- PDF Free Download

Transkript

1 MODERNÍ RADIOTECHNIKA

2

3 Josef Dobeš Václav Žalud MODERNÍ RADIOTECHNIKA Praha 2006

4 Doc. Ing. Josef Dobeš, CSc. obhájil dizertaèní práci v oboru mikroelektronika na ÈVUT v Praze v roce V letech 1986 až 1992 byl samostatným vìdeckým pracovníkem TESLA VÚST, kde se podílel na vývoji simulátorù technologie výroby integrovaných obvodù CMOS. Od roku 1992 pracuje na Fakultì elektrotechnické ÈVUT, v souèasné dobì je docentem katedry radioelektroniky. Zabývá se modelováním vysokofrekvenèních a mikrovlnných tranzistorù, vytváøením a zdokonalováním algoritmù pro analýzu a optimalizaci elektronických obvodù a konstrukcí komplexních programù pro návrh obvodù poèítaèem. Vyuèuje základy radiotechniky, rádiové funkèní bloky a návrh obvodù nástroji CAD. Doc. Ing. Václav Žalud, CSc. pracuje již delší dobu na Fakultì elektrotechnické ÈVUT v Praze. Pùvodnì se zabýval radioelektronickými obvody a funkèními bloky a také technikou rádiových pøijímaèù a vysílaèù. V posledních letech je zamìøen na problematiku radiokomunikaèních systémù, zejména pak systémù pro pozemní mobilní komunikaci, vèetnì jejich technologického øešení. V centru jeho zájmù se nacházejí hlavnì buòkové mobilní sítì (GSM, UMTS aj.), rádiové lokální sítì W-LAN a personální sítì W-PAN. Lektoøi: kapitol 1, 2, 3 a 6 Ing. Jiøí Cochlar, CSc. (kapitola 1) Ing. František Straòák, CSc. (kapitola 2, èl. 2.1 až 2.4) Doc. Ing. Boris Šimák, CSc. (kapitola 2, èl. 2.5) Ing. Jan Slavík (kapitola 3 a kapitola 6) kapitol 4 a 5 Prof. Ing. Dalibor Biolek, CSc. cenné pøipomínky k finálnímu textu tìchto kapitol poskytli Ing. Ladislav Pospíšil, Ing. Pavel Purièer, Ing. Josef Špaèek, Ing. Bacarreza Nogales, Ing. Martin Kováø, Ing. Karel Mikuláštík, Ing. Krámský. Josef Dobeš, Václav Žalud MODERNÍ RADIOTECHNIKA *** Bez pøedchozího písemného svolení nakladatelství nesmí být kterákoli èást kopírována nebo rozmnožována jakoukoli formou (tisk, fotokopie, mikrofilm nebo jiný postup), zadána do informaèního systému nebo pøenášena v jiné formì èi jinými prostøedky. Autor a nakladatelství nepøejímají záruku za správnost tištìných materiálù. Pøedkládaná zapojení a informace jsou zveøejnìny bez ohledu na pøípadné patenty tøetích osob. Nároky na odškodnìní na základì zmìn, chyb, nebo vynechání jsou zásadnì vylouèeny. Veškerá práva vyhrazena. Doc. Ing. Josef Dobeš CSc Doc. Ing. Václav Žalud CSc Nakladatelství BEN technická literatura, Vìšínova 5, Praha 10 Josef Dobeš, Václav Žalud: Moderní radiotechnika BEN technická literatura, Praha vydání ISBN

5 STRUÈNÝ OBSAH 1. tematický celek MODERNÍ RADIOTECHNIKA 1 Rádiové signály a systémy 2 Modulace a kódování 3 Radioelektronické obvody a subsystémy 2. tematický celek 4 Modely polovodièových prvkù 5 Algoritmy pro návrh elektronických obvodù 3. tematický celek 6 Technika rádiového pøenosu

6 PODROBNÝ OBSAH PØEDMLUVA tematický celek 1 RÁDIOVÉ SIGNÁLY A SYSTÉMY Rádiové signály a jejich klasifikace Nìkteré dùležité signály spojité v èase Signály nespojité v èase Rádiové systémy Vlastnosti systémù Reprezentace složitìjších systémù Lineární èasovì invariantní systémy Spojité lineární èasovì invariantní systémy Nespojité lineární èasovì invariantní systémy Reprezentace signálù ve frekvenèní oblasti Fourierova øada Fourierova transformace Diskrétní Fourierova transformace a rychlá Fourierova transformace Krátkodobá Fourierova transformace a vlnková transformace Hilbertova transformace a komplexní obálka signálù Hilbertova transformace Komplexní obálka pásmových modulovaných signálù Korelace deterministických signálù Korelaèní funkce deterministických signálù Autokorelaèní funkce deterministických signálù Èinitel korelace Náhodné signály Základní pojmy Funkce hustoty pravdìpodobnosti, pravdìpodobnostní distribuèní funkce Statistické prùmìry náhodných promìnných Nìkteré funkce hustoty pravdìpodobnosti a distribuèní funkce Autokorelaèní a korelaèní funkce Spektrální analýza náhodných signálù Pøíklady náhodných signálù Šum MODULACE A KÓDOVÁNÍ Obecné schéma komunikaèního systému Vysílací èást rádiového komunikaèního systému Pøijímací èást rádiového komunikaèního systému Kódované modulace a další vývoj Shannonova schématu MODERNÍ RADIOTECHNIKA

7 2.1.4 Reálný komunikaèní systém Komunikaèní kanály Teorém kanálové kapacity (Shannonùv-Hartleyùv vztah) Referenèní model OSI RM Pøehled a klasifikace modulací Základní parametry modulací Ochranné kanálové kódování Zdrojové kódování (redukce bitové rychlosti) Analogové modulace Základní principy analogových modulací Amplitudové modulace Odvozené amplitudové modulace DSB, SSB, ISB, VSB a QAM Frekvenèní modulace FM a fázová modulace PM Modulátory pro modulace FM a modulace PM Demodulátory pro modulace FM a modulace PM Vzájemné porovnání analogových modulací Digitální modulace v základním pásmu Pøednosti digitálních modulací Nekódovaná modulace PAM, vzorkovací teorém Konverze vzorkovacích rychlostí Vzorkování pásmových signálù Pulzní kódovaná modulace PCM Šum v systémech PCM Odvozené pulzní kódované modulace DPCM, DM, ADM Formáty signálù pro binární data, diferenciální kódování Frekvenèní filtrace pro nulové intersymbolové interference (Nyquistova strategie) Frekvenèní filtrace pomocí gaussovských dolních propustí Frekvenèní filtrace na principech pøizpùsobeného filtru (korelaèní pøijímaè) Frekvenèní filtrace typu I&D (integrace a resetování k nule) Ekvalizace Korelaèní kódování Digitální modulace (diskrétní modulace s nosnými vlnami) Základní typy digitálních modulací Klasifikace digitálních modulací Nìkteré aplikace digitálních modulací Základní modulace FSK (2FSK, MFSK) Základní modulace PSK (BPSK, D-BPSK, MPSK) Ètyøstavová modulace QPSK a modulace DQPSK Ofsetová modulace QPSK (O-QPSK) Modulace π/4-qpsk a modulace π/4-dqpsk Modulace CPM obecné vlastnosti Modulace MSK Modulace GMSK Modulace M-QAM (modulace s promìnnou obálkou) MODERNÍ RADIOTECHNIKA 7

8 Další varianty modulací s promìnnou obálkou Modulaèní formáty s více nosnými vlnami MCM, ortogonální frekvenèní multiplex OFDM Obnova referenèní nosné vlny (CR) a èasování symbolù (STR) Grafické zobrazení signálù používaných u diskrétních modulací Vzájemné porovnání diskrétních modulací Kódování kanálu detekce a korekce chyb Základní principy kódování FEC, hlavní ochranné kódy Tvrdé a mìkké rozhodování Kanálové detekèní kódy s paritními bity Kanálové blokové kódy Kanálové konvoluèní kódy Øetìzové kódy Turbo kódy Adaptivní modulace a kódování Rádiové systémy s automatickým opakováním pøenosu ARQ Prokládání (interleaving) Ekvalizace Diverzitní rádiové komunikaèní systémy Systémy MIMO s prostorovì èasovou diverzitou Kódované modulace Porovnání ochranných kanálových kódù RADIOELEKTRONICKÉ OBVODY A SUBSYSTÉMY Dvojbrany v radioelektronice Admitanèní parametry a rozptylové parametry dvojbranù Vstupní a výstupní admitance, èinitelé odrazu a stabilita Napìt'ové zesílení a výkonová zesílení Šumové vlastnosti Frekvenèní a nelineární zkreslení Dynamický rozsah Aktivní lineární dvojbrany (tranzistory BJT a FET) Vysokofrekvenèní a mikrovlnné zesilovaèe Úzkopásmové tranzistorové zesilovaèe Obecný postup návrhu úzkopásmových zesilovaèù Širokopásmové tranzistorové zesilovaèe Výkonové pásmové tranzistorové zesilovaèe Konverze AM-AM a AM-PM u výkonových zesilovaèù Urèení systémových parametrù vícestupòové kaskády Nelineární obvody Smìšovaèe Modulátory Oscilátory Fázový závìs PLL MODERNÍ RADIOTECHNIKA

9 2. tematický celek 4 MODELY POLOVODIÈOVÝCH PRVKÙ Model polovodièové diody Charakteristika modelu Parametry modelu Statická èást modelu Dynamická èást modelu Teplotní závislosti Šumový model Model programu CIA Identifikace modelu Model bipolárního tranzistoru Charakteristika modelu Parametry modelu Statická èást modelu Dynamická èást modelu Teplotní závislosti Šumový model Model programu CIA Identifikace modelu Model JFET Charakteristika modelu Parametry modelu Statická èást modelu Dynamická èást modelu Teplotní závislosti Šumový model Model programu CIA Identifikace modelu Model MOSFET Charakteristika modelù Parametry modelù Statická èást modelù a Statická èást semiempirického modelu b Statická èást modelu BSIM Dynamická èást modelù a Dynamická èást semiempirického modelu b Dynamická èást modelu BSIM Teplotní závislosti Šumový model Model programu CIA Identifikace modelu Model MESFET Charakteristika modelu MODERNÍ RADIOTECHNIKA 9

10 4.5.2 Parametry modelu a Statická èást Sussman-Fortova, Hantganova a Huangova modelu b Statická èást Statzova modelu a Dynamická èást Sussman-Fortova, Hantganova a Huangova modelu b Dynamická èást Statzova modelu Teplotní závislosti Šumový model Model programu CIA Identifikace modelu Kmitoètová disperze parametrù modelu Vytváøení pøesných modelù polovodièových prvkù umìlými neuronovými sítìmi Modelování polovodièových prvkù exkluzivními neuronovými sítìmi Modelování polovodièových prvkù korekèními neuronovými sítìmi Urèení optimální struktury neuronové sítì Nestandardní výstupy modelování neuronovými sítìmi ALGORITMY PRO NÁVRH ELEKTRONICKÝCH OBVODÙ Implicitní integrace algebro-diferenciálních rovnic a citlivostní analýza v èasové oblasti Prediktor Korektor Automatické urèení délky integraèního kroku a øádu interpolaèního mnohoèlenu Statická varianta algoritmu Pøíklad øešení statického systému Pøíklad øešení dynamického systému Citlivostní analýza Statická varianta citlivostní analýzy Pøíklad øešení citlivostí statického systému Pøíklad øešení citlivostí dynamického systému Teoretické základy algoritmu Øešení rozsáhlých øídkých soustav lineárních rovnic a citlivostní analýza v kmitoètové oblasti LU rozklad Výbìr hlavních prvkù Uspoøádání LU rozkladu pro zvýšení jeho efektivnosti Øešení soustav lineárních rovnic s trojúhelníkovou maticí soustavy Citlivostní analýza v kmitoètové oblasti a Standardní citlivostní analýza v kmitoètové oblasti b Šumová citlivostní analýza v kmitoètové oblasti c Analyticky øešený pøíklad šumové citlivostní analýzy v kmitoètové oblasti d Citlivostní analýza šumového èísla MODERNÍ RADIOTECHNIKA

11 5.2.5e Pøíklad citlivostní analýzy šumového èísla Pøesná analýza pólù a nul pøenosových funkcí rozsáhlých systémù Redukce zobecnìné úlohy charakteristických èísel na standardní tvar Pøíklad redukce zobecnìné úlohy charakteristických èísel na standardní tvar Výbìr klíèových prvkù Zpøesnìní redukce aritmetikou s volitelnou délkou mantisy a exponentu Øešení standardní úlohy charakteristických èísel algoritmem QR Pøíklad øešení standardní úlohy charakteristických èísel algoritmem QR Algoritmus QR s posunem poèátku Pøíklad analýzy pólù a nul pøenosové funkce Analýza pólù a nul pøenosové funkce èíslicových filtrù a Pøíklad analýzy nul pøenosové funkce èíslicového filtru FIR b Pøíklad analýzy pólù a nul pøenosové funkce èíslicového filtru IIR Urèení ustálené periodické odezvy neautonomních a autonomních obvodù s dlouhými pøechodnými dìji Urèení ustálené periodické odezvy lineárních obvodù analytickým øešením Urèení ustálené periodické odezvy nelineárních obvodù ε-algoritmem Pøíklad urèení ustálené periodické odezvy autonomního obvodu Optimalizace v èasové a kmitoètové oblasti Zobecnìná metoda nejmenších ètvercù Normalizace vektoru odchylek a Jacobiovy matice Pøíklad identifikace parametrù modelu zobecnìnou metodou nejmenších ètvercù Levenbergova-Marquardtova metoda a Empirická volba pøepínaèe optimalizaèních metod b Exaktní volba pøepínaèe optimalizaèních metod Kontrola a øízení konvergence optimalizace Pøíklad identifikace ètyø pólù a jedné nuly pøenosové funkce modelu operaèního zesilovaèe Teoretický základ algoritmu Odhad intermodulaèních a harmonických produktù pomocí Volterrových øad Charakteristika kvazilineární analýzy Pøíklad kvazilineární analýzy Omezení kvazilineární analýzy Rychlá Fourierova transformace Diskrétní Fourierova transformace Analýza nejhoršího stavu Úèel a charakteristika algoritmu Pøíklad analýzy nejhoršího stavu Použití nestandardních typù analýz pro efektivní návrh mikrovlnných obvodù Analýza mikrovlnného oscilátoru s rozprostøeným zesílením MODERNÍ RADIOTECHNIKA 11

12 5.9.2 Analýza mikrovlnného zesilovaèe s rozprostøeným zesílením Analýza ètyøkvadrantové mikrovlnné násobièky tematický celek 6 TECHNIKA RÁDIOVÉHO PØENOSU Multiplex a mnohonásobný pøístup Frekvenèní multiplex FDM Základní koncepce frekvenèního multiplexu Interference v systémech frekvenèního multiplexu Èasový multiplex TDM Základní koncepce èasového multiplexu Struktura signálù v multiplexu TDM Kódový multiplex CDM Systém DS SS s pøímým rozprostíráním Systém FH SS s frekvenèním skákáním Systémy s mnohonásobným pøístupem, protokoly MAP Protokoly s deterministickým pøístupem Protokoly se stochastickým pøístupem Protokoly s kódovým dìlením CDMA Dva základní typy sítí pro pøenos dat (CSDN a PSDN) Datové sítì s pøepojováním okruhù CSDN Datové sítì s pøepojováním paketù PSDN Synchronní a asynchronní pøenosový mód ATM Rùzné provozní režimy rádiového pøenosu Rùzné formy rádiového vysílání Energetická bilance rádiového spojení Radiokomunikaèní rovnice Systémový zisk Úrovòový diagram LITERATURA REJSTØÍK KNIHY NAKLADATELSTVÍ BEN TECHNICKÁ LITERATURA MODERNÍ RADIOTECHNIKA

13 PØEDMLUVA V roce 2000 vydalo nakladatelství BEN technická literatura v Praze, knižní monografii s názvem Moderní radioelektronika. Kniha se setkala s pøíznivým ohlasem ètenáøù a po pomìrnì krátké dobì byla zcela vyprodána. Proto je nyní pøedkládána ètenáøùm tematicky podobnì zamìøená, avšak obsahovì prakticky úplnì nová publikace Moderní radiotechnika. Jak již z názvu vyplývá, jsou v této nové knize ponìkud omezeny nároèné teoretické partie a hlavní pozornost je vìnována aplikované teorii a technické praxi daného oboru. První kapitola shrnuje teoretické základy moderní radiotechniky. Oproti pøedchozí práci je rozsah kapitoly celkovì redukován, navíc jsou zde však zaøazeny nové aktuální partie, napøíklad vlnková transformace, podrobnìji se také probírají nìkterých specifické otázky šumových dvojbranù. Druhá kapitola pojednává o modulacích a o kanálovém kódování. Jsou v ní výraznì zkráceny èásti zamìøené na analogové modulace a na nìkteré ménì používané digitální modulace. Naopak zde jsou novì zpracovány poznatky o moderních metodách vzorkování analogových signálù (konverze vzorkovacích rychlostí, vzorkování pásmových signálù) a o rùzných progresivních metodách filtrace v digitální komunikaci (metoda I&D, tj. integrace s resetováním atd.). Zvýšená pozornost je potom vìnována adaptivním modulacím, které spolu s adaptivním kódováním pronikají v široké míøe do digitální radiokomunikace. Detailnì je také probírán ortogonální frekvenèní multiplex OFDM, který se øadí mezi nejperspektivnìjší pøenosové formáty pøedevším v dynamicky se rozvíjející pozemní komunikaci. Výrazná modernizace se uplatnila také v èláncích vìnovaných ochrannému kanálovému kódování. Zde jsou pøedevším rozšíøeny partie o klasických blokových a konvoluèních kódech, vèetnì kódù punkturovaných. Novì jsou potom zpracovány èlánky o øetìzových kódech a turbo kódech, které již umožòují reálným systémùm velmi tìsnì se pøiblížit v úèinnosti kódování k teoretickému Shannonovu limitu. Právì tyto kódovací formáty pøispìly v nedávných letech k významným úspìchùm ve zkoumání vzdáleného kosmu, nezastupitelnou úlohu však sehrají i v nastupujících systémech mobilní komunikace tøetí a vyšších generací. Do knihy jsou také zaøazeny nové partie pojednávající o systémech ochrany ARQ, založené na opakovaném vyslání. Podrobnìji se probírají rovnìž rùzné formy diversity, vèetnì prostorovì èasové diversity MIMO, která se stává nejen úèinným prostøedkem k potlaèení únikù pøi rádiovém pøenosu, ale nabízí i extrémní zvýšení spektrální úèinnosti komunikaèních systémù. Tøetí kapitola se zabývá popisem radioelektronických obvodù a subsystémù. Je zde prohloubena obecná teorie dvojbranù, náležitá pozornost je dále vìnována zesilovaèùm a nìkterým nelineárním dvojbranùm používaným v radiotechnice. Poèítaèová analýza a optimalizace obvodù používaných v radiotechnice je podrobnì definována ve ètvrté a páté kapitole jde o témata, která v pùvodní monografii z roku 2000 nebyla vùbec zaøazena. Ètvrtá kapitola je vìnována modelùm polovodièových prvkù používaných ve vysokofrekvenèní technice. Z tohoto dùvodu je dùraz kladen nejenom na precizní reprezentaci namìøených stejnosmìrných prùbìhù, ale i na pøesné charakterizování dynamických vlastností prvkù vèetnì kmitoètové disperze parametrù. Definice modelù obsahuje øadu odvození i praktických ukázek identifikací parametrù, èímž se zásadnì odlišuje od manuálù programù. Kromì toho jsou v kapitole demonstrována i èetná originální vylepšení standardních modelù. Kapitola je doplnìna demonstracemi moderního trendu v modelování vysokofrekvenèních prvkù, kterým je použití neuronových sítí. Pátá kapitola obsahuje definice MODERNÍ RADIOTECHNIKA 13

14 standardních i originálních algoritmù pro návrh elektronických obvodù poèítaèem. Nìkteré principy jsou definovány ve stylu publikací matematického charakteru, na rozdíl od nich jsou však aplikace metod demonstrovány pomocí mnoha praktických úloh radiotechniky. V závìru kapitoly je pøedvedeno využití originálních nestandardních metod pro získání více komplexnìjších údajù o analyzovaných obvodech než bývá obvyklé u standardních programových prostøedkù. Šestá kapitola je zamìøena na rùzné metody rádiového pøenosu. Zkoumají se zde základní techniky multiplexování FDM, TDM a CDM a v návaznosti jsou dále popisovány pøíslušné metody mnohonásobného pøístupu. Zvýšená pozornost je vìnována zejména pøístupu s kódovým dìlením CDMA, který se stává hlavním pøenosovým formátem napøíklad u mobilních systémù 3. generace, kde již konvenèní pøístupy FDMA/TDMA s klasickými modulacemi s jedinou nosnou vlnou (GMSK ap.) nevyhovují. Zkoumají se rovnìž stochastické pøístupové metody (Aloha, CSMA aj.), které výraznì zvyšují propustnost radiokomunikaèních kanálù. Tyto pøenosové formáty jsou rovnìž velice perspektivní v pozemní fixní i mobilní komunikaci, ale také v komunikaci družicové. Další èásti se zabývají nìkterými specifickými otázkami rádiových datových sítí s pøepojováním okruhù CSDN a s pøepojováním paketù PSDN. Jsou zde probírány otázky rùzných provozních módù v tìchto sítích (STM, ATM), rozlièné formy duplexního spojení (FDD, TDD, CDD) apod. V závìru celé publikace je naznaèen výpoèet energetické bilance ideálního rádiového spoje. Tato kniha se zabývá obecnými otázkami moderní radiotechniky. Jednotlivá témata jsou ilustrována øadou konkrétních pøíkladù. Pøíslušné aplikace budou probírány ve volnì navazujícím druhém dílu. Tento druhý díl bude zamìøen již na nejrùznìjší konkrétní systémy moderní rádiové komunikace, jako jsou veøejné mobilní sítì tøetí generace UMTS, neveøejné svazkové systémy TETRA, nìkteré družicové systémy, rádiové lokální sítì W-LAN apod. Dotazy nebo pøipomínky k vìcnému obsahu i k formální podobì knihy mohou ètenáøi zasílat buï vydavatelství BEN technická literatura, Praha, nebo pøímo na ové adresy autorù: dobes@fel.cvut.cz, zalud@fel.cvut.cz. Josef Dobeš Václav Žalud Praha 4 Lhotka Malé Horky 2 14 MODERNÍ RADIOTECHNIKA