Rádiové přijímače a vysílače
1. Rádiové přijímače Zařízení pro zpracování rádiových signálů přijatých anténou
Požadavky na rádiové přijímače dynamický rozsah - schopnost zpracovávat jak silné, tak slabé signály citlivost schopnost zpracovávat slabé signály vysílač přijímač
Požadavky na rádiové přijímače selektivita - schopnost potlačovat signály mimo pracovní kanál kanál B kanál A
Požadavky na rádiové přijímače selektivita - schopnost potlačovat signály mimo pracovní kanál kanál B kanál A
Požadavky na rádiové přijímače Intermodulační odolnost kmitočet f b kmitočet f c kmitočet f a Intermodulace vzniká na nelinearitách při přítomnosti dvou a více signálů. Kmitočet intermodulačního produktu Problém m. f ± n. f = f b c a m. f ± n. f, mn, Z b c
Rádiové přijímače - koncept ADC Analogové signály Digitální signály Zpracování mod. signálu Demodulátor Zpracování demod. signálu
Přijímače - začátky CW klíčování nosné AM amplitudová modulace První přijímače (krystalové přijímače) detektor vysokofrekvenčního signálů malá citlivost a selektivita skleněná trubička s kovoými pilinami G
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
Kmitočtová konverze (směšování) Přijímaný signál přesunout na mezifrekvenční kmitočet a filtraci signálu provést na tomto kmitočtu 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 )
přijímaný kmitočet Preselekce S vf (ω) H(ω) zrcadlový kmitočet ω S vf (ω) ω S mf (ω) ω + ω 1/2S vf (ω+ω LO ) + 1/2S vf (ω-ω LO )
přijímaný kmitočet S vf (ω) Preselekce H(ω) zrcadlový kmitočet ω S vf (ω) ω S mf (ω) ω + ω 1/2S vf (ω+ω LO ) + 1/2S vf (ω-ω LO )
Obvodová realizace směšovače Gilbertova buňka IF Output Diodový dvojitě vyvážený směšovač Vcc RF Input GND LO Input LO Input Vbias TRANS5 RF Input Vbias GND IF Output GND Asymetrický směšovač RF Input F_RF F_IF MF Output IF Input F_LO
Směšování Směšovač nelineární obvod na jehož vstupu jsou z principu minimálně 2 signály, signál lokálního oscilátoru a přijímaný signál => Vznik intermodulačních produktů na kmitočtech mflo ±. nfvf Z hlediska směšování jsou důležité pouze produkty druhého řádu, tj. f ± f, ostatní produkty jsou nežádoucí. VF LO Intermodulace může způsobit nechtěný příjem na parazitním kmitočtu. Řešení problému s intermodulací na směšovači Konstrukce směšovačů Kmitočtový plán přijímače optimalizace Úrovňový plán přijímače optimalizace
Superheterodynní přijímač využívá kmitočtovou konverzi preselektor mezifrekv. zesilovač demod. lokální oscilátor
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 Ladění lokálního oscilátoru varianta 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
Řízení zisku přijímače Dosažení velkého dynamického rozsahu preselektor mezifrekv. zesilovač demod. lokální oscilátor detektor úrovně řízení zisku
Filtry - základní pojmy Vložný útlum Propustné pásmo rozsah kmitočtů, pro které je útlum filtru menší než specifikovaná hodnota Nepropustné pásmo rozsah kmitočtů, pro které je útlum filtru větší než specifikovaná hodnota Zlomový kmitočet f co kmitočet, na kterém je vložný útlum právě 3 db Střední kmitočet geometrický střed propustného pásma Fázová charakteristika Skupinové zpoždění f = f f kmitočet x f co 0 1 2 útlum db DC 1 db 3 db 20 db 40 db 1
Filtrů LC filtry Rezonátorové filtry Obvody s rozprostřenými parametry Používají se na vysokých kmitočtech Elektromechanické filtry Využívají přeměnu elektrického signálu na mechanický, případně akustický Mechanické a akustické rezonátory se vyznačují velkou jakostí
Helicalový filtr (rezonátorový) SAW filtr (elektroakustický) LC filtr se soustředěnou selektivitou Ref 4 dbm 0-10 1 SA CLRWR -20-30 -40 TG 0 dbm Att 40 db 2 * RBW 100 khz Delta 4 [T1 ] * VBW 30 khz -30.50 db * SWT 960 ms 22.120000000 MHz 1 Marker 1 [T1 ] 3-1.70 dbm 69.440000000 MHz Delta 2 [T1 ] -2.81 db -6.440000000 MHz Delta 3 [T1 ] -2.59 db 8.120000000 MHz 4 A RBW10kHz Delta4[T1] TG -30dBm VBW1kHz -39.18dB Ref-14dBm Att20dB * SWT960ms 18.350000000MHz UNCAL -20 1 Marker1[T1] 2 3-21.17dBm 140.050000000MHz A 1SA -30 Delta2[T1] CLRWR -3.60dB -6.400000000MHz -40 Delta3[T1] -2.35dB 6.000000000MHz -50-60 4 *RBW1kHz Delta4[T1] TG 0 dbm VBW1kHz -58.19dB Ref 4dBm Att40dB * SWT960ms 185.000000000MHz 0 1 2 Marker1[T1] UNCAL -1.42dBm 207.413527894MHz A 1SA -10 Marker2[T1] CLRWR -1.73dBm 301.413527894MHz -20 Delta3[T1] -66.36dB -30-32.000000000MHz -40-50 -60-70 -70-80 -90-50 -60-70 3 4-80 -100-80 -90 Center 70 MHz 14 MHz/ Span 140 MHz -110 Center140MHz 10MHz/ Span100MHz -90 Center250 MHz 50MHz/ Span500MHz Date: 5.JAN.2007 14:01:44
Lokální oscilátor Základní zapojení oscilátorů VCO s malým fázovým šumem
Fázový závěs zpětnovazební obvod, kde řízenou veličinou je fáze respektive kmitočet oscilátoru f r Referenční kmitočet Fázový detektor Filtr F(s) VCO f o výstupní kmitočet Dělič kmitočtu 1/N volitelně f o = N. f r
Konstrukční problém přijímačů Filtry s velkou selektivitou lze technicky realizovat na nízkých kmitočtech => zrcadlový kmitočet je blízko přijímanému signálu => velké nároky na selektivitu preselektoru Řešení přijímač s dvojím směšováním první mezifrekvenční kmitočet dostatečně vysoký, aby potlačení zrcadlového přijmu v preselektoru bylo dostatečné kanálová selektivita realizována na druhém (nízkém) mezifrekvenčním kmitočtu
Přijímač s dvojím směšováním preselektor 1. mf. zesilovač 2. mf. zesilovač demod. 1. lokální oscilátor 2. lokální oscilátor
Směšovač s potlačením zrcadlového příjmu IRM Image Rejection Mixer RF RFI IF RF, 3 db 90º Hybridní člen RFQ 3 db dělič výkonu LO IF, 3 db 90º Hybridní člen Image A γ [ db] 2 1+ γ + 2γ cosφ = 10log 1 + γ 2 γ cos φ Image 2 φ amplitudové nevyvážení fázové nevyvážení Potlačení zrcadla [db] Potlačení zrcadlového příjmu Fázové nevyvážení [º] Amplitudové nevyvážení [db]
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
Přijímač s nulovým mezifrekvenčním kmitočtem (Homodyn) 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
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 mfkmitočet 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.
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
Ukázka superreakčního přijímače
Rádiové vysílače modulační signál modulátor zesilovač výkonu filtr harmonických složek + přizpůsobení antény generátor nosné vlny
Modulátor I komplexní obálka vysílaného signálu π/2 modulovaný signál Q generátor nosné vlny
Zesilovače výkonu Třídy zesilovačů výkonu
Zesilovače výkonu používané 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 Max. účinnost [%] Poznámka A B C 50 78,5 Blíží se 100 pro nulový úhel otevření Lineární Bez harmonického zkreslení Lineární S harmonickým zkreslením Nelineární S harmonickým zkreslením