Komunikace a elektronika. Rádiové vysílače a přijímače Modulátory a demodulátory A1B37KEL/AD1B37KEL. Verze prosince 2015

Transkript

1 A1B37KEL/AD1B37KEL Komunikae a elektronika Rádiové vysílače a přijímače Modulátory a demodulátory Verze prosine 2015 Ing. Štěpán Matějka, Ph.D. matejka@feld.vut.z Katedra radioelektroniky K13137 Fakulta elektrotehniká ČVUT Praha Tehniká Praha 6 Tato prezentae slouží pouze jako studijní pomůka pro studenty předmětů A1B37KEL/AD1B37KEL. Žádné jiné využití (jakékoliv kopírování, zveřejňování apod.) není povoleno bez přímého projednání s autorem.

2 Otázky k zápočtovému testu 1. Vyjmenujte základní bloky vysílače a stručně uveďte jejih funki. (5 b) 2. Definujte parametr EIRP. Jak souvisí s instalovaným výkonem vysílače a ziskem vysílaí antény (vztah + popis)? (5 b) 3. Definujte pojem elkové účinnosti vysílače, účinnosti konového stupně a parametr PAE výkonového zesilovače. (5 b) 4. Definujte bod 1dB komprese kvazilineárníh dvojbranů slovně i grafikým náčrtkem. (5 b) 5. Definujte bod zahrazení pro intermodulační produkty 3. řádu kvazilineárníh dvojbranů slovně i grafikým náčrtkem. (5 b) 6. Definujte úhel otevření. Pro jednotlivé praovní třídy A, B, AB a C stanovte rozmezí úhlu otevření. Seřaďte třídy podle účinnosti. (5 b) 7. Napište obenou definii itlivosti rádiového přijímače. Konkretizujte kvantitativní/kvalitativní veličinu v definii pro rozhlasový přijímač AM, rozhlasový přijímač FM a přijímač digitální rádiové komunikae ( = 5 b). 15. prosine 2015 Pozn.: V zápočtovém testu budou za část mýh přednášek 2 náhodně vybrané otázky s elkovým ohodnoením 10 bodů (tj. 10 % z elkového hodnoení ECTS). Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 2 z 62

3 Osnova Úvod Rádiový komunikační systém Rádiový vysílač úvod Rádiový vysílač parametry, výkonový stupeň, příklady Rádiový přijímač úvod Rádiový přijímač konepe, parametry, měření Bilane rádiového spoje výkonová, SNR Kmitočtová syntéza (přímá, nepřímá,, PLL, DDS) Modulátory pro analogové a digitální modulae Demodulátory pro analogové a digitální modulae Modulae Demodulae Data (informae) Vysílač Přenosový kanál Přijímač Obnovená data (informae) Modulovaný nosný signál Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 3 z 62

4 Úvod :: Komunikační systém Základní funke přenos informae el. signálem v analogové/čísliové podobě Metaliké spoje (metaliká vedení) + Kvalitní širokopásmové přenosové médium + Odolnost proti rušení (koaxiální struktura) Útlum (zvláště na vyššíh kmitočteh) -> pro krátké vzdálenosti Omezení (nelze země-družie, mobilní spoj, ) Dielektriké struktury (optiká vlákna) + Velká kapaita, nízký útlum -> vzdálenosti x0/x00/x000 km Významné náklady Tx/Rx/opakovače (akeptovatelná ena/bit/s) Omezení (nelze země-družie, mobilní spoj, ) Rádiové spoje (elmag. vlny ve volném prostoru) + Spoje na extrémně velké vzdálenosti (Voyager 19,5e12 m, 130 AU) + Mobilní spoj Sdílení kmitočtového spektra Útlum trasy, šum (atm., kosm., kvant., ) Náklady (hw, spektrum, spotřeba, údržba) Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 4 z 62

5 Úvod :: Historie rádiové komunikae 1865 J. C. Maxwell, A dynamial theory of the eletromagneti field, shrnul teoretiké základy šíření elektromagnetikýh vln 1887 H. R. Hertz, první ofiiální ověření/důkaz šíření elektromagnetikýh vln 1890 É. Brandly, objev kohereru detektor elmag. vln (itlivost přijímače) 1893 N. Tesla, veřejná demonstrae přenosu elmag. vln na větší vzdálenost 1896 G. Maroni, přenos na vzdálenost 4 mil (Salisbury, Anglie), patentováno 2. června A. S. Popov, přenos na vzdálenost 6 mil ( mil) 189x/190x rádiová bezdrátová telegrafie na vzdálenost desítek až stovek km 1901 G. Maroni, 12. prosine, přenos Morseova S na vzdálenost 3380 km (Cornwell New Foundland), 25 kw, 328 khz (jiskrový vysílač) 1907 Lee De Forest, patent triody ( audion ) zesílení signálu na straně přijímače 191x rozvoj rozhlasového vysílání AM (především po 1. sv. vále) 1918 E. Armstrong, konepe superheterodynu (původní myšlenka R. Fessenden), širokopásmová FM Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 5 z 62

6 Úvod :: Historie rádiové komunikae 192x nesmělé pokusy s FM (vysoký kmitočet = malý výkon) 193x komerční vysílání FM 194x 2. sv. válka, RADAR, rozvoj vf. a mikrovlnnýh tehnologií, přesun do pásma x00 MHz až x GHz, výzkum vnějšího (externího) šumu a jeho vlastností 1947 objev tranzistoru (John Bardeen, Walter Brattain, William Shokley; ) 1948 C. E. Shannon, základy informační teorie, A Mathematial Theory of Communiation, odvození limitní kapaity přenosového kanálu 195x rozhlasové vysílání FM v ČSR 196x rozvoj mikrovlnného oboru nové polovodiče (mikrovlnné diody a tranzistory), s-parametry (Kurokawa) 197x rozvoj mikroelektroniky (1971, první up Intel 4004, 2300 tranzistorů, 4bitový) 197x/8x první implementae obvodů MSI, LSI ve vysílaí/přijímaí tehnie 199x idea softwarového rádia (realizae: hradlová pole, DSP) 200x vysoká integrae, miniaturizae, jednočipové CMOS přijímače/transeivery 201x wireless okoliv (taktéž v oblasteh IoT, M2M, MCT, ) Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 6 z 62

7 Rádiový komunikační systém :: Základní atributy 1. Rádiové systémy sdílí společný přenosový prostor éter (f, t,, s) 2. Kmitočtové spektrum je omezené omezení zdola rozměry antény pro dosažení dobré účinnosti systému, odrazy od ionosférikýh vrstev apod. omezení shora útlum prostředí, dosažení dostatečného výkonu, tehnologie 3. Informai nesouí elektriké signály z měničů jsou nevhodné pro přímé vysílání Řešením je MODULACE některý(-é) z parametrů harmonikého nosného signálu s (t ) jsou modifikovány v diki původního signálu nesouího informai (modulační signál) vzniká úzkopásmový modulovaný signál vhodný pro přenos rádiovým kanálem s ( t ) Nosná vlna = A os t [ ω +ϕ ] Modulovaná nosná vlna [ t) t t ] s ( t ) = A ( t ) os ω ( + φ ( ) Složitější modulační formáty jsou kombinaí Amplitudová modulae (AM) Kmitočtová modulae (FM) Úhlové modulae Fázová modulae (PM) Pokud je vstupem do modulátoru v čase diskrétní a konečná množina stavů, hovoříme o digitální modulai (ASK, FSK, PSK, QAM, GMSK, π/4-dqpsk, ) Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 7 z 62

8 Signálový prostor :: Analogové modulae [ π θ ] s( t) = A( t)os 2 f ( t) t + ( t) sɶ ( t) = A( t)exp( jθ ( t)) = I( t) + jq( t) [ ɶ ω ] s( t) = Re s( t) exp( j t) Amplitudová modulae, AM A (t), hloubka modulae Frekvenční modulae, FM f (t), frekvenční zdvih, index FM Fázová modulae, PM θ (t), fázový zdvih, index PM Úhlové modulae Modulovaný signál v podobě komplexní obálky (eliminae f ) hápeme jako vektor v komplexní rovině signálovém prostoru. Nosná vlna se stává horizontálně orientovaným vektorem referenčním signálem. Q( t) A( t) AM FM θ ( t) PM I( t) Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 8 z 62

9 Signálový prostor :: Digitální modulae Lineární digitální modulae bez paměti (speiální případ!) ɶs ( t) = A d h( t nt ) amplituda s n s n kanálový (= datový) symbol [ ɶ ω ] s( t) = Re s( t) exp( j t) modulační funke Konstelaí modulae je množina dvoudimenzionálníh vektorů v signálovém prostoru I[ s n ] h( t) Bází rozkladu pro n-tý symbol je modulační impuls (např. RC, RRC, ) h( t nt s ) M { [ ] C} d 1 sn As dn i m= Q( t) R[ s n ]!? I( t) konstelační diagram diagram modulae v signálovém prostoru vektorový diagram projeke časového vývoje s(t) do komplexní roviny Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 9 z 62

10 Rádiový komunikační systém K. Ulove 1. přednáška Rádiové systémy tvoří systém vysílač anténa přen. kanál anténa přijímač Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 10 z 62

11 Rádiový komunikační systém Základní parametry rádiového komunikačního systému Charakter spoje pozemské, země-družie, družie-družie (kosmiké těleso) bod-bod (point-to-point), point-to-multipoint Typ služby R/TV vysílání, telekomunikae (hlasová/datová služba), radiolokae, navigae, Způsob sdílení rádiového kanálu Provoz spoje simplexní (jednosměrný) režim duplexní (obousměrný) režim přenos oběma směry současně poloviční duplex (half-duplex) přenos oběma směry, nikoliv však současně Mnohonásobný přístup kmitočtové/časové/kódové/prostorové dělení (FDMA, TDMA, CDMA, SDMA) a jejih kombinae (např. systém LTE) Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 11 z 62

12 Rádiový vysílač :: Systém Definie: zdroj elektromagnetikýh vln (typiky pro sdělovaí účely), jejihž příčinou je zpravidla harmoniký modulovaný (nemodulovaný) signál vyzařovaný do prostoru anténou Dělení vysílačů: Podle praovního kmitočtu DV, SV, KV, VKV, UKV, Podle modulae AM, FM, PM, čísliové modulační formáty Podle provozního výkonu malý, střední, velký ; absolutní hodnoty výkonu jsou odvislé od kmitočtu/druhu provozu Podle oblasti použití rozhlasový AM, rozhlasový FM, televizní DVB-T, mobilní sítě (BTS/eNB), Podle režimu provozu (trvalý, přerušovaný), konepe (vnitřní konstruke), lokae (zemský, družiový), umístění (staionární, mobilní), Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 12 z 62

13 Rádiový vysílač :: Systém Základní konepe vysílače: A. Modulae na vysoké výkonové úrovni modulátor je zdrojem výkonu konového stupně (např. AM, ASK, obeně modulae amplitudy nosné vlny) B. Modulae na nízké výkonové úrovni výkonový zesilovač zesiluje modulovaný signál přiházejíí z modulátoru (např. modulae praujíí s úhlovým kmitočtem nosné vlny) Základní bloky vysílače: Modulátor přenos informae na nosný/mezifrekvenční kmitočet (+kodér) Zdroj nosného (a pomonýh) kmitočtu, přeladitelnost syntezátor Kmitočtový konvertor (není podmínkou) typiké pro vysílače na vyššíh kmitočteh nebo vysílače přeladitelné v širokém rozsahu Výkonový zesilovač/zesilovače zesílení signálu na požadovanou výkonovou úroveň Anténa/anténní systém vyzáření vf. výkonu do volného prostoru Stejnosměrné napájeí zdroje o výkonu > výstupní výkon vysílače Chlazení (účinnost) Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 13 z 62

14 Rádiový vysílač :: Systém Příklad: Obené shéma vysílače s modulaí na nízké výkonové úrovni; konepe: modulátor, kmitočtová konverze, výk. zesilovač, anténa Zpráva Kodér Modulátor MF filtr Konvertor Filtr Výkonový zesilovač Pásm. filtr, přizpůsobení f mf f ± f mf f Kmitočtová syntéza Zdroj Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 14 z 62

15 Rádiový vysílač :: Základní parametry Výkon(-y) vysílače Ekvivalentní izotropiky vyzářený výkon EIRP (Equivalent (Effetive) Isotropially Radiated Power) hypotetiký výkon, který by bylo nutné vyzářit všesměrovou anténou, aby byla zahována intenzita elmag. pole ve směru maxima směrové harakteristiky původní směrové antény, přičemž dodaný výkon P d v obou konfiguraíh je totožný P = P + G EIRP D A Instalovaný výkon, výstupní výkon vysílače, P i výkon na výstupu vysílače Příklad: Potom výkon dodaný do antény, P D P D = P I L T Jaký musí být výstupní výkon vysílače umístěného na družii praujíího na kmitočtu 12 GHz, pokud požadovaný EIRP v maximu svazku vyzařovaího diagramu paraboliké antény o průměru 1,6 m je 42 dbw (15,8 kw!) a plánované ztráty mezi vysílačem a anténou jsou 1 db? Zisk paraboliké antény 1,6 m na 12 GHz je 44 dbi. P = P + L = P + L G = 1 dbw=29 dbm 800 mw I D T EIRP T A Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 15 z 62

16 Rádiový vysílač :: Základní parametry Další definie výkonů (špičkový výkon PEP, střední obálkový výkon, ) Účinnost vysílače Celková účinnost vysílače Poměr výstupního výkonu vysílače (na umělé anténě, bez/s modulaí) a příkonu vysílače (elektronika, ale i hlazení, měřií obvody atp.) Účinnost konového stupně Poměr výstupního výkonu vysílače (na umělé anténě, bez/s modulaí) a příkonu konového stupně Praovní kmitočet (nosný kmitočet), šířka kmitočtového pásma Stabilita nosného kmitočtu Přeladitelnost vysílače (plynulá, skoková kmitočtová syntéza) Potlačení nežádouíh produktů spektrální čistota signálu Provozovaný typ modulae Např. AM (SSB, DSC-SC, QAM), FM (W, N), PM (W, N), digitální modulae (ASK, FSK, PSK, QAM, MSK, ) Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 16 z 62

17 Rádiový vysílač :: Základní parametry Spolehlivost, odolnost vůči vnějším vlivům (teplota, vlhkost, zásah antény bleskem, ) Přizpůsobení výstupu vysílače k napáječi/anténě Poměr stojatého vlnění (PSV), činitel odrazu Parametry vysílaí antény Zisk antény shopnost antény soustředit vyzařování výkonu do určitého směru Vztaženo proti referenční anténě (např. všesměrový zářič nebo dipól) Vyzařovaí harakteristika antény směrovost antény v prostorovýh souřadniíh, řezy V a H, vyzařovaí diagram Vstupní impedane antény (nebo PSV, činitel odrazu) Účinnost antény (ztráty na anténě) Kmitočtový rozsah Polarizae atd. Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 17 z 62

18 Rádiový vysílač :: Výkonový zesilovač Zesílit úzkopásmový vf. (mikrovlnný) signál na požadovanou výkonovou úroveň za podmínky akeptovatelného zkreslení signálu (v kanálu i mimo kanál) Dva základní problémy: a) výkon vs. kmitočet, b) nelineární vlastnosti zesilovače Vybrané parametry výkonovýh zesilovačů Zisk (zesílení) poměr výstupního a vstupního výkonu za stanovenýh provozníh podmínek Účinnost poměr výstupního výkonu a elkového dodaného výkonu PAE (Power Added Effiieny) poměr rozdílu (výstupní vf. výkon vstupní vf. výkon) a dodaného výkonu z stejnosměrného napájeího zdroje Saturační výkon maximum ( ) vstupně-výstupní výkonové harakteristiky v souřadnii výstupního výkonu Bod komprese pozie odhylky 1 db skutečné v-v výkonové harakteristiky od její asymptoty v souřadnii výstupního výkonu Bod zahrazení průsečík asymptot závislostí výkonu užitečného signálu a intermodulačníh produktů příslušného řádu (nejčastěji 3.) na vstupním výkonu Vstupní a výstupní impedane Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 18 z 62

19 Rádiový vysílač :: Výkonový zesilovač Nelineární vlastnosti zesilovače Lineární obvody výstupní signál obsahuje pouze kmitočtové komponenty přítomné ve vstupním signálu, mění se pouze jejih amplituda a fáze (př.: filtr) Nelineární obvody výstupní signál obsahuje i kmitočtové komponenty, které nebyly přítomné ve vstupním signálu kombinační kmitočty (př.: směšovač) Nejjednodušší přístupy ke kvantifikai nelineárníh vlastností obvodů (dvojbranů): A. Stanovení bodu 1dB komprese B. Stanovení bodu zahrazení pro intermodulační produkty 3. řádu P out P OCP1 1dB P sat P out P OCP1 P OIP3 1 db/db P IIP3 3 db/db P in P in Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 19 z 62

20 Rádiový vysílač :: Třídy zesilovačů Dvě základní skupiny praovníh tříd zesilovačů: a) Třídy harakterizované úhlem otevření aktivního prvku A, B, AB, C b) Třídy harakteristiké činností (funkí) aktivního prvku ve spínaném režimu D, E, F, Úhel otevření (Conduting Angle) lab. úloha č. 1 Časový interval vyjádřený v úhlové míře vzhledem k periodě budíího signálu T ~ 360, po který prauje aktivní prvek (tranzistor) v aktivní oblasti Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 20 z 62

21 Rádiový vysílač :: Třídy zesilovačů Třída A Zesilovač prauje v aktivní oblasti, úhel otevření 360, lineární zesilovač, avšak velký klidový proud malá účinnost. Třída B Zesilovač prauje pouze s jednou půlvlnou signálu, úhel otevření 180. Zesilovač je možné linearizovat doplněním dalšího bloku, který zesiluje párovou půlvlnu signálu tzv. dvojčinné (push-pull) zapojení (viz dále). Teoretiká účinnost až 78 %, reálné dvojčinné zapojení trpí přehodovým zkreslením. Třída AB Úhel otevření v rozsahu mezi 360 až 180. Praktiky se tato třída využívá u dvojčinného zapojení (viz třída B) s úhlem otevření blízkým 180 klidový proud zesilovače je nenulový, potlačuje se však vliv přehodového zkreslení. Třída C Úhel otevření menší než 180. Nelineární zesilovač, jehož harmoniké produkty se odstraňují např. rezonančním obvodem v kolektoru. Vhodné pro zesílení signálů, kde není striktně vyžadováno lineární zesílení amplitudy (FM, PM, FSK, PSK, ). Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 21 z 62

22 Rádiový vysílač :: Konový stupeň Porovnání relativního výstupního výkonu a teoretiké účinnosti tříd A ž C A AB B C 180, 78 % Relativní výstupní výkon vztažený ke třídě A (1. harmoniká složka Fourierova rozvoje při maximální amplitudě výstupního signálu) [db] Teoretiká maximální účinnost zesilovače Odevzdaný výkon do zátěže Příkon od napájeího zdroje x 100 % Úhel otevření tranzistoru [deg] Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 22 z 62

23 Rádiový vysílač :: Konový stupeň Třída D Základní myšlenka: vstupní analogový signál je převeden (modulován) na dvojúrovňový pulzní signál (např. pulzní šířkovou modulaí PWM, pulzní polohovou modulaí PPM, PDM apod.), zesílen a filtrován dolnopropustným filtrem. Konepe podobná snižujíímu měniči DC/DC, pouze výstup není DC, ale dynamiky se měníí v rytmu modulačního signálu. Příklad zapojení s PWM modulátorem Aplikae zesilovače třídy D viz seke modulátory AM. Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 23 z 62

24 Rádiový vysílač :: Konový stupeň Třída E Výstupní pasivní obvod L, C 1, C 2, R L je navržen tak, aby se pulsy kolektorového napětí V D a kolektorového proudu I D téměř nepřekrývaly tehdy budou na tranzistoru ztráty velmi malé. Třída F Podobná filosofie jako u třídy E. V D se blíží obdélníku a I D půlperiodě harmoniké funke (rez. obvod v zátěži). V D a I D se nepřekrývají a ztráty jsou téměř nulové. Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 24 z 62

25 Rádiový vysílač :: Konový stupeň Aktivní prvky konovýh stupňů výkon, praovní kmitočet BJT vysílače malého výkonu, třída A, AB, B MOSFET vysílače všeh výkonů, nižší kmitočty (parazitní kapaita, limit 500 MHz), vhodné pro třídy praujíí s aktivními prvky ve spínaném režimu SSD LDMOS (Laterally Diffused) pro vysílače všeh výkonů, jeden tranzistor až desítky W na jednotkáh GHz max. GaAs MESFE malé výkony, vysoké kmitočty phemt (High Eletron Mobility) malé výkony, vysoké kmitočty HBT (Heterojuntion BT) malé výkony, vysoké kmitočty Vakuové prvky Klasiká vakuová tehnologie triody, tetrody. Velké výkony až x0 kw, kmitočet omezen průletovou dobou (x00 MHz) Trony klystron, karinotron, magnetron, amplitron, TWT Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 25 z 62

26 Rádiový vysílač :: Konový stupeň Aktivní prvky konovýh stupňů výkon, praovní kmitočet Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 26 z 62

27 Rádiový vysílač :: Konový stupeň Metody zvyšování výstupního výkonu A. Paralelizae zesilovačů (hybridní obvody pro rozdělení/sloučení výkonu) (zdroj: Philips) B. Paralelní spojení aktivníh prvků (rozl. výk. ztráty) (zdroj: Philips) C. Push-pull uspořádání buzení identikýh aktivníh prvků v protifázi (180 ), příklad dále Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 27 z 62

28 Rádiový vysílač :: Konový stupeň Příklad Push-Pull zapojení s 2x NPN Si planárními tranzistory na čipu Shéma zapojení (Philips Semiondutors, BLV862) Třída AB, 860 MHz, 150 W, 9 db, 50 %, I q = 0,8 A Předpětí do bází DUT s tepl. kompenzaí Napájení Vstup 50 Ω Impedanční přizpůsobení Výstup 50 Ω λ/4 balun, rozbočovač 0 /180 Impedanční přizpůsobení λ/4 balun, slučovač 0 /180 Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 28 z 62

29 Rádiový vysílač :: Konový stupeň Pokračování Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 29 z 62

30 Rádiový vysílač :: Konový stupeň Příklad Push-Pull zapojení s 2x LDMOS tranzistory na čipu Třída AB, aplikae v DVB-T, 470MHz až 860 MHz, 110 W, 9 db LDMOS Shéma zapojení (Philips Semiondutors, BLF888) Testovaí modul Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 30 z 62

31 Rádiový vysílač :: Konový stupeň malého výkonu (IC) WLAN Atheros 4 x seke konového stupně s enable/disable (2,4 GHz a 5 GHz) Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 31 z 62

32 Rádiový vysílač :: Konový stupeň TWT Travelling Wave Tube Vývoj 194x, Nuffield Laboratory Physis Department, Birmingham University Velký zisk ( db), lineární vstupně-výstupní harakteristika, šířka pásma typiky 1:2 až 1:4 Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 32 z 62

33 Rádiový vysílač :: Konový stupeň Apollo Lunar Module Dva v sérii řazené amplitrony MHz, 18,6 W/50 Ω Zdroj: Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 33 z 62

34 Rádiový přijímač :: Úvod zařízení shopné příjmu/deteke elektromagnetikýh vln, zpravidla v úzkém kmitočtovém pásmu Základní blokové shéma přijímače Zela jiné požadavky na zpraování signálu Vybraná uspořádání (konepe) přijímačů Přijímač s detektorem (AM) Přímozesilujíí přijímač Superheterodynní přijímač s jedním směšováním Superheterodynní přijímač s dvojím směšováním Superheterodynní přijímač s trojím (a víenásobným) směšováním Přijímač s jedním směšováním na nulovou mezifrekveni (Zero IF) Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 34 z 62

35 Rádiový přijímač :: Základní parametry přijímačů Měření v kanálu Citlivost (SNR/BER) Minimální napětí (někdy výkon) na vstupu přijímače, při kterém je dosaženo definované hodnoty kvalitativního nebo kvantitativního parametru výstupního signálu. Např. přijímač rozhlasového vysílání AM nejnižší hodnota vstupního napětí při níž je výstupní výkon nf. výstupního signálu 50 mw. Přijímače FM nejnižší hodnota vstupního napětí při níž je odstup signálu od šumu na výstupu přijímače roven požadované hodnotě (26 db). Přijímače digitálníh modulaí nejnižší hodnota vstupního napětí při níž bitová hybovost BER dosahuje určité definované hodnoty. Šumové číslo (šumová teplota, jakostní číslo, ) Odolnost proti rušíímu signálu v kanálu (Co-Channel Rejetion) Měření mimo kanál Odolnost proti rušíímu signálu mimo kanál (Spurious Imminity) Selektivita blízká (kanálová selektivita) přijímače Odolnost proti intermodulačním produktům (Intermodulation Immunity) Další parametry Přeladění/šířka pásma Vstupní impedane Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 35 z 62

36 Rádiový přijímač :: Příklady měření parametrů 1. Citlivost přijímače (Sensitivity), přijímač digitální rádiové komunikae Hledáme takovou velikost vstupního signálu (tedy bez šumu), kdy BER dosahuje určité definované hodnoty Generátor vf data BER Přijímač V rms, P s Tester P in BER BERref = =? 2. Odolnost proti rušíímu signálu v kanálu (Co-Channel Rejetion, CCR), přijímač digitální rádiové komunikae Generátor Generátor vf data BER Přijímač Tester P vf vf ruš. P d a) b) ) P = P + 3 db vf in BER = BERref P =? P d BER = BERref CCR = P P d vf [ db] Detailní podmínky měření jsou odvislé od systému a definuje je příslušná norma Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 36 z 62

37 Rádiový přijímač :: Příklady měření parametrů 3. Odolnost proti intermodulačním produktům (Intermodulation Immunity), přijímač DRK Dvojtónový test jako u měření intermodulačníh produktů zesilovačů. Dva rušivé signály umístěné mimo kanál (GSM: harmoniký na ofsetu +800 khz od f, modulovaný signál na ofsetu +1,6 MHz od f ) generují na nelinearitáh obvodů přijímače intermodulační produkt 3. řádu, který leží na kmitočtu f, tj. přímo v měřeném kanálu. P =? P tst BER= BER ref Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 37 z 62

38 Rádiový přijímač :: Přímozesilujíí Přímozesilujíí přijímač idea a příklad konstruke Pásm. filtr LC rez. obvod Vf. zesilovač Detektor Vf. zesilovač Nf. zesilovač Zesilovač/ detektor Demodulovaný výstupní signál Jednoduhá konepe Nebezpečí osilaí při velkém zesílení (vf zesil.) Potíže se selektivitou při požadavku na přeladění (LC rez. obvod) Nf. zesilovač Feritová anténa LC rez. obvod (zdroj: neznámý/www) Radijoprijomnik igruška Malčiš (Rusko) Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 38 z 62

39 Rádiový přijímač :: Superhet s jedním směšováním Přijímač typu superhet s jedním směšováním Pásm. filtr MF filtr Demodulátor MF filtr Dekodér LNA AGC f LO Nejsou potíže s přeladitelností přijímače (změnou kmitočtu místního osilátoru) Obvody zpraování signálu na fixním kmitočtu (mf. filtr, demodulátor) Ale: směšování problém s nežádouími produkty (viz lab. úloha) Ideový návrh přijímače FM pro pásmo VKV Zadání: MHz, BW 230 khz (tj. stereo), itlivost v řádu µv Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 39 z 62

40 Rádiový přijímač :: Superhet s jedním směšováním LC obvod osilátoru Osilátor Mf. zesilovač Mf. filtr Feritová anténa Vf. zesilovač Detektor Směš. Nf. zesilovač (zdroj: neznámý) Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 40 z 62

41 Rádiový přijímač :: Superhet s dvojím směšováním Přijímač typu superhet s dvojím směšováním Pásm. filtr MF1 filtr MF2 filtr Demodulátor MF filtr Dekodér LNA AGC f 1 f 2 Přeladitelnost přijímače (jako s jedním směšováním) Obvody zpraování signálu na fixním kmitočtu (mf. filtr, zesilovač, demodulátor) Řeší problém příjmu na velmi vysokýh kmitočteh nebo příjem v extrémně širokém pásmu Směšování vznik nežádouíh produktů Ideový návrh satelitního přijímače digitální TV Zadání: 10 12,x GHz, BW 30 MHz, malé šumové číslo Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 41 z 62

42 Rádiový přijímač :: Superhet, nízká mf Přijímač s jedním směšováním na nízkou mezifrekveni (Low IF) TEA5767 Low power FM stereo radio Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 42 z 62

43 Rádiový přijímač :: Superhet, nulová mf Přijímač s jedním směšováním na nulovou mezifrekveni (Zero IF) Aton AS-102, Abilis SYSTEMS Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 43 z 62

44 Rádiový přijímač :: Superhet, nulová mf Přijímač s jedním směšováním na nulovou mezifrekveni (Zero IF) MAXIM, MAX3580 Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 44 z 62

45 Bilane rádiového spoje :: První náhled Výkonová bilane obeného rádiového spoje Základní uspořádání vysílač (P D ), vysílaí anténa (G A ), přenosové prostředí (L S ), přijímaí anténa (G R ), přijímač (P R ) G A r G R P D L S = 2 4πr λ P R P = P R D GAG L S R Příklad Jaký výkon je na vstupu přijímače, pokud výstupní výkon transpondéru družie umístěné na geostaionární dráze praujíího na kmitočtu 12 GHz je 10 W, paraboliká anténa na družii má průměr 1,6 m, paraboliká anténa přijímače 0,8 m? P P D R = A R S 40 dbm, G = 44 db, G = 38 db; r = km L = = PD + GA LS + GR = 83,5 dbm = 4,5 pw 205,5 db Stačí to pro příjem? Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 45 z 62

46 Bilane rádiového spoje :: První náhled Odstup signál/šum (Signal-to-Noise Ratio, SNR) v kanálu SNR = výkon užitečného signálu na vstupu přijímače výkon šumu na vstupu přijímače v kmit. pásmu B Šum? Všehny vnější šumy (šum zemského povrhu, atmosféry, kosmiký šum) + vlastní šum antény a napáječe Příklad Jaký je poměr signál/šum na vstupu přijímače s šířkou kanálu 30 MHz, pokud je výkon užitečného signálu na vstupu přijímače -83,5 dbm a spektrální výkonová hustota šumu od antény -174 dbm/hz? P N = S = N log10 (30 10 ) = ( ,8) dbm = 99,2 dbm SNR P R P = 15,7 db = N Stačí to pro příjem? Šumové číslo přijímače sníží SNR před demodulátorem! Pro F = 0,5 db, SNR = 15,2 db QPSK BER = 10-12, 8-PSK BER = 10-8, 16-PSK 10-3 RS(255,223) Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 46 z 62

47 Kmitočtová syntéza :: Stručné poznámky vytvořit harmoniký/hodinový signál (nebo soubor signálů) s požadovaným kmitočtem. 1. Kmitočtová syntéza přímá signál je generován přímo (osilátor), nebo vzniká na základě směšování signálů z několika osilátorů 2. Kmitočtová syntéza nepřímá signál je výstupem řízeného osilátoru, jehož kmitočet je synhronizován s kmitočtem referenčního osilátoru Vybrané metody syntézy kmitočtu a) Přímé směšování/násobení a filtrae signálů z mnoha osilátorů b) Napěťová syntéza ) Přímá čísliová syntéza DDS (Diret Digital Synthesis) d) Fázový závěs PLL (Phase Loked Loop) Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 47 z 62

48 Kmitočtová syntéza :: Přímá čísliová syntéza (DDS) Základní myšlenka: za běhu či předem vypočtené vzorky signálu v pravidelnýh intervaleh (1/f s ) předávat na DA převodník a vhodně filtrovat (rekonstruke analogového signálu vzorkovaí věta) Varianta 1 generátor libovolnýh průběhů Idea řešení: paměť DA převodník filtr Varianta 2 generátor periodikýh signálů s akumulátorem fáze Např. náběžná hrana f CLK : A i D i = ( Ai 1 + = sin 2π F) mod 2 A 2 i N N f OUT = f CLK F 2 N Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 48 z 62

49 Kmitočtová syntéza :: Fázový závěs (PLL) Základní myšlenka: synhronizovat řízený osilátor (VCO) s referenčním osilátorem (De Bellesize, 1932) Různé varianty (LPLL, DPLL, ADPLL), ideové shéma společné: Kmitočtový/fázový detektor (PFD) Dolnopropustný filtr Řízený osilátor (VCO) Základní parametry Statiké: rozsah zahyení, rozsah zavěšení (udržení), fázový šum Dynamiké: ryhlost přeladění, stabilita a šířka pásma smyčky, Aplikae kmitočtová syntéza, demodulae, synhronizae/obnova nosné vlny, Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 49 z 62

50 Kmitočtová syntéza :: Fázový závěs (PLL) Kmitočtový syntezátor s děliči v referenční a zpětnovazební větvi Výstupní kmitočet Kmitočtový krok f f OUT = OUT = f R fr R N R Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 50 z 62

51 Modulátory a demodulátory Dnes stovky různýh zapojení/metod 1. Obvodová/analogová realizae modulátorů/demodulátorů 2. Softwarová/čísliová realizae modulátorů/demodulátorů (DSP, FPGA, + DAC) Modulátory (vybrané typy/konepe) Modulátor AM s PIN Modulátor AM anodový (kolektorový) - Heissingův Modulátor FM s VCO Modulátor PM s VCO Kvadraturní modulátor (I/Q) Demodulátory (vybrané typy) Demodulátor AM obálkový detektor, synhronní detektor Demodulátor FM FM/AM konverze Demodulátor FM s PLL Kvadraturní demodulátor FM Kvadraturní demodulátor (I/Q) Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 51 z 62

52 Modulátory Modulátor AM s diodami PIN příklad modulátoru na nízké výkonové úrovni (např. signálové generátory apod.) Pro výkonové úrovně mw až 1 W, kmitočty x0 MHz až x0 GHz, dynamiký rozsah 20 až 80(!) db Dioda PIN (vlevo), kvadraturní hybridní modulátor (vpravo) Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 52 z 62

53 Modulátory Anodová, kolektorová modulae (AM) příklad modulátoru na vysoké výkonové úrovni (konový stupeň vysílače) nebo varianta se zesilovačem třídy D (modulátor PDM) Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 53 z 62

54 Modulátory Modulátor FM s VCO (přímá FM) ω ( t ) = k u mod( t ) sin( ω( t) t) Colpittsův osilátor LC Colpittsův osilátor s PKJ Colpittsův osilátor s PKJ rozlaďovaný varikapem Modulátor PM s VCO Využití modulátoru FM, přičemž využijeme předzpraování signálu u FM mod t PM ( t) = umod( τ ) dτ 0 Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 54 z 62

55 Modulátory Kvadraturní modulátor Současná modulae amplitudy i fáze harmonikého nosného signálu s( t) = A( t)os( ω t + ϕ( t)) je možná (Kahn), ale modulae v tzv. I/Q složkáh je většinou výhodnější. s( t) = A( t)os( ω t + ϕ( t)) = A( t)os( ϕ( t))os( ω t) A( t)sin( ϕ( t))sin( ω t) = = I( t)os( ω t) Q( t)sin( ω t) Ideové realizační shéma Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 55 z 62

56 Modulátory Kvadraturní modulátor Analogová realizae na vyššíh kmitočteh s využitím směšovačů a hybridníh obvodů (diskrétní realizae) Diodový vyvážený směšovač Hybridní rozbočovač 0 /90 Hybridní slučovač (Wilkinson) Diodový vyvážený směšovač Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 56 z 62

57 Demodulátory Obálkový detektor AM Obálkový detektor je možné použít k deteki amplitudy AM signálu s nepotlačenou nosnou do hloubky modulae 100 % (nelinearita detektoru) Důležité pro korektní funki detektoru je splnit podmínky 1. f << f, R C << 1 f, 1 f << R C << 1 m G L f m Potlačení f Filtrae f 2. Hloubka modulae << 100 % ( f m ) ( f ) Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 57 z 62

58 Demodulátory Synhronní demodulátor AM Modulovaný signál Demodulovaný signál s( t) = A( t)os( ω t) s Filtr d ( t) = A( t) = os 2 A ( t ) os( ϕ)os 2 A( t)os( ω t)os( ω t A( t) 2 A ( t ) 2 (( ω + ω ) t + ϕ ) + os( ( ω ω ) t ϕ ) Pro korektní funki detektoru musí být splněny podmínky: je třeba získat obnovenou synhronní nosnou vlnu. LO LO + ϕ) = (( ω ω ) t ) sin( ϕ)sin (( ω ω t ) LO LO LO ) ω Potom = ω, ϕ = 0 LO A( t) s d ( t) = 2 Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 58 z 62

59 Demodulátory Demodulátory FM (s převodem na AM a AM detektorem) Deteke na boku rezonanční křivky (rezonanční obvod prauje jako převodník f U ) Fázový diskriminátor Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 59 z 62

60 Demodulátory Demodulátory FM s PLL Deteke smyčkou PLL, pro níž platí BW PLL > f m Kvadraturní demodulátor FM Ideové shéma u u 2 1 u m artan( ω) k 2 1+ ( ω) ω k 1+ ( ω) 2 Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 60 z 62

61 Demodulátory Kvadraturní demodulátor Modulovaný signál ve tvaru s( t) I( t)os( t) Q( t)sin( t) s ( t) = s( t) os( ω t) = 1 I( t )os(0) + I ( t )os(2 ω t ) Q ( t )sin(2 ω t ) Q ( t )sin(0) = = I( t)os( ω t)os( ω ω t) Q( t)sin( ω I 2 ( t ω t)os( ω t) = s Q ( t) = s( t) ( sin( ω 2 t)) = I( t)os( ω 2 t)( sin( ω 2 t)) Q( t)sin( ω 2 t)( sin( ω = 1 I( t)sin(2ω t) + I( t)sin(0) + Q( t)os(0) Q( t)os(2ω t ) t)) = Ideové realizační shéma s I (t) s Q (t) Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 61 z 62

62 Kone prezentae Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače, modulátory a demodulátory Strana 62 z 62