Funkční bloky rádiových systémů

Transkript

1 Funkční bloky rádiových systémů Doc. Dr. Ing. Pavel Kovář ČVUT FEL, K13137

2 Rádiový přijímač Vstupní díl přijímače Pásmový signál s(t) Kvadraturní demodulátor -sin(ω c t) cos(ω c t) Generátor nosné vlny Komplexní obálka ( ) Re sɶ t ( ) Im sɶ t Demodulátor komplexní obálky signálu 2

3 Rádiový přijímač Vstupní díl přijímače Signál přijímaný anténou Kvadraturní demodulátor Demodulátor dat Analogový, Pásmový (spektrum soustředěno kolem nosného kmitočtu) Zpracování signálu v přijímači Analogové a číslicové 3

4 Rádiový přijímač Vstupní díl přijímače ADC Signál přijímaný anténou Kvadraturní demodulátor Demodulátor dat Analogový, Pásmový (spektrum soustředěno kolem nosného kmitočtu) Zpracování signálu v přijímači Analogové a číslicové 4

5 Rádiový přijímač Vstupní díl přijímače Analogové signály ADC Signál přijímaný anténou Kvadraturní demodulátor Demodulátor dat Analogový, Pásmový (spektrum soustředěno kolem nosného kmitočtu) Zpracování signálu v přijímači Analogové a číslicové 5

6 Rádiový přijímač Vstupní díl přijímače Analogové signály ADC Signál přijímaný anténou Kvadraturní demodulátor Demodulátor dat Analogový, Pásmový (spektrum soustředěno kolem nosného kmitočtu) Zpracování signálu v přijímači Analogové a číslicové Číslicové signály 6

7 Rádiový přijímač Vstupní díl přijímače Signál přijímaný anténou Kvadraturní demodulátor Demodulátor dat Analogový, Pásmový (spektrum soustředěno kolem nosného kmitočtu) Zpracování signálu v přijímači Analogové a číslicové 7

8 Rádiový přijímač Vstupní díl přijímače Signál přijímaný anténou Kvadraturní demodulátor Demodulátor dat Analogový, Pásmový (spektrum soustředěno kolem nosného kmitočtu) Zpracování signálu v přijímači Analogové a číslicové ADC 8

9 Rádiový přijímač Vstupní díl přijímače Analogové signály Signál přijímaný anténou Kvadraturní demodulátor Demodulátor dat Analogový, Pásmový (spektrum soustředěno kolem nosného kmitočtu) Zpracování signálu v přijímači Analogové a číslicové ADC 9

10 Rádiový přijímač Vstupní díl přijímače Analogové signály Signál přijímaný anténou Kvadraturní demodulátor Demodulátor dat Analogový, Pásmový (spektrum soustředěno kolem nosného kmitočtu) Zpracování signálu v přijímači Analogové a číslicové ADC Číslicové signály 10

11 Rádiový přijímač Vstupní díl přijímače Signál přijímaný anténou Kvadraturní demodulátor Demodulátor dat Analogový, Pásmový (spektrum soustředěno kolem nosného kmitočtu) Zpracování signálu v přijímači Analogové a číslicové 11

12 Rádiový přijímač Vstupní díl přijímače Signál přijímaný anténou Kvadraturní demodulátor Demodulátor dat Analogový, Pásmový (spektrum soustředěno kolem nosného kmitočtu) Zpracování signálu v přijímači Analogové a číslicové 12

13 Vlastnosti vstupního dílu přijímače Zpracovává signály přijímané anténou Vždy analogový Velký dynamický rozsah, tj. rozsah úrovní signálu na vstupu přijímače Citlivost schopnost přijímače zpracovávat slabé signály vysílač přijímač Úroveň signálu na vstupu u některých systémů se může lišit a až o 100 db (například 1µV 100 mv)! 13

14 Vlastnosti vstupního dílu přijímače Selektivita schopnost potlačit signály mimo přijímané kmitočty 14

15 Vlastnosti vstupního dílu přijímače Selektivita schopnost potlačit signály mimo přijímané kmitočty kanál B kanál A 15

16 Vlastnosti vstupního dílu přijímače Selektivita schopnost potlačit signály mimo přijímané kmitočty kanál B kanál A 16

17 Přijímače - začátky CW klíčování nosné AM amplitudová modulace První přijímače (krystalové přijímače) detektor vysokofrekvenčního signálů malá citlivost a selektivita sklenìná trubièka s kovoými pilinami G 17

18 Přímo zesilující přijímače Před demodulátor zařazen vysokofrekvenční zesilovač zvýšení citlivosti přijímače přetrvává problém se selektivitou a přeladitelností přijímače vstupní obvod vf (selektivní) zesilovač demod. výstup 18

19 Jednoduchý LC rezonanční obvod A L R C 2 ( ω) = 1+ S ( ω) ( ω) 0 S = Q = Q C Q = R L 1 ω0 = LC B 1 ( ) = tan β ( ω) φ ω 3 = f 0 Q ω ω0 ω ω β - amplitudová charakteristika - poměrné rozladění - činitel jakosti - rezonanční úhlový kmitočet - fázová charakteristika - 3 db šířka pásma B a B 3 f 1 f 0 f 2 3dB f

20 Činitel jakosti Q Popisuje ztráty v reálných rezonančních obvodech a rezonátorech Energie naakumulovaná v rezonátoru Q = 2π Energie ztracená za jednu periodu 20

21 Realizovatelnost filtrů Šířka pásma jednoduchého LC obvodu závisí f0 na provozním Bčiniteli 3 = jakosti. Q Činitel jakosti realizovatelných cívek Q~ Provozní činitel jakosti LC obvodu je ještě menší v důsledku vstupních a výstupních obvodů, ztrátách v kondenzátoru atd. => Z technologických důvodů nelze realizovat libovolně selektivní filtr! 21

22 Ukázka vlivu činitele jakosti na přenosovou charakteristiku filtru Schéma filtru Modulová charakteristika filtru ideální prvky činitel jakosti indukčností Q = 100 Realizace cívek Indukčnosti 2,5 µh odpovídá asi 25 z, drátu o Ф 0,3 mm na kostřičce Ф 5mm.

23 Problém s přeladitelností LC filtru

24 Problém s přeladitelností LC filtru

25 Problém s přeladitelností LC filtru Modulová charakteristika db C=100pF C=50pF C=20pF C=10pF

26 Problém s přeladitelností LC filtru Modulová charakteristika db C=100pF C=50pF C=20pF C=10pF Selektivita filtru se mění se středním kmitočtem!

27 Superheterodynní přijímač preselektor lokální oscilátor mezifrekv. zesilovač demod. Přijímaný signál je konvertován na zpravidla nižší pevný mezifrekvenční kmitočet na kterém se lépe filtruje a zesiluje

28 Kmitočtová konverze (směšování) + 1 smf t svf t LOt svf t e e 2 1 Smf ( ω) = Svf ( ω ωlo ) + Svf ( ω + ωlo ) 2 jωlot jωlot ( ) = ( ) cos ( ω ) = ( ) ( + ) S vf (ω) S mf (ω) ω ω 1/2S vf (ω+ω LO ) + 1/2S vf (ω-ω LO ) 28

29 Preselekce přijímaný kmitočet S vf (ω) H(ω) S vf (ω) S mf (ω) zrcadlový kmitočet ω ω ω + 1/2S vf (ω+ω LO ) + 1/2S vf (ω-ω LO ) ω 29

30 Preselekce S vf (ω) přijímaný kmitočet + H(ω) zrcadlový kmitočet S vf (ω) S mf (ω) ω ω ω ω 1/2S vf (ω+ω LO ) + 1/2S vf (ω-ω LO ) 30

31 Obvodová realizace směšovače LO Input RF Input Gilbertova buňka Diodový dvojitě vyvážený směšovač IF Output Vcc Vbias Vbias GND RF Input Asymetrický směšovač RF Input F_RF F_IF MF Output GND TRANS5 GND LO Input IF Output IF Input F_LO 31

32 Superheterodynní přijímač Preselektor selektivní vysokofrekvenční zesilovač vzdálenou selektivitu přijímače potlačení zrcadlových kmitočtů Mezifrekvenční zesilovač selektivní zesilovač pracující na fixním kmitočtu f mf blízkou (kanálovou) selektivitu přijímače Lokální oscilátor zdroj signálu pro směšovač varianta Ladění lokálního oscilátoru kmitočet LO přijímaný kmitočet zrcadlový kmitočet LO kmitá o mf. níž f LO = f vf - f mf f vf = f LO + f mf f z = f LO - f mf LO kmitá o mf. výš f LO = f vf + f mf f vf = f LO - f mf f z = f LO + f mf 32

33 Řízení zisku přijímače Dosažení velkého dynamického rozsahu preselektor lokální oscilátor mezifrekv. zesilovač demod. detektor úrovně Filtr AGC smyčky řízení zisku 33

34 Konstrukční problém Filtry s velkou selektivitou lze technicky realizovat na nízkých kmitočtech Řešení => zrcadlový kmitočet je blízko přijímanému signálu přijímač s dvojím směšováním => velké nároky na selektivitu preselektoru první mezifrekvenční kmitočet dostatečně vysoký, aby potlačení zrcadlového přijmu v preselektoru bylo dostatečné kanálová selektivita realizována na druhém (nízkém) mezifrekvenčním kmitočtu 34

35 Přijímač s dvojím směšováním preselektor 1. lokální oscilátor 1. mf. zesilovač 2. lokální oscilátor 2. mf. zesilovač demod. 35

36 Typy superheterodynních přijímačů Přijímač s nízkou mezifrekvencí Selektivní MF zesilovač lze realizovat aktivními filtry integrovanými na chip. Problém s potlačením zrcadlového příjmu. Přijímač s nulovou mezifrekvencí (homodyn) Signál je směšován do základního pásma. MF zesilovač realizován jako aktivní dolní propust. Problém se šumem 1/f u mf zesilovače. Problém se stejnosměrnou složkou. Konvertor Up mf kmitočet leží nad maximálním přijímaným kmitočtem. Řeší problém se zrcadlovým příjmem. Přijímač s dvojím směšováním 1. mezifrekvence vysoká řeší problém s potlačením zrcadla Blízká selektivita realizovaná na druhém mezifrekvenčním kmitočtu. 36

37 Přijímač s IRM preselektor IRM mezifrekv. zesilovač demod. lokální oscilátor Preselektor lze vynechat, zrcadlový příjem je potlačen ve směšovači Výhody ušetření drahého filtru, IRM směčovač lze integrovat na chip Nevýhody malé potlačení zrcadlového kmitočtu vzhledem ke klasické koncepci Problém s vyzařováním signálu lokálního oscilátoru přijímací anténou. Použití PLAN (Zigbee, Bloetooth, Wifi, GPS, mobilní telefony Blokové schéma chipu pro Zigbee

38 Přijímač s přímou konverzí do základního pásma Přijímaný signál je přímo směšován do základního pásma (komplexní obálky) Řeší problém s potlačením zrcadla, filtrace se provádí pomocí dolních propustí snadno integrovatelných na chip. Problém stejnosměrně vázaných zesilovačů, se šumen zejména 1/f. Problém se vznikem stejnosměrné složky způsobené nedokonalostí směšovačů. Problém s vyzařováním signálu lokálního oscilátoru přijímací anténou. PLAN (Zigbee, Bloetooth, Wifi, GPS, mobilní telefony Blokové schéma chipu pro Zigbee

39 Integrované provedeni TV tuneru 39

40 DVB-S tuner 40

41 Superreakční přijímače Využívá tzv. superreakce, vstupní tranzistor přijímače relaxačně kmitá, čímž je dosaženo velkého zesílení Přijímač se vyznačuje minimální obvodovou složitostí a velkou citlivostí Selektivita přijímače je špatná Problém s vyzařováním relaxačních kmitů Použití hračky, domovní zvonky, dálkové zamykání automobilu, jednoduchý přenos dat 41

42 Superreakční rozhlasový přijímač VKV FM 42

43 Superreakční rozhlasový přijímač VKV FM 43

44 Superreakční rozhlasový přijímač VKV FM Vlastní superreakční přijímač 44

45 Superreakční rozhlasový přijímač VKV FM Vlastní superreakční přijímač Nízkofrekvenční akustický zesilovač 45

46 1. Rádiové vysílače 46

47 1. Rádiové vysílače Kvadraturní modulátor symboly c k Modulátor komplexní obálky Signály v základním pásmu ( ) Re sɶ t ( ) Im sɶ t -sin(ω c t) cos(ω c t) Generátor nosné vlny svf ( t) Vysílač 47

48 1. Rádiové vysílače Kvadraturní modulátor symboly c k Modulátor komplexní obálky Signály v základním pásmu ( ) Re sɶ t ( ) Im sɶ t -sin(ω c t) cos(ω c t) Generátor nosné vlny svf ( t) Vysílač Analogové vysokofrekvenční a mezifrekvenční signály 48

49 1. Rádiové vysílače Kvadraturní modulátor symboly c k Modulátor komplexní obálky Signály v základním pásmu ( ) Re sɶ t ( ) Im sɶ t -sin(ω c t) cos(ω c t) Generátor nosné vlny svf ( t) Vysílač Analogové vysokofrekvenční a mezifrekvenční signály 49

50 1. Rádiové vysílače Kvadraturní modulátor symboly c k Modulátor komplexní obálky Signály v základním pásmu ( ) Re sɶ t ( ) Im sɶ t -sin(ω c t) cos(ω c t) Generátor nosné vlny svf ( t) Vysílač 50

51 1. Rádiové vysílače Kvadraturní modulátor symboly c k Modulátor komplexní obálky Signály v základním pásmu ( ) Re sɶ t ( ) Im sɶ t -sin(ω c t) cos(ω c t) Generátor nosné vlny svf ( t) Vysílač zesilovač výkonu filtr harmonických složek + přizpůsobení antény 51

52 Zesilovače výkonu Třídy zesilovačů výkonu

53 Zesilovač výkonu používaných ve vysílačích Zesilovače ve třídách A, B, C, D B, C, D z principu harmonicky zkreslují signál (generují vyšší harmonické složky zesilovaného signálu) => nutno použít filtr harmonických složek A, B lineární převodní charakteristika výkonu => lze použít pro modulace s nekonstantní obálkou Třída A B Max. účinnost [%] 50 78,5 Lineární Poznámka Bez harmonického zkreslení Lineární S harmonickým zkreslením C Blíží se 100 pro nulový úhel otevření Nelineární S harmonickým zkreslením 53

54 Modulace s konstantní a nekonstantní obálkou Konstantní obálka FSK, CPFSK, CPM BPSK, QPSK, M-PSK s obdélníkovým modulačním impulsem BPSK s obdélníkovým mod. impulsem s(t) Konstantní obálka Nekonstantní obálka ASK QAM OFDM s(t) 4ASK Nekonstantní obálka t t 54