TAAJUUDEN SIIRTO JA SEKOITUS VÄLITAAJUUSVASTAANOTIN & SUPERHETERODYNEVASTAANOTTO

Transkriptio

1 TAAJUUDEN SIIRTO JA SEKOITUS VÄLITAAJUUSVASTAANOTIN & SUPERHETERODYNEVASTAANOTTO 1 (17)

2 Sekoitus uudelle keskitaajuudelle Kantataajuussignaali (baseband) = signaali ilman modulaatiota Kaistanpäästösignaali (bandbass) = kantoaaltoon moduloitu signaali Baseband spectrum Bandpass spectrum f Usein tietoliikennejärjestelmissä on tarpeen siirtää sekoituksella kaistanpäästösignaali uudelle keskitaajuudelle. Olkoon DSB-moduloitu signaali m(t)cos(ω 1 t) taajuudella ω 1, joka siirretään uudelle taajuudelle ω 2 kertomalla signaalilla 2cos(ω 1 ±ω 2 )t. Trigonometrian lakien vuoksi signaali siirtyy myös taajuksille, joita ei haluta päästää järjestelmään. Siksi ne suodatetaan pois BPF:lla. Suodattimen kaistanleveyden on päästettävä moduloitu signaali esteettä läpi (esim. DSB:n tapauksessa tarvitaan kaistanleveys 2W). -f C e( t) = m( t)cosω 2t + m( t)cos(2ω1 ± ω2) f C f 2 (17)

3 Sekoitus uudelle keskitaajuudelle [( ω ± 2ω ) t] cos[ ( ω ± ω ) t] = k( t)cosω t + k( t)cos[ (2ω ± 3 ) t] 2k( t)cos ω2 Haittana on, että taajuudella ω 1 ±2ω 2 esiintyvä muu lähete k(t) siirtyy taajuudelle ω 2. Sitä kutsutaan peilitaajuusongelmaksi (image freg.). Sekoitusperiaatetta käytetään superheterodynevastaanottimessa (keksittiin 1918), joka on yleensä käytössä RF-vastaanottimissa. Uutta taajuutta ω 2 kutsutaan välitaajuudeksi ω IF ja tulotaajuutta ω 1 radiotaajuudeksi ω RF, koska se on moduloidun radiosignaalin kantoaaltotaajuus. Paikallisoskillaattorin mahdolliset viritystaajuudet ω LO ovat ω C ± ω IF (ylä- ja alapuolinen viritys). 3 (17)

4 Superheterodynevastaanotin SH-vastaanoton etuja: hyvä herkkyys (pystytään ilmaisemaan heikkoja signaaleja), hyvä selektiivisyys (pystytään ilmaisemaan lähellä toisiaan olevia signaaleja), kiinteätaaj. vahvistin & suodatin Hyvälaatuinen välitaajuussuodatin (BPF) on ns. esi-ilmaisusuodatin, joka rajaa kohinan signaalin kaistanleveydelle (tarkast. luvussa 6). 4 (17)

5 Superheterodynevastaanotin Analoginen vahvistus ja suodatus voidaan siis suorittaa viritettävän taajuuden sijasta kiinteällä keskitaajuudella, mikä parantaa suodatuksen laatua ja siten vastaanottimen suorituskykyä. Tyypillisiä välitaajuuksia mm. 455 khz (AM-IF), 10,7 MHz (FM-IF), 71 MHz (GSM-IF). IF-asteen jälkeen seuraa normaali analogisesti tai digitaalisesti moduloidun signaalin ilmaisu. Esimerkiksi alla FM-ilmaisu diskriminaattoria käyttäen. 5 (17)

6 Superheterodynevastaanotin Esivalintasuodatin (pre-select filter) Kanavanvalintasuodatin Band select filter Mirror frequency rejection filter Channel select filter "I" RF LNA IF LO LO Kantataajuusosat (I/Q-DSP) "Q" LO Band select filter Channel select filter f f IF f LNA = low noise amplifier 6 (17)

7 Useita välitaajuusasteita Välitaajuusasteita voi olla useita peräkkäin (2 tai 3), eli tulosignaali sekoitetaan kantataajuudelle pienemmissä erissä. LNA = low noise amplifier 7 (17)

8 Useita välitaajuusasteita GSM superheterodyne Duplex-suodatin (kytkin) erottaa Rx/Tx-suunnat antennipäässä. 8 (17)

9 Sekoitustaajuuden valinta SH-vastaanottimen paikallisoskillaattorin taajuus voi olla joko saapuvan radiotaajuuden ala- tai yläpuolella. Puhutaan ala- ja yläpuolisesta virityksestä/sekoituksesta. Se kumpi valitaan, riippuu siitä, että kummalla saavutetaan pienempi oskillaattorin suhteellinen viritysalue. Alla olevassa esimerkissä yläpuolinen viritys tuottaa suhteen 2.07:1 ja alapuolinen 13.46:1. Siksi tässä esimerkissä kannatta valita yläpuolinen viritysalue. 9 (17)

10 Peilitaajuusongelma Peilitaajuus (image frequency) on kahden välitaajuuden ω IF päässä tulon RF-taajuudesta ω C. 10 (17)

11 Peilitaajuusongelma Nähdään, että muu lähete siirtyy välitaajuuskaistalle, minkä jälkeen signaaleja ei voida enää erottaa. Vieras lähete voi olla kaukanakin halutusta tulotaajuudesta (riippuu perustaajuuksien valinnasta). 11 (17)

12 Peilitaajuusongelma Sama kaksipuolisena spektriesityksenä. 12 (17)

13 Peilitaajuusongelma Peilitaajuusongelmalta pyritään välttymään sijoittamalla sopivia suodatinasteita RF-etupäähän. Radiotekniikkaan liittyvää materiaalia: (17)

14 SUORAMUUNNOSVASTAANOTIN 14 (17)

15 Suoramuunnosvastaanotin Jos tulosignaali sekoitetaan suoraan alas kantataajuudelle (nollavälitaajuudelle) sanotaan periaatetta homodynevastaanottimeksi tai suoramuunnosvastaanottimeksi (direct conversion receiver). Low-pass filter Band select filter I LNA LO LO Low-pass filter DC Q Band select filter Low-pass Filter f f 15 (17)

16 Suoramuunnosvastaanotin 16 (17)

17 Suoramuunnosvastaanotin Suoramuunnosvastaanotin on nykyään yksi yleisimmistä radioarkkitehtuureista, koska esivalintasuodatinta lukuunottamatta kaikki sen osat voidaan integroida yhdelle piirille. Soveltuu hyvin monijärjestelmä ta ohjelmistopohjaisiin radioihin sekä laajakaistaisten kognitiivisten radioiden (cognitive radio) spektrisensoriin. Hyvän integroitavuuden lisäksi pieni tehonkulutus, koska erillisiä tehoa kuluttavia puskureita ei tarvita ajamaan ulkoisia komponentteja. Lisäksi vältytään peilitaajuusongelmalta, koska RF-signaali sekoitetaan suoraan nollakeskitaajuudelle. Suurin haaste LO:n vuotaminen ja 2. kl epälineaarisuus. Vuotamisesta aiheutuva DC-virhe aiheuttaa sekoittimen jälkeisten piiriosien saturoitumisen ja saattaa estää vastaanottimen toiminnan. Herkkä 1/f-kohinalle, joka signaalin kanssa samalla kaistalla. Lisäksi tulon taajuuskaistan laajentaminen tiukentaa eri lohkojen suorituskykyvaatimuksia. Esimerkiksi RF-osan toteuttaminen haastavaa, koska sen tulee samanaikaisesti saavuttaa tarvittava lineaarisuus ja alhainen kohinaluku kohtuullisella tehonkulutuksella. 17 (17)