در اینجا یک بده- بستان ظاهر می شود: اگر فرکانس IF در شکل ۲، بزرگ باشد، فاصله بین سیگنال مطلوب و تصویر زیاد می شود و لذا لازم نیست فیلتر حذف تصویر کیفیت بالا( Q بزرگ) داشته باشد؛ اما از طرفی، چون IF بزرگ است، حذف تداخل کنندههای هم باند، مشکل خواهد شد. حال اگر فرکانس IF، کوچک باشد، فاصله
شکل ۲ - پدیده تصویر در گیرنده های هترود این
سیگنال با تصویرش کم خواهد بود و به فیلتر با Q بالا نیاز خواهیم داشت؛ ولی حذف تداخل کنندههای هم باند، سادهتر خواهد شد.{ ۲]گیرنده های بدون سیم، اغلب باید بتوانند با کانالهای بسیار ضعیف، در حضور تداخل کننده های بسیار قوی کناری کار کنند. این فیلترها علاوه بر مشخصات تضعیفی مورد نظر، باید dynamic range بالایی نیز داشته باشند؛ یعنی بتوانند با سیگنالهای بسیار بزرگ کار کنند، در عین اینکه نسبت به سیگنالهای ضعیف بالاتر از سطح نویز حساسی باشند. از این لحاظ، فیلترهای پسیو همواره بهتر بودهاند، چون اثرات غیر خطی فیلترهای اکتیو، سیگنالهای بزرگ را خراب می کند. dynamic range اکتیو، تنها به قیمت افزایش اندازه خازنها و مصرف توان، بالا می رود. در طرحهای هترود این هم، این فیلترها معمولاً پسیو هستند و لذا امکان مجتمع سازی برایشان وجود ندارد. در نتیجه قیمت و پیچیدگی باز هم بالا میرود. اما به رغم این مشکلات طرحهای هترود این برای دهههای متوالی، انتخاب غالب در گیرندههای RF بوده اند.
۳- طرحهای همود این و مزایای آنها
فرض کنید که درگیرندههای هترود این، IF، به صفر کاهش بیابد. در این صورت، میکسر، مرکز سیگنال مطلوب را به صفر هرتز منتقل میکند و به همین دلیل است که این نوع گیرندهها را direct Conversion یا ZerO-IF نیز می خوانند. در این گیرندهها هم لازم است که دو قسمت کناری سیگنال به طور متعامد پایین آورده شوند. بلوک دیاگرام یک گیرنده همود این FSK را در به شکل ۳ می بینید. همود این دو مزیت مهم بر مشابه هترود این خود دارد:
اول، مشکل پدیده تصویر حل می شود. از آنجا که IF| صفر است، اصولاً سیگنال تصویری وجود نخواهد داشت؛ پس نیازی
به فیلتر حذف تصویر نیست و LNA هم لازم نیست که یک بار ۵۰ اهمی را تفذیه کند.
شکل ۳ - بلوک دیاگرام یک گیرنده همود این FSK
دوم، فیلتر طبقه IF و طبقات پایین آورنده بعدی در یک طرح هتروداین، با فیلترهای پایین گذر و تقویت کننده های باندپایه که قابلیت مجتمع سازی را هم دارند، جایگزین می شوند.
سوم، تلف توان کمتر، در طرحهای همود این همچنین این مزیت وجود دارد که اگر از یک فیلتر فعال درجه بالا برای انتخاب کانال استفاده شود، توان کمتری تلف میکنند و حجم کمتری هم از IC میگیرند، نسبت به اینکه همین فیلتر بخواهد در فرکانس بالا کار کند. نیز چون تقویت کنندههای بعد از انتقال، همه در باند پایین قرار دارند، توان کمتری تلف میکنند. اتلاف کمتر توان، بخصوص باعث بکارگیری این نوع گیرنده ها درگیرندههای دستی مانند پیجرها و تلفن های همراه شده است. سوالی که مطرح می شود اینکه، با این مزایای گیرندههای همود این بر هترود این، چرا تاکنون از این گیرنده ها به طور وسیع استفاده نشده است؟ در پاسخ باید گفته شود که گیرنده های هموداین، در عین حال معایب قابل توجهی هم دارند؛ اما تمایل زیادی وجود دارد که معایب طرح همود این - که ذکر خواهیم کرد - را رفع نمایند و از آن درگیرنده های RF کارآمد و فشرده استفاده کنند. مزایای برشمرده شده، به اندازه کافی مهم و جذاب هستند تا مهندسان را به برطرف کردن معایب این طرح ترغیب کنند و کاربردهای بیشتر به آن بدهند.
۴- معایب همود این
۱-۴- آفست های DC از آنجایی که در یک توپولوژی هموداین، سیگنال حول فرکانس صفر گسترده می شود، ولتاژهای آفست (فرکانس صفر) خارجی می توانند سیگنال را خراب کنند و مهمتر اینکه، طبقات بعدی را اشباع نمایند. این شاید جدی ترین مشکل هموداین باشد، چون آفست می تواند حتی از خود سیگنا بزرگتر باشد؛ مثلا بسیار محتمل است که یک سیگنال باند پایه حدود چند صد
میکروولتی (rms) با یک آفست چند میلی ولتی روبرو شود.اگر آفست حذف نشود، SNR در ورودی detector بسیار پایین خواهد آمد. برای درک بهتر منشأ و اثر آفستها، گیرنده نشان داده شده در شکل ۴ را در نظر بگیرید که در آن، LPF به یک تقويت کننده و AID ختم میشود. مشاهده میکنیم که جداسازی بین خروجی اسیلاتور با ورودیهای میکسر و LNA کامل نیست، یعنی مقداری از سیگنال از پورت اسیلاتور به نقاط A و B نشت میکند.(شکل ۴-الف) این اثر که نشتی LO خوانده می شود، از تزویج خازنی و Substrate های ترانزیستورها ناشی می شود. این سیگنال نشتی که متقابلاً در ورودی دیگر میکسر ظاهر می شود، دوباره در سیگنال LO ضرب می شود و یک جزء dc در نقطه C تولید میکند. این را تزویج با خود میگوییم. همین اثر وقتی که یک تداخل کننده قوی از LNA رد شود و در پورت LOی میکسر نشت کند، رخ میدهد.
