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Sender- / Empfänger Architekturen

© Roland Küng, 2012

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Einfachste Empfangsarchitektur

Der Empfänger hat folgende fünf Aufgaben zu erfüllen:

Er enthält einen Wandler (z.B. die Antenne), welche die verfügbare Empfangsleistung optimal an den Eingang abgibt

Er muss das Trägersignal auf der richtigen Frequenz in einem definierten Band im Spektrum empfangen können

Er filtert und verstärkt das Empfangssignal so, dass ein genügendes Signal- zu Geräuschverhältnis S/N entsteht

Er demoduliert die vom Sender dem Trägersignal zugefügte Information

Er entscheidet über die am wahrscheinlichsten gesendete Information

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Einfachste Empfangsarchitektur einst…

Geradeausempfänger Rosenmayer Wien

Baujahr 1920

2 Kreise (=Anzahl LC-Filter):

L1L2

C2

Rö1

C7

L3L5

Rö2

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… einfachste Empfangsarchitektur heute

Strukturgrösse @ 1000 MHz Periodendauer T = 1 ns Wellenlänge auf Substrat = 3…4 m Baugrösse wie IC‘s Durchbruch Mobilfunk

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Einfachste Empfänger (SAW)

UHF 434 MHz und 868 MHz Empfänger Source RF Monolithics

SAW RF FilterRF Amplifiers

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Surface Acoustic Wave (SAW)

Q = 1000

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Superheterodyn Empfänger

Wird eingesetzt wenn: • Höhere Frequenzen verwendet• Mehr Selektivität verlangt• Einfache Kanalwahl ausreichend

Aufgaben: • RF Filter: filtert Frequenzband des Systems (SAW)• IF (ZF) Filter: selektiert Kanal (SAW oder Keramik)• Synthesizer: für die Kanalwahl (PLL + DDS)

Super: Über(lagerung)Heterodyn: verschiedene Frequenz

IF: Intermediate Frequency = ZF ZwischenfrequenzRF: Radio Frequency

Basisband

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Design: Spiegelfrequenz Planung

f

S LO

RFSpiegelImage

IFIF

Low Side LO

f

S LORF Spiegel

Image

IFIF

High Side LO

Beide Bänder werden ins IF-Band gemischt !Spiegel (Image) muss vor dem Mischen durch Filter eliminiert werden

Spiegel hat Abstand 2·IF

Spiegel hat Abstand 2·IF

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Spiegelfrequenz Problem (Low Side LO)

2·fZF

Remember Mixing mit cos !

ejt

e-jt

S

RF RF

RF

ZF

RFBP

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Superheterodyn Empfänger

Wichtig beim Design: Spiegelfrequenz Planung

Wahl ZF so, dass mit RF Filter Spiegelfrequenz genügend unterdrückt wirdWahl ZF so, dass genügend hohe Filterselektivität (~Güte) realisierbar wird

z.T. widersprüchlich !

Güte

Technik Q f(max)RC: 40 50 MHzLC: 80 300 MHzKeramik: einige 100 100 MHzQuarz: einige 1000 100 MHzSAW: mehrere 100 3 GHz

b

fQ 0

hohe ZF

tiefe ZF

f0 Mittenfrequenzb Bandbreite

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Double Superhet

Beispiel: Narrowband FM89-107 MHz Band20 kHz Channels1. IF: 10.7 MHz2. IF: 465 kHz

b

fQ 0 Spiegel

Spiegel

LO

LO

Bsp. Empfang 91.5 MHz

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Direct Conversion RX

Spezialfall des Superheterodyn: fIF = 0

ZF Filter: einfacher RC Tiefpass

Aber: Spiegelfrequenz ist das eigene Signal selber Interferenz, Auslöschung (AM) RF Filter hilft nicht

Empfang allg. Signale

Note: Dieses Problem existiert im Direct Conversion TX nicht

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Direct Conversion RX

aber so ginge es:

Einzelmischer

Beweis:

I/Q- Demodulation mit sin- und cos- Trägersignal komplex-wertiges Zeitsignal am Ausgang (d.h. 2 Signale)

tj ce

Verzerrung

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I/Q Direct Conversion RX (Zero-IF)

tj ce

Komplexes Zeitsignal r(t):

))tsin(j)t(cos()t(r)t(qj)t(i cc

)t(qj)t(i)t(r

tj ce)t(s)t(r

s(t)

r(t)

Erinnerung Quadratursignale!

Spektrum: R() = I()+j·Q()

Direct Conversion mit LPF:

also:

R() ist nur S() verschoben nach rechts!

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Direct Conversion RX (Zero-IF)

Fast perfekt! Nachteile ?

ETSI Regulations: Erlaubt max. 4 nW Abstrahl-Leistung.

RF Filter hilft nicht,da fLO = fRF !

DC-Error an I und Qverursacht durch geringeMischer LO-Isolation

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Direct Conversion RX (Zero-IF)

tj ce 1. Beispiel

SSB Signal Empfang, z.B. FSK (Frequency Shift Keying) mit Frequenz fo = fc+df bzw. fc-df

fc

Input: s(t)=cos(2fo t)

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Direct Conversion RX (Zero-IF)

tj ce 2. Beispiel

DSB-Signal Empfang, z.B. AM eines Trägers bei fc mit +cos(2fo·t) bzw. -cos(2fo·t) Signal

fc

Input: s(t) =cos(2(fc+fo)t+)+cos(2(fc-fo)t+)

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Direct Conversion RX (Zero-IF)

tj ce

3. BeispielEmpfang orthogonales digitales I/Q Signal, z.B. 16-QAM

I und Q Ausgabein XY-Darstellung

Input s(t) = i(t)·cos(2(fc+)t+) + q(t)·sin(2(fc+)t+)

• rotierend mit • verdreht mit infolge Oszillatorabweichung und Doppler

Input Modulator

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Software Defined Radio (SDR)

RF/Analog FPGA, ASIC, DSP

Neueste, flexible Architektur und Implementations-Technologie

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Mixed Superhet – Direct Conversion

Bei starken RF Signalen (Störer) nahe beim Nutzsignal:IF mit SAW Filter reduziert Dynamik für A/D Converter Stufen

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IF Sampling und DDC

SDR Option:

• IF Sampling mit schnellem ADC oder Bandpass Sub-Sampling• Anschliessend digitale Direct Down Conversion (DDC)

NCO = DDS Direct Digital SynthesisLO = PLL based Synthesizer

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Broadband Multichannel SDR

Full Band DownconversionActive RC Filter (LC)

Conversion for Channel Selection DSP Filter

tj ce tj ie

complex signal !

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Broadband SDR: Channel Selection

tj ce

tj ie

1st I/Q Demod

2nd I/Q Demod

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Single Chip SRD

1st Generation Short Range Devices (SRD) for Battery Operation (434/868 MHz)Low Power, Low Cost, ASK Modulation

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Single Chip SRD

High Performance Short Range Single Chip Device (ZigBee) 2.45 GHzZigBee benutzt 4-QAM

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Single Chip SRD II

Preis 2009: 50 Cent bei 100‘000 pcs.

Ultra Low cost

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Single Chip WLAN Transceiver

WLAN Chipset: RF Chip plus Baseband/MAC Chip

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GPS Receiver

GPS Chipset: USB Stick Receiver

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DAB Receiver

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RFID EPC Gen2 UHF

signal

processor

direct conversion

receiver

modulationswitch

TX antenna

RX antenna

I Q

RADIATING ANTENNA

synthesizer

D

A

power amp

Lesegerät (Reader)

Passive Etikette (Tag)

10 mm

120 mm

Design

Cas

e

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FPGADSP

Xscale

Synthesizer

Circulator

TX Amp

ADC

DC-RX

DAC

Supply

4 Antenna PortsEthernet USB RS232

RFID: 4 Watt EPC Gen2 Reader

Software Defined Radio (SDR) Architektur

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SDR: UHF RFID Reader

RF Front End

Base Band Signal Processing

A/D

Embedded Controller(Linux / CE)

DSPRISCCPU

(XScale)

Op

tio

na

lW

iFi, F

ire

wir

e

RS

23

2

US

B

Eth

ern

et

LNA

VCO

Flash /RAM

0°90°

A/D

FPGACPLD

D/A

PLL

PA

UHF Frontend

- Direct Conversion Receiver

- Carrier Suppression

- Multi Antenna

Signal Processing

- Sample Level on FPGA

- Symbol Level on DSP

- Air Protocol on DSP

RISC Processor

- MAC

- Reader Protocol

- Interfaces

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Filtering UHF RFID Reader

Frequency

Interrogatorcommanding

Interrogatorlistening

Tag response

Filter

Interrogatorsignal

Tag response

1 2 3 4 115 6 7 8 9 10 1412 1513 Channels

865 MHz 868 MHz

up to 2W e.r.p.

up to 10 W e.r.p.

EPC Gen2/ Europe

-320 kHz DC 320 kHz

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Gain = 7 dB

Path Loss 49 dB @ 8 m

- 16 dBm received at tag *

+ 33 dBm(2 W)

Path Loss 49 dB @ 8 m - 71 dBm(0.1 nW)

S/N = 35 dB

-22 dBm (6 μW)backscatter signal

Ld)4(

GrGtPtPr

22

2

* EPC Class 1 Gen 2

-13…-17 dBm

Receiver Noise: -99 dBm(F = 25 dB, B = 100 kHz)

Reality: Additionally orientation losses, system losses, fading, n > 2 ... Additional noise sources, amplitude phase, TX to RX coupling

Passive UHF RFID:

- Read Tags up to 8m Distance - Limited by Tag Power Consumption

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UHF Signal Propagation

• Test fixture with 73 Gen2 tags, equally spaced in air medium

• Target read time: < 1 second

Material

Orientation

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Multi-path reflections from metal (reinforcing in floors/ dock levellers and other objects), cause nulls and peaks that get worse with distance from the antenna.

-3 dBm -14 dBm

height

Reader

UHF Signal Propagation

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d

hh2sin

d)4(

GGP4P rt2

22

2rtt

r

Fading - Problem in Passive RFID

Simple 2-Ray Model

RFID: Carrier only Slow Flat Fading Channel