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Sender- / Empfänger Architekturen

© Roland Küng, 2012

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Einfachste Empfangsarchitektur

Der Empfänger hat folgende fünf Aufgaben zu erfüllen:

� Er enthält einen Wandler (z.B. die Antenne), welche die verfügbare Empfangsleistung optimal an den Eingang abgibt

� Er muss das Trägersignal auf der richtigen Frequenz in einem definierten Band im Spektrum empfangen können

� Er filtert und verstärkt das Empfangssignal so, dass ein genügendes Signal- zu Geräuschverhältnis S/N entsteht

� Er demoduliert die vom Sender dem Trägersignal zugefügte Information

� Er entscheidet über die am wahrscheinlichsten gesendete Information

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Einfachste Empfangsarchitektur einst…

Geradeausempfänger Rosenmayer Wien

Baujahr 1920

2 Kreise (=Anzahl LC-Filter):

L1L2

C2

Rö1

C7

L3L5

Rö2

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… einfachste Empfangsarchitektur heute

Strukturgrösse @ 1000 MHz � Periodendauer T = 1 ns � Wellenlänge auf Substrat λ = 3…4 µm� Baugrösse wie IC‘s � Durchbruch Mobilfunk

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Einfachste Empfänger (SAW)

UHF 434 MHz und 868 MHz Empfänger Source RF Monolithics

SAW RF FilterRF Amplifiers

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Surface Acoustic Wave (SAW)

Q = 1000

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Superheterodyn Empfänger

Wird eingesetzt wenn: • Höhere Frequenzen verwendet• Mehr Selektivität verlangt• Einfache Kanalwahl ausreichend

Aufgaben:• RF Filter: filtert Frequenzband des Systems (SAW)• IF (ZF) Filter: selektiert Kanal (SAW oder Keramik)• Synthesizer: für die Kanalwahl (PLL + DDS)

Super: Über(lagerung)Heterodyn: verschiedene Frequenz

IF: Intermediate Frequency= ZF Zwischenfrequenz

RF: Radio Frequency

Basisband

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Design: Spiegelfrequenz Planung

f

S LO

RFSpiegelImage

IFIF

Low Side LO

f

S LORF Spiegel

Image

IFIF

High Side LO

Beide Bänder werden ins IF-Band gemischt !Spiegel (Image) muss vor dem Mischen durch Filter eliminiert werden

Spiegel hat Abstand 2·IF

Spiegel hat Abstand 2·IF

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Spiegelfrequenz Problem (Low Side LO)

2·fZF

Remember Mixing mit cos !

ejωt

e-jωt

S

Σ

RF RF

RF

ZF

RFBP

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Superheterodyn Empfänger

Wichtig beim Design: Spiegelfrequenz Planung

Wahl ZF so, dass mit RF Filter Spiegelfrequenz genügend unterdrückt wirdWahl ZF so, dass genügend hohe Filterselektivität (~Güte) realisierbar wird

z.T. widersprüchlich !

Güte

Technik Q f(max)

RC: 40 50 MHzLC: 80 300 MHzKeramik: einige 100 100 MHzQuarz: einige 1000 100 MHzSAW: mehrere 100 3 GHz

bf

Q 0=

hohe ZF

tiefe ZF

f0 Mittenfrequenzb Bandbreite

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Double Superhet

Beispiel: Narrowband FM89-107 MHz Band20 kHz Channels1. IF: 10.7 MHz2. IF: 465 kHz

bf

Q 0= Spiegel

Spiegel

LO

LO

Bsp. Empfang 91.5 MHz

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Direct Conversion RX

Spezialfall des Superheterodyn: fIF = 0

ZF Filter: einfacher RC Tiefpass

Aber: Spiegelfrequenz ist das eigene Signal selber � Interferenz, Auslöschung (AM)� RF Filter hilft nicht

Empfang allg. Signale

Note: Dieses Problem existiert im Direct Conversion TX nicht

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Direct Conversion RX

aber so ginge es:

Einzelmischer

Beweis:

�I/Q- Demodulation mit sin- und cos- Trägersignal� komplex-wertiges Zeitsignal am Ausgang (d.h. 2 Signale)

tj ce ω⋅

� Verzerrung

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I/Q Direct Conversion RX (Zero-IF)

tj ce ω⋅

Komplexes Zeitsignal r(t):

))tsin(j)t(cos()t(r)t(qj)t(i cc ω⋅+ω⋅=⋅+

)t(qj)t(i)t(r ⋅+=

tj ce)t(s)t(r ω⋅=

s(t)

r(t)

Erinnerung Quadratursignale!

Spektrum: R(ω) = I(ω)+j·Q(ω)

Direct Conversion mit LPF:

also:

� R(ω) ist nur S(ω) verschoben nach rechts!

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Direct Conversion RX (Zero-IF)

Fast perfekt! Nachteile ?

ETSI Regulations: Erlaubt max. 4 nW Abstrahl-Leistung.

RF Filter hilft nicht,da fLO = fRF !

DC-Error an I und Qverursacht durch geringeMischer LO-Isolation

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Direct Conversion RX (Zero-IF)

tj ce ω⋅1. Beispiel

SSB Signal Empfang, z.B. FSK (Frequency Shift Keying) mit Frequenz fo = fc+df bzw. fc-df

fc

Input: s(t)=cos(2πfo t)

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Direct Conversion RX (Zero-IF)

tj ce ω⋅2. Beispiel

DSB-Signal Empfang, z.B. AM eines Trägers bei fc mit +cos(2πfo·t) bzw. -cos(2πfo·t) Signal

fc

Input: s(t) =cos(2π(fc+fo)t+γ)+cos(2 π(fc-fo)t+γ)

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Direct Conversion RX (Zero-IF)

tj ce ω⋅

3. BeispielEmpfang orthogonales digitales I/Q Signal, z.B. 16-QAM

I und Q Ausgabein XY-Darstellung

Input s(t) = i(t)·cos(2π(fc+∆ω)t+γ) + q(t)·sin(2π(fc+∆ω)t+γ)

• rotierend mit ∆ω• verdreht mit γ

infolgeOszillatorabweichungund Doppler

Input Modulator

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Software Defined Radio (SDR)

RF/Analog FPGA, ASIC, DSP

Neueste, flexible Architektur und Implementations-Technologie

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Mixed Superhet – Direct Conversion

Bei starken RF Signalen (Störer) nahe beim Nutzsignal:IF mit SAW Filter reduziert Dynamik für A/D Converter Stufen

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IF Sampling und DDC

SDR Option:

• IF Sampling mit schnellem ADC oder Bandpass Sub-Sampling• Anschliessend digitale Direct Down Conversion (DDC)

NCO = DDS Direct Digital SynthesisLO = PLL based Synthesizer

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Broadband Multichannel SDR

Full Band DownconversionActive RC Filter (LC)

Conversion for Channel SelectionDSP Filter

tj ce ω⋅tj ie ω⋅

complex signal !

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Broadband SDR: Channel Selection

tj ce ω⋅

tj ie ω⋅

1st I/Q Demod

2nd I/Q Demod

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Single Chip SRD

1st Generation Short Range Devices (SRD) for Battery Operation (434/868 MHz)Low Power, Low Cost, ASK Modulation

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Single Chip SRD

High Performance Short Range Single Chip Device (ZigBee) 2.45 GHzZigBee benutzt 4-QAM

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Single Chip SRD II

Preis 2009: 50 Cent bei 100‘000 pcs.

Ultra Low cost

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Single Chip WLAN Transceiver

WLAN Chipset: RF Chip plus Baseband/MAC Chip

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GPS Receiver

GPS Chipset: USB Stick Receiver

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DAB Receiver

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RFID EPC Gen2 UHF

signal

processor

direct conversion

receiver

modulation

switch

TX antenna

RX antenna

I Q

RADIATING ANTENNA

synthesizer

D

A

power amp

Lesegerät (Reader)Passive Etikette (Tag)

10 mm

120 mm

Desig

n Ca

se

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FPGADSP

Xscale

Synthesizer

Circulator

TX Amp

ADC

DC-RX

DAC

Supply

4 Antenna PortsEthernet USB RS232

RFID: 4 Watt EPC Gen2 Reader

Software Defined Radio (SDR) Architektur

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SDR: UHF RFID Reader

UHF Frontend

- Direct Conversion Receiver

- Carrier Suppression

- Multi Antenna

Signal Processing

- Sample Level on FPGA

- Symbol Level on DSP

- Air Protocol on DSP

RISC Processor

- MAC

- Reader Protocol

- Interfaces

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Filtering UHF RFID Reader

Frequency

Interrogator

commanding

Interrogator

listening

Tag response

Filter

EPC Gen2/ Europe

-320 kHz DC 320 kHz

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Gain = 7 dB

Path Loss 49 dB @ 8 m

- 16 dBm received at tag *

+ 33 dBm(2 W)

Path Loss 49 dB @ 8 m- 71 dBm(0.1 nW)

S/N = 35 dB

-22 dBm (6 μμμμW)backscatter signal

Ld)4(GrGtPt

Pr22

2

⋅⋅π

λ⋅⋅⋅=

* EPC Class 1 Gen 2

-13…-17 dBm

Receiver Noise: -99 dBm(F = 25 dB, B = 100 kHz)

Reality: Additionally orientation losses, system losses, fading, n > 2 ... Additional noise sources, amplitude phase, TX to RX coupling

Passive UHF RFID:

- Read Tags up to 8m Distance - Limited by Tag Power Consumption

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UHF Signal Propagation

• Test fixture with 73 Gen2 tags,equally spaced in air medium

• Target read time: < 1 second

Material

Orientation

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Multi-path reflections from metal (reinforcing in floors/ dock levellers and other objects), cause nulls and peaks that get worse with distance from the antenna.

-3 dBm -14 dBm

height

Reader

UHF Signal Propagation

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⋅λ

⋅⋅π⋅

⋅π

λ⋅⋅⋅=

dhh2

sind)4(

GGP4P rt2

22

2rtt

r

Fading - Problem in Passive RFID

Simple 2-Ray Model

RFID: Carrier only � Slow Flat Fading Channel