TAAJUUDEN SIIRTO JA SEKOITUS VÄLITAAJUUSVASTAANOTIN ELI SUPERHETERODYNEVASTAANOTTO

Transkriptio

1 1 TAAJUUDEN SIIRTO JA SEKOITUS VÄLITAAJUUSVASTAANOTIN ELI SUPERHETERODYNEVASTAANOTTO Millaista analogista signaalinkäsittelyä suoritetaan radiosignaalin vastaanotossa?

2 SEKOITUS UUDELLE KESKITAAJUUDELLE 2 Kantataajuussignaali (baseband) = signaali ilman modulaatiota Kaistanpäästösignaali (bandbass) = sinikantoaaltoon moduloitu Baseband spectrum Bandpass spectrum f -f C f C f Vastaanottimessa on tarve siirtää sekoituksella kaistanpäästösignaali uudelle pienemmälle keskitaajuudelle (esim. GHz-alueelta MHz-alueelle) ennen ilmaisua suodatusten ja vahvistusten suorittamiseksi laadukkaammin.

3 SEKOITUS UUDELLE KESKITAAJUUDELLE 3 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 vuoksi signaali siirtyy myös taajuksille, joita ei haluta päästää järjestelmään. Siksi ne komponentit KPsuodatetaan pois e(t)-signaalista. Suodattimen kaistanleveyden on lisäksi päästettävä moduloitu signaali esteettä läpi: DSB:n tapauksessa tarvitaan kaistanleveys 2W SSB: W VSB: W+ FM & PM: 2(D+1)W e( t) = m( t)cosω 2t + m( t)cos(2ω1 ± ω2)

4 SEKOITUS UUDELLE KESKITAAJUUDELLE 4 e( t) = m( t)cosω 2t + m( t)cos(2ω1 ± ω2)

5 SEKOITUS UUDELLE KESKITAAJUUDELLE 5 Haittana on, että taajuudella ω 1 ±2ω 2 esiintyvä muu radiokanava k(t) siirtyy myös taajuudelle ω 2. Sitä kutsutaan peilitaajuusongelmaksi (image freguency). 2k( t)cos k( t)cosω [( ω ] [ ] 1 ± 2ω2 ) t cos ( ω1 ± ω2) t t + k( t)cos[ (2ω ± 3ω ) t] =

6 SEKOITUS UUDELLE KESKITAAJUUDELLE 6 Sekoitusperiaatetta käytetään superheterodynevastaanottimessa (keksittiin 1918). Se on tähän saakka ollut yleensä käytössä vastaanottimien RFetupäässä. Uutta taajuutta ω 2 kutsutaan välitaajuudeksi ω IF ja tulotaajuutta ω 1 radiotaajuudeksi ω RF, koska se on moduloidun radiosignaalin kantoaaltotaajuus. Oskillaattorin mahdolliset viritystaajuudet ω LO : Yläpuolinen viritys ω c + ω IF Alapuolinen viritys ω c ω IF

7 SUPERHETERODYNEVASTAANOTIN 7 Etuja: hyvä herkkyys (pystytään ilmaisemaan heikkoja signaaleja) hyvä selektiivisyys (pystytään ilmaisemaan lähellä toisiaan olevia signaaleja), koska kiinteätaajuinen KP-suodatin ja vahvistin Hyvälaatuinen välitaajuussuodatin on ns. esi-ilmaisusuodatin, joka rajaa kohinan signaalin kaistanleveydelle (tark. luku 7).

8 SUPERHETERODYNEVASTAANOTIN 8 Analoginen vahvistus ja suodatus voidaan siis suorittaa viritettävän taajuuden sijasta kiinteällä keskitaajuudella, mikä parantaa suodatuksen laatua ja siten vastaanottimen suorituskykyä. Tyypillisiä välitaajuuksia: AM-IF = 455 khz ULA-FM-IF = 10,7 MHz GSM-IF = 71 MHz

9 SUPERHETERODYNEVASTAANOTIN 9 Huomaa peilitaajuusuodatin peilitaajuussignaalin poistamiseksi. Esivalintasuodatin (pre-select/band-select filter) Band select filter Mirror frequency rejection filter Kanavanvalintasuodatin Channel select filter Kantataajuusosat (I/Q-DSP) "I" LO RF LNA IF LO "Q" LNA = low noise amplifier LO Band select filter Channel select filter Valitsee taajuusalueen f f IF Valitsee kanavan f

10 ULA-FM-VASTAANOTIN 10 IF-asteen jälkeen seuraa normaali analogisesti tai digitaalisesti moduloidun signaalin ilmaisu. Alla FM-ilmaisu diskriminaattoria käyttäen.

11 SEKOITUSTAAJUUDEN VALINTA 11 SH-oskillaattorin taajuus voi olla saapuvan radiotaajuuden joko ala- tai yläpuolella. Puhutaan ala- ja yläpuolisesta virityksestä/sekoituksesta. Kumpi valitaan, riippuu siitä, kummalla saavutetaan pienempi oskillaattorin suhteellinen viritysalue. Alla yläpuolinen viritys tuottaa suhteen 2.07:1 ja alapuolinen 13.46:1. Siksi tässä kannatta valita yläpuolinen viritysalue.

12 PEILITAAJUUSONGELMA 12 Peilitaajuus on aina kahden välitaajuuden f IF päässä RFtulotaajuudesta f C.

13 PEILITAAJUUSONGELMA 13 Muu lähete siirtyy IF-kaistalle, jolloin signaaleja ei voi erottaa. Vieras lähete voi olla kaukanakin käytetystä RF-taajuudesta (riippuu perustaajuuksien valinnasta).

14 USEITA VÄLITAAJUUSASTEITA 14 Välitaajuusasteita voi olla useita peräkkäin (2 tai 3), eli tulosignaali sekoitetaan välitaajuudelle pienemmissä erissä. LNA = low noise amplifier

15 PEILITAAJUUSONGELMA 15 Peilitaajuusongelmalta pyritään välttymään sijoittamalla sopivia suodatinasteita RF-etupäähän. Radiotekniikkaan liittyvää materiaalia:

16 16 MUITA VASTAANOTINPERIAATTEITA Uusia ja vanhoja ratkaisuja?

17 SUORAMUUNNOSVASTAANOTIN 17 Jos RF-signaali sekoitetaan suoraan alas kantataajuudelle (nollavälitaajuudelle) sanotaan periaatetta homodynevastaanottimeksi tai suoramuunnosvastaanottimeksi (direct conversion receiver). Nykyiset kännykät käyttävät tätä periaatetta! Band select filter Low-pass filter I LNA Band select filter LO LO Low-pass filter DC Q Low-pass Filter f f

18 SUORAMUUNNOSVASTAANOTIN 18 Suoramuunnosvastaanotin on nykyään yksi yleisimmistä radioarkkitehtuureista, koska esivalintasuodatinta lukuunottamatta kaikki sen osat voidaan integroida yhdelle piirille. Soveltuu hyvin kännyköiden monijärjestelmä (eri taajuusalueilla 800 MHz Mhz olevat GSM, EDGE, GPRS,UMTS, LTE-A,...) tai 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 (kutsutaan zero-ifvastaanottimeksi).

19 SUORAMUUNNOSVASTAANOTIN (S) 19 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 nollataajuden lähellä. 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.

20 SH VS. TUNED RADIO FREQUENCY (S) 20 Tuned radio frequency (TRF) on SH:ta vanhempi periaate. Siinä kukin taajuusalue valitaan RF-etupäässä erikseen, mistä seuraa moninkertaiset RF-osat.

21 GSM SUPERHETERODYNE (S) 21 Kahden välitaajuuden SH. Duplex-suodatin (kytkin) erottaa Rx/Tx-suunnat RF-etupäässä, jottei lähetin tuki vastaanottimen piensignaalivahvistimia.