sender- / empfänger architekturen...2 einfachste empfangsarchitektur der empfänger hat folgende...
TRANSCRIPT
-
1
Sender- / Empfänger Architekturen
© Roland Küng, 2012
-
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
-
3
Einfachste Empfangsarchitektur einst…
Geradeausempfänger Rosenmayer Wien
Baujahr 1920
2 Kreise (=Anzahl LC-Filter):
L1L2
C2
Rö1
C7
L3L5
Rö2
-
4
… einfachste Empfangsarchitektur heute
Strukturgrösse @ 1000 MHz � Periodendauer T = 1 ns � Wellenlänge auf Substrat λ = 3…4 µm� Baugrösse wie IC‘s � Durchbruch Mobilfunk
-
5
Einfachste Empfänger (SAW)
UHF 434 MHz und 868 MHz Empfänger Source RF Monolithics
SAW RF FilterRF Amplifiers
-
6
Surface Acoustic Wave (SAW)
Q = 1000
-
7
Superheterodyn Empfänger
Wird eingesetzt wenn: • Höhere Frequenzen verwendet• Mehr Selektivität verlangt• Einfache Kanalwahl ausreichend
Aufgaben:• RF Filter: filtert Frequenzband des Systems (SAW)• IF (ZF) Filter: selektiert Kanal (SAW oder Keramik)• Synthesizer: für die Kanalwahl (PLL + DDS)
Super: Über(lagerung)Heterodyn: verschiedene Frequenz
IF: Intermediate Frequency= ZF Zwischenfrequenz
RF: Radio Frequency
Basisband
-
8
Design: Spiegelfrequenz Planung
f
S LO
RFSpiegelImage
IFIF
Low Side LO
f
S LORF Spiegel
Image
IFIF
High Side LO
Beide Bänder werden ins IF-Band gemischt !Spiegel (Image) muss vor dem Mischen durch Filter eliminiert werden
Spiegel hat Abstand 2·IF
Spiegel hat Abstand 2·IF
-
9
Spiegelfrequenz Problem (Low Side LO)
2·fZF
Remember Mixing mit cos !
ejωt
e-jωt
S
Σ
RF RF
RF
ZF
RFBP
-
10
Superheterodyn Empfänger
Wichtig beim Design: Spiegelfrequenz Planung
Wahl ZF so, dass mit RF Filter Spiegelfrequenz genügend unterdrückt wirdWahl ZF so, dass genügend hohe Filterselektivität (~Güte) realisierbar wird
z.T. widersprüchlich !
Güte
Technik Q f(max)
RC: 40 50 MHzLC: 80 300 MHzKeramik: einige 100 100 MHzQuarz: einige 1000 100 MHzSAW: mehrere 100 3 GHz
bf
Q 0=
hohe ZF
tiefe ZF
f0 Mittenfrequenzb Bandbreite
-
11
Double Superhet
Beispiel: Narrowband FM89-107 MHz Band20 kHz Channels1. IF: 10.7 MHz2. IF: 465 kHz
bf
Q 0= Spiegel
Spiegel
LO
LO
Bsp. Empfang 91.5 MHz
-
12
Direct Conversion RX
Spezialfall des Superheterodyn: fIF = 0
ZF Filter: einfacher RC Tiefpass
Aber: Spiegelfrequenz ist das eigene Signal selber � Interferenz, Auslöschung (AM)� RF Filter hilft nicht
Empfang allg. Signale
Note: Dieses Problem existiert im Direct Conversion TX nicht
-
13
Direct Conversion RX
aber so ginge es:
Einzelmischer
Beweis:
�I/Q- Demodulation mit sin- und cos- Trägersignal� komplex-wertiges Zeitsignal am Ausgang (d.h. 2 Signale)
tj ce ω⋅
� Verzerrung
-
14
I/Q Direct Conversion RX (Zero-IF)
tj ce ω⋅
Komplexes Zeitsignal r(t):
))tsin(j)t(cos()t(r)t(qj)t(i cc ω⋅+ω⋅=⋅+
)t(qj)t(i)t(r ⋅+=
tj ce)t(s)t(r ω⋅=
s(t)
r(t)
Erinnerung Quadratursignale!
Spektrum: R(ω) = I(ω)+j·Q(ω)
Direct Conversion mit LPF:
also:
� R(ω) ist nur S(ω) verschoben nach rechts!
-
15
Direct Conversion RX (Zero-IF)
Fast perfekt! Nachteile ?
ETSI Regulations: Erlaubt max. 4 nW Abstrahl-Leistung.
RF Filter hilft nicht,da fLO = fRF !
DC-Error an I und Qverursacht durch geringeMischer LO-Isolation
-
16
Direct Conversion RX (Zero-IF)
tj ce ω⋅1. Beispiel
SSB Signal Empfang, z.B. FSK (Frequency Shift Keying) mit Frequenz fo = fc+df bzw. fc-df
fc
Input: s(t)=cos(2πfo t)
-
17
Direct Conversion RX (Zero-IF)
tj ce ω⋅2. Beispiel
DSB-Signal Empfang, z.B. AM eines Trägers bei fc mit +cos(2πfo·t) bzw. -cos(2πfo·t) Signal
fc
Input: s(t) =cos(2π(fc+fo)t+γ)+cos(2 π(fc-fo)t+γ)
-
18
Direct Conversion RX (Zero-IF)
tj ce ω⋅
3. BeispielEmpfang orthogonales digitales I/Q Signal, z.B. 16-QAM
I und Q Ausgabein XY-Darstellung
Input s(t) = i(t)·cos(2π(fc+∆ω)t+γ) + q(t)·sin(2π(fc+∆ω)t+γ)
• rotierend mit ∆ω• verdreht mit γ
infolgeOszillatorabweichungund Doppler
Input Modulator
-
19
Software Defined Radio (SDR)
RF/Analog FPGA, ASIC, DSP
Neueste, flexible Architektur und Implementations-Technologie
-
20
Mixed Superhet – Direct Conversion
Bei starken RF Signalen (Störer) nahe beim Nutzsignal:IF mit SAW Filter reduziert Dynamik für A/D Converter Stufen
-
21
IF Sampling und DDC
SDR Option:
• IF Sampling mit schnellem ADC oder Bandpass Sub-Sampling• Anschliessend digitale Direct Down Conversion (DDC)
NCO = DDS Direct Digital SynthesisLO = PLL based Synthesizer
-
22
Broadband Multichannel SDR
Full Band DownconversionActive RC Filter (LC)
Conversion for Channel SelectionDSP Filter
tj ce ω⋅tj ie ω⋅
complex signal !
-
23
Broadband SDR: Channel Selection
tj ce ω⋅
tj ie ω⋅
1st I/Q Demod
2nd I/Q Demod
-
24
Single Chip SRD
1st Generation Short Range Devices (SRD) for Battery Operation (434/868 MHz)Low Power, Low Cost, ASK Modulation
-
25
Single Chip SRD
High Performance Short Range Single Chip Device (ZigBee) 2.45 GHzZigBee benutzt 4-QAM
-
26
Single Chip SRD II
Preis 2009: 50 Cent bei 100‘000 pcs.
Ultra Low cost
-
27
Single Chip WLAN Transceiver
WLAN Chipset: RF Chip plus Baseband/MAC Chip
-
28
GPS Receiver
GPS Chipset: USB Stick Receiver
-
29
DAB Receiver
-
30
RFID EPC Gen2 UHF
signal
processor
direct conversion
receiver
modulation
switch
TX antenna
RX antenna
I Q
RADIATING ANTENNA
synthesizer
D
A
power amp
Lesegerät (Reader)Passive Etikette (Tag)
10 mm
120 mm
Desig
n Ca
se
-
31
FPGADSP
Xscale
Synthesizer
Circulator
TX Amp
ADC
DC-RX
DAC
Supply
4 Antenna PortsEthernet USB RS232
RFID: 4 Watt EPC Gen2 Reader
Software Defined Radio (SDR) Architektur
-
32
SDR: UHF RFID Reader
UHF Frontend
- Direct Conversion Receiver
- Carrier Suppression
- Multi Antenna
Signal Processing
- Sample Level on FPGA
- Symbol Level on DSP
- Air Protocol on DSP
RISC Processor
- MAC
- Reader Protocol
- Interfaces
-
33
Filtering UHF RFID Reader
Frequency
Interrogator
commanding
Interrogator
listening
Tag response
Filter
EPC Gen2/ Europe
-320 kHz DC 320 kHz
-
34
Gain = 7 dB
Path Loss 49 dB @ 8 m
- 16 dBm received at tag *
+ 33 dBm(2 W)
Path Loss 49 dB @ 8 m- 71 dBm(0.1 nW)
S/N = 35 dB
-22 dBm (6 μμμμW)backscatter signal
Ld)4(GrGtPt
Pr22
2
⋅⋅π
λ⋅⋅⋅=
* EPC Class 1 Gen 2
-13…-17 dBm
Receiver Noise: -99 dBm(F = 25 dB, B = 100 kHz)
Reality: Additionally orientation losses, system losses, fading, n > 2 ... Additional noise sources, amplitude phase, TX to RX coupling
Passive UHF RFID:
- Read Tags up to 8m Distance - Limited by Tag Power Consumption
-
35
UHF Signal Propagation
• Test fixture with 73 Gen2 tags,equally spaced in air medium
• Target read time: < 1 second
Material
Orientation
-
36
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.
-3 dBm -14 dBm
height
Reader
UHF Signal Propagation
-
37
⋅λ
⋅⋅π⋅
⋅π
λ⋅⋅⋅=
dhh2
sind)4(
GGP4P rt2
22
2rtt
r
Fading - Problem in Passive RFID
Simple 2-Ray Model
RFID: Carrier only � Slow Flat Fading Channel