Оплата за конверсии в Яндекс Директ в 2022 году. Как настроить и увеличить показы — Маркетинг на vc.ru
Всем привет, на связи Марат Хабибулин, частный интернет-маркетолог.
2041 просмотров
В это статье вы узнаете, как включать, настраивать оплату за конверсии в классических кампаниях Яндекс Директ, доступных в режиме эксперта, и в Мастерах кампаний.
Также вы узнаете, почему часто уменьшается количество показов в кампаниях с оплатой за конверсии и они «умирают». Как раскачать кампанию с оплатой за конверсии в Яндекс Директ. Указал основные способы увеличения показов в кампаниях с оплатой за конверсии. Поделюсь с вами определенными фишками, применение которых помогает повышать эффективность кампаний с оплатой за конверсии.
Я веду отличный Телеграм канал, где Вы сможете найти много полезной и интересной информации об интернет-маркетинге. Обязательно подпишитесь по ссылке
В Яндекс Директ есть 2 основные модели оплаты:
- Оплата за клики
- Оплата за конверсии
Оплата за клики использовалась с самого первого дня существования Яндекс Директ.
Оплату за конверсии можно использовать почти во всех типах кампаний:
1) Текстово-графические объявления;
2) Динамические объявления;
3) Смарт-баннеры;
4) Мастер кампаний;
5) Товарная кампания
Наибольшую эффективность оплата за конверсии показывает в РСЯ, Мастере кампаний и Товарной кампании. Конечно же при условии грамотной настройки. Что касается поисковых кампаний, здесь не все так однозначно. В большинстве ниш оплата за конверсии в поисковых кампаниях мало эффективна. Поэтому, если вы рекламируете услуги или у вас небольшой ассортимент товаров, чаще всего оплату за конверсии лучше использовать именно в РСЯ или Мастерах кампаний. Если у вас интернет-магазин, то это Динамические объявления, Смарт-баннеры. Также Товарная кампания. В этом типе кампаний нет возможности использовать оплату за клик.
В этой статье я буду рассматривать оплату за конверсии на примере Текстово-графических объявлений и Мастеров кампаний.
Начнем с Текстово-графических кампаний
Сразу стоить отметить важный момент. Чтобы использовать оплату за конверсии, обязательно нужно сначала установить счетчик Яндекс Метрики на сайт и настроить все цели. Впрочем это важно и в случае с оплатой за клики. Но просто без счетчика Яндекс Метрики и настроенных целей вы не сможете использовать оплату за конверсии.
Для того, чтобы запустить оплату за конверсии в этих кампаниях нужно в настройках после того, как вы указали ссылку на рекламируемую страницу и выбрали место показа рекламы, в блоке Стратегия выбрать максимум конверсий. Далее в поле “C оплатой” выбрать за конверсии. Следующий шаг указываем цели и их цены, чтобы на их основе установить оптимальный недельный бюджет. Если в поле “Ограничение расхода” оставить Цена конверсии, то в разделе “Целевые действия и их цена” вы сможете выбрать только одну цель.
Для того, чтобы платить за несколько целей, надо в “Ограничение расхода” выбрать «Долю рекламных расходов». В этом случае появляется дополнительное поле «Доля рекламных расходов от доходов», в котором вы указываете процент. В итоге вы платите фиксированную стоимость за достижение цели равную указанному проценту.
Чтобы выбрать цели и установить цену, которую вы будете платить, сначала укажите номер счетчика Яндекс Метрики. Далее нажимаете “Добавить цель”, выбираете нужную цель и указываете цену. Есть 2 варианта определить оптимальную цену цели:
- Если у вас реклама работает достаточно давно и уже накопилась статистика, воспользуйтесь отчетами в Яндекс Метрики или Яндекс Директ. Лучше на старте выставлять цену конверсии выше вашей реальной.
- Если статистики нет, рекламный кабинет совсем новый. Рассчитайте целевую стоимость конверсии по вашей цели по следующей формуле:
(Средний чек-Маржа)*Процент расходов на рекламу от маржи*Процент выкупа/1+НДС
Далее указываем недельный бюджет. Минимальное значение лучше указывать исходя из формулы: цена конверсии*20. То есть, если вы указали цену конверсии 500 р., минимальный недельный бюджет должен быть 10000 р. Таким образом вы указываете алгоритму, что недельного бюджета будет хватать на покупку минимум 20 конверсий. Это позволяет не зажимать систему в узкие рамки.
Если у вас интернет-магазин, то вам подойдет опция “Доля рекламных расходов”, которую вы выбираете в поле “Ограничение расхода”. Для того, чтобы данная стратегия работала корректно у вас должна быть настроена передача в Яндекс Директ дохода от рекламы. Вы можете указать ценность вручную в настройках стратегии или доход по цели в Яндекс Метрике. Но лучше включить и настроить электронную коммерцию.
Я веду отличный Телеграм канал, где Вы сможете найти много полезной и интересной информации об интернет-маркетинге. Обязательно подпишитесь по ссылке
В дополнительных настройках Яндекс Директ спрятал очень важную настройку “Модель атрибуции”. Раньше она была в открытом блоке. В новом интерфейсе Яндекс спрятал ее.
Модели атрибуции в оплате за конверсии
Модель атрибуции позволяет определять, какой переход на сайт считать источником визита. Это же правило можно отнести и к конверсиям.
В рекламных кампаниях с оплатой за конверсии модель атрибуции существенно влияет на то, сколько в итоге вы будете платить Яндексу.
Модель атрибуции определяет, какие конкретно визиты пользователя, в процессе которых были совершены целевые действия, засчитываются за конверсию и оплачиваются. Правильный выбор модели атрибуции позволяет эффективно расходовать рекламный бюджет.
Какие же есть модели атрибуции в Яндекс Директ и как они влияют на оплату за конверсии?
Последний переход
При данной модели атрибуции Вы платите только за визиты, в которых конверсия совершена непосредственно после перехода по рекламе из Яндекс Директ в рамках одного визита.
Рекомендуется использовать эту модель атрибуции в том случае, если у ваших клиентов очень короткий цикл принятия решения. Например, вы рекламируете доставку еды или услуги такси.
Последний значимый переход
В случае использования этой модели атрибуции Вы платите за визиты, в которых конверсия совершена после перехода по рекламе из Директа и до следующего значимого события. Незначимыми событиями являются прямые переходы на сайт, внутренние переходы и переходы с сохраненных страниц.
Последний переход из Директа
При использовании этой модели атрибуции в кампании с оплатой за конверсии Вы платите за все визиты, в которых конверсия совершена после взаимодействия с Директом. При этом все последующие значимые события не учитываются.
Первый переход
Вы платите за каждый визит тех пользователей, которые впервые попали на сайт именно по рекламе из Яндекс Директ. Все последующие визиты с совершенной конверсией также будут оплачиваться.
Рекомендуется использовать эту модель атрибуции в том случае, если у ваших клиентов длинный цикл принятия решения о покупке. Это актуально для сферы недвижимости, автомобильной тематики.
Кросс-девайс
Режим «Кросс-девайс» учитывает переходы пользователей со всех используемых устройств. Например, пользователь может перейти по рекламе с рабочего компьютера. По дороге домой снова зайти на сайт мобильного устройства. И уже купить товар дома, введя адрес сайта на личном компьютере.
Кросс-девайс учитывается в трех моделях атрибуции:
- Последний переход из Директа;
- Последний значимый переход;
- Первый переход.
Хочу отметить, что модель атрибуции Последний переход из Директа и с включенной опцией кросс-девайс в кампаниях с оплатой за клики наиболее эффективна, потому она позволяет учитывать как можно большее количество конверсий при обучении алгоритма. Соответственно накапливается больше данных и это влияет на общую эффективность кампаний. Однако при оплате за конверсии, если оставить включенную по умолчанию модель атрибуции “Последний переход из Директа”, то вы можете переплачивать за рекламу.
Например, если потенциальный клиент перешел на сайт по рекламе из Поиска, оставил заявку и оставил вкладку браузера открытой на несколько часов. В этом случае после того как тайм-аут визита закончится, засчитается еще одно достижение цели. При этом вторая конверсия будет также отнесена к Яндекс Директ. По сути вы дважды заплатите за заявку при данной модели атрибуции. Поэтому в оплате за конверсии лучше использовать другие модели атрибуции.
Оплата за конверсии в Мастерах Кампаний
После того как вы добавляете заголовки, тексты, быстрые ссылки объявлений, настраиваете таргетинги, вы сможете выбрать цели и указать их стоимость в блоке “Целевые действия”. Вы можете добавить как одну, так и несколько целей, за достижение которых вы будете платить. Ниже в блоке “Бюджет” вы указываете недельный бюджет. Здесь также рекомендую исходить из того, что бюджета должно хватать на покупку минимум 20 конверсий в неделю. Далее идет поле с моделью оплаты. По умолчанию стоит оплата за целевые действия.
Я веду отличный Телеграм канал, где Вы сможете найти много полезной и интересной информации об интернет-маркетинге. Обязательно подпишитесь по ссылке
Как раскачать оплату за конверсии, когда падают показы?
Покажу на примере текстово-графических кампаний. Касательно МК у меня есть отдельная статья с рекомендациями, как раскачать этот тип кампаний, если они резко перестали приносить лиды.
- В новой кампании, в которой нет конверсий, сразу на старте не стоит переключать на оплату за конверсии. Пусть кампания поработает с оплатой за клики. Нужно чтобы кампания приносила минимум 10 конверсий в неделю. В идеале 50 или 100 в неделю.
- Цель кампании, за которую вы платите. Конверсий по данной цели может быть совсем мало. Поэтому Яндекс видя, что по этой цели расходов вообще нет,на этом он не зарабатывает, поэтому сокращает количество показов.Решение — выбрать другую цель, по которой больше конверсий. Или же увеличить цену конверсии и наблюдать, как изменится эффективность
- Цена за конверсию.
Если вы понимаете, что по текущей цели очень мало конверсий, то вы можете повысить цену. Если же конверсий достаточно много, но вы указали слишком низкую цену за конверсию, то яндекс также может снижать охват. Выход такой же — увеличить цену конверсии. Если вы указываете неадекватно низкую цену конверсии, количество показов будет уменьшаться очень быстро
- Недельный бюджет.
Указывайте недельный бюджет исходя из следующей формулы: цена конверсии * 20. То есть недельного бюджета должно хватать на покупку минимум 20 конверсий. Если вы сильно ограничиваете недельный бюджет, Яндекс.Директ может также уменьшать показы.
- Бюджет на балансе рекламного кабинета
Обратите внимание на ваш баланс. Часто можно встретить рекламодателей, которые пополняют часто, но маленькими суммами. Из-за этого бюджета может просто не хватать, чтобы кампании начали работать нормально. Самый оптимальный вариант рассчитать месячный бюджет и пополнить рекламный кабинет сразу на месяц. Для того, чтобы не было перерасхода бюджета, вы выставляете ограничение для каждой кампании.
- Перезапуск кампаний
Также может помочь Перезапуск кампаний. В текстово-графических кампаний и Мастерах кампаний вы можете менять цели, чтобы перезапускать обучение алгоритма. В текстово-графических кампаний также можно менять модель атрибуции. Вы можете полностью пересоздавать новую кампанию.
После того как в Яндекс Директ появилась оплата за конверсии, принцип работы с контекстной рекламой кардинально изменился. Со стороны использование этой модели оплаты выглядит как «волшебная таблетка», которая должна приносить максимальную прибыль бизнесу. Но на практике часто происходит полное разочарование при неправильном подходе и некорректной настройке рекламных кампаний в Яндекс Директ. Оплата за конверсии требует большей работы с веб-аналитикой и более глубоких знаний в этой сфере. Также большее значение приобретает важность грамотной проработки посадочных страниц, на которые вы ведете потенциальных клиентов. В целом важно понимать кардинальные отличия между оплатой за клики и оплатой за конверсии.
Мои контакты указаны ниже.
Написать в Telegram
Telegram-канал
Youtube канал
Как самостоятельно настроить рекламу в Директе: пошаговая инструкция
Время прочтения: 7 минут
Тэги: контекстная реклама, Яндекс
О чем статья?
- Как создать объявление в Мастере кампаний
- Как настроить таргетинг
- Как ограничить бюджет и указать цели кампании
- Как создать рекламную кампанию через Режим эксперта
- Примеры из практики
- Выводы
Для кого эта статья?
- Для маркетологов
- Для директоров по развитию компаний
- Для владельцев бизнеса
Реклама на поиске и в сетях – эффективный инструмент для быстрого привлечения целевого трафика на сайт. Часто именно благодаря ей новый бизнес производит первые продажи.
На сегодня доступно платное размещение в рекламной системе Яндекс Директ, аналогичная ей система Google Ads пока не работает в России. Запуская рекламу впервые, важно провести настройки кампании так, чтобы не израсходовать весь бюджет за неделю и не получать лиды и конверсии по завышенной цене. Расскажем, как правильно настраивать Яндекс Директ, сколько объявлений в группе давать и как их таргетировать.
Как создать объявление в Мастере кампаний
Это самый простой для новичка способ. Подойдет, если вы хотите продвигать сайт или мобильное приложение.
1. Зарегистрируйтесь в рекламной системе.
Для этого достаточно иметь логин на Яндексе или создать новый специально для Директа. Зайдите на главный экран рекламной системы и жмите «Зарегистрироваться».
2. Зайдя в рекламный кабинет, выберите «Добавить кампанию» —> «Мастер кампаний».
Инструмент на каждом этапе настройки контекстной рекламы дает рекомендации по ключевым фразам, количеству объявлений, изображениям и так далее.
3. Выберите тип размещения, который наиболее соответствует вашим бизнес-целям.
-
Конверсии и трафик подходит для продаж товаров и услуг.
-
Товарная кампания – предложение для интернет-магазинов, благодаря которому пользователь видит релевантные запросу продукты с сайта или из товарного фида.
-
Узнаваемость и охват – формат для создания спроса, повышения информированности аудитории и ее подогрева.
-
Установки и конверсии в приложении – инструмент для продвижения мобильного приложения.
4. В появившемся окне вставьте ссылку на посадочную страницу и нажмите «Далее». Мастер кампаний проанализирует лендинг и предложит параметры объявления. Вам нужно только принять их или изменить. Компания формата «Конверсии и трафик» на скриншоте.
Обратите внимание на выделенные на изображении настройки.
-
По умолчанию кампания именуется в формате адрес сайта и дата запуска. Измените название так, чтобы видеть по нему, к какому продукту, клиенту или бизнес-задаче относится проект.
-
Поставьте UTM-метки или другие переменные, которые дают Яндекс Метрике дополнительную информацию о визитах. Для этого кликните «Изменить ссылку». Если не установили Метрику на посадочную страницу рекламы, Мастер кампаний напомнит.
-
Сколько нужно объявлений в Яндекс Директ? Количество зависит от цели рекламы, типа и размера бизнеса. Мастер кампаний предложит несколько вариантов: на скриншоте выше он сформировал четыре варианта для РСЯ (рекламная сеть Яндекса) и один для поиска.
Тексты и заголовки берутся с посадочной страницы. Но их можно изменить вручную, проскроллив экран Мастера кампаний вниз. По мере накопления статистики система начнет чаще показывать более эффективные заголовки и тексты. Здесь же загрузите изображения, видео, при необходимости отредактируйте или добавьте быстрые ссылки, которые будут показываться в объявлении. Этот этап настройки показан на скриншоте ниже.
Часто спрашивают, сколько символов в заголовке Яндекс Директ допустимо. Можете использовать не более 54 символов, включая пробелы. Мастер кампаний подсказывает, когда заголовок объявления превышает лимит или использует слишком длинные слова.
Как настроить таргетинг
Нацеливание рекламы осуществляется комбинацией ручных и автоматических настроек.
-
Регион показов: выберите из выпадающего списка или выберите на карте. Укажите те области, куда вы доставляете товар.
-
Время: можно выбрать круглосуточную ежедневную демонстрацию рекламы либо проводить ее только по будням с 08:00 до 20:00.
Также можете настроить вручную дни и часы, в которые объявления нужно показывать. Используйте последнюю опцию, если точно знаете, в какие часы ваши клиенты активны в интернете.
-
Аудитория: для нее Яндекс Директ предлагает автоматический подбор. Он использует семантику из объявлений и с посадочной страницы, чтобы показывать рекламу пользователям, которые интересуются сходными запросами.
Если автоматический таргетинг вас не устраивает, выберите ручную настройку, как показано на скриншоте.
Здесь вы сможете вручную ввести собранные поисковые запросы, по которым должна показываться ваша реклама. Либо использовать те, которые предложит Яндекс Директ. Рассмотрим, как это сделать.
Предлагаемые Директом запросы представляют собой:
-
Целевые – формулировки, указывающие на желание купить продукт, предлагаемый в объявлении.
-
Альтернативные отражают желание купить аналогичный товар или услугу.
-
Сопутствующие показывают интерес к другому предложению, в паре с которым может заинтересовать ваше УТП.
-
Запросы про конкурентов – если в них отражено желание заказать такой же товар у другого бизнеса.
-
Широкие запросы показывают заинтересованность продуктом, в который входит и ваш.
Обязательны к использованию только целевые запросы – остальные группы можно отключить.
Далее вы можете подобрать поисковые запросы. Для этого можно ввести их вручную либо выбрать из выпадающего списка. Пример на скриншоте ниже.
Также можете указать минус-слова, по которым не хотите показывать объявление. Например, «даром», «дешево», добавленные к ключевой фразе, если продаете продукт среднего или высшего ценового сегмента.
Тематические слова и минус-фразы считаются дополнительными настройками. За их счет аудитория и охват могут сильно сузиться, в результате сократятся показы и снизится эффективность кампании. Советуем поручить ручные настройки аудитории специалисту, а если такого в компании нет – использовать автонастройки.
Далее укажите возраст и пол потенциальных клиентов. И типы устройств, на которых будет показываться ваша реклама – любые, только гаджеты, только компьютеры.
Как ограничить бюджет и указать цели кампании
Созданную в Мастере кампаний рекламу можно оплачивать за клики или за целевые действия. Для обоих вариантов вы задаете недельный бюджет. Мастер рекомендует сумму, исходя из цен на лендинге и своей статистики, которую вы можете откорректировать.
Оплату за целевые действия можно применять, если на посадочной странице установлен счетчик Яндекс Метрики. Нужно в нем задать цели: заявка, корзина, покупка – действия, которые у бизнеса в приоритете.
Стратегия оптимизации выбирается Яндекс Директом на основе прогнозатора конверсий. Это технология машинного обучения, которая собирает данные о посещаемости, глубине и времени просмотра сайтов и на этой основе прогнозирует действия пользователей. Учитываются также данные о бизнесе и его цели. Исходя из этого, алгоритм может повышать или снижать ставки для потенциально конверсионных показов на разных площадках.
Разрешите Яндекс Директу автоматически применять рекомендации
Отметив этот чекбокс, вы разрешите рекламной системе после получения статистики о показах и конверсиях корректировать настройки. Яндекс Директ сможет изменять аудиторию, автоматический, географический, демографический таргетинг и нацеливание по типам устройств. Разрешается смена автостратегии оптимизации показов. Также система сможет повышать недельный бюджет не более чем на 3%, если это позволит получить больше выгодных кликов или целевых действий.
Рекомендуем оставить этот чекбокс активным и отключить, только если реклама будет признана бизнесом неэффективной.
Далее кампания готова к запуску. Можете сохранить ее как черновик и вернуться к редактированию позже.
Как создать рекламную кампанию через Режим эксперта
Этот способ подходит опытным специалистам либо когда настроек через Мастер кампаний оказалось недостаточно. Вернитесь в самое начало и выберите «Добавить кампанию» —> «Режим эксперта».
Также вы можете перейти в него на любом этапе настройки в Мастере кампаний – справа вверху есть соответствующая кнопка.
Здесь точно также надо дать понятное название кампании и ввести адрес посадочной страницы. Далее опишем только те шаги, которых нет в Мастере кампаний.
-
Стратегии оптимизации: можно выбрать «Максимум кликов», «Максимум конверсий», «Максимум кликов с ручными ставками». Первый вариант будет приводить на ваш сайт заинтересованных посетителей. Стратегия «Максимум конверсий» помогает получать целевой трафик – когда есть настроенные целевые действия в Метрике.
«Максимум кликов с ручными ставками» разрешает задать отдельные ставки для разных критериев показа и различные цены для отдельных целевых действий. Используется, когда надо повысить рентабельность рекламы.
-
Помимо бюджета на неделю, можно ограничить стоимость клика/конверсии или долю рекламных расходов.
-
В одной кампании можно создавать группы объявлений, включая в них от 1 до 50 штук. Здесь можно сделать общие групповые настройки и не настраивать каждое объявление по отдельности. Затем система сможет отслеживать, какие из них эффективнее, что позволяет строить гипотезы, проводить эксперименты и улучшать рекламные инструменты.
-
Помимо региона, можно задать точное местоположение пользователей, которые должны увидеть рекламу. Это полезно для бизнеса, у которого есть физические точки продаж, чтобы охватить аудиторию, находящуюся в шаговой доступности.
-
Сегментируйте пользователей, которые увидят рекламу. Например, look-alike аудитории из пользователей, похожих по поведению в сети на ваших посетителей. Настраивайте ретаргетинг на тех, кто посещал лендинг или добавил товар в корзину. Можно назначить разные условия для Поиска и РСЯ.
-
Выбирайте, какие корректировки ставок может применять Яндекс Директ. Например, по возрасту, полу, сегменту аудитории, платежеспобности. Новинка – корректировка ставок в зависимости от погодных условий. Поможет максимально использовать сезонные колебания спроса: например, в дождливую погоду активнее рекламировать доставку продуктов, а в теплую – легкую одежду. Можно применять разные креативы для разных погодных условий.
-
Используйте разные форматы: текстово-графический блок, графический креатив, мобильное объявление для приложений. Можно объединить разные типы в группу с одинаковым таргетингом
-
Тексты и заголовки вводятся вручную, появляется дополнительный заголовок, промоакции.
-
Можно использовать Карусель изображений от 2 до 10 штук в РСЯ и сервисах Яндекса.
-
На баннер в РСЯ можно добавить кнопку призыва к действию.
Таким образом, Режим эксперта предоставляет больше возможностей для создания УТП, таргетинга, выбора стратегий оптимизации и бюджета. Однако это требует от рекламодателя более глубокого понимания, что и как он делает, чего хочет добиться корректировками. Как следствие, можно совершить больше ошибок. Поэтому все чаще бизнес привлекает для настройки контекстной рекламы Яндекс Директ специалистов, имеющих сертификацию в рекламной системе.
Примеры из практики
При помощи кейсов покажем, как настраивают рекламу специалисты.
Кейс 1: увеличили количество заказов в два раза, сохранив стоимость заявки
Производитель тары и упаковки из гофрокартона был заинтересован в масштабировании продаж и увеличении лидов.
Что сделали:
-
Проанализировали работу РСЯ и отключили площадку, так как она не приносила качественных лидов.
-
Динамические рекламные объявления на основе сайта перевели в режим оплаты за конверсию.
-
Динамические рекламные объявления на фиде перевели на автостратегии.
Итоги показаны на рисунке ниже.
Подробный кейс с пошаговым описанием анализа и работ читайте на сайте.
Кейс 2: целевые обращения и рост трафика без потери качества
Одно из самых крупных агентств на региональном рынке недвижимости нуждалось в увеличении количества обращений при снижении стоимости привлечения.
Что сделали:
-
Расширили семантическое ядро и переработали объявления
-
Исключили неэффективные площадки размещения, которые приносили слишком дорогие лиды.
-
Изучили целевую аудиторию и скорректировали таргетинг по возрасту.
-
Подключили ремаркетинг, чтобы показывать клиентам именно те объекты, которые они изучали на сайте.
Итоги:
-
Увеличили количество зафиксированных обращений на 42%.
-
Снизили стоимость привлечения обращения на 28%.
-
Конверсия выросла на 21%, трафик на 17%, стоимость клика снизилась на 12%.
Полный кейс в тематике недвижимости с рекомендациями по ремаркетингу читайте на сайте.
Выводы
-
Начинающие рекламодатели отдают предпочтение автоматическим настройкам либо привлекают специалистов в области контекстной рекламы.
-
Для полноценной работы рекламы и ее анализа нужен счетчик Яндекс Метрики с настроенными целями.
-
Уделите внимание сбору ключевых слов, даже используя автоматический таргетинг.
-
Сегментируйте аудиторию по характеристикам, применяйте ретаргетинг на тех, кто остановился на пути к целевому действию.
-
Регулярно анализируйте статистику и корректируйте кампанию, чтобы сделать ее более эффективной.
-
Анализируйте, какие площадки и объявления лучше прочих выполняют задачи кампании, отказывайтесь от малоэффективных.
О приемнике прямого преобразования — Учебное пособие
Растущее давление на малое энергопотребление, компактный форм-фактор, низкую стоимость и уменьшенную спецификацию материалов в таких радиоприложениях, как мобильная связь, побудило научные круги и промышленность возродить приемник прямого преобразования. Прямое преобразование, от которого давно отказались в пользу зрелого супергетеродинного приемника, появилось за последнее десятилетие или около того благодаря усовершенствованным полупроводниковым технологиям и проницательным методам проектирования. В этой статье описываются характеристики приемника прямого преобразования и возникающие при этом проблемы.
Ashkan Mashhour,
William Domino
и Norman Beamish
Conexant Systems
Newport Beach, CA
Очень похож на хорошо зарекомендовавший себя супергетеродинный приемник, впервые представленный в 1918 году компанией Armstrong, 1 происхождение приемника прямого преобразования ( DCR) относятся к первой половине прошлого века, когда Ф.М. Colebrook в 1924 году, 2 , и был применен термин гомодин. Дополнительные разработки в 1947 привело к публикации статьи Д.Г. Tucker, 3 , который впервые ввел термин «синхродин» для приемника, который был разработан как прецизионный демодулятор для измерительного оборудования, а не радио. В другой статье Такера в 1954 году 4 сообщается о различных одиночных приемниках с понижающим преобразованием, опубликованных в то время, и разъясняется разница между гомодинным (иногда называемым когерентным детектором) и синхродинным приемниками — гомодинный приемник получает гетеродин напрямую ( от передатчика, например), тогда как синхроодинный приемник синхронизирует автономный гетеродин с входящей несущей.
За последнее десятилетие или около того развитие рынка беспроводной связи и технология монолитной интеграции вызвали исследовательскую деятельность по приемникам прямого преобразования, которые, интегрированные с оставшимися аналоговыми и цифровыми секциями приемопередатчика, могут достичь «единого -чип радио» цель. Кроме того, он поддерживает многорежимные, многостандартные приложения и, таким образом, представляет собой еще один шаг к программному радио.
Настоящая статья относится к нескольким недавним публикациям 5,6 , которые обеспечивают тщательный обзор и понимание, а также демонстрируют новый интерес к приемникам прямого преобразования. Преодолев некоторые проблемы, связанные с традиционным супергетеродином, и будучи более склонным к интеграции, DCR, тем не менее, имеет ряд присущих проблем. После краткого описания альтернативных и хорошо зарекомендовавших себя архитектур приемников в этой статье представлена технология приема с прямым преобразованием и освещены некоторые проблемы системного уровня, связанные с DCR.
ТРАДИЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ПРИЕМА
Супергетеродинный приемник
Супергетеродинный или гетеродинный приемник является наиболее широко используемым методом приема и находит множество применений от персональных устройств связи до радио- и ТВ-тюнеров. Он широко используется и хорошо изучен. Он поставляется в различных комбинациях, 7,8,9 , но, по сути, основан на том же принципе — РЧ-сигнал сначала усиливается в частотно-селективном малошумящем каскаде, а затем переводится на более низкую промежуточную частоту (ПЧ) со значительными помехами. усиление и дополнительная фильтрация и, наконец, преобразование с понижением частоты в основную полосу с помощью фазового дискриминатора или прямого микшера, в зависимости от формата модуляции. Этот метод проиллюстрирован на схеме рисунка 1.9.0005
Использование супергетеродинного метода влечет за собой несколько компромиссов. Отклонение изображения является преобладающей проблемой в этой архитектуре. Во время первого преобразования с понижением частоты в ПЧ любая нежелательная активность на частоте, разнесенной на f ПЧ и смещенной от частоты гетеродина (f гетеродина ) на противоположной стороне f гетеродина от желаемого радиочастотного канала, вызовет продукт смешения попадает прямо в канал с понижением частоты при f ЕСЛИ . На практике полосовой ВЧ-фильтр, обычно устройство поверхностной акустической волны (ПАВ), используется для выбора полосы перед малошумящим усилителем (МШУ), в то время как второй фильтр следует за МШУ для подавления изображения. Если эти фильтры идентичны, они разделяют бремя двух функций. Но некоторое подавление изображения должно следовать за МШУ, поскольку без него коэффициент шума МШУ фактически удвоится из-за подмешивания усиленного шума изображения в канал ПЧ. Вместо фильтра RF SAW также могут использоваться другие технологии пассивной фильтрации, такие как диэлектрические или керамические резонаторы.
Чем выше ПЧ, тем более смягчены требования к частоте среза режекторного фильтра изображения. На ПЧ наличие мешающего сигнала вблизи канала требует резкой фильтрации вокруг канала; эта фильтрация выполняется после первого микшера с помощью фильтра выбора канала, который также часто является фильтром IF SAW. На рис. 2 показан этот процесс фильтрации. По сути, это упражнение заключается в тщательно разработанном балансе между несколькими переменными, включая подавление, обеспечиваемое различными фильтрами, частотное планирование и линейность активных каскадов. Двойные ПЧ дают дополнительные возможности для маневра с избирательностью фильтра, но несколько усложняют частотное планирование.
Селективность, требуемая от двух вышеупомянутых фильтров (с точки зрения относительной полосы пропускания), делает их неподходящими кандидатами для интеграции в обозримом будущем из-за низкой добротности текущих кремниевых процессов, и они должны быть реализованы громоздкими внечиповые компоненты. Фильтр канала ПЧ, в частности, требует для своей реализации резонаторов с высокой добротностью — чем выше ПЧ, тем меньше относительная полоса пропускания фильтра (то есть отношение его полосы пропускания к центральной частоте), что требует все более высокой добротности. Это требование высокой добротности чаще всего встречаются при использовании пьезоэлектрических ПАВ и кристаллических фильтров. Это накладывает дополнительные ограничения, так как эти фильтры часто требуют неудобных оконечных импедансов, а согласование может повлиять на такие проблемы, как шум, усиление, линейность и рассеивание мощности соседних активных каскадов. Чем уже дробная полоса пропускания, тем более вероятно, что форма полосы пропускания фильтра будет чрезвычайно чувствительна к изменениям в значениях согласующего элемента. Кроме того, специфичность фильтра ПЧ к ширине полосы сигнала и, следовательно, к используемому стандарту делает супергетеродинные приемники непригодными для работы с несколькими стандартами.
Тем не менее, супергетеродин известен своей высокой селективностью и чувствительностью.
Приемники отклонения изображения
В качестве альтернативы, благодаря разумному использованию тригонометрических тождеств, изображение может быть удалено без необходимости какой-либо фильтрации отклонения изображения после LNA. Это принцип приемников с отклонением изображения 8,10 , первым из которых является архитектура Хартли, представленная в 1928 году 11 . В нем используются два смесителя с их гетеродинами в квадратурной фазовой зависимости; это разделяет сигнал ПЧ на синфазную (I) и квадратурную (Q) составляющие. Затем он сдвигает компонент Q на 90° перед рекомбинацией двух путей, где полезный сигнал, присутствующий в обоих путях с одинаковой полярностью, усиливается, а изображение, присутствующее в обоих путях с противоположными полярностями, компенсируется. Двойник архитектуры Hartley, известный как приемник отклонения изображения Weaver, 12 , обеспечивает относительный фазовый сдвиг одного пути на 90° за счет использования второго гетеродина на пути к другой ПЧ или основной полосе частот. Достигается тот же результат. Однако надежность этих приемников сильно зависит от точности трактов I/Q, то есть от дисбаланса усиления и фазы между двумя ветвями. На рисунках 3 и 4 показаны схемы архитектур подавления изображений Хартли и Уивера соответственно (продукты высокочастотного смешения удаляются фильтрацией нижних частот — на рисунках не показано).
Приемник одинарного преобразования с низкой ПЧ
Однократное преобразование с низкой ПЧ, показанный на рис. 5, является потомком DCR. Его основная цель состоит в том, чтобы защитить приемник от всех проблем, связанных с постоянным током, которые относятся к DCR, сохраняя при этом преимущество DCR, заключающееся в устранении высокодобротных фильтров ПЧ. Как видно из названия, вместо прямого преобразования сигнала в полосу модулирующих сигналов гетеродин немного смещен от несущей РЧ, обычно на один-два канала. Низкая ПЧ означает, что относительная полоса пропускания полосовой фильтрации ПЧ велика, что позволяет реализовать ее с компонентами с низкой добротностью. IF SAW или кварцевый фильтр, необходимый в случае высокой ПЧ, можно заменить активным RC-фильтром или другим фильтром, подходящим для работы на низких частотах, что также способствует интеграции кремния. Низкий сигнал ПЧ может быть переведен в полосу модулирующих сигналов через другой смеситель или, что предпочтительнее, в цифровой области после аналого-цифрового (А/Ц) преобразования. Конечно, это происходит за счет более быстрых аналого-цифровых преобразователей с более высоким разрешением. Если частота ПЧ равна только ширине одного или двух каналов, то обеспечить подавление изображения на ВЧ невозможно, так как ВЧ-фильтр должен быть достаточно широким, чтобы пропускать все каналы системы. В этом случае все подавление изображения должно исходить из квадратурного преобразования с понижением частоты до низкой ПЧ, что само по себе напоминает архитектуру Хартли после добавления преобразования основной полосы частот.
Широкополосная ПЧ с двойным преобразованием
Эта архитектура, показанная на рис. 6, очень похожа на супергетеродинную конфигурацию. В этом случае первый смеситель использует гетеродин на фиксированной частоте, а все каналы в РЧ-диапазоне преобразуются в ПЧ, сохраняя свои позиции относительно друг друга. Второй микшер использует настраиваемый гетеродин, таким образом выбирая желаемый канал для преобразования в полосу модулирующих частот. Последующий фильтр нижних частот подавляет соседние каналы.
ПРИЕМНИКИ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
Прием с прямым преобразованием, показанный на рис. 7 и называемый также гомодинным или нулевым ПЧ, является наиболее естественным решением для приема информации, передаваемой несущей. Однако только в последнее десятилетие или около того этот тип приема нашел применение помимо пейджеров. 13 Прием с прямым преобразованием имеет несколько качеств, которые делают его очень подходящим для интеграции, а также для многодиапазонной и многостандартной работы, но существуют серьезные внутренние препятствия, которые долгое время удерживали его в тени супергетеродинного метода.
Во-первых, устранена проблема изображения, поскольку ПЧ равна нулю, а изображением для нужного канала (для всех сигналов, кроме однополосных) является сам канал. Тогда требуется только один гетеродин, что означает только один вклад фазового шума. Таким образом, отпадает необходимость в громоздких внешних фильтрах. Фильтрация теперь происходит только на низких частотах (полоса модулирующих сигналов) с некоторым усилением, что означает меньшее потребление тока, чем на более высоких частотах (для управления паразитными параметрами устройства), меньшее количество компонентов и меньшую стоимость. На практике, однако, может потребоваться удаление сильных внеполосных помех или блокирующих сигналов перед преобразованием с понижением частоты, чтобы избежать снижения чувствительности приемника путем насыщения последующих каскадов, а также создания гармоник и интермодуляционных составляющих, которые затем появятся в основная полоса. Такой фильтр может быть размещен, например, после МШУ. DCR, однако, приносит свой собственный набор проблем.
Смещения постоянного тока
При прямом преобразовании, поскольку интересующий сигнал преобразуется в основной диапазон очень рано в цепочке приема без какой-либо фильтрации, кроме выбора радиочастотного диапазона, различные явления способствуют созданию сигналов постоянного тока, которые непосредственно проявляются как мешающие сигналы в интересующей полосе частот, как показано на рисунке 8.
Гетеродинный сигнал может проходить или излучаться по непреднамеренному пути к ВЧ входному порту микшера, таким образом эффективно смешиваясь сам с собой, создавая нежелательную постоянную составляющую на выходе микшера. Что еще хуже, эта утечка гетеродина может достичь входа LNA, что приведет к еще более сильному результату. Этот эффект представляет собой высокий барьер для интеграции гетеродина, смесителя и МШУ на одной кремниевой подложке, где многочисленные механизмы могут способствовать плохой изоляции. К ним относятся связь с подложкой, дребезг земли, излучение соединительного провода, а также емкостная и магнитная связь.
И наоборот, сигнал сильной внутриполосной помехи, однажды усиленный МШУ, может найти путь к входному порту гетеродина смесителя, что снова приведет к самосмешению.
Некоторая мощность гетеродина будет передаваться через смеситель и МШУ (из-за их неидеальной обратной изоляции) на антенну. Излучаемая мощность, создающая помехи другим приемникам в соответствующем диапазоне, может нарушать нормы излучения данной системы. Важно отметить, что, поскольку частота гетеродина находится внутри полосы приема, входные фильтры никак не подавляют это излучение гетеродина. Кроме того, излучаемый гетеродинный сигнал может затем отражаться зданиями или движущимися объектами и повторно улавливаться антенной. Этот эффект, однако, не имеет существенного значения по сравнению с вышеупомянутым самосмешением гетеродина и самосмешением блокирующего сигнала.
Проникновение гетеродинных или радиочастотных сигналов в противоположный порт микшера — не единственный способ возникновения нежелательной постоянной составляющей. Любой каскад, демонстрирующий нелинейность четного порядка, также будет генерировать выход постоянного тока. Подробнее об этом будет рассказано позже.
Будет ли продукт DC снижать чувствительность приемника, зависит от типа системы. Очевидно, что предпочтительнее иметь пару переменного тока на выходе смесителя, чтобы исключить постоянный ток. Некоторые схемы модуляции, такие как частотная манипуляция (FSK), используемая в пейджинговых приложениях, практически не ухудшаются, если отфильтровываются низкочастотные компоненты спектра, как показано на рисунке 9.. Однако другие схемы модуляции имеют пик на постоянном токе, а емкостная связь по переменному току приведет к значительным потерям информации и, следовательно, значительно ухудшит коэффициент ошибок по битам (BER). В системах TDMA, таких как GSM, нет значительного низкочастотного спектрального пика, но связь по переменному току по-прежнему становится невозможной. Это происходит из-за противоречивых требований к конденсатору связи по переменному току в системе TDMA: конденсатор должен быть достаточно большим, чтобы избежать широкого провала на постоянном токе, но он должен быть достаточно мал, чтобы все переходные процессы стабилизировались при включении питания. приемник (каждый кадр) до начала приема данных.
В приемниках TDMA, которые не могут быть соединены по переменному току, свободный временной интервал (непосредственно перед приемом) все же можно использовать с пользой, сохраняя значение смещения в конденсаторе, а затем вычитая его из пути прохождения сигнала во время взрыв. Это точно такой же метод, который обычно используется для коррекции смещения постоянного тока, возникающего во втором миксе супергетеродинных приемников TDMA, где этот микс идет в полосу модулирующих частот (в этом случае единственная проблема, вызывающая постоянный ток, — это самосмешивание гетеродина). В этом методе значение постоянного тока, создаваемого приемником, получается в предварительном измерении перед приемным пакетом. При использовании этого метода важно, чтобы сигнальный тракт перед смесителем был открыт во время предварительного измерения постоянного тока, чтобы предотвратить влияние на результат любых больших блокирующих сигналов. Переменные или блуждающие смещения чаще всего вызваны блокирующими сигналами, которые могут появиться в любое время. Эти смещения не могут быть исправлены в процессе измерения и вычитания, поскольку блокирующие сигналы могут появляться во время измерения, а не во время пакета, или наоборот. Для постоянного тока, вызванного блокировкой, наиболее эффективными мерами являются устранение путей самосмешивания и максимизация линейности для предотвращения постоянного тока с самого начала. В противном случае все еще существует возможность постфактум коррекции постоянного тока в цифровой обработке сигнала, происходящей в основной полосе частот.
Технологии цифровой обработки сигналов (DSP) могут использоваться для устранения смещения постоянного тока в системах TDMA таким образом, который не может быть продублирован в аналоговой области — может буферизоваться полный временной интервал принятого сигнала, среднее значение которого определяется а затем удаляются из каждой точки данных сигнала. Результирующий сигнал имеет нулевое среднее значение. Для таких систем, как GSM, нежелательным результатом этого является то, что любой постоянный ток, являющийся частью сигнала, будет потерян, но типичный эффект от этого минимален. На рис. 10 показано использование такого метода для типичного приемника GSM. Этот метод можно дополнительно усовершенствовать, отслеживая среднее значение по частям пакета, что позволяет обнаруживать внезапные источники помех или блокираторов и устранять их постоянную составляющую только там, где она возникает. Тщательная компоновка также может улучшить изоляцию.
Нелинейности
Как упоминалось ранее, другой проблемой DCR является нелинейность. Как и в случае с супергетеродинным приемником, DCR дает паразитные отклики. Для супергетеродина они возникают на входных ВЧ частотах, где N(RF) ± M(LO) = IF, а для DCR они возникают, когда N(RF) M(LO) = 0. Когда несущая блокирующего сигнала попадает на одну из этих паразитных частот, сигнал преобразуется в основную полосу с сопутствующим сдвигом в его полосе пропускания, зависящим от паразитного порядка.
Однако, что более важно, сильные блокирующие сигналы также вызывают постоянную составляющую в приемнике прямого преобразования, будь то на паразитной частоте или нет. Постоянный ток создается на выходе микшера и усиливается каскадами основной полосы частот. Это связано в первую очередь с нелинейностью смесителя второго порядка, характеризуемой точкой пересечения второго порядка (IP2) и интермодуляцией второго порядка (IM2). Это может быть уменьшено чрезвычайно хорошо сбалансированной схемой. Однако раньше смеситель и МШУ требовали несимметричной конструкции, поскольку антенна и гипотетический фильтр предварительной селекции обычно были несимметричными.
В большинстве систем важна интермодуляция третьего порядка, так как она обычно находится внутри полосы, вблизи интересующих сигналов и характеризуется точкой пересечения третьего порядка (IP3). При прямом преобразовании нелинейность второго порядка становится критической, поскольку она создает модулирующие сигналы, которые теперь проявляются как мешающие сигналы в преобразованном с понижением частоты полезном сигнале. IM2 измеряется IP2. IP2 определяется так же, как IP3, как показано на рис. 11. Можно выполнить либо двухтональный, либо однотональный тест, и IP2 определяется путем экстраполяции низкочастотного тона биений в первом или постоянной составляющей в первом. последний, пока он не пересекает основную кривую. Чтобы проиллюстрировать случай однотонального теста, входной сигнал равен
x(t) = Acost(ωt).
Предполагая, что нелинейность моделируется полиномом
Можно видеть, что постоянная составляющая из-за нелинейности второго порядка растет с удвоенным наклоном основной гармоники в логарифмическом масштабе. В точке пересечения
Из-за удвоенного наклона произведения второго порядка
IIP2 = Pin + Δ с Δ = Pout IM2
Шум
Низкочастотный шум 14 становится серьезной проблемой в DCR, так как значительное усиление выделяется каскадам основной полосы после смесителя. Слабые уровни сигнала в несколько милливольт в основной полосе все еще очень уязвимы для шума. Это требует более сильного усиления ВЧ-ступени, чтобы смягчить плохой коэффициент шума блоков основной полосы частот, но, конечно, это должно быть компенсировано только что описанными проблемами линейности, которые сопровождают более высокое ВЧ-усиление.
Фликер-шум, или 1/f-шум, является основным источником шума основной полосы частот. Связанный с потоком постоянного тока, он имеет спектральную характеристику, пропорциональную 1/f. В радиочастотных схемах шум 1/f имеет тенденцию модулировать радиочастотный сигнал, а в случае смесителя с выходом основной полосы шум 1/f дает особенно высокий коэффициент преобразования. На практике мерцающий шум становится проблемой для МОП-устройств в большей степени, чем биполярные, и моделируется как источник напряжения, включенный последовательно с затвором. Шум 1/f усложняет использование МОП-транзисторов в ВЧ-схемах, поскольку основным методом его уменьшения в МОП-транзисторах является увеличение размера транзистора, что увеличивает емкость устройства, отрицательно влияя на ВЧ-усиление. По этой причине предпочтительно использовать биполярные транзисторы в схемах смесителей DCR. На первых каскадах основной полосы частот после смесителя становится возможным использовать МОП-устройства, поскольку компромисс размера транзистора возможен на низких частотах.
Несоответствия I/Q
Из-за высокой частоты гетеродина невозможно реализовать цифровой демодулятор IQ. Аналоговый демодулятор IQ демонстрирует дисбаланс усиления и фазы между двумя ветвями, а также введение смещения постоянного тока. Такие несовершенства искажают восстановленное созвездие. Если предположить, что и — рассогласование по амплитуде и фазе, соответственно, между квадратурными портами демодулятора, а падающий на него комплексный сигнал имеет синфазную и квадратурную составляющие I и Q, то
I вне | = | (Icos(ωt) + Qsin(ωt)) 2cos(ωt) |
В вне | = | (Icos(ωt) + Qsin(ωt)) 2(1 + )sin(ωt + ) |
I вне
=
я
В вне
=
(1 + )(Isin + Qcos )
На рисунке 12 показано, как это влияет на данную диаграмму созвездия. Однако в системах DCR соответствие IQ не так критично, как в архитектурах подавления изображений. Скорее, это важно только в том, что касается точности модуляции.
Аналоговые и цифровые (на основе DSP) методы калибровки и адаптации были описаны для корректировки этих дисбалансов. 15
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Приемник с прямым преобразованием является привлекательным, но сложным методом приема. Он был успешно применен к таким устройствам, как пейджеры, мобильные телефоны, карты беспроводного подключения к ПК и Интернету, спутниковые приемники и т. д., в различных технологических процессах и с повышением уровня интеграции. В ближайшем будущем он появится во многих других приложениях.
БЛАГОДАРНОСТЬ
Авторы хотели бы поблагодарить Darioush Agahi и Morten Damgaard из Conexant Systems за их ценный вклад в эту статью. *
Ссылки
1. Л. Лессинг, «Человек высокой точности: Эдвин Ховард Армстронг, биография», Bantam Books, Нью-Йорк, 1969.
2. Ф.М. Коулбрук, «Homodyne», Wireless World and Radio Rev., 13, 1924, с. 774.
3. Д.Г. Такер, «The Synchrodyne», Electronic Engng, 19 марта 1947 г., стр. 7576.
4. Д.Г. Такер, «История гомодина и синхродина», журнал Британского института радиоинженеров, апрель 1954 г.
5. А.А. Абиди, «Радиотрансиверы с прямым преобразованием для цифровой связи», IEEE Journal of Solid-state Circuits, Vol. 30, № 12, декабрь 1995 г.
6. Б. Разави, «Соображения по проектированию приемников прямого преобразования», IEEE Transactions on Circuits and Systems-II: Analog and Digital Signal Processing, Vol. 44, № 6, 19 июня97.
7. С.Дж. Франке, «Схемы радиосвязи ECE 353», Факультет электротехники и вычислительной техники, Университет Иллинойса, Урбана, Иллинойс, 1994.
8. Б. Разави, «РЧ-микроэлектроника», Прентис-Холл, Аппер-Сэдл-Ривер, Нью-Джерси, 1998. . RFIC Design», конспекты лекций, Калифорнийский университет в Беркли/Национальный технологический университет, 1997.
11. Р. Хартли, «Однополосный модулятор», патент США № 1666206, апрель 1928 г.
12. Д.К. Уивер, «Третий метод генерации и обнаружения сигналов с одной боковой полосой», Труды IRE, Vol. 44, декабрь 1956 г., стр. 1703-1705.
13. И.А.В. Вэнс, «Полностью интегрированный радиопейджинговый приемник», IEE Proc., Vol. 129, № 1, 1982, стр. 26.
14. П. Р. Грей и Р.Г. Мейер, «Анализ и проектирование аналоговых интегральных схем», третье издание, John Wiley & Sons, Нью-Йорк, стр. 19.93.
15. Дж.К. Кейверс и М. В. Ляо, «Адаптивная компенсация дисбаланса и потерь смещения в приемопередатчиках прямого преобразования», IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 42, ноябрь 1993 г., стр. 581588.
Ашкан Машхур получил диплом инженера ENST в Бретани, Франция, и степень магистра в Университетском колледже Лондона, Великобритания, оба в 1997 году. Затем он присоединился к Nokia Networks, Камберли, Великобритания, где работал инженером-проектировщиком радиочастот. Его исследования включали разработку новых технологий RF/DSP и архитектур линейных приемопередатчиков для базовых станций будущего поколения. В настоящее время он работает в Conexant Systems, Ньюпорт-Бич, США. С ним можно связаться по адресу: ashkan.mashhour@conexant.com.
Уильям Домино получил степень BSEE в Университете Южной Калифорнии в 1979 году и степень MEng в Политехническом университете штата Калифорния, Помона, Калифорния, в 1985 году. Он присоединился к бизнесу Collins Radio компании Rockwell International, Ньюпорт-Бич, США, в 1979 году, где он разработал модели электромеханических фильтров ПЧ, методы проектирования и производственные процессы. В настоящее время он является главным системным инженером подразделения беспроводных систем компании Conexant Systems, также в Ньюпорт-Бич, США. Он участвовал в проектировании и разработке архитектур интегрированных приемопередатчиков для IS-136, пакетной радиосвязи Mobitex и мобильных телефонов GSM. С ним можно связаться по адресу: william.domino@conexant.com.
Норман Бимиш получил степень бакалавра технических наук и докторскую степень в Университетском колледже Дублина, Ирландия, в 1989 и 1994 годах соответственно. Его докторская диссертация была посвящена цифровой обработке сигналов и цифровой связи с особым интересом к выравниванию каналов, содержащих нелинейности. Он занимал должность инженера-исследователя в Teltec, Ирландия, с 1994 по 1995 год. В настоящее время он является главным инженером в Conexant Systems, Ньюпорт-Бич, США, где его основные интересы связаны с беспроводными системами основной полосы частот, особенно для GSM, сотовой связи 3G. системы и связь с расширенным спектром. С ним можно связаться по адресу: norman.beamish@conexant.com.
Понимание проблем IP2 и IP3 в приемниках прямого преобразования для глобальных базовых станций WCDMA
к Дуг Стюцле Скачать PDF
Введение
Архитектура приемника с прямым преобразованием имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционным супергетеродином. Это снижает требования к полосовой фильтрации входного радиочастотного тракта, поскольку он не чувствителен к сигналам на частоте изображения. Полосовые ВЧ-фильтры должны ослаблять только сильные внеполосные сигналы, чтобы они не перегружали входной каскад. Кроме того, прямое преобразование устраняет необходимость в усилителях ПЧ и полосовых фильтрах. Вместо этого входной РЧ-сигнал напрямую преобразуется в полосу модулирующих частот, где усиление и фильтрация намного менее сложны. Общая сложность и количество деталей приемника также снижены.
Однако прямое преобразование сопряжено с собственным набором проблем реализации. Поскольку принимаемый гетеродинный сигнал имеет ту же частоту, что и радиочастотный сигнал, он может легко излучаться приемной антенной и нарушать нормативные стандарты. Кроме того, требуется полное понимание влияния проблем IP2 и IP3. Эти параметры имеют решающее значение для общей производительности приемника, и ключевым компонентом является I/Q-демодулятор.
Нежелательные модулирующие сигналы могут генерироваться нелинейностью приемника 2-го порядка. Тон на любой частоте, поступающий в приемник, вызывает смещение постоянного тока в цепях основной полосы частот. После создания прямое устранение смещения постоянного тока становится очень проблематичным. Это связано с тем, что частотная характеристика цепей после преобразования с понижением частоты часто должна распространяться на постоянный ток. Нелинейность приемника 2-го порядка также позволяет модулированному сигналу — даже полезному сигналу — генерировать псевдослучайный блок энергии с центром вокруг постоянного тока.
В отличие от супергетеродинных приемников приемники с прямым преобразованием чувствительны к таким механизмам 2-го порядка независимо от частоты входящего сигнала. Таким образом, минимизация эффекта конечной линейности 2-го порядка имеет решающее значение.
<img src=’https://www. analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/understanding-ip2-and-ip3 -issues-in-direct-conversion-receivers/figure1.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 1’>
Рис. 1. Архитектура приемника прямого преобразования.
Далее в этой статье мы рассмотрим влияние искажений 3-го порядка на приемник прямого преобразования. В этом случае два сигнала, разделенных соответствующей частотой, должны войти в приемник, чтобы нежелательные продукты появились на частотах основной полосы частот.
Искажение второго порядка (IP2)
Точка пересечения второго порядка (IP2) системы приемника прямого преобразования является критическим параметром производительности. Это мера нелинейности второго порядка, которая помогает количественно оценить восприимчивость приемника к одно- и двухтональным мешающим сигналам. Рассмотрим, как эта нелинейность влияет на чувствительность.
<img src=’https://www. analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/understanding-ip2-and-ip3 -issues-in-direct-conversion-receivers/figure2.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 2’>
Рис. 2. Эффекты искажения 2-го порядка.
Мы можем смоделировать передаточную функцию любого нелинейного элемента как ряд Тейлора:
, где x(t) — входной сигнал, состоящий как из полезных, так и из нежелательных сигналов. Рассмотрим только член искажения второго порядка для этого анализа. Коэффициент а 2 равно
, где IP2 — точка пересечения одиночного тона в ваттах. Обратите внимание, что двухтональный IP2 на 6 дБ ниже однотонального IP2. Чем линейнее элемент, тем меньше 2 .
Каждый сигнал, поступающий на нелинейный элемент, генерирует сигнал с центром на нулевой частоте. Даже полезный сигнал вызывает искажения в основной полосе частот. Чтобы проиллюстрировать это, пусть входной сигнал представлен как x(t) = A(t)cosωt, который может быть тоном или модулированным сигналом. Если это тон, то A(t) просто константа. Если это модулированный сигнал, то A(t) представляет огибающую сигнала.
Мощность полезного сигнала по определению равна
., где E{β} — ожидаемое значение β. Поскольку A(t) и cosωt статистически независимы, мы можем разложить E{(A(t)cosωt) 2 } как E{A 2 (t)} • E{cos 2 ωt}. По тригонометрии
Ожидаемое значение второго члена равно просто ½, поэтому мощность полезного сигнала упрощается до:
В случае тона A(t) можно заменить на A. Мощность сигнала, как и ожидалось, равна
В более общем случае полезный сигнал модулируется в цифровом виде источником псевдослучайных данных. Мы можем представить его как ограниченный по полосе белый шум с гауссовским распределением вероятностей. Огибающая сигнала A(t) теперь является гауссовской случайной величиной. Ожидаемое значение квадрата огибающей может быть выражено через мощность полезного сигнала как:
Теперь подставьте x(t) в разложение в ряд Тейлора, чтобы найти y(t), который является результатом нелинейного элемента:
Рассмотрим член искажения 2-го порядка ½a 2 [A(t)] 2 . Этот член кажется сосредоточенным вокруг постоянного тока, тогда как другой член 2-го порядка появляется около 2-й гармоники полезного сигнала. Здесь важен только термин около постоянного тока, поскольку высокочастотный тон подавляется схемой основной полосы частот.
В случае, когда сигнал представляет собой тон, результатом 2-го порядка является смещение постоянного тока, равное:
Если полезный сигнал модулируется, то результатом 2-го порядка является модулированный сигнал основной полосы частот. Сила этого термина равна
Можно расширить до:
Чтобы выразить этот результат в терминах мощности полезного сигнала, мы должны связать E{A 4 (t)} с E{A 2 (t)}. Для гауссовской случайной величины верно следующее соотношение:
Мощность искажения может быть выражена как
Теперь выразите ожидаемое значение через мощность полезного сигнала:
Это преобразование любого заданного тона в постоянный ток и любого модулированного сигнала в сигнал основной полосы частот, что делает характеристики 2-го порядка критически важными для характеристик приемника с прямым преобразованием. В отличие от других нелинейных механизмов, частота сигнала не определяет, куда попадает продукт искажения.
Любые два сигнала, входящие в нелинейный элемент, вызывают ноту/термин доли. Пусть
, где первый член — это полезный сигнал, а второй — нежелательный сигнал.
Интересующий член искажения второго порядка представляет собой 2 A(t)B(t)cos(ω – ω u )t. Этот термин описывает продукт искажения, сосредоточенный вокруг разностной частоты между двумя входными сигналами. В случае поступления в элемент двух нежелательных тонов результат включает тон на разностной частоте. Если два нежелательных сигнала модулируются, то результирующий включает в себя модулированный сигнал с центром на их разностной частоте.
Мы можем применить эти принципы к примеру с приемником прямого преобразования. На рис. 1 показана блок-схема типичного приемника базовой станции WCDMA. Вот некоторые ключевые характеристики этого примера:
- Тип базовой станции: FDD, диапазон I
- Класс базовой станции: широкая зона
- Количество носителей: 1
- Диапазон приема: от 1920 МГц до 1980 МГц
- Диапазон передачи: от 2110 МГц до 2170 МГц
ВЧ-секция этого приемника включает дуплексер, полосовой фильтр и как минимум один малошумящий усилитель (МШУ). Частотно-селективные элементы используются для подавления внеполосных сигналов и шума. МШУ устанавливает коэффициент шума приемника. Демодулятор I/Q преобразует принимаемый сигнал в основную полосу частот.
В приведенных ниже примерах представлены характеристики I/Q-демодулятора LT5575 как репрезентативного устройства класса базовых станций этого типа. Фильтры нижних частот и усилители основной полосы частот ограничивают полосу пропускания и повышают уровень сигнала перед его подачей на аналого-цифровые преобразователи. Диплексер и полосовой ВЧ-фильтр служат только полосовыми фильтрами; они не предлагают никакой избирательности носителя.
Линейность второго порядка МШУ гораздо менее важна, чем линейность демодулятора. Это связано с тем, что любое искажение LNA из-за одного сигнала сосредоточено вокруг постоянного тока и подавляется демодулятором. Если в полосе приема есть два нежелательных сигнала (1960 МГц), то МШУ генерирует произведение второго порядка на разностной частоте. Этот сигнал демодулируется и появляется как артефакт основной полосы частот в аналого-цифровом преобразователе. Однако нам не нужно учитывать это условие, потому что внеполосные сигналы, исходящие от входного дуплексера, недостаточно сильны, чтобы создавать какие-либо существенные продукты искажения.
Рассмотрим сначала одиночный немодулированный тон, поступающий в приемник (см. рис. 2). Как подробно описано выше, этот тон вызывает смещение постоянного тока на выходе демодулятора. Если каскад основной полосы частот, следующий за демодулятором, связан по постоянному току, это смещение применяется к аналого-цифровому преобразователю, уменьшая его динамический диапазон. Спецификация WCDMA (3GPP TS 25104.740) вызывает внеполосный тон на уровне –15 дБм, расположенный на расстоянии 20 МГц или более от края любой полосы приема (раздел 7.5.1). Вычислите смещение постоянного тока, сгенерированное в демодуляторе I/Q:
- Тон, поступающий на порт приемной антенны: –15 дБм
- Подавление диплексера при смещении 20 МГц: 0 дБ
- Подавление полосы пропускания при смещении 20 МГц: 2 дБ
- ВЧ-усиление, предшествующее LT5575: 20 дБ
- Тон, поступающий на LT5575: 3 дБм
- LT5575 IIP2, 2-тональный: 60 дБм
- LT5575 и 2 : 0,00317
- Смещение постоянного тока на выходе LT5575: 0,32 мВ
- Коэффициент усиления напряжения основной полосы частот: 31,6
- Смещение постоянного тока на аналого-цифровом входе: 10 мВ
Отдельные несущие WCDMA также могут служить источниками помех, как подробно описано в разделе 7. 5.1. В одном случае эта несущая смещена не менее чем на 10 МГц от желаемой несущей, но все еще находится в полосе приема. Уровень мощности составляет –40 дБм, и приемник должен соответствовать чувствительности –115 дБм для сигнала 12,2 кбит/с при BER 0,1%. Вот подробности:
- Сигнал, поступающий на порт приемной антенны: –40 дБм
- ВЧ-усиление, предшествующее LT5575: 20 дБ
- Сигнал, поступающий на LT5575: –20 дБм
- LT5575 IIP2, 2-тональный: 60 дБм
- LT5575 и 2 : 0,00317
Моделирование в MATLAB, выполненное с использованием псевдослучайного канала, предсказывает искажение на выходе LT5575, равное –98,7 дБм. Этот результат хорошо согласуется с результатом уравнения 6, который предсказывает мощность искажения –98,2 дБм.
Продукт основной полосы частот, который появляется на выходе LT5575, представляет собой шумоподобный сигнал, создаваемый мешающей несущей WCDMA. Если этот сигнал достаточно велик, он может добавить к шуму теплового приемника и аналого-цифрового преобразователя, что ухудшит чувствительность. Вычислите эквивалентный тепловой шум на входе приемника без дополнительных искажений:
- Чувствительность: –121 дБм
- Обработка + усиление кодирования: 25 дБ
- Отношение сигнал/шум при чувствительности: 5,2 дБ
- Тепловой шум на входе приемника: –101,2 дБм
Теперь верните сигнал искажения на вход приемника:
- ВЧ-усиление до LT5575: 20 дБ
- Эквивалентный уровень помех на входе Rx: –118,7 дБм
Продукт второго порядка основной полосы частот в этом случае на 17,5 дБ ниже теплового шума на входе приемника. В результате ухудшение чувствительности составляет <0,1 дБ, поэтому приемник легко соответствует спецификации –115 дБм. Это показано на рис. 3. Одиночные несущие WCDMA также могут появляться вне полосы частот, как указано в разделе 7.5.1. Они могут находиться непосредственно рядом с полосой приема на уровнях до –40 дБм. И здесь влияние второго порядка таких носителей на чувствительность пренебрежимо мало, как показывает предшествующий анализ.
<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/understanding-ip2-and-ip3-issues-in-direct-conversion -receivers/figure3.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 3’>
Рисунок 3. Искажение 2-го порядка из-за несущей WCDMA
Еще одна угроза чувствительности возникает из-за утечки передатчика в системах FDD, как показано на рис. 4. В системе FDD передатчик и приемник работают одновременно. Для случая WCDMA Band I полоса передачи на 130 МГц выше полосы приема. Обычно используется одна антенна с передатчиком и приемником, соединенными дуплексером. Вот некоторые типичные технические характеристики диплексера резонаторного типа, связанного с базовой станцией:
- Изоляция, Tx-Rx 2110 МГц: 55 дБ
- Вносимые потери диплексера, тракт передачи: 1,2 дБ
<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/understanding-ip2-and-ip3-issues-in-direct-conversion -receivers/figure4. png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 4’>
Рисунок 4. Последствия утечки преобразователя
В случае базовой станции глобальной сети мощность передачи может достигать 46 дБм. На передающем порту дуплексера мощность не менее 47 дБм. Этот модулированный сигнал высокого уровня просачивается на вход приемника, и некоторая его часть приводит в действие I/Q-демодулятор:
- Входная мощность приемника: –8 дБм
- Подавление BPF Rx на частоте 2110 МГц: 40 дБ
- ВЧ-усиление, предшествующее LT5575: 20 дБ
- Сигнал, поступающий на LT5575: –28 дБм
- LT5575 IIP2, 2-тональный: 60 дБм
- LT5575 и 2 : 0,00317
Моделирование MATLAB, выполненное с использованием псевдослучайного канала, предсказывает следующее:
- Искажение на выходе LT5575: –114,7 дБм
Отнесите этот сигнал обратно на вход приемника:
- ВЧ-усиление до LT5575: 20 дБ
- Эквивалентный уровень помех на входе Rx: –134,7 дБм
- Тепловой шум на входе приемника: –101,2 дБм
Эта эквивалентная помеха на 33,5 дБ ниже теплового шума на входе приемника. В результате ухудшение чувствительности составляет <0,1 дБ, поэтому приемник легко соответствует спецификации –121 дБм.
Искажение третьего порядка (IP3)
Точка пересечения третьего порядка (IP3) влияет на сигнал основной полосы частот, когда два правильно разнесенных канала или сигнала входят в нелинейный элемент.
Вернемся к передаточной функции: y(t) = x(t) + a 2 x 2 (t) + a 3 x 3 (t) + …, где x(t) равно входной сигнал, состоящий как из полезных, так и из нежелательных сигналов. Рассмотрим теперь член искажения третьего порядка. Коэффициент a 3 равен 2/(3Z 0 IP3), где IP3 — точка пересечения одиночного тона в ваттах. Обратите внимание, что двухтональный IP3 на 4,78 дБ ниже однотонального IP3.
Два сигнала, входящие в нелинейный элемент, генерируют сигнал с центром на нулевой частоте, если интервал между двумя сигналами равен расстоянию до нулевой частоты. Пусть x(t) = A(t)cosωt + B(t)cosω u t, где первый член — это полезный сигнал, а второй — нежелательный сигнал. Нежелательный сигнал может быть тоном или модулированным сигналом. Если это тон, то B(t) просто константа. Если это модулированный сигнал, то B(t) представляет огибающую сигнала.
Тогда выходной сигнал равен y(t):
Представляющий интерес термин искажения третьего порядка здесь равен ¾a 3 A(t)B 2 (t)cos(2ω u – ω)t. Чтобы это искажение появилось в основной полосе частот, установите ω = 2ω и . Сила искажения
, который можно расширить до
Рассмотрим случай модулированного полезного сигнала и источника тональных помех; B(t) можно заменить на B. См. рис. 5. Значение E{B 4 } можно выразить как (2Z 0 P u ) 2 , где P u — мощность генератора тональных помех. Мы можем использовать уравнение 2, чтобы выразить E{A 2 (t)} через мощность полезного сигнала как 2Z o P s , где P s — мощность полезного сигнала. Тогда уровень мощности искажения в основной полосе равен:
<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/understanding-ip2-and-ip3-issues-in-direct -conversion-receivers/figure5.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 5’>
Рисунок 5. Эффекты искажения 3-го порядка
Если нежелательный сигнал модулируется, используйте уравнения 2 и 5, чтобы выразить E{B 4 (t)} as 3(2Z 0 P u ) 2 , где P u мощность тональной помехи:
В примере с приемником прямого преобразования раздел 7.6.1 спецификации WCDMA требует наличия двух мешающих сигналов, как показано на рисунке 6. Один из них представляет собой непрерывный тон –48 дБм, а другой – несущую WCDMA –48 дБм. Они смещены по частоте, так что результирующий продукт 3-го порядка появляется с центром вокруг постоянного тока. Вычислите продукт интермодуляции, сгенерированный в демодуляторе I/Q:
- ВЧ-усиление до LT5575: 20 дБ
- Сигналы, поступающие на LT5575: –28 дБм
- LT5575 IIP3, 2-тональный: 22,6 дБм
- LT5575 и 3 : 0,0244
<img src=’https://www. analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/understanding-ip2-and-ip3-issues-in-direct-conversion -receivers/figure6.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 6’>
Рис. 6. Искажение 3-го порядка из-за несущей WCDMA + источника тональных помех
Моделирование в MATLAB, выполненное с использованием псевдослучайного канала, предсказывает искажение на выходе LT5575 –135,8 дБм. Этот результат хорошо согласуется с уравнением 8, которое предсказывает мощность искажения –135,7 дБм.
Отнесите этот сигнал обратно на вход приемника:
- ВЧ-усиление до LT5575: 20 дБ
- Эквивалентный уровень помех на входе Rx: –155,8 дБм
- Тепловой шум на входе приемника: –101,2 дБм
Эквивалентная помеха в этом случае на 54,6 дБ ниже теплового шума на входе приемника. В результате ухудшение чувствительности составляет <0,1 дБ, поэтому приемник легко соответствует спецификации –121 дБм.
Заключение
Приведенные здесь расчеты с использованием I/Q-демодулятора LT5575 показывают, что приемник глобальной базовой станции WCDMA может быть успешно реализован с использованием архитектуры прямого преобразования. Высокая линейность 2-го порядка и входная точка сжатия 1 дБ LT5575 имеют решающее значение для удовлетворения требований к производительности такой конструкции.
Автор
Doug Stuetzle
Doug Stuetzle — старший инженер по аналоговым приложениям в компании Linear Technology. Он присоединился к компании в 2003 году, обеспечивая поддержку приложений для активных смесителей, демодуляторов и детекторов в линейке продуктов RF. Он также разработал и поддерживал LTM9.003, LTM9004, LTM9005 и LTM9013 RF-to-модули цифрового приемника. Эти модули были разработаны для удовлетворения комплексных требований различных стандартов цифровой связи и охватывают аспекты схемотехники от ВЧ-диапазона гигагерцового диапазона до частот ПЧ, вплоть до оцифрованного выходного битового потока.
В настоящее время он обеспечивает поддержку приложений для различных аналого-цифровых преобразователей SAR и Delta Sigma. В его обязанности входит поддержка клиентов, проектирование схем, компоновка печатных плат и генерация кода Verilog для ПЛИС.