Sender- / Empfänger Architekturen. Roland Küng, 2012

Transkript

1 Sender- / Empfänger Architekturen Roland Küng,

2 Einfachste Empfangsarchitektur Der Empfänger hat folgende fünf Aufgaben zu erfüllen: Er enthält einen Wandler (z.b. die Antenne), welche die verfügbare Empfangsleistung optimal an den Eingang abgibt Er muss das Trägersignal auf der richtigen Frequenz in einem definierten Band im Spektrum empfangen können Er filtert und verstärkt das Empfangssignal so, dass ein genügendes Signal- zu Geräuschverhältnis S/N entsteht Er demoduliert die vom Sender dem Trägersignal zugefügte Information Er entscheidet über die am wahrscheinlichsten gesendete Information 2

3 Einfachste Empfangsarchitektur einst L1 L2 Rö1 L3 L5 Rö2 Geradeausempfänger Rosenmayer Wien Baujahr Kreise (=Anzahl LC-Filter): C2 C7 3

4 einfachste Empfangsarchitektur heute 1000 MHz Periodendauer T = 1 ns Wellenlänge auf Substrat λ = 3 4 µm Baugrösse wie IC s Durchbruch Mobilfunk 4

5 Einfachste Empfänger (SAW) SAW RF Filter RF Amplifiers UHF 434 MHz und 868 MHz Empfänger Source RF Monolithics 5

6 Surface Acoustic Wave (SAW) Q =

7 Superheterodyn Empfänger Wird eingesetzt wenn: Höhere Frequenzen verwendet Mehr Selektivität verlangt Einfache Kanalwahl ausreichend Super: Über(lagerung) Heterodyn: verschiedene Frequenz RF: Radio Frequency IF: Intermediate Frequency = ZF Zwischenfrequenz Basisband Aufgaben: RF Filter: IF (ZF) Filter: Synthesizer: filtert Frequenzband des Systems (SAW) selektiert Kanal (SAW oder Keramik) für die Kanalwahl (PLL + DDS) 7

8 Design: Spiegelfrequenz Planung Beide Bänder werden ins IF-Band gemischt! Spiegel (Image) muss vor dem Mischen durch Filter eliminiert werden S Spiegel Image LO RF Spiegel hat Abstand 2 IF IF IF f Low Side LO S Spiegel hat Abstand 2 IF RF LO Spiegel Image IF IF f High Side LO 8

9 Spiegelfrequenz Problem (Low Side LO) RF BP RF ZF S 2 f ZF RF RF Remember Mixing mit cos! e jωt e -jωt Σ 9

10 Superheterodyn Empfänger Wichtig beim Design: Spiegelfrequenz Planung hohe ZF Wahl ZF so, dass mit RF Filter Spiegelfrequenz genügend unterdrückt wird Wahl ZF so, dass genügend hohe Filterselektivität (~Güte) realisierbar wird z.t. widersprüchlich! Güte f Q = 0 b f 0 Mittenfrequenz b Bandbreite Technik Q f(max) RC: MHz LC: MHz Keramik: einige MHz Quarz: einige MHz SAW: mehrere GHz tiefe ZF 10

11 Double Superhet Beispiel: Narrowband FM MHz Band 20 khz Channels 1. IF: 10.7 MHz 2. IF: 465 khz f b Q 0 = Spiegel LO Spiegel LO Bsp. Empfang 91.5 MHz 11

12 Direct Conversion RX Empfang allg. Signale Spezialfall des Superheterodyn: f IF = 0 ZF Filter: einfacher RC Tiefpass Aber: Spiegelfrequenz ist das eigene Signal selber Interferenz, Auslöschung (AM) RF Filter hilft nicht Note: Dieses Problem existiert im Direct Conversion TX nicht 12

13 Direct Conversion RX Beweis: Einzelmischer Verzerrung aber so ginge es: j c e ω t I/Q- Demodulation mit sin- und cos- Trägersignal komplex-wertiges Zeitsignal am Ausgang (d.h. 2 Signale) 13

14 I/Q Direct Conversion RX (Zero-IF) s(t) r(t) Erinnerung Quadratursignale! j ct e ω Komplexes Zeitsignal r(t): r(t) = i(t) + j q(t) Spektrum: R(ω) = I(ω)+j Q(ω) Direct Conversion mit LPF: i(t) + j q(t) = r(t) (cos( ω c t) + j sin( ω c t)) also: r(t) = s(t) e jωc t R(ω) ist nur S(ω) verschoben nach rechts! 14

15 Direct Conversion RX (Zero-IF) Fast perfekt! Nachteile? DC-Error an I und Q verursacht durch geringe Mischer LO-Isolation ETSI Regulations: Erlaubt max. 4 nw Abstrahl-Leistung. RF Filter hilft nicht, da f LO = f RF! 15

16 Direct Conversion RX (Zero-IF) 1. Beispiel j c e ω t SSB Signal Empfang, z.b. FSK (Frequency Shift Keying) mit Frequenz fo = fc+df bzw. fc-df Input: s(t)=cos(2πfo t) fc 16

17 Direct Conversion RX (Zero-IF) 2. Beispiel j c e ω t DSB-Signal Empfang, z.b. AM eines Trägers bei fc mit +cos(2πfo t) bzw. -cos(2πfo t) Signal Input: s(t) =cos(2π(fc+fo)t+γ)+cos(2 π(fc-fo)t+γ) fc 17

18 Direct Conversion RX (Zero-IF) 3. Beispiel Empfang orthogonales digitales I/Q Signal, z.b. 16-QAM Input s(t) = i(t) cos(2π(fc+ ω)t+γ) + q(t) sin(2π(fc+ ω)t+γ) j ct e ω Input Modulator I und Q Ausgabe in XY-Darstellung rotierend mit ω verdreht mit γ infolge Oszillatorabweichung und Doppler 18

19 Software Defined Radio (SDR) RF/Analog FPGA, ASIC, DSP Neueste, flexible Architektur und Implementations-Technologie 19

20 Mixed Superhet Direct Conversion Bei starken RF Signalen (Störer) nahe beim Nutzsignal: IF mit SAW Filter reduziert Dynamik für A/D Converter Stufen 20

21 IF Sampling und DDC NCO = DDS Direct Digital Synthesis LO = PLL based Synthesizer SDR Option: IF Sampling mit schnellem ADC oder Bandpass Sub-Sampling Anschliessend digitale Direct Down Conversion (DDC) 21

22 Broadband Multichannel SDR complex signal! j c e ω t Full Band Downconversion Active RC Filter (LC) j it e ω Conversion for Channel Selection DSP Filter 22

23 Broadband SDR: Channel Selection 1 st I/Q Demod j c e ω t 2 nd I/Q Demod j it e ω 23

24 Single Chip SRD 1st Generation Short Range Devices (SRD) for Battery Operation (434/868 MHz) Low Power, Low Cost, ASK Modulation 24

25 Single Chip SRD High Performance Short Range Single Chip Device (ZigBee) 2.45 GHz ZigBee benutzt 4-QAM 25

26 Single Chip SRD II Ultra Low cost Preis 2009: 50 Cent bei pcs. 26

27 Single Chip WLAN Transceiver WLAN Chipset: RF Chip plus Baseband/MAC Chip 27

28 GPS Receiver GPS Chipset: USB Stick Receiver 28

29 DAB Receiver 29

30 Design Case RFID EPC Gen2 UHF 10 mm modulation switch power amp TX antenna RADIATING ANTENNA signal processor synthesizer I Q RX antenna 120 mm D A Lesegerät (Reader) direct conversion receiver Passive Etikette (Tag) 30

31 RFID: 4 Watt EPC Gen2 Reader Software Defined Radio (SDR) Architektur DSP FPGA ADC DAC Synthesizer Xscale DC-RX TX Amp Supply Circulator Ethernet USB RS232 4 Antenna Ports 31

32 SDR: UHF RFID Reader RISC Processor - MAC - Reader Protocol - Interfaces Signal Processing - Sample Level on FPGA - Symbol Level on DSP - Air Protocol on DSP UHF Frontend - Direct Conversion Receiver - Carrier Suppression - Multi Antenna 32

33 Filtering UHF RFID Reader Interrogator commanding Interrogator listening Filter Tag response -320 khz DC 320 khz Frequency EPC Gen2/ Europe 33

34 Passive UHF RFID: - Read Tags up to 8m Distance - Limited by Tag Power Consumption Pt Gt Gr λ Pr = 2 2 (4π) d L 2 * EPC Class 1 Gen dbm - 16 dbm received at tag * S/N = 35 db + 33 dbm (2 W) Path Loss 49 8 m Gain = 7 db Receiver Noise: -99 dbm (F = 25 db, B = 100 khz) - 71 dbm (0.1 nw) Path Loss 49 8 m -22 dbm (6 μw) backscatter signal Reality: Additionally orientation losses, system losses, fading, n > 2... Additional noise sources, amplitude phase, TX to RX coupling 34

35 UHF Signal Propagation Material Orientation Test fixture with 7 3 Gen2 tags, equally spaced in air medium Target read time: < 1 second 35

36 UHF Signal Propagation Multi-path reflections from metal (reinforcing in floors/ dock levellers and other objects), cause nulls and peaks that get worse with distance from the antenna. height Reader -3 dbm -14 dbm 36

37 37 λ π π λ = d h h 2 sin d ) (4 G G P 4 P r t r t t r Fading - Problem in Passive RFID Simple 2-Ray Model RFID: Carrier only Slow Flat Fading Channel