Laboratórium 2 - 10. Mérés ellenőrző kérdései

← Vissza az előző oldalra – Laboratórium 2

← Vissza az előző oldalra – Laboratórium 2 - 10. Mérés: 900 MHz-es FSK adatátviteli berendezés mérése

1. Mi a PLL? Rajzolja fel egy PLL áramkör blokkvázlatát és tipikus zárthurkú átviteli karakterisztikáját!

A PLL (Phase-Locked Loop) egy olyan szabályozási kör, amely kimeneti jelét egy bemeneti jelhez (referencia jelhez) képes szinkronizálni mind frekvenciában, mind fázisban. Ha a két jel szinkronban van a be- és kimeneti jelek közötti fáziskülönbség a frekvenciától függő értéket (pl. 0-t) vesz fel. Egyes alkalmazásai: FM, AM... demodulátor, szinkronizáció detektor, négyszögjel előállítás, frekvencia sokszorozó stb.

A tipikus zárthurkú átviteli karakterisztikát, aki tudja rajzolja fel pls!
Az alábbi kép nem biztos, hogy helyes, google dobta ki:

Általánosan a hurokerősítés (felnyitott PLL kör átvitele):
$G(s)=K_{d}F(s){\frac {K_{v}}{s}}$ , ahol
K_d: Fázisdetektor(PD) átviteli tényezője
F(s): Aluláteresztő szűrő átviteli karakterisztikája
K_v: VCO átviteli tényezője

Zárt hurok átvitele ebből:
$H(s)={\frac {G(s)}{1+G(s)}}$

2. Mi a DDS? Rajzolja fel egy DDS blokkvázlatát! Hogyan határozható meg a DDS kimenőjelének frekvenciája?

A DDS (direct digital synthesizer) egy olyan eszköz, ami egy fix frekvenciájú jelből (órajelből) más jeleket állít elő. (A más jelek tulajdonságai függnek a DDS megvalósításától, programozásától és programozhatóságától, stb.)

A laboron használt DDS esetén a kimenőjel frekvenciája szabályozható az A és B kódszó tartalmával (0 illetve 1 üzemmód), illetve FSK moduláció esetén a D kódszó által hordozott frekvencialökettel. A kimenő frekvencia felső határa 4 MHz, a DAC miatt megjelenő zavarójeleket kiszűrő aluláteresztő szűrő miatt. Ezért az $f_{CLK}/4$ által szabott 6,5 MHz-s határ nem érdekes.

A csatolt fájlok között az alaklmazott DDS blokkvázlata is megtalálható, de itt egy egyszerűsített verziót rakok be:

DDS kimenő frekvenciájának meghatározása

Modulálatlan esetben a DDS kimenő frekvenciája: $f_{s}=Nf_{DDS}=N{\frac {DDS\_x}{2^{24}}}f_{CLK}$, ahol

N: A PLL N osztási száma (tehát ennyivel szorozza fel a kimenő frekvenciát)
DDS_x: "0" vagy "1" üzemmódot meghatározó kódszó, értéke "A" vagy "B"
f_CLK: 26,000 MHz

FSK esetén:
DEV: 0-1 (alacsony-magas) adatbitek kiadásakor hozzáadja a DDS frekvenciaregiszter tartalmához

Felbontás:$\Delta f_{s}=N{\frac {f_{CLK}}{2^{24}}}\Rightarrow$ 0 és 1 biteknek megfelelő frekvenciák: $f_{LOW}=N{\frac {DDS\_x}{2^{24}}}f_{CLK};f_{HIGH}=N{\frac {DDS\_x+4DEV}{2^{24}}}f_{CLK}$

Ebből a DDS sávközépi frekvenciája: $f_{FSK}={\frac {f_{LOW}+f_{HIGH}}{2}}$

Lökete pedig: $\Delta FSK=N{\frac {DEV}{2^{23}}}f_{CLK}$

3. Sorolja fel egy FSK jel paramétereit!

• $A$ - Jel amplitúdója
• $f_{v}$ - Vivőfrekvencia
• $f_{D}$ - Frekvencialöket

4. Rajzolja fel egy FSK adó blokkvázlatát!

5. Rajzolja fel az egyszer transzponált FSK vevő blokkvázlatát! Mit jelent a felső és alsó keverés?

Feladat: Milyen frekvenciára kell beállítani a helyi oszcillátort felső keverés esetén, ha 915.2 MHz-es akarunk venni és a keverő utáni sávszűrő (KF szűrő) sávközépi frekvenciája 10.7 Mhz?

Megoldás: A helyi oszcillátor $f_{0}=915.2+10.7=925.9\;MHz$ -re kell állítani a megadott paraméterek esetén.

Felső keverés esetén a helyi oszcillátor frekvenciája a KF szűrő sávközépi frekvenciájával nagyobb mint a vételi frekvencia. Alsó keverés esetén pedig ennyivel kisebb.

Az egyszer transzponált FSK vevő blokkvázlata:

6. Rajzolja fel egy FSK demodulátor blokkvázlatát!

Az FSK jel demodulálására itt fázistoló szorzót alkalmazunk:

7. Mi az a nagylöketű FSK, és mi határozza meg ekkor az FSK jel sávszélességét?

Frekvenciamodulációs tényező: $m_{f}={f_{D} \over f_{m}}$

ahol:

• $f_{D}$ a frekvencialöket
• $f_{m}$ pedig a moduláló jel frekvenciája

Ha $m_{f}>10$ , akkor nagylöketű FSK jelről beszélünk.

Sávszélessége a Carson-szabály segítségével meghatározható: $B=2\cdot (f_{D}+f_{m})$

8. Ismertesse a spektrumanalizátor felépítését és működését!

A bementi csillapító (attenuator) lehetővé teszi, hogy széles bemeneti tartományban működhessen a rendszer. Ezután az aluláteresztőszűrő kiszűri a működési frekvenciasávon kívűli jeleket. A keverő a VCO jelével egy középfrekvenciás jelet állít elő, ami a bemeneti jel frekiben való eltolásának felel meg. A VCO jelét egy fűrészjellel folyamatosan változtajuk, így végighangoljuk az egész beállított frekvenciatartományt. Az állítható szélességű sávszűrőn (Res BW Filter) csak egy keskeny frekvenciasáv kerül a detektorra. Itt a demodulált jel a képernyő Y irányú eltérítése, az X irányú eltérítés pedig a frekvenciával (fűrészgenerátor jelével) arányos. Ezért a spektrumanalizátor egy szuperheterodin vevőkészülék, mivel a bemenő frekvenciatartományt egy konstans frekvenciára hangoljuk detektálás előtt.

9. Mi az a fázis- és a frekvenciadiszkriminátor? Rajzoljon fel egy tipikus frekvenciadiszkriminátor transzfer karakterisztikát!

Feladat: Az FSK AÁB melyik blokkjában használják a fázisdiszkriminátort, és melyikben a frekvenciadiszkriminátort?

Medáldogás: aki nagyon vágja a témát és ért hozzá, az NE tartsa magában a megoldást! ;)

A fenti képen van néhány fázisdetektor, amelyből az alső 2 frekvenciadetektor is egyben.

Ez úgy lehetséges, hogy az a bizonyos alsó 2 ún. töltéspumpa szűrővel van ellátva a kimenetén, ami frekvencia eltérés esetén a PD-ből érkező egyre szélesebb \UP vagy \DOWN impulzusok miatt egyre nagyobb feszültséget ad a VCO-nak (vagy egyre kisebbet), így egy idő után "behúzza" omega2-t omega1-hez, és belockol a PLL. A felső 2 nem érzékeli a frekvenciakülönbésget, mivel nincs töltéspumpájuk, és karakterisztikájuk - mint a képen is látszik - periódikusan ismétlődik. Tehát ha 2 különböző frekit adunk egy ilyen PD-re, akkor a VCO vezérlőfeszültsége, és emiatt a VCO kimeneti frekvenciája is csak oszcillálni fog egy adott freki körül, de nem fog lockolni. A 3. számú PD a képen alacsony frekvencia eltérésnél szintén nem tud belockolni, ezért lassan oszcillálni fog a referenciafreki körül a beállítandó omega2.

10. Mit jelentenek a következő betűszavak: ISM, FSK, FM, RF, PLL?

• ISM: Industrial Scientific and Medical - A 900 MHz körüli, szabad felhasználású (előzetes engedélyezéshez nem kötött) frekvenciasávok.
• FSK: Frequency Shift Keying (ferekvenciabillyentyűzés) - A vivő frekvenciájának két fix érték közötti kapcsolgatásával létrehozott digitális modulációs eljárás.
• FM: Frequency Modulation - Olyan modulációs eljárás, ahol a moduláló jel a vivőhullám pillanatnyi frekvenciájával áll kapcsolatban.
• RF: Radio Frequency - Rádiófrekvencia.
• PLL: Phase-Locked Loop (fáziszárt hurok) - Többek között demodulálásra is alkalmazható áramkör (szabályozási kör).

11. Ismertessen egy egyszerű frekvenciadiszkriminátor megvalósítást!

A frekvenciában modulált $s_{FM}(t)$ jel egy fázistolóra jut, ami a jel pillanatnyi frekvenciájával arányos, és sávközépen -90 fok. A szorzó és aluláteresztő szűrő egy kvadratúra demodulátort alkotnak, aminek a kimenete 0 V, ha a szorzó bemenetein lévő jelek kvadratúrában vannak. (Tehát 90 fok fáziskülönbség van köztük.) -> A kimenő $V_{0}(t)$ arányos az $s_{FM}(t)$ jel frekvenciájával.

12. Mi az a csillapítótag? Rajzoljon fel egy asszimmetrikus csillapítótag megvalósítást!

A csillapítótag (attenuator) egy olyan áramkör, ami a bejövő audió vagy rádiójel amplitúdóját csökkenti lehetőleg torzítás nélkül.

Legegyszerűbb megoldás egy (változtatható) ellenállásokból felépített feszültségosztó.

A kért ábra is erre vonatkozik. Asszimmetrikus - mint különböző be- és kimeneti ellenállású.

"L" tag HamWiki

Ismerünk ugyebár PI és T tagot még jelek1-ből, amik szimmetrikusak, mivel teljesen mindegy, hogy melyik oldala a bemenet, és melyik a kimenet, az szépen impedanciahelyesen leosztja a feszültséget. Az L tag viszont csak egyik irányban működik helyesen (ahogy a képen most van), ha megfordítjuk a be-kimenetet akkor már nem fogja leosztani a feszültséget. Ezért ez asszimmetrikus tag.

Előnye viszont, hogy kevesebb alkatrész kell hozzá.

Léteznek természetesen bonyolultabb kapcsolások is...

13. Mi az a SPAN, RBW, VBW a spektrumanalizátoron?

• SPAN: A sweep hossza, tehát az a frekvenciatartomány, amit vizsgálok. Ezt végső soron ugye a VCO-ra adott háromszögjel határozza meg.
• VBW: A spektrumanalizátor Video szűrőjének 3 dB-s sávszélessége. Praktikusan a függőleges felbontás.
• RBW: A spektrumanalizátor Res BW szűrőjének 3 dB-s sávszélessége. Praktikusan a vízszintes felbontás.

14. Hogyan mérjük meg egy szinuszos jel frekvenciáját és teljesítményét spektrumanalizátorral?

Az ideális szinuszjel spektruma egyetlen dirac impulzus azon a frekvencián, amilyen frekvenciájú a szinusz. A zajok és nemlinearitások miatt azonban a valóságban megjelennek kisebb amplitúdójú felharmonikusok és köztes komponensek is. Tehát megkeresem a legnagyobb amplitúdójú spektrumkomponens helyét és az lesz a szinusz frekvenciája.

Egy jel teljesítménye a Parseval-tétel alapján számítható az amplitúdóspektrum négyzetének integráljaként is.

15. Hogyan mérné meg egy heterodin vevő érzékenységét és átviteli karakterisztikáját?

Érzékenységet a bemenő jel amplitúdójának folyamatos növelésével, a kimenetet figyelve.

Átviteli karakterisztikát az amplitúdó/frekvencia növelésével, a kimenetet figyelve.

16. Mi az a fáziszaj? Miért van fáziszaja a DDS-nek? Hogyan néz ki a fáziszajjal terhelt szinuszos jel spektruma?

A fáziszaj a különböző zavarok (termikus zaj, sörétzaj) hatására a jelben megjelenő fázisváltozás. A DDS fáziszaja elsősorban a referenciajel fáziszajából származik, ezt a DDS a frekvenciaosztási aránynak megfelelően elnyomja. Létezik az eszköznek maradék fáziszaja is, ami ideális referenciajel esetén kapott fáziszaj lenne. Ez modern integrált áramköröknél kb. -140 dBc/Hz, 10 kHz offsetnél.

Fáziszajjal terhelt szinusz spektruma:

17. Hogyan mérné meg egy DDS üzemi frekvenciatartományát?

"0" üzemmódban folyamatosan növelném az "A" kódszó értékét, közben a kimenetén mérném a frekvenciát.

18. Mit jelentenek a következő betűszavak: AM, OOK, ASK?

• AM: Amplitude Modulation (amplitudómoduláció) - Olyan analóg moduláció, az A(t) időfüggő értéke hordozza az információt.
• OOK: ON/OFF Keying - Olyan ASK moduláció, ami a 0 továbbítandó jelhez 0 A(t)-t választ.
• ASK: Amplitude Shift Keying (amplitudóbillentyűzés) - Olyan digitális moduláció, az A(t) időfüggő értéke hordozza az információt.

19. Ismertesse a Carson-összefüggést!

Carson-összefüggés: $B=2\cdot (f_{D}+B_{m})$, ahol $B_{m}$ a moduláló jel sávszélessége.

Ez durvább becslés, mint az egyébként szinusz esetére adott.

20. Mit jelentenek a következő betűszavak: dBm, dBmű, dBc?

• dBm: Az 1 mW-ra vonatkoztatott teljesítményviszony dB-ben mérve.
• dBmű: Az 1 mikroV-ra vonatkoztatott feszültségviszony dB-ben mérve.
• dBc: A vivőhullámra vonatkoztatott jelszintviszony dB-ben mérve.