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1 Sender- / Empfänger Architekturen © Roland Küng, 2012.

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Präsentation zum Thema: "1 Sender- / Empfänger Architekturen © Roland Küng, 2012."—  Präsentation transkript:

1 1 Sender- / Empfänger Architekturen © Roland Küng, 2012

2 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 3 Einfachste Empfangsarchitektur einst… Geradeausempfänger Rosenmayer Wien Baujahr Kreise (=Anzahl LC-Filter): L1 L2 C2 Rö1 C7 L3 L5 Rö2

4 4 … einfachste Empfangsarchitektur heute 1000 MHz  Periodendauer T = 1 ns  Wellenlänge auf Substrat = 3…4  m  Baugrösse wie IC‘s  Durchbruch Mobilfunk

5 5 Einfachste Empfänger (SAW) UHF 434 MHz und 868 MHz Empfänger Source RF Monolithics SAW RF Filter RF Amplifiers

6 6 Surface Acoustic Wave (SAW) Q = 1000

7 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 Zwischenfrequenz RF: Radio Frequency Basisband

8 8 Design: Spiegelfrequenz Planung f S LO RF Spiegel Image IF Low Side LO f S LO RF Spiegel Image IF 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

9 9 Spiegelfrequenz Problem (Low Side LO) 2·f ZF Remember Mixing mit cos ! ejtejt e -j  t S  RF ZF RF BP

10 10 Superheterodyn Empfänger Wichtig beim Design: Spiegelfrequenz Planung Wahl ZF so, dass mit RF Filter Spiegelfrequenz genügend unterdrückt wird Wahl ZF so, dass genügend hohe Filterselektivität (~Güte) realisierbar wird z.T. widersprüchlich ! Güte Technik Q f(max) RC: MHz LC: MHz Keramik: einige MHz Quarz: einige MHz SAW: mehrere GHz hohe ZF tiefe ZF f 0 Mittenfrequenz b Bandbreite

11 11 Double Superhet Beispiel: Narrowband FM MHz Band 20 kHz Channels 1. IF: 10.7 MHz 2. IF: 465 kHz Spiegel LO Bsp. Empfang 91.5 MHz

12 12 Direct Conversion RX Spezialfall des Superheterodyn: f IF = 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 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)  Verzerrung

14 14 I/Q Direct Conversion RX (Zero-IF) Komplexes Zeitsignal r(t): s(t) r(t) Erinnerung Quadratursignale! Spektrum: R(  ) = I(  )+j·Q(  ) Direct Conversion mit LPF: also:  R(  ) ist nur S(  ) verschoben nach rechts!

15 15 Direct Conversion RX (Zero-IF) Fast perfekt! Nachteile ? ETSI Regulations: Erlaubt max. 4 nW Abstrahl-Leistung. RF Filter hilft nicht, da f LO = f RF ! DC-Error an I und Q verursacht durch geringe Mischer LO-Isolation

16 16 Direct Conversion RX (Zero-IF) 1.Beispiel SSB Signal Empfang, z.B. FSK (Frequency Shift Keying) mit Frequenz fo = fc+df bzw. fc-df fc Input: s(t)=cos(2  fo t)

17 17 Direct Conversion RX (Zero-IF) 2. Beispiel DSB-Signal Empfang, z.B. AM eines Trägers bei fc mit +cos(2  fo·t) bzw. -cos(2  fo·t) Signal fc Input: s(t) =cos(2  (fc+fo)t+  )+cos(2  (fc-fo)t+  )

18 18 Direct Conversion RX (Zero-IF) 3. Beispiel Empfang orthogonales digitales I/Q Signal, z.B. 16-QAM I und Q Ausgabe in 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 19 Software Defined Radio (SDR) RF/Analog FPGA, ASIC, DSP Neueste, flexible Architektur und Implementations-Technologie

20 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 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 Synthesis LO = PLL based Synthesizer

22 22 Broadband Multichannel SDR Full Band Downconversion Active RC Filter (LC) Conversion for Channel Selection DSP Filter complex signal !

23 23 Broadband SDR: Channel Selection 1 st I/Q Demod 2 nd I/Q Demod

24 24 Single Chip SRD 1st Generation Short Range Devices (SRD) for Battery Operation (434/868 MHz) Low Power, Low Cost, ASK Modulation

25 25 Single Chip SRD High Performance Short Range Single Chip Device (ZigBee) 2.45 GHz ZigBee benutzt 4-QAM

26 26 Single Chip SRD II Preis 2009: 50 Cent bei 100‘000 pcs. Ultra Low cost

27 27 Single Chip WLAN Transceiver WLAN Chipset: RF Chip plus Baseband/MAC Chip

28 28 GPS Receiver GPS Chipset: USB Stick Receiver

29 29 DAB Receiver

30 30 RFID EPC Gen2 UHF signal processor direct conversion receiver modulation switch TX antenna RX antenna IQ RADIATING ANTENNA synthesizer D A power amp Lesegerät (Reader) Passive Etikette (Tag) 10 mm 120 mm Design Case

31 31 FPGA DSP Xscale Synthesizer Circulator TX Amp ADC DC-RX DAC Supply 4 Antenna Ports Ethernet USB RS232 RFID: 4 Watt EPC Gen2 Reader Software Defined Radio (SDR) Architektur

32 32 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

33 33 Filtering UHF RFID Reader EPC Gen2/ Europe -320 kHz DC 320 kHz

34 34 Gain = 7 dB Path Loss 49 8 m - 16 dBm received at tag * + 33 dBm (2 W) Path Loss 49 8 m - 71 dBm (0.1 nW) S/N = 35 dB -22 dBm (6 μW) backscatter signal * 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 35 UHF Signal Propagation Test fixture with 7 3 Gen2 tags, equally spaced in air medium Target read time: < 1 second Material Orientation

36 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 37 Fading - Problem in Passive RFID Simple 2-Ray Model RFID: Carrier only  Slow Flat Fading Channel


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