Εισαγωγή στη Σχεδίαση RF Κυκλωμάτων

Transcript

1 Εισαγωγή στη Σχεδίαση RF Κυκλωμάτων Αρχιτεκτονικές Πομποδεκτών 1/20

2 Βασικά κριτήρια επιλογής πομποδεκτών Σήμα εκπομπής (κανάλι εκπομπής) PA BPF Γειτονικά κανάλια Πολυπλοκότητα, κόστος, κατανάλωση, αριθμός πρόσθετων εξωτερικών εξαρτημάτων 2/20

3 Βασικά κριτήρια επιλογής πομποδεκτών (2) Περιορισμός στις επιλογές της σχεδίασης: Το εύρος ζώνης που διατίθεται για κάθε συνδρομητή είναι πολύ μικρό, πχ 30ΚΗz (IS-54) ή 200KHz (GSM). Σήμα εκπομπής (κανάλι εκπομπής) Το παραπάνω γεγονός σε συνδυασμό με την ύπαρξη πολλών γειτονικών καναλιών, επιβάλουν περιορισμούς στη σχεδίαση: στο τμήμα βασικής ζώνης : τεχνικές συμπίεσης, κωδικοποίησης και αποδοτικής διαμόρφωσης Γειτονικά κανάλια στο τμήμα RF, στον πομπό: διαμόρφωση στενού εύρους ζώνης, ενίσχυση και φιλτράρισμα PA BPF 3/20

4 Βασικά κριτήρια επιλογής πομποδεκτών Η διάθεση περιορισμένου φάσματος στον χρήστη (συνδρομητή) επιβάλει στη σχεδίαση του δέκτη: Γειτονικά κανάλια BPF LNA Σήμα εκπομπής (επιθυμητό κανάλι) λήψη του επιθυμητού καναλιού και απόρριψη ισχυρών παρεμβολέων 4/20

5 Βασικά κριτήρια επιλογής πομποδεκτών Παράδειγμα: δέκτης στα 900MHz ο οποίος χρησιμοποιεί φίλτρο διέλευσης ζώνης για να επιλέγει ένα κανάλι εύρους 30kHz ενώ παράλληλα απορρίπτει γειτονικά κανάλια σε απόσταση 60kHz. BPF f 0 900MHz 3dB 4 Q 10 90KHz 30KHz 900MHz f 0 900MHz Q 45KHz f BW 900MHz 90KHz dB 90KHz 7 Q 10 5/20

6 Βασικά κριτήρια επιλογής πομποδεκτών Φίλτρο με μικρό εύρος ζώνης έχει μεγάλες απώλειες ( L ) Στα φίλτρα για την εικόνα θορύβου ισχύει: NF = L 6/20

7 Παράδειγμα Να βρεθεί η εικόνα θορύβου του συστήματος NF tot Αν NF 1 =2dB ή 10dB NF 1 BPF NF 2 = 2dB LNA NF tot 1 ( NF 1 1) NF2 A 1 P1 NF3 1 A A P1 P2 7/20

8 Band Channel ( Ζώνη Κανάλι) Η ζώνη GSM εκτείνεται από 935MHz έως 960MHz Κανάλι (Channel) 200KHz Στην πρώτη βαθμίδα γίνεται επιλογή ζώνης 935MHz Ζώνη Band 960MHz Επιλογή ζώνης BPF Τα φίλτρα εισόδου έχουν πεπερασμένο εύρος ζώνης LNA Επιλογή καναλιού Η εξασθένηση του σήματος μέσα στη ζώνη διέλευσης του φίλτρου πρέπει να είναι μικρή 8/20

9 Μη γραμμικός LNA Γειτονικοί παρεμβολείς interferers σήμα LNA ω 1 ω 2 f BPF 2ω 1 -ω 2 ω 1 ω 2 2ω 2 -ω 1 f Οι πρώτες βαθμίδες (LΝΑ, mixer) πρέπει να έχουν υψηλό ΙΡ3 λόγω των ενδοζωνικών παρεμβολέων, Προκαλούν παραμόρφωση πλάτους αλλά επηρεάζουν και την FM και την PM αποδαμόρφωση. 9/20

10 Μη γραμμικός LNA Παρεμβολές 30mV BPF LNA -26dB DUPLEXER PA 20V Χαρακτηριστική τυπικού Duplexer Μεγάλη ευαισθησία είναι επικίνδυνη για διαφωνία (crosstalk) Μεγάλου πλάτους σήματα απαιτούν AGC Θόρυβος από περιοδική διακοπή του ΡΑ Μεγάλη δυναμική περιοχή σημάτων (> 100dB) 10/20

11 ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΕΣ ΔΕΚΤΩΝ 11/20

12 Ετερόδυνος Δέκτης Μίξη (downconversion mixing),με τον ετερόδυνο δέκτη μεταφέρεται το κανάλι από υψηλή σε χαμηλότερη συχνότητα. Για αποδοτικότερο φιλτράρισμα υποβιβάζεται η συχνότητα του φέροντος. Συχνότητα εισόδου ω 1 = ω RF Ενδιάμεση συχνότητα ω 2 = ω IF Συχνότητα τοπικού ταλαντωτή ω 0 = ω LO = ω 1 ω 2 Η επεξεργασία με τα φίλτρα είναι ευκολότερη στις χαμηλές συχνότητες Τα φίλτρα έχουν μεγαλύτερο Q στις χαμηλές συχνότητες IF ω 1 f LNA LPF ω 2 =ω IF f Αν ω 0 =ω 1 ω 2 στην έξοδο έχουμε ένα σήμα γύρω από το ω 2 και ένα σήμα γύρω από το 2ω 1 ω 2. Το φίλτρο (LPF) που ακολουθεί εξαλείφει το τελευταίο. ω 0 ω 0 =ω LO Acos t 0 f ω 0 =ω 1 ω 2 ω IF =ω 1 ω LO 12/20

13 Το πρόβλημα της συχνότητας ειδώλου Ο μίκτης θα δώσει στην έξοδό του το σήμα, αρχικής συχνότητας ω 1, σε δύο περιοχές: ω 1 -ω LO και ω 1 +ω LO (πριν το φίλτρο διέλευσης χαμηλών συχνοτήτων) Για ένα σήμα συχνότητας ω 1, υπάρχουν δύο συχνότητες του τοπικού ταλαντωτή ω LO, που δίνουν την ίδια ακριβώς ω IF Παράδειγμα ω 1 = 10ΜΗz ω LO = 9ΜΗz ω IF = ω 1 ω LO = 1ΜΗz ω 1 = 10ΜΗz ω LO = 11ΜΗz ω IF = ω LO ω 1 = 1ΜΗz 13/20

14 Το πρόβλημα της συχνότητας ειδώλου ω 1 = ω IF + ω LO ω IF = ω 1 ω LO Το σήμα ω 1 έχει είδωλο το (2ω LO ω 1 ) = 2ω LO (ω IF + ω LO ) = ω LO ω IF Παράδειγμα το σήμα: ω 1 = 100ΜΗz ω LO = 95ΜΗz ω IF = ω 1 ω LO = 5ΜΗz Έχει είδωλο: ω 1,im = (2ω LO ω 1 ) =190ΜΗz 100ΜΗz = 90ΜΗz και θα δώσει την ίδια IF 14/20

15 Παράδειγμα συχνότητας ειδώλου Παράδειγμα Σήμα ειδώλου Σήμα ω 1 = 100ΜΗz ω 1,im = 90ΜΗz ω LO + ω IF ω IF = ω 1 ω LO = 5ΜΗz ω LO ω IF ω IF = ω LO ω 1 = 5ΜΗz ω LO = 95ΜΗz ω LO = 95ΜΗz Σήμα Είδωλο f ω 1 ω LO ω im ω IF ω IF 15/20

16 Συχνότητα ειδώλου Ετερόδυνος Δέκτης Το πρόβλημα του ειδώλου στον ετερόδυνο δέκτη Σήμα Είδωλο ω 1 ω im Acos t LO LPF ω IF ω LO ω IF ω IF 16/20

17 Image Reject Filter Φίλτρο Απόρριψης Ειδώλου Για την απόρριψη του ειδώλου χρησιμοποιείται φίλτρο πριν τον mixer Φίλτρο απόρριψης ειδώλου Image Reject Filter LNA IRF Εύκολο να κατασκευαστεί αν το 2ω IF είναι μεγάλο Acos t LO Για μικρές απώλειες στην επιθυμητή ζώνη και ταυτόχρονα μεγάλη εξασθένηση στη ζώνη του ειδώλου, πρέπει το 2ω IF να είναι αρκετά μεγάλο. IRF ω 1 ω im 2ω IF 17/20

18 Image Reject Filter απόρριψη ειδώλου και φίλτρο επιλογής καναλιού Εύκολο να κατασκευαστεί αν το 2ω IF είναι μεγάλο Φίλτρο επιλογής καναλιού Channel Select Filter LNA IRF LPF IF ω IF ω LO Acos t LO IRF ω 1 ω im 2ω IF 18/20

19 Επιλογή συχνότητας IF Υψηλή και χαμηλή συχνότητα IF (2ω IF ) interferer IRF Επιθυμητό κανάλι ω 1 2ω 2ω IF IF ω im 0 ω IF 19/20

20 interferer Επιλογή συχνότητας IF Υψηλή συχνότητα IF (2ω IF ) Επιθυμητό κανάλι Μικρή παρεμβολή από ω im IRF CSF1 ω 1 2ω IF ω im 0 ω IF Αλλά δύσκολη η κατασκευή ενός καλού φίλτρου επιλογής καναλιού (CSF) Μικρό σήμα ειδώλου αλλά ισχυρό interferer Χαμηλή συχνότητα IF (2ω IF ) CSF2 ω 1 ω im 0 ω IF 2ω IF Μεγάλο σήμα ειδώλου αλλά ισχυρή εξασθένηση στο σήμα του interferer Μεγάλο πλάτος στο σήμα ειδώλου μειώνει την ευαισθησία 20/20