Funkční bloky rádiových systémů

A2B99KOS Komunikační systémy

Funkční bloky rádiových systémů Doc. Dr. Ing. Pavel Kovář [email protected]

ČVUT FEL, K13137


Rádiový přijímač Komplexní obálka

Pásmový signál

Kvadraturní demodulátor Re  sɶ ( t ) 

Vstupní díl přijímače

s(t) Im  sɶ ( t ) 

-sin(ωct)

Demodulátor komplexní obálky signálu

cos(ωct)

Generátor nosné vlny

Rádiové systémy

2


Rádiový přijímač Vstupní díl přijímače

Kvadraturní demodulátor

Demodulátor dat

Signál přijímaný anténou

Analogový, Pásmový (spektrum soustředěno kolem nosného kmitočtu) Zpracování signálu v přijímači Analogové a číslicové

Rádiové systémy

3




ADC

Demodulátor dat



Rádiové systémy

4




ADC

Demodulátor dat

Analogové signály



Rádiové systémy

5




ADC

Analogové signály

Demodulátor dat Číslicové signály



Rádiové systémy

6




Demodulátor dat



Rádiové systémy

7




ADC

Demodulátor dat



Rádiové systémy

8




ADC

Demodulátor dat

Analogové signály



Rádiové systémy

9



Kvadraturní demodulátor Analogové signály

ADC

Demodulátor dat Číslicové signály



Rádiové systémy

10




Demodulátor dat



Rádiové systémy

11




Demodulátor dat



Rádiové systémy

12


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)! Rádiové systémy

13


Vlastnosti vstupního dílu přijímače Selektivita – schopnost potlačit signály mimo

přijímané kmitočty

Rádiové systémy

14




kanál B

kanál A Rádiové systémy

15




kanál B

kanál A Rádiové systémy

16


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

Rádiové systémy

17


Přímo zesilující přijímače Před demodulátor zařazen vysokofrekvenční

zesilovač zvýšení citlivosti přijímače přetrvává problém se selektivitou a přeladitelností přijímače

vstupní obvod

vf (selektivní) zesilovač

Rádiové systémy

demod.

výstup

18


Jednoduchý LC rezonanční obvod L

R

C

A (ω ) = 1 + S 2 (ω )

- amplitudová charakteristika

 ω ω0  −  = Qβ S (ω ) = Q   ω0 ω 

- poměrné rozladění

C L 1 ω0 = LC φ (ω ) = tan −1 β (ω ) Q=R

B3 =

f0 Q

B3

3dB

Ba

- činitel jakosti

- rezonanční úhlový kmitočet - fázová charakteristika - 3 dB šířka pásma

Rádiové systémy

f1 f0 f2

f


Činitel jakosti Q Popisuje ztráty v reálných rezonančních obvodech a

rezonátorech

Q = 2π ×

Energie naakumulovaná v rezonátoru Energie ztracená za jednu periodu

Rádiové systémy

20


Realizovatelnost filtrů Šířka pásma jednoduchého LC obvodu závisí

na

f0 B = 3 provozním činiteli Q

jakosti.

Činitel jakosti realizovatelných cívek Q~ 50 ÷

200 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! Rádiové systémy

21

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.

Problém s přeladitelností LC filtru

Problém s přeladitelností LC filtru

Problém s přeladitelností LC filtru Modulová charakteristika C=100pF dB

C=50pF

C=20pF C=10pF

Problém s přeladitelností LC filtru Modulová charakteristika C=100pF

C=50pF

dB

Selektivita filtru se mění se středním kmitočtem !

C=20pF C=10pF


Superheterodynní přijímač mezifrekv. zesilovač

preselektor

demod.

lokální oscilátor

Přijímaný signál je konvertován na zpravidla nižší

pevný mezifrekvenční kmitočet na kterém se lépe filtruje a zesiluje

Rádiové systémy


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 Rádiové systémy

28

přijímaný kmitočet

Preselekce A2B99KOS Komunikační systémy

Svf(ω)

H(ω)

zrcadlový kmitočet

Svf(ω)

ω

ω

ω Smf(ω) 1/2Svf(ω+ωLO) + 1/2Svf(ω-ωLO)


29


Preselekce A2B99KOS Komunikační systémy

Svf(ω)

H(ω)


Svf(ω)

ω

ω

ω Smf(ω) 1/2Svf(ω+ωLO) + 1/2Svf(ω-ωLO)


30


Obvodová realizace směšovače Diodový dvojitě vyvážený směšovač

Gilbertova buňka IF Output

Vcc

RF Input

LO Input GND

LO Input

Vbias

TRANS5

GND

RF Input

IF Output

Vbias

GND

Asymetrický směšovač RF Input

F_RF

IF Input

F_LO

Rádiové systémy

F_IF

MF Output

31


Superheterodynní přijímač Preselektor

selektivní vysokofrekvenční zesilovač vzdálenou selektivitu přijímače potlačení zrcadlových kmitočtů

Mezifrekvenční zesilovač

selektivní zesilovač pracující na fixním kmitočtu fmf blízkou (kanálovou) selektivitu přijímače

Lokální oscilátor

zdroj signálu pro směšovač

Ladění lokálního oscilátoru varianta

kmitočet LO



LO kmitá o mf. níž

fLO = fvf - fmf

fvf = fLO + fmf

fz = fLO - fmf

LO kmitá o mf. výš

fLO = fvf + fmf

fvf = fLO - fmf

fz = fLO + fmf

Rádiové systémy

32


Řízení zisku přijímače Dosažení velkého dynamického rozsahu

mezifrekv. zesilovač

preselektor

lokální oscilátor

demod.

detektor úrovně

Filtr AGC smyčky

řízení zisku

Rádiové systémy

33


Konstrukční problém 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

Rádiové systémy

34


Přijímač s dvojím směšováním

1. mf. zesilovač

preselektor

1. lokální oscilátor

2. mf. zesilovač

demod.

2. lokální oscilátor

Rádiové systémy

35


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.

Rádiové systémy

36

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 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


Integrované provedeni TV tuneru

Rádiové systémy

39


DVB-S tuner

Rádiové systémy

40


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 …

Rádiové systémy

41


Superreakční rozhlasový přijímač VKV FM

Rádiové systémy

42



Rádiové systémy

43



Vlastní superreakční přijímač

Rádiové systémy

44



Vlastní superreakční přijímač

Nízkofrekvenční akustický zesilovač

Rádiové systémy

45


1. Rádiové vysílače

Rádiové systémy

46

1. Rádiové vysílače A2B99KOS Komunikační systémy

Kvadraturní modulátor Re  sɶ ( t ) 

symboly ck

Modulátor komplexní obálky

svf ( t )

Im  sɶ ( t ) 

-sin(ωct)

Signály v základním pásmu

Vysílač

cos(ωct)


Rádiové systémy

47



symboly ck


svf ( t )

Im  sɶ ( t ) 

-sin(ωct)


cos(ωct)


Rádiové systémy

Vysílač

Analogové vysokofrekvenční a mezifrekvenční signály

48



symboly ck


svf ( t )

Im  sɶ ( t ) 

-sin(ωct)


cos(ωct)


Rádiové systémy

Vysílač

Analogové vysokofrekvenční a mezifrekvenční signály

49



symboly ck


svf ( t )

Im  sɶ ( t ) 

-sin(ωct)


Vysílač

cos(ωct)


Rádiové systémy

50



symboly ck


svf ( t )

Im  sɶ ( t ) 

-sin(ωct)


Vysílač

cos(ωct)


zesilovač výkonu

Rádiové systémy

filtr harmonických složek + přizpůsobení antény

51

Zesilovače výkonu Třídy zesilovačů výkonu


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

Max. účinnost [%]

A

50

Lineární Bez harmonického zkreslení

B

78,5

Lineární S harmonickým zkreslením

C

Blíží se 100 pro nulový úhel otevření

Nelineární S harmonickým zkreslením

Rádiové systémy

Poznámka

53


Modulace s konstantní a nekonstantní obálkou Konstantní obálka FSK, CPFSK, CPM BPSK, QPSK, M-PSK s obdélníkovým modulačním impulsem

Nekonstantní obálka ASK QAM OFDM

BPSK s obdélníkovým mod. impulsem

s(t)

s(t)

Konstantní obálka

t

Rádiové systémy

4ASK Nekonstantní obálka

t

54

Funkční bloky rádiových systémů

Recommend Documents