Sender- / Empfängerarchitekturen
© Roland Küng, 2010
1
Sender (TX) und Empfänger (RX)
 RF-Band wird genutzt um mehr Bandbreite zu haben und
um sich an den Übertragungskanal anzupassen
 Moderne Sender Empfänger bestehen aus einem DSP Teil für
Base-Band und IF-Band sowie einem breitbandigen RF-Teil
DA-Converter
d[n]
IQ Modulator
Base Band
d‘[n]
Up Converter
IF Band
IQ Demodulator
Power
Amplifier
TX
Front End
Filter
RX / TX
Duplexer
RF Band
Down Converter
Low Noise
Amplifier
Kanal
RX
Front End
Filter
AD-Converter
Betrachtung am Beispiel Funktechnik: grösste Komplexität
2
Modulation
Wozu ?
 Kanal ist nur in bestimmten Frequenzbereich nutzbar
 Signal muss einem Träger eingeprägt werden
 Folgende Möglichkeiten bieten sich an:
1
v  Vc sin  2 fct   
Voltage (V)
0.5
0
-0.5
-1
0
0.5
1
1.5
2
T ime (msec)
2.5
2
T ime (msec)
2.5
3
3.5
4
-3
x 10
1
Voltage (V)
0.5
0
-0.5
-1
0
amplitude modulation
0.5
1
1.5
3
3.5
4
-3
x 10
frequency modulation
angle modulation
phase modulation
3
Modulation Amplitude
Einfachste Sendearchitektur
On/Off Keying: OOK
…oder Kabel oder Glasfaser
On/Off Key
Minimale Komponenten:
einen frequenzstabilen Oszillator (Quarzoszillator)
einen Modulator (Schalter)
einen Leistungsverstärker
eine Antenne
4
AM-Sender
für allg. Modulationssignale
Lineare Signale steuern Arbeitspunkt des HF-Verstärkers
und damit die Verstärkung:
 Amplitudenmodulation AM
Beispiele: - Mittelwellen Radio
- Kurzwellenfunk
- Flugfunk
5
Modulation Phase / Frequenz
Frequenzgang Z(f)
• Verstimmen des Schwingkreises in einem Filter führt zu
Phasenverschiebung bei der Sendefrequenz  PM
• Verstimmen des Schwingkreis in einem Oszillator führt zur
Veränderung der Schwingbedingung  FM
6
Modulation Phase / Frequenz
s(t)
s(t)
Integrator
Phasen
modulator
FM
Differentiator
Frequenz
modulator
PM
 Alternative FM- bzw. PM- Erzeugung mit Hilfe von Vorverarbeitung
7
Einfacher Phasen-Modulator
Schwingkreis
mit Auskopplung
f0 konstant
Variables C
mit Kapazitätsdiode
(Varactor, Varicap)
Verstimmen des Schwingkreises C1L führt zu Phasenverschiebung
bei der Sendefrequenz
8
Einfacher Frequenz-Modulator
AC
DC
Verstimmen des Schwingkreises C7, C8, L, V1 führt zu Änderung der
Sendefrequenz (Colpitts-Oszillator in Kollektorbeschaltung um Q1)
V1: Variables C
mit Kapazitätsdiode V1
(Varactor, Varicap)
9
PM / FM - Sender
RF
Analog oder DSP
Phase
Modulator
FM
Modulator
cos(0 t  (t))2  cos(20 t  2(t))  DC
Analog
PM: Schwingkreis verstimmen mit Varicap
FM: Oszillator verstimmen mit Varicap
/
DSP
/ Direct Digital Synthesis
/ Direct Digital Synthesis
Vorteil von PM/FM im Sender:
Endstufe muss nicht linear sein (Klasse C)  bessere Effizienz als AM
10
FM / PM Frequenzvervielfachung
z.B.
• Modulator bei niedriger Zwischenfrequenz realisieren
• Signal durch Nichtlinearitäten auf Sendefrequenz multiplizieren
• Effiziente Nichtlinearitäten sind Klasse C Verstärker und Mischer: Schaltbetrieb
• Filtern der Harmonischen mit abgestimmten Parallelschwingkreisen
oder Quarz-, SAW-, LC Filter
Beispiele: FM Sender UKW, TV, CB-Funk
11
Mischen:
Multiplikation mit Trägerschwingung
y(t) = s(t)∙cos(2πf0t)
s(t) = A∙cos(2πfmt)
cos(2πf0t)
Ausgangssignal:
y(t)
Beispiel: A=1,
f ==1 s(t)∙cos(2f
kHz, f = 20 kHz0t)
m
s(t)
Spektrum:
0
Y(f) = (1/2)∙S(f+f
y(t)
0) +(1/2)∙S(f-f0)
S(f)
 Double Sideband (DSB)
f
-f0
f0
B
Y(f)
S(f+f0)/2
USB
LSB
S(f-f0)/2
LSB
USB
f
-f0
Note: Enthält A DC-Anteil entsteht AM (DSB plus Träger)
f0
12
SSB Sender
Bandbreite sparen: Single Sideband (SSB) Modulation
IF
MIC
SSB
f
Baseband
IF
USB
f
Filtermethode:
• Unbedingt Zwischenfrequenz (ZF, IF) verwenden
• Benötigt steiles Seitenbandfilter (Quarzfilter) auf ZF
 Lower oder Upper Sideband (LSB/USB)
Notes: - ohne Seitenbandfilter erhält man DSB
- mit Unbalanced Modulator (Mischer mit DC-Offset) entsteht AM
13
IF to RF Conversion
Dies ist eigentlich nichts anderes als SSB mit dem IF-Signal als Input
(kleine relative Bandbreite)
 und  Frequenzen
Ansatz 1:
 Filtermethode
RF
IF
MixerIn
f
Seitenbandfilter 
MixerOut
f
LO
Bsp. ZF = 10.7 MHz, LO = 87.3 MHz  RF = 98 MHz, B = 100 kHz
Filter muss erst bei 87.3 MHz oder 76.6 MHz stark dämpfen
14
IF to RF Conversion
Dies ist eigentlich nichts anderes als SSB mit dem IF-Signal als Input
(kleine relative Bandbreite)
10.7 MHz
Ansatz 2:
 900 Phasenschieber
(Allpass)
IF
87.3 MHz
900
RF
98 MHz
00
Bsp. FM Radio: ZF = 10.7 MHz, LO = 87.3 MHz  RF = 98 MHz, B = 100 kHz,
900 Phasenschieber bei 10.7 MHz machbar, muss nur 1% Bandbreite abdecken
15
Die moderne SSB-Erzeugung
Amplitude
Phase
Nachrichtensignal (Inphase): i(t )  Vm cos(2fmt  m )
Frequenz
s(t)  Vm cos(2(fc  fm )t  m )
Sendesignal (z.B. LSB):
Wie kann ich das erzeugen?
s(t)  Vm cos(2(fc  fm )t  m )  Vm cos(2fmt  m )  cos(2fc t)  Vm sin(2fmt  m )  sin(2fc t)
q(t )  Vm sin(2fmt  m )
Allg. Erzeugung des Quadratursignals q(t):
Hilberttransformierte von i(t) mit DSP berechnen,
d.h. Filterung von i(t) mit HH
Hilbert Transformation siehe Wikipedia
16
Die moderne Senderlösung heisst
I/Q-Modulation
Anwendungen:
• Für SSB, ISB sofern I und Q ein Hilbert-Paar sind (900 phasenverschoben).
Hilbert Transformation siehe Wikipedia
• Für komplexe Modulationen:
Signale I und Q im selben Band übertragen und im Empfänger wieder zerlegen,
indem man die Orthogonalität von Sinus und Cosinusträger ausnutzt.
 sin(t)  cos(t)  dt  0
T
17
Die komplexe Modulation
Man kann 2 beliebige Signale im selben Band übertragen
und im Empfänger wieder zerlegen !
Basisband
RF
s(t)
s(t)  V(t)  cos(2fc t  (t))  i(t)  cos(2fc t)  q(t)  sin(2fc t)
• Führt zu den heute verbreiteten digitalen komplexen Modulationsverfahren:
i(t) und q(t) nehmen je für eine Anzahl Bit den entsprechenden analogen Wert an
• I und Q kann man als komplexes Zeitsignal i(t)+jq(t) auffassen
• Diese Architektur nennt man auch Direct Up-Conversion
18
Beispiel komplexe Modulation: QAM
I-Signal: I(t) mit 4 möglichen DC-Werten: ±1 und ±3
Q-Signal: Q(t) mit 4 möglichen DC-Werten: ±1 und ±3
16-QAM: Quadratur Amplitude Modulation: 4 Bit ergeben 1 Symbol
Q
s( t )
2
t
Ausgangsignal
z.B. DVB-T, ADSL…
I
a  cos(x)  b  sin(x)  a2  b2 cos(x  a tan(b / a))
19
Mathe für komplexe Zeitsignale
 Grundlage:
F()
Fouriertransformation
Spektren F() sind komplex-wertig
f(t) darf neu auch komplex sein
Eulersche
Formel
bringen cos und sin in Beziehung
2 cos(2f·t) = ej2f·t + e-j2f·t
2 sin(2f·t) = -j·ej2f·t + j·e-j2f·t
 Operationen am Zeitsignal
 Additionen
 f(t) = i(t) + j·q(t)


Multiplikation mit j / –j
Multiplikation mit ej2f·t / e-j2f·t
 Auswirkung im Spektrum
 Additonen im Spektrum
 I() +j·Q() = F()
 Drehung im Spektrum um 900 / -900
 Schieben im Spektrum rechts / links
Note: I / Q-Achsen des Zeitsignal sind nicht direkt vergleichbar mit RE / IM -Achsen des Spektrum
20
Die komplexe Modulation
Alternative: die komplexe Betrachtung
Basisband
r(t)
r( t )  i( t )  j  q( t )

RF
s( t )  RE r( t )  e jc t
s(t)
r(t) wird auch als Quadratursignal bezeichnet

 Das komplexe Spektrum R() ist die Summe des Spektrums von I() und
dem mit j multiplizierten Spektrum von Q() des komplexen Basisbandsignals r(t).
 Um S() zu erhalten wird R() wird nach rechts geschoben um c und
symmetrisch zur S-Achse ergänzt damit ein reelles Signal s(t) resultiert,
21
Quadratursignale unkompliziert
Q (Quadrature)
ej2fot
I (Inphase)
Komplexe Schwingung mit f0  0:
• Auffassung als komplexes Zeitsignal i(t) + j·q(t)
• Darstellung durch Projektionen in I/Q- Ebene
• Realisation durch separate i(t)- und q(t)- Signalzweige
22
Zusammenhang
Projektionen I,Q und Spektren
23
Quadratursignale unkompliziert
Drehung im Spektrum
Verschiebung im Spektrum
= Operation am Zeitsignal
*
= Multiplikation
Nützliche Äquivalenzen:
cos(2f·t) + j·sin(2f·t) = ej2f·t
2 cos(2f·t) = ej2f·t + e-j2f·t
cos(2f·t) - j·sin(2f·t) = e-j2f·t
2 sin(2f·t) = -j·ej2f·t + j·e-j2f·t
24
Spektren der 6 Grundsignale
2 cos(2f·t) = ej2f·t + e-j2f·t
2 sin(2f·t) = -j·ej2f·t + j·e-j2f·t
Note:
Faktor 2 aus der
Trigonometrie
nicht gezeichnet.
Nur relative
Amplituden
interessieren.
25
Beispiel: Mischen mit Cosinus und Sinus
Reelles gerades Signal
Note:
Faktor 2 aus der
Trigonometrie
nicht gezeichnet.
Nur relative
Amplituden
interessieren
26
Beispiel: IQ-Modulator für SSB
Mischen mit cos(2f·t) ~ ej2f·t + e-j2f·t
Nutzsignal
Hilbertsignal
Mischen mit sin(2f·t) ~ -j·ej2f·t + j·e-j2f·t
 ergibt unteres Seitenband LSB
 ergibt oberes Seitenband USB
27
Beispiel 1: IQ-Modulator für QAM
i(t) und q(t)
Notes: 2 cos(2f·t) = ej2f·t + e-j2f·t 2 sin(2f·t) = -jej2f·t + je-j2f·t
Orthogonalität bleibt auch für andere spektrale Lagen der reellen Signale erhalten
28

Present_lec4_architecture_2009