Lasse Latva OH3HZB PRK:n radioamatöörikurssi Radiotekniikan lyhyt oppimäärä. Lasse Latva OH3HZB. Johdanto. Perusteet.

Transkriptio

1 1.3.

2 Tämä oppimateriaali on kirjoitettu Polyteknikkojen Radiokerhon (PRK, OH2TI) a varten ja kattaa hieman luennolla käsiteltäviä asioita laajemman kokonaisuuden radiotekniikan perusteita. Toisaalta monia tärkeitä asioita, kuten esimerkiksi antenneja, ei käsitellä lainkaan. Esitys on kovin lyhyt ja suppea kattamaan pientä osaakaan radiotekniikan laajasta alueesta, mutta toivottavasti siitä on silti hyötyä opiskelun tukena.

3 Radioaalloilla tarkoitetaan sähkömagneettistä säteilyä, jonka taajuus on alle 3000 GHz. Radioaallot jaetaan seuraaviin taajuusalueisiin: Taajuusalue VLF = Very Low Frequency LF = Low Frequency MF = Medium Frequency HF = High Frequency = shortwave VHF = Very High Frequency UHF = Ultra High Frequency SHF = Super High Frequency EHF = Extremely High Frequency Taajuudet 3-30 khz khz khz 3-30 MHz MHz MHz 3-30 GHz GHz Radioamatööreillä on käytettävissä taajuuksia LF:ltä EHF:lle. (Taajuusjako Suomessa:

4 1.5 1 AM moduloitu aalto moduloitu lähete moduloiva signaali 0.5 amplitudi, V aika, s Tiedonsiirto radion välityksellä - terminologiaa: moduloiva signaali = matalataajuinen hyötysignaali, jota halutaan siirtää moduloiva signaali voi olla puhetta tai dataa, analoginen tai digitaalinen kantoaalto = radiotaajuinen signaali, johon informaatio koodataan kantoaalto on yleensä oskillaattorin tuottama puhdas sinisignaali

5 Lisää terminologiaa P IF RF f [Hz] kantoaaltotaajuus (carrier frequency) RF-kantoaallon taajuus esim. FM-lähettimen taajuus silloin, kun modulaattori ei poikkeuta taajuutta lainkaan välitaajuus (IF, intermediate frequency) yleensä kantoaaltotaajuutta matalampi taajuus, jolla voidaan tehdä analogista tai digitaalista signaalinkäsittelyä radiossa voi olla useita välitaajuuksia

6 Moduloinnilla tarkoitetaan informaatiosignaalin liittämistä radiotaajuiseen kantoaaltoon. Demodulointi on käänteinen toimenpide, jossa informaatio pyritään erottamaan eli ilmaisemaan radiotaajuisesta signaalista. (demodulaattori = ilmaisin) Yleisesti käytettyjä demodulaattoreita: verhokäyräilmaisin eli diodi-ilmaisin (diodi) tuloilmaisin (product detector) taajuusdiskriminaattori PLL (vaihelukittu silmukka, phase-locked loop) I/Q-ilmaisin (saadaan myös signaalin vaihe) Modeemi on modulaattorin ja demodulaattorin yhdistelmä.

7 Modulaatiot AM = amplitude modulation - amplitudimodulaatio OOK = on-off keying (CW) DSB = double side band (AM) DSB-SC = double side band - suppressed carrier SSB-SC = single side band - suppressed carrier LSB = lower side band USB = upper side band ASK = amplitude shift keying FM = frequency modulation - taajuusmodulaatio FSK = frequency shift keying MSK/FFSK = minimum shift / fast frequency shift keying PM = phase modulation - vaihemodulaatio PSK = phase shift keying IQ: M-QAM, M = 4, 16, (4QAM=QPSK)

8 Amplitudimodulaatio (AM) Yksinkertaisin AM-modulaatio tuottaa kantoaallon ja kaksi moduloidun informaation sisältävää identtistä sivukaistaa. Suodattamalla pois kantoaalto (ja toinen sivukaista) voidaan säästää tehoa ja radiotaajuista kaistaa. P [dbm] P [dbm] LSB fc USB LSB fc USB "AM lähete" "DSB lähete" DSB SC f [Hz] f [Hz] P [dbm] SSB lähete (LSB) LSB fc USB f [Hz] P [dbm] SSB lähete (USB) LSB fc USB f [Hz]

9 Tavallisimpien modulaatioiden ominaisuuksia AM voidaan ilmaista verhokäyräilmaisimella tai tuloilmaisimella DSB/SSB FM voidaan ilmaista tuloilmaisimella tarvitaan aina apuoskillaattori, koska lähetteestä puuttuu kantoaalto edellyttää lineaarisuutta: A- tai AB-luokan vahvistinaste voidaan ilmaista taajuusdiskriminaattorilla tai vaihelukitulla silmukalla (PLL) vakio amplitudi - voidaan käyttää epälineaarista C-luokan vahvistinta

10 Lähetteistä käytetään myös seuraavanlaisia kolmimerkkisiä koodeja: 1. merkki 2. merkki 3. merkki A - DSB 0 = ei moduloivaa signaalia A = sähkötys kuulovastaanottoa varten F - FM 1 = yksikan. digitaalilähete, B = sähkötys autom. vast.ottoa varten G - PM ei alikantoaaltoa C = FAX H - SSB 2 = yksikan. digitaalilähete, D = data J - SSB-SC alikantoaalto E = puhelähete N - unmod. 3 = yksikanavainen F = televisio (video) analoginen lähete N = ei informaatiota Radioamatööritoiminnassa käytetyimmät: A1A = sähkötys J3E = SSB-puhelähete F3E = FM-puhelähete

11 sarjaresonanssi (resonanssissa impedanssiminimi) rinnakkaisresonanssi (resonanssissa impedanssimaksimi) ssa piirin impedanssi on puhtaasti reaalinen, josta saadaan resonanssiehto: X C = X L Tästä voidaan selvittää piirin resonanssitaajuus: 1 ωc = ωl 1 2πfC = 2πfL f 2 1 = (2π) 2 LC f = 1 2π LC

12 Q-arvo Q-arvo eli hyvyysluku kuvaa resonanssipiirin hyvyyttä ja se määritellään resonanssipiirin varastoiman energian ja häviötehon suhteena: Q = ω rw P t = 2πf rw P loss Piirin puolen tehon kaistanleveys B 3dB on suhteessa Q-arvoon seuraavasti: Q = f r 2B 3dB

13 ( ) P P [db] = 10 log 10 [teho] P ref U[dB] = 10 log 10 ( U ( U ) 2 = 20 log 10 U ref U ref db = desibeli, belin kymmenys, 0.1B ) [jännite] dbm = desibeli suhteessa tehoon 1 mw (dbw tehoon 1 W) dbc = db suhteessa kantoaallon tehoon ( carrier ) dbµv = db suhteessa jännitteeseen 1 µv dbi = db suhteessa isotrooppiseen säteilijään (dbd dipoliin) db muuttaa osamäärät erotuksiksi ja tulot summiksi esim. tehon 1W tuplaantuminen: 1W*2 = 0 dbw + 3 db = 3 dbw = 2W

14 Jotta kuormaan (esim. antenniin) saataisiin siirrettyä generaattorista (esim. lähettimestä) maksimiteho, tulee rajapinnan impedanssien olla yhtä suuria: Z source = Z load Mikäli impedanssit eivät ole yhtä suuria, tapahtuu rajapinnassa heijastus. Toisistaan poikkeavat impedanssit voidaan sovittaa käyttämällä sovituspiirejä, eli kapasitiivinen impedanssi voidaan sovittaa lisäämällä vastaava induktiivinen komponentti ja päin vastoin.

15 sta (Lämpö)kohinateho P = ktb missä T = lämpötila kelvineinä, B = kaistanleveys ja k = Boltzmannin vakio. kerroin kuvaa signaali-kohinasuhteen heikkenemistä laitteessa: F = SNR in SNR out luku on kohinakerroin desibeleinä F (db) = 10log 10 F

16 Radiolaitteen lohkoja suodatin vahvistin sekoitin oskillaattori ~ modulaattori / demodulaattori

17 Radiolaitteen lohkoja - suodatin A alipäästö kaistanpäästö ylipäästö f [Hz] Suodatin on komponentti (tai lohko), jolla on tietty haluttu amplitudikäyttäytyminen taajuuden funktiona: alipäästösuodatin (LPF = low pass filter) ylipäästösuodatin (HPF = high pass filter) kaistanpäästösuodatin (BPF = band pass filter) kaistanestosuodatin (BSF = band stop filter) Ideaalinen suodatin päästää läpi vain halutut taajuudet ja estää muut.

18 Radiolaitteen lohkoja - suodatin (jatkuu) Käytännön suodatin ei ole ideaalisen jyrkkä, estokaistan vaimennus ei ole eikä päästökaistan vaimennuskaan ole 0 (eikä edes vakio tajuudesta riippumatta). Suodattimen asteluku N (komponenttien lukumäärä) on kääntäen verrannollinen suodattimen jyrkkyyteen: mitä suurempi asteluku, sitä jyrkempi suodatin. Laadukkaita kapeakaistaisia suodattimia voidaan rakentaa mm. kvartsikiteistä. Tavallisesti näitä käytetään radiovastaanottimien välitaajuussuodattimina.

19 Suodattimet (jatkuu) A [V] Pmax Pmax 3dB ripple BW 3dB f [Hz] Päästökaistan tasaisuutta kuvaa suure aaltoilu eli ripple, rippeli, joka tarkoittaa suodattimen päästökaistan suurimman ja pienimmän amplitudiarvon eroa. Suodattimen kaistanleveys määritellään yleensä puolen tehon kaistanleveytenä B 3dB, eli taajuusakselin välinä, jossa teho on pudonnut puoleen päästökaistan maksimiarvosta.

20 Suodattimet (jatkuu) LC-alipäästösuodatin L A [V] estokaista C päästökaista f [Hz] LC-ylipäästösuodatin C L A [V] estokaista päästökaista f [Hz]

21 Suodattimet (jatkuu) LC-kaistanestosuodatin C L L C LC-kaistanpäästösuodatin C L C L

22 Vahvistin Vahvistin G= x db IN OUT pyrkii tuottamaan ulostuloonsa sisään menneen aallon vahvistuneena, sitä muutoin muuttamatta jännite/tehovahvistus (voltage/power gain), ilmoitetaan usein desibeleinä vahvistava komponentti usein transistori (putkivahvistimessa putki), jossa pieni ohjausvirta ohjaa suurempaa virtaa LNA (low noise amplifier) = pienikohinainen etuvahvistin, PA (power amplifier) = tehovahvistin

23 Vahvistinluokat A-luokka toimitaan vahvistinkomponentin lineaarisella alueella vahvistinkomponentissa kulkee virta koko ajan huono hyötysuhde mutta pieni särö B-luokka vahvistinkomponentissa kulkee virta puolen jakson ajan tavallisesti push-pull -transistoripari, jossa toinen vahvistaa toisen puolijakson ja toinen toisen C-luokka vahvistinkomponentissa kulkee virta alle puolen jakson ajan erittäin epälineaarinen, mutta hyötysuhde hyvä, jopa yli 80% käyttö FM-päätevahvistimissa (amplitudi vakio), taajuuden kerronnassa D-luokka - on - off

24 Sekoitin Sekoitin - superheterodynetekniikan mahdollistava elementti P RF f RF OUT P LO (Local Oscillator) LO RF RF LO RF+LO n * LO + m * RF 2LO+RF f P f LO kolmiportti, joka tuottaa ulostuloonsa sille syötettyjen signaalien summa- ja erotustaajuudet haluttu taajuus valitaan suodattamalla balansoitu ja kaksoisbalansoitu sekoitin vähentävät ei-toivottujen taajuuksien määrää ulostulossa

25 Sekoitin (jatkuu) Peilitaajuuden ongelma f_in f_lo f_out f_in = 1 f_lo = 3 f_out = 3 1 = 2 P f_in = 5 f_out = 5 3 = 2!!! IF IF wanted LO image jos vastaanotettava taajuus on 1 ja paikallisoskillaattori 3, saadaan sekoittimelta erotussignaali 3-1 = 2 jos sisääntuloon menisi taajuus 5 (peilitaajuus), tulisi erotustaajuudeksi myös 2! (peilitaajuus on välitaajuuden verran LO-taajuuden toisella puolen kuin haluttu taajuus) f Ongelma ratkaistaan käyttämällä kaksoissuperia, jonka ensimmäinen välitaajuus valitaan korkeaksi, jotta peilitaajuus on suodatettavissa pois.

26 Oskillaattori oskillaattori on kiinteä- tai säädettävätaajuuksinen siniaaltogeneraattori saadaan transistorista, kun se asetetaan (esim. positiivisella takaisinkytkennällä) epästabiiliksi eli värähtelemään hyvällä oskillaattorilla on puhdas spektri ja vakaa taajuus taajuus voidaan lukita tarkkaan referenssiin käyttämällä vaihelukitusta (PLL, phase-locked loop) VCO = Voltage Controlled Oscillator = oskillaattori, jonka taajuus on jännitteellä säädettävissä käyttö: sekoittimen paikallisoskillaattorina, sähkötyslähettimenä... VFO = Variable Frequency Oscillator, radiolaitteen vastaanotto-/lähetystaajuuden valinnassa käytettävä säädettävä oskillaattori

27 Diodi, kapasitanssidiodi ja pin-diodi pn-diodi tuottaa signaalin tehoon verrannollisen DC-jännitteen, toimii verhokäyräilmaisimena epälineaarisena komponenttina tuottaa signaalin harmonisia taajuuksia voidaan käyttää ilmaisimissa, sekoittimissa... kapasitanssidiodi eli varaktori DC-jännitteellä säädettävä pn-rajapinnan kapasitanssi käytetään taajuuden säätöön ja kerrontaan pin-diodi pn-diodi, jossa seostamaton kerros (i) välissä DC-jännitteellä säädettävä impedanssi käyttö modulaattoreissa, kytkimissä yms.

28 radioamato o rikurssi oppima a ra Kvartsikide vastinkytkentä: R L C La hetelajien tunnukset C Kiteen ominaisuuksia I I I pietsosa hko ista materiaalia: mekaaninen sa hko inen va ra htely tarkka ja stabiili resonanssitaajuus pieniha vio inen (Q suuri) Vihjeita tiedonla hteille Ka ytto I I referenssioskillaattorina kapeakaistaisissa suodattimissa

29 Kaapeleita: avojohto koaksiaalikaapelit rakenne: sisäjohdin, eriste, punottu met. suojavaippa, pintamateriaali ominaisimpedanssi: Z0 = η ( ) 2π ln ro, missä r i µ0 µ r,coax η = ja r o on koaksiaalikaapelin ja r i sen ɛ 0 ɛ r,coax sisäjohtimen säde. RG-58 - perustyyppi alemmille taajuuksille (HF, VHF..), ominaisimpedanssi 50 Ω useita muita tyyppejä RF-liittimiä: BNC / TNC, UHF, N, SMA,...

30 (rx) suora vastaanotin - kidekone ilmaistaan radiotaajuinen signaali suoraan radiotaajuudelta suoramuunnosvastaanotin (direct conversion) radiotaajuinen signaali sekoitetaan suoraan DC:lle ei välitaajuuksia (IF = intermediate frequency) superheterodynevastaanotin - superi radiotaajuinen signaali sekoitetaan alas välitaajuudelle kaksoissuperheterodynevastaanotin - kaksoissuperi kaksi välitaajuutta => parempi selektiivisyys myös kolmoissuperi mahdollinen (kolme välitaajuutta)

31 (rx, jatkoa) Suoramuunnosvastaanotin ~ LNA ~ LO ~ ~ Demod.

32 (tx) Lähettimille voidaan soveltaa samoja arkkitehtuureita: kantoaaltoa voidaan moduloida suoraan pin-diodi AM, kapasitanssidiodi FM voidaan tehdä ylössekoituksia välitaajuuksille ja lopulta RF-taajuudelle P [dbm] vastaanotto baseband lähetys IF RF f [Hz]

33 (tx) Suoramuunnoslähetin Modulator ~ ~ ~ ~ PA ~

34 Mittalaitteita Kolmesta kosinikomponentista (14, 18 ja 38 Hz) koostuva signaali oskilloskoopin ruudulla signal A, [V] diodi-ilmaisin yksinkertainen tapa mitata piirin RF-teho toimii myös AM-ilmaisimena SWR-mittari ilmoittaa seisovan aallon suhteen (1:1 kun impedanssit sovitetut) oskilloskooppi näyttää signaalin amplitudin aika-alueessa eli ajan funktiona taajuuslaskuri mittaa signaalin taajuuden t, [s]

35 Mittalaitteita (jatkuu) Kolmesta kosinikomponentista (14, 18 ja 38 Hz) koostuvan signaalin amplitudispektri signal1 A, [V] f, [Hz] spektrianalysaattori näyttää signaalin taajuuskomponentit eli spektrin useimmiten taajuuspyyhkäisevä vastaanotin myös Fourier-muunnos (FFT) välitaajuudelta mahdollinen (=reaaliaika-analysaattori)

36 Tiimissä Hamssiksi - kirjat ARRL: The ARRL Handbook for Radio Communications Google Wikipedia: suomenkielinen HAM-wiki: epanorama.net -linkkikokoelma: (erityisesti Radio-osio)