TAMPEREEN TEKNILLINEN KORKEAKOULU 83950 Tietoliikennetekniikan työkurssi IQ-modulaatio Ohjeet löytyvät: www.cs.tut.fi/kurssit/83950/ email: ari.asp@tut.fi
1. Esiselostus 1.1 Selvitä lyhyesti sanallisesti ja/tai kuvan avulla mitä ovat: BPSK, QPSK, 8-PSK silmäkuvio konstellaatio kuvio 1.2 Anna yleinen lauseke IQ-modulaatiolle. 1.3 Piirrä peritaatekuva IQ-modulaattorista sekä demodulaattorista (Inphase/Quadrature modulator/demodulator). 1.4 Esitä pari tapaa toteuttaa in-phase ja quadrature-signaalit piiritasolla. Mitkä ovat esittämiesi toteutusten hyvät ja huonot puolet? 1.5 Miltä näyttää aika- ja taajuustasossa IQ-modulaattorin ulostulo, kun sisäänmenoina on signaalit: a) I(t)=sin(xt), Q=0? b) I(t)=0, Q(t)=sin(xt)? c) I(t)=sin(xt), Q(t)=sin(xt-90 )? MatLab:ia saa käyttää apuna. 1.6 Anna lyhyt sanallinen selvitys ja tarvittaessa käytä kuvaa selventämään seuraavat IQ-de/modulaattoriin liittyvät termit: conversion loss amplitude unbalance phase unbalance carrier rejection sideband rejection
2. Laboratorityö Työssä tarvitaan: Useita signaaligeneraattoreita Spektrianalysaattori IQ-modulaattori MIQA-70M IQ-demodulaattori ZFMIQ-70D Vahvistin ZFL-1000 Splitter ZFRSC-42 2kpl sekoittaja ZP-5 tai HP 10514A 2kpl alipäästösuodin BLP-90 2kpl alipäästösuodin BLP-1.9 kaistanpäästösuodin: BLP-750 + BHP-800 tai BLP-750 + BHP-700 2kpl 50ohm kuorma Teholähde harmaa laatikko (2*vahv./sovitinpiiri & 2*audiovahvistin) kuulokkeet, MiniDisc-soitin, RCA-piuha +erinäinen määrä koaksiaalikaapeleita 2.1 Modulointi 1. Etsi mielestäsi optimaalinen LO taajuus modulaattorille ja mittaa modulaattorin carrier rejection ko. LO-taajuudella. Käytä mittauksessa LO-signaalilähteenä (66 73MHz, +10dBm) Rohde&Schwarz SMY-02:sta ja I/Q-porttien signaalilähteenä (maks. amplitudi 5dBm) kahta HP 33120 A:ta. Aseta molempiin generaattoreihin käytettäväksi taajuudeksi esim. 5MHz ja mittaa spektrianalysaattorilla modulaattorin ulostulon spektri. Mittaa modulaattorin LO-to-IQ- ja LO-to-RF-isolaatiot samalla LO-taajuudella. LOsignaalin taso edelleen +10dBm. Käytä 50 ohmin terminaattoreita sovittamaan avoimiksi jäävät modulaattorin portit. 3. Syötä I/Q-portteihin taajuudeltaan erilaista signaalia (100kHz 5MHz). Etsi mielestäsi parhaat tasot I/Q-porttien signaaleille (max. 5dBm). Piirrä/tulosta kuva modulaattorin RF-portin spektristä ko. sisäänmeno signaaleilla. Mitkä ovat harmonisten amplitudit?
2.2 Ylössekoitus Sign.gen. I Sign.gen. LO +10dBm R &S SMY-02 IQmodul. ZFMIQ-70ML X Sekoittaja ZP-5 RF BPF Sign.gen. Q S LO Splitter ZFRC-42 Sign.gen. LO R & S SMY 02 (n. 0dBm) Vahvistin ZFL-1000 +15V 50ohm Seuraavaksi IF signaali sekoitetaan varsinaiselle RF-taajuudelle. Kytke modulaattorin ulostuloon sopiva alipäästösuodin ja sekoittajan ulostuloon kaistanpäästösuodin. Sekoittimien LO-signaali otetaan R&S:s signaaligen. vahvistimen ja splitterin avulla, katso kuvaa yllä. Tarkista splitteriltä tulevan signaalin taso (max. +7dBm!) ennenkuin kytket sen sekoittajaan. Sekoita modulaattorilta tuleva signaali ylös mielestäsi parhaalle taajuudelle. Taajuuden valitset siten että sivunauha ja kantoaaltovaimennus ovat mahdollisimman hyvät. Huomioi myös käytettävissä olevien suodattimien taajuusvasteet ja harmonisten amplitudit. Piirrä/tulosta kuva ylössekoitetun signaalin spektristä.
2.3 Alassekoitus ja demodulointi I IQ-modul. ZFMIQ-70ML X Sekoittaja ZP-5 RF BPF Q Sign.gen. LO R&S SMY-02 (n. 0 dbm) S LO Splitter ZFRC-42 LO, R&S SMY-02 I S splitter Vahvistin ZFL-1000 +15V vaihesiirrin LO Q IQ demod. ZFMIQ-70D Sekoittaja ZP-5 tai HP 10514A RF Kytke kaistanpäästösuotimen perään toinen sekoittaja ja alipäästösuodin. Kytke alassekoitettu signaali demodulaattorin RF-porttiin. Huomaa, että LO-signaali demodulaattorille otetaan samasta generaattorista kuin modulaattorille, splitterin avulla. Tämän jälkeen kytkenän pitäisi näyttää samalta kuin yllä. Tutki modulaattorin ulostuloja, ovatko ne sitä mitä pitäisi olla? Jos eivät, mieti miksi ja säädä laitteistoa kunnes saat demodulaattorin ulostuloihin oikeat signaalit. Modulaattorin ja demodulaattorin LO-signaaleiden vaihe-eroa voit muuttaa vaihesiirtimellä. Mitkä ovat kanavien tasoerot ulostuloissa (siis esim. I-portissa = I-sign. db - Q-sign. db)?
2.4 Onnistuneen virityksen toteaminen Vahvistuksen säätö, vahv. A ja B YLÄPUOLI Audio ulos Audiovahvistimien vahvistus (ylempi C, alempi D) Vahv. A OUT (BNC) Vahv. A IN 1 (RCA) Vahv. A IN 2 (BNC) VASEN SIVU Vahv. B OUT (BNC) Vahv. B IN 1 (RCA) Vahv. B IN 2 (BNC) Audiovahv. D IN Audiovahv. C IN Kuva 1: vahvistinlaatikon kytkennät OIKEA SIVU +12V GND Nyt kokeillaan viritetyn siirtojärjetelmän toimivuutta audiosignaalin siirrossa. HUOM: aina ennen kuulokkeiden kytkemistä audiovahvistimeen säädä audiovahvistimien vahvistus minimiin. Älä tee muutoksia kytkentään kuulokkeiden ollessa kytkettynä! Kytke vahvistinlaatikkoon käyttöjännite +12V..15V. Säädä kaikkien laatikossa olevien vahvistimien (eivät ole hifi-tasoa ) äänenvoimakkuus minimiin ja MiniDiscsoittimen äänenvoimakkuus asentoon '2'. Audiovahvistimien (C,D) vahvistusta voit säätää punaisesta ja sinisestä nupista, valkoisesta nupista säädetään vahvistimien A ja B vahvistusta. Kytke MiniDisc-soittimen ulostulo (kuulokeliitäntä) vahvistimiin A ja B (RCA), jonka ulostulot kytketään modulaattorin I- ja Q-portteihin. Kytke demodulaattorin ulostulot audiovahvistimiin C ja D. Säädä modulaattorin syötettävien signaalien tasoa valkoisesta nupista. Kuuntele. Onnistuiko viritys? Vaihda MiniDisc-soittimen ulostulot toisinpäin. Mitä tapahtui? Muuta modulaattorin ja demodulaattorin LO-signaalien vaihe-eroa. Mitä tapahtui?
3. Jälkiselostus 3.1 Esitä rakentamasi siirtojärjestelmän toiminta taajuustasossa ideaalisessa tapauksessa. Eli signaalin kaistanleveys ja sen sijoittuminen taajuuskaistalle eri siirron vaiheissa, oleta että input signaali on minidick-soittimen kaksikanavaista audiosignaalia. Miten rakentamasi siirtojärjestelmän toiminta erosi tästä ideaalisesta. 3.2 Mitkä aiheuttivat laboratoriotyön demodulointi kohdassa sen että I- ja Q-porteista tulevat signaalit eivät olleet aluksi sitä mitä odotit? 3.3 Miksi on tärkeää että demodulaattorin LO-signaali on lukittunut vastaanotettuun signaaliin? Millä vastaanottopään LO saadaan samaan vaiheeseen vastaanotetun signaalin kanssa käytännön digitaalisissa siirtojärjestelmissä? 3.4 Mitkä ovat IQ-modulaation edut ja haitat verrattuna AM- ja FMmodulaatioon? 3.5 Mainitse kaksi siirtojärjestelmää, joissa käytetään IQ-modulaatiota. Esitä myös näiden järjestelmien käyttämät konstellaatio kuviot ja saavutettavat bittinopeudet. 3.6 Miksi modulaattoreissa ja demodulaattoreissa käytetään yleisesti välitaajuutta (IF), eikä signaalia moduloida / demoduloida suoraan RFtaajuudelle / taajuudelta? 3.7 Voiko IQ-modulaattoria käyttää QPSK-modulaattorina? Entä toisinpäin? 3.8 Miltä näyttää QPSK-signaalin konstellaatio, kun signaalikohinasuhde on huono? Entä jos demodulaattori ei ole lukittunut? 3.9 Parannusehdotuksia työhön? Mikä oli huonoa tai hyvää? Kirjallisuutta: Digital and Analog Communication Systems, Leon W. Couch RF/IF Designers Handbook, Mini-Circuits Back to Basics, Hewlett Packard Microwave & RF circuit design for wireless communications, Chap 4. Communication Systems, A. Bruce Carlson Hieman QPSK:sta ja QAM:stä: http://www.physics.udel.edu/wwwusers/watson/student_projects/scen167/thos guys/index.html