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 fb
kmitočet fa
kmitočet fc
Intermodulace vzniká na nelinearitách při přítomnosti dvou a více signálů. Kmitočet intermodulačního produktu Problém
m. f b ± n. f c = f a
m. f b ± n. f c , m, n ∈ Z
Rádiové přijímače - koncept ADC
Analogové signály
Zpracování mod. signálu
Digitální signály
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 smf ( t ) = svf ( t ) cos (ωLOt ) = svf ( t )
1 jωLOt e + e − jωLOt 2
(
)
1 S mf (ω ) = ⎡⎣ Svf (ω − ωLO ) + Svf (ω + ωLO ) ⎤⎦ 2 Svf(ω)
Smf(ω)
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
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 => mf LO ± .nfVF Vznik intermodulačních produktů na kmitočtech 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
Superheterodynní přijímač • využívá kmitočtovou konverzi
mezifrekv. zesilovač
preselektor
lokální oscilátor
demod.
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
přijímaný kmitočet
zrcadlový kmitočet
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
Řízení zisku přijímače • Dosažení velkého dynamického rozsahu
mezifrekv. zesilovač
preselektor
lokální oscilátor
demod.
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
•
40 dB
útlum dB
• •
20 dB
Zlomový kmitočet fco
– kmitočet, na kterém je vložný útlum právě 3 dB
• Střední kmitočet
f 0 = f1 f 2 – geometrický střed propustného pásma
• Fázová charakteristika • Skupinové zpoždění
1 dB DC
3 dB 1
kmitočet x fco
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)
Ref
TG Att
4 dBm
* SWT 960 ms
1
0
1 SA CLRWR
* RBW 100 kHz * VBW 30 kHz
0 dBm 40 dB 2
3
-10
-20
4
-30
Delta 4 [T1 ] -30.50 dB 22.120000000 MHz Marker 1 [T1 ] -1.70 69.440000000 Delta 2 [T1 ] -2.81 -6.440000000 Delta 3 [T1 ] -2.59 8.120000000
dBm MHz dB MHz dB MHz
Ref-14dBm A
UNCAL -20 1SA -30 CLRWR -40
*RBW10kHz Delta4[T1] -39.18dB TG -30dBm *VBW1kHz 18.350000000MHz Att 20dB *SWT960ms M a r k e r1[ T1] 1 3 -21.17dBm 2 140.050000000MHz A Delta2[T1] -3.60dB -6.400000000MHz Delta3[T1] -2.35dB 6.000000000MHz
-50
4
LC filtr se soustředěnou selektivitou
Ref 4dBm 0 1SA -10 CLRWR -20 -30
-50
-70
-50
-60
-80
-60
-70
-90
-70
-80
-100
-80
-90
-110
-90
14:01:44
14 MHz/
Span 140 MHz
Center140 MHz
2
Marker1[T1] -1.42dBm 207.413527894MHz A Marker2[T1] -1.73dBm 301.413527894MHz Delta3[T1] -66.36dB -32.000000000MHz
-40
-60
Center 70 MHz
*RBW1kHz Delta4[T1] *VBW1kHz -58.19dB *SWT960ms 185.000000000MHz
UNCAL
-40
Date: 5.JAN.2007
TG 0dBm Att 40dB 1
4 3
10MHz/
Span100MHz
Center250MHz
50MHz/
Span500MHz
Lokální oscilátor Základní zapojení oscilátorů
VCO s malým fázovým šumem
Fázový závěs • zpětnovazební obvod, kde řízenou veličinou je fáze respektive kmitočet oscilátoru fr Referenční kmitočet
Fázový detektor
Filtr F(s)
Dělič kmitočtu 1/N volitelně
fo = N . fr
VCO
fo výstupní kmitočet
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
1. mf. zesilovač
preselektor
1. lokální oscilátor
2. mf. zesilovač 2. lokální oscilátor
demod.
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]
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
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.
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
generátor nosné vlny
zesilovač výkonu
filtr harmonických složek + přizpůsobení antény
Modulátor I
komplexní obálka vysílaného signálu
π/2
Q
generátor nosné vlny
modulovaný signál
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
50
Lineární Bez harmonického zkreslení
B
78,5
Lineární S harmonickým zkreslením
C
Blíží se 100 pro nulový úhel otevření
Nelineární S harmonickým zkreslením
