Elettronica per le telecomunicazioni 01/12/2003corsiadistanza.polito.it/on-line/Elettronica... · ) ha ampiezza nota e costante, e fase stabile (il segnale di controllo è filtrato

Elettronica per le telecomunicazioni 01/12/2003

Lezione B3 - DDC 2003 1

1

Elettronica per telecomunicazioni

2

Contenuto dell’unità B

Principio di funzionamento del PLLSchema a blocchi, ordine, parametri, errore di faseCaratteristica a farfalla

Circuiti per PLL Demodulatori di fase, pompa di carica, VCO.

ApplicazioniDemodulatori AM, FM, FSK, PSKSintetizzatori interi e frazionari, sintesi diretta (DDS)Data recovery e sincronizzazione clock

ovcin

© 2004 Politecnico di Torino 1

ovcinElettronica per telecomunicazioni VCO e demodulatori



3

Lezione B3

Banda equivalenteil PLL come filtro passa banda

Oscillatori a frequenza variabile: VCO e CCOesempi di VCO/CCO L-C e I-C

Demodulatori con PLLdemodulatori AM e FM coerent, PAM-FSK

Riferimenti nel testoBanda equivalente 3.3Oscillatori a frequenza variabile 3.6.3Demodulatore FM e AM 3.7.1, 3.7.2

4



ovcin




5

Indice della lezione B3

Banda equivalente del PLLPLL come filtro passa banda

Circuiti per VCOcircuiti VCO I-Ccircuiti VCO LC

Demodulatori AM, FMdemodulatore FMdemodulatore AM coerentetone decoder integrato

6

Analisi del PLL con rumore all’ingresso

Elementi noti di un sistema di comunicazionecaratteristiche del rumore sul canale (banda, potenza, …)caratteristiche del canale e del PLL


ovcin




7



Obiettivo:determinare il rumore in uscita dal PLL (Vo)

8



Obiettivo:determinare il rumore in uscita dal PLL (Vo)

Risultatoviene definita una banda equivalentedalla densità spettrale di ingresso è possibile calcolare la potenza di rumore in uscita


ovcin




9

Procedimento di calcolo

Canale (o filtro di ingresso) con banda BiPLL con DF analogico, operante in linearitàVCO con segnale sinusoidale

10



Segnale di ingresso: solo rumoresi ricava la potenza della Vd


ovcin




11



Segnale di ingresso: solo rumoresi ricava la potenza della Vd

Segnale di ingresso: sinusoide con rumore di fase (jitter)

si ricava la potenza della Vd

Calcolo del rumore di fase equivalente

12

Eguagliando le due potenze si ottiene il rumore di fase equivalente

n(t)2: potenza del rumore all’ingresso

θin2: potenza del rumore di fase equivalente

Vi: valore di picco del segnale di ingresso

passaggio da rumore additivo a rumore di fasela funzione di trasferimento del PLL è tra fasi

Rumore di fase equivalente


ovcin




13

Densità di potenza del rumore di fase

Densità spettrale di potenza del rumore sul canale (banda Bi)

14



Densità di potenza del rumore di fase (banda Bi/2):


ovcin




15




Sostituendo nel rumore di fase equivalente

16




Sostituendo nel rumore di fase equivalente

Si ottiene Φ in funzione di parametri noti


ovcin




17

Rumore in uscita

Il rumore in uscita può essere calcolato dalla funzione di trasferimento H(s)

La potenza di rumore in uscita è

18

Se Φ è costante Se H(jω) = 0 al di fuori di Bi/2

Possiamo definire una banda equivalente (BL) del PLL

Banda equivalente


ovcin




19

Caratteristiche della banda equivalente

BL dipende solo da H(s)è un parametro del PLL

20

Caratteristiche della banda equivalente

BL dipende solo da H(s)è un parametro del PLL

Se H(s) ha banda stretta (polo di F(s) a frequenze basse)

banda BL strettamaggiore effetto filtrante, risposta lenta

Se H(s) ha banda larga (polo F(s) più alto)banda BL larga

maggiore rumore residuo in uscitarisposta rapida


ovcin




21

PLL come filtro

Nel PLL entra segnale Vi affetto da rumore e indeterminazioni di ampiezza e di fase

Il segnale di uscita (Vo) ha ampiezza nota e costante, e fase stabile (il segnale di controllo è filtrato dalla F(s)

22

PLL come filtro



È come se tra V i e Vo fosse inserito un filtro passa banda, con larghezza BL


ovcin




23

PLL come filtro



È come se tra V i e Vo fosse inserito un filtro passa banda, con larghezza BL

la larghezza di banda BL dipende da F(s), che è un passa-basso

spostando verso ω = 0 il polo di F(s) si stringe BL

24

Filtro a PLL e filtro convenzionale

Rispetto a un filtro passa-banda convenzionale, nel filtro a PLL

la banda è controllata da un passa bassomassima libertà di progettoil polo di F(s) può essere spostato a piacere

la frequenza centrale del “filtro” segue le variazioni di frequenza del segnale di ingresso

adattamento automatico della frequenzanon sono richiesti componenti precisi


ovcin




25


26






ovcin




27

Classificazione dei VCO

In base alla frequenza operativabassa (… MHz): circuiti I-C

alta (… GHz …): circuiti LC

28

Classificazione dei VCO

In base alla frequenza operativabassa (… MHz): circuiti I-C

alta (… GHz …): circuiti LC

In base alla dinamica di variazione

piccola: ∆ω < ωorcircuiti LC o IC

grande: ∆ω confrontabile con ωorcircuiti IC o LC con battimento


ovcin




29

VCO a corrente-condensatore (I-C)

Richiedono A.O., SW, componenti analogici

Esempio 1: corrente fissa, soglie variabiliil condensatore viene caricato verso Valquando viene raggiunta la soglia di T1, Q va a 0 e il condensatore si scarica verso massaquando viene raggiunta la soglia di T2, Q torna a 1 e il condensatore riprende a caricarsi verso Valle soglie sono ottenute dalla tensione Vcvariando Vc varia il tempo richiesto per raggiungere le soglie, e quindi la frequenza

30

Esempio di VCO I-C (4046)

Esempio 2: soglie fisse, corrente variabilelo specchio di corrente S riporta sul condensatore una corrente Vc/Rla corrente iniettata nel morsetto A fa crescere la tensione Va (Vb = 0)quando Va raggiunge la soglia di T1, Q commuta e i due deviatori invertono il condensatorela corrente iniettata in B fa crescere Vb (Va = 0)

quando Vb = soglia(T2) il condensatore si invertevariando la corrente varia il tempo richiesto per raggiungere le soglie, e quindi la frequenza


ovcin




31


32






ovcin




33

VCO con circuito risonante

Adatti per frequenze elevate

Per bassa dinamica, variazione di frequenza ottenuta variando

condensatore C (circuito con varicap)induttanza L (più raro)

Per alta dinamicabattimento con riferimento fisso

ωO = ωO R - ωOCfisso variabile

34

Rumore di fase

Piccole variazioni casuali (rumore) sulla Vcdeterminano variazioni di frequenza

rumore di fase

allarga lo spettro della Vo

f


ovcin




35

Rumore di fase

Piccole variazioni casuali (rumore) sulla Vcdeterminano variazioni di frequenza

rumore di fase

allarga lo spettro della Vo

Variazioni periodiche della Vcdeterminano spostamenti sistematici nello spettro

spurie(modulazione di frequenza della portante)

f

36

Riduzione del rumore

Per ridurre rumore e spurie:

banda di anello largala reazione compensa i disturbi iniettati entro l’anello

correzione diretta delle variazioni periodichesintetizzatori frazionari


ovcin




37


38






ovcin




39

Modulazione e demodulazione FM

Frequenza del segnale Fp, modulante M(t)Fp = Fpo + K M(t)allargamento dello spettro legato a K

Demodulazione:(tecniche derivate da AM)

tecniche a PLLFp deve rientrare nel campo di mantenimentoM(t) proporzionale a Vc(t)

esempi con simulatore

40

Demodulazione FM con PLL


ovcin




41


42






ovcin




43

Modulazione e demodulazione AM

Modulazione:prodotto di portante P (frequenza Fpo) con modulante M(t)

in t: M è l’inviluppo del segnale in uscitain F: traslazione dello spettro di M su Fpo

Demodulazioneestrarre l’inviluppo

raddrizzatore a 1 o 2 semionde e filtro

riportare M in banda base (traslazione di spettro)demodulazione coerenteserve un segnale di riferimento: PLL

44

Modulazione e demodulazione AM

Modulazione AM

segnale modulante: A sen ωt + Bmax: A+B, min: B-Aindice di modulazione m m = (max-min)/(max+min) = A/B

Esempi (da simulatore del testo)AM modulata al 25% (m = 0,25)AM modulata al 50% (m = 0,5)AM modulata al 100% (m = 1)AM modulata al 200% (PSK-180°) (modulazione a portante soppressa)


ovcin




45

Demodulatore di inviluppo

Voltmetro di piccocon perdite

Il condensatore si carica sui picchi positivie si scarica su R

Problemi di soglia del diodorumore

46

Demodulatore coerente

Il filtro B1 riduce il rumore fuori banda Il PLL genera il segnale di riferimento Il filtro B3 isola lo spettro in banda base


ovcin




47

Effetto delle variazioni di frequenza

Variando Fi nasce un errore di faseper spostare il VCO serve una Vc ≠ 0

per avere Vc ≠ 0 serve θe ≠ 0errore di ampiezza proporzionale a cos θedemodulazione incrociata (da AM a FM)

ωo

48

Effetto delle variazioni di frequenza

Variando Fi nasce un errore di faseper spostare il VCO serve una Vc ≠ 0

per avere Vc ≠ 0 serve θe ≠ 0errore di ampiezza proporzionale a cos θedemodulazione incrociata (da AM a FM)

Per ridurlaaumentare il guadagno di anellodemodulatori I/Q

ωo


ovcin




49

Demodulatore a due rami

Demodulazione separata delle componenti I/Q(fase e quadratura), seguita da ricostruzione

Va è indipendente dallo sfasamento tra Ve e Vo

50

Demodulatori FSK

Modulazione a salto di frequenzaFrequency Shift Keyed, FM su 2, …N frequenze

Demodulazione con:unico PLL sempre agganciato, variazione di Vc

banda larga, risposta veloce ma sensibile al rumorebanda stretta, risposta lenta

un PLL per ogni frequenzademodulatori AM coerenti, confronto tra le uscitebanda stretta, risposta lenta

banco di filtri e demodulatori di inviluppoconfronto uscite demodulatori (WTA)


ovcin




51

Demodulatori PAM

Modulazione di ampiezza discretaPulse Amplitude Modulation (anche ASK)AM con M numerico (2, …N ampiezze)

esempio

Demodulazione con: demodulatori di inviluppo

demodulatore coerente PLL sempre agganciato

demodulatori e banco di comparatori

52

Demodulatore PAM-PSK

Modulazione in ampiezza e faseQAMCostellazione dei segnali

Demodulazione I/Qdalle due componenti (ricavate con demodulazione coerente) si possono ricavare

modulo (parte PAM) e fase (parte PSK)coordinate I,Q del simbolo

I

Q


ovcin




53


54






ovcin




55

Tone decoder integrato

Obiettivo di un tone decoder (decodificatore di tono):

riconoscere la presenza del tono anche in presenza di forte rumore

Schema a blocchi NE 567PLL con DF analogicoDemodulatore AM sincronoAccetta solo piccole variazioni di frequenzaDemodulazione interna analogicaUscita esterna ON/OFF

56

Tone decoder: specifiche

Campo di frequenzavalori ammessi per il tono da riconoscere

Larghezza di bandaampiezza della finestra antro cui si accetta il tono

Campo di ampiezzeingresso massimo in banda non riconosciutoingresso minimo in banda riconosciuto

Rumoredisturbi a banda stretta e larga ammessi


ovcin




57

Tone decoder: tensioni di ingresso

Immunità al rumore

possibilità di riconoscere il tono anche il presenza di rumore con potenza maggiore del segnale

(fuori banda) / (in banda): + 6 dB(segnale) / (rumore a banda larga): - 6 dB

58

Tone decoder: demodulatori F e AM

Demodulatore di fase e demodulatore di ampiezza:

moltiplicatori con cella di Gilbert

linearizzazione con Re

Ingresso Vx

Ingresso Vy

Uscita Iz (corrente)


ovcin




59

VCO a corrente-condensatore (I-C)

VCO a corrente fissa, soglie variabiliPiccola escursione di frequenza

60

VCO fase/quadratura

VCO a corrente fissa, soglie variabiliPiccola escursione di frequenzaTerzo comparatore per l’uscita sfasata (Va)

Va

VoT3


ovcin




61

NE 576 - caratteristica demod. AM

Tensione di controllo del VCO(caratteristica a farfalla)

Tensione di uscita del demodulatoredi ampiezza(caratteristica a coseno)

62

Sommario lezione B3

Banda equivalenteil PLL come filtro passa banda

Oscillatori a frequenza variabile: VCO e CCOesempi di VCO/CCO L-C e I-C

Demodulatori con PLLdemodulatori AM e FM, demodulatori coerenti

Tone decoder integrato

Esercizio B3.1: Demodulatore coerente.


ovcin




63

Verifica lezione B3

In un PLL con DF analogico, la banda equivalente dipende dall’ampiezza del segnale di ingresso?

Quali sono le differenze tra un “filtro PLL” e un filtro convenzionale?

Come ridurre la sensibilità alla FM in un modulatore AM coerente?

Quali parametri definiscono le prestazioni di un tone decoder?

Spostando verso la DC il polo della F(s), la banda equivalente aumenta o diminuisce?

64

Prossima lezione (B4)

Sintetizzatori di frequenzasintetizzatori a interi e frazionariSintesi digitale diretta (DDS)

Sincronizzazione dati e clockClock/data recovery

Analisi di un PLL integrato

Riferimenti nel testosintetizzatori e DDS 3.7.4, 3.7.5sincronizzazione clock 3.7.3, 3.7.6


ovcin


Documents

Elettronica per le telecomunicazioni 01/12/2003corsiadistanza.polito.it/on-line/Elettronica... · ) ha ampiezza nota e costante, e fase stabile (il segnale di controllo è filtrato