RF-tekniikan perusteet BL50A0301 6. Luento 12.10.2015 Lähetin- ja vastaanotinelektroniikkaa Modulaatio (AM ja FM)
Lähetin- ja vastaanotinelektroniikkaa
Sekoittimet Kolmiporttinen komponentti, toiselta nimeltään mikseri Tulot RF- ja LO-portit, lähtö IF-portti (LO, Local Oscillator, paikallisoskillaattori; IF, Intermediate frequency, välitaajuus) Sekoittimet perustuvat epälineaarisiin piirielementteihin Sekoittimen avulla signaali voidaan siirtää joko suuremmalle tai pienemmälle taajuudelle Lähettimissä sekoitinta käytetään modulaattorina, jolloin sekoitus tapahtuu ylöspäin, kantoaaltoon Vastaanottimissa sekoitus tapahtuu välitaajuudelle, eli yleensä alaspäin
Sekoittimet Kapeiden taajuuskaistojen tai kanavien erottaminen vastaanotossa onnistuu helpommin välitaajuudella kuin kantoaaltotaajuudella Sekoitinta voidaan käyttää myös vaiheilmaisimena esim. vaihelukitussa silmukassa
Sekoittimet Toteutustapoja Bipolaarisella transistorilla päästään maksimissaan muutamien satojen megahertsien taajuuksiin Mikroaaltoalueella käytetään Schottky-diodeja ja MESFETtransistoreja (MESFET kuten MOSFET mutta ilman oksidia) Schottky-diodin virta riippuu eksponentiaalisesti jännitteestä MESFET:n nieluvirta on hilajännitteen epälineaarinen funktio Yksinkertaisimmallaan sekoittimessa on yksi diodi tai transistori
Sekoittimet Sekoittumisilmiötä tapahtuu kaikista epälineaarisissa piireissä Lineaarisen piirin lähtötaajuus on sama kuin tulotaajuus Epälineaarisen piirin lähtösignaalissa on muitakin taajuuksia Käytännössä kaikki lineaarisetkin piirit ovat riittävän suurella tehotasolla epälineaarisia, joten eitoivottua sekoittumista voi tapahtua esim. liittimissä, vahvistimissa, suodattimissa
Sekoittimet Sekoittumisilmiö Mitä epälineaarisempi sekoittavan piirin vastefunktio on, sitä tehokkaampaa on sekoittuminen Epälineaarisen piirin vastefunktio voidaan esittää potenssisarjana Jos tulosignaali aiheuttaa vain pienen muutoksen toimintapisteen ympärillä, on piiri tulosignaalin kannalta lineaarinen Mitä suurempi tulosignaalin amplitudi on sitä useampia termejä potenssisarjasta on otettava huomioon V o 2 3 4 = AVi + BVi + CVi + DVi +...
Sekoittimet Sekoitusyhtälö f I = ± nf ± mf, n, m RF LO Î N
Sekoittimet Rajoituksia ja epäideaalisuuksia Eräissä mittalaitteissa tulevan spektrin leveys aiheuttaa ongelmia sekoitusasteen toiminnassa Tarkka analyysi vaikeaa, koska toimintaan vaikuttavat epälineaarisen elementin ominaisuuksien lisäksi sekoitinta kuormittavat impedanssit Radiovastaanottimissa sekoittimet läpäisevät kohtalaisen pienellä vaimennuksella myös sekoittumattoman RFsignaalin
Ilmaisimista Ilmaisemisella tarkoitetaan signaalin muuttamista havaittavaan, käyttökelpoiseen muotoon Diodi-ilmaisin Suuritaajuinen signaali muunnetaan tehoon verrannolliseksi jännitteeksi Tehon mittaus, automaattiset tasonsäätöpiirit (AGC), AMdemodulaatio Hyödynnetään diodin epälineaarisuutta Biasoidaan, vaste on neliöllinen, jolloin saadaan tehoon verrannollinen lähtöjännite
Taajuuskertojasta Perustuu puolijohdekomponentin epälineaarisuuteen Signaalin taajuuden moninkertaistaminen jollakin halutulla kertoimella Toteutus esim. muodostamalla perustaajuuden kerrannaisia ja poimimalla niistä haluttu alkuperäisen taajuuden kerrannainen Esim. diodilla
Vastaanotinrakenteista Hyvin suunnitelluilta vastaanotinrakenteilta vaaditaan mm. seuraavia asioita Suuri vahvistus Signaalin taso vahvistettava lähetettyä signaalia vastaavalle tasolle Hyvä taajuusselektiivisyys Kyky tunnistaa vastaanotettu hyötysignaali Analoginen tai digitaalinen
Vastaanotinrakenteista Viritetty vastaanotin, TRF (Tuned radio frequency receiver) Sisältää demodulaattorin, useita RF-vahvistinasteita sekä viritettäviä kapeakaistaisia suodattimia, jotta saavutettaisiin suuri vahvistus ja hyvä taajuusselektiivisyys Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M. 2004 John Wiley & Sons, Inc.
Vastaanotinrakenteista Matalilla taajuuksilla toimivia radiovastaanottimia on toteutettu säädettävillä keloilla ja kondensaattoreilla Säätäminen kuitenkin hankalaa, koska useita asteita pitää säätää yhtä aikaa
Vastaanotinrakenteista Suoramuunnosvastaanottimet (Direct conversion receivers) Suoramuunnosvastaanottimessa ei ole välitaajuusastetta (IF-stage) vastaanotettu signaali sekoitetaan suoraan nollataajuudelle Rakenne yksinkertainen ongelmia voi tulla paikallisoskillaattorin tehon summautumisesta hyötysignaaliin Käytetään usein esim. Doppler-tutkissa Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M. 2004 John Wiley & Sons, Inc.
Vastaanotinrakenteista Superheterodynaamiset vastaanottimet (Superheterodyne receivers) Rakenne on vastaava kuin suoramuunnosvastaanottimilla Vastaanotettu signaali sekoitetaan nollataajuuden sijaan jollekin välitaajuudelle, joka on valita RF- ja kantataajuuksien väliltä Superheterodynaamisia vastaanottimia käytetään hyvin monissa sovelluksissa Mikro- ja millimetriaaltoalueilla vaaditaan usein kaksi alassekoitusta kantoaaltotaajuudelta Paikallisoskillaattoreita, IF-suodattimia ja IF-vahvistimia tarvitaan kaksi kappaletta Saavutetaan riittävä paikallisoskillaattorin stabiilisuus Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M. 2004 John Wiley & Sons, Inc.
Modulaatio
Modulaatio ja demodulaatio Moduloinnissa signaali sekoitetaan kantoaaltoon Modulaatio voi olla analoginen tai digitaalinen Demoduloinnissa informaation sisältävä moduloiva signaali erotetaan kantoaallosta Siirtämään signaali Helpommin siirrettävälle taajuusalueelle Häiriöttömämmälle taajuusalueelle Laajentamaan siirtotien kapasiteettia Signaalin salaamiseen
Modulaatio ja demodulaatio Modulointitekniikoita AM, amplitudimodulaatio FM, taajuusmodulaatio jm, vaihemodulaatio (voidaan lyhentää myös PM) PM, pulssimodulaatio PAM, pulssiamplitudimodulaatio PWM, pulssinleveysmodulaatio PPM, pulssin vaihemodulaatio PCM, pulssikoodimodulaatio DM, deltamodulaatio SSB, yksikaistamodulaatio Digitaaliset modulaatiot ASK, FSK, PSK, QPSK,
Amplitudi modulaatio AM Käytetty esim. LF (148,5-283,5 khz) ja MF (526,5-1606,5 khz) taajuuksilla Signaalin amplitudi muuttuu moduloivan signaalin, kantataajuuden tahdissa Yleisradiotoiminta LF-, MF- ja HF-alueilla Keskeinen modulaatiota kuvaava suure amplitudisyvyys Toteutus vahvistimella, pin-diodilla tai sekoittimella Sekoittimessa moduloiva signaali IF-tuloon ja kantoaalto LO-tuloon, RF-lähdöstä saadaan AM-signaali Ilmaisu Yksinkertaisin tapa verhokäyräilmaisu Sekoittimen avulla
Amplitudi modulaatio (Sini)Kantoaalto voidaan määritellä matemaattisesti c( t) = A cos(2pf t) c c jossa A c on kantoaallon amplitudi (carrier amplitude) ja f c on kantoaaltotaajuus Kantoaallon vaihesiirto on oletettu nollaksi Merkitään m(t):llä moduloivaa signaalia (vaikkapa puhe)
Amplitudi modulaatio Amplitudimoduloitu signaali (perusmuodossaan) voidaan esittää matemaattisesti s( t) = A [1 + k m( t)]cos(2pf t) c a jossa k a on vakio nimeltään modulaattorin amplitudiherkkyys (amplitude sensitivity) Perusmuodoksi em. tapausta kutsutaan siksi, että sen taajuussisältö on yksikäsitteisesti esitettävissä Yhtälössä kosinitermiä kertovaa ajan funktiota kutsutaan amplitudimoduloidun signaalin verhokäyräksi (envelope, a(t)) a( t) = A 1 k m( t) c + a c
AM Tunnussuure (percentage modulation) saadaan kertomalla suurin termin k a m(t) arvo sadalla (%) Ylimmässä kuvassa moduloiva signaali m(t) (message signal) Keskimmäisessä kuvassa AM-moduloitu signaali (66.7%<100%) alimmassa kuvassa modulointiaste yli 100% (166.7%) Verhokäyrä (envelope) näkyy kuvassa katkoviivalla
Amplitudi modulaatio Ed. kuvista nähdään, että jos modulaation aste on alle 100 %, AM-moduloidun signaalin verhokäyrä vastaa alkuperäisen moduloivan signaalin käyrämuotoa Jos modulaatioaste on yli 100%, esiintyy moduloidussa signaalissa säröytymistä (envelope distortion) Jälkimmäistä tapausta kutsutaan myös ylimoduloiduksi (overmodulated)
Amplitudi modulaatio Tarkastellaan seuraavaksi AM-signaalia taajuustasossa Rukkastuntumalla jokainen voi arvioida AM-signaalin sisältävän ainakin kantoaallon taajuuden sekä moduloivan signaalin taajuusalueen Moduloivan signaalin taajuusalue W kuvautuu taajuustarkastelussa kuitenkin hieman eri tavalla, kuin yksinkertaisella päättelyllä voisi kuvitella
Amplitudi modulaatio Moduloidussa signaalissa tapahtuu moduloivan signaalin matalilla taajuuksilla (Baseband) oleva taajuussisällön siirtyminen kantoaaltotaajuuden ympäristöön Myös aiemmin kurssilla kummitelleet negatiiviset taajuudet näkyvät moduloidun signaalin spektrissä Tämä käy ilmi seuraavista kuvista
Amplitudi modulaatio
Amplitudi modulaatio Jos kantoaaltotaajuus on suurempi kuin maksimaalinen baseband-signaalin taajuus (W), eivät sivukaistat mene päällekkäin (vrt. laskostuminen näytteenotossa) Suurin AM-signaalissa esiintyvä taajuus on f c + W, ja pienin f c W(positiivisilla taajuuksilla) Suurimman ja pienimmän taajuuden välinen erotus on AM-signaalin kaistanleveys (transmission bandwidth), joka on kaksinkertainen baseband-signaalin m(t) kaistanleveyteen nähden B = 2 W
Amplitudi modulaatio Periaatteellisella tasolla amplitudimodulointi voidaan toteuttaa seuraavan kuvan mukaisesti m(t) k a + s( t) = A [1 + k m( t)]cos(2pf t) c a c A c cos( 2 pf c t)
Amplitudi modulaatio Yksinkertaisen AM-signaalin demodulointi on periaatteessa helppoa, jos modulointiaste on alle 100% Alkuperäinen signaali näkyy AM-signaalin verhokäyrässä, ja on esimerkeissämme visuaalisesti helposti hahmoteltavissa Käytännössä demodulointiin tarvitaan kytkentä, joka poistaa kantoaallon ja jättää jäljelle verhokäyrän mukaisen signaalin, joka vastaa muodoltaan alkuperäistä signaalia m(t) Tarkastellaan yksinkertaista kytkentää, verhokäyräilmaisinta (envelope detector), jonka toiminta perustuu diodikytkentää (huippuilmaisin) Kytkentä on hyvin yksinkertainen, mutta tehokas, ja soveltuu hyvin kapeakaistaisen AM-signaalin ilmaisuun
Amplitudi modulaatio
Taajuusmodulaatio FM Yleisradiotoiminta, analogisen tv-lähetyksen monoääni Taajuusmoduloidun signaalin amplitudi vakio Taajuus muuttuu moduloivan signaalin tahdissa Toteutus esim. jänniteohjatun oskillaattorin avulla Keskeinen modulaatiota kuvaava suure maksimitaajuuspoikkeama Df eli deviaatio f ( t) = f0 + Df sin 2pf m t Sisältää kantoaallon lisäksi äärettömän monta sivukaistaa, joiden väli moduloivan signaalin taajuuden suuruinen Tarvittava kaista AM:ää suurempi, mutta kohinan ja häiriöiden sietokyky parempi Teoriassa vaadittava kaista on ääretön, hyväksymällä tietty vääristymä signaalissa voidaan kaistaa rajoittaa Demodulaatio esim. vaihelukitun silmukan avulla
Vaihemodulaatio Kulmamodulaatio Moduloivan signaalin informaatio sisällytetään kantoaallon vaiheeseen
Taajuusmodulaatio a) moduloiva sinisignaali b) taajuusmoduloitu signaali c) sinisignaalin aikaderivaatta d) vaihemoduloitu signaali (PM)
Digidigi ASK (Amplitude-shift keying) Kantoaallon amplitudia muutellaan (yleensä digitaalisen) tulosignaalin tahdissa Ykköstä vastaa maksimiamplitudi ja nollaa minimiamplitudi Häiriösietoisuutta saadaan lisää muuttamalla amplitudipulssin leveyttä, PWM Pitkä kantoaaltopulssi vastaa ykköstä ja lyhyt nollaa FSK (Frequency-shift keying) Käytetään kahta kantoaaltotaajuutta, joista toinen on ykkönen ja toinen nolla PSK (Phase-shift keying ) Ykköstä ja nollaa vastaavien signaalien välillä 180 asteen vaihe-ero Voidaan myös vertailla kahden peräkkäisen jakson vaihetta, jolloin kyseessä DPSK QPSK (Quadrature phase-shift keying) Binäärisellä modulaatiolla voidaan siirtää yksi bitti yhden bittijakson aikana Lisäämällä tilojen lukumäärää voidaan bittejä siirtää enemmän QPSK:ssa vaiheella on neljä tilaa, kukin vastaa kahta bittiä