1 Sender- / Empfängerarchitekturen © Roland Küng, 2010.
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Sender- / Empfängerarchitekturen
© Roland Küng, 2010
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Sender (TX) und Empfänger (RX) RF-Band wird genutzt um mehr Bandbreite zu haben und um sich an den Übertragungskanal anzupassen Moderne Sender Empfänger bestehen aus einem DSP Teil für Base-Band und IF-Band sowie einem breitbandigen RF-Teil
d[n] Up -Converter
Down -Converter
IQ -Modulator
IQ -Demodulator
PowerAmplifier
Low NoiseAmplifier
TXFront End
Filter
RXFront End
Filter
RX / TXDuplexerBase Band IF Band RF Band
d‘[n]
Kanal
Betrachtung am Beispiel Funktechnik: grösste Komplexität
DA-Converter
AD-Converter
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Modulation
Kanal ist nur in bestimmten Frequenzbereich nutzbar Signal muss einem Träger eingeprägt werden
Folgende Möglichkeiten bieten sich an: sin 2c cv V f t
amplitude modulation frequency modulation
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
x 10-3
-1
-0.5
0
0.5
1
Time (msec)
Vol
tage
(V)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
x 10-3
-1
-0.5
0
0.5
1
Time (msec)
Vol
tage
(V)
phase modulation
angle modulation
Wozu ?
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Modulation Amplitude Einfachste Sendearchitektur
Minimale Komponenten:einen frequenzstabilen Oszillator (Quarzoszillator)einen Modulator (Schalter)einen Leistungsverstärkereine Antenne
…oder Kabel oder Glasfaser
On/Off Keying: OOK
On/Off Key
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AM-Sender
für allg. Modulationssignale
Lineare Signale steuern Arbeitspunkt des HF-Verstärkers und damit die Verstärkung: Amplitudenmodulation AM
Beispiele: - Mittelwellen Radio - Kurzwellenfunk - Flugfunk
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Modulation Phase / Frequenz
• Verstimmen des Schwingkreises in einem Filter führt zu Phasenverschiebung bei der Sendefrequenz PM• Verstimmen des Schwingkreis in einem Oszillator führt zur Veränderung der Schwingbedingung FM
Frequenzgang Z(f)
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Modulation Phase / Frequenz
Alternative FM- bzw. PM- Erzeugung mit Hilfe von Vorverarbeitung
Integrator
Differentiator
s(t)Phasen
modulatorFM
Frequenzmodulator
PMs(t)
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Einfacher Phasen-Modulator
Verstimmen des Schwingkreises C1L führt zu Phasenverschiebung bei der Sendefrequenz
Variables Cmit Kapazitätsdiode(Varactor, Varicap)
Schwingkreis mit Auskopplung
f0 konstant
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Einfacher Frequenz-Modulator
Verstimmen des Schwingkreises C7, C8, L, V1 führt zu Änderung der Sendefrequenz (Colpitts-Oszillator in Kollektorbeschaltung um Q1)
V1: Variables Cmit Kapazitätsdiode V1(Varactor, Varicap)
DC
AC
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PM / FM - Sender
PM: Schwingkreis verstimmen mit Varicap / Direct Digital SynthesisFM: Oszillator verstimmen mit Varicap / Direct Digital Synthesis
Vorteil von PM/FM im Sender:
Endstufe muss nicht linear sein (Klasse C) bessere Effizienz als AM
DC))t(2t2cos())t(tcos( 02
0
Analog oder DSP RF
FM Modulator
Analog / DSP
Phase Modulator
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FM / PM Frequenzvervielfachung
• Modulator bei niedriger Zwischenfrequenz realisieren • Signal durch Nichtlinearitäten auf Sendefrequenz multiplizieren• Effiziente Nichtlinearitäten sind Klasse C Verstärker und Mischer: Schaltbetrieb • Filtern der Harmonischen mit abgestimmten Parallelschwingkreisen oder Quarz-, SAW-, LC Filter
Beispiele: FM Sender UKW, TV, CB-Funk
z.B.
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Mischen: Multiplikation mit Trägerschwingung
f f0 -f0
S(f)
f
S(f-f0)/2
f0 -f0
S(f+f0)/2 Y(f)
B
USB LSB USB LSB
Ausgangssignal: y(t) = s(t)∙cos(2f0t)
Spektrum: Y(f) = (1/2)∙S(f+f0) +(1/2)∙S(f-f0)
Double Sideband (DSB)
Note: Enthält A DC-Anteil entsteht AM (DSB plus Träger)
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SSB Sender
Filtermethode: • Unbedingt Zwischenfrequenz (ZF, IF) verwenden• Benötigt steiles Seitenbandfilter (Quarzfilter) auf ZF Lower oder Upper Sideband (LSB/USB)
SSB
Bandbreite sparen: Single Sideband (SSB) Modulation
f
f
MIC
IF
IF
Baseband
Notes: - ohne Seitenbandfilter erhält man DSB - mit Unbalanced Modulator (Mischer mit DC-Offset) entsteht AM
USB
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IF to RF Conversion
Bsp. ZF = 10.7 MHz, LO = 87.3 MHz RF = 98 MHz, B = 100 kHz Filter muss erst bei 87.3 MHz oder 76.6 MHz stark dämpfen
Dies ist eigentlich nichts anderes als SSB mit dem IF-Signal als Input (kleine relative Bandbreite)
und Frequenzen
Ansatz 1: Filtermethode
Seitenbandfilter f
f
MixerIn
MixerOut
LO
IFRF
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IF to RF Conversion
Bsp. FM Radio: ZF = 10.7 MHz, LO = 87.3 MHz RF = 98 MHz, B = 100 kHz,
900 Phasenschieber bei 10.7 MHz machbar, muss nur 1% Bandbreite abdecken
Ansatz 2: 900 Phasenschieber (Allpass)
10.7 MHz
87.3 MHz
98 MHz
Dies ist eigentlich nichts anderes als SSB mit dem IF-Signal als Input (kleine relative Bandbreite)
00
900
IF
RF
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Die moderne SSB-Erzeugung
)t)ff(2cos(V)t(s mmcm
)tf2cos(V)t(i mmm
)tf2sin()tf2sin(V)tf2cos()tf2cos(V)t)ff(2cos(V)t(s cmmmcmmmmmcm
)tf2sin(V)t(q mmm
Nachrichtensignal (Inphase):
Sendesignal (z.B. LSB):
Wie kann ich das erzeugen?
Amplitude
Frequenz
Phase
Allg. Erzeugung des Quadratursignals q(t): Hilberttransformierte von i(t) mit DSP berechnen,d.h. Filterung von i(t) mit HH
Hilbert Transformation siehe Wikipedia
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Die moderne Senderlösung heisst
I/Q-Modulation
Anwendungen:
• Für SSB, ISB sofern I und Q ein Hilbert-Paar sind (900 phasenverschoben). Hilbert Transformation siehe Wikipedia• Für komplexe Modulationen: Signale I und Q im selben Band übertragen und im Empfänger wieder zerlegen, indem man die Orthogonalität von Sinus und Cosinusträger ausnutzt.
T
0dt)tcos()tsin(
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Die komplexe Modulation
• Führt zu den heute verbreiteten digitalen komplexen Modulationsverfahren: i(t) und q(t) nehmen je für eine Anzahl Bit den entsprechenden analogen Wert an
• I und Q kann man als komplexes Zeitsignal i(t)+jq(t) auffassen
• Diese Architektur nennt man auch Direct Up-Conversion
)tf2sin()t(q)tf2cos()t(i))t(tf2cos()t(V)t(s ccc
Man kann 2 beliebige Signale im selben Band übertragen und im Empfänger wieder zerlegen !
s(t)Basisband
RF
19))a/btan(axcos(ba)xsin(b)xcos(a 22
Q
I
Beispiel komplexe Modulation: QAM
z.B. DVB-T, ADSL…
16-QAM: Quadratur Amplitude Modulation: 4 Bit ergeben 1 Symbol
I-Signal: I(t) mit 4 möglichen DC-Werten: ±1 und ±3Q-Signal: Q(t) mit 4 möglichen DC-Werten: ±1 und ±3
Ausgangsignal
2)t(s
t
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Mathe für komplexe Zeitsignale
Fouriertransformation
Spektren F() sind komplex-wertig f(t) darf neu auch komplex sein
Eulersche Formel
bringen cos und sin in Beziehung
Operationen am Zeitsignal Auswirkung im Spektrum
Additionen Additonen im Spektrum f(t) = i(t) + j·q(t) I() +j·Q() = F() Multiplikation mit j / –j Drehung im Spektrum um 900 / -900 Multiplikation mit ej2f·t / e-j2f·t Schieben im Spektrum rechts / links
Grundlage:
Note: I / Q-Achsen des Zeitsignal sind nicht direkt vergleichbar mit RE / IM -Achsen des Spektrum
2 cos(2f·t) = ej2f·t + e-j2f·t
2 sin(2f·t) = -j·ej2f·t + j·e-j2f·t
F()
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Die komplexe Modulation
tj ce)t(rRE)t(s
)t(qj)t(i)t(r
s(t)Basisband RF
Das komplexe Spektrum R() ist die Summe des Spektrums von I() und dem mit j multiplizierten Spektrum von Q() des komplexen Basisbandsignals r(t).
Um S() zu erhalten wird R() wird nach rechts geschoben um c und symmetrisch ergänzt damit ein reelles Signal s(t) resultiert,
Alternative: die komplexe Betrachtung
r(t) wird auch als Quadratursignal bezeichnet
r(t)
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Quadratursignale unkompliziert
• Auffassung als komplexes Zeitsignal i(t) + j·q(t)• Darstellung durch Projektionen in I/Q- Ebene • Realisation durch separate i(t)- und q(t)- Signalzweige
Q (Quadrature)
I (Inphase)
Komplexe Schwingung mit f0 0:
ej2fot
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Zusammenhang Projektionen I,Q und Spektren
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Quadratursignale unkompliziert
Drehung im Spektrum Verschiebung im Spektrum
cos(2f·t) + j·sin(2f·t) = ej2f·t cos(2f·t) - j·sin(2f·t) = e-j2f·t
= Operation am Zeitsignal
* = Multiplikation
2 cos(2f·t) = ej2f·t + e-j2f·t 2 sin(2f·t) = -j·ej2f·t + j·e-j2f·t
Nützliche Äquivalenzen:
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Spektren der 6 Grundsignale
Note:
Faktor 2 aus der Trigonometrienicht gezeichnet.Nur relative Amplituden interessieren.
2 cos(2f·t) = ej2f·t + e-j2f·t 2 sin(2f·t) = -j·ej2f·t + j·e-j2f·t
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Beispiel: Mischen mit Cosinus und Sinus
Reelles gerades Signal
Note:
Faktor 2 aus der Trigonometrienicht gezeichnet.Nur relative Amplituden interessieren
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Beispiel: IQ-Modulator für SSB
ergibt unteres Seitenband LSB ergibt oberes Seitenband USB
Hilbertsignal
NutzsignalMischen mit cos(2f·t) ~ ej2f·t + e-j2f·t
Mischen mit sin(2f·t) ~ -j·ej2f·t + j·e-j2f·t
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Beispiel: IQ-Modulator für QAM
Notes: 2 cos(2f·t) = ej2f·t + e-j2f·t 2 sin(2f·t) = -jej2f·t + je-j2f·t Orthogonalität bleibt für andere spektrale Lagen der reellen Signale erhalten
i(t) und q(t)