Rádiový komunikační systém základní atributy

A2B37KMM/AD2B37KMM Komunikace a měření v multimediální technice Rádiové vysílače a přijímače Verze 1.0.2 30. dubna 2013 Ing. Štěpán Matějka, Ph.D. matejka@feld.cvut.cz Katedra radioelektroniky K13137 Fakulta elektrotechnická ČVUT Praha Technická 2 166 27 Praha 6 http://radio.feld.cvut.cz Tato prezentace slouží pouze jako studijní pomůcka pro studenty předmětů A2B37KMM/AD2B37KMM. Žádné jiné využití (jakékoliv kopírování, zveřejňování apod.) není povoleno bez přímého projednání s autorem. Rádiový komunikační systém základní atributy 1. Rádiové systémy sdílí společný přenosový prostor éter 2. Jediné omezené kmitočtové spektrum omezení zdola rozměry antény pro dosažení dobré účinnosti systému, odrazy od ionosférických vrstev apod. omezení shora útlum prostředí, dosažení dostatečného výkonu, technologie 3. Informaci nesoucí elektrické signály z měničů jsou nevhodné pro přímé vysílání Řešením je MODULACE některý(-é) z parametrů harmonického nosného signálu s (t ) jsou modifikovány v dikci původního signálu nesoucího informaci (modulační signál) vzniká úzkopásmový modulovaný signál vhodný pro přenos rádiovým kanálem Nosná vlna s( t) Acos t Složitější modulační formáty jsou kombinací Modulovaná nosná vlna s( t) A( t)cos ( t) t ( t) Amplitudová modulace (AM) Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače Strana 2 z 35 Kmitočtová modulace (FM) Úhlové modulace Fázová modulace (PM) Pokud je vstupem do modulátoru v čase diskrétní a konečná množina stavů, hovoříme o digitální modulaci (ASM, FSK, PSK, QAM, ) 1

Rádiový komunikační systém Rádiové systémy tvoří systém vysílač/anténa/přen. kanál/anténa/přijímač Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače Strana 3 z 35 Rádiový komunikační systém Základní parametry rádiového komunikačního systému Charakter spoje pozemské, země-družice, družice-družice (kosmické těleso) bod-bod (point-to-point), point-to-multipoint Typ služby R/TV vysílání, telekomunikace (hlasová/datová služba), radiolokace, navigace, 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 jejich kombinace (např. systém LTE) Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače Strana 4 z 35 2

Rádiový vysílač zdroj elektromagnetických vln, jejichž příčinou je zpravidla harmonický modulovaný či nemodulovaný signál vyzařovaný do prostoru anténou Základní bloky vysílače: Modulátor přenos informace na nosný/mezifrekvenční kmitočet Zdroj nosného (a pomocných) kmitočtů, přeladitelnost syntezátor Kmitočtový konvertor (není podmínkou) vysílač na vyšších kmitočtech, vysílač přeladitelný v širokém rozsahu Výkonový zesilovač/zesilovače Stejnosměrné napájecí zdroje o výkonu > výstupní výkon vysílače Chlazení (účinnost) Modulátor MF filtr Konvertor Filtr Výkonový zesilovač Pásm. filtr, přizpůsobení Zpráva Kodér fmf fc ± fmf fc Kmitočtová syntéza Zdroj Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače Strana 5 z 35 Rádiový vysílač základní parametry Výkon(-y) vysílače Ekvivalentní izotropicky vyzářený výkon EIRP (Equivalent (Effective) Isotropically Radiated Power) hypotetický výkon, který by bylo nutné vyzářit všesměrovou anténou, aby byla zachována intenzita elmag. pole ve směru maxima směrové charakteristiky původní směrové antény, přičemž dodaný výkon P d v obou konfiguracích je totožný Příklad: P EIRP P G D Instalovaný výkon, výstupní výkon vysílače, P i výkon na výstupu vysílače Potom výkon dodaný do antény, P D P P L D I T A Jaký musí být výstupní výkon vysílače umístěného na družici pracujícího na kmitočtu 12 GHz, pokud požadovaný EIRP v maximu svazku vyzařovacího diagramu parabolické antény o průměru 1,6 m je 42 dbw (15,8 kw!) a plánované ztráty mezi vysílačem a anténou jsou 1 db? Zisk parabolické antény 1,6 m na 12 GHz je 44 dbi. P P I D L T P EIRP L T G A 1dBW 0,8 W Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače Strana 6 z 35 3

Rádiový vysílač základní parametry Další definice výkonů (špičkový výkon PEP, střední obálkový výkon, ) Účinnost vysílače Celková účinnost vysílače Poměr výstupního výkonu vysílače (na umělé anténě, bez/s modulací) a příkonu vysílače (elektronika, ale i chlazení, měřicí obvody atp.) Účinnost koncového stupně Poměr výstupního výkonu vysílače (na umělé anténě, bez/s modulací) a příkonu koncového stupně Pracovní kmitočet (nosný kmitočet), šířka kmitočtového pásma Stabilita nosného kmitočtu Přeladitelnost vysílače (plynulá, skoková kmitočtová syntéza) Potlačení nežádoucích produktů spektrální čistota signálu Provozovaný typ modulace AM (SSB, DSC-SC, QAM), FM (W, N), PM (W, N), digitální modulace (ASK, FSK, PSK, QAM, MSK, ) Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače Strana 7 z 35 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 vysílací antény Zisk antény schopnost antény soustředit vyzařování výkonu do určitého směru Vztaženo proti referenční anténě (např. všesměrový zářič nebo dipól) Vyzařovací charakteristika antény směrovost antény v prostorových souřadnicích, řezy V a H, vyzařovací diagram Vstupní impedance antény (nebo PSV, činitel odrazu) Účinnost antény (ztráty na anténě) Kmitočtový rozsah Polarizace atd. Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače Strana 8 z 35 4

Rádiový vysílač výkonový zesilovač Výkonový zesilovač zesílit úzkopásmový vf (mikrovlnný) signál na požadovanou výkonovou úroveň za podmínky akceptovatelného zkreslení signálu (v kanálu i mimo kanál) Dva základní problémy: výkon vs. kmitočet, nelineární vlastnosti zesilovače Vybrané parametry výkonových zesilovačů Zisk (zesílení) poměr výstupního a vstupního výkonu za stanovených provozních podmínek Účinnost poměr výstupního výkonu a celkového dodaného výkonu PAE (Power Added Efficiency) poměr rozdílu (výstupní vf výkon vstupní vf výkon) a dodaného výkonu z stejnosměrného napájecího zdroje Saturační výkon maximum ( ) vstupně-výstupní výkonové charakteristiky v souřadnici výstupního výkonu Bod komprese pozice odchylky 1 db skutečné v-v výkonové charakteristiky od její asymptoty v souřadnici výstupního výkonu Bod zahrazení průsečík asymptot závislostí výkonu užitečného signálu a intermodulačních produktů příslušného řádu (nejčastěji 3.) na vstupním výkonu Vstupní a výstupní impedance Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače Strana 9 z 35 Rádiový vysílač výkonový zesilovač Nelineární vlastnosti zesilovače Lineární obvody výstupní signál obsahuje pouze kmitočtové komponenty přítomné ve vstupním signálu, mění se pouze jejich amplituda a fáze Nelineární obvody výstupní signál obsahuje i kmitočtové komponenty, které nebyly přítomné ve vstupním signálu kombinační kmitočty Stanovení bodu 1dB komprese 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 Strana 10 z 35 5

Rádiový vysílač třídy zesilovačů Dvě základní skupiny pracovních tříd zesilovačů Třídy charakterizované úhlem otevření aktivního prvku A, B, AB, C Třídy charakteristické činností aktivního prvku ve spínaném režimu D, E, F, Úhel otevření (Conducting Angle) lab. úloha č. 1 Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače Strana 11 z 35 Rádiový vysílač koncový stupeň Třída A Zesilovač pracuje v aktivní oblasti, úhel otevření 360, lineární zesilovač, avšak velký klidový proud malá účinnost. Třída B Zesilovač pracuje 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). Teoretická účinnost až 78 %, reálné dvojčinné zapojení trpí přechodovým zkreslením. Třída AB Úhel otevření v rozsahu mezi 360 až 180. Prakticky se tato třída využívá u dvojčinného zapojení (viz třída B) s úhlem otevření blízkým 180 klidový proud zesilovače je nenulový, potlačuje se však vliv přechodového zkreslení. Třída C Úhel otevření menší než 180. Nelineární zesilovač, jehož harmonické produkty se odstraňují např. rezonančním obvodem v kolektoru. Vhodné pro zesílení signálů, kde není vyžadováno lineární zesílení amplitudy (FM, PM, FSK, PSK, ). Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače Strana 12 z 35 6

Relativní výstupní výkon vztažený ke třídě A (1. harmonická složka Fourierova rozvoje) Teoretická maximální účinnost zesilovače Rádiový vysílač koncový stupeň Porovnání relativního výstupního výkonu a teoretické účinnosti tříd A ž C A AB B C 180, 78 % Úhel otevření tranzistoru Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače Strana 13 z 35 Rádiový vysílač koncový stupeň Třída D Základní myšlenka: vstupní analogový signál je převeden (modulován) na dvojúrovňový pulzní signál (např. pulzní šířkovou modulací PWM, pulzní polohovou modulací PPM, PDM apod.), zesílen a filtrován dolnopropustným filtrem. Koncepce podobná snižujícímu měniči DC/DC, pouze výstup není DC, ale dynamicky se měnící v rytmu modulačního signálu. Příklad zapojení s PWM modulátorem Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače Strana 14 z 35 7

Vakuové prvky SSD Rádiový vysílač koncový 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 harmonické funkce (rez. obvod v zátěži). V D a I D se nepřekrývají a ztráty jsou téměř nulové. Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače Strana 15 z 35 Rádiový vysílač koncový stupeň Aktivní prvky koncových stupňů výkon, pracovní kmitočet BJT vysílače malého výkonu, třída A, AB, B MOSFET vysílače všech výkonů, nižší kmitočty (parazitní kapacita, limit 500 MHz), vhodné pro třídy pracující s aktivními prvky ve spínaném režimu LDMOS (Laterally Diffused) pro vysílače všech výkonů, jeden tranzistor až desítky W na jednotkách GHz max. GaAs MESFE malé výkony, vysoké kmitočty phemt (High Electron Mobility) malé výkony, vysoké kmitočty HBT (Heterojunction BT) malé výkony, vysoké kmitočty Klasická vakuová technologie triody, tetrody. Velké výkony až x0 kw, kmitočet omezen průletovou dobou (x00 MHz) Trony klystron, karcinotron, magnetron, amplitron, TWT Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače Strana 16 z 35 8

Rádiový vysílač koncový stupeň Aktivní prvky koncových stupňů výkon, pracovní kmitočet Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače Strana 17 z 35 Rádiový vysílač koncový stupeň Metody zvyšování výstupního výkonu A. Paralelizace zesilovačů s hybridními obvody (zdroj: Philips) B. Paralelní spojení aktivních prvků (zdroj: Philips) C. Push-pull uspořádání buzení identických aktivních prvků v protifázi (180 ), příklad dále Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače Strana 18 z 35 9

Rádiový vysílač koncový stupeň Příklad Push-Pull zapojení s 2x NPN Si planárními tranzistory na čipu Schéma zapojení (Philips Semiconductors, BLV862) Třída AB, 860 MHz, 150 W, 9 db, 50 %, I cq = 0,8 A Předpětí do bází DUT s tepl. kompenzací 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 Strana 19 z 35 Rádiový vysílač koncový stupeň Pokračování Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače Strana 20 z 35 10

Rádiový vysílač koncový stupeň Příklad Push-Pull zapojení s 2x LDMOS tranzistory na čipu Třída AB, aplikace v DVB-T, 470MHz až 860 MHz, 110 W, 9 db LDMOS Schéma zapojení (Philips Semiconductors, BLF888) Demonstrační modul Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače Strana 21 z 35 Rádiový vysílač koncový stupeň TWT Travelling Wave Tube Vývoj 194x, Nuffield Laboratory Physics Department, Birmingham University Velký zisk (30..60 db), lineární vstupně-výstupní charakteristika, šířka pásma typicky 1:2 až 1:4 Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače Strana 22 z 35 11

Rádiový vysílač koncový stupeň Apollo Lunar Module Dva v sérii řazené amplitrony. 2282.5 MHz, 18,6 W/50 Ω Zdroj: Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače Strana 23 z 35 Rádiový přijímač zařízení schopné příjmu/detekce elektromagnetických vln, zpravidla v úzkém kmitočtovém pásmu Základní blokové schéma přijímače Zcela jiné požadavky na zpracování signálu Vybraná uspořádání (koncepce) přijímačů Přijímač s detektorem (AM) Přímozesilující přijímač Superheterodynní přijímač s jedním směšováním Superheterodynní přijímač s dvojím směšováním Superheterodynní přijímač s trojím (a vícenásobným) směšováním Přijímač s jedním směšováním na nulovou mezifrekvenci (Zero IF) Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače Strana 24 z 35 12

Měření mimo kanál Měření v kanálu Rádiový přijímač základní parametry přijímačů 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 digitálních modulací nejnižší hodnota vstupního napětí při níž bitová chybovost BER dosahuje určité definované hodnoty. Šumové číslo (šumová teplota, jakostní číslo, ) Odolnost proti rušícímu signálu v kanálu (Co-Channel Rejection) Odolnost proti rušícímu signálu mimo kanál (Spurious Imminity) Selektivita blízká (kanálová selektivita) přijímače Odolnost proti intermodulačním produktům (Intermodulation Immunity) Další parametry Přeladění/šířka pásma Vstupní impedance Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače Strana 25 z 35 Rádiový přijímač příklady měření parametrů 1. Citlivost přijímače (Sensitivity), přijímač DRK Hledáme takovou velikost vstupního signálu (tedy bez šumu), kdy BER dosahuje určité definované hodnoty Generátor vf data BER Přijímač Tester Vrms, Ps P in BER BERref? 2. Odolnost proti rušícímu signálu v kanálu (Co-Channel Rejection, CCR), přijímač DRK Generátor Generátor vf data BER Přijímač Tester Pvf vf ruš. Pd a) b) P P vf in BER BERref P d BER BERref? c) CCR Pd Pvf 3 db db Detailní podmínky měření jsou odvislé od systému a definuje je příslušná norma Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače Strana 26 z 35 13

Příklady měření parametrů rádiových přijímačů 3. Odolnost proti intermodulačním produktům (Intermodulation Immunity), přijímač DRK Dvoutónový test jako u měření intermodulačních produktů zesilovačů. Dva rušivé signály umístěné mimo kanál (GSM: harmonický na ofsetu +800 khz od f c, modulovaný signál na ofsetu +1,6 MHz od f c ) generují na nelinearitách obvodů přijímače intermodulační produkt 3. řádu, který leží na kmitočtu f c, tj. přímo v měřeném kanálu. P tst BER BERref? Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače Strana 27 z 35 Rádiový přijímač Přímozesilující přijímač Pásm. filtr LC rez. obvod Vf. zesilovač Detektor Nf. zesilovač Demodulovaný výstupní signál Jednoduchá koncepce Nebezpečí oscilací při velkém zesílení Potíže se selektivitou při požadavku na přeladění Vf. zesilovač Zesilovač/ detektor Nf. zesilovač Feritová anténa LC rez. obvod (zdroj: neznámý) Radijoprijomnik igruška Malčiš Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače Strana 28 z 35 14

Rádiový přijímač Přijímač typu superhet s jedním směšováním Pásm. filtr MF filtr Demodulátor Dekodér LNA AGC f LO Přeladitelnost přijímače Obvody zpracování signálu na fixním kmitočtu (mf filtr, zesilovač, demodulátor) Směšování problém s nežádoucími produkty Ideový návrh přijímače FM pro pásmo VKV Zadání: 88 108 MHz, BW 230 khz, citlivost µv Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače Strana 29 z 35 Rádiový přijímač LC obvod oscilátoru Oscilátor Mf. zesilovač Mf. filtr Feritová anténa Vf. zesilovač Detektor Směš. Nf. zesilovač (zdroj: neznámý) Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače Strana 30 z 35 15

Rádiový přijímač Přijímač typu superhet s dvojím směšováním Pásm. filtr MF1 filtr MF2 filtr Demodulátor Dekodér LNA AGC f1 f2 Přeladitelnost přijímače (jako s jedním směšováním) Obvody zpracování signálu na fixním kmitočtu (mf. filtr, zesilovač, demodulátor) Řeší problém příjmu na velmi vysokých kmitočtech nebo příjem v extrémně širokém pásmu Směšování vznik nežádoucích produktů Ideový návrh satelitního přijímače digitální TV Zadání: 10 12,x GHz, BW 30 MHz, malé šumové číslo Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače Strana 31 z 35 Rádiový přijímač Přijímač s jedním směšováním na nízkou mezifrekvenci (Low IF) TEA5767 Low power FM stereo radio Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače Strana 32 z 35 16

Rádiový přijímač Přijímač s jedním směšováním na nulovou mezifrekvenci (Zero IF) Aton AS-102, Abilis SYSTEMS Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače Strana 33 z 35 Rádiový přijímač Přijímač s jedním směšováním na nulovou mezifrekvenci (Zero IF) MAXIM, MAX3580 Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače Strana 34 z 35 17

Konec prezentace Matějka, Š.: Rádiové vysílače a přijímače Strana 35 z 35 18