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1 Sender- / Empfängerarchitekturen © Roland Küng, 2010.

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Präsentation zum Thema: "1 Sender- / Empfängerarchitekturen © Roland Küng, 2010."—  Präsentation transkript:

1 1 Sender- / Empfängerarchitekturen © Roland Küng, 2010

2 2 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 Power Amplifier LowNoise Amplifier TX FrontEnd Filter RX FrontEnd Filter RX / TX Duplexer Base Band IF Band RF Band d‘[n] Kanal Betrachtung am Beispiel Funktechnik: grösste Komplexität DA-Converter AD-Converter

3 3 Modulation  Kanal ist nur in bestimmten Frequenzbereich nutzbar  Signal muss einem Träger eingeprägt werden  Folgende Möglichkeiten bieten sich an: amplitude modulation frequency modulationphase modulation angle modulation Wozu ?

4 4 Modulation Amplitude Einfachste Sendearchitektur Minimale Komponenten: einen frequenzstabilen Oszillator (Quarzoszillator) einen Modulator (Schalter) einen Leistungsverstärker eine Antenne …oder Kabel oder Glasfaser On/Off Keying: OOK On/Off Key

5 5 AM-Sender für allg. Modulationssignale Lineare Signale steuern Arbeitspunkt des HF-Verstärkers und damit die Verstärkung:  Amplitudenmodulation AM Beispiele: - Mittelwellen Radio - Kurzwellenfunk - Flugfunk

6 6 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)

7 7 Modulation Phase / Frequenz  Alternative FM- bzw. PM- Erzeugung mit Hilfe von Vorverarbeitung Integrator Differentiator s(t) Phasen modulator FM Frequenz modulator PMs(t)

8 8 Einfacher Phasen-Modulator Verstimmen des Schwingkreises C 1 L führt zu Phasenverschiebung bei der Sendefrequenz Variables C mit Kapazitätsdiode (Varactor, Varicap) Schwingkreis mit Auskopplung f 0 konstant

9 9 Einfacher Frequenz-Modulator Verstimmen des Schwingkreises C 7, C 8, L, V 1 führt zu Änderung der Sendefrequenz (Colpitts-Oszillator in Kollektorbeschaltung um Q 1 ) V 1 : Variables C mit Kapazitätsdiode V1 (Varactor, Varicap) DC AC

10 10 PM / FM - Sender PM: Schwingkreis verstimmen mit Varicap / Direct Digital Synthesis FM: Oszillator verstimmen mit Varicap / Direct Digital Synthesis Vorteil von PM/FM im Sender: Endstufe muss nicht linear sein (Klasse C)  bessere Effizienz als AM Analog oder DSP RF FM Modulator Analog / DSP Phase Modulator

11 11 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.

12 12 Mischen: Multiplikation mit Trägerschwingung Ausgangssignal: y(t) = s(t)∙cos(2  f 0 t) Spektrum: Y(f) = (1/2)∙S(f+f 0 ) +(1/2)∙S(f-f 0 )  Double Sideband (DSB) Note: Enthält A DC-Anteil entsteht AM (DSB plus Träger)

13 13 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 Baseband Notes: - ohne Seitenbandfilter erhält man DSB - mit Unbalanced Modulator (Mischer mit DC-Offset) entsteht AM USB

14 14 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 IF RF

15 15 IF to RF Conversion Bsp. FM Radio: ZF = 10.7 MHz, LO = 87.3 MHz  RF = 98 MHz, B = 100 kHz, 90 0 Phasenschieber bei 10.7 MHz machbar, muss nur 1% Bandbreite abdecken Ansatz 2:  90 0 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) IF RF

16 16 Die moderne SSB-Erzeugung 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 H H Hilbert Transformation siehe Wikipedia

17 17 Die moderne Senderlösung heisst I/Q-Modulation Anwendungen: Für SSB, ISB sofern I und Q ein Hilbert-Paar sind (90 0 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.

18 18 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 Man kann 2 beliebige Signale im selben Band übertragen und im Empfänger wieder zerlegen ! s(t) Basisband RF

19 19 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 ±3 Q-Signal: Q(t) mit 4 möglichen DC-Werten: ±1 und ±3 Ausgangsignal t

20 20 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 90 0 /  Multiplikation mit e j2  f·t / e -j2  f·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(2  f·t) = e j2  f·t + e -j2  f·t 2 sin(2  f·t) = -j·e j2  f·t + j·e -j2  f·t F(  )

21 21 Die komplexe Modulation 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)

22 22 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 f 0  0: e j2  f o t

23 23 Zusammenhang Projektionen I,Q und Spektren

24 24 Quadratursignale unkompliziert Drehung im SpektrumVerschiebung im Spektrum cos(2  f·t) + j·sin(2  f·t) = e j2  f·t cos(2  f·t) - j·sin(2  f·t) = e -j2  f·t = Operation am Zeitsignal * = Multiplikation 2 cos(2  f·t) = e j2  f·t + e -j2  f·t 2 sin(2  f·t) = -j·e j2  f·t + j·e -j2  f·t Nützliche Äquivalenzen:

25 25 Spektren der 6 Grundsignale Note: Faktor 2 aus der Trigonometrie nicht gezeichnet. Nur relative Amplituden interessieren. 2 cos(2  f·t) = e j2  f·t + e -j2  f·t 2 sin(2  f·t) = -j·e j2  f·t + j·e -j2  f·t

26 26 Beispiel: Mischen mit Cosinus und Sinus Reelles gerades Signal Note: Faktor 2 aus der Trigonometrie nicht gezeichnet. Nur relative Amplituden interessieren

27 27 Beispiel: IQ-Modulator für SSB  ergibt unteres Seitenband LSB  ergibt oberes Seitenband USB Hilbertsignal Nutzsignal Mischen mit cos(2  f·t) ~ e j2  f·t + e -j2  f·t Mischen mit sin(2  f·t) ~ -j·e j2  f·t + j·e -j2  f·t

28 28 Beispiel: IQ-Modulator für QAM Notes: 2 cos(2  f·t) = e j2  f·t + e -j2  f·t 2 sin(2  f·t) = -je j2  f·t + je -j2  f·t Orthogonalität bleibt für andere spektrale Lagen der reellen Signale erhalten i(t) und q(t)

29 29 Beispiel: IQ-Modulator für QAM Notes: 2 cos(2  f·t) = e j2  f·t + e -j2  f·t 2 sin(2  f·t) = -je j2  f·t + je -j2  f·t Orthogonalität bleibt auch für andere spektrale Lagen der reellen Signale erhalten i(t) und q(t)

30 30 Real Imag 2 dünne Karton als 3D-Kreuz anfertigen Je 2 Schlitze mit Cutter 1 cm von Kreuzachse einfügen PapierReiter Typ DSB PapierReiter Typ SSB beidseitig bedruckt © Roland Küng, 2009

31 31 Im f w 0 -w w 0 +w -w 0 -w Re -w 0 +w Im ejo·tejo·t f w -w Re Anwendung: Abwärtsmischer Im f summiert Re e -j  o·t Auslöschung! cos(  0 t) Filter eliminiert Summenfrequenz


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