Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Τμήμα Πληροφορικής & Επικοινωνιών Επικοινωνίες I Υπερετερόδυνοι Δέκτες

Transcript

1 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Τμήμα Πληροφορικής & Επικοινωνιών Επικοινωνίες I Υπερετερόδυνοι Δέκτες Δημήτρης Ευσταθίου, Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών

2 Υπερετερόδυνοι Δέκτες Τα προβλήματα επιλεκτικότητας με τους δέκτες συντονισμένης συχνότητας (tuned radio frequency receivers) TRF λύθηκαν με την εισαγωγή του υπερετερόδυνου δέκτη στις αρχές της δεκαετίας του Το πόσο αποτελεσματική ήταν η σχεδίαση του υπερετερόδυνου δέκτη αποδεικνύεται από το γεγονός ότι παραμένει μέχρι σήμερα η κυρίαρχη διάταξη υλοποίησης δεκτών ΑΜ και χρησιμοποιήθηκε στην σχεδίαση δεκτών σταθμών βάσης του συστήματος GSM. Δημήτρης Ευσταθίου, Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών

3 Υπερετερόδυνοι Δέκτες Η πρώτη βαθμίδα είναι ένας τυποποιημένος RF ενισχυτής που εκτός από την προφανή χρήση του, δηλαδή να ενισχύει το κατά κανόνα ασθενές σήμα εισόδου, αποσκοπεί στην βελτίωση μιας σειράς χαρακτηριστικών του δέκτη, αναφορικά στο θόρυβο, την ευαισθησία και την απόρριψη ανεπιθύμητων συχνοτικών ειδώλων. Δημήτρης Ευσταθίου, Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών

4 Υπερετερόδυνοι Δέκτες Η επόμενη βαθμίδα είναι ο μείκτης, ο οποίος δέχεται ως εισόδους την έξοδο του RF ενισχυτή (ή την έξοδο της κεραίας όταν δεν υφίσταται RF ενισχυτής) και ένα σταθερό ημιτονικό σήμα που προέρχεται από ένα κύκλωμα τοπικού ταλαντωτή (local oscillator LO). Ο μείκτης είναι μια μη γραμμική διάταξη που χρησιμοποιείται ευρέως σε δέκτες όλων των τύπων, συμπεριλαμβανομένων και δεκτών ΑΜ. Δημήτρης Ευσταθίου, Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών

5 Υπερετερόδυνοι Δέκτες Η λειτουργία του μείκτη αποσκοπεί στη μίξη του RF σήματος με το ημιτονικό σήμα του τοπικού ταλαντωτή για την παραγωγή συχνοτήτων ίσων με το άθροισμα και τη διαφορά των συχνοτήτων εισόδου. Από την έξοδο του μείκτη προκύπτει πάντα μια σταθερή ενδιάμεση συχνότητα (intermediate frequency IF), η οποία περιέχει την πληροφορία. Δημήτρης Ευσταθίου, Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών

6 Υπερετερόδυνοι Δέκτες Στην επόμενη βαθμίδα βρίσκεται ο IF ενισχυτής, ο οποίος παρέχει και την κύρια ενίσχυση του σήματος σε συγκεκριμένο IF εύρος ζώνης. Ανεξάρτητα από την συχνότητα του φορέα το εύρος ζώνης του υπερετερόδυνου δέκτη παραμένει σταθερό και αυτός είναι ο λόγος που εμφανίζει εξαιρετικά καλή επιλεκτικότητα. Λόγω του ότι η IF συχνότητα είναι συνήθως χαμηλότερη από την RF συχνότητα, η ενίσχυση και η επεξεργασία του σήματος επιτυγχάνεται πιο εύκολα στην IF συχνότητα. Δημήτρης Ευσταθίου, Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών

7 Υπερετερόδυνοι Δέκτες Την επόμενη βαθμίδα αποτελεί η διάταξη του ανιχνευτή (αποδιαμορφωτή), του οποίου στόχος είναι η εξαγωγή της πληροφορίας από την IF κυματομορφή. Στην τελευταία βαθμίδα η πληροφορία ενισχύεται από τον ενισχυτή ακουστικών συχνοτήτων και οδηγείται στην είσοδο του μετατροπέα εξόδου (ηχείο στην περίπτωσή μας). Δημήτρης Ευσταθίου, Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών

8 Υπερετερόδυνοι Δέκτες Στη βαθμίδα του ανιχνευτή παράγεται μια στάθμη dc η οποία είναι ανάλογη της ισχύος του λαμβανομένου σήματος και συνδέεται μέσω βρόχου ανάδρασης με τον IF ενισχυτή ή σε ορισμένες (σπανιότερα) περιπτώσεις με τον μείκτη ή/και τον RF ενισχυτή. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται αυτόματος έλεγχος κέρδους ενίσχυσης (automatic gain control AGC), ο οποίος επιτρέπει στο δέκτη να διατηρεί μια σταθερή στάθμη σήματος εξόδου για μεγάλες διακυμάνσεις των σημάτων εισόδου. Δημήτρης Ευσταθίου, Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών

9 Πιο λεπτομερής ανάλυση της μετατροπής συχνότητας στον μείκτη Δημήτρης Ευσταθίου, Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών

10 Μετατροπή Συχνότητας Η λειτουργία ενός μείκτη είναι η μίξη (πολλαπλασιασμός) του σήματος RF (f c - f i, f c, f c + f i ) με το σήμα του τοπικού ταλαντωτή (f LO ). Καθότι ο μείκτης είναι ένα μη γραμμικό κύκλωμα, στην έξοδό του παράγονται οι ακόλουθες συνιστώσες: Όλες οι συχνότητες εισόδου, δηλαδή (f c - f i ) f c, (f c +f i ) και f LO. Το άθροισμα και η διαφορά όλων των συχνοτήτων εισόδου, δηλαδή f LO ± (f c - f i, f c, f c + f i ). Αρμονικές όλων των παραπάνω συχνοτήτων και μια συνιστώσα dc. Δημήτρης Ευσταθίου, Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών

11 Μετατροπή Συχνότητας Καθώς οι παραπάνω έξοδοι οδηγούνται στην επόμενη βαθμίδα, δηλαδή τον ενισχυτή ενδιάμεσης συχνότητας, μόνο οι συχνότητες αυτές που εμπίπτουν εντός του εύρους ζώνης του IF ενισχυτή διαδίδονται στις υπόλοιπες βαθμίδες. Η κεντρική συχνότητα του IF ενισχυτή είναι συνήθως f LO - f c, ενώ το εύρος ζώνης του είναι τουλάχιστον ίσο με το εύρος των πλευρικών ζωνών του σήματος εισόδου. Έτσι, στην έξοδο του μείκτη προκύπτουν ουσιαστικά οι ακόλουθες συχνότητες f IF = f LO - (f c - f i, f c, f c + f i ). Η παραπάνω διαδικασία μετατροπής συχνότητας για ένα τυπικό δέκτη ΑΜ απεικονίζεται στο παρακάτω σχήμα. Δημήτρης Ευσταθίου, Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών

12 Μετατροπή Συχνότητας Στο προηγούμενο σχήμα διακρίνεται και ένα κύκλωμα συντονισμού στην είσοδο του μείκτη που καθορίζει και την συχνότητα του τοπικού ταλαντωτή. Ο σκοπός του κυκλώματος αυτού είναι η διατήρηση συχνοτικών συνιστωσών στην έξοδο του μείκτη περί τη σταθερή συχνότητα IF. Αν υποθέσουμε ότι θέλουμε να συντονιστούμε σε ένα διαφορετικό σταθμό του οποίου η συχνότητα είναι 1600kHz, όπως δείχνει το παρακάτω σχήμα. Το κύκλωμα συντονισμού στην είσοδο του μείκτη συντονίζεται στη συχνότητα των 1600kHz ενώ ταυτόχρονα η συχνότητα του τοπικού ταλαντωτή αυξάνεται στα 2055kHz. Δημήτρης Ευσταθίου, Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών

13 Διπλοπλευρικές Επικοινωνίες Μονοπλευρικές Επικοινωνίες Δημήτρης Ευσταθίου, Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών

14 ΔΙΠΛΟΠΛΕΥΡΙΚΕΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ 0 f 0 f ΦΟΡΕΑΣ LSB USB Η διαμόρφωση ενός φορέα κατά πλάτος από ένα απλό ημιτονικό σήμα δημιουργεί τρεις διαφορετικές συχνοτικές συνιστώσες: τον φορέα του οποίου το πλάτος παραμένει σταθερό μια συχνότητα ίση με τη διαφορά της συχνότητας του φορέα και της συχνότητας διαμόρφωσης με πλάτος που μπορεί να φθάσει μέχρι το μισό του διαμορφώνοντος σήματος μια συχνότητα ίση με το άθροισμα της συχνότητας του φορέα και της συχνότητας διαμόρφωσης με πλάτος που μπορεί να φθάσει επίσης μέχρι το μισό του διαμορφώνοντος σήματος.

15 ΔΙΠΛΟΠΛΕΥΡΙΚΕΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ 0 f 0 f ΦΟΡΕΑΣ LSB USB Επίσης, παρατηρήσαμε ότι ο φορέας δεν μεταφέρει πληροφορία εφόσον ούτε η συχνότητα ούτε το πλάτος του αλλάζουν. Εν τούτοις, στην καθιερωμένη διαμόρφωση ΑΜ ένα μεγάλο ποσοστό της ισχύος καταναλίσκεται στο φορέα.

16 ΔΙΠΛΟΠΛΕΥΡΙΚΕΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ 0 f 0 f LSB USB Συμπιέζοντας το φορέα προκύπτει ένα σήμα το οποίο αποτελείται από την άνω και κάτω πλευρική ζώνη, το οποίο ονομάζεται διπλοπλευρικό (double side band DSB). Το διπλοπλευρικό σήμα είναι απλώς το αλγεβρικό άθροισμα των δύο πλευρικών ζωνών. Στο πεδίο της συχνότητας το εύρος ζώνης που καταλαμβάνει το DSB σήμα είναι το ίδιο με αυτό του κλασικού AM σήματος. Η κατάργηση του φορέα από την DSB ΑΜ διαμόρφωση συνεπάγεται σημαντική εξοικονόμηση ισχύος.

17 ΔΙΠΛΟΠΛΕΥΡΙΚΕΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ DOUBLE SIDEBAND DSB Αδιαμόρφωση: Η μετάδοση δύο πλευρικών αλλά όχι του φορέα. Ίδιο εύρος ζώνης με ΑΜ. ΣΧΗΜΑΤΙΚΑ ΟΦΕΛΟΣ ΙΣΧΥΟΣ 2 2 m m PAM = PC + PC + PC m m PDSB = PC + P C f LSB USB ΟΦΕΛΟΣ = PAM PDSB PC 1 2 = = = PAM m m 2 + m PC + PC για m = 100% ΟΦΕΛΟΣ = 66,6 % για m = 50% = % ΟΦΕΛΟΣ Το ποσοστό διαμόρφωσης ή δείκτης διαμόρφωσης (modulation index) ορίζεται ως: m = Ai A c όπου: Α i : μέγιστο πλάτος σήματος πληροφορίας A c : μέγιστο πλάτος φέροντος

18 ΜΟΝΟΠΛΕΥΡΙΚΕΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ (SSB) 0 f 0 f LSB USB Μια προσεκτική παρατήρηση του παραγομένου DSB σήματος αποκαλύπτει ότι η βασική πληροφορία εκπέμπεται διπλά και ταυτόχρονα τόσο στην κάτω όσο και στην άνω πλευρική ζώνη. Όπως εύκολα συνάγεται περαιτέρω συμπίεση μπορεί να εφαρμοστεί σε μία από τις δύο πλευρικές ζώνες με αποτέλεσμα την παραγωγή της λεγόμενης μονοπλευρικής διαμόρφωσης (single side band SSB). Η διαμόρφωση SSB προσφέρει μια σειρά σημαντικών πλεονεκτημάτων έναντι της DSB.

19 ΜΟΝΟΠΛΕΥΡΙΚΕΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ (SSB) Χ 0 f 0 f LSB USB Το πρώτο σημαντικό πλεονέκτημα είναι ότι το εύρος ζώνης που καταλαμβάνει το σήμα SSB σε σχέση με αυτό που καταλαμβάνουν τα AM ή DSB σήματα είναι ακριβώς το μισό. Η εξοικονόμηση του εύρους ζώνης αφενός επιτρέπει την εκπομπή περισσότερων σημάτων στην ίδια περιοχή συχνοτήτων, και αφετέρου μειώνει τις πιθανότητες παρεμβολής μεταξύ σημάτων. H μείωση του εύρους ζώνης εκπομπής συνεπάγεται και την μείωση της στάθμης του θερμικού θορύβου στον αντίστοιχο δέκτη.

20 ΜΟΝΟΠΛΕΥΡΙΚΕΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ (SSB) Χ 0 f 0 f LSB USB Το δεύτερο σημαντικό πλεονέκτημα είναι ότι όλη η ισχύς που προηγουμένως είχε ο φορέας και η άλλη πλευρική ζώνη μπορεί τώρα να διοχετευθεί στην εναπομείνασα πλευρική ζώνη, παράγοντας ένα πιο ισχυρό σήμα με μεγαλύτερη ακτίνα κάλυψης. Οι σημαντικά μικρότερες ενεργειακές απαιτήσεις της SSB ευνοούν εφαρμογές συστημάτων κινητών επικοινωνιών, διότι συνεπάγονται τη μείωση του μεγέθους των συσκευών και την αύξηση της ζωής της μπαταρίας.

21 ΜΟΝΟΠΛΕΥΡΙΚΕΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ (SSB) Χ 0 f 0 f LSB USB Το τρίτο σημαντικό πλεονέκτημα των SSB σημάτων είναι ότι η λήψη τους υποφέρει πολύ λιγότερες διακυμάνσεις απ ότι ένα ΑΜ ή DSB σήμα. Ο λόγος γι αυτό είναι ότι ο φορέας και οι πλευρικές συχνότητες μπορεί να φθάνουν στο δέκτη με χρονική και φασική διαφορά μεταξύ τους. Ο φορέας και οι πλευρικές συχνότητες επηρεάζονται διαφορετικά από την ιονόσφαιρα με αποτέλεσμα τα ανακλώμενα κύματα να επιστρέφουν στην επιφάνεια της γης με χρονική καθυστέρηση και διαφορετικές φάσεις. Μειονέκτημα: Χρειάζονται πολύπλοκα κυκλώματα εκπομπής και λήψης

22 ΑΣΚΗΣΗ 1η Υπολογίστε το ποσοστιαίο όφελος σε ισχύ με την μη μετάδοση του φορέα και της μιας πλευρικής. Λύση: ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΑΜ : ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ SSB : ΟΦΕΛΟΣ : για m = 100% ΟΦΕΛΟΣ = για m = 50% ΟΦΕΛΟΣ = 94,4 % 2 2 m m P = P + P + P = P + P + P 4 4 AM C LSB USB C C C 2 m PSSB = PLSB = PUSB = PC m m 2 P C C 1 AM P P + P + SSB 4 4 m + 4 = = = PAM m m 2m + 4 PC + PC = 83,3% 2+ 4 Το ποσοστό διαμόρφωσης ή δείκτης διαμόρφωσης (modulation index) ορίζεται ως: m A ΣΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ 0 f i = όπου: Α i : μέγιστο πλάτος σήματος πληροφορίας A c A c : μέγιστο πλάτος φέροντος

23 0 f ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΙΣΧΥΟΣ (SSB) 0 f LSB USB Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό του σήματος SSB είναι ότι όταν δεν υπάρχει πληροφορία, δηλαδή διαμορφώνον σήμα, δεν εκπέμπεται RF ισχύς. Για το λόγο αυτό στην SSB η έξοδος του πομπού εκφράζεται σε συνάρτηση με τη μέγιστη ισχύ περιβάλλουσας (peak envelope power PEP). Η ΡΕΡ είναι η μέγιστη ισχύς που αντιστοιχεί στα μέγιστα πλάτους του διαμορφώνοντος σήματος και υπολογίζεται από τη γνωστή έκφραση: Vp p V 2 2 V rms p p PEP = = = R R 8 R όπου V rms και V p-p η η ενεργός και η από κορυφή σε κορυφή τιμή του πλάτους της τάσης, αντίστοιχα και R η αντίσταση φορτίου (συνήθως η χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση της κεραίας). 2 Χ

24 0 f ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΙΣΧΥΟΣ (SSB) 0 f LSB USB Η ΡΕΡ ισχύς εισόδου είναι η dc ισχύς εισόδου της τελικής βαθμίδας ενίσχυσης του πομπού τη στιγμή του μεγίστου της περιβάλλουσας του διαμορφώνοντος σήματος. Τότε, η ΡΕΡ δίδεται από την ακόλουθη σχέση: όπου V S είναι η τάση τροφοδοσίας του ενισχυτή και I max η μέγιστη τιμή του ρεύματος. Η μέση τιμή της ισχύος ενός SSB πομπού είναι γενικά πολύ μικρότερη από την τιμή ΡΕΡ. Ειδικότερα, για την περίπτωση που το διαμορφώνον σήμα είναι ανθρώπινη ομιλία η μέση ισχύς P avg κυμαίνεται μεταξύ του 25% και 33% της ΡΕΡ, δηλαδή Χ PEP PEP Pavg 4 3 V PEP = S I max

25 ΔΙΠΛΟΠΛΕΥΡΙΚΕΣ - ΜΟΝΟΠΛΕΥΡΙΚΕΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΑΜ 0 f DSB 0 f SSB 0 f SINGLE SIDEBAND SSB Διαμόρφωση: Η μετάδοση μιας πλευρικής ζώνης συχνοτήτων DOUBLE SIDEBAND DSB Διαμόρφωση: Η μετάδοση δύο πλευρικών αλλά όχι του φορέα

26 ΣΥΜΠΙΕΣΗ ΠΛΕΥΡΙΚΗΣ ΜΕ ΦΙΛΤΡΟ AM BAND-PASS FILTER SSB VSB 0 f C f 0 f 1 f C f 2 -f c f 0 f C f MH IΔΑΝΙΚΟ ΖΩΝΟΠΕΡΑΤΟ ΦΙΛΤΡΟ ΜΕ ΖΩΝΗ ΔΙΕΛΕΥΣΗΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ [ f 1 f 2 ] Η ΑΝΩ ΠΛΕΥΡΙΚΗ (USB) ANΕΠΑΦΗ Ο ΦΟΡΕΑΣ ΣΧΕΔΟΝ ΑΝΕΠΑΦΟΣ Η ΚΑΤΩ ΠΛΕΥΡΙΚΗ (LSB) ΚΑΤΑΣΤΕΛΛΕΤΑΙ, ΑΛΛΑ ΟΧΙ ΠΛΗΡΩΣ Η ΠΛΗΡΗΣ ΑΠΟΥΣΙΑ ΦΟΡΕΑ ΟΔΗΓΕΙ ΣΕ ΠΟΛΥΠΛΟΚΟΥΣ ΔΕΚΤΕΣ ΜΕΙΩΜΕΝΟΣ ΦΟΡΕΑΣ

27 Τηλεφωνικά Συστήματα FULL DUPLEX Ραδιοεπικοινωνίες (Ναυτικό, Στρατός) Ραδιοερασιτέχνες CB Civilian Broadcasting Ραδιο-ταξί, κ.λπ. ΧΡΗΣΕΙΣ SSB ΤΕΧΝΙΚΩΝ Αεροπορία, Επικοινωνία με πύργο ελέγχου ραδιοβοηθήματα USB 0 f 5,5 MHz 1,25 MHz Ψηφιακή μετάδοση δεδομένων PSK phase shift keying Τηλεόραση ΕΙΚΟΝΑ 7 MHz ΗΧΟΣ (50 khz)