Dynamický rozsah Intermodulační zkreslení
Nelineární soustava y ( t ) = a0 + a1 x ( t ) + a2 x 2 ( t ) + a3 x 3 ( t ) ...
Průchod harmonického signálu nelineární soustavou x ( t ) = A cos (ω t ) y ( t ) = a0 + a1 A cos (ω t ) + a2 cos 2 (ω t ) + a3 cos3 (ω t ) + ... = = a0′ + a1′ cos (ω t ) + a2′ cos ( 2ω t ) + a3′ cos ( 3ω t ) + ... Na výstupu dostáváme periodický signál, není však harmonický. Je zkreslen vyššími harmonickými složkami.
Průchod biharmonického signálu nelineární soustavou x ( t ) = A1 cos (ω1t ) + A2 cos (ω 2t )
y ( t ) = a0 + a1 ( A1 cos (ω1t ) + A2 cos (ω 2t ) ) + + a2 ( A1 cos (ω1t ) + A2 cos (ω 2t ) ) + a3 ( A1 cos (ω1t ) + A2 cos (ω 2t ) ) + ... = 2
= a0 + a1 A1 cos (ω1t ) + a1 A2 cos (ω 2t ) +
3
a2 A1 (1 + cos ( 2ω1t ) ) + 2
(
)
a2 A2 (1 + cos ( 2ω 2t ) ) + a2 A1 A2 cos ( (ω1 − ω 2 ) t ) + cos ( (ω1 + ω 2 ) t ) + 2 mω ± nω 2 a AA +... 3 1 2 cos (ω1t ) ... 2 +
1
2
Spektrum výstupního signálu obsahuje složky na kmitočtech mω1 ± nω 2 , kde m, n ∈ Z . Velikost spektrálních čar souvisí s velikostí budících signálů nelineárně. Jev se nazývá intermodulace. a3 A1 A22 Ve vztahu se vyskytují i členy typu 2 cos (ω1t ) . Jedná se o složku,
která leží na kmitočtu ω1 , její amplituda souvisí s A1 a A2 . Přítomností této složky lze vysvětlit křížovou modulaci.
Dynamický rozsah IP3
výstupní výkon Po (dBm)
PIP3_O Psat
oblast saturace
IP1
PIP1_O
destrukce
1dB výstupní lineární dynamický rozsah DR
dynamický rozsah bez IM zkreslení SFDR
intermodulační složky 3. řádu, strmost 3:1
základní signál strmost 1:1 3dB
MDSo Pšo
šumové pozadí
Pši MDSi
PIP1_I
PIP3_I
f1 f2 f2-f1
2f1-f2 2f2-2f1 3f2-3f1
3f1-2f2 4f1-3f2
vstupní výkon Pi (dBm) f1+f2
2f1
2f2-f1
2f2
3f2-2f1 4f2-3f1
f
Kmitočtová konverze Směšovače
Kmitočtová konverze (směšování) smf ( t ) = svf ( t ) cos (ωLOt ) = svf ( t )
1 jωLOt − jωLOt e +e 2
(
)
1 Smf (ω ) = ⎡⎣ Svf (ω − ωLO ) + Svf (ω + ωLO ) ⎤⎦ 2 Svf(ω)
Smf(ω)
ω 1/2Svf(ω+ωLO) + 1/2Svf(ω-ωLO)
+ ω
Preselekce
přijímaný kmitočet
Svf(ω)
H(ω)
Svf(ω)
zrcadlový kmitočet
ω
ω
ω Smf(ω) 1/2Svf(ω+ωLO) + 1/2Svf(ω-ωLO)
+ ω
přijímaný kmitočet
Preselekce
Svf(ω)
H(ω)
Svf(ω)
zrcadlový kmitočet
ω
ω
ω Smf(ω) 1/2Svf(ω+ωLO) + 1/2Svf(ω-ωLO)
+ ω
Obvodová realizace směšovače Diodový dvojitě vyvážený směšovač
Gilbertova buňka IF Output
Vcc
RF Input LO Input
LO Input
GND
Vbias
TRANS5
GND
RF Input
Vbias
GND
Asymetrický směšovač RF Input
F_RF
IF Input
F_LO
F_IF
MF Output
IF Output
Směšování Směšovač – nelineární obvod na jehož vstupu jsou z principu
minimálně 2 signály, signál lokálního oscilátoru a přijímaný signál => Vznik intermodulačních produktů na kmitočtech mf LO ± nfVF . Z hlediska směšování jsou důležité pouze produkty druhého řádu, tj. fVF ± f LO , ostatní produkty jsou nežádoucí. Intermodulace může způsobit nechtěný příjem na parazitním kmitočtu. Řešení problému s intermodulací na směšovači
Konstrukce směšovačů Kmitočtový plán přijímače – optimalizace Úrovňový plán přijímače – optimalizace
Směšovač mf1 ± nf 2
Nelineární obvod – vznik intermodulačních produktů Ideální směšovač – čtyř kvadrantová násobička, pouze cos (ω1t ) cos (ω2t ) =
fVF
f LO f MF
(
1 cos ( (ω1 + ω2 ) t ) + cos ( (ω1 − ω2 ) t ) 2
f1 ± f 2
)
- kmitočet přijímaného signálu - kmitočet lokálního oscilátoru - mezifrekvenční kmitočet
f LO = fVF ± f MF
- ladění lokálního oscilátoru (+ ladí se o mf kmitočet výš, - ladí se o mf kmitočet níž)
Směšování Pro daný kmitočet lokálního oscilátoru a mezifrekvenční kmitočet je možný příjem na dvou kmitočtech
fVF = f LO + f MF fVF = f LO − f MF Z dvojice kmitočtů je vybrán vstupními selektivními obvody přijímače pouze jeden. Druhý, tzv. zrcadlový kmitočet je potlačen. Směšovač s potlačením zrcadlového kmitočtu (Image rejection mixer)
sMF ( t ) = sVF ( t ) e
− jωLO t
sVF(t)
cos LO sin
sMF(t)
Reálný směšovač Není ideální násobička => problém s intermodulačními
produkty přijímaného signálu a lokálního oscilátoru mf LO ± nfVF
fVF
f MF − mf LO =± n
kmitočty, na kterých je možný příjem
Potlačení jednotlivých intermodulačních produktů se řídí tzv. směšovací tabulkou (mix table)
Další parametry směšovače IF
RF
LO Konverzní ztráty
Izolace bran
U IF U RF LO-IF (průnik signálu LO do brány IF) LO-RF (průnik signálu LO do brány RF)
Tranzistorový dvojitě vyvážený směšovač AD831
Směšovač s potlačením zrcadlového příjmu IRM Image Rejection Mixer RF
IF
RFI RF, 3 dB 90º Hybridní člen RFQ
3 dB dělič výkonu
IF, 3 dB 90º Hybridní člen Image
LO
Potlačení zrcadlového příjmu
φ
γ
amplitudové nevyvážení
Fázové nevyvážení [º] Potlačení zrcadla [dB]
⎡1 + γ 2 + 2γ cos φ ⎤ AImage [ dB ] = −10log ⎢ ⎥ 2 ⎣1 + γ − 2γ cos φ ⎦
fázové nevyvážení Amplitudové nevyvážení [dB]
Rádiové přijímače
Základní pojmy Selektivita - schopnost přijímače potlačovat příjem na
kmitočtech mimo naladěný kanál Blízká selektivita - schopnost potlačovat příjem na sousedních kanálech Vzdálená selektivita - schopnost potlačovat vzdálené kmitočty
Měření selektivity Analogové přijímače - vyhodnocuje se úroveň signálu na výstupu přijímače vyvolané nechtěným příjmem vzhledem k úrovni chtěného signálu Digitální přijímače - vyhodnocuje se chybovost příjmu chtěného signálu za přítomnosti nechtěného signálu
Základní pojmy Citlivost - schopnost přijímače zpracovávat slabé signály Měření Analogové přijímače - hledá se nejmenší úroveň vstupního signálu, pro který je splněn požadavek na minimální S/N na výstupu
Digitální přijímače - hledá se nejmenší úroveň vstupního signálu, pro který je splněn požadavek na chybovost BER
Základní pojmy Intermodulační odolnost přijímače – schopnost potlačovat intermodulační produkty
Základní pojmy – analogové přijímače Křížová modulace – přenos modulace signálu (obvykle o velké úrovni) na který není přijímač naladěn na přijímaný signál (obvykle slabý)
Znecitlivění přijímače – ztráta schopnosti přijímat slabé signály v případě, že se na vstupu objeví signál mimo naladěný kanál o velké úrovni
Zkreslení přijímače – nelineární zkreslení přijímaného signálu
Účinnost AVC – schopnost přijímače udržovat stejnou úroveň signálu na výstupu v případě přijmu slabých a silných signálů
Typy přijímačů Krystalka – pouze pro AM modulaci, přijímač tvořen selektivním obvodem a AM demodulátorem Přímo zesilující přijímače – před demodulátor zařazen vf. zesilovač Superreakční přijímače – využívá tzv. superreakce, vstupní obvody přijímače kmitací, čímž je dosaženo velkého zesílení Superheterodynní přijímače - přijímače s kmitočtovou konverzí
Krystalka Přijímač s kohererem
Jednoduchá krystalka
Přímo zesilující přijímač
Ukázka superreakčního přijímače
Superheterodynní přijímač s jedním směšováním
mezifrekv. zesilovač
preselektor
lokální oscilátor
demod.
Superheterodynní přijímač s dvojím směšováním
1. mf. zesilovač
preselektor
1. lokální oscilátor
2. mf. zesilovač 2. lokální oscilátor
demod.
Blokové schéma integrovaného obvodu pro AM a dig. přijímače
Kmitočtový plán přijímače 300 -1 1 0dB
250
3 2 60dB -2 2 76dB -3 3 66dB
200 Parazitní příjmy [MHz]
150
100
33
156 137
-1 2 60dB
118 108
2 2 76dB
66dB
-2 3 67dB
1 1 0dB
2 3 67dB -1 3 62dB 0 1 22dB 1 2 60dB
50
0 100
108
110
1 3 62dB 0 2 75dB
118
120 130 140 Nastavený kmitočet [MHz]
137
150
156
160
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. 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.
Přijímač s IRM IRM mezifrekv. zesilovač
preselektor
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
Integrované provedeni TV tuneru
DVB-S tuner
