1.5 1 0.5 0 0.5 1 AM moduloitu aalto moduloitu lähete moduloiva signaali 1.5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 aika, s Johdanto 1.3. Tämä oppimateriaali on kirjoitettu olyteknikkojen Radiokerhon (RK, OH2T) 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. Taajuusalueet Radioaalloilla tarkoitetaan sähkömagneettistä säteilyä, jonka taajuus on alle 3000 GHz. Radioaallot jaetaan seuraaviin taajuusalueisiin: erusteet Taajuusalue VF = Very ow Frequency F = ow 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 30-300 khz 300-3000 khz 3-30 MHz 30-300 MHz 300-3000 MHz 3-30 GHz 30-300 GHz Radioamatööreillä on käytettävissä taajuuksia F:ltä EHF:lle. (Taajuusjako Suomessa: http://www.ficora.fi) amplitudi, V 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
SB f USB SB f USB SB f USB SB f USB isää terminologiaa Modulointi ja demodulointi F Moduloinnilla tarkoitetaan informaatiosignaalin liittämistä radiotaajuiseen kantoaaltoon. Demodulointi on käänteinen toimenpide, jossa informaatio pyritään erottamaan eli ilmaisemaan radiotaajuisesta signaalista. (demodulaattori = ilmaisin) Yleisesti käytettyjä demodulaattoreita: kantoaaltotaajuus (carrier frequency) -kantoaallon taajuus esim. FM-lähettimen taajuus silloin, kun modulaattori ei poikkeuta taajuutta lainkaan välitaajuus (F, intermediate frequency) yleensä kantoaaltotaajuutta matalampi taajuus, jolla voidaan tehdä analogista tai digitaalista signaalinkäsittelyä radiossa voi olla useita välitaajuuksia verhokäyräilmaisin eli diodi-ilmaisin (diodi) tuloilmaisin (product detector) taajuusdiskriminaattori (vaihelukittu silmukka, phase-locked loop) /Q-ilmaisin (saadaan myös signaalin vaihe) Modeemi on modulaattorin ja demodulaattorin yhdistelmä. Modulaatiot AM = amplitude modulation - amplitudimodulaatio OOK = on-off keying (W) DSB = double side band (AM) DSB-S = double side band - suppressed carrier SSB-S = single side band - suppressed carrier SB = 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 M = phase modulation - vaihemodulaatio SK = phase shift keying Q: M-QAM, M = 4, 16, 256.. (4QAM=QSK) 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. [dbm] [dbm] [dbm] [dbm] c c c "AM lähete" "DSB lähete" DSB S SSB lähete (SB) SSB lähete (USB) c
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 () vakio amplitudi - voidaan käyttää epälineaarista -luokan vahvistinta ähetelajien tunnukset ähetteistä 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 - M ei alikantoaaltoa = FAX H - SSB 2 = yksikan. digitaalilähete, D = data J - SSB-S 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 Resonanssi Q-arvo sarjaresonanssi (resonanssissa impedanssiminimi) rinnakkaisresonanssi (resonanssissa impedanssimaksimi) Resonanssissa piirin impedanssi on puhtaasti reaalinen, josta saadaan resonanssiehto: X = X Tästä voidaan selvittää piirin resonanssitaajuus: Q-arvo eli hyvyysluku kuvaa resonanssipiirin hyvyyttä ja se määritellään resonanssipiirin varastoiman energian ja häviötehon suhteena: Q = ωrw = 2πfrW t loss iirin puolen tehon kaistanleveys B3dB on suhteessa Q-arvoon seuraavasti: 1 ω = ω 1 2πf = 2πf f 2 1 = (2π) 2 f = 1 2π Q = fr 2B3dB
Desibeli ( ) [db] = 10 log10 [teho] ref U[dB] = 10 log10( U ( ) U ) 2 = 20 log10 [jännite] Uref Uref db = desibeli, belin kymmenys, 0.1B mpedanssisovitus Jotta kuormaan (esim. antenniin) saataisiin siirrettyä generaattorista (esim. lähettimestä) maksimiteho, tulee rajapinnan impedanssien olla yhtä suuria: 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 Zsource = Zload 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. Kohinasta Radiolaitteen lohkoja (ämpö)kohinateho = ktb missä T = lämpötila kelvineinä, B = kaistanleveys ja k = Boltzmannin vakio. suodatin vahvistin Kohinakerroin kuvaa signaali-kohinasuhteen heikkenemistä laitteessa: sekoitin F = SNRin SNRout Kohinaluku on kohinakerroin desibeleinä oskillaattori modulaattori / demodulaattori F (db) = 10log10F
Radiolaitteen lohkoja - suodatin Radiolaitteen lohkoja - suodatin (jatkuu) A alipäästö kaistanpäästö ylipäästö Suodatin on komponentti (tai lohko), jolla on tietty haluttu amplitudikäyttäytyminen taajuuden funktiona: alipäästösuodatin (F = low pass filter) ylipäästösuodatin (HF = high pass filter) kaistanpäästösuodatin (BF = band pass filter) kaistanestosuodatin (BSF = band stop filter) 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. aadukkaita kapeakaistaisia suodattimia voidaan rakentaa mm. kvartsikiteistä. Tavallisesti näitä käytetään radiovastaanottimien välitaajuussuodattimina. deaalinen suodatin päästää läpi vain halutut taajuudet ja estää muut. Suodattimet (jatkuu) A [V] Suodattimet (jatkuu) max ripple -alipäästösuodatin max 3dB A [V] estokaista BW 3dB päästökaista äästökaistan 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. -ylipäästösuodatin A [V] estokaista päästökaista
2O+ Suodattimet (jatkuu) -kaistanestosuodatin Vahvistin Vahvistin G= x db N OUT -kaistanpäästösuodatin 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 NA (low noise amplifier) = pienikohinainen etuvahvistin, A (power amplifier) = tehovahvistin 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 -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 Sekoitin Sekoitin - superheterodynetekniikan mahdollistava elementti f OUT O (ocal Oscillator) O f O O +O n * O + m * kolmiportti, joka tuottaa ulostuloonsa sille syötettyjen signaalien summa- ja erotustaajuudet haluttu taajuus valitaan suodattamalla balansoitu ja kaksoisbalansoitu sekoitin vähentävät ei-toivottujen taajuuksien määrää ulostulossa f
radioamato o rikurssi oppima a ra Sekoitin (jatkuu) eilitaajuuden ongelma Oskillaattori f_in f_out F f_in = 1 f_o = 3 f_out = 3 1 = 2 f_o wanted F O image f f_in = 5 f_out = 5 3 = 2!!! jos vastaanotettava taajuus on 1 ja paikallisoskillaattori 3, saadaan sekoittimelta erotussignaali 3-1 = 2 jos sisa a ntuloon menisi taajuus 5 (peilitaajuus), tulisi erotustaajuudeksi myo s 2! (peilitaajuus on va litaajuuden verran O-taajuuden toisella puolen kuin haluttu taajuus) Ongelma ratkaistaan ka ytta ma lla kaksoissuperia, jonka ensimma inen va litaajuus valitaan korkeaksi, jotta peilitaajuus on suodatettavissa pois. Diodi, kapasitanssidiodi ja pin-diodi pn-diodi tuottaa signaalin tehoon verrannollisen D-ja nnitteen, toimii verhoka yra ilmaisimena epa lineaarisena komponenttina tuottaa signaalin harmonisia taajuuksia voidaan ka ytta a ilmaisimissa, sekoittimissa... radioamato o rikurssi oppima a ra oskillaattori on kiintea - tai sa a detta va taajuuksinen siniaaltogeneraattori saadaan transistorista, kun se asetetaan (esim. positiivisella takaisinkytkenna lla ) epa stabiiliksi eli va ra htelema a n hyva lla oskillaattorilla on puhdas spektri ja vakaa taajuus taajuus voidaan lukita tarkkaan referenssiin ka ytta ma lla vaihelukitusta (, phase-locked loop) VO = Voltage ontrolled Oscillator = oskillaattori, jonka taajuus on ja nnitteella sa a detta vissa ka ytto : sekoittimen paikallisoskillaattorina, sa hko tysla hettimena... radioamato o rikurssi oppima a ra Kvartsikide vastinkytkentä: R D-ja nnitteella sa a detta va pn-rajapinnan kapasitanssi ka yteta a n taajuuden sa a to o n ja kerrontaan pin-diodi pn-diodi, jossa seostamaton kerros (i) va lissa D-ja nnitteella sa a detta va impedanssi ka ytto modulaattoreissa, kytkimissa yms. VFO = Variable Frequency Oscillator, radiolaitteen vastaanotto-/la hetystaajuuden valinnassa ka ytetta va sa a detta va oskillaattori kapasitanssidiodi eli varaktori radioamato o rikurssi oppima a ra Kiteen ominaisuuksia pietsosa hko ista materiaalia: mekaaninen sa hko inen va ra htely tarkka ja stabiili resonanssitaajuus pieniha vio inen (Q suuri) Ka ytto referenssioskillaattorina kapeakaistaisissa suodattimissa
-kaapelit ja liittimet Kaapeleita: avojohto koaksiaalikaapelit rakenne: sisäjohdin, eriste, punottu met. suojavaippa, pintamateriaali ominaisimpedanssi: Z0 = η ( ) 2π ln ro, missä ri µ0µr,coax η = ja ro on koaksiaalikaapelin ja ri sen ɛ0ɛr,coax sisäjohtimen säde. RG-58 - perustyyppi alemmille taajuuksille (HF, VHF..), ominaisimpedanssi 50 Ω useita muita tyyppejä -liittimiä: BN / TN, UHF, N, SMA,... Radioarkkitehtuurit (rx) suora vastaanotin - kidekone ilmaistaan radiotaajuinen signaali suoraan radiotaajuudelta suoramuunnosvastaanotin (direct conversion) radiotaajuinen signaali sekoitetaan suoraan D:lle ei välitaajuuksia (F = intermediate frequency) superheterodynevastaanotin - superi radiotaajuinen signaali sekoitetaan alas välitaajuudelle kaksoissuperheterodynevastaanotin - kaksoissuperi kaksi välitaajuutta => parempi selektiivisyys myös kolmoissuperi mahdollinen (kolme välitaajuutta) Radioarkkitehtuurit (rx, jatkoa) Radioarkkitehtuurit (tx) Suoramuunnosvastaanotin NA O Demod. ähettimille voidaan soveltaa samoja arkkitehtuureita: kantoaaltoa voidaan moduloida suoraan pin-diodi AM, kapasitanssidiodi FM voidaan tehdä ylössekoituksia välitaajuuksille ja lopulta -taajuudelle [dbm] vastaanotto baseband lähetys F
3 2 1 0-1 -2-3 Kolmesta kosinikomponentista (14, 18 ja 38 Hz) koostuva signaali oskilloskoopin ruudulla signal1 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 t, [s] Radioarkkitehtuurit (tx) Mittalaitteita A, [V] Suoramuunnoslähetin Modulator A diodi-ilmaisin yksinkertainen tapa mitata piirin -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 Mittalaitteita (jatkuu) Vihjeitä tiedonlähteille 2.5 Kolmesta kosinikomponentista (14, 18 ja 38 Hz) koostuvan signaalin amplitudispektri signal1 A, [V] 2 1.5 1 0.5 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 spektrianalysaattori näyttää signaalin taajuuskomponentit eli spektrin useimmiten taajuuspyyhkäisevä vastaanotin myös Fourier-muunnos (FFT) välitaajuudelta mahdollinen (=reaaliaika-analysaattori) f, [Hz] Tiimissä Hamssiksi - kirjat ARR: The ARR Handbook for Radio ommunications Google Wikipedia: http://www.wikipedia.org suomenkielinen HAM-wiki: http://wiki.ham.fi epanorama.net -linkkikokoelma: http://www.epanorama.net/ (erityisesti Radio-osio)