Arhitekturamodernih radio-prijemnikatnt.etf.rs/~oe4rfe/2011-RF-Architecture.pdf · Arhitekturamodernih radio-prijemnika Heterodiniprijemnik(Superhet) LNA IFA Band Select Image Reject

� Arhitektura modernih radio-prijemnika

� Heterodini prijemnik (Superhet)

LNA IFA

Band Select Image Reject Channel Select

LO1

BasebandRFf

1LOf

1IFf

2LOf

2IFf

LO2

LPF

.

�RF filtar potiskuje neželjene komponente u RF spektru i smanjuje nivo šuma na ulazu LNA�LNA treba da bude malošuman i da ima odgovarajuće pojačanje snage�Ulaz i izlaz LNA treba da budu prilagođeni na 50 omske impedanse filtara�Image-Reject filtar potiskuje simetričnu učestanost u spektru�Translacija RF učestanosti se obično obavlja u dva koraka: konverzija RF učestanosti domeđufrekventne učestanosti (IF), a potom i do osnovnog opsega učestanosti (Baseband)�Izbor odgovarajućeg kanala se obavlja filtrom propusnikom opsega sa fiksiranom centralnomučestanošću (IF=const) i relativno malim Q faktorom (filtar niskog reda)

LO1 LO2

Front-End IF Chain Back-End

1RF elektronika, 2011.

učestanošću (IF=const) i relativno malim Q faktorom (filtar niskog reda)�Selektivnost prijemnika predstavlja sposobnost prijemnika da izdvoji željeni signal od nosioca iinterferirajućih komponenti. Zahvaljujući međufrekventnom stepenu superhet ima dobru selektivnost iosetljivost�Mana superheta je što ima 3 impedansno prilagođena filtra, keramička ili SAW (Surface AcousticWave), koje je teško integrisati u čip.�Niskofrekventni integrisani filtar na izlazu može biti analogni ili digitalni, zavisno od vrste signala kojise primaju

IR filter potiskuje i simetričnu i ostalemoguće interferirajuće učestanosti uprijemniku čiji je propusni opseg BW.

•Međufrekvencija mora biti izabrana tako da bude ispunjen uslov•Ukoliko je međufrekvencija suviše mala, u propusni opseg prijemnika preslikaće se simetričnaučestanost, čije potiskivanje je složeno

, / 2IF k LO kf f f BW= − >

•Spektar signala u superhetuRF band

.

•Spektar signala u superhetu


Standard:•Na ulaz prijemnika se dovodi modulisani signal (Gaussian Minimum Shift Keying - GMSK) nivoa za 3dBvećeg od zahtevane osetljivosti prijemnika•Zajedno sa signalom se, na neku od susednih učestanosti u Inbandu, dovodi signal smetnje (Blocker)određenog nivoa (zavisno od udaljenosti od željenog RF kanala)•Dobro projektovani prijemnik mora biti u stanju da primi signal na određenoj učestanosti i da pri tomegreška na prijemu (Bit Error Rate – BER) ne predje određenu vrednost, obično BER=0.001

•Radi lakšeg filtriranja, izbor učestanosti lokalnog oscilatora se bira tako da simetrična učestanost budeu opsegu gde ima manje interferirajućih komponenata

.

greška na prijemu (Bit Error Rate – BER) ne predje određenu vrednost, obično BER=0.001


Mobilne komunikacije 900 MHz – GSM (Groupe Spécial Mobile)

GSM 900: 124 RF kanala, svaki zauzima po 200KHzBrzina prenosa podataka po kanalu 270kB/s

a) Standardno (polar)

b) Preko signala u kvadraturi (Cartesian/Rectangular)

( ) ( ) ( )cos cS t A t t tω ϕ= +

( ) ( ) ( )cos sinI c Q cS t S t t S t tω ω= − I- In phase, Q- Quadrature component

Amplitudska modulacija i/ili fazna(frekvencijska) modulacija

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )cos , sinI QS t A t t S t A t tϕ ϕ= =

•Predstavljanje modulisanog signala :

.

c) Pomoću kompleksne anvelope

( ) ( )~

cj tS t S t e ω = ℜ

( ) ( ) ( ) ( ) ( )~j t

I QS t S t jS t A t e ϕ= + =

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )cos , sinI QS t A t t S t A t tϕ ϕ= =

( ) ( ) ( )A: cosA IFS t A t t tω ϕ= +

•Demodulacija kvadraturno modulisanih signala

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( )B: cos cos cos 2B A IF IF

A tS t S t t t t tω ϕ ω ϕ = = + +

LPF

( )cos IF tω

B C


( ) ( ) ( ) ( ) ( )( )B: cos cos cos 22B A IF IFS t S t t t t tω ϕ ω ϕ = = + +

( )sin IF tω

LO2PhaseSplitter

IFf

LPF

( )cos IF tω

Bas

eban

d

A

D

( ) ( ) ( )C: cos2C

A tS t tϕ=

( ) ( ) ( )D: sin2D

A tS t tϕ= −

( ) ( )( ) ( )( )2 22 C DA t S t S t= +

( ) ( )( )

D

C

S tt arctg

S tϕ = −

Demodulacija:

• Prijemnik sa direktnom konverzijom ima nultu međufrekventnu učestanost (Zero IF)• RF signal se direktno prebacuje u osnovni opseg učestanosti (baseband), pa je potreban samo jedandiskretan filtar na ulazu prijemnika. Ostali delovi prijemnika se lako mogu integrisati u jedno integrisanokolo (On-chip), a LPF višeg reda se lako realizuje pomoću žiratora, ili digitalno• Zgog manjeg broja diskretnih komponenti i integrisane realizacije smanjeni su i cena prijemnika ipotrošnja

� Prijemnik sa direktnom konverzijom (Homodyne Receiver)

LPFB C

On-chip

.

( )sin RF tω

LOPhaseSplitter

RFf

LPF

( )cos RF tω

DS

PC

hann

el S

elec

tion+

DM

OD

A

B C

D

LNA

Band Select

A/D

A/D

VGA

VGA


• Pomoću naponskog pojačavača (VGA) se obavlja automatska regulacija pojačanja signala u osnovnom opsegu učestanosti.• U A/D konvertoru se signal digitalizuje, a onda pomoću mikro-procesora (DSP) dalje digitalnoprocesira (selekcija kanala, demodulacija itd.)•Na predaji se može utiskivati tzv. pilot nosilac (carrier) koji se na prijemu može izdvojiti, pa onda nijepotreban nezavisni lokalni oscilator u prijemniku

LPF

• Spektar signala u Zero IF prijemniku

•Demodulacija fazno/frekvencijski modulisanih signala

.

( ) ( )( )A: cosA RFS t A t tω ϕ= +

•Demodulacija fazno/frekvencijski modulisanih signala

( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )( )B: cos cos cos 22B A RF RFA

S t S t t t t tω ϕ ω ϕ = = + +

( ) ( )( )C: cos2CA

S t tϕ=

( ) ( )( )D: sin2DA

S t tϕ= −

• U prijemniku sa direktnom konverzijom za demodulaciju fazno, ili frekvencijski, modulisanih signala se

( ) ( )( )

D

C

S tt arctg

S tϕ = − Faza se ne može demodulisati na osnovu jednog

signala jer se ne dobija jednoznačna vrednost!


• Nedostaci prijemnika sa direktnom konverzijom su veliki uticaj flicker šuma, naponskog ofseta, self-mixing lokalnog oscilatora i izobličenja koja proizvode DC komponente (Even Order Distortion)• Na izlazu LNA RF signal je male amplitude (reda x100uV), a ukupno pojačanje LNA i Miksera je reda30dB. Naponski ofset na ulazu IQ demodulatora se pojačava zajedno sa RF signalom, pa je logično damora imati manje nivoe od RF signala kako A/D konvertor ne bi otišao u zasićenje.

• U prijemniku sa direktnom konverzijom za demodulaciju fazno, ili frekvencijski, modulisanih signala semora koristiti mikser sa signalima u kvadraturi

• Razdešenost I/Q signala

LO

LPF

PhaseSplitterRFv

1 cos2 2RF tε θω + +

I

1 cos2 2RFtε θω − −

C

Kakva je zavisnost napona na izlazima miksera I i Q ufunkciji razdešenosti amplitude i faze nosilaca ulokalnom oscilatoru?

( ) ( ) ( ) [ ]cos sin , , 1,1RF RF RFv t a t b t a bω ω= + = −

( ) 1 cos 1 sin2 2 2 2 2 2Ia b

v tε θ ε θ = + − +

a bε θ ε θ

.

LPF

Q

RFω

2 2

( ) 1 sin 1 cos2 2 2 2 2 2Qa b

v tε θ ε θ = − − + −

ε

�U superheterodinom prijemniku

Procena greške pri određivanju amplitude

21

2ideal

IQideal

A Ae

Aε θ− = ≈ −

30.3, 3 1.5 10IQeε θ −= = ⇒ = ⋅o


θ�U superheterodinom prijemnikuje manja razlika između osnovneučestanosti i učestanosti signalakoji se demoduliše, pa je uticajrazdešenosti amplitude i fazekvadraturnih napona lokalnogoscilatora manji.

• Primer za self-mixing

( )sin RF tω

LO

LPF

PhaseSplitter

RFf

( )cos RF tω

A

B C

LNA

Band Select

( ) ( )cos RFA t tωPretpostavimo da je izolacijaulaznog dela RF prijemnika ilokalnog oscilatora 60dB. Zbogtoga se deo energije lokalnogoscilatora vraća na ulaz RFprijemnika, odakle se ponovodovodi na ulaz miksera(self-mixing)

.

LPFD

RFω( ) ( ) ( )2 2

cos cos cos 22 2RF RF RFB B

B t B t tε εω ε ω ω⋅ = +

(self-mixing)

231

10 , 1V 500 µV60dB 2

BB

εε −= = = ⇒ =

• Posledica self-mixinga, DC vrednost napona na izlazu miksera,superponira se sa RF signalom, daje pogrešnu srednju vrednost ulaznog RFsignala i može odvesti VGA u zasićenje


• Ozbiljan nedostatak prijemnika sa direktnom konverzijom, DC ofset izlaznog signala, je mogućeotkloniti ukidanjem DC komponente napona na ulazima niskofrekventnih filtara (LPF). Najjednostavnijinačin za to je kapacitivna sprega, ali je vrednost redne kapacitivnosti za spregu limitirana integrisanimrealizacijama i smanjenjem propusnog opsega RF kanala.

Izlaz Gilbertovog miksera sedovodi na ulaz kola prikazanogna slici. Filtar koji potiskuje DCsignal (HPF) čine integrisanakapacitivnost 40pF i

D. Yee, C. Doan, D. Sobel, B. Limketkai, S. Alalusi, and R. Brodersen, “A 2-GHz Low-Power Single-Chip CMOS Receiver for WCDMA Applications,”Proceedings of ESSCIRC 2000, September 2000.

.

kapacitivnost 40pF iotpornost 45k, pa je graničnaučestanost oko 90kHz.

•U širokopojasnim prijemnicima nije problem kapacitivno potisnuti DC ofset jer je deo propusnogopsega koji treba potisnuti mali u odnosu na širinu kanala

LPF


• Kompenzacija ofseta u uskopojasnim prijemnicimamože jednostavno da se obavi kada se na prijemu koristiTDMA (Time-Division Multiple Access). Period kada se neprimaju podaci se koristiti za punjenje kondenzatora(S1-on) na vrednost određenu razdešenostima i uticajemBlocking signala.

LPF

( )cos RF tω

VGA1C

1S

TDMA Burst

Po isključenju prekidača na kondenzatoru ostaje zapamćena jednosmerna vrednost napona na izlazuLPF i ona se oduzima od ukupne vrednosti napona na njegovom izlazu, čineći da je na ulazu pojačavačasa promenljivim pojačanjem (VGA) prisutan samo promenljivi signal.Proces kompenzacije je periodičan i relativno je spor, što znači da se ne mogu kompenzovati uticajibrzih blockera iz susednih kanala Inbanda koji se pojavljuju na ulazu prijemnika u vreme kada jeprekidač S1 zatvoren.

• Šum na niskim učestanostima je jedan od uzroka offseta prijemnika sa direktnom konverzijom. PoštoMOS tranzistori unose veći Flicker šum od bipolarnih tranzistora, realizacija LNA i miksera se, uprkosskupljem postupku izrade, češće izvodi u BICMOS tehnologiji.

.

• Razdešenost lokalnog oscilatora u odnosu na učestanost RF signala dovodi do značajnog povećanjagreške na prijemu (BER), pa se mora koristiti kolo za automatsku regulaciju frekvencije oscilatora AFC (Automatic Frequency Control)

• Prijemnik sa direktnom konverzijom je pogodan u primenama gde se koriste tehnike modulacije kojenemaju značajne komponente na niskim učestanostima. Takve modulacije su kvadraturna-faznamodulacija (QPSK) u kombinaciji sa tehnikama sa proširenim spektrom (CDMA i WCDMA) koje su imunena sužavanje propusnog opsega na niskim učestanostima.• RF signal modulisan Gaussian minimum shift keying (GMSK) modulacijom ima DC komponente u

skupljem postupku izrade, češće izvodi u BICMOS tehnologiji.


• RF signal modulisan Gaussian minimum shift keying (GMSK) modulacijom ima DC komponente uspektru i nije ga lako prilagoditi na realni prijemnik sa direktnom konverzijom. Zbog toga se DCR retkokoriste u GSM sistemima za prenos podataka.•DCR se često koriste u satelitskim prijemnicima i pagerima gde nema značajnih komponenti uniskofrekventnom delu spektra.

� Prijemnik sa niskom međufrekvencijom (Low-IF Receiver)

•Kao i kod prijemnika sa direktnom konverzijom (DCR), Low-IF prijemnik ima samo jedan diskretanfiltar na ulazu, što pruža mogućnost za integrisanje preostalih delova prijemnika u jedno IC kolo• Razlika u odnosu na DCR je što Low-IF prijemnik ima međufrekvenciju sa izvesnim ofsetom u odnosuna DC, što prijemnik čini imunijim na neželjene DC komponente u spektru (self-mixing efekat, parniintermodulacioni produkti i flicker šum)•Za iste performanse kao DCR, A/D konvertor Low-IF prijemnika treba da ima veću rezoluciju. Zaizdvajanje željenog kanala mora se upotrebiti kompleksni polifazni digitalni filtar višeg reda, što znači ipovećanu potrošnju.povećanu potrošnju.

/ 2IF chf f BW= ∆ =

( )sin LOtω

LOPhaseSplitter

RFf

( )cos LOtω

I

Q

LNA

Band Select RFf f± ∆

DS

PC

hann

el S

elec

tion+

DM

OD

A/D

A/D

VGA

VGA

On-chip

Pol

ypha

se F

ilter

.


•Spektar signala u Low-IF prijemniku

Q

CA/DVGA

•S obzirom na malu vrednost međufrekvencije, simetrična učestanost u Low-IF prijemniku zauzimamesto nekog od susednih kanala (Blocker). Za potiskivanje ovog signala je potreban filtar propusnikopsega višeg reda, ili da se iskoristi neka od tehnika za potiskivanje simetrične učestanosti.

� Arhitekture prijemnika za potiskivanje simetrične učestanosti

•Ideja: U međufrekventnom stepenu signal se razdvaja na dva signala koji se dalje prenose paralelelnimgranama. Promenom polariteta komponente signala na simetričnoj učestanosti u nekoj od grana iponovnim sabiranjem signala iz paralelnih grana, komponente na simetričnoj učestanosti seponištavaju.

.

poništavaju.

( )sin LOtω

( )cos LOtω

90o

RF

A

B

C

IF

� Hartlijeva (Hartley) arhitektura


( ) ( )cos cosRF RF RF IM IMv A t A tω ω= +

( ) ( )sin sin2 2RF IM

A LO RF LO IMA A

v t tω ω ω ω= − + − ( ) ( )cos cos2 2RF IM

B LO RF LO IMA A

v t tω ω ω ω= − + −

( ) ( ) ( ) ( )sin sin cos cos2 2 2 2RF IM RF IM

A RF LO LO IM C RF LO LO IMA A A A

v t t v t tω ω ω ω ω ω ω ω= − − + − ⇒ = − − −

( ) ( )cos cosIF B C RF LO RF RF IFv v v A t A tω ω ω= + = − =

�Praktična realizacija fazne razlike od 90 stepeni

011

1 inV VsCR

=+

Fazna razlika između napona Vo2 iVo1 je uvek 90 stepeni, nezavisno odučestanosti 1

IF RCω =

R

C

RC

inv

01v

02v02 1 in

sCRV V

sCR=

+

( )sin LOtω

( )cos LOtωRF

A

B

C

IF

R

C

R

C D

.

�Uticaj razdešenosti lokalnog oscilatora

( ) ( )sin sin2 2

RF LO IM LOA LO RF LO IM

A A A Av t tω ω ω ω= − + −

( ) ( ) ( ) ( )cos cosRF LO IM LOB LO RF LO IM

A A A Av t t

ε εω ω θ ω ω θ

+ + = − + + − +

( ) ( ) ( )sin , cosLO LO LO LOA t A tω ε ω θ+ +

02v 1 sCR+

Različite amplitude i faze napona u tačkama A i B dovode do nepotpune kompenzacija simetričnekomponente u spektru IF signala

.


( ) ( )cos cos2 2B LO RF LO IMv t tω ω θ ω ω θ = − + + − +

( ) ( )cos cos2LO

C RF LO RF IM LO IMA

v A t A tω ω ω ω = − − −

( ) ( ) ( ){ }, cos cos2RF

IF IF LO LO RF LO LO RFA

v A t A tε ω ω θ ω ω = + − + + −

( ) ( ) ( ){ }, cos cos2IM

IF IM LO LO IM LO LO IMA

v A t A tε ω ω θ ω ω = + − + − −

Odnos snaga komponenti na simetričnoj i na IF učestanosti

( ) ( )( ) ( )

2 22,

2 2 2,

2 cos

2 cos

IF IM LO LO LO LOIM

IF IF RF LO LO LO LO

P A A A AA

P A A A A A

ε ε θ

ε ε θ

+ − + +=

+ + + +

Odnos snaga ovih signala na ulazu jednak je odnosu kvadrata njihovih amplituda, pa se može definisati faktor potiskivanja signala simetrične učestanosti (Image Rejection Ratio)

( ) ( )( ) ( )

2 22 2 2 cos/ LO LO LO LOIM RF A A A AA AIRR

ε ε θ+ + + += =

.

( ) ( )2 2, ,/ 2 cosIM RF

IF IM IF IF LO LO LO LO

IRRP P A A A Aε ε θ

= =+ − + +

Kada je razdešenost mala , tada je, 0LOAε θ<< ≈

( )2 2

4

/ LO

IRRAε θ

≈+

Za tipične vrednosti razdešenosti u integrisanim kolima IRR je u opsegu 30-40dB, a dobro potiskivanjese ostvaruje kada je IRR reda 60-70dB.

Primer: 3/ 10 , 1 40 dBLOA IRRε θ−= = ⇒ =o


Za praktičnu realizaciju kašnjenja sa RC kolima, razdešenost amplitude lokalnog oscilatora, usledneuparenosti komponenata RC kola, približno je

tako da je

LO

LO

A R C

A R C

∆ ∆ ∆≈ +

20% 20R

IRR dBR

∆ = ⇒ =

� Weaverova arhitektura

�Osnovni problem Hartlijeve arhitekture je realizacija kašnjenja od 90 stepeni. Iako je fazna razlikauvek 90 stepeni, na različitim učestanostima različite su amplitude signala u tačkama C i D.�U Weaverovoj arhitekturi se isti efekat postiže pomoću dodatnog miksera (Image Reject Mixer) kao naslici, ali je znatno manja razdešenost amplituda lokalnog oscilatora.�Integrisana realizacija dodatnog miksera je lakša od realizacije filtra na niskim učestanostima savelikim Q faktorom

�Kompleksni domen A�Kompleksni domen

cos sinj te t j tω ω ω= +

cos sinj te t j tω ω ω− = −

cos , sin2 2

j t j t j t j te e e et t

j

ω ω ω ωω ω

− −+ −⇒ = =

( ) ( ) ( )( )1

( ) ( ) ( ) j tf t F f t e dtωω∞

−

−∞⇒ = ∫

( ) ( ) ( )( )j

( )12sin tω

( )12cos tωRF

A

B

C

IF

D

( )22sin tω

( )22cos tω

E

G

−

+


( ) ( ) 0cosy t x t tω= ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )( )0 0 0 01 1

*2 2

Y X X Xω ω δ ω ω δ ω ω ω ω ω ω= − + + = − + +

( ) ( ) ( )( )0 0 01

cos2

F tω δ ω ω δ ω ω= + + − ( ) ( ) ( )( )0 0 0sin2

jF tω δ ω ω δ ω ω= + − −

( ) ( ) 0siny t x t tω= ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )( )0 0 0 0*2 2

j jY X X Xω ω δ ω ω δ ω ω ω ω ω ω= + − − = + − −

�Grafička analiza potiskivanja simetrične učestanosti:

( )12sin tω

( )12cos tωRF

A

B

C

IF

D

( )22sin tω

( )22cos tω

E

G

−

+

.

⇒

.


⇒ ⇒

�Kada se Weaverov IR filtar realizuje analognim kolima, razdešenost parametara dosta utiče napotiskivanje signala na simetričnoj učestanosti, a pored toga drugi mikser unosi i dodatni šum uprijemnik. Pošto je učestanost drugog miksera relativno mala, lako se mogu digitalizovati signali utačkama C i D, a potom dalje digitalno procesirati.

�U uslovima jakih interferencija na učestanosti u Weaverovoj arhitekturi se generiše sekundarna simetrična učestanost (oko ω2), koja može upasti u osnovni opseg učestanostiZbog toga se umesto niskofrekventnih filtara moraju upotrebiti filtri propusnici opsega, ili Zero-IFmikser na drugoj međufrekvenciji.

2 , 2 2 1 2IM BB IM inω ω ω ω ω ω= − = − −

2int 2 12 2inω ω ω ω= − +

2 2 12IM inω ω ω ω= − +

�Šta se dobija na IF izlazu kada je faza ulaznog signalapromenjena tako da je u kompleksnom domenu ulazni signalimaginaran?Odgovor: dobija se signal nulte vrednosti, što znači da jesistem osetljiv na fazu RF signala.

•Modifikacija Weaverove arhitekture u kojoj izlazni signal ne zavisi od faze ulaznog signala

A C E

mikser na drugoj međufrekvenciji.


( )12sin tω

( )12cos tωRF

A

B

C

IF

D

( )22sin tω

( )22cos tω

E

G

+

+

Međutim, sada se za realan ulazni signalna izlazu dobija signal nulte vrednostiamplitude!

( )12sin tω

( )12cos tωRF

A

IF

( )22sin tω

( )22cos tω

+

−

( )22cos tω

I

�Kombinovanjem prethodne dvearhitekture za potiskivanje signalasimetrične učestanosti, dobija seprijemnik u kome napon na izlazumeđufrekventnog stepena ne zavisi odfaze ulaznog RF signala

.

( )12sin tω

B

( )22cos tω

IF

( )22sin tω

+

+QI Q

�Prednost prethodne arhitekture je što se može integrisati, a mana je veliki broj miksera (6), štoznačajno smanjuje faktor šuma prijemnika


�Uticaj razdešenosti amplituda i faza lokalnih oscilatora u osnovnoj Weaverovoj arhitekturi

značajno smanjuje faktor šuma prijemnika

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

21 2

21 2

1 1 2 1 cos

1 1 2 1 cosIRR

ε ε θ θε ε θ θ

+ + + + +=

+ + − + −

( )1 1sin tω θ+ ( )2 2sin tω θ+U osnovnu šemu su dodate razdešenosti . Pojačanje u grani sa sinusnimgeneratorima je , pa je faktor potiskivanja simetrične učestanosti1 ε+

� Prijemnik sa promenljivom međufrekvencijom (Wideband-IF Receiver)

• Potiskivanje simetrične učestanosti pruža mogućnost da se realizuje dvostepeni integrisani prijemniksa promenljivom međufrekvencijom prvog stepena.• Filtar na prvoj međufrekventnoj učestanosti propušta sve kanale (Wideband), dok se promenomučestanosti drugog lokalnog oscilatora izdvaja željeni kanal i translira u baseband.• Prijemnik nema problema ni sa offsetom (Homodyne), ni sa off-chip filtrima (Heterodyne), ali imapuno miksera koji unose dodatni šum u prijemnik.• Umesto 2 dodatna miksera za potiskivanje simetrične učestanosti može se koristiti digitalno filtriranjesignala na osnovnoj učestanosti

.

signala na osnovnoj učestanosti

( )12cos tωRF

BB

( )22sin tω

+

−

( )22cos tω

I

s, A

/D, D

SP

LNA

On-Chip

LO1 LO21 1LO constω ω= =

2 2LOω ω=


( )12sin tω ( )22cos tω

( )22sin tω

+

+

Q

Low

pass

Band Select2 2LOω ω=

� Prijemnik sa digitalizovanim međufrekventnom stepenom (Digital-IF Receiver)

Digital Channel

• U ovom prijemniku je obavljena digitalizacija međufrekventnog signala• Posle međufrekventnog filtra signal dolazi u kolo sa automatskom regulacijom pojačanja, a potom seodabira i digitalizuje pomoću A/D konvertora• Tipične međufrekventne učestanosti su reda 100MHz, što znači da je potrebno uzorkovanje IF signalasa najmanje 200MHz. S obzirom na opseg vrednosti amplitude IF signala potrebna rezolucija A/Dkonvertora je 12-16 bita, što je za današnje tehnologije dosta zahtevno, imajući u vidu da se sapovećanom učestanošću odabiranja značajno povećava i potrošnja.

.

LNA

Band Select Image Reject IF

LO

Digital ChannelSelection

RFf

LOf

IFfAGC+A/D DSP

� Impulsni radio prijemnik (UWB Radio)

• Koristi se u aplikacijama sa malom snagom, na kratkim rastojanjima i sa velikim brzinama protoka• Korelacioni postupak služi za optimalan prijem signala male snage u prisustvu aditivnog belogGaussovog šuma


LNA

Template

RFfDSP( )dt∫

Correlation

� Arhitektura modernih radio-predajnika

•Predajnik primarno obavlja tri funkcije: modulaciju signala, konverziju učestanosti i pojačanje snage. Zadobru komunikaciju je potrebno da prijemnik ima zadovoljavajuću tačnost modulacije i da emitujesignal na određenoj učestanosti prema propisanim standardima.•S obzirom da su u predajniku signali relativno velikih snaga, šum i interferirajući signali ne dolaze doizražaja, ali su zato važni snaga koja se disipira u predajniku i efikasnost pojačavača snage.•U zavisnosti od vrste modulacije predajnik radi sa signalima konstantne ili promenljive amplitude. Većaenergetska efikasnost se postiže pri prenosu signala konstantne amplitude, dok je veća spektralnaefikasnost sa signalima promenljive amplitude. U drugom slučaju do izražaja dolaze i izobličenja koje

.

efikasnost sa signalima promenljive amplitude. U drugom slučaju do izražaja dolaze i izobličenja kojeunosi kolo predajnika.

( )sin tω

( )cos ctω

I

PALOMatchingNetwork

� Predajnik sa direktnom konverzijom

•Signal osnovne učestanosti se, pomoćumiksera, konvertuje do učestanostiemitovanja signala. Pojačavač snagepojačava signal do određenog nivoa iemituje ga preko antene. Antena i


( )sin ctω

Q

emituje ga preko antene. Antena ipojačavač snage treba da buduprilagođeni.

•Osnovni problem kod ovih jednostavnih predajnika je tzv. Injection Pulling gde se deo energijepredajnika vazdušnim putem, ili po linijama veza (npr. substrat), vraća nazad do oscilatora i generišeneželjenu DC komponentu u kolu oscilatora

• Injection Pulling dovodi do stvaranja interferirajućih učestanosti koje ometaju sopstveni prijemnik i dopromene učestanosti lokalnog oscilatora.•Postoji nekoliko načina koji mogu biti efikasni protiv Injection Pullinga (IP). Prvi je dobro oklapanjeoscilatora, ako nema prenosa putem supstrata, a drugi je fizičko razdvajanje kola za procesiranje snage isignala (ili na istom chipu, ili odvojena IC kola).•Najefikasniji način borbe protiv Injection Pullinga je da pojačavač snage i oscilator rade na različitimučestanostima

� Predajnik sa direktnom konverzijom i pomerenim nosiocem (Offset Direct Conversion Transmitter)

.

� Predajnik sa direktnom konverzijom i pomerenim nosiocem (Offset Direct Conversion Transmitter)

• Noseća učestanost upredajniku se generiše pomoćudva naponski kontrolisanaoscilatora sabiranjem, ilioduzimanjem, njihovihučestanosti• Dve učestanosti lokalnogoscilatora zahtevaju dodatna

( )sin ctω

( )cos ctω

I

PAMatchingNetwork

LO1

LO2

1ω

2ω

PhaseSplitter


oscilatora zahtevaju dodatnapodešavanja kako bi nosećaučestanost bila konstantna

Q

• Alternativno rešenje je da lokalni oscilator generiše dva puta veću učestanost, koja se posle deli sadva i moduliše signal iz osnovnog opsega. Ovo rešenje je prihvatljivo na relativno niskim GHzučestanostima, ali ne i u mmW opsegu (60GHz).

• Noseća učestanost je znatno viša od učestanosti signala koji se moduliše, bez obzira kako se moduliše,pa se, obično preko parazitnih kapacitivnosti, preslušava u osnovni opseg i time menja konstelacijudigitalno modlisanih signala (Carrier Leakage). Zbog toga je potrebno uvesti povratnu spregu zakompenzaciju curenja nosioca. U odsustvu korisnog signala se detektuje offset koji je posledica curenjanosećeg signala i potom se, pomoću povratne sprege, menja nivo signala na osnovnoj učestanosti radinjegove kompenzacije.

� Dvostepeni predajnik (Heterodyne Transmitter)

• U dvostepenom predajniku se obavlja dvostepena konverzija učestanosti. Prvo se kvadraturni signal

.

• U dvostepenom predajniku se obavlja dvostepena konverzija učestanosti. Prvo se kvadraturni signalosnovne učestanosti moduliše učestanošću ω1 , a potom tako modulisani signal još sa ω2, čime sepostiže pomeranje učestanosti pojačavača snage na ω1 + ω2

( )1sin tω

( )1cos tω

I

PAMatchingNetwork

LO1 BPF BPF

( )ω1ω 1 2ω ω+


• Propusnici opsega BPF potiskuju neželjene harmonike, a drugi bandpass filtar mora imati veliki Qfaktor zbog potiskivanja učestanost ω1 - ω2

•Učestanost rada pojačavača snage je znatno viša od učestanosti lokalnih oscilatora, pa ne dolazi doInjection Pullinga

( )1sin tω

Q

( )2cos tω1 1 2ω ω+

� Predajnik sa direktnom modulacijom

• Signal osnovne učestanosti menjaučestanost naponski kontrolisanogoscilatora (VCO). Na primer, promenomnapona menja se kapacitivnost varikapdiode, a time i učestanost oscilatora.• Za prenos podataka je potrebnoprecizno zadavanje učestanosti VCO imali drift

PAMatchingNetwork

VCOData

( )0C INf f Kv t= +

.

mali drift

� Predajnik sa direktnom digitalnom modulacijom

• Na ulaz pojačavača snage se dovodedigitalno modulisani signali dobijenipomoću sintetizatora učestanosti isigma-delta modulatora.

� Predajnik za impulsni radio (Impulse Radio Transmitter)

PAMatchingNetwork

DataSyn

Σ∆


• Povorka impulsa (CLK) se modulišepomoću impulsno položajne modulacije(PPM), tako što se periodično propuštado pojačavača snage. Ideja je da seanteni predaje mala snaga sa proširenimspektrom (UWB radio).

PAMatchingNetwork

DataModulation

τ

PPM

Timing

CLK

� Predajnik sa PLL petljom (Offset-PLL Transmitter)

• Najčešće korišćena arhitektura predajnika sa konstantnom anvelopom• Signal se prvo moduliše na učestanosti f1. Posle prolaska kroz bandpass filter dolazi na ulazfazno-sinhronisane petlje (PLL) u fazni detektor. Pomoću fazne petlje i kola negativne reakcijeizjednačavaju se faze signala učestanosti f1 i fc-f2, a učestanost nosioca postaje fc=f1=f2.• Pomerene učestanosti lokalnog oscilatora u odnosu na učestanost nosioca sprečavaju preslušavanje iizobličenja u lokalnim oscilatorima.• Fazno sinhornisana petlja potiskuje širokopojasni šum na ulazu pojačavača snage

.

• Fazno sinhornisana petlja potiskuje širokopojasni šum na ulazu pojačavača snage• Pošto je modulisani signal sa konstantnom anvelopom, pojačavač snage se može optimizovati popitanju efikasnosti i potrošnje, npr. klasa AB, ili C.

( )sin tω

( )1cos tω

I

PALOMatchingNetwork

BPFφ

cfLPF VCO

PLL

1f

Phase detector


( )1sin tω

Q

2f

BPF

2outf f−

1f

� Arhitektura modernih radio-primopredajnika

� Tehnike višestrukog pristupa (Multiple Access Techniques)

•TDMA (Time Division Multiple Access)

.

• FDMA (Frequency Division Multiple Access)

Peer to peer komunikacije, mali gubici na TDD prekidaču (1dB) i složenije upravljanje


Veliko preslušavanje, slabljenje 2-3dB i nemogućnost peer-to-peer komunikacija

•CDMA (Code Division Multiple Access

�Svaki predajnik ima posebnu sekvencu kojom se moduliše signal na predaji�Pomoću iste sekvence se na prijemu izdvaja modulisani signal

.


• Komercijalni CDMA i FDMA primopredajnici obično rade u full-duplex modu u kome prijemnik ipredajnik koriste zajedničku antenu• Duplekser čini sprega filtara propusnika opsega. Filtar na prijemu propušta prijemne kanale, apotiskuje učestanosti predajnih kanala, dok drugi filtar propušta predajne kanale, a potiskujeučestanosti prijemnih kanala.• Pošto predajnik emituje relativno veliku snagu, preslušavanje sa predajne na prijemnu stranu treba dabude što manje• U CDMA sistemima za 800MHz band frekvencije kanala na predaji i prijemu su razdvojene za 45MHz,dok su u opsegu 1800-1900MHz razdvojene za 90MHz. Razdvojenost kanala na predaji i prijemu je

.

dok su u opsegu 1800-1900MHz razdvojene za 90MHz. Razdvojenost kanala na predaji i prijemu jedovoljno velika, pa se lako mogu realizovati filtri propusnici opsega.• Mana full-duplex sistema su veliki gabariti Dupleksera, naročito kod predaje većih snaga• Pri istovremenom emitovanju i prijemu dolazi do generisanja velikog broja interferirajućih signala kojiometaju prijemne kanale

PhaseSplitter

Rf

Ir

LNA BPF

IR IF

BPF

IFf

Rx-LO

IFf


QrIF

LOLO R IFf f f= +

PhaseSplitter

PA BPF

Duplexer

T R IFf f f= −

BPF

2 IFf

RF IF

Tx-LO

Qt

It

2 IFf

• Bluetooth je primer WPAN (Wireless Personal Area Network) mreže• Komunikacija se zasniva na master-slave principu

•Tehničke karakteristike Bluetootha

�Bluetooth

.

•Tehničke karakteristike Bluetootha


•Tipična arhitektura

.

• Standard


predaja prijem

�Zigbee• mala brzina prenosa 10-115.2 Kb/s• mala potrošnja-autonoman rad od nekoliko meseci do dve godine• pogodan za primenu u multisenzorskim mrežama za kontrolu i monitoring• jednostavna konstrukcija i visoka pouzdanost

.


.


Documents

Arhitekturamodernih radio-prijemnikatnt.etf.rs/~oe4rfe/2011-RF-Architecture.pdf · Arhitekturamodernih radio-prijemnika Heterodiniprijemnik(Superhet) LNA IFA Band Select Image Reject