Hochfrequenztechnik 2 – Subsysteme · Praktikum HFT2 • Praktikum ist wie ... 1948...
Transcript of Hochfrequenztechnik 2 – Subsysteme · Praktikum HFT2 • Praktikum ist wie ... 1948...
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Hochfrequenztechnik 2 – Subsysteme
Frequenz – Empfindlichkeit – Leistung – Datenrate – Reichweite
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
1. EinführungEntwicklung der Funktechnik, Frequenzbereiche und -nutzungen, Sender- und Empfängerarchitekturen, Systemkenngrößen
Hochfrequenztechnik 2: Inhalt
2. FrequenzsyntheseAufgaben, Oszillatorgrundschaltungen: Zwei- und Vierpoloszillatoren, Quarz-Oszillatoren, Verfahren der Frequenzsynthese
3. Nichtlineare SignalverzerrungenKenngrößen, Schaltverstärker, Beschreibung nichtlinearer Signalverzerrungen, Dynamikbereich, Linearisierungsmaßnahmen
4. Analoge Modulation und DemodulationKenngrößen, Amplituden- und Winkelmodulation, Schaltungs-architekturen, belegte Bandbreite
Inhalt
5. Digitale Modulation und DemodulationZeitkontinuierliche Amplituden- und Winkelumtastung, Schaltungsarchitekturen, spektrale Effizienz
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Literatur• O. Zinke, H. Brunswig, „Hochfrequenztechnik 2“, Springer, 1999.• Meinke/Gundlach, „Taschenbuch der Hochfrequenztechnik“, Bände 1-3,
Springer, 1992.• H.G. Unger, „Hochfrequenztechnik in Funk und Radar“, Teubner
Studienskripte, Stuttgart, 1994.• E. Voges, „Hochfrequenztechnik“, Bände 1-2, Dr. Alfred Hüthig Verlag,
Heidelberg, 1986• A. Thiede, „Integrierte Hochfrequenzschaltkreise“, Springer Vieweg, 2013• R. Mäusl, „Analoge Modulationsverfahren“ (1992) und „Digitale
Modulationsverfahren“ (1995), Dr. Alfred Hüthig Verlag, Heidelberg• B. Schiek, „Messsysteme der Hochfrequenztechnik“, Dr. Alfred Hüthig
Verlag, Heidelberg, 1984• Thumm/Wiesbeck/Kern, „Hochfrequenzmesstechnik“, Teubner, 1998.Illustrationsfolien und Aufgabensammlunghttp://www.tu-ilmenau.de/hmt → Lehre
Literatur
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Übungsthemen (Auswahl)
Wien-Robinson-Oszillator
Tunneldiodenoszillator
Transistor-C-Sendeverstärker
AM-Diodendemodulator
FM-Leitungsdemodulator
Weitere Übungsthemen durch aktive Beteiligung, z.B. Vorrechnen von Aufgabenlösungen
http://www.tu-ilmenau.de/hmt → Lehre
Selbständige Vertiefung durch Aufgabensammlung: Prüfungsrelevant!
Fächerbestandteile
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Praktikum HFT2• Praktikum ist wie Vorlesung und Übung fester Bestandteil des Fachs HFT2• Bewertung des Praktikums
o Schriftliche Vorbereitung, Kenntnistest, Durchführung, Auswertungo Gesamtnote HFT2 = 0.75×Prüfung + 0.25×Praktikum
• 3 Pflichtversucheo De/Modulationo LO und Mischero Gesamtsystem und Großsignalverstärker
• Einschreibung und Testatkarte ab 2. Semester-woche, Durch-führung ab Mai(vgl. nächste Folie)
HF-Verstärker
NF-Verstärker
Demodulator
Vorselektion
Mischer
ZF-Filter
ZF-Verstärker
Lokaloszillator
fMOD
LO
HF ZFfE fZF
fLO
Modu-lator
Versuch H1
Versuch H2Versuch H3
fSIG
Fächerbestandteile
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Praktikum HFT2
Semesterbegleitende alternative Prüfungsleistung• 25% Anteil an Gesamtnote, 75% Notenanteil aus mdl. Prüfung• Verbindliche Anmeldung zu Beginn des Semesters • Rücktritt nur bis zum Ende der vorgezogenen Anmeldezeit möglich
Anmeldezeitraum für Sommersemester 2019• Beginn Anmeldefrist: 23.04.2019• Ende Anmeldefrist: 03.05.2019• Ende Rücktrittsfrist: 03.05.2019
Durchführungszeitraum für Sommersemester 2019• Einschreibung läuft• Versuche für Zeitraum Mai…Juli vorgesehen
Inhalt
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
1865 J.C. Maxwell, M. Faraday (Maxwell‘sche Gleichungen)1887 H. Hertz (experimenteller Nachweis elektromagnetischer Wellen)1896 G. Marconi (erste drahtlose Nachrichtenübertragung über 3 km)1898 A. Slaby (60 km, Berlin-Jüterbog)1899 G. Marconi (Ärmelkanal überbrückt)1901 G. Marconi (Morsezeichen über Atlantik, LW-Bereich, Funksender)1906 Großfunkstelle Nauen geht in Betrieb1920 Maschinensender (400 kW, 20000 km, Nauen)1923 Start des Rundfunks in Deutschland1930 M.v.Ardenne schlägt Braun‘sche Röhre für TV vor1934 Fernsehrundfunk in Deutschland1948 UKW-FM-Rundfunk in Deutschland1953 NTSC-Farbfernsehen in USA1957 Erste Erdsatelliten, Satellitenfunk, 1957 Sputnik1960 Echo 1, passiver Reflektor1963 SYNCOM, erster geostationärer Satellit1967 Farbfernsehen in Europa1973 Erster Anruf mit Mobiltelefon1976 MARISAT, erste Mobilfunksatelliten1989 Digitales Satelliten-Radio in Deutschland1996 Feldversuch DAB1998 Globale Satelliten-Telefonsysteme für Handgeräte
Entwicklung der Funktechnik (1/2)19
. Jah
rhun
dert
20. J
ahrh
unde
rt
Einführung
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
2000 Erste Versteigerung der UMTS-Lizenzen (300 €/Hz), Umstellung auf UMTS (3G), Abstandswarn-Radar
2005 DVB-X Einführung in Deutschland (nach Bundesländern)DVB-T EinführungSatellitenradio
2010 Mobiles WLAN (ITS-G5, DSRC)Versteigerung LTE-Frequenzen, Umstellung auf LTE (4G)DVB-S, Abschaltung des analogen Satelliten-TV
2015 Automatisierung Warenlogistik (RFID, „smart tags“)60 GHz-WLAN (kurzreichweitige Datenraten GB/s)Industrie 4.0, ITS-G5 (car-to-X), DVB-T2, DAB+THz-Systeme für SicherheitssystemeSatkom (Datenraten, mobile Systeme, spot beams)UWB-Lokalisierung – Telemedizin – piko-Satelliten
2020 Machine-to-machine KommunikationMobilkommunikation 5GInternet-of-things, Internet-of-spaceInternet-of-everything
21. J
ahrh
unde
rtEntwicklung der Funktechnik (2/2)
Einführung
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Frequenz Wellenlänge Name / Beispiele 3…30 kHz 100…10 km Längstwellen, VLF
30…300 kHz 10…1 km Langwellen, LF
0.3…3 MHz 1…0.1 km Mittelwellen, MFGrenzwellen
3…30 MHz13.56 MHz27.12 MHz
100…10 m22.12 m11.06 m
Kurzwellen, HFMedizin, RFID, Erwärmung
CB-Funk
30…300 MHz 10…1 m UKW, VHF
0.3…3 GHz433.9 MHz2.45 GHz
1…0.1 m69.12 cm12.2 cm
Mikrowellen, UHFSchließanlagen
WLAN, Erwärmung
3…30 GHz24.125 GHz
10…1 cm1.24 cm
Mikrowellen, SHFDopplerradar
30…300 GHz 10…1 mm Millimeterwellen, EHF
300 GHz : 3 kHz = 108
LW-SenderPs=1 MW (90 dBm)
Sat-EmpfängerPe=1 pW (-90 dBm)
ISMIndustrial Scientific
Medical
Einführung
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Frequenznutzungsplan 9 kHz … 275 GHz (2001)• Sämtliche Frequenznutzungen zwischen 9 kHz und 275 GHz in Deutschland• Insgesamt 486 Frequenznutzungsteilpläne (≈ 700 Seiten)
http://www.bundesnetzagentur.de/enid/Frequenzordnung/Frequenznutzungsplan_9y.html
AmateurfunkAuffinden von LawinenverschüttetenBetriebsfunkBinnenschifffahrtsfunkBreitbandige (ortsfeste) AnwendungenBündelfunkCB-FunkDatenfunkDemonstrationsfunkDrahtlose Audio-Video-AnwendungenDrahtloser NetzzugangErderkundungFernmessungen (Telemetrie)FernsehrundfunkFernsteuerungenFlugfunk, -navigation, -sicherungFlugzeugradarFunkanwendungen BOS, Alarmierung,
Verkehrstelematik, Vermessung,Gesundheitsbereich, Kurzreichw.öffentliche Eisenbahnen
FunkbewegungsmelderFunkfeuerFunkmikrofoneFunknachrichten, -rufGrubenfunkInduktive FunkanwendungenInfrarot-FunkanwendungenIntersatellitenfunkISM-AnwendungenKurzstreckenfunkKurzzeitpeilunkLotsenradarMeteorologischer SatellitenfunkMilitärische FunkanwendungenMWS FunkanwendungenNavigationsfunkNormalfrequenz- und ZeitzeichenfunkOrtung von VerschüttetenRadioastronomieReportagefunkRettungsfunk
RichtfunkSatellitennavigationSatellitenrundfunkSchiffsradarSchnurlose TelekommunikationSeefunkService-/Speiseverbindungen Sat.funkSprechfunk (geringe Reichweite)Such- und RettungsfunkTankradareTelekommunikations-AnlagenTelekommunikationsnetzTonrundfunkUWB-FunkanwendungenVSAT-FunkanwendungenWeltraumfernwirkfunkWeltraumforschungsfunkWetterhilfenfunkWetterradarWindprofil-MessradarWLAN
Einführung
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Induktive Systeme (LF)Nahfeld-KopplungInduktive Erwärmung (20...200 kHz):• Industrieanlagen• Material- und
Oberflächensynthese• HaushaltInduktive Ladestationen für • Handgeräte• Elektroautos• ...
http://de.wikipedia.org/wiki/Induktionskochfeld, http://www.ema-tec.de/cms/deutsch/produkte/http://files.messe.de/001/media/02informationenfrbesucher/vortraege/2011_4/mobilitec_2/03_Induktives_Batterieladen_fuer_E-Automobile_und_E-Zweiraeder_-_komfortabel_betriebssicher_wirtschaftkich_Thorsten_Goetzmann_SEW-Eurodrive_GmbH__CoKG.pdf (30.03.2012)
Einführung
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Zeitsender DCF77 Mainflingen
Rundfunksystem• DCF77: Offizielle Zeit Deutschlands• BCD-kodiert• Normalfrequenz 77.5 kHz• Sendeleistung ≈ 50 kW• Reichweite ≈ 2000 km um Mainflingen
• 50o01’ Nord, 09o00’ Ost, etwa 25 km südöstlich von Frankfurt/M
• Hohe vertikale Rundstrahlungs-antennen (150-200 m)
• Hoher Grundwasserspiegel (Bodenleitfähigkeit)
• Gutes Erdungsnetz im Sendegebäude
http://de.wikipedia.org/w
iki/DC
F77
Einführung
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Aktive und passive Bauformen
125/134 kHz gute Materialdurchdringung, kompakt, relativ teuer.
13.56 MHz mehrere Labels gleichzeitig, flach, ISO-Standard, kostengünstig
UHF 800 MHz und 2.45 GHz hohe Reichweiten
Radio frequency identification (RFID)
Einführung
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Rundfunk• UKW: 87.5…108 MHz• DAB+ : 174.16…229.84 MHz• DVB: 470…790 MHz• GNSS: 1563…1587 MHz (GPS L1)
1215…1239 MHz (GPS L2)1176.45 MHz (GPS L5)1559…1592 MHz (Galileo E1)1164…1215 MHz (Galileo E5)1215…1300 MHz (Galileo E6)
www.zinsik.de
www.ohb-system.de
Einführung
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Mobilfunk• GSM: 880.1...914.9 MHz (UE),
925.1...959.9 MHz (BS), 1710...1780.5 MHz (UE), 1805...1875.5 MHz (BTS)
• UMTS/HSPA: 1920.3...1997.7 MHz (UE), 2110.3...2169.7 MHz (BS)
• LTE: 791...821 MHz (BTS), 832...862 MHz (UE), 1710...1780,5 MHz (UE), 1805...1875,5 MHz (BTS), 2500...2690 MHz (BTS, UE)
• ITS-G5, IEEE 802.11p: 5855...5925 MHz• WLAN: 2400…2483.5 MHz, 5150…5350
MHz, 5470…5725 MHz• Bluetooth: 2400...2483.5 MHz• Kurzreichweitiger Funk: 433.05...433.79
MHz, 863.0...869.2 MHz, 869.3...869.4 MHz, 869.4...870.0 MHz
ralf-woelfle.de
UE – User equipment, BTS – Base transceiver stationEinführung
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Richtfunk (point-to-point, P2P)• P2P: Ersatz für Leitungen (Glasfaserleitung inkl. Bodenarbeiten teuer)• Richtfunk-Verbindungen: Viele Kilometer weit auseinander liegende
Netzwerke mit hohen Datenraten verbinden, Zentimeterwellen-Bereich (10...100 GHz, Sichtverbindung).
• Mobilfunk-Netzbetreiber: Vernetzung der BTS-Standorte per Richtfunk
Einführung
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Mikrowellensensorik und Radar• Feuchtemessung an
• Flüssigkeiten• Feststoffen• Schüttgütern
• Besondere Bedeutung der dielektrischen Eigenschaften von Wasser
• Verschiedene Ansätze: Reflexion/ Transmission, resonant/breitbandig, Radar (monostatisch/bi-statisch)
• Vielfältige Anwendungen (Bautechnik, Biomedizin u.a.), weite Frequenz-bereiche (0.1...10 GHz)
• Radarsensorik: Automobil/Verkehr, Produktion u.v.a. (24, 77, …120 GHz)
http://www.hf-sensor.de
Bosch, Continental, Valeo u.v.a.
Einführung
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Blockschaltbild eines Senders
Modulator
LO
Quelle
NF
Trägergenerator
HF
ˆU(t) U cos( t )= ⋅ ω + ϕ
Wesentliche Kenngrößen eines SendersAusgangsleistung – Wirkungsgrad – LinearitätBandbreite, spektrale Reinheit
Signalkomponenten• Träger (HF)• Lokaloszillator (LO)• Zwischenfrequenz (ZF)• Nachricht (NF oder BB)
Darstellung der Information (Nachricht)Zeit, Frequenz – Amplitude – Winkel – Polarisation // analog – digital
Einführung
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Blockschaltbild eines Überlagerungsempfängers
ˆU(t) U cos( t )= ⋅ ω + ϕ
HF
Mischer
ZF NF
Demodulator
Lokaloszillator (LO), Trägerrückgewinnung
Wesentliche Kenngrößen eines EmpfängersRauschzahl bzw. Signal-zu-Rausch-VerhältnisLinearität bzw. Intermodulationsfestigkeit bzw. Dynamikbereich
Signalkomponenten• Träger (HF)• Lokaloszillator (LO)• Zwischenfrequenz (ZF)• Nachricht (NF oder BB)
Rückgewinnung der Information (Nachricht)Zeit, Frequenz – Amplitude – Winkel – Polarisation // analog – digital
Einführung
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Praktische Bedeutung des SNR
SNRmin[dB]
Bedeutung (Beispiel)
3 „Rauschflur“ (Dynamikbereich)
40 Gute Hörwiedergabe40…52 "erkennbares", "gutes", "sehr gutes" Fernsehbild
11 DVB-S (QPSK)
6/14/17/21 DVB-S2 (QPSK/ 8QAM/ 16QAM/ 32QAM)
20/26/32 DVB-C (16QAM/ 64QAM/ 256QAM)
11/17/22 DVB-T (QPSK/ 16QAM/ 64QAM)
SNR in Zusammenhang mit Modulationsverfahrenbestimmt Datenrate und Bitfehlerrate (BER) → minimale Empfangsleistung (NEP o.ä.) → Demodulationsqualität (EVM)
= bdigital
0
ESNRN
= =s sanalog
R 0
P PSNRP N B
N0 = spektrale Rauschleistungsdichte
R 0P kT B F= ⋅
Einführung
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
System-RauschtemperaturDefinition
sys,1 A eT T T (D 1) D T= + ⋅ − + ⋅
Antennenrauschtemperatur TA
Leitung bei Temperatur T, Dämpfung DEmpfänger Te (Kaskadenformel)Antenne Leitung Empfänger
Tsys,1 Tsys,2 sys,2 sys,1T T /D=
BeispielAntenne
HohlleiterLNA
Kabel 1Verstärker
Kabel 2Empfänger
Tsys, FsysEinführung
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Oszillatoren in der HF- und MikrowellentechnikBeschreibungsansatzSchwingungserzeugung (Entdämpfung eines Resonanzkreises)Teilfunktionen: Oszillation – VerstärkungKleinsignaltheorie: Nur Anschwingvorgang beschreibbar (z.B. Σ Zi = 0)
Zweipol- und Vierpol-OszillatorenDioden- und Transistor-Schaltungen gekoppelt mit SchwingkreisenQuarz-Oszillatoren: Hohe Stabilität → Referenzoszillatoren
Anwendungsfelder und KenngrößenInformationsübertragung, Taktgeneratoren, Präzisionsmesstechnik
• Frequenzlage, Abstimmbarkeit• Frequenzstabilität: Kurz- und Langzeit-Stabilität, Phasenrauschen,
spektrale Reinheit• Stabilisierung: Temperatur / Frequenz, Amplitude
Frequenzsynthese
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Zweipol-Oszillatoren
S-Typ
N-Typ
z.B. „Lichtbogen“, einige RöhrenGeeignet für Serienschwingkreise
z.B. Tunnel- und IMPATT-DiodenGeeignet für Parallelschwingkreise
i
u
i
u
Hohes RLLeerlauf-stabil
Niedriges RLKurzschluss-stabil
-2
-1
0
1
2
0 2 4 6 8 10Zeit (willk. Einheiten)
Ampl
itude
(willk
. Ein
heite
n)
σ < 0 σ = 0 σ > 0
• Anklingen einer Schwingung für Rep = σ > 0
• Erfordert Bauelement mit:• δi/δu < 0 • fallender Ast der dynamischen i(u)-
Kennlinie• negativer differentieller Widerstand
σ ω= ⋅pt t j te e e= σ + ωp j
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Vierpol-Oszillatoren
LC
RC
z.B. Colpitts
z.B. Wien-Robinson
C-Typ
L-Typ z.B. Hartley
Mitkopplung
Gegenkopplung
Oszillatoren
Vielfältige Schaltungsvarianten
Schwingbedingung (Barkhausen)3 1U U k v 1= ⇔ ⋅ =
Verkopplung eines aktiven VierpolsVerstärkung v(jω)
und eines passiven Vierpols k Frequenzselektivität k(jω)
Lk
Ce
Ca
Ck
Le
La
50 kHz...300 MHz
10 Hz...10 MHz
v
k
U1 U2
U3
RL
S
Rein
Frequenzsynthese
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Beispiele fürOszillatorschaltungen
Vielfältige Schaltungsvarianten
Franklin-OszillatorMitkopplung mittels Transistorstufe
Meißner-OszillatorMitkopplung mittels
Übertrager
Frequenzsynthese
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Dreipunktschaltungen
Vielfältige Schaltungsvarianten
Colpitts-SchaltungInduktive Rückkopplung
Hartley-SchaltungKapazitive Rückkopplung
Lk
Ce
Ca
Ck
Le
La
AllgemeinReaktiver Spannungsteilerk = Ze/(Zk+Ze)
Zk
Ze
Za
U1
U2
SchwingbedingungZ = jX, Spannungsverstärkung V1
= − +a e kX (X X ) =e a 1X / X 1/ VFrequenzsynthese
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Wien-Robinson-Brücke
Resonante Brückenspannung zur Rückkopplung eines RC-Oszillators
Brückenverstimmung ε und Amplitudenregelung kritisch, um Anschwingen zu gewährleisten
1 1k3 j 3
= −+ ν + ε
0
0
fff f
ν = −
2 22
2 2k(9 ) (3 )
ε + ν=
+ ν ⋅ + ε
2(3 )argk arctan
3ν ⋅ + ε
=ν − ε
Ua
R1
+-
R2
R
R
C
CU1 U2
Ubr
Frequenzsynthese
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Wien-Brücken-Oszillator
Halbleiter-Schaltungstechnik, U. Tietze, Ch. Schenk, Springer-Verlag, 12. Auflage
Einstellbarer RC-Resonator
Einstellbarer SpannungsteilerR1-R2 (Brückenverstimmung)
U-Verdoppelungund Gleichrichtungamplitudenabhängiger
Widerstand
Linearisierung
= +2,eff 2 DS G DR R r (V (U ))
Frequenzsynthese
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Quarz-ResonatorenFunktionsprinzip SchwingquarzElektromechanische Schwingungskonverter (Piezoelektrizität)Eigenschaften empfindlich von Kristallstruktur abhängig (Anisotropie)
BeispielTemperaturgang AT-Schnitt, verschiedene Schnittwinkel
z – optische Achsex – elektrische Achse (∆l → Ux)y – mechanische Achse (U → ∆ly)
Frequenzsynthese
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Quarzresonator-SchwingungstypenSchwingungsarten
Biege-, Längen-, Scherschwingung(Fläche, Dicke)
Grund- und Obermoden
ausZinke/Brunswig„Hochfrequenztechnik 2“Springer, 1999.
Frequenzsynthese
Biegeschwingung Längenschwingung
Dickenscherschwingung Grundmode 3. Harmonische
Flächenscherschwingung
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Schwingquarze (Beispiel)
Parameter Wert
Frequenzbereich 110…200 MHz
Mode 7. Harmonische
Betriebstemperaturen –40…+105 oC
Frequenztoleranz bei 25oC ± 5…50 ppm
Lastkapazität seriell
Serienresonanzwiderstand R1 < 80…120 Ω
Alterung (erstes Jahr) 5 ppm
Klemmenkapazität C0 < 7 pF
Frequenzsynthese
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Oszillatoren: VergleichTemperatur-kompensierter Quarz-Oszillator (TCXO)
Miniature, low cost SMD TCXO using an analogue IC for compensation. Specifically designed for use with the Maxim chipset at 18.414 MHz.
Small, low cost SMD TCXO using an analogue IC for compensation in combination with a UM-1S crystal. Frequencies ranging from 10 to 26 MHz.
Frequenzsynthese
-140
-120
-100
-80
-60
100 101 102 103 104 105 106
TCXO, 18.414 MHzVCTCXO, 10-26 MHzVCO, 24-29 MHz
Eins
eite
nban
d-Ph
asen
raus
chen
[dB
c]
Abstand von Trägerfrequenz [Hz]
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Quarz-ResonatorenElektromechanisches ESB
1p s
0
C1
Cω ≈ ω +
Serienresonanz
Parallelresonanz
s1 1
1L C
ω ≈
C0
L1
R1
C1
Impedanz induktiv für ωs < ω < ωp
10-1
100
101
102
0.6 0.8 1 1.2 1.4
Nor
mie
rter I
mpe
danz
betra
g
Phase ϕZ (deg)
normierte Frequenz ω/ωp
+90
-90
|Zin
| arg(Zin
)
20 0
s 1 0 2s 1 s
Y 11j C Cj R C 1
C
= +ω ω ω
ω ⋅ − ⋅ − ω ω
0
Yj Cω
Frequenzsynthese
ωsR1C0 C0/C1
0.1 100
0.1 1000
0.2 100
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Quarz-Oszillatoren
f [kHz] Typ: ...schwinger R1 [kΩ] C1 [fF]0.8...4 Duplexbiege... 750...250 250...504...15 X-Y-Biege... 200...80 50...1515...50 H-Biege... 20...8 35...2050...200 X-Längsscher... 4 60...30200...800 Flächenscher... 1...5 30...7800...3·104 AT-Dickenscher... 0.1...0.5 8...20
ESB-ParameterÜberstreichen großen Wertebereich (vgl. Tabelle)
Beispiel für AT-DickenscherschwingerKapazitive Dreipunkt-Schaltung (Colpitts)
Pierce-Oszillator mit Verstärker in Emitterschaltung
1r s0
0 L
C1
C Cω ≈ ω +
+
Resonanzfrequenz„Ziehen“ durch
externe Kapazitäten
A BL
A B
C CC
C C⋅
≈+
Frequenzsynthese
AC BC
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Einfachstes PrinzipSynthese ganzzahliger Vielfacher und Teiler
Direkte analoge Frequenz-Synthese
Vor- und Nachteile
+ sehr reines Spektrum+ geringes Phasenrauschen
– grobes Frequenzraster– ungleichmäßige Abdeckung– Lastabhängigkeit
Frequenzsynthese
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Prinzip Frequenzvervielfacher (z.B. Transistor C-Betrieb)IC
UBE
IC
ωτ
ωτ
UBE0
2π
2Θ
Frequenzsynthesefres=n fref
CK
RB
RG
fref
Frequenzver-n-fachung durch nichlineare BE
Transistoren η ~ 1/n...1/n2
Varaktoren η ~ 1/nVaristoren η ~ 1/n2
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Beispiel Frequenzverdoppler (npn-Transistor)
KennlinienKollektor-Strom
Schwingkreis-Spannung
Frequenzsynthese
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Praktikabel: Mischerausgang frequenzmäßig vom Eingang getrennt
Direkte analoge Synthese: dezimale Stufung
Vor- und Nachteile+ hohe Auflösung möglich – sorgfältiges Design+ modularer Aufbau – großes Bauteilvolumen+ skalierbar – hoher Leistungsbedarf
Frequenzsynthese
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
RegelfunktionenVCO-Frequenz wird phasenrichtig auf Referenzfrequenz abgestimmt.Mit Teiler N lassen sich Vielfache von fref phasengenau einstellen.
Indirekte Frequenz-Synthese: Phasenregelkreis (PLL)
d d ref VCOu K ( )= ⋅ ϕ − ϕ
VCO 0 VCO ff f K u= + ⋅
f du G u= ⋅
Frequenzsynthese
Spannungs-gesteuerter Oszillator
Phasendetektor VCORegelverstärker,
Schleifenfilter
frefϕref(t)
Referenz- Oszillator
fVCO=freffVCOϕVCO(t)
|G(jω)|
ud(t)~∆ϕ(t)
uf(t)ϕf(t)
VCOfref
XO
fVCO=NfrefTeiler N
einstellbar
fVCO/N
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Ausgangsspannung ~ Phasendifferenz der EingangssignaleWunsch: Änderungsrichtung als Steuerinformation
Phasenfrequenzdetektor
Frequenzempfindlicher Phasendetektor:Zwei flankengetriggerte D-Flipflops
ϕ < 0
ϕ > 0
http://ww
w.hittite.com
bei beliebigem Frequenzoffset vorzeichenrichtiges Signal
„Tietze/Schenk“
y1=0y2=0
y1=0y2=1
y1=1y2=0
x2
x1
x1
x2
Frequenzsynthese
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Aufgabe• Unterdrückung des Referenzsignals
(ggf. auch Wechselanteile des Phasendetektors)• Einstellung von Einschwingzeit und Regeldämpfung• Einhaltung des Stabilitätskriteriums in Regelschleife
Schleifenfilter
Beispiel: Aktives Tiefpassfilter 1. OrdnungRC-rückgekoppelter OPV, invertierender Betriebτ1 = R1C, τ2 = R2C, G0 = – R3/R1
1
2 0
1G( j ) j 11 j G
ω = −ωτ
−+ ωτ
1/τ2
τ2/τ1
π
π/2
Frequenzsynthese
R2 C
R3
R1
U1 U2
-+ 2
1
1 jG( j )j+ ωτ
ω ≈ −ωτ
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Aufgabe und BauelementErzeugung eines stabilen Ausgangs-signals bei einem Vielfachen von fref
Regelung mittels „Fehlerspannung“ bei Phasenabweichung zur Referenz
Spannungsgesteuerter Oszillator (VCO)
Beispiel: Colpitts-Oszillator, abstimmbar mittels Varaktordioden
Zahlenwerte für Bauelemente für f ~ 30 MHz
http://pdfserv.maxim
-ic.com/en/ds/M
AX2605-MAX2609.pdf
Zinke/Brunswig: „Hochfrequenztechnik“ Frequenzsynthese
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Normalformωn = Eigenfrequenz ≈ Fangbereich der PLLcosα = DämpfungsfaktorNormierte Frequenz
Übertragungsfunktion PhasenregelkreisStrukturG(p) = Verstärkung des SchleifenfiltersV(p) = Verstärkung des offenen Regelkreises
EigenschaftenPolstellen beiStabilität: Req1,2 < 0 ⇔ cosα > 0Dämpfung nimmt für cosα → 1 zu cosα
Imq=ω/ωn
|H(q,α)|
d VCOG(p)V(p) K K
p= ⋅ ⋅
V(p)H(p)1 V(p)
=+
Frequenzsynthese
=ωn
pq
+ ⋅ α=
− ⋅ −1 2
1 2q cosH(q)(q q ) (q q )
1,2q cos jsin= − α α
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Einschwingen einer PLL bei Frequenzsprung des LO
ntfn
f max
(t) e t e−ωϕ= ⋅ ω ⋅
ϕ
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 1 2 3 4 5
norm
ierte
Feh
lerp
hase
ϕf(t)
/ϕfm
ax
Phase ωnt
⋅ω = → ∞
τVCO d
n1
K K , | G(0) |
Frequenzsynthese
R2 C
R3
R1
U1 U2
-+
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Beispiel für 2.4 GHz-PLL mit programmierbaren Teilern
DC-Ver-sorgung
Schwingquarz und PD-Schaltung (verdeckt)
Programmier-barer Teiler
Schleifenfilter
Richtkoppler
HF-Ausgang
Baustein: Motorola MC 12210 Serial input PLL frequency synthesizer
VCO
65 mm
Frequenzsynthese
VCOfref
XO
fVCO=NfrefTeiler N
einstellbar
fVCO/N
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
FunktionsprinzipProgrammierbare Rückwärtszähler schalten Vorteiler zwischen V und V+1Resultierende Frequenzrasterung: fVCO = (N1V+N2)·fref
Erhöhung von Maximal- und Minimal-Frequenzen
Der Modulo-2 Vorteiler (modulus-2 prescaler)
Frequenzsynthese
Phasen-detektor
VCORegel-filter
Referenz- Oszillator
fVCO=(VN1+N2)frefUmschalt-barer Teiler :V, :(V+1)
ZählerN2, -1
ZählerN1, -1 Modulus-
Kontrolle
fref
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Funktionsprinzip• Gekoppelte PLL-Schaltungen mit gemeinsam genutzten Mischern• Eine Schaltung als Interpolator für nächste• Filterung wichtig (hier: Durchlass des oberen Seitenbandes, oSB)
Mehrfachschleifen-Synthesizer (gekoppelte PLL)nach Zinke/Brunsw
ig: „Hochfrequenztechnik“
Frequenzsynthese
PLL344800...74700 kHz
frefXO PLL2
19800...29700 kHz
PLL120000...29900 kHz
Daten für Dezimalstellen 0.01 und 0.1 kHz
Daten für Dezimalstellen 1 und 10 kHz
Daten für Dezimalstellen 100, 1000 und 10000 kHz
Teiler/100
Mischer 1
200...299 kHz
20000...29999 kHz
oSB
Teiler/100
Mischer 2
200.00...299.99 kHz
oSB Ausgang 45000...74999.99 kHz
Beispiel• Sollfrequenz: 51234.56 kHz• PLL3: 51000 kHz• PLL2: 23200 kHz (234.56 kHz)• PLL1: 25600 kHz (256 kHz)
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Fractional-N-PLL 1
Frequenzsynthese
Umschalten eines Teilers während einer "Oberperiode"
Gebrochen-rationale Teilerverhältnisse: fVCO = (N+F/Z)·fref
Blockschalt-bild und Funktions-prinzip
Frequenzsynthese
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Fractional-N-PLL 2
ZählbeispielNges=4.3N=4F=3Z=10
Frequenzsynthese
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
PLL eines Fractional-N-Synthesizers (970...1200 MHz)
KompletteSynthesizer-Schaltung
Diplomarbeit am FG HMT in Zusammenarbeit mit EADS (2005)
HF-Teil mitkoaxialem
Ausgang
Simulationsergebnisse PLL
Frequenzsynthese
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Funktionsmerkmale• Frequenzauflösung: Taktrate fs und Akkumulator-Länge N• Phasenauflösung: Genauigkeit der Tabelle• Amplitudenauflösung: Genauigkeit des D/A-Wandlers• Bandbreite: Begrenzung durch Tiefpass-Filter (Abtast-Theorem)
Direkte digitale Frequenz-Synthese (DDS)http://hom
e.zhwin.ch/~rur/dsv1/unterlagen/dsv1kap2adda.pdf
s0
ff M M fN
= ⋅ = ⋅ ∆
Frequenzsynthese
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Vergleich Frequenzsynthese-Konzepte
AnalogVCO (Freilauf)
DigitalDDS
Mixed signalFractional-N PLL
geringe Komplexität geringes Phasenrauschen geringes Phasenrauschen
keine Harmonischen oder Sub-harmonischen
sehr hoheFrequenzstabilität hohe Frequenzstabilität
geringe Verlustleistung beliebige Signalform kein Digitalisierungs-rauschen
hohes Phasenrauschensehr viele Harmonische
wegen Frequenz-vervielfachung
Harmonische wegen Frequenzvervielfachung
schlechte Frequenz-stabilität (thermisch,
Alterung)sehr hohe Komplexität Komplexität: Frequenz-
teiler und -vervielfacher
sehr hohe Verlustleistung hohe Verlustleistung
Frequenzsynthese
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Direkte digitale Frequenz-Synthese (DDS)
April 2004
Kombination von DDS und PLL (sowie ext. VCO) für zahlreiche Lösungen im Bereich der Frequenzsynthese, z.B.:• Lineare Frequenz-Sweeps• Präzisions-Taktgenerator• Digitale Modulation (8PSK, 8FSK)• Willkürliche Wellenformen (AWG)
Frequenzsynthese
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Leistungsverstärker: Kategorien von Betriebsarten
5. Leistungsverstärker
Übertragungs-charakteristik
LinearA – AB – B – S
NichtlinearC – D – E – F
Zeitabhängigkeit
Quasi-kontinuierlichA – B – C – F
Geschaltet
Konstantes Tastverhältnis
D – E
Variables Tastverhältnis
S
• Linear: Erhaltung der Eingangswellenform am Ausgang• Nichtlinear: Konstante Einhüllende• Quasi-kontinuierlich: Gefiltertes Abbild des Eingangssignals am Ausgang• Geschaltet: Gefiltertes Abbild der Betriebsspannung am Ausgang
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Stromflusswinkel
5. Leistungsverstärker
A
AB
BC UBE
IC
ω = ω +~ BE0ˆu ( t) Ucos t U
ωt
–Θ
+Θ
IC
ωt
2π
–Θ +Θ
2Θ
UBE0
−±Θ = ⇔ Θ = BE0
~Uu ( ) 0 cosU
Stromflusswinkel: 2Θ
z.B. Klasse A: UBE0 ≥ U ⇒ Θ = π^
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Leistungsverstärker in Gegentakt-Anordung (Beispiel)
5. Leistungsverstärker
I2
UCC
R1
R2
U1 Na RL
T1
U2
T2
Nb
Nb
N1
N1
N2
Ic1
Ic2
U(t)
t
U(t)
t
U(t)
t
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
( )0sin cos
1 cosΘ − Θ ⋅ Θ
ϕ =π ⋅ − Θ
( )Θ − Θ Θ
ϕ =π ⋅ − Θ1
sin cos1 cos
ϕ Θη = ⋅ ⋅
ϕ Θ1 1
B 0
U ( )12 U ( )
Stromflusswinkelfunktionen
Θ ϕ0 ϕ1 ϕ1/ϕ0 ηmax
A π 1/2 1/2 1 1/2
B π/2 1/π 1/2 π/2 π/4
C
π/3 0.218 0.391 1.794 0.897π/4 0.165 0.310 1.881 0.940π/6 0.111 0.215 1.946 1→ 0 2Θ/3π 4Θ/3π 2 1
( )n 22 ncos(n ) sin( ) sin(n ) cos( )
n(n 1) 1 cosΘ ⋅ Θ − Θ ⋅ Θ
ϕ = ⋅− π ⋅ − Θ
Nichtlinearitäten
Gleichstrom (n = 0)
Grundwelle (n = 1)
n-te Harmonische (n ≥ 2)
Wirkungsgrad
Fourierzerlegung eines anharmonischen Ausgangsstroms
0 c1I I ( t)d t
2
+Θ
−Θ
= ω ωπ ∫ n c
1I I ( t)cos(n t)d t+Θ
−Θ
= ω ω ωπ ∫
Klirrfaktor k1
2 2n
n 2k 1
−∞−
=
= + ϕ
∑
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
-10
-8
-6
-4
-2
0
0 40 80 120 160
Wirk
ungs
grad
η
Ausg
angs
leis
tung
rela
tiv z
u Kl
asse
-A [d
B]
Stromflusswinkel θ [o]
Klasse-A180o90oKlasse-B
Klasse-ABKlasse-C
Klirr
fakt
or k
Kenngrößen Leistungsverstärker (über Stromflusswinkel)
max1 sin cos2 sin cos
θ − θ ⋅ θη = ⋅
θ − θ ⋅ θ
~1 sin cosP
2 1 cosθ − θ ⋅ θ
= ⋅π − θ
1/2
2n
n 2
1k 1i
−
=
= +
∑
Nichtlinearitäten
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Prinzip Schaltverstärker: Idealer Schalter
• Perfekte Schaltzustände (KS oder LL)
• Exakt steuerbare Schaltzeitpunkte
• Unendlich schnelle Schaltvorgänge
• Tastverhältnis Θ/π (der „Stromflusswinkel“ von Schaltverstärkern)
S.C.Cripps, „RF PA …“, Artech House Nichtlinearitäten
ωt
is(ωt)
0– Θ + Θ π 2π
Ipk
2π–Θ
ωt
us(ωt)
0– Θ + Θ π 2π
Upk
2π–Θ
RL
iSuS
Idc
Udc
DC pkI I Θ= ⋅
π
DC pkU U π − Θ= ⋅
π
IDC
UDC
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0
0.5
1
1.5
2
0 40 80 120 160
0 0.2 0.4 0.6 0.8
Wirk
ungs
grad
η
Ausgangsleistung relativ zu Klasse-A
Stromflusswinkel θ [deg]
Tastverhältnis θ [rad] /π
Schaltverstärker: Leistungsmerkmale
S.C.Cripps, „RF PA …“, Artech House Nichtlinearitäten
RL
iSuS
Idc
Udc
θ=
π ⋅ π − θ
2~S
~A
P 8sinP ( )
θη =
θ ⋅ π − θ
2
S2sin
( )
Idealer Schalter• Unendlich steile
Schaltflanken (ein, aus)
• Kurzschluss Ron = 0• Leerlauf Roff → ∞
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Schalter mit Resonator
Modifizierter Schaltverstärker
• Unterdrückung der Harmonischen in der Last
• Abwägung Wirkungsgrad oder Ausgangsleistung
S.C.Cripps, „RF PA …“, Artech House Nichtlinearitäten
RL L0 C0
iSuS
Idc
Udc
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0
0.5
1
1.5
2
0 40 80 120 160
0 0.2 0.4 0.6 0.8
Wirk
ungs
grad
η
Ausgangsleistung relativ zu Klasse-A
Stromflusswinkel θ [deg]
ohnemit Resonator
Tastverhältnis θ [rad] /π
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Merkmale• Cp bestimmt Zeitverlauf und
begrenzt Frequenzbereich• Spannungsspitzen => α ≤ 0.63π
• Harmonische von Last abgetrennt
• Hohe Wirkungsgrade
Schalter • öffnet bei θ1 = ωt1 = α• schließt bei θ2 = β mit ic(β) = 0
S.C.C
ripps, „RF pow
er amplifiers for w
ireless comm
unications“, Artech House, 1999
Klasse-E Schaltverstärker
θ = ωt
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
EER – Envelope elimination and restoration
Lineare Verstärkung mit nichtlinearen Verstärkern
• HF-Leistungsendverstär-ker als Schaltverstärker ausgelegt (D oder E)
• Betriebsspannungsnach-führung z.B. mittels Klasse-S Verstärker (HF-tauglich wegen Bandbreite des geträgerten HF-Signals)
David K. Su and W
illiam J. M
cFarland, IEEE JOU
RN
AL OF SO
LID-STATE
CIR
CU
ITS, VOL. 33, N
O. 12, D
ECEM
BER 1998
Nichtlinearitäten
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Vergleich Betriebsarten Leistungsverstärker
Funktionsprinzip ηmax (%)
A Linearer Kennlinienbereich bei Vollaussteuerung 50
B Arbeitspunkt an Flussspannung, nichtlineare Verzerrungen, Gegentaktanordnung 78.5 (π/4)
C Stark nichtlinear (nur für konstante Hüllkurven), selektive Last, Kompromiss mit Ausgangsleistung < 100
Idealer Schalter auf Ohm'sche Last 81.1 (8/π2)
F Unterdrückung der Harmonischen durch Filter (Bandbreitebegrenzung)
100D Schaltbetrieb, Gegentaktanordnung mit Selektivkreis
(Tastverhältnis 0.5, Strom- oder Spannungsspeisung)
E Schaltbetrieb, Stromumschaltung über Kapazität (Frequenzbegrenzung, Spannungsspitzen)
S Schaltbetrieb, variables Tastverhältnis, 1-bit-Modulation (Überabtastung oder Bandbegrenzung erforderlich)
Nichtlinearitäten
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Klasse-D Audioverstärker: ein Beispiel
Nichtlinearitäten
http://ww
w.elektronikpraxis.vogel.de/index.cfm?pid=856&pk=249036
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Frequenzpyramide bei Mischung von fs und f0
Kennlinie des nichtlinearen Elementes [ ]ka k e
k 0u (t) a u (t)
∞
=
= ⋅∑Kombinationsfrequenzen k s 0f m f n f= ± ⋅ ± ⋅
Nichtlinearitäten
0
f0±fs
2f0±fs f0±2fs
3f0±fs f0±3fs2f0±2fs
f0 fs
2f0 2fs
3f0 3fs
4f0 4fs
a0
a1
a2
a3
a4
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Nichtlineare Effekte
Nichtlinearitäten
Sign
al
Frequenz1-dB Kompression
Zweiton-Frequenzintermodulation
Sign
al
Frequenz
Sign
al
FrequenzKreuzmodulation Blocking
Sign
al
Frequenz
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Intermodulation
Nichtlinearitäten
Pa [dBm]
Pe [dBm]
2ω1 − ω22ω2 − ω1
Pa,min
Pe,min
11
1
3
1 dB
Pa,1dB
PTOI
Pe,1dB
Sign
al
2f1-f2 f1 f2 2f2-f1 2f1
Durchlass-Bereich
Inter- Harmonischen-modulation erzeugung
∆f∆f∆f
PTOI IP3, TOI
Gre
nzen
für
Dyn
amik
bere
ich
dB TOI,dB N,dB dB dBD P (P F G ) 13.7dB≈ − + + −
Sperr-Bereich
f ,dB TOI,dB N,dB dB dB2D P (P F G 3dB)3
≈ ⋅ − + + +
SFDR (spurious-free dynamic range)
FdB GdB B (MHz) PTOI (dBm) D Df
Bsp 1 3 30 10 53 113 83
Bsp 2 1.5 50 70 15 47 39
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Beispiel: Intermodulation
ZweitontestFrequenzabstand: 100 kHz @ 3 GHzstark nichtlineares Bauelement(SQUID)
1st
3rd
5th
7th
Nichtlinearitäten
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
IntermodulationDefiniertes Anregungsspektrum (z.B. Zweiton oder digitale Modulation)
A A
fof1 f2f
Δf
2fo
f
3fofo
2f1 2f24f1-2f2 4f2-2f1
f1 f22f1-f2 2f2-f1
3f1-2f2 3f1-2f2
Δf2Δf
3Δf
DC
3. Ordnung
Su(f)
5. Ordnung
0
foNachbarkanäle (5MHz)
2fo
Nichtlinearitäten
• Neue spektrale Anteile bei Vielfachen der
Mittenfrequenz (ACPR, EVM, ...)
• Verzerrungen in der Nähe des Trägers
(charakteristisch für Ordnung der IMD)
• Begrenzung des dynamischen
Bereiches
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Linearisierung von Verstärkern: GrundüberlegungenAuswirkungen von NichtlinearitätenIntermodulation, Kreuzmodulation, Blocking, AM/PM-Konversion, fehlerhafte Darstellung von IQ-Modulationsinhalten (EVM)LinearitätBesonders wichtig für höherwertige digitale Modulation, hohe Datenraten bzw. hohe Übertragungsbandbreiten
http://www.elektronikpraxis.vogel.de, http://www.datatec.de/shop/artikelpdf/ap-ep1310-1_d.pdf, Juni 2018
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Linearisierung von Verstärkern: VorwärtskopplungVorwärtskopplung (feed forward)
G
G
1/G
+
+
Dämpfung
Verstärker Verzögerung
+ _
_+
FehlerverstärkerVerzögerung
UEing. UAusg.
f f
f
f
f
Herausforderungen: Lineare Verstärkung des Fehlersignals, Adaptivität (Amplituden, Temperaturgang)
Schleife 1 Schleife 2„Signalauslöschung“ „Fehlerauslöschung“
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Linearisierung von Verstärkern: Rückwärtskopplung
n
UZFAufwärtsmischer Endverstärker
UHF
sin ωt
Tiefpass Abwärtsmischer
Nichtlinearitäten
Rückwärtskopplung (feedback)
• Regelschleife in komplexer ZF- oder Basisband-Lage (I/Q oder Cartesian feedback z = x + jy; einfachere Schaltungs-architektur als polar feedback z = |z|⋅ejϕz)
• Herausforderungen: Bandbreite und Stabilität (Regelkreisverhalten)
Fehlersignal wird „ausgeregelt“
ϕ
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Linearisierung von Verstärkern: Vorverzerrung
Nichtlinearitäten
Vorverzerrung (pre-distortion)• Idee: Nichtlinearität des
Verstärkers (z.B. Kom-pression) dem Signal vorher „entgegengesetzt“ beifügen
• Vorteile: Einfach, breit-bandig, mit Vorwärts-kopplung kombinierbar
• Nachteile: Adaptivität an Verstärkerkennlinie (HW-gebunden), empfindlich bzgl. A/ϕ-Balance, mäßige Linearisierung, höhere Ordnungen schwierig
+
Vorverzerrung Kompression
Vorverzerrung Intermodulationsverzerung
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Linearisierung von VerstärkernVergleich der Verfahren (qualitativ)
Nichtlinearitäten
Linearisie-rungsergebnis
Band-breite
Wirkungs-grad, PAE
Größe, Komplexität Aufbau
Feed forward + + – –
Feedback + – o o
Predistortion o o + +
• Methoden kombinierbar• Signaldarstellung kartesisch oder polar
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Analoge und digitale Modulationsarten skalarer Größen
Analoge (De)Modulation
Tˆu(t) U(t) cos (t) t (t)= ⋅ ω ⋅ + ϕ
Amplitude Winkel Vektor-Modul.
Frequenz Phase
Werteverlaufkont. diskret kont. diskret kont. diskret kont. diskret
Zeit-ver-lauf
konti-nuierlich AM ASK FM FSK PM PSK PAL QAM
diskret PAM qPAM PFM qPFM PPM qPPM PDMqPDMPCM
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Von AM zur FMAmplitudenmodulation• Ältestes Verfahren, einfache
Funksysteme (z.B. Rundfunk, RFID, CB)
• Kennzeichnung: z.B. A für Zweiseitenband-AM• A1A – Morsetelegrafie mit
getastetem Träger• A2A – Morsetelegrafie mit
moduliertem Hilfsträger• A3E – Amplituden-moduliertes
Telefoniesignal
Frequenzmodulation• Kopenhagener Wellenplan
(1948): Frequenzzuordnung für Rundfunksender im LW-und MW-Bereich
http
://w
ww
.dxr
adio
-ffm
.de/
Kope
nhag
en48
.png
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Amplitudenmodulation Winkelmodulation
Zeitb
erei
chFr
eque
nzbe
reic
h
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
0 5 10 15
Nor
mie
rte A
mpl
itude
Zeit (willkürliche Einheiten)
m=0.2 m=0.8
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 5 10 15 20
Nor
mie
rte A
mpl
itude
Frequenz (willkürliche Einheiten)
m=0.2
m=0.8
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
0 5 10 15
Nor
mie
rte A
mpl
itude
Zeit (willkürliche Einheiten)
∆Φ=1 ∆Φ=7
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0 5 10 15 20
Nor
mie
rte A
mpl
itude
Frequenz (willkürliche Einheiten)
∆Φ=1
∆Φ=7
Verg
leic
h A
M –
FM
Analoge (De)Modulation
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Amplitudenmodulation• Trägersignal (fT, UT)• Nachrichtensignal (fn, Un)• Modulationssignal
(Modulationsgrad m)
• Geringe Leistungseffizienz -1.2
-0.8
-0.4
0
0.4
0.8
1.2
1.6
2
0 5 10 15
Träg
er- u
nd N
achr
icht
en-S
igna
l
Zeit (willkürliche Einheiten)
1/fn
1/fT
nU
TU
max minn
max minT
ˆ U UUm ˆ U UU−
= =+
SB2
ges
P 1 1P 2 1 2 / m
= ⋅+
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
0 5 10 15
Nac
hric
hten
sign
al
Zeit (willkürliche Einheiten)
Umin
Umax
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
PDM-Modulationsverstärker
• Prinzip Schaltverstärker (Transistorbauweise: Klasse D, Klasse S)
• Potential für hohen Wirkungsgrad (insbes. Hochleistungs-sender LMK-Rundfunk)
• Komparator: Pulsdauermodulation
• Speicherdrossel und Siebkondensator: Tiefpass
E. Voges, „Hochfrequenztechnik“, Bd. 2, Kap. 19.2
Analoge (De)Modulation
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Eigenschaften der Winkelmodulation (FM/PM)
Trägeramplitude bleibt konstant (konstante Einhüllende)Nachricht wird von Frequenz oder Phase getragen
Vorteile gegenüber AM • Einfachere Verstärkerarchitektur, besserer Sender-Wirkungsgrad • Weniger Verzerrungen durch Kennlinienkrümmung• Leistungsärmere Modulation (z.B. Reaktanzschaltungen)
Nachteile gegenüber AM • Größerer Bandbreitebedarf• Empfindlich bzgl. Phasenverzerrungen, Mehrwegeausbreitung und
dispersiven Übertragungseigenschaften
Analoge (De)Modulation
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Winkelmodulation
Trägersignal (fT) – Nachrichtensignal (fn)Modulationshub (Lautstärke, ∆Φ)
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
0 5 10 15
Nor
mie
rte A
mpl
itude
Zeit (willkürliche Einheiten)
∆Φ=0 ∆Φ=7
-10
-5
0
5
10
Nac
hric
hten
phas
e
∆Φ=0 ∆Φ=7
∆Φ
0
50
100
150
Mom
enta
npha
se
∆Φ=0 ∆Φ=7
0
5
10
15
20
0 5 10 15
Mom
enta
nfre
quen
zZeit (willkürliche Einheiten)
∆F=0 ∆F=7*fn
∆F
T n 0(t) (t) t cos tΦ = ω ⋅ + ∆Φ ⋅ ω + ϕ
ˆu(t) U cos (t)= ⋅ Φ
(t)t
∂Φ∂
(t)Φ
ncos( t)∆Φ ω
Analoge (De)Modulation
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Vergleich Frequenz-Phasen-Modulation
Merkmal Frequenzmodulation Phasenmodulation
Nachricht
Modula-tionsgrad
FM – PM -Ent-sprechung
T T0 n(t) (1 m cos t)ω = ω ⋅ + ⋅ ω
T T0 T n(t) cos tω = ω + ∆ω ⋅ ω
T
T0
m ; m 1∆ω=
ω=
TT0 n
n
(t) t sin t∆ωΦ = ω + ⋅ ω
ω
n
Ff∆
∆Φ =
T0 n(t) (1 m cos t)Φ = ϕ ⋅ + ⋅ ω
T0 n(t) cos tΦ = ϕ + ∆Φ ⋅ ω
T0
m ; m 1∆Φ=
ϕ=
n n(t) sin t∆ω = −∆Φ ⋅ ω ⋅ ω
nF f∆ = ∆Φ ⋅
t
(t)(t) und (t) (t ')dt 't
∂Φω = Φ = ω
∂ ∫
Analoge (De)Modulation
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Spektrum der Winkelmodulation: BesselfunktionenFourierreiheAlternierend abklingende quasi-periodische Funktionen Jn(x)Für ganzzahlige n und große x (bis auf Ordnung 1/x):
n2 2n 1J (x) cos xx 4
+ ≈ ⋅ − ⋅ π π
nj cos t0 n
1e J ( ) 2 j J ( )cos( t)
∞∆Φ ω ν
νν=
= ∆Φ + ∆Φ ω∑
Bandbreite nach Carson
( )FM nB 2 F f≈ ⋅ ∆ +
Maximal zu berücksichtigende Seitenband-Ordnung:10% der unmodulierten Trägeramplitude (oder 1% der Leistung)
n=0
12 3 4 5 6
Analoge (De)Modulation
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Leistungsbilanz der Winkelmodulation
Da Amplitude bei FM zeitlich konstant bleibt, gilt:
Summensatz
Alternierende Leistungsverteilung auf SeitenbänderBei ∆Φ ≈ 2.405 und ∆Φ ≈ 5.520 vollständige Trägerunterdrückung
Auswirkung
2 20
1J ( ) 2 J ( ) 1
∞
νν=
∆Φ + ∆Φ =∑
Zahl der für die belegte Bandbreite wesentlichen Spektrallinien nimmt mit ∆Φ zu, deren relative Amplituden nehmen aber ab.
Fazit
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 1 2 3 4 5 6 7
1-J 02 (∆
Φ)
Modulationshub ∆Φ
Träger-frequenz-leistung
Seitenfrequenz-leistung
Analoge (De)Modulation
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Verfahren zur Frequenzmodulation• Kondensatormikrophon
• Elektromechanische Änderung der Kapazität → Änderung der Resonanz-frequenz → FM durch Oszillatorschaltung
• Kleine Modulationshübe, nichtlinear, instabil
• Kapazitätsdiode• Abgestimmtes Dotierungsprofil ermöglicht
verzerrungsarme FM mittels Oszillatorschaltung (∆ω ~ U)
• Reduktion nichtlinearer Verzerrungen durch Gegentaktanordnungen (Vorlesung „Schaltungen und Bausteine der HMT“)
• Reaktanzschaltungen• Indirekte FM (über Phasenmodulation)
http://de.wikipedia.org/w
iki/Kondensatormikrofon
Analoge (De)Modulation
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
FM: Reaktanzschaltungen
Z1 = Impedanz || Kollektor-BasisZ2 = Impedanz || Basis-EmitterFür |Z1| ? |Z2|: Komplexer Ausgangsleitwert ~ S·|Z2|/|Z1|Linearisierung durch GT-Anordnung
Funktionsprinzip (BJT-Emitterschaltung)
Ceff = S·RC Ceff = S·L/R Leff = S-1·L/R Leff = S-1·RC
Realisierungsmöglichkeiten
Analoge (De)Modulation
R
C R
L
L
R
R
C
UFM
Us
Oszillator
Z1
Z2
UB
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
FM: Prinzipüberlegungen
Reaktanzschaltungen arbeiten ohne Quarzoszillator (Stabilitätseinbußen)Idee: Nachricht → Integration → PM → FM
Direkte Frequenzmodulation
Erzeugung PM aus AM (z.B. zwei orthogonale GT-AM-Signale)Verzerrungsfreier Phasenhub ∆Φ begrenzt → f-Vervielfachung → n·∆Φ
Indirekte Frequenzmodulation
U1 U2
U1(1-m)
U1(1+m)
U2(1-m)
U2(1+m)∆ϕ ∆ϕ
AM1
AM290o
Σun
U1
U2
Ua
ωT
Nachrichtun(t)
FM-SignalPM
∆ϕ(t)
Integr.
∫.dt
Analoge (De)Modulation
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
FM-Demodulator-Architektur• Eingangsseitige Amplitudenbegrenzung erforderlich (konstante Hüllkurve)• FM → AM → Hüllkurvendetektion
Frequenzlagen (Überlagerungsempfänger)• HF – Signalträgerfrequenz• LO – Lokaloszillator (Frequenzumsetzung)• ZF – Zwischenfrequenz (analoge Vorverarbeitung)• NF – Basisband (analog oder digital)
HF
LO
ZF
FMAM
schnell
langsam
NF
Analoge (De)Modulation
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
FM-Demodulationsverfahren: Übersicht
• Flankendemodulator (resonant)Frequenzänderung → Amplitudenänderung an Flanke der Resonanzkurve
• Leitungsdemodulator (nicht-resonant, hohe Frequenzen)Frequenzänderung → Amplitudenänderung mittels frequenzabhängiger Nulldurchgänge der Spannungs-Stehwellen entlang einer Leitung (einseitig fehlangepasst)
• Phasendiskriminator, Verhältnisdetektor, KoinzidenzdemodulatorFrequenzänderung → Amplitudenänderung aus Frequenzgang der Differenzphasen zweier Teilsignale (bei ∆f = 0 orthogonal zueinander)
• Mitgezogener Oszillator (Phasenregelkreis)Frequenzänderung → Amplitudenänderung aus Fehlerspannung des VCO in einem Phasenregelkreis
Analoge (De)Modulation
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
FM-Demodulation: Phasendiskriminator (Riegger-Kreis)
Lose gekoppeltes BPF (L1-L2)Fest gekopp. Tertiärspule L3(phasengleich mit L1)90o Phasendifferenz zwischen U3und U2 bei f0
GT-Gleichrichteranordnung (A-B)
Prinzipschaltbild
A 3 2U U U / 2= +
Umod = 0 bei ResonanzfrequenzFast lineare Variation bei f ≠ f0
Keine Amplitudenbegrenzung in Schaltung selbst
Funktionsweise
U3
UB,maxUA,max
+U2max/2-U2max/2
B 3 2U U U / 2= −
mod A BU U U= −
U1
AL1 L2
L3
U2
U3B
Umod
UA
UB
Analoge (De)Modulation
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
• Möglichkeiten (ohne Pulsmodulationen)ASK, PSK, FSK, QAM in Einzel- und Mehrträgerverfahren
• Entwicklungstreiber• Robustheit gegen Störungen und Rauschen• Spektrale Effizienz (Datenrate pro Bandbreite), Kanalkapazität• Digitale Signalverarbeitung, HW/SW-Integration, eingebettete Systeme• Programmierbarkeit (software defined radio)• Datensicherheit, Übertragungsqualität• Konvergenz verschiedener Dienste
• Übertragungsverfahren und -wege Mobilfunk, Rundfunk, Richtfunk, Satellitenfunk, Sensornetze
• DAB+, DRM, DVB (C – T – S …)• GSM, UMTS, LTE, 5G, ...• ITS-G5, DSRC, ETCS• BT, NFC, WLAN, LORA, …
Digitale Modulationsverfahren
Digitale (De)Modulation
https://www.versicherungsforen.net/
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Anwendungsbeispiel:Digitaler Rundfunk
https://www.dabplus.de/empfang/
• Digitales Fernsehen DVB-T (2009, 17/18) und DVB-S (HDTV, 2012)
• Renaissance DAB (DAB+ statt FM)
• WettbewerbRundfunk –Mobilfunk(ÖRR vs IP)
• Kombination Rundfunk –Internet (HbbTV, smartTV)
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Typische Anwendung (Stand 2010)
BPSK Weltraum-Telemetrie, Kabelmodems,WLAN (DSSS/FHSS, < 5Mbps)
QPSK, π/4 DQPSK
Satellitenfunk (speziell CDMA), Bündelfunk (TETRA), EU-Flugverkehr (TFTS) , DVB-S, WLAN (DSSS/FHSS, < 5Mbps), Kabel (Rückkanal), UMTS
FSK, GFSK DECT, Personenruf, Datenfunk, öffentl. Mobilfunk, Polizeifunk, AMPS (USA)
MSK, GMSK Mobilfunk, GSM
8 PSK Satelliten, Flugzeuge, Telemetrie (Breitbandvideo)
16 QAM Mikrowellen-Digitalfunk, Modems, DVB-C, DVB-T,WLAN (OFDM, > 5Mbps)
32 QAM Terrestrischer Mobilfunk, DVB-T
64 QAM DVB-C, Modems, WLAN (OFDM, > 5Mbps), UMTS-LTE
256 QAM Modems, DVB-C (EU), Digital-Video (USA)Digitale (De)Modulation
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Amplitudenumtastung (ASK)
• Anwendungen: optische Signalübertragung, RFID, …
• Zeitbereich: Gepulstes Trägersignal
• Rauschen: Vergrößert Entscheidungsschwelle (Eb/N0)
2x
t
0
erfc(x) 1 erf(x)2erf(x) e dt−
= −
=π ∫
-1.2
-0.8
-0.4
0
0.4
0.8
1.2
0 1 2 3 4 5 6
Sign
alfu
nktio
n u(
t)
Zeit t/tbit
-1
0
1
0 1 2 3 4 5 6
Nac
hric
hten
funk
tion
c(t)
Zeit t/tbit
0 01 0 01
bASK
0
E1 1p erfc( )2 2 N
=
Digitale (De)Modulation
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
-1.2
-0.8
-0.4
0
0.4
0.8
1.2
0 1 2 3 4 5 6
Sign
alfu
nktio
n u(
t)
Zeit t/tbit
2-PSK (BPSK)
Zuordnung Bits
I Q Ergebnis0o 0o 0o
180o 0o 180o
IBPSK
QBPSK
0
0
1
1
0o180o
90o
-90o
-1
0
1
0 1 2 3 4 5 6
Nac
hric
hten
funk
tion
c(t)
Zeit t/tbit
0 01 0 01
Digitale (De)Modulation
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Quadrierschleife
BPSKDemodulation
Costas-Schleife
HerausforderungTrägerrückgewinnung
Digitale (De)Modulation
BPSK
PD VCO
PLL bei 2fT
Daten
Korrektur-signal180o
0o
2fTfT
Daten
90o
BPSK
VCO
uRef,Q
Q
P
uVCO
uRef,P
uP
uQ
uPuQ
uk
TPP
TPQ
TPPQ
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Differentielles BPSKIdeeInformation nicht in Absolutphase sondern in Phasendifferenz
GrundprinzipBipolares BinärsignalInvertiert und verzögertKeine Kenntnis über Absolutphase nötig S/N + 1dB
uBPSK
TBit
TPVerzögerung um tbit
Multiplikation
-1
-0.5
0
0.5
1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
BPSK
-Sig
nal
0 01 0 011 1 1 1
-1
-0.5
0
0.5
1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
BPSK
-Sig
nal (
verz
.)
0 01 0 011 1 1
0
1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Bitfo
lge
0 01 0 011 1 1 1
-1
-0.5
0
0.5
1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Prod
ukt
Zeit t/tbit
0 01 0 011 1 0
0 → ∆ϕ = 0o
1 → ∆ϕ = 180o
Invertierung0 1 0 0 1 1 0 1 1
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
4-PSK (QPSK, 4QAM)
Zuordnung DibitsDibit I Q Ergebnis00 0o 90o 45o
10 180o 90o 135o
11 180o -90o 225o
01 0o -90o 315o
IQPSK
QQPSK
0
0
1
1
0010
11 01
0o180o
90o
-90o
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
0 2 4 6 8 10
Nac
hric
hten
funk
tion
c(t)
Zeit t/tbit
1 1 0 0 0 01 1 1 1
-1.2
-0.8
-0.4
0
0.4
0.8
1.2
0 2 4 6 8 10
Sign
alfu
nktio
n u(
t)
Zeit t/tbit Digitale (De)Modulation
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Höherwertige Modulation, 2m-QAM
GrundprinzipZwei orthogonale Träger (I und Q)Jeweils Amplituden-getastet (ASK)Beispiel: m = 2 (QPSK, "dibits"): -1, +1Beispiel: m = 4 (16-QAM, "quadbits"): -3, -1, +1, +3
m bitHF,2 QAM
1B f (1 r)m−
≈ ⋅ ⋅ +
Digitale (De)Modulation
c(t)Serien-Parallel-Wandler 2m-QAM
ASKm/2 bits
2m/2 Werte
ASKm/2 bits
2m/2 Werte
cA(t)
cB(t)
cos(ωTt)
- sin(ωTt)
Σ
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
2 21 1 2 0.473 3 3
+ = ≈
22 1 101 1.05
3 3 + = ≈
2 21 1 2 1.41+ = ≈
1o3arctan 18.43
1 ≈
o1arctan 451
=
o13
1arctan 71.57
≈
I
Q0010
11 01
16 QAM-Konstellations-diagrammAmplitudenstufen (relativ)
Phasenstufen (1. Quadrant)
Digitale (De)Modulation
10 000010
0011
0010
0001
-3 3-1 1
11 01 11 01-3
3
-1
11 0111 01 1
00100010
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
0010
11 01
0010
11 01
00
11 01
10
11 01
0010
16-QAM - Beispiel
I
Q0010
11 01
-0.5
0
0.5
1
1.5
0 4 8 12 16
Nac
hric
hten
funk
tion
c(t)
Zeit t/tbit
0 0 0 0 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
0 4 8 12 16
Sign
alfu
nktio
n u(
t)
Zeit t/tbit Digitale (De)Modulation
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Frequenzumtastung: FSK
Hintergrund (Mobilfunk-GSM)Sehr hohe Nachbarkanalunterdrückung, niedriger Leistungsverbrauch⇒ konstante Hüllkurve (nicht unbedingt bei PSK), C-Verstärker
2-FSK (BFSK)Umtastung zwischen fT + ∆f und fT –∆f während Tbit (c(t) = ±1)
Entkopplung der Signalzustände: Orthogonalitätsbedingung.
Modulation / Demodulation wie für FM möglich
[ ]( )T Tˆu(t) U cos 2 f c(t) f t= ⋅ π − ∆
[ ]( ) [ ]( )bT
T T0
cos 2 f f t cos 2 f f t dt 0π + ∆ ⋅ π − ∆ =∫b
nf4T
∆ =
Digitale (De)Modulation
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Frequenzumtastung: MSK, GMSK
Gaussian MSK (GMSK)Weitere Bandbreite-reduktion durch TP-Filterung (Gaußfilter)BHF/fb = 1.05 (bzw. 0.8) für BGTb = 0.5 (bzw. 0.2)
Phasenverlauf für MSK-/GMSK-Signal
Frequenzverlauf für MSK-Signal
1
1 01
0
01
10
0
Digitale (De)Modulation
Minimum-shift-keying (MSK)Minimaler Bandbreitebedarf für ∆f = fbit/4PhasendifferenzkodierungBelegte Bandbreite BHF = 1.2 fbit
Hochfrequenztechnik 2 - SubsystemeProf. Dr. M. Hein
SS 2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Vergleich digitaler Modulationsarten
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
100
0 5 10 15 20 25
BPSKGMSK8-PSK16QAMASK64QAM256QAM
Bitf
ehle
rrat
e, B
ER
Energie pro Bit / Rauschleistungsdichte, Eb/N
0 [dB]
2-PSK
4-PSK
8-PSK
16-QAM
64-QAM
Phasenzustände 2 4 8 12 52Amplitudenzustände 1 1 1 3 9Trägerzustände 2 4 8 16 64BR/BW = R/B|theo 1 2 3 4 6S/N [dB] @ BER < 10-6 10.7 10.7 13.8 14.5 19
Praktisch genutztes R/B≈ 70% · theoretisches R/B