Kevät 2015 TAAJUUDEN SIIRTO JA SEKOITUS — VÄLITAAJUUSVASTAANOTIN eli SUPERHETERODYNEVASTAANOTTO Millaista analogista signaalinkäsittelyä suoritetaan radiosignaalin vastaanotossa? 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 13 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

Sekoitus uudelle keskitaajuudelle Kantataajuussignaali (baseband) = signaali ilman modulaatiota Kaistanpäästösignaali (bandbass) = sinikantoaaltoon moduloitu Vastaanottimessa on tarve siirtää sekoituksella kaistanpäästösignaali uudelle pienemmälle keskitaajuudelle (esim. GHz-alueelta  MHz-alueelle) ennen ilmaisua suodatusten ja vahvistusten suorittamiseksi laadukkaammin. f fC -fC Baseband spectrum Bandpass 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 13 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

Sekoitus uudelle keskitaajuudelle DSB-moduloitu signaali m(t)cos(1t) taajuudella 1, joka siirretään uudelle taajuudelle 2 kertomalla signaalilla 2cos(12)t. Trigonometrian vuoksi signaali siirtyy myös taajuksille, joita ei haluta päästää järjestelmään. Siksi ne komponentit KP-suodatetaan pois e(t)-signaalista. Suodattimen kaistanleveyden on lisäksi päästettävä moduloitu signaali esteettä läpi: DSB:n tapauksessa tarvitaan kaistanleveys 2W SSB: W VSB: W+ FM & PM: 2(D+1)W 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 13 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

Sekoitus uudelle keskitaajuudelle 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 13 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

Sekoitus uudelle keskitaajuudelle Haittana on, että taajuudella 122 esiintyvä muu radiokanava k(t) siirtyy myös taajuudelle 2. Sitä kutsutaan peilitaajuusongelmaksi (image freguency). 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 13 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

Sekoitus uudelle keskitaajuudelle Sekoitusperiaatetta käytetään superheterodynevastaan-ottimessa (keksittiin 1918). Se on tähän saakka ollut yleensä käytössä vastaanottimien RF-etupäässä. Uutta taajuutta 2 kutsutaan välitaajuudeksi IF ja tulotaajuutta 1 radiotaajuudeksi RF, koska se on moduloidun radiosignaalin kantoaaltotaajuus. Oskillaattorin mahdolliset viritystaajuudet LO: Yläpuolinen viritys c + IF Alapuolinen viritys c ̶ IF 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 13 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

Superheterodynevastaanotin Etuja: hyvä herkkyys (pystytään ilmaisemaan heikkoja signaaleja) hyvä selektiivisyys (pystytään ilmaisemaan lähellä toisiaan olevia signaaleja), koska kiinteätaajuinen KP-suodatin ja vahvistin Hyvälaatuinen välitaajuussuodatin on ns. esi-ilmaisusuodatin, joka rajaa kohinan signaalin kaistanleveydelle (tark. luku 7). 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 13 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

Superheterodynevastaanotin Analoginen vahvistus ja suodatus voidaan siis suorittaa viritettävän taajuuden sijasta kiinteällä keskitaajuudella, mikä parantaa suodatuksen laatua ja siten vastaanottimen suorituskykyä. Tyypillisiä välitaajuuksia: AM-IF = 455 kHZ ULA-FM-IF = 10,7 MHz GSM-IF = 71 MHz 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 13 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

Superheterodynevastaanotin Huomaa peilitaajuusuodatin peilitaajuussignaalin poistamiseksi. Esivalintasuodatin (pre-select/band-select filter) Kanavanvalintasuodatin Kantataajuus- osat (I/Q-DSP) LNA = low noise amplifier Valitsee taajuusalueen Valitsee kanavan "I" Band select filter Mirror frequency rejection filter Channel select filter LO LNA RF IF LO +900 "Q" LO Band select filter Channel select filter f fIF f 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 13 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

ULA-FM-vastaanotin IF-asteen jälkeen seuraa normaali analogisesti tai digitaalisesti moduloidun signaalin ilmaisu. Alla FM-ilmaisu diskriminaattoria käyttäen. 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 13 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

Sekoitustaajuuden valinta SH-oskillaattorin taajuus voi olla saapuvan radiotaajuuden joko ala- tai yläpuolella. Puhutaan ala- ja yläpuolisesta virityksestä/sekoituksesta. Kumpi valitaan, riippuu siitä, kummalla saavutetaan pienempi oskillaattorin suhteellinen viritysalue. Alla yläpuolinen viritys tuottaa suhteen 2.07:1 ja alapuolinen 13.46:1. Siksi tässä kannatta valita yläpuolinen viritysalue. 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 13 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

Peilitaajuusongelma Peilitaajuus on aina kahden välitaajuuden fIF päässä RF-tulotaajuudesta fC. 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 13 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

Peilitaajuusongelma Muu lähete siirtyy IF-kaistalle, jolloin signaaleja ei voi erottaa. Vieras lähete voi olla kaukanakin käytetystä RF-taajuudesta (riippuu perustaajuuksien valinnasta). 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 13 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

Useita välitaajuusasteita Välitaajuusasteita voi olla useita peräkkäin (2 tai 3), eli tulosignaali sekoitetaan välitaajuudelle pienemmissä erissä. LNA = low noise amplifier 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 13 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

GSM superheterodyne (S) Kahden välitaajuuden SH. Duplex-suodatin (kytkin) erottaa Rx/Tx-suunnat RF-etupäässä, jottei lähetin tuki vastaanottimen piensignaalivahvistimia. 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 13 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

Peilitaajuusongelma Peilitaajuusongelmalta pyritään välttymään sijoittamalla sopivia suodatinasteita RF-etupäähän. Radiotekniikkaan liittyvää materiaalia: http://www.ee.oulu.fi/~kk/atsp/tutoriaalit/Liimatainen.pdf http://www.ee.oulu.fi/~kk/atsp/tutoriaalit/Asikainen.pdf http://www.ee.oulu.fi/~kk/atsp/tutoriaalit/Mikkola.pdf http://en.wikipedia.org/wiki/Direct-conversion_receiver http://en.wikipedia.org/wiki/Cognitive_radio http://lib.tkk.fi/Dipl/2010/urn100271.pdf http://www.microwaves101.com/encyclopedia/index.cfm 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 13 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

Muita vastaanotinperiaatteita Uusia ja vanhoja ratkaisuja? 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 13 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

SUORAMUUNNOSVASTAANOTIN Jos RF-signaali sekoitetaan suoraan alas kantataajuudelle (nollavälitaajuudelle) sanotaan periaatetta homodyne-vastaanottimeksi tai suoramuunnosvastaanottimeksi (direct conversion receiver). Nykyiset kännykät käyttävät tätä periaatetta! Band select filter DC f LO LO +900 Low-pass Filter “I” “Q” LNA 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 13 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

Suoramuunnosvastaanotin Suoramuunnosvastaanotin on nykyään yksi yleisimmistä radio- arkkitehtuureista, koska esivalintasuodatinta lukuunottamatta kaikki sen osat voidaan integroida yhdelle piirille. Soveltuu hyvin kännyköiden monijärjestelmä (eri taajuusalueilla 800 MHz...2400 Mhz olevat GSM, EDGE, GPRS,UMTS, LTE-A,...) tai ohjelmistopohjaisiin radioihin sekä laajakaistaisten kognitiivisten radioiden (cognitive radio) spektrisensoriin. Hyvän integroitavuuden lisäksi pieni tehonkulutus, koska erillisiä tehoa kuluttavia puskureita ei tarvita ajamaan ulkoisia komponentteja. Lisäksi vältytään peilitaajuusongelmalta, koska RF-signaali sekoitetaan suoraan nollakeskitaajuudelle (kutsutaan zero-IF-vastaanottimeksi). 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 13 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

Suoramuunnosvastaanotin (S) Suurin haaste LO:n vuotaminen ja 2. kl epälineaarisuus. Vuotamisesta aiheutuva DC-virhe aiheuttaa sekoittimen jälkeisten piiriosien saturoitumisen ja saattaa estää vastaanottimen toiminnan. Herkkä 1/f-kohinalle, joka signaalin kanssa samalla kaistalla nollataajuden lähellä. Lisäksi tulon taajuuskaistan laajentaminen tiukentaa eri lohkojen suorituskykyvaatimuksia. Esimerkiksi RF-osan toteuttaminen haastavaa, koska sen tulee samanaikaisesti saavuttaa tarvittava lineaarisuus ja alhainen kohinaluku kohtuullisella tehonkulutuksella. 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 13 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

SH vs. Tuned radio frequency (S) Tuned radio frequency (TRF) on SH:ta vanhempi periaate. Siinä kukin taajuusalue valitaan RF-etupäässä erikseen, mistä seuraa moninkertaiset RF-osat. 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 13 Kari Kärkkäinen Kevät 2015