Table of Contents
استفاده از نمودار اسمیت در توسعه سیستم های رادیویی نرم افزار-Defined Radio (SDR)
نمودار اسمیت یکی از پایدارترین ابزارهای گرافیکی در مهندسی فرکانس رادیویی (RF) است، اما ارتباط آن تنها با ظهور رادیو نرم افزار-Defined (SDR) که در ابتدا توسط فیلیپ H. Smith در دهه 1930 توسعه یافته است، این طرح قطبی از ناتوانی پیچیده و ضریب انعکاس یک راه بصری برای تجسم رفتار خط انتقال و تطبیق سیستم های اولیه، که در آن یک مقاله پیکربندی مجدد و سیستم های عملیاتی اساسی به کار می رود، فراهم می کند.
اصول نمودار اسمیت
قبل از غواصی در برنامه های خاص SDR، مهم است که درک کنید که نمودار اسمیت نشان می دهد. نمودار یک نقشه برداری از ضریب انعکاس پیچیده ( ⁇ ) بر روی مختصات عادی ضعیف است. ضریب انعکاس توصیف می کند که چقدر از یک حادثه موج به دلیل یک ناسازگاری ضعیف منعکس شده است.در نمودار اسمیت، هر نقطه با یک ویژگی منحصر به فرد پیچیده (X) مطابقت دارد.
پارامترهای کلیدی Visualized
نمودار اسمیت همزمان چندین پارامتر RF بحرانی را نشان می دهد:
- [[۱] [۱۰] [۱] [۱۰] [۱] [۱] [۱]] [۱] [۱] [۱]] [۱] [۱]] [۱] [۱] [۱] [۱]] [۱] [۱] [۱] [۱]] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۳۲] [۳۲] [۳۲] [۳۲] [۳۲] [۳۲] [۳۲] [۳۲] [۳۲] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۳۲] [۳۲] [۳۲] [۳۲] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۳۲] [۱] [۳۲] [۳۲] [۳۲] [۳۲] [۱] [۳۲] [۳۲] [به عنوان] [۳۲] [به عنوان] [۳۲] [بر [بر [۳۲] [به عنوان] [۳۲] [به عنوان] به عنوان] به عنوان] به عنوان] به عنوان یک] به عنوان] حلقه های ثابت و] ثابت و [بر [بر [بر
- شرکت سهامی ( ⁇ ) [ ⁇ ] Magnitude and Angle به طور مستقیم از شبکه قطبی خوانده می شود.
- [[ویرایش] [۱] [۱۰] [۱] [۱] [۱] [۱۰] [۱]] [۱۰] [۱] [۱۰] [۱]] از فاصله از مرکز نمودار، [۱]
- [در این باره] [از دست دادن]: [[[۱]] [۱۰]] [۱۰] [۱]] [۱۰] [۱]] [۱۰] [۱]] [۱۰] [۱] [۱۰] [۱]] [۱۰] [۱] [۱۰] [۱] [۳] [۱] [۱] [۳] [۱] [۱] [۳] [۳] [۳] [۹] [۹] [۳] [۱] [۳] [۳] [۹] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۵] [۲] [۳] [۳] [۵] [۱] [۱] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۹] [۳] [۳] [۳] [۵] [۳] [۳]
با طرح این ارزش ها، مهندسان می توانند به سرعت قابلیت های ناسازگار و طراحی شبکه های اصلاحی را ارزیابی کنند، برای یک پایه ریاضی عمیق تر، نمودار اسمیت را در ویکی پدیا مشاهده کنید .
چرا نمودار اسمیت در توسعه SDR اهمیت دارد
سیستم های رادیویی نرم افزار-Defined به پردازش سیگنال های قابل تنظیم و دیجیتال برای پشتیبانی از فرکانس های متعدد و طرح های تنظیم کننده متکی هستند - از جمله آنتن ها، فیلترهای، تقویت کننده ها و میکسرها - باید محدوده فرکانس گسترده را در حالی که حفظ کاهش و حداقل انعکاس، نمودار اسمیت برای سه دلیل اصلی ضروری می شود:
- وید باند مسابقه: SDR اغلب در صدها مگا هرتز کار می کنند؛ شبکه های تطبیق باید به طور همزمان برای پوشش چند باند به طور همزمان طراحی شوند.
- Real-Time Tuning: [FLT 1] کنترل کننده های ناکارآمد در SDR های مدرن از نمودار اسمیت برای تنظیم شبکه های تطبیق در پرواز به عنوان تغییرات فرکانس استفاده می کنند.
- انتخاب و Sizing: تغییر ارزش جزء سیمینگ با استفاده از نمودار کاهش نمونه اولیه ⁇ .
سازگاری با سیستم های فرکانس-Agile
در رادیوهای معمولی، شبکه تطبیق ضعیف برای یک گروه واحد ثابت می شود. جلو آن SDR باید از 1 مگاهرتز تا 6 گیگاهرتز یا بیشتر کارآمد باشد. نمودار اسمیت اجازه می دهد تا مهندسان جهت هماهنگ سازی آنتن در تمام فرکانس های مورد علاقه و سپس طراحی یک شبکه تطبیق پذیر که یک بازی قابل قبول را در کل محدوده ارائه می دهد، تقویت کننده پهنای باند (برای مثال ممکن است یک خط اتصال به یک صفحه ساده) استفاده شود.
مثال واقعی: ترمینال آنتن Tun Tuner
بسیاری از SDR های تجاری شامل یک تنظیم کننده آنتن اتوماتیک است که عدم تعادل و تنظیم خازن ها و عایق ها را اندازه گیری می کند. الگوریتم کنترل تنظیم کننده به طور موثر نقطه ضعف در نمودار اسمیت را به سمت مرکز 50-ohm تنظیم می کند: اگر ناتوانی در خارج از یک دایره VSWR حرکت کند (به عنوان مثال، 1.5:1) تغییر می کند، فقط به این ترتیب یک جزء گرافیکی بسته است.
استفاده از نمودار اسمیت در مرحله طراحی
در طول توسعه SDR، ابزارهای شبیه سازی مانند Keysight ADS، AWR مایکروویو Office یا Qucs منبع باز شامل نمایشگرهای نمودار اسمیت هستند.
- S-parameters از اجزای مختلف و تغییرات بی رویه را در فرکانس مشاهده کنید.
- طراحی شبکه های تطبیق با اضافه کردن عناصر سری و اجتنابی در نمودار.
- تجزیه و تحلیل حساسیت را انجام دهید تا ببینید که چگونه تحمل بر کیفیت بازی تاثیر می گذارد.
طراحی یک مرحله شبکه Matching Step by Step
یک جریان کاری معمولی برای یک گیرنده ۲٫۴ گیگاهرتزی ممکن است شبیه به:
- اندازه گیری یا شبیه سازی آنتن در 2.45 گیگاهرتز، 30 + j15Ohms.
- این نکته را در یک نمودار 50-ohm Normalized Smith بنویسید.
- تعیین عدم تعادل مطلوب: 50 + j0Ohms (مرکز)
- یک توپولوژی شبکه تطبیق (به عنوان مثال، L-شبکه با یک خازن و خازن سری) را انتخاب کنید.
- با استفاده از نمودار، حرکت در امتداد یک حلقه ثابت با عنصر اجتناب، سپس همراه با یک حلقه مقاومت ثابت با عنصر سری تا رسیدن به مرکز.
- ارزش های جزء مورد نیاز را از نمودار بخوانید یا آنها را از تغییرات عادی محاسبه کنید.
این فرآیند بسیار سریعتر از حل معادلات همزمان است، به ویژه هنگامی که راه حل های بالقوه متعدد وجود دارد.برای یک آموزش دقیق، به دستگاه های Analog راهنمای نمودار اسمیت و اندازه گیری های S-parameter مراجعه کنید.
بازی Dynamic Impedance در SDR
یکی از پیشرفته ترین کاربردهای نمودار اسمیت در سیستم های SDR در توسعه شبکه های تطبیق پذیر به صورت پویا است.این شبکه ها از دیود های varactor، دیود های PIN یا MEMS برای تغییر خازن و استنتاج در زمان واقعی استفاده می کنند. نمودار اسمیت تبدیل به یک "سطح کنترل" برای الگوریتم تنظیم می شود:
- جداول نگاه کردن (LUTs): مجموعه های پیش فرض از مقادیر جزء که انتقال ناتوانی از نقطه شروع مختلف به مرکز است.
- ]Gradientiention: SDR به طور دوره ای ضریب انعکاس را اندازه گیری می کند (به عنوان مثال، از طریق یک زوج جهت دار و AD8302 به دست آوردن / آشکارساز فاز) و تنظیم اجزای برای به حداقل رساندن فاصله در نمودار اسمیت از نقطه فعلی به مرکز.
- یادگیری ماشین: شبکه های عصبی آموزش دیده در داده های نمودار اسمیت می توانند حالت تطبیق مطلوب را برای یک فرکانس داده شده و بدون جستجو آنی پیش بینی کنند.
مطالعه موردی: Wideband VHF/UHF SDR
یک SDR نظامی که 30 تا 512 مگاهرتز را پوشش می دهد ممکن است از یک شبکه کوچک تحت کنترل یک آرایه دروازه قابل برنامه ریزی (FPGA) استفاده کند (FPGA) FPGA قدرت منعکس شده را می خواند، اندازه و فاز را محاسبه می کند و یک الگوریتم مبتنی بر نمودار اسمیت را برای انتخاب خازن صحیح و تنظیمات پیش فرض می کند.
شبیه سازی و آزمایش با نمودار اسمیت
توسعه مدرن SDR به شدت به تجزیه و تحلیل کنندگان شبکه بردار (VNAs) که نشان می دهد اسمیت نمودار در طول آزمایش نمونه اولیه، مهندسان VNA را به پورت RF از SDR متصل می کنند و عدم نظارت بر جلو در سراسر فرکانس را مشاهده می کنند. Discrepancies بین شبیه سازی و اندازه گیری نمودار اسمیت، مسائل مانند انگل ها، زمین ضعیف یا اجزای تحمل را نشان می دهد.
دانلود سریال های Smith Chart Measures
برای یک توسعه دهنده SDR، مشاهدات معمولی شامل:
- چرخش در حال تغییر با فرکانس فزاینده: اثرات طول خط انتقال را تشخیص می دهد؛ جبران با رد و شتم کوتاه تر و یا عناصر گریز.
- در نزدیکی لبه نمودار قرار دارد: پیشنهاد تجدید نظر یا بی ثباتی؛ اغلب با اضافه کردن مقاومت های مرطوب یا مهره های فریت اصلاح می شود.
- جمع آوری در چندین گروه: عدم توانایی ممکن است در چندین منطقه خوشه؛ یک شبکه تک تطبیق ممکن است کافی نیست، و باعث استفاده از بانک های سوئیچ شده یا عناصر تنبل می شود.
برای مطالعه بیشتر در تجزیه و تحلیل نمودار مبتنی بر VNA، با ]یادداشت درخواست پیش بینی در اندازه گیری ضعیف مشورت کنید.
مزایا و محدودیت ها در زمینه SDR
نمودار اسمیت مزایای روشنی برای توسعه SDR ارائه می دهد:
- سرعت: راه حل های گرافیکی اغلب سریع تر از ریاضی پیچیده است.
- Intuition: بازخورد بصری به مهندسان کمک می کند تا اثرات تغییرات جزئی را درک کنند.
- [در این میان] [و] [از این رو] [از این رو] برای هر دو گروه باریک و دارای اختلاف و اختلاف و اختلاف و اختلاف [در میان] کار می کند.
- Integration: [FLT 1] به راحتی در سیستم های تست خودکار و حلقه های کنترل زمان واقعی گنجانده شده است.
محدودیت هایی وجود دارد:
- پیچیدگی بازی: نمودار جمعیت می تواند سخت برای خواندن برای چند فرکانسی.
- عدم موفقیت: تفسیر دستی از یک نمودار چاپی کمتر از محاسبات کامپیوتری (CAD) دقیق است.
- وابستگی به ثبات: [FLT 1] نمودار یک عکس فوری در یک فرکانس است؛ چندین کشش نیاز به تجزیه و تحلیل دقیق دارد.
علی رغم این نقص ها، نمودار اسمیت همچنان یک ابزار استاندارد در آموزش مهندسی RF و تمرین است.برای طراحان SDR، ترکیب نمودار با ابزارهای محاسباتی بهترین دو جهان را فراهم می کند.
منابع خارجی برای یادگیری بیشتر
مهندسانی که به دنبال عمیق تر کردن درک خود از نمودار اسمیت در سیستم های SDR هستند می توانند موارد زیر را بررسی کنند:
- Rohde & Schwarz: Smith Charts - یک مقاله سفید پوشش تئوری و استفاده عملی.
- آموزش یکپارچه Maxim: Smith Chart Basics [FLT 1] شامل برنامه های کاربردی در تطبیق آنتن.
- یادداشت درخواست مالکیت: استفاده از نمودار اسمیت [FLT 1] - نمونه های عملی با اجزای انبوه.
نتیجه گیری
نمودار اسمیت در عصر SDR بسیار قدیمی است.در مقابل، قدرت گرافیکی آن با شبیه سازی دیجیتال و کنترل زمان واقعی افزایش یافته است، و آن را یک ابزار ضروری برای توسعه فرکانس-agile، پهنای باند RF جلو جلو خط مقدم به استفاده در طراحی دستی، تنظیم خودکار، یا تست مبتنی بر VNA، نمودار اسمیت مهندسان را قادر می سازد تا مشکلات پهنای باند مرکزی را حل کنند تا به فرکانس های عملکرد بالا برسند.