Filtracja Ortogonalna z Wykorzystaniem Opóźnienia Sygnału: Zasada Działania
- Szczegóły
Artykuł ten ma na celu przybliżenie zasady działania filtracji ortogonalnej z wykorzystaniem opóźnienia sygnału, szczególnie w kontekście odbiorników radiowych. Zaczniemy od omówienia konwencjonalnego odbiornika superheterodynowego, a następnie przejdziemy do odbiorników homodynowych i cyfrowych.
Odbiornik Superheterodynowy
Konwencjonalny, radiowy odbiornik superheterodynowy ma już prawie 100 lat.
Warto przyjrzeć się dokładniej jego budowie, aby lepiej móc porównać go z odbiornikiem cyfrowym, zakładając, że mamy do czynienia z odbiorem stacji radiowych w paśmie fal długich, krótkich i UKF.
Sygnał wielkiej częstotliwości odebrany przez antenę jest wzmacniany selektywnym wzmacniaczem niskoszumnym, często przestrajanym, dzięki czemu wzmocniony zostaje sygnał tylko w wybranym paśmie częstotliwości.
Wzmocniony sygnał doprowadzany jest do mieszacza.
Przeczytaj także: Definicja i pomiar filtracji kłębuszkowej
Mieszacz przekształca pożądany sygnał wejściowy na sygnał o częstotliwości pośredniej, która jest różnicą pomiędzy częstotliwością sygnału heterodyny i pożądanego sygnału w.cz.
Wzmacniacz sygnału p.cz. jest zarazem filtrem pasmowoprzepustowym, przepuszczającym sygnał tylko jednej stacji radiowej.
Najczęściej obecnie spotykanymi wartościami częstotliwości p.cz. są 455kHz dla modulacji AM i 10,7MHz dla modulacji FM.
Następny blok, czyli demodulator odzyskuje oryginalny sygnał z sygnału p.cz., dokonując jeszcze raz konwersji częstotliwości sprowadzając sygnał w zakres częstotliwości akustycznych.
W zależności od zastosowanej modulacji, demodulator zbudowany jest jako detektor obwiedni (AM) lub dyskryminator częstotliwości (FM).
Przeczytaj także: Webber AP8400 - wymiana filtrów
Mamy, więc dwie przemiany częstotliwości, pierwszą w mieszaczu, a drugą w demodulatorze.
Obecnie w systemach radiokomunikacyjnych, także ruchomych, stosuje się cyfrową modulację kwadraturową, która polega mówiąc w skrócie na tym, iż do kodowania przesyłanej informacji wykorzystuje się dwa ortogonalne sygnały I oraz Q.
Odbiornik Homodynowy
Z uwagi na problemy techniczne w odbiorniku heterodynowym, w szczególności problem z istnieniem częstotliwości lustrzanej, coraz częściej stosowane są odbiorniki o przemianie bezpośredniej (direct conversion, lub zero-IF), które ten problem eliminują.
Odbiorniki te nazywane są również homodynowymi.
W tym rodzaju odbiornika sygnał w.cz., tak samo jak poprzednio, wzmocniony selektywnym wzmacniaczem niskoszumnym trafia tym razem do dwóch mieszaczy sterowanych sygnałem z generatora lokalnego.
Przeczytaj także: Optymalne rozcieńczenie bimbru
Faza sygnału generatora lokalnego jest dla jednego z mieszaczy przesunięta o 90 stopni, dzięki czemu jeden z mieszaczy sterowany jest przebiegiem sinusoidalnym, a drugi cosinusoidalnym.
Działanie Mieszacza
Przyjrzyjmy się teraz działaniu mieszacza w odbiorniku analogowym.
Z matematycznego punktu widzenia, dokonuje on analogowego mnożenia dwóch sygnałów wejściowych i wytwarza na swoim wyjściu sygnał o częstotliwości równej różnicy częstotliwości wejściowych (w rzeczywistości mamy dodatkowo cale spektrum częstotliwości niepożądanych).
Częstotliwość generatora lokalnego jest jak wspomniano ustawiana w ten sposób, aby różnica częstotliwość sygnału, który chcemy odbierać i sygnału heterodyny była równa częstotliwości pośredniej.
W tym przypadku mówimy o przemianie częstotliwości w dół, ponieważ sygnał w.cz. jest „przesuwany” przez mieszacz w zakres niższych częstotliwości.
Blok częstotliwości pośredniej (filtr dolnoprzepustowy w odbiorniku homodynowym) działa tu jako wąskopasmowy filtr, który przepuszcza tylko mały wycinek przetransformowanego sygnału w.cz.
Odbiornik Cyfrowy
Spójrzmy teraz na odbiornik cyfrowy.
Łatwo zauważyć duże podobieństwo do odbiornika analogowego, gdyż podstawowa koncepcja nie uległa zmianie.
Sygnał odebrany przez antenę, zaraz po wzmocnieniu wzmacniaczem w.cz. i ewentualnej analogowej obróbce wstępnej, jest próbkowany przez przetwornik analogowo-cyfrowy (A/C).
Następnym blokiem po przetworniku A/C jest układ scalony cyfrowego odbiornika.
Blok scalonego odbiornika cyfrowego, jest z reguły umieszczony w jednym monolitycznym układzie scalonym, stanowiącym serce cyfrowego systemu odbiorczego.
Sygnały wejściowe scalonego odbiornika cyfrowego są próbkami z przetwornika A/C oraz sygnał zegarowy przetwornika.
Próbki sygnału dochodzą do odbiornika i są przezeń przetwarzane w czasie rzeczywistym.
Twierdzenie Nyquist’a (Shannona) mówi o tym, że każdy sygnał ciągły może zostać zastąpiony sygnałem dyskretnym, ale pod warunkiem, że częstotliwość próbkowania sygnału będzie dwa razy wyższa od maksymalnej częstotliwości widma próbkowanego sygnału.
Aliasing
Co się jednak stanie, jeśli zignorujemy powyższe kryterium?
Dla wszystkich sygnałów wejściowych o częstotliwości niższej niż fs/2 (obszar zacieniowany na rysunku), jak np.
Załóżmy, że mamy jednak sygnał o częstotliwości fa, wyższej niż fs/2.
W tym przypadku w procesie próbkowania otrzymamy obraz tego sygnału na częstotliwości fs-fa.
Niestety, nie można w żaden sposób stwierdzić, czy ten sygnał jest sygnałem pożądanym, który mógł się na tej częstotliwości znajdować, czy też czy jest wynikiem aliasingu.
Najprostszą metodą uniknięcia aliasingu, jest użycie dolnoprzepustowego filtru przed przetwornikiem A/C, który usunie z sygnały o częstotliwościach wyższych od fs/2.
Działanie tego filtra, nazywanego filtrem antyaliasingowym.
Spełnienie kryterium Nyquista można również osiągnąć ograniczając pasmo sygnału próbkowanego poprzez zastosowanie innych rodzajów filtrów.
Załóżmy, że interesują nas sygnały w paśmie pomiędzy częstotliwością fs/2 i fs.
Używając filtru pasmowoprzepustowego o takim właśnie paśmie przepustowym spełnimy kryterium Nyquista, ponieważ szerokość pasma próbkowanego sygnału będzie równa połowie częstotliwości próbkowania.
Nie wymaga się, bowiem, by dolna częstotliwość graniczna była równa 0 Hz.
W procesie próbkowania, sygnał próbkowany z pasma fs/2 do fs zostanie „zawinięty” do pasma o częstotliwości od 0 do fs/2.
Generator Lokalny
Układ generatora lokalnego nie jest to niczym innym jak dobrze znanym układem cyfrowej, bezpośredniej syntezy częstotliwości (DDS), który realizowany jest przy użyciu tylko i wyłącznie elementów cyfrowych.
Oscylator wytwarza cyfrowe próbki dwóch sygnałów sinusoidalnych przesuniętych między sobą o 90 stopni w fazie, a więc przebieg sinusoidalny i cosinusoidalny.
W tym celu, stosowany jest układ akumulatora fazy i tablice wartości funkcji sinus i cosinus.
Ważne jest, aby zrozumieć, że częstotliwość próbkowania jest zawsze równa fs, niezależnie od częstotliwości sygnału wytwarzanego w generatorze lokalnym.
Częstotliwość przebiegu wyjściowego generatora zmieniana jest poprzez ustalenie wartości zmian fazy na próbkę sygnału.
Przykładowo, próbkując z częstotliwością 70MHz, zakres częstotliwości pracy generatora lokalnego zawiera się w granicach od 0 do 35MHz, a rozdzielczość częstotliwościowa jest dużo mniejsza niż 1Hz.
Tak realizowany generator lokalny doskonale radzie sobie z szybkimi, skokowymi zmianami częstotliwości, gdyż cyfrowy akumulator fazy precyzyjnie kontroluję fazę sygnałów wyjściowych zapewniając jej ciągłość przy skokowej zmianie częstotliwości.
Zmiana częstotliwości generatora cyfrowego, to zmiana tylko i wyłącznie wartości zmiany fazy na próbkę dokonywana poprzez wpis nowej 32-bitowej wartości do rejestru, co z reguły trwa krócej niż mikrosekundę.
Dzięki temu łatwo można zrealizować modulację częstotliwości FSK (frequency shift keying), czy też precyzyjne przemiatanie częstotliwości.
Stany przejściowe oraz długi czas potrzebny na ustalenie częstotliwości, zjawiska występujące np.
tags: #filtracja #ortogonalna #wykorzystujaca #opoznienie #sygnalu #zasada
