1
Sender- / Empfänger Architekturen
© Roland Küng, 2012
2
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
3
Einfachste Empfangsarchitektur einst…
Geradeausempfänger Rosenmayer Wien
Baujahr 1920
2 Kreise (=Anzahl LC-Filter):
L1L2
C2
Rö1
C7
L3L5
Rö2
4
… einfachste Empfangsarchitektur heute
Strukturgrösse @ 1000 MHz Periodendauer T = 1 ns Wellenlänge auf Substrat = 3…4 m Baugrösse wie IC‘s Durchbruch Mobilfunk
5
Einfachste Empfänger (SAW)
UHF 434 MHz und 868 MHz Empfänger Source RF Monolithics
SAW RF FilterRF Amplifiers
6
Surface Acoustic Wave (SAW)
Q = 1000
7
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 ZwischenfrequenzRF: Radio Frequency
Basisband
8
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
9
Spiegelfrequenz Problem (Low Side LO)
2·fZF
Remember Mixing mit cos !
ejt
e-jt
S
RF RF
RF
ZF
RFBP
10
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
b
fQ 0
hohe ZF
tiefe ZF
f0 Mittenfrequenzb Bandbreite
11
Double Superhet
Beispiel: Narrowband FM89-107 MHz Band20 kHz Channels1. IF: 10.7 MHz2. IF: 465 kHz
b
fQ 0 Spiegel
Spiegel
LO
LO
Bsp. Empfang 91.5 MHz
12
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
13
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
Verzerrung
14
I/Q Direct Conversion RX (Zero-IF)
tj ce
Komplexes Zeitsignal r(t):
))tsin(j)t(cos()t(r)t(qj)t(i cc
)t(qj)t(i)t(r
tj ce)t(s)t(r
s(t)
r(t)
Erinnerung Quadratursignale!
Spektrum: R() = I()+j·Q()
Direct Conversion mit LPF:
also:
R() ist nur S() verschoben nach rechts!
15
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
16
Direct Conversion RX (Zero-IF)
tj ce 1. Beispiel
SSB Signal Empfang, z.B. FSK (Frequency Shift Keying) mit Frequenz fo = fc+df bzw. fc-df
fc
Input: s(t)=cos(2fo t)
17
Direct Conversion RX (Zero-IF)
tj ce 2. Beispiel
DSB-Signal Empfang, z.B. AM eines Trägers bei fc mit +cos(2fo·t) bzw. -cos(2fo·t) Signal
fc
Input: s(t) =cos(2(fc+fo)t+)+cos(2(fc-fo)t+)
18
Direct Conversion RX (Zero-IF)
tj ce
3. BeispielEmpfang orthogonales digitales I/Q Signal, z.B. 16-QAM
I und Q Ausgabein XY-Darstellung
Input s(t) = i(t)·cos(2(fc+)t+) + q(t)·sin(2(fc+)t+)
• rotierend mit • verdreht mit infolge Oszillatorabweichung und Doppler
Input Modulator
19
Software Defined Radio (SDR)
RF/Analog FPGA, ASIC, DSP
Neueste, flexible Architektur und Implementations-Technologie
20
Mixed Superhet – Direct Conversion
Bei starken RF Signalen (Störer) nahe beim Nutzsignal:IF mit SAW Filter reduziert Dynamik für A/D Converter Stufen
21
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
22
Broadband Multichannel SDR
Full Band DownconversionActive RC Filter (LC)
Conversion for Channel Selection DSP Filter
tj ce tj ie
complex signal !
23
Broadband SDR: Channel Selection
tj ce
tj ie
1st I/Q Demod
2nd I/Q Demod
24
Single Chip SRD
1st Generation Short Range Devices (SRD) for Battery Operation (434/868 MHz)Low Power, Low Cost, ASK Modulation
25
Single Chip SRD
High Performance Short Range Single Chip Device (ZigBee) 2.45 GHzZigBee benutzt 4-QAM
26
Single Chip SRD II
Preis 2009: 50 Cent bei 100‘000 pcs.
Ultra Low cost
27
Single Chip WLAN Transceiver
WLAN Chipset: RF Chip plus Baseband/MAC Chip
28
GPS Receiver
GPS Chipset: USB Stick Receiver
29
DAB Receiver
30
RFID EPC Gen2 UHF
signal
processor
direct conversion
receiver
modulationswitch
TX antenna
RX antenna
I Q
RADIATING ANTENNA
synthesizer
D
A
power amp
Lesegerät (Reader)
Passive Etikette (Tag)
10 mm
120 mm
Design
Cas
e
31
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
32
SDR: UHF RFID Reader
RF Front End
Base Band Signal Processing
A/D
Embedded Controller(Linux / CE)
DSPRISCCPU
(XScale)
Op
tio
na
lW
iFi, F
ire
wir
e
RS
23
2
US
B
Eth
ern
et
LNA
VCO
Flash /RAM
0°90°
A/D
FPGACPLD
D/A
PLL
PA
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
33
Filtering UHF RFID Reader
Frequency
Interrogatorcommanding
Interrogatorlistening
Tag response
Filter
Interrogatorsignal
Tag response
1 2 3 4 115 6 7 8 9 10 1412 1513 Channels
865 MHz 868 MHz
up to 2W e.r.p.
up to 10 W e.r.p.
EPC Gen2/ Europe
-320 kHz DC 320 kHz
34
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 μW)backscatter signal
Ld)4(
GrGtPtPr
22
2
* 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
35
UHF Signal Propagation
• Test fixture with 73 Gen2 tags, equally spaced in air medium
• Target read time: < 1 second
Material
Orientation
36
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
37
d
hh2sin
d)4(
GGP4P rt2
22
2rtt
r
Fading - Problem in Passive RFID
Simple 2-Ray Model
RFID: Carrier only Slow Flat Fading Channel
Top Related