Dùng biểu đồ Smith trong việc phát triển hệ thống radio phần mềm (SDR)

Biểu đồ Smith vẫn còn là một trong những công cụ đồ họa bền vững nhất trong tần số radio (RF), nhưng sự liên quan của nó chỉ được phát triển với sự tăng trưởng của Radio phần mềm (SDR). Ban đầu, được phát triển bởi Phillip H. Smith vào những năm 1930, sơ đồ cực cực này của sự suy giảm phức tạp và phản ánh phản ánh cung cấp một cách trực quan để hình dung các hành vi truyền tải và kết hợp với nhau. Đối với hệ thống SDR, nơi cấu trúc cấu trúc tính năng lượng và băng rộng là thiết yếu, biểu đồ Smith phục vụ như một cầu nối giữa lý thuyết và tối ưu hóa thực tế. Điều này khám phá làm thế nào biểu đồ Smith được áp dụng trong phát triển thiết kế ban đầu và thiết kế hệ thống định vị trí thiết kế.

Những điều cơ bản trong bảng thống kê Smith

Trước khi lặn vào ứng dụng đặc trưng SDR, cần hiểu biểu đồ Smith đại diện cho cái gì. Biểu đồ này là bản đồ của hệ số phản ánh phức tạp (R + jX) vào tọa độ vô hiệu hoá bình thường. Hệ số phản ánh mô tả bao nhiêu làn sóng sự cố được phản ánh lại do sự cố không tương ứng với biểu đồ Smith. Trên biểu đồ Smith, mỗi điểm tương ứng với một hệ số điểm phức tạp nhất (R + jX) bình thường với một tính năng bị bỏ qua, thường là 50 trong hệ thống SDR.

Những tham số chính được hình dung

Biểu đồ Smith cùng lúc hiển thị một số tham số RF then chốt:

  • Sự tái thiết (Z): ) Hiển thị như là hằng số vòng tròn và liên tục- hành động.
  • Sự tương tác lại (Cấp bênh): ) Kính hiển vi và góc nhìn trực tiếp đọc từ lưới cực.
  • Tỉ lệ Sóng Đứng lên VSWR: từ khoảng cách từ trung tâm của biểu đồ.
  • Trở lại Loss: liên quan đến độ lớn của nghiêng trong dB.

Bằng cách lập bản đồ những giá trị này, các kỹ sư có thể nhanh chóng đánh giá những mạng sai và thiết kế các mạng lưới sửa chữa. Đối với một nền tảng toán học sâu hơn, xem biểu đồ [FLT: 0] trên Wikipedia [FLT: 1].

Tại sao biểu đồ Smith lại quan trọng trong sự phát triển của SDR

Hệ thống radio phân loại phần mềm dựa vào phần cứng và xử lý tín hiệu kỹ thuật số để hỗ trợ nhiều tần số và kế hoạch điều chỉnh. Hệ thống phía trước RF là ăng-ten, bộ lọc, bộ lọc phóng đại, và bộ trộn xử lý tần số rộng trong khi duy trì sự mất mát và phản ánh tối thiểu. Biểu đồ Smith trở nên thiết yếu cho ba lý do chính:

  1. Phụ đề được dịch bởi:
  2. Phụ đề tiếng Việt: )
  3. Chọn đa dạng và cấu hình: [FLT: 1] thay đổi giá trị thành phần bằng biểu đồ giảm các mẫu lặp lại.

Comment

Tuy nhiên, trong các đài phát thanh thông thường, mạng tương thích được cố định cho một ban nhạc riêng lẻ. Một giao diện trước của SDR phải hiệu quả từ 1 MHz đến 6 GHz hay hơn. Biểu đồ Smith cho phép các kỹ sư vẽ các điểm âm mưu của ăng-ten qua mọi tần số và rồi thiết kế một mạng tương ứng với toàn bộ phạm vi đó. Ví dụ, một ăng-ten rộng có thể hiển thị một vòng xoắn ốc của các điểm bị cắt vòng quanh biểu đồ. Bằng cách thêm một công việc l-net đơn giản, quỹ đạo có thể quay hoặc bị sụp đổ về phía trung tâm (50m). Kỹ thuật tương tự được dùng để thiết kế đa màn hình và tăng cường.

Ví dụ thực tế: SDR Antenna Zenter

Nhiều thuật toán điều khiển SDR thương mại bao gồm một bộ điều chỉnh ăng-ten tự động đo mức độ tối ưu và điều chỉnh bộ tụ điện. Thuật toán điều chỉnh của bộ điều chỉnh của bộ điều chỉnh có hiệu quả chuyển điểm trên biểu đồ Smith về phía trung tâm 50-ohm. Biểu đồ này cung cấp một vòng phản hồi rõ ràng: nếu bộ chuyển giao thức vô tuyến di chuyển bên ngoài vòng tròn VSWR (v. g., 1.5: 1) giá trị bộ phận điều khiển để mang nó trở lại. Giá trị cấu hình này chỉ có thể làm được vì biểu đồ Smith trình bày hoàn toàn không tương ứng với điều kiện.

Dùng biểu đồ Smith trong giai đoạn thiết kế

Trong quá trình phát triển SDR, công cụ mô phỏng như Keyight ADS, AWR Microwave Office, hoặc open-source source is trong việc kết hợp các biểu đồ Smith. Những công cụ này cho phép các kỹ sư:

  • Vẽ các thành phần và nhìn thấy sự bất lợi trên tần số.
  • Thiết kế các mạng tương ứng bằng cách thêm các yếu tố hàng loạt và tránh né trên biểu đồ.
  • Thực hiện phân tích nhạy cảm để xem sự khoan dung ảnh hưởng thế nào đến chất lượng khớp.

Thiết kế một bước nối mạng

Một dòng công việc điển hình cho một máy nhận tín hiệu SDR 2.4 GHz có thể trông như:

  1. Đo hoặc mô phỏng ăng ten ở mức 2.45 GHz, nói 30 + j15 ohms.
  2. Đánh dấu điểm này trên biểu đồ Smith 50-ohm bình thường.
  3. Quyết định sự không tin cậy: 50 + j0 (trung tâm).
  4. Chọn một địa chất mạng tương ứng (v. d., L-network với một bộ dẫn đầu và bộ tụ điện chuỗi).
  5. Sử dụng biểu đồ, di chuyển dọc theo một vòng tròn không đổi với các yếu tố tránh né, sau đó dọc theo một vòng tròn không đổi với các yếu tố loạt cho đến khi đạt được trung tâm.
  6. Đọc các giá trị thành phần cần thiết từ biểu đồ hoặc tính toán chúng từ các thay đổi đã được chuẩn hoá.

Quá trình này nhanh hơn giải phương trình đồng thời, đặc biệt khi có nhiều giải pháp tiềm năng. Đối với một phương trình dạy kèm chi tiết, hãy đề cập đến [FLT: 0] hướng dẫn sử dụng thiết bị ghi chú trên biểu đồ Smith và S- chapameter [FLT: 1).

Khớp động ở SDRs

Một trong những cách sử dụng tối tân nhất của biểu đồ Smith trong hệ thống SDR là phát triển các mạng tương thích với động lực. Những mạng này sử dụng các diode mattor, mã cặp PIN, hoặc MEMS để thay đổi sự coacited trong thời gian thực. Biểu đồ Smith trở thành một "điều khiển bề mặt" cho thuật toán dao động:

  • Xem bảng (LUTs): [FLT: 1] Các giá trị thành phần có sẵn sẽ di chuyển các tính chất từ điểm đầu đến trung tâm. LUT bắt nguồn từ các quỹ đạo của bảng Smith.
  • Dòng chảy Gradit:) Các SDR định kỳ đo hệ số phản chiếu (v. d., thông qua một cặp song song với AD8302 và điều chỉnh các thành phần để giảm thiểu khoảng cách trên biểu đồ Smith từ điểm hiện tại đến trung tâm.
  • Học tập: mạng thần kinh được đào tạo trên dữ liệu của Smith có thể dự đoán trạng thái tối ưu phù hợp cho tần số và sự cố định nhất định mà không cần tìm kiếm lặp lại.

Nghiên cứu trường hợp: Wideband VHF/UHF SDR

Một hệ thống cổng quân sự SDR bao gồm 30 đến 512 MHz có thể sử dụng một công việc làm việc pi-net có thể lập trình được điều khiển bởi một hệ thống cổng có thể thực hiện (FPGA). FPGA đọc sức mạnh phản ánh, tính toán độ lớn và giai đoạn, và tham khảo một thuật toán dựa trên biểu đồ Smith để chọn các thiết lập bộ công tụ chính xác và bộ dẫn đầu. Toàn bộ chu kỳ khớp hoàn tất trong những phần triệu giây, cho phép radio nhảy ra tần số không có tính năng. Khả năng này là thiết yếu cho tần số tần số tần số tần số và nhận thức lan rộng ra quang phổ và các ứng dụng.

Mô phỏng và thử nghiệm với biểu đồ Smith

Phát triển SDR hiện đại phụ thuộc rất nhiều vào các phân tích mạng vector (VNA) mà hiển thị các dấu vết của biểu đồ Smith. Trong thử nghiệm mẫu thử nghiệm, các kỹ sư kết nối VNA với cổng RF của SDR và quan sát sự phụ thuộc vào tần số phía trước. Tính năng ghi tạm giữa các biểu đồ Smith được mô phỏng và đo biểu đồ Smith cho thấy các vấn đề như là dấu hiệu ký hiệu, mặt đất, hay sự khoan dung nghèo.

Giải mã các chiều dọc biểu đồ Smith

Đối với một nhà phát triển SDR, quan sát điển hình bao gồm:

  • Quay theo chiều dọc với tần số ngày càng tăng:[FLT: 1] chỉ ra hiệu ứng lan truyền; bù lại với yếu tố ngắn hơn hoặc tránh né.
  • Loops gần rìa của biểu đồ: đề nghị cộng hưởng hoặc bất ổn; thường sửa đổi bằng cách thêm hạt chống ẩm hoặc hạt harite.
  • Dịch qua nhiều ban nhạc: Tính bất trị có thể cụm lại ở nhiều vùng; một mạng lưới tương ứng có thể không đủ, thúc đẩy việc sử dụng các ngân hàng hay cá ngừ đổi.

Để đọc thêm về phân tích biểu đồ Smith dựa trên VNA, hãy tham khảo ý kiến [FLT: 0] Ghi chú [FLT:] về khả năng đếm ngược .

Lợi thế và hạn chế trong văn cảnh SDR

Biểu đồ Smith mang lại lợi ích rõ ràng cho sự phát triển của SDR:

  • Đã viết: giải pháp đồ họa thường nhanh hơn toán phức tạp.
  • Trực giác: phản hồi trực quan giúp kỹ sư nắm được tác động của các biến đổi thành phần.
  • Khả năng đọc : hiệu quả cho cả băng tần và băng tần rộng.
  • Sự kết hợp dễ dàng kết hợp vào hệ thống thử tự động và vòng điều khiển thời gian thực.

Tuy nhiên, có những giới hạn:

  • Độ phức tạp:) biểu đồ đông đúc có thể khó đọc cho các cuộc quét đa tần số.
  • Tính toán từ một biểu đồ in ít chính xác hơn thiết kế đã được nói bằng máy tính (CAD).
  • Phụ thuộc tần số:) biểu đồ là hình chụp ở một tần số; nhiều lần quét chồng chéo cần thiết phân tích cẩn thận.

Mặc dù có những nhược điểm, biểu đồ Smith vẫn là một công cụ chuẩn trong giáo dục và thực hành của công nghệ RF.

Những nguồn tài nguyên bên ngoài để học hỏi thêm

Các kỹ sư tìm cách làm sâu hơn về biểu đồ Smith trong hệ thống SDR có thể khám phá những điều sau:

Kết luận

Biểu đồ Smith còn xa từ thời kỳ cũ của SDR. Ngược lại, năng lượng đồ họa của nó đã được tăng cường bởi sự mô phỏng kỹ thuật số và kiểm soát thời gian thực, làm cho nó trở thành công cụ thiết yếu để phát triển tần số-gagile, băng tần số rộng hơn RF trước. Dù dùng trong thiết kế thủ công, tính toán bằng tay, hoặc thử nghiệm dựa trên VNA dựa trên thiết bị đánh dấu, thì biểu đồ Smith cho phép các kỹ sư hình ảnh và giải quyết các vấn đề tương ứng trung tâm đến hiệu suất SDR. Khi công nghệ SDR đẩy về phía tần số cao hơn và băng thông rộng hơn, các nguyên tắc không có thời gian trong biểu đồ Smith sẽ tiếp tục hướng dẫn cách tân.