Radiofrekvens (RF)kommunikasjon Knut Harald Nygaard
Radiokommunikasjonssystem Informasjonskilde Sender Mottaker Informasjon Radio og TV, mobile radiosystemer, mobiltelefoner og punkt-til-punkt mikrobølge flerkanals multimedia radiosystemer er noen få eksempler på radiokommunikasjonssystemer.
Sender og mottaker Basebåndsignal RF inn RFtrinn Modulator Demodulator RF Utgangsforsterker Basebåndforsterker Modulert utgang Basebåndsignal Ved å sende på en høyere frekvens kan en bruke antenner med mer praktiske dimensjoner siden disse er mest effektiv når deres størrelse er av samme orden som bølgelengden. Bølgelengden er omvendt proporsjonal med frekvensen: c (c=300 Mm /s) f Ved å bruke forskjellig bærebølgefrekvens for forskjellige informasjonssignaler, kan flere slike signaler overføres samtidig uten å forstyrre hverandre. λ=
RF utgangsforsterker VDD TR2 C3 TR1 Ut T C2 Inn Bias C1 Figuren viser en utgangsforsterker som kan arbeide i klasse A eller C. Det er størrelsen av forspenningen, merket BIAS i figuren, som vil avgjøre hvor stor del av perioden transistoren vil ha en drenstrøm. Inngangssignalet fødes til transistoren via en transformator. Utgangssignalet tas ut via en tank-krets avstemt til resonansfrekvensen (senderfrekvensen): ω = 1 0 LC
RF inngangsforsterker R2 Inngangen på radiomottakere utgjøres C C av ett eller flere aktive RF-trinn. RFTR TR T trinnet skal forsterke det svake anc C C R Inn Ut tennesignalet til et spenningsnivå som C passer til de etterfølgende trinn og AGC V skille ut bare det frekvensbåndet vi er Avstemming interessert i å motta. Signalet fra antenna tilføres en transformator, som sammen med kondensatorene på dens sekundærside utgjør en avstemt krets. Avstemmingen skjer ved hjelp av den variable kondensatoren C2 til det frekvensbåndet vi er interessert i å motta. Transistoren T er det aktive elementet i figuren og er en såkalt 'Dual Gate' MOSFET. Det avstemte signalet tilføres den ene grinden, mens den andre tilføres et like-spenningssignal, merket AGC ('Automatic Gain Control'). Denne likespenningen bestemmer størrelsen på drenstrømmen og dermed forsterkningen. På transistorens utgang er det en ny parallellresonanskrets som avstemmes ved hjelp av C5 til det samme ønskede frekvensbåndet som på inngangen. Resultatet er en avstemming som gir en god selektivitet. 3 1 6 2 1 4 2 1 5 DD
Amplitudemodulasjon AM-signal (nederst) og modulerende sinusbølge (øverst). Uten modulering er bærebølgen ut fra modulatoren gitt ved: v c = VC cos(ω c t ) Sinusbølge informasjonssignal med amplitude Vm og vinkelfrekvens wm: v m = Vm cos(ω m t) Det amplitudemodulerte signalet: v c = VC cos(ω c t ) + 1 1 V m cos(ω c +ω m) t + Vm cos(ω c ω m ) t 2 2
AM-spekter Amplitude fc-fm Amplitude fc fc+fm f fc-fm fc fc+fm f AM-signal for AM-signal for entone-modulasjon modulerende informasjonssignal AM-signal båndbredde: BAM = 2fm Ved entonemodulasjon (m = Vm/VC = modulasjonsindeksen): ( v c = VC cos( ωc t) + m m cos(ω c +ω m ) t + cos(ωc ω m ) t 2 2 Relativ amplitude Relativ effekt 1 1 Nedre sidefrekvens m/2 m /4 Øvre sidefrekvens m/2 m2/4 Bærebølge 2 Relativ amplitude og effekt for AM. )
Frekvensmodulasjon Frekvensmodulasjon (nederst) og modulerende sinusbølge med frekvens fm og amplitude Vm (øverst). Den umodulerte bærebølgen: v c = V C cos ( ωco t } FM-signal ved entonemodulasjon (m = ΔωC/ωm = ΔfC/fm = modulasjonsindeksen): v c = V C cos ( ωco t + m sin (ω m t) } Maksimal vinkelfrekvensdeviasjon (k = følsomhet til modulasjonskrets): kv m = Δ ωc
FM-spekter Amplitude Amplitude f fc 2fm fc m=1 fc+2fm f fc 5fm fc fc+5fm FM-spekter ved sinusbølgemodulasjon og to forskjellige modulasjonsindekser m=4 Båndbredden til et FM-signal (etter Carsons regel): B = 2(ΔfC+fm) Eksempel: Nødvendig båndbredde for et FM-signal med maksimal deviasjon lik 75 khz når det antas at audiosignalet maksimalt kan ha en frekvens på 15 khz: B = 2(ΔfC+fm) = 2(75 + 15) khz = 180 khz FM-båndet i Norge dekker frekvensområdet 87,5-108 MHz. Hver stasjon disponerer i prinsippet en båndbredde på 150 khz (en frekvensdeviasjon på ±75 khz), med en avstand på 200 khz mellom hver stasjon.
TRF-mottaker RFsignal 1. RFtrinn 2. RFtrinn 3. RFtrinn Detektor Demodulert signal Avstemming Blokkskjema for TRF-mottaker (TRF: Tuned RF). Alle trinn må kunne dekningsområdet. avstemmes til hele
Superheterodynmottaker RFsignal RFtrinn frf fif=flo±frf Blander IFtrinn fif=flo frf Detek- Demodulert tor signal flo Avstemming Lokaloscillator Blokkdiagram for en superheterodynmottaker. Lokaloscillatoren (LO) avstemmes normalt til en mellomfrekvens (IF) over lokaloscillatoren. Dermed trenger påfølgende trinn kun å behandle signaler ved mellomfrekvensen.
Frekvensspektrum Mulig interferens fif fif f fif frf Ønsket kanal flo frf2 Forstyrrende kanal Frekvensspektrum for superheterodynmottaker (med mulig interferens fra forstyrrende kanal).
Amplitudeskiftnøkling - ASK Tidsvariasjon for logisk 1 og 0 (Amplitude lik 0 for logisk 0 øverst). Frekvensspektrum for ASK. fc
Frekvensskiftnøkling - FSK Tidsvariasjon for logisk 1 og 0. Frekvensspektrum for FSK. fc1 fc2
Faseskiftnøkling - PSK Tidsvariasjon for logisk 1 og 0. Frekvensspektrum for PSK som for ASK. fc
QPSK 0,1 0,0 1,1 1,0 1 0 a) b) Fasediagram for PSK (a) og QPSK (b). I fase: Cosinus-bærebølge 90 grader: Sinus-bærebølge
QAM 111 101 100 110 000 010 001 011 a) 1011 1001 0001 0011 1010 1000 0000 0010 1110 1100 0100 0110 1111 1101 0101 0111 b) Fasediagram for Kvadratur AM: 8-QAM (a) og 16-QAM (b).