VAIHELUKKOTEKNIIKKA JA TAKAISINKYTKETYT DEMODULAATTORIT KULMAMODULAATION ILMAISUSSA Vaihtoehtoinen ilmaisumenetelmä kulmamodulaatioille? A Tietoliikennetekniikka I Osa 19 Kari KärkkäinenKevät 2015

VAIHELUKKO (PLL) FM & PM -ILMAISINPIIRINÄ Edellä on tarkasteltu diskriminaattoria kulmamodulaation ilmaisimena: FM  AM-konversio derivaattorilla ja VKI:llä. Parempi SNR-suorituskyky kuitenkin saavuteaan vaihelukitulla silmukalla (PLL, phase-locked loop). Diskriminaattori esiteltiin edellä lähinnä pedagogisen merkityksensä vuoksi, koska sen toiminnan perusidea ─ FM  AM-konversio ─ oli helposti pääteltävissä peruskaavoista. PLL on kuitenkin käytetyin FM & PM-ilmaisumenetelmä. Kevät A Tietoliikennetekniikka I Osa 19 Kari Kärkkäinen 2

VAIHELUKKO (PLL) FM & PM -ILMAISINPIIRINÄ Tilastollisen tietollikenneteorian perusteoriat: Ilmaisuteoria Estimointiteoria Informaatioteoria Koodausteoria Nyt kyse on parametrin estimoinnista, eli vaiheen ja taajuuden estimoinnista. Vaihelukolla voidaan myös toteuttaa koherentin ilmaisukantoaallon generointi sitä vaativissa ilmaisinrakenteissa (DSB, SSB, VSB) sekä erilaiset taajuuskertojat ja -jakajat, joita tarvitaan tietoliikenteessä. PLL:n estimointiteoria nojaa erityisesti yleiseen takaisinkytkettyjen säätöjärjestelmien teoriaan (esim. takaisinkytketyt vahvistimet, prosessiteollisuuden säätöongelmat, säätö- ja systeemitekniikka) PLL-tekniikkaa: Kevät A Tietoliikennetekniikka I Osa 19 Kari Kärkkäinen 3

VAIHELUKON RAKENNE & TOIMINTA Osat: vaiheilmaisin, silmukkasuodatin, silmukkavahvistin ja jänniteohjattu oskillaattori (VCO). Generoidaan signaali, jolla approksimoidaan vastaaotettua signaalia. Erosignaalilla e d (t) ohjataan silmukkaa pakottamaan seurantavirhe mahdollisimman pieneksi, eli silmukka lukkiintuu tulosignaalin vaiheeseen ja taajuuteen. FM:llä taajuus muuttuu koko ajan, jolloin e d (t) ohjaa VCO:n taajuutta dynaamisesti seuraamaan tulotaajuuden ja vaiheen muutosta. Vastaavia takaisinkytkentöjä esiintyy mm. symbolisynkronoinnissa, hajotuskoodien koodiseurannassa, jne.. Kevät A Tietoliikennetekniikka I Osa 19 Kari Kärkkäinen 4

VAIHELUKON ANALYYSI Vaiheilmaisimen oletamme koostuvan kertolaskupiiristä ja alipäästösuodattimesta (poistamaan toisen harmoonisen), sekä invertteristä kulma-arvon merkin kääntämiseksi. K v = VCO-vakio, K t = silmukkavahvistus. K d tulee vaiheilmisimen kertojasta (ei ole diskr. K D !). VCO on käytännössä taajuusmodulaattori, jonka lähdön taajuusdeviaatio d  (t)/dt on verrannollinen ohjaussignaaliin e v (t). Kevät A Tietoliikennetekniikka I Osa 19 Kari Kärkkäinen 5

VAIHELUKON ANALYYSI Koska vaiheilmisimen lähtö määräytyy PLL:n tulon ja VCO:n lähdön vaihedeviaatioiden perusteella, voidaan toimintaa tarkastella ilman kantotaajuutta  c. Mallia kutsutaan epälineaariseksi malliksi vaiheilmaisimen epälineaarisesta sini-funktiosta johtuen. Lukossa  (t) on hyvä estimaatti tulon deviaatiosta  (t). Eron ollessa pieni approksimoidaan sin[  (t) –  (t)]   (t) –  (t) =  (t), jolloin mallista tulee lineaarinen. Kevät A Tietoliikennetekniikka I Osa 19 Kari Kärkkäinen 6

VAIHELUKON ANALYYSI x r (t) ja e o (t) korvautuvat suureilla  (t) ja  (t) ja kantoaaltotaajuus häviää dynamiikkayhtälöistä. Silmukan tulossa FM-signaalin taajuusdeviaatio on verrannollinen m(t)-signaaliin, ja koska PLL seuraa tulotaajuuden/vaiheen muutosta, VCO:n ohjaussignaali e v (t) on siten demoduloitu sanomasignaali m(t). PM-modulaation tapauksessa VCO:n ohjaussignaali e v (t) on vielä integroitava sanoman m(t) palauttamiseksi. Kevät A Tietoliikennetekniikka I Osa 19 Kari Kärkkäinen 7

TAAJUUSKERTOJA (S) Vaihelukolla voidaan toteuttaa taajuuskertojia ja -jakajia, joita tarvitaan tietoliikennetekniikassa. Rajoittimella generoidaan sakara- aallon parittomia harmonisia, joista johonkin VCO lukitaan (kuvassa 5. harm.)  tapahtuu vaihekoherentti taajuuden kertominen. Kevät A Tietoliikennetekniikka I Osa 19 Kari Kärkkäinen 8

TAAJUUSKOMPRESSIIVINEN TAKAISINKYTKENTÄ (S) Muita FM & PM –ilmaisinperiaatteita? A Tietoliikennetekniikka I Osa 19 Kari KärkkäinenKevät 2015

TAAJUUSKOMPRESSIIVINEN TAKAISINKYTKENTÄ (S) Rakenne muistuttaa PLL, mutta eroaa BPF:n, diskriminaattorin ja VCO:n offsetkeskitaajuuden (  c  0 ) osalta (silmukan tulotaajuus  c ). Viimeinen kaava kuvaa vaihedeviaatiota diskriminaattorin tulossa. Kevät A Tietoliikennetekniikka I Osa 19 Kari Kärkkäinen 10

TAAJUUSKOMPRESSIIVINEN TAKAISINKYTKENTÄ (S) e v (t):n perusteella selvästi FM-ilmaisin. Etu on selvimmin nähtävissä kirjoittamalla näkyviin diskriminaattorin tulosignaali x(t). Taajuus  0 on VCO:n offset-taajuus ja diskriminaattorin keskitaajuus. Tekemällä tulo K D K v suureksi, saadaan vaihedeviaatio pieneksi, mikä siten pienentää diskriminaattorin tulossa ilmenevää kaistanleveyttä. Leveäkaistainen FM voidaan kompressoida kapeakaistaiseksi FM:ksi. Rakenteen etuna on hyvä kohinansieto (sisään vähemmän kohinaa). Kevät A Tietoliikennetekniikka I Osa 19 Kari Kärkkäinen 11

COSTASIN VAIHELUKITTU SILMUKKA A Tietoliikennetekniikka I Osa 19 Kari KärkkäinenKevät 2015

COSTASIN VAIHELUKITTU SILMUKKA PLL-piirillä voidaan kulmademodulaatioiden lisäksi tuottaa vaihekoherentti ilmaisukantoaalto DSB & SSB & VSB -ilmaisuun. Costas-silmukka on kuitenkin vielä parempi rakenne tuottaa koherentti ilmaisukantoaalto ilmaisimeen kuin pelkkä PLL:n käyttö. I & Q-kanavien LPF:t poistaa toisen harmoonisen 2  c. Kun silmukka on lukossa, VCO:n ohjausjännite K  sin(2θ) = 0. Kevät A Tietoliikennetekniikka I Osa 19 Kari Kärkkäinen 13 DSB-ilmaisu