UWB

ΠΑΝΔΠΙ΢ΣΗΜΙΟ ΠΑΣΡΧΝ ΣΜΗΜΑ ΗΛΔΚΣΡΟΛΟΓΧΝ ΜΗΥΑΝΙΚΧΝ ΚΑΙ ΣΔΥΝΟΛΟΓΙΑ΢ ΤΠΟΛΟΓΙ΢ΣΧΝ ΣΟΜΔΑ΢ ΗΛΔΚΣΡΟΝΙΚΗ΢ ΚΑΙ ΤΠΟΛΟΓΙ΢ΣΧΝ ΔΡΓΑ΢ΣΗΡΙΟ ΗΛΔΚΣΡΟΝΙΚΧΝ ΔΦΑΡΜΟΓΧΝ ΓΙΠΛΧΜΑΣΙΚΗ ΔΡΓΑ΢ΙΑ ηνπ θνηηεηή ηνπ ηκήκαηνο Ηιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ ηεο Πνιπηερληθήο ΢ρνιήο ηνπ Παλεπηζηεκίνπ Παηξψλ ΙΧΑΝΝΟΤ ΥΑΡΑΛΑΜΠΟΤ ηος ΚΧΝ΢ΣΑΝΣΙΝΟΤ Aπιθμόρ Μηηπώος : 5335 Θέκα «Ανάπηςξη ςτίζςσνος ςποζςζηήμαηορ για δέκηη ςπεπεςπείαρ ζώνηρ (UWB)» Δπηβιέπσλ Γξεγφξηνο Καιχβαο, Αλαπιεξσηήο Καζεγεηήο Απιθμόρ Γιπλυμαηικήρ Δπγαζίαρ: ΠΑΣΡΑ, ΜΑΡΣΙΟ΢ 2010 i ΠΙ΢ΣΟΠΟΙΗ΢Η Πηζηνπνηείηαη φηη ε Γηπισκαηηθή Δξγαζία κε ζέκα: «Ανάπηςξη ςτίζςσνος ςποζςζηήμαηορ για δέκηη ςπεπεςπείαρ ζώνηρ (UWB)» Σνπ θνηηεηή ηνπ Σκήκαηνο Ηιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ ΙΧΑΝΝΟΤ ΥΑΡΑΛΑΜΠΟΤ ηος ΚΧΝ΢ΣΑΝΣΙΝΟΤ Απιθμόρ Μηηπώος: 5335 Παξνπζηάζηεθε δεκφζηα θαη εμεηάζηεθε ζην Σκήκα Ηιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ ζηηο ………/………/……… Ο Δπηβιέπσλ Ο Γηεπζπληήο ηνπ Σνκέα Γξεγφξηνο Καιχβαο Αλαπιεξσηήο Καζεγεηήο Δπζχκηνο Υνχζνο Καζεγεηήο i Απιθμόρ Γιπλυμαηικήρ Δπγαζίαρ: Θέμα: «Ανάπηςξη ςτίζςσνος ςποζςζηήμαηορ για δέκηη ςπεπεςπείαρ ζώνηρ (UWB)» Φνηηεηήο: Ισάλλνπ Υαξάιακπνο Δπηβιέπσλ: Γξεγφξηνο Καιχβαο ΠΔΡΙΛΗΦΗ Αληηθείκελν ηεο παξνχζεο δηπισκαηηθήο εξγαζίαο είλαη ν ζρεδηαζκφο ελφο ζπλζέηε ζπρλνηήησλ γηα MB-OFDM (Multiband Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) UWB εθαξκνγέο. Ο ζπλζέηεο ζπρλνηήησλ απνηειεί εμέρνπζαο ζεκαζίαο δνκηθφ ζηνηρείν ησλ RF πνκπνδεθηψλ αθνχ είλαη ππεχζπλνο γηα ηελ παξαγσγή ηνπ (LO oscillator) ζήκαηνο πνπ νδεγεί ηνλ downconverter θαη ηνλ upconverter ζην κνλνπάηη ηνπ δέθηε θαη ηνπ πνκπνχ αληίζηνηρα. Μειεηήζεθαλ νη δνκέο, νη θπξηφηεξεο ηνπνινγίεο θαη ηα ραξαθηεξηζηηθά ελφο ηππηθνχ ζπλζέηε ζπρλνηήησλ θαζψο θαη ηα θχξηα εμαξηήκαηα πνπ ην απαξηίδνπλ. Αθνχ κειεηήζακε ην βαζηθφ θαη ην ελαιιαθηηθφ ζρέδην ζπρλνηήησλ φπσο παξνπζηάδεηαη απφ ην MB-OFDM πξφηππν πξνηείλακε ηελ θαηάιιειε ηνπνινγία ε νπνία θαη δηαθέξεη απφ απηή ησλ ηππηθψλ ζπλζεηψλ ζπρλνηήησλ πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη επξέσο ζηα αζχξκαηα ζπζηήκαηα ηειεπηθνηλσληψλ ιφγσ ησλ πςειψλ απαηηήζεσλ ηεο UWB ηερλνινγίαο. Η επηινγή ησλ εμαξηεκάησλ πνπ απαξηίδνπλ ηνλ ζπλζέηε ζπρλνηήησλ έγηλε κε βάζε ηελ ειαρηζηνπνίεζε ηνπ ζνξχβνπ θάζεο θαη ηεο θαηαλάισζεο ηζρχνο, ηεο εμάιεηςεο αλεπηζχκεησλ ζεκάησλ ζηελ έμνδφ ηνπ, ηα νπνία κπνξνχλ λα δεκηνπξγήζνπλ παξεκβνιέο ζε άιια ηειεπηθνηλσληαθά ζπζηήκαηα θαζψο θαη ηελ επίηεπμε κηθξνχ ρξφλνπ απνθαηάζηαζεο πνπ απαηηεί έλαο ηέηνηνο ζπλζέηεο. Πξνηείλεηαη θαη εμνκνηψζεθε ινηπφλ ζπλζέηεο ζπρλνηήησλ κε πεξηνρή ιεηηνπξγίαο ηνπ απφ 3.1 έσο 10.6 GHz κε βήκα ζπρλφηεηαο 528 MHz φπσο απηή νξίδεηαη απφ ην πξφηππν 802.15.3 πνπ αλαθέξεηαη ζηελ UWB ηερλνινγία. Απφ ηα απνηειέζκαηα ηεο εμνκνίσζεο πξνθχπηεη φηη επηηπγράλεηαη ρακειφο ζφξπβνο θάζεο, κηθξφο ρξφλνο απνθαηάζηαζεο θαη κηθξή ηζρχο ησλ αλεπηζχκεησλ ζεκάησλ, απνηειέζκαηα πνπ ζπλάδνπλ κε ηηο απαηηήζεηο ηεο UWB ηερλνινγίαο Σέινο πξνηείλεηαη θαη πινπνηείηαη ε πιαθέηα ηνπ βξφρνπ θιεηδσκέλεο θάζεο ν νπνίνο θαη απνηειεί ην βαζηθφ δνκηθφ ζηνηρείν ηνπ ζπλζέηε ζπρλνηήησλ. iii ΠΔΡΙΔΥΟΜΔΝΑ ζειίδα ΠΔΡΙΛΗΦΗ……………………………………………………………………….iii ΠΔΡΙΔΥΟΜΔΝΑ………………………………………………………………….iv ΛΙ΢ΣΑ ΢ΥΗΜΑΣΧΝ…………………………………………………………….vii ΛΙ΢ΣΑ ΠΙΝΑΚΧΝ…………………………………………………………………x ΚΔΦΑΛΑΙΟ ΔΙ΢ΑΓΧΓΗ………………………………………………………………………….......1 1.1. Ιζηνξηθή Αλαδξνκή…………………………………………………………………..1 1.2. UWB Έλλνηεο…………………………..……... ……………………………………..2 1.3. UWB ΢ήκαηα…………………………………………………………………………4 1.4. Πιενλεθηήκαηα.………………………..……………………………………………. 5 1.4.1. Ιθαλφηεηα λα κνηξάζνπλ ην θάζκα ζπρλνηήησλ…………………………...6 1.4.2. Μεγάιε Υσξεηηθφηεηα Καλαιηνχ………………………………………….6 1.4.3. Ιθαλφηεηα λα δνπιεχνπλ ζε θαλάιηα κε ρακειφ SNR. ……………………7 1.4.4. Μηθξή πηζαλφηεηα Γηαθνπήο θαη Αλίρλεπζεο. …………………………….7 1.4.5. Αληίζηαζε ζηηο παξεκβνιέο(jamming)……………………………………. 8 1.4.6. Μεγάιε απφδνζε ζε θαλάιηα πνιιαπιψλ δηαδξνκψλ (Multipath)………...8 1.4.7. Καιχηεξεο Ιδηφηεηεο Γηείζδπζεο………………………………………….10 1.4.8. Απιή Αξρηηεθηνληθή Πνκπνδέθηε………………………...........................10 1.5. Μεηνλεθηήκαηα θαη πξνθιήζεηο……………………….……………………………11 1.5.1. Παξακφξθσζε Παικψλ………………………….......................................11 1.5.2. Δθηίκεζε Καλαιηνχ (Channel Estimation)………………………………..12 1.5.3. Υξνληθφο ΢πγρξνληζκφο…………………...................................................13 1.5.4. Πνιιαπιήο πξφζβαζεο παξεκβνιέο (Multiple-Access Interference )........13 1.6. Γηαθνξέο UWB θαη SPREAD Φάζκαηνο…………………………...........................14 1.6.1. Direct-Sequence Spread Spectrum (DSSS)……………………………….14 1.6.2. Frequency-Hopping Spread Spectrum (FHSS)............................................15 1.6.3. Οη Βαζηθέο Γηαθνξέο...................................................................................16 1.7. SingleBand VS Multiband…………………………………………………………..17 1.7.1. Direct –Sequence UWB…………………………………………………...17 1.7.2. MultiBand OFDM…………………………………………………………18 iv 1.8. Όξηα Δθπνκπήο ηεο FCC……………………………………………………………19 1.8.1. ΢πζθεπέο Δπηθνηλσλίαο…………………………………………………...19 1.8.2. ΢πζθεπέο Απεηθφληζεο…………………………………………………….20 1.8.3. ΢πζηήκαηα Ραληάξ………………………………………………………...21 1.9. UWB Δθαξκνγέο…………………………………………………………………....22 II ΢ΤΝΘΔΣΔ΢ ΢ΤΥΝΟΣΗΣΧΝ ΓΙΑ Α΢ΤΡΜΑΣΔ΢ ΔΦΑΡΜΟΓΔ΢……………….……24 2.1. Ο ξφινο ηνπ ΢πλζέηε ΢πρλνηήησλ ζηνπο RF πνκπνδέθηεο………...……………….24 2.2. Οξηζκφο……………………………………………………………………………...25 2.3. Θεκειηψδεηο αξρέο ζηα PLLs………………………………………………………..27 2.3.1. Γξακκηθφ Μνληέιν………………………………………………………..28 2.4. Μεηξήζεηο Απφδνζεο……………………………………………………………….38 2.4.1. Δχξνο ΢πληνληζκνχ (Tuning Range) θαη Δπθξίλεηα ΢πρλφηεηαο (Frequency Resolution)…………… …………………………………………………………………………38 2.4.2. Αθξίβεηα ΢πρλφηεηαο (Frequency Accuracy)…..…………………………39 2.4.3. Θφξπβνο Φάζεο (Phase Noise)..…………………………………………..39 2.4.4. Spurious ΢ήκαηα…………………………………………………………..44 2.4.5. Υξφλνο Απνθαηάζηαζεο (Settling Time)…………………………………47 2.5. Η επίδξαζε ησλ κε ηδαληθψλ θαηαζηάζεσλ………………………………………...53 2.5.1. Αληρλεπηήο Φάζεο ΢πρλφηεηαο (Phase Frequency Detector)…….………53 2.5.2.Charge pump……………………………………………………………….56 2.5.3. Γηαηξέηεο ζπρλφηεηαο……………………………………………………..58 III 3.6-10 GHZ MB-OFDM UWB ΢ΤΝΘΔΣΗ΢ ΢ΤΥΝΟΣΗΣΧΝ..……………59 3.1. Πιάλν ζπρλνηήησλ θαη αξρηηεθηνληθή ηνπ ΢πλζέηε ΢πρλνηήησλ...………………...61 3.2.1. Δπηινγή ηνπ θαηάιιεινπ πιάλνπ ζπρλνηήησλ……………………………61 3.2.2. Αξρηηεθηνληθή ηνπ ΢πλζέηε ΢πρλνηήησλ..………………………………..63 3.2. Δπηινγή ησλ θαηάιιεισλ components ηνπ ΢πλζέηε ΢πρλνηήησλ...………………..66 3.2.1. Σαιαλησηήο ειεγρφκελνο απφ ηάζε (Voltage Controlled Oscillator)...…. 66 3.2.2. Γηαηξέηεο ζπρλφηεηαο……………………………………………………..67 3.2.3. Αληρλεπηήο Φάζεο ΢πρλφηεηαο (Phase Frequency Detector)..……………68 3.2.4. Image-Reject and Single-Sideband Μείθηεο…………………………...….69 3.2.4.1. Δηθφλα (Image)………………………………………………….69 3.2.4.2. IRMs and SSMs…………………………………………………69 3.2.4.3. IRM……………………………………………………………...71 3.2.4.4. Λεηηνπξγία ησλ IRMs θαη ησλ SSMs…………………...............72 3.2.4.5. Δπηινγή ησλ κεηθηψλ SSB……………………..………………..73 3.2.5. Δληζρπηέο………………………………………………………………….76 3.2.6. SPDT Γηαθφπηεο…………………………………………………………..76 3.2.7. Φίιηξα……………………………………………………………………..77 v 3.2.8. Κξπζηαιιηθφο ηαιαλησηήο θαη εληζρπηήο ηνπ θίιηξνπ ηνπ PLL…………79 3.3. ΢ρεδηαζκφο ηνπ βξφρνπ θιεηδσκέλεο θάζεο…………..…………...……………….80 3.3.1. Δπηινγή ηνπ θαηάιιεινπ θίιηξνπ ηνπ βξφρνπ θιεηδσκέλεο θάζεο ..……81 3.4. Τπνινγηζκφο ηεο ηζρχνο ζηελ έμνδν ηνπ θπθιψκαηφο καο…………………………93 3.5. Τπνινγηζκφο ηνπ νιηθνχ ζνξχβνπ θάζεο ηνπ ζπζηήκαηνο………….……………109 3.6. Τπνινγηζκφο ησλ spurious ζπληζησζψλ…………………………………………..126 IV ΤΛΟΠΟΙΗ΢Η ΣΟΤ PLL ΢Δ ΠΛΑΚΔΣΑ ΓΤΟ ΟΦΔΧΝ……….....…….....133 4.1. Μέζνδνη ζρεδηαζκνχ ηππσκέλσλ θπθισκάησλ…………………………………...............133 4.2.Δμαξηήκαηα ζπκβαηηθήο ηερλνινγίαο ……….....………………………………….134 4.2.1. Σα πξψηα εμαξηήκαηα επηθαλεηαθήο ζηήξημεο………………………….136 4.2.2. Δμειηγκέλα εμαξηήκαηα Flat Packs κηθξψλ δηαζηάζεσλ 2-3 πνδηψλ…...136 4.2.3. Σζηπο IC ζε ζπζθεπαζία επηθαλεηαθήο ζηήξημεο………………………..136 4.2.4. Δμαξηήκαηα επηθαλεηαθήο ζηήξημεο πνιιψλ αθξνδεθηψλ ηχπνπ QUAD FLAT……………………………………………………………………………………………137 4.2.5. Δμαξηήκαηα επηθαλεηαθήο ζηήξημεο ζε ζπζθεπαζία ηχπνπ PLCC……...138 4.2.6. Δμαξηήκαηα PLCC κε επαθέο J κφλν ζηηο δχν πιεπξέο………………...138 4.2.7. Δμαξηήκαηα επηθαλεηαθήο ζηήξημεο ηχπνπ LCCC………………………138 4.2.8. Δμαξηήκαηα επηθαλεηαθήο ζηήξημεο ηχπνπ CLCC………………………139 4.2.9. Δμαξηήκαηα επηθαλεηαθήο ζηήξημεο δχν επαθψλ……………………….139 4.2.10. Πιενλεθηήκαηα εμαξηεκάησλ επηθαλεηαθήο ζηήξημεο………………...139 4.3. Τινπνίεζε ηεο πιαθέηαο γηα ηνλ βξφρν θιεηδσκέλεο θάζεο..……………………141 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ……………………………………………..…………………..…………150 ΠΑΡΑΡΣΗΜΑ Α……………………………………………..…………………..…………156 ΠΑΡΑΡΣΗΜΑ Β……………………………………………..…………………..…………160 ΠΑΡΑΡΣΗΜΑ Γ……………………………………………..…………………..………….163 ΠΑΡΑΡΣΗΜΑ Γ……………………………………………..…………………..…………165 vi ΛΙ΢ΣΑ ΢ΥΗΜΑΣΧΝ ΢ρήκα 1.1. Ιζηνξηθή εμέιημε ηεο UWB ηερλνινγίαο……………………………………………...2 ΢ρήκα 1.2. ΢ήκα ζηελήο δψλεο ζην (α) πεδίν ρξφλνπ θαη (β) πεδίν ζπρλφηεηαο…………………3 ΢ρήκα 1.3. Παικφο κηθξνχ θχθινπ ιεηηνπξγίαο. Όπνπ Ton αλαπαξηζηάλεη ηνλ ρξφλν ζηνλ νπνίν ν παικφο ππάξρεη θαη Toff ηνλ ρξφλν θαηά ηνλ νπνίν ν παικφο απνπζηάδεη………………… 3 ΢ρήκα 1.4. Έλαο UWB παικφο ζην (α) πεδίν ηνπ ρξφλνπ θαη (β) πεδίν ζπρλφηεηαο…………….4 ΢ρήκα 1.5. ΢πλχπαξμε UWB ζεκάησλ κε narrowband θαη wideband ζήκαηα ζην RF θάζκα…..6 ΢ρήκα 1.6. (a) Σν θαηλφκελν πνιιαπιψλ δηαδξνκψλ ζε αζχξκαηεο ζπλδέζεηο (b) επίδξαζε ηνπ θαηλνκέλνπ ζε narrowband ζήκαηα (c) επίδξαζε ηνπ θαηλνκέλνπ ζε UWB παικνχο…………...9 ΢ρήκα 1.7. (α) Αξρηηεθηνληθή ελφο narrowband πνκπνδέθηε. (β) Αξρηηεθηνληθή ελφο UWB πνκπνδέθηε………………………………………………………………………………………11 ΢ρήκα 1.8. UWB θαλάιη πνιιαπιήο πξφζβαζεο………………………………………………..13 ΢ρήκα 1.9. Αθνινπζία δεδνκέλσλ θαη ν spreading θψδηθαο ρξεζηκνπνηψληαο ηελ DSSS ηερληθή ……………………………………………………………………………………………………14 ΢ρήκα 1.10. Μεηαπήδεζε ηεο ζπρλφηεηαο ζηελ FHSS ηερληθή……………………………........15 ΢ρήκα 1.11. Η multiband ηερληθή δηαηξεί ην δηαζέζηκν UWB θάζκα ζε πνιιαπιέο κηθξφηεξεο κπάληεο…………………………………………………………………………………………...16 ΢ρήκα 1.12.Η κεηάβαζε απφ narrowband ζε wideband θαη UWB ζην πεδίν ηνπ ρξφλνπ θαη ηεο ζπρλφηεηαο……………………………………………………………………………………….17 ΢ρήκα 1.13. Η DS-UWΒ κεηαδίδεη έλαλ απιφ παικφ ζε κία ηεξάζηηα έθηαζε ηνπ θάζκαηνο…18 ΢ρήκα 1.14. UWB φξηα εθπνκπήο γηα εζσηεξηθά ζπζηήκαηα επηθνηλσλίαο ……………………19 ΢ρήκα 1.15. UWB φξηα εθπνκπήο γηα εμσηεξηθά ζπζηήκαηα επηθνηλσλίαο ……………………20 ΢ρήκα 1.16. UWB φξηα εθπνκπήο γηα ζπζθεπέο απεηθφληζεο…………………………………..20 ΢ρήκα 1.17. UWB φξηα εθπνκπήο γηα ζπζηήκαηα ξαληάξ………………………………………21 ΢ρήκα 2.1. Γνκηθφ δηάγξακκα ελφο ηππηθνχ δέθηε……………………………………………...25 ΢ρήκα 2.2. Σν δνκηθφ δηάγξακκα ελφο PLL……………………………………………………..26 ΢ρήκα 2.3. Υξεζηκνπνίεζε ηνπ βξφρνπ θιεηδσκέλεο θάζεο γηα εθηίκεζε ηεο θάζεο ελφο κε δηακνξθσκέλνπ θέξνληνο ζήκαηνο α) ζην πεδίν ηνπ ρξφλνπ, β) ζην πεδίν ηεο θάζεο………... 28 ΢ρήκα 2.4. Γξακκηθφ κνληέιν ηνπ PLL…………………………………………………………28 ΢ρήκα 2.5. Παζεηηθφ θίιηξν…………………………………………………………………….31 ΢ρήκα 2.6. ΢πλάξηεζε κεηαθνξάο θιεηζηνχ βξφρνπ γηα PLL type-I γηα δηαθνξεηηθά θίιηξα............................................................................................................................................32 ΢ρήκα 2.7. Γνκηθφ δηάγξακκα ηνπ charge pump PLL…………………………………………..33 ΢ρήκα 2.8. Αληρλεπηήο θάζεο ζπρλφηεηαο ζπλδηαδφκελνο κε charge-pump…………………....34 ΢ρήκα 2.9. Mέηξν ζχλζεηεο αληίζηαζεο βξφρνπ δεχηεξεο ηάμεο……………………………….35 ΢ρήκα 2.10. Θφξπβνο θάζεο θαη Spurs ζε ηαιαλησηή……………..……………………………40 ΢ρήκα 2.11. Δπίδξαζε ηνπ ζνξχβνπ θάζεο ζε δέθηε………………………… ……………...42 ΢ρήκα 2.12. Γξακκηθφ κνληέιν pll ζπκπεξηιακβαλνκέλσλ ησλ πεγψλ ζνξχβνπ………………43 ΢ρήκα 2.13. Τινπνίεζε ηνπ G(s) γηα αλάιπζε ηνπ ρξφλνπ απνθαηάζηαζεο..…………...……..49 vii ΢ρήκα 2.14. Καλνληθνπνηεκέλνο ρξφλνο θιεηδψκαηνο ζπλαξηήζεη ηνπ ζπληειεζηή απφζβεζεο δ…………………………………………………………………………………………………..52 ΢ρήκα 2.15. ΢ρεκαηηθφ δηάγξακκα ηνπ Αληρλεπηή θάζεο ζπρλφηεηαο…………………… ..54 ΢ρήκα 2.16. Γηάγξακκα θαηαζηάζεσλ ηνπ Phase Frequency Detector…………………………54 ΢ρήκα 2.17. Dead Zone ηνπ PFD………………………………………………………………..55 ΢ρήκα 2.18. UP/DWN Παικνί………………………………………………………………….56 ΢ρήκα 3.1. ΢ρέδην ζπρλνηήησλ γηα ην MB-OFDM πξφηππν……………………………………59 ΢ρήκα 3.2. ΢πλζέηεο ΢πρλνηήησλ ζε MB-OFFM πνκπνδέθηε……...………………………….60 ΢ρήκα 3.3. Γέληξν-δηάγξακκα ζπρλφηεηαο……………………………………………………...62 ΢ρήκα 3.4. UWB MB OFDM ζπλζέηεο ζπρλνηήησλ..…………………………………………..64 ΢ρήκα 3.5. ΢ρέδην ζπρλνηήησλ γηα ην πξνηεηλφκελν UWB MB OFDM ΢πλζέηε ΢πρλνηήησλ...65 ΢ρήκα 3.6. IRM ιεηηνπξγία……………………………………………………………………..70 ΢ρήκα 3.7. Block δηάγξακκα ελφο image-reject θαη ελφο single-sideband κείθηε…...………….70 ΢ρήκα 3.8. SSM ιεηηνπξγία……………………………………………………………………...72 ΢ρήκα 3.9. ΢χλδεζε hmc κείθηε κε ην πβξηδηθφ QHZ-2A-528…………………………………75 ΢ρήκα 3.10. Απφθξηζε ζπρλφηεηαο θαη ζρεκαηηθφ ηνπ VHF-8400……………………………..78 ΢ρήκα 3.11. Απφθξηζε ζπρλφηεηαο θαη ζρεκαηηθφ ηνπ VBFZ-6260+………………………….78 ΢ρήκα 3.12. Απφθξηζε ζπρλφηεηαο θαη ζρεκαηηθφ ηνπ BFCN-2900+………………………….78 ΢ρήκα 3.13. Block δηάγξακκα ηνπ Phase locked loop πνπ ρξεζηκνπνηήζακε ………………….80 ΢ρήκα 3.14. Differential type II op-amp loop filter……………………………………………..81 ΢ρήκα 3.15. Απινπνηεκέλν θχθισκα ηνπ differential type II op-amp loop filter………………81 ΢ρήκα 3.16. Σειηθή κνξθή ηνπ θίιηξνπ ηνπ PLL……………………………………………….86 ΢ρήκα 3.17.Θφξπβνο θάζεο ηνπ VCO,ηνπ θξπζηαιιηθνχ ηαιαλησηή πνιιαπιαζηαζκέλν ζηα 8448MHz θαη ηνπ θξπζηαιιηθνχ ηαιαλησηή ζηα 33MHz………………………………………87 ΢ρήκα 3.18. ΢πρλφηεηα ζπλαξηήζεη ηεο ηάζεο ζπληνληζκνχ γηα ην hmc587lc4b VCO………...88 ΢ρήκα 3.19. Απφθξηζε πιάηνπο αλνηρηνχ θαη θιεηζηνχ βξφρνπ………………..……………….90 ΢ρήκα 3.20. Απφθξηζε θάζεο αλνηρηνχ θαη θιεηζηνχ βξφρνπ……………..……………………91 ΢ρήκα 3.21. Σάζε εηζφδνπ(Vtune) ηνπ VCO ζπλαξηήζεη ηνπ ρξφλνπ………………………….91 ΢ρήκα 3.22. Φάζκα ηεο εμφδνπ ηνπ ηαιαλησηή ειεγρφκελνπ απφ ηάζε………………………..92 ΢ρήκα 3.23. Απφθξηζε ηεο ηζρχνο εμφδνπ ηνπ VCO (hmc587lc4b) ζπλαξηήζεη ηεο ηάζεο εηζφδνπ ηνπ………………………………………………………………………………………93 ΢ρήκα 3.24. Απφθξηζε ηεο ηζρχνο εμφδνπ ηνπ δηαηξέηε (hmc364s8g) ζπλαξηήζεη ηεο ζπρλφηεηαο εηζφδνπ ηνπ………………………………………………………………………………………94 ΢ρήκα 3.25. ΢πρλφηεηεο θαη επίπεδα ηζρχνο ησλ ζεκάησλ ζηηο εμφδνπο ηνπ PLL……………...95 ΢ρήκα 3.26. S-parameters ηνπ εληζρπηή hmc311lp3…………………………………………….95 ΢ρήκα 3.27. Κέξδνο κεηαηξνπήο ζπλαξηήζεη ηεο ζπρλφηεηαο ζηελ είζνδν IF ηνπ hmc340lp...96 ΢ρήκα 3.28. Insertion loss ζπλαξηήζεη ηεο ζπρλφηεηαο εηζφδνπ γηα ην BPF BFCN-2900+.…..97 ΢ρήκα 3.29. S-parameters ηνπ εληζρπηή hmc441lp3…………………………………………...98 ΢ρήκα 3.30. Κέξδνο κεηαηξνπήο ζπλαξηήζεη ηεο ζπρλφηεηαο ζηελ είζνδν RF ηνπ hmc520lc..99 ΢ρήκα 3.31 Κέξδνο κεηαηξνπήο ζπλαξηήζεη ηεο ζπρλφηεηαο ζηελ είζνδν RF ηνπ hmc521lc4.99 viii ΢ρήκα 3.32. Insertion loss ζπλαξηήζεη ηεο ζπρλφηεηαο εηζφδνπ γηα ην BPF VBFZ-6260…….100 ΢ρήκα 3.33. Insertion loss ζπλαξηήζεη ηεο ζπρλφηεηαο εηζφδνπ γηα ην HPF VHF-8400……...100 ΢ρήκα 3.34. Insertion loss γηα ηνλ hmc347lp3, Port 2 to Port1……………………………….102 ΢ρήκα 3.35. Insertion loss γηα ηνλ hmc347lp3, Port 3 to Port1………………………………...102 ΢ρήκα 3.36. S-parameters ηνπ εληζρπηή hmc451lc3…………………………………………...103 ΢ρήκα 3.37. Κέξδνο κεηαηξνπήο ζπλαξηήζεη ηεο ζπρλφηεηαο ζηελ είζνδν RF ηνπ hmc620lc4107 ΢ρήκα 3.38. Θφξπβνο θάζεο ηνπ Phase Locked Loop………………………………..………..110 ΢ρήκα 3.39. Θφξπβνο θάζεο ζηηο εμφδνπο ησλ ηεζζάξσλ δηαηξεηψλ………………..………...112 ΢ρήκα 3.40. Θφξπβνο θάζεο γηα ζήκα εμφδνπ ζπρλφηεηαο 8448MHz………..……………….123 ΢ρήκα 3.41. Θφξπβνο θάζεο γηα ζήκα εμφδνπ ζπρλφηεηαο 4224MHz………………..……….123 ΢ρήκα 3.42. Θφξπβνο θάζεο γηα ζήκα εμφδνπ ζπρλφηεηαο 6864 ή 10032MHz...……………..124 ΢ρήκα 3.43. Θφξπβνο θάζεο γηα ζήκα εμφδνπ ζπρλφηεηαο 3696 ή 4752 MHz……………..... 124 ΢ρήκα 3.44. Θφξπβνο θάζεο γηα ζήκα εμφδνπ ζπρλφηεηαο 7920 ή 8976 MHz…………..……125 ΢ρήκα 3.45. Θφξπβνο θάζεο γηα ζήκα εμφδνπ ζπρλνηήησλ 6336,7392 θαη 9504 MHz…..….. 125 ΢ρήκα 3.46. Φάζκα εμφδνπ ζήκαηνο ζπρλφηεηαο 3696 MHz………………………………….126 ΢ρήκα 3.47. Φάζκα εμφδνπ ζήκαηνο ζπρλφηεηαο 4224 MHz………………………………….127 ΢ρήκα 3.48. Φάζκα εμφδνπ ζήκαηνο ζπρλφηεηαο 4752 MHz………………………………….127 ΢ρήκα 3.49. Φάζκα εμφδνπ ζήκαηνο ζπρλφηεηαο 6336 MHz………………………………….128 ΢ρήκα 3.50. Φάζκα εμφδνπ ζήκαηνο ζπρλφηεηαο 6864 MHz………………………………….128 ΢ρήκα 3.51. Φάζκα εμφδνπ ζήκαηνο ζπρλφηεηαο 7392 MHz………………………………….129 ΢ρήκα 3.52. Φάζκα εμφδνπ ζήκαηνο ζπρλφηεηαο 7920 MHz………………………………….129 ΢ρήκα 3.53. Φάζκα εμφδνπ ζήκαηνο ζπρλφηεηαο 8484 MHz………………………………….130 ΢ρήκα 3.54. Φάζκα εμφδνπ ζήκαηνο ζπρλφηεηαο 8976 MHz………………………………….130 ΢ρήκα 3.55. Φάζκα εμφδνπ ζήκαηνο ζπρλφηεηαο 9504 MHz………………………………….131 ΢ρήκα 3.56.Φάζκα εμφδνπ ζήκαηνο ζπρλφηεηαο 10032 MHz…………………………………131 ΢ρήκα 4.1. Δμαξηήκαηα DUAL IN LINE θαη βάζεηο απηψλ…………………………………..135 ΢ρήκα 4.2. Σξαλδίζηνξ επηθαλεηαθήο ζηήξημεο κε ηξεηο αθξνδέθηεο………………………….136 ΢ρήκα 4.3. Φσηνγξαθία εμαξηεκάησλ SOIC…………………………………………………..137 ΢ρήκα 4.4. Παξαζηαηηθφ δηάγξακκα θαη θσηνγξαθία εμαξηεκάησλ FLAT PACK…………...137 ΢ρήκα 4.5. Παξαζηαηηθφ δηάγξακκα θαη θσηνγξαθία εμαξηεκάησλ PLCC J LEAD…………138 ΢ρήκα 4.6. Παξαζηαηηθφ δηάγξακκα θαη θσηνγξαθία εμαξηεκάησλ ηχπνπ SOJ……………...140 ΢ρήκα 4.7. Παξαζηαηηθφ δηάγξακκα θαη θσηνγξαθία εμαξηεκάησλ ηχπνπ LCCC…………...140 ΢ρήκα 4.8. Δμαξηήκαηα επηθαλεηαθήο ζηήξημεο, αληηζηάζεηο θαη ππθλσηέο…………………..141 ΢ρήκα 4.9. ΢ρέδην ηεο πξψηεο πιαθέηαο ηνπ UWB ΢πλζέηε ζπρλνηήησλ…………………….142 ΢ρήκα 4.10. ΢ρέδην ηεο δεχηεξεο πιαθέηαο ηνπ UWB ΢πλζέηε ζπρλνηήησλ………………….143 ΢ρήκα 4.11. ΢ρέδην ηεο πιαθέηαο γηα ην phase locked loop……………………………………144 ΢ρήκα 4.12. ΢ρεδίαζε ηνπ Layout ηνπ Phase Locked Loop……………………………………147 ΢ρήκα 4.13. Σειηθή φςε ηνπ άλσ κέξνπο ηεο πιαθέηαο……………………………………….148 ΢ρήκα 4.14. Σειηθή φςε ηνπ θάησ κέξνπο ηεο πιαθέηαο………………………………………………149 ix ΛΙ΢ΣΑ ΠΙΝΑΚΧΝ Πίλαθαο 1.1. Όξηα εθπνκπήο γηα δηάθνξεο εθαξκνγέο ζε θάζε ζπρλφηεηα ιεηηνπξγίαο…….….21 Πίλαθαο 1.2. Γπλαηφηεηεο UWB ηερλνινγίαο ζπγθξηλφκελε κε ηα άιια IEEE standards……...23 Πίλαθαο 2.1. Σηκέο εχξνπο ζπληνληζκνχ, επθξίλεηα ζπρλφηεηαο θαη αθξίβεηα ζπρλφηεηαο γηα δηάθνξα πξφηππα επηθνηλσληψλ………………………………………………………………….39 Πίλαθαο 3.1. ΢χλζεζε ζπρλνηήησλ γηα ην ελαιιαθηηθφ band plan…………………………...…65 Πίλαθαο 3.2 Ηιεθηξηθέο Πξνδηαγξαθέο ηνπ hmc587lc4b , TA= + oC, Vcc= +5Volt……………66 Πίλαθαο 3.3. Ηιεθηξηθέο πξνδηαγξαθέο ηνπ hmc364s8g……………………………………..…67 Πίλαθαο 3.4. Ηιεθηξηθέο πξνδηαγξαθέο ηνπ hmc440qs16g……………………………………..68 Πίλαθαο 3.5. Δληζρπηέο πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ γηα ηελ θαηαζθεπή ηνπ ζπλζέηε ζπρλνηήησλ...76 Πίλαθαο 3.6. Ηιεθηξηθά ραξαθηεξηζηηθά ηνπ hmc347lp3 SPDT δηαθφπηε……………………..77 Πίλαθαο 3.7. Components πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ γηα ηελ θαηαζθεπή ηνπ ζπλζέηε ζπρλνηήησλ………………………………………………………………………………………79 Πίλαθαο 3.8. Insertion loss ηνπ hmc347lp3…………………………………………………….101 Πίλαθαο 3.9. Δπίπεδα ηζρχνο ζηηο εμφδνπο ησλ δχν hmc520lc4 κηθηψλ……………………….104 Πίλαθαο 3.10. Δπίπεδα ηζρχνο ζηελ έμνδν ηνπ hmc347lp3…………………………………….105 Πίλαθαο 3.11. Δπίπεδα ηζρχνο ζηελ έμνδν ηνπ hmc451lc3(2)…………………………………105 Πίλαθαο 3.12. Δπίπεδα ηζρχνο ζηελ έμνδν ηνπ hmc347lp3(7)………………………………...106. Πίλαθαο 3.13. Δπίπεδα ηζρχνο ζεκάησλ ζηελ πξψηε κπάληα ζπρλνηήησλ……………………108 Πίλαθαο 3.14. Σειηθά επίπεδα ηζρχνο ηνπ ζπζηήκαηφο καο……………………………………108 Πίλαθαο 3.15. Phase Noise ηνπ PLL……………………………………………………………110 Πίλαθαο 3.16. Θφξπβνο θάζεο γηα ηηο κπάληεο 2,3 θαη 4……………………………………...120. Πίλαθαο 3.17. ζφξπβνο θάζεο γηα ηελ κπάληα 1……………………………………………….121 Πίλαθαο 3.18. ζφξπβνο θάζεο ζηελ έμνδν ηνπ ζπλζέηε ζπρλνηήησλ …………………………122 Πίλαθαο 3.19. Δπίπεδα ηζρχνο (dBm) ησλ spurious ζπληζησζψλ πνπ παξάγνληαη θαηά ηελ ζχλζεζε θάζε κίαο απφ ηηο έληεθα ζπρλφηεηεο ηνπ ζπζηήκαηφο καο………………………..…132 Πίλαθαο 4.1. Δμαξηήκαηα πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ γηα ηελ πινπνίεζε ηνπ PLL θαη νη ηηκέο ηνπο …………………………………………………………………………………………………..145 x xi ΚΔΦΑΛΑΙΟ 𝟏𝒐 ΔΙ΢ΑΓΧΓΗ Η πξφζθαηε ηαρεία αλάπηπμε ηεο ηερλνινγίαο θαη ε επηηπρή εκπνξηθή αλάπηπμε ησλ αζχξκαησλ επηθνηλσληψλ επεξεάδεη ζεκαληηθά ηελ θαζεκεξηλή δσή καο. Η κεηάβαζε απφ ηηο αλαινγηθέο ζηηο ςεθηαθέο επηθνηλσλίεο, ε αλάπηπμε ηεο ηξίηεο θαη ηέηαξηεο γεληάο αζχξκαησλ ζπζηεκάησλ, θαη ε αληηθαηάζηαζε ελζχξκαησλ επηθνηλσληψλ κε Wi-Fi θαη Bluetooth δίλνπλ ηε δπλαηφηεηα πξφζβαζεο ζηνπο θαηαλαισηέο ζε έλα επξχ θάζκα πιεξνθνξηψλ απφ νπνπδήπνηε θαη νπνηαδήπνηε ζηηγκή. Η απαίηεζε ησλ θαηαλαισηψλ γηα αλψηαηε ρσξεηηθφηεηα, ηαρχηεξε εμππεξέηεζε, θαζψο θαη γηα πην κεγάιε αζθάιεηα ζηηο αζχξκαηεο ζπλδέζεηο, νδεγνχλ λέεο ηερλνινγίεο λα βξνπλ ζέζε ζην θάζκα ξαδηνζπρλνηήησλ (RF). Απηφ νθείιεηαη ζην γεγνλφο φηη θάζε αζχξκαηε ηερλνινγία δηαζέηεη έλα εηδηθφ ηκήκα ηνπ θάζκαηνο. Γηα παξάδεηγκα, ηα ζήκαηα γηα ηηο ηειενξάζεηο, ηα ξαδηφθσλα, ηα θηλεηά ηειέθσλα, θαη νχησ θαζεμήο ζηέιλνληαη ζε δηαθνξεηηθέο ζπρλφηεηεο γηα ηελ απνθπγή παξεκβνιψλ κεηαμχ ηνπο. ΢πλεπψο, νη πεξηνξηζκνί ζρεηηθά κε ηε δηαζεζηκφηεηα ηνπ θάζκαηνο ξαδηνζπρλνηήησλ γίλεηαη φιν θαη πην απζηεξή κε ηελ εηζαγσγή ησλ λέσλ αζχξκαησλ ππεξεζηψλ. Η ηερλνινγία ππεξεπξείαο δψλεο (Ultra Wideband (UWB) technology ) πξνζθέξεη κηα πνιιά ππνζρφκελε ιχζε γηα ηε δηαζεζηκφηεηα ηνπ RF θάζκαηνο επηηξέπνληαο ηε ζπλχπαξμε λέσλ ππεξεζηψλ κε ηηο ήδε ππάξρνπζεο, κε πνιχ κηθξέο ή θαη θαζφινπ παξεκβνιέο. 1.1. Ιζηοπική Αναδπομή. Η Ultra Wideband ηερλνινγία δηαθέξεη απφ ηηο άιιεο ηερλνινγίεο επηθνηλσλίαο επεηδή εξγάδεηαη κε εμαηξεηηθά ζηελνχο RF παικνχο γηα λα πεηχρεη επηθνηλσλία κεηαμχ πνκπνχ θαη δέθηε. Η ultra wideband ηερλνινγία εθκεηαιιεπφκελε ηνπο παικνχο κηθξήο δηάξθεηαο δεκηνπξγεί έλα πνιχ κεγάιν εχξνο δψλεο πνπ πξνζθέξεη αξθεηά πιενλεθηήκαηα φπσο κεγάιν φγθν πιεξνθνξηψλ, αληνρή ζηηο παξεκβνιέο θαζψο θαη ζπλχπαξμε κε άιιεο αζχξκαηεο ππεξεζίεο. Η Ultra Wideband ηερλνινγία δελ είλαη θαηλνχξηα. Πξψηα ρξεζηκνπνηήζεθε απφ ηνλ Guglielmo Marconi ην 1901 γηα λα κεηαδψζεη αθνινπζίεο ηνπ θψδηθα Morse δηακέζνπ ηνπ Αηιαληηθνχ σθεαλνχ ρξεζηκνπνηψληαο αζχξκαηνπο πνκπνδέθηεο. Σν πιενλεθηήκαηα ηνπ 1 κεγάινπ εχξνπο δψλεο θαζψο θαη ε ηθαλφηεηα εθαξκνγήο πνιπρξεζηηθψλ ζπζηεκάησλ παξέρνληαη απφ ειεθηξνκαγλεηηθνχο παικνχο. Πεξίπνπ 50 ρξφληα κεηά, ε κνληέξλα απηή κεηάδνζε βαζηζκέλε ζε παικνχο ρξεζηκνπνηήζεθε ζε ζηξαηησηηθέο εθαξκνγέο κε ηελ κνξθή ξαληάξ. Κάπνηνη απφ ηνπο πξσηνπφξνπο ηεο Ultra Wideband ηερλνινγίαο είλαη νη Henning Harmuth ηνπ θαζνιηθνχ παλεπηζηεκίνπ ηεο Ακεξηθήο θαη νη Gerald Ross θαη K. W. Robins ηεο Sperry Rand Corporation [1]. Απφ ην 1960 κέρξη ην 1990 απηή ε ηερλνινγία πεξηνξίζηεθε ζε εθαξκνγέο ηνπ ζηξαηνχ θαη ηνπ ππνπξγείνπ ακχλεο γηα κεγάιε αζθάιεηα ζηελ επηθνηλσλία. Χζηφζν ε κεγάιε αλάπηπμε ησλ κηθξνεπεμεξγαζηψλ θαζψο θαη ε γξήγνξε κεηαγσγή ζηελ ηερλνινγία εκηαγσγψλ θαηέζηεζαλ ηελ Ultra Wideband ηερλνινγία έηνηκε λα ρξεζηκνπνηεζεί θαη ζε εκπνξηθέο εθαξκνγέο. Δηαηξίεο νη νπνίεο αλέπηπμαλ UWB ζπζηήκαηα άξρηζαλ λα αζθνχλ πίεζε ζηελ FCC (Federal Communications Commission, Οκνζπνλδηαθή Δπηηξνπή Δπηθνηλσληψλ) πξνθεηκέλνπ λα εγθξίλνπλ ηελ UWB ηερλνινγία γηα εκπνξηθή ρξήζε. To Φεβξνπάξην ηνπ 2002 ην FCC ελέθξηλε ηελ UWB ηερλνινγία γηα ρξεζηκνπνίεζή ηεο ζε εκπνξηθέο εθαξκνγέο. Σν ζρήκα 1.1 δείρλεη ηελ αλάπηπμε ηεο UWB ζην ρξφλν. ΢σήμα 1.1. Ιζηνξηθή εμέιημε ηεο UWB ηερλνινγίαο. 1.2. UWB Έννοιερ. Σα παξαδνζηαθά ζπζηήκαηα επηθνηλσλίαο ζηελήο δψλεο, δηακνξθψλνπλ ζπλερείο θπκαηνκνξθέο RF ζεκάησλ κε θαζνξηζκέλε ζπρλφηεηα θέξνληνο πξνθεηκέλνπ λα κεηαδψζνπλ θαη λα ιάβνπλ πιεξνθνξίεο. Μία ζπλερήο θπκαηνκνξθή έρεη κία θαιά θαζνξηζκέλε ελέξγεηα 2 ζήκαηνο ζε κία ζηελή δψλε ζπρλνηήησλ πνπ ην θαζηζηά ηδηαίηεξα επάισην ζηελ αλίρλεπζε θαη ζηελ παξαθνινχζεζε. Σν ζρήκα 1-2 απεηθνλίδεη έλα ζήκα ζηελήο δψλεο ζην πεδίν ηνπ ρξφλνπ θαη ηεο ζπρλφηεηαο. ΢σήμα 1.2. ΢ήκα ζηελήο δψλεο ζην (α) πεδίν ρξφλνπ θαη (β) πεδίν ζπρλφηεηαο. ΢σήμα 1.3. Παικφο κηθξνχ θχθινπ ιεηηνπξγίαο. Όπνπ Ton αλαπαξηζηάλεη ηνλ ρξφλν ζηνλ νπνίν ν παικφο ππάξρεη θαη Toff ηνλ ρξφλν θαηά ηνλ νπνίν ν παικφο απνπζηάδεη. Όπσο πξναλαθέξζεθε ηα UWB ζπζηήκαηα ρξεζηκνπνηνχλ παικνχο κηθξήο ρξνληθήο δηάξθεηαο (ηεο ηάμεο psec, nsec) κε πνιχ κηθξφ θχθιν ιεηηνπξγίαο (Duty Cycle) γηα ηελ κεηάδνζε θαη ηε ιήςε ηεο πιεξνθνξίαο. Κχθινο ιεηηνπξγίαο είλαη ν ιφγνο ηνπ ρξφλνπ ζηνλ νπνίν εκθαλίδεηαη ν παικφο πξνο ηνλ ζπλνιηθφ ρξφλν κεηάδνζεο. Σν ζρήκα 1.3 θαη ε εμίζσζε 1.1 θαζνξίδνπλ ην Duty Cycle. 𝐷𝑢𝑡𝑦 𝐶𝑦𝑐𝑙𝑒 = 𝑇𝑜𝑛 𝑇𝑜𝑛 + 𝑇𝑜𝑓𝑓 1.1 3 Μηθξφο θχθινο ιεηηνπξγίαο πξνζθέξεη πνιχ ρακειή ηζρχο κεηάδνζεο ζηα UWB ζπζηήκαηα. Η κέγηζηε ηηκή ηεο ζηηγκηαίαο ηζρχο ησλ UWB παικψλ κπνξεί λα είλαη ζρεηηθά κεγάιε αιιά ιφγσ ηνπ πνιχ κηθξνχ ρξφλνπ κεηάδνζήο ηνπο (𝑇𝑜𝑛 < 1𝑛𝑠) , ε κέζε ηζρχο είλαη αμηνζεκείσηα ρακειή. Δπεηδή ε ζπρλφηεηα είλαη αληηζηξφθσο αλάινγε ηνπ ρξφλνπ νη UWB παικνί κηθξήο ρξνληθήο δηάξθεηαο απιψλνπλ ηελ ελέξγεηά ηνπο ζε κία κεγάιε έθηαζε ζπρλνηήησλ (θνληά ζην DC σο κεξηθά GHz) κε πνιχ κηθξή ππθλφηεηα θαζκαηηθήο ηζρχνο (PSD). Σν ζρήκα 1.4 δείρλεη έλαλ UWB παικφ ζην πεδίν ηνπ ρξφλνπ θαη ζην πεδίν ηεο ζπρλφηεηαο. ΢σήμα 1.4. Έλαο UWB παικφο ζην (α) πεδίν ηνπ ρξφλνπ θαη (β) πεδίν ζπρλφηεηαο. Σν θαξδχ εχξνο δψλεο απνξξέεη απφ ηνλ κεηαζρεκαηηζκφ Fourier ηνπ ζήκαηνο. 𝑥 𝑎𝑡 ↔ 1 𝑓 𝑋 𝑎 𝑎 1.2 1.3. UWB ΢ήμαηα. Όπσο θαζνξίζηεθε απφ ηελ FCC ηα UWB ζήκαηα πξέπεη λα έρνπλ απφιπην εχξνο δψλεο κεγαιχηεξν ησλ 500MHz ή θιαζκαηηθφ εχξνο δψλεο (Fractional Bandwidth) κεγαιχηεξν ηνπ 4 20% φισλ ησλ ρξφλσλ κεηάδνζεο [2]. Fractional Bandwidth είλαη ν παξάγνληαο πνπ ηαμηλνκεί ηα ζήκαηα ζε narrowband, wideband ή ultra wideband θαη θαζνξίδεηαη ζαλ ν ιφγνο ηνπ εχξνπο δψλεο ζηα -10dB πξνο ηελ θεληξηθή ζπρλφηεηα. Η εμίζσζε 1.3 δείρλεη απηήλ ηελ ζρέζε. 𝐵𝑓 = 𝐵𝑊 𝑓𝑕 − 𝑓𝑙 2(𝑓𝑕 − 𝑓𝑙 ) × 100% = × 100% = × 100% 𝑓𝑐 (𝑓𝑕 + 𝑓𝑙 )/2 (𝑓𝑕 + 𝑓𝑙 ) 1.3 φπνπ 𝑓𝑕 θαη 𝑓𝑙 είλαη νη κεγαιχηεξε θαη ε κηθξφηεξε ζπρλφηεηα απνθνπήο (ζηα -10dB) ηνπ θάζκαηνο ηνπ UWB παικνχ. Αθνινπζεί έλαο πίλαθαο ηαμηλφκεζεο ζεκάησλ κε βάζε ην fractional bandwidth: ΢ηελήο δψλεο (Narrowband) 𝐵𝑓 < 1% Δπξείαο δψλεο (Wideband) 1% < 𝐵𝑓 < 20% Τπεξεπξείαο δψλεο (Ultra wideband) 𝐵𝑓 > 20% 1.4. Πλεονεκηήμαηα. Λφγσ ηεο κηθξήο δηάξθεηαο παικψλ πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη ζηελ UWB ηερλνινγία έρνπκε αξθεηά πιενλεθηήκαηα ζε ζρέζε κε ηα ζηελήο δψλεο ζπζηήκαηα επηθνηλσλίαο. Αθνινπζνχλ κεξηθά απφ ηα νθέιε πνπ επέθεξε ε ρξήζε ηεο UWB ηερλνινγίαο ζηηο αζχξκαηεο επηθνηλσλίεο. 5 1.4.1. Ικανόηηηα να μοιπάζοςν ηο θάζμα ζςσνοηήηων. Η απαίηεζε ηεο FCC γηα ηζρχ ζηα UWB ζπζηήκαηα είλαη -41.3 dBm/MHz. Ο πεξηνξηζκφο απηφο επηηξέπεη ζηα UWB ζήκαηα λα βξίζθνληαη θάησ απφ ην επίπεδν ζνξχβνπ ελφο ηππηθνχ narrowband δέθηε θαη επίζεο επηηξέπεη ηα UWB ζήκαηα λα ζπλππάξρνπλ κε άιια narrowband ή wideband ζήκαηα κε κηθξέο ή θαη θαζφινπ παξεκβνιέο. Χζηφζν φια απηά εμαξηψληαη απφ ηνλ ηχπν ηεο δηακφξθσζεο πνπ ζα ρξεζηκνπνηεζεί γηα ηελ κεηαθνξά δεδνκέλσλ ζε έλα UWB ζχζηεκα. Σν ζρήκα 1.5 δείρλεη ηελ γεληθή ηδέα ζπλχπαξμεο ηεο UWB κε ηηο narrowband θαη wideband ηερλνινγίεο. ΢σήμα 1.5. ΢πλχπαξμε UWB ζεκάησλ κε narrowband θαη wideband ζήκαηα ζην RF θάζκα. 1.4.2 Μεγάλη Υωπηηικόηηηα Καναλιού. Έλα απφ ηα κεγαιχηεξα πιενλεθηήκαηα ηνπ κεγάινπ εχξνπο δψλεο ηεο UWB ηερλνινγίαο είλαη φηη βειηίσζε ηελ ρσξεηηθφηεηα ηνπ θαλαιηνχ. Η ρσξεηηθφηεηα θαλαιηνχ (Channel Capacity) ή ξπζκφο δεδνκέλσλ (Data Rate) θαζνξίδεηαη σο ην κέγηζην πνζφ πιεξνθνξίαο πνπ κπνξεί λα κεηαδνζεί κέζα ζε έλα θαλάιη επηθνηλσλίαο. Η κεγάιε ρσξεηηθφηεηα θαλαιηνχ ησλ UWB ζπζηεκάησλ δίλεηαη απφ ηελ εμίζσζε Hartley-Shannon. 6 𝐶 = 𝐵 log 2 1 + 𝑆𝑁𝑅 1.4 όπνπ C είλαη ε κέγηζηε ρσξεηηθφηεηα θαλαιηνχ, Β είλαη ην εχξνο δψλεο θαη SNR ν ιφγνο ζήκαηνο πξνο ζφξπβν. Όπσο θαίλεηαη απφ ηελ παξαπάλσ εμίζσζε ε ρσξεηηθφηεηα θαλαιηνχ C απμάλεηαη γξακκηθά κε ην εχξνο δψλεο Β. Χζηφζν ιφγσ ηεο απαίηεζεο ηεο FCC γηα πεξηνξηζκφ ηεο ηζρχο ν κεγάινο ξπζκφο κεηάδνζεο ηεο πιεξνθνξίαο (Data Rate) είλαη εθηθηφο κφλν γηα κηθξέο απνζηάζεηο (κέρξη 10 κέηξα). Απηφ θάλεη ηα UWB ζπζηήκαηα θαηάιιεια ζε αζχξκαηεο επηθνηλσλίεο κηθξήο εκβέιεηαο κε πνιχ κεγάιν ξπζκφ κεηάδνζεο δεδνκέλσλ φπσο ηα wireless personal area networks (WPANs). 1.4.3. Ικανόηηηα να δοςλεύοςν ζε κανάλια με σαμηλό SNR. Απφ ηελ εμίζσζε Hartley-Shannon παξαηεξνχκε φηη ε κέγηζηε ρσξεηηθφηεηα απμάλεηαη ινγαξηζκηθά κε ην SNR. Χζηφζν ηα UWB ζπζηήκαηα κπνξνχλ λα δνπιεχνπλ ζε θαλάιηα επηθνηλσλίαο θαη λα ζπλερίδνπλ λα πξνζθέξνπλ κεγάιε ρσξεηηθφηεηα θαλαιηνχ εμαηηίαο ηνπ κεγάινπ εχξνπο δψλεο πνπ δηαζέηνπλ. 1.4.4. Μικπή πιθανόηηηα Γιακοπήρ και Ανίσνεςζηρ. Λφγσ ηεο πνιχ κηθξήο κέζεο ηζρχο κεηάδνζεο, ηα UWB ζπζηήκαηα επηθνηλσλίαο έρνπλ κία αλνζία ζηελ αλίρλεπζε θαη ζηελ δηαθνπή. Λφγσ ηεο ρακειήο ηζρχο κεηάδνζεο γηα λα αληρλεχζεη θάπνηνο ηελ κεηαδηδφκελε πιεξνθνξία πξέπεη λα βξίζθεηαη πνιχ θνληά ζηνλ πνκπφ (πεξίπνπ έλα κέηξν). Δπηπξφζζεηα νη UWB παικνί δηακνξθψλνληαη κε κνλαδηθνχο θψδηθεο γηα θάζε δεχγνο πνκπνχ/δέθηε. Η δηακφξθσζε εμαηξεηηθά ζηελψλ παικψλ δίλεη κεγαιχηεξε αζθάιεηα ζηελ κεηάδνζε αθνχ ε αλίρλεπζε παικψλ δηάξθεηαο ηεο ηάμεο ησλ picoseconds ρσξίο λα γλσξίδνπκε πφηε ζα θηάζνπλ είλαη ζρεδφλ αδχλαηε. 7 1.4.5. Ανηίζηαζη ζηιρ παπεμβολέρ(jamming). Σν UWB θάζκα θαιχπηεη κία ηεξάζηηα έθηαζε ζπρλνηήησλ (θνληά ζην DC σο κεξηθά GHz ) θαη πξνζθέξεη έλα κεγάιν θέξδνο επεμεξγαζίαο (Processing Gain) ζηα UWB ζήκαηα. Σν θέξδνο επεμεξγαζίαο είλαη έλα κέηξν ηεο αληίζηαζεο ελφο ζπζηήκαηνο ζε παξεκβνιέο θαη θαζνξίδεηαη απφ ηνλ ιφγν ηνπ RF εχξνπο δψλεο (RF Bandwidth) πξνο ην εχξνο δψλεο ηεο πιεξνθνξίαο ηνπ ζήκαηνο (Information Bandwidth), φπσο νξίδεηαη απφ ηελ εμίζσζε 1.5. 𝑃𝐺 = 𝑅𝐹 𝐵𝑎𝑛𝑑𝑤𝑖𝑑𝑡𝑕 𝐼𝑛𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝐵𝑎𝑛𝑑𝑤𝑖𝑑𝑡𝑕 1.5 Σν κεγάιν θάζκα ζπρλνηήησλ θάλεη ηα UWB ζήκαηα ζρεηηθά αλζεθηηθά ζηηο παξεκβνιέο γηαηί θαλέλαο παξεκβνιέαο δελ κπνξεί λα παξεκβάιιεη ζε θάζε ζπρλφηεηα ηνπ UWB θάζκαηνο, ηαπηφρξνλα . Αλ ππάξμνπλ παξεκβνιέο ζε θάπνηεο ζπρλφηεηεο παξακέλεη έλαο κεγάινο αξηζκφο ζπρλνηήησλ πνπ παξακέλνπλ αλέγγηρηεο [1,3,4]. 1.4.6. Μεγάλη απόδοζη ζε κανάλια πολλαπλών διαδπομών (Multipath) . Σν θαηλφκελν πνιιαπιψλ δηαδξνκψλ είλαη αλαπφθεπθην ζηα αζχξκαηα θαλάιηα επηθνηλσλίαο. Οθείιεηαη ζηηο πνιιαπιέο αληαλαθιάζεηο ηνπ κεηαδηδφκελνπ ζήκαηνο απφ δηάθνξεο επηθάλεηεο φπσο θηίξηα, δέληξα θαη αλζξψπνπο. Η επζεία γξακκή κεηαμχ πνκπνχ θαη δέθηε είλαη ε γξακκή νπηηθήο επαθήο (line of sight, LOS). Σα ζήκαηα πνπ αληαλαθιψληαη απφ ηηο επηθάλεηεο είλαη ε γξακκή κε νπηηθήο επαθήο (non line of sight, NLOS). Σν ζρήκα 1.6 απεηθνλίδεη ην θαηλφκελν πνιιαπιψλ δηαδξνκψλ γηα ζήκαηα ζηελήο θαη ππεξεπξείαο δψλεο. 8 ΢σήμα 1.6. (a) Σν θαηλφκελν πνιιαπιψλ δηαδξνκψλ ζε αζχξκαηεο ζπλδέζεηο (b) επίδξαζε ηνπ θαηλνκέλνπ ζε narrowband ζήκαηα (c) επίδξαζε ηνπ θαηλνκέλνπ ζε UWB παικνχο. Όπσο θαίλεηαη ζην ζρήκα 1.6 ε επίδξαζε ηνπ πνιιαπιψλ δηαδξνκψλ θαηλνκέλνπ είλαη πνιχ ζνβαξή γηα ηα Narrowband ζήκαηα. Μπνξεί λα πξνθαιέζεη ππνβάζκηζε ηνπ ζήκαηνο έσο θαη -40dB ιφγσ ηεο πξφζζεζεο ησλ 2 εθηφο θάζεσο θπκαηνκνξθψλ. Αληίζεηα ε πνιχ κηθξή δηάξθεηα ησλ UWB παικψλ ηνπο θαζηζηά ιηγφηεξν επαίζζεηνπο ζην θαηλφκελν απηφ. Αλ θαη ε κηθξή δηάξθεηα ησλ UWB παικψλ ηνπο θάλεη ιηγφηεξν επαίζζεηνπο ζην θαηλφκελν πνιιαπιψλ δηαδξνκψλ ζε ζρέζε κε ηα narrowband ζήκαηα, απηφ δελ ζεκαίλεη πσο νη UWB επηθνηλσλίεο κέλνπλ εληειψο αλεπεξέαζηεο απφ ην θαηλφκελν απηφ. Έξεπλεο πάλσ ζηελ κνληεινπνίεζε θαλαιηψλ έδεημαλ φηη, αλάινγα κε ην είδνο δηακφξθσζεο πνπ ρξεζηκνπνηείηαη, νη UWB παικνί ρακειήο ηζρχνο κπνξνχλ λα ππνζηνχλ ζνβαξέο αιινηψζεηο κέζα ζε εζσηεξηθά 9 θαλάιηα φπνπ ππάξρεη κεγάινο αξηζκφο απφ αληηθείκελα φπνπ νη απνζηάζεηο κεηαμχ ηνπο είλαη κηθξέο. 1.4.7. Καλύηεπερ Ιδιόηηηερ Γιείζδςζηρ. ΢ε αληίζεζε κε ηελ narrowband ηερλνινγία ηα UWB ζπζηήκαηα κπνξνχλ λα δηεηζδχζνπλ απνηειεζκαηηθά κέζσ δηαθνξεηηθψλ πιηθψλ. Οη ρακειέο ζπρλφηεηεο πνπ πεξηιακβάλνληαη ζην UWB θάζκα αληηζηνηρνχλ ζε κεγάια κήθε θχκαηνο πνπ επηηξέπνπλ ζηα UWB ζήκαηα λα δηεηζδχζνπλ ζε κία κεγάιε πνηθηιία πιηθψλ ζπκπεξηιακβαλνκέλσλ ησλ ηνίρσλ. Η ηδηφηεηα απηή θάλεη ηελ UWB ηερλνινγία ηδαληθή γηα επηθνηλσλίεο δηα κέζνπ ηνίρσλ (through-the-wall communications) φπσο θαη γηα ξαληάξ δηείζδπζεο ζην έδαθνο (penetrating radars, GPR). 1.4.8. Απλή Απσιηεκηονική Πομποδέκηη. ΢ηελ UWB κεηάδνζε ηα δεδνκέλα δελ δηακνξθψλνληαη κε κία ζπλερή θπκαηνκνξθή κε θαζνξηζκέλε ζπρλφηεηα θέξνληνο φπσο ζηηο narrowband ηερλνινγίεο. Απηφ ην είδνο κεηάδνζεο απαηηεί ιηγφηεξα εμαξηήκαηα (components). Γηα ηνλ ιφγν απηφ έλαο UWB πνκπνδέθηεο είλαη ζεκαληηθά πην απιφο θαη σο εθ ηνχηνπ πην θζελφο λα θαηαζθεπαζηεί. Σν ζρήκα 1.7 ζπγθξίλεη ηα δνκηθά δηαγξάκκαηα ελφο narrowband θαη ελφο UWB πνκπνδέθηε. Όπσο θαίλεηαη απφ ην ζρήκα 1.7 ε αξρηηεθηνληθή ηνπ UWB πνκπνδέθηε είλαη ζεκαληηθά ιηγφηεξν πνιχπινθε απφ φηη ηνπ narrowband. Η κεηάδνζε κηθξήο ηζρχνο παικψλ εμαιείθεη ηελ αλάγθε εληζρπηή ηζρχνο (Power Amplifier, PA) ζηνπο UWB πνκπνδέθηεο. Δπίζεο ιφγσ ηεο δηακφξθσζεο ζηελ UWB κεηάδνζε, δελ ππάξρεη ε αλάγθε ρξεζηκνπνίεζεο κεηθηψλ (Mixers) θαη ηνπηθψλ ηαιαλησηψλ (Local Oscillators) πξνθεηκέλνπ λα κεηαθξάζνπλ ηελ ζπρλφηεηα θέξνληνο ζηελ επηζπκεηή δψλε ζπρλνηήησλ. 10 ΢σήμα 1.7. (α) Αξρηηεθηνληθή ελφο narrowband πνκπνδέθηε. (β) Αξρηηεθηνληθή ελφο UWB πνκπνδέθηε. 1.5. Μειονεκηήμαηα και πποκλήζειρ. Η UWB ηερλνινγία δελ έρεη φκσο κφλν πιενλεθηήκαηα. Τπάξρνπλ αξθεηέο δπζθνιίεο πνπ δεκηνπξγνχληαη απφ ηελ ρξεζηκνπνίεζε παικψλ δηάξθεηαο nanoseconds. Οξηζκέλεο απφ ηηο θχξηεο δπζθνιίεο εμεηάδνληαη ζηα αθφινπζα ηκήκαηα. 1.5.1. Παπαμόπθωζη Παλμών. Η κεηάδνζε ησλ UWB παικψλ είλαη πην πνιχπινθε απφ ηελ κεηάδνζε παικψλ ζηελήο δψλεο. Έλα Narrowband ζήκα παξακέλεη εκηηνλνεηδήο ζην θαλάιη κεηάδνζεο. Χζηφζν νη αζζελήο θαη νη ρακειήο ηζρχνο UWB παικνί κπνξνχλ λα αιινησζνχλ ζεκαληηθά θαηά ηελ κεηάδνζή ηνπο. Η αιινίσζε απηή κπνξεί λα δεηρζεί καζεκαηηθά απφ ηελ εμίζσζε ηνπ Friis. 𝑃𝑟 = 𝑃𝑡 𝐺𝑡 𝐺𝑟 𝑐 4𝜋𝑑𝑓 2 1.6 11 𝑃𝑟 : ηζρχο ιακβαλφκελνπ ζήκαηνο 𝑃𝑡 : ηζρχο κεηαδηδφκελνπ ζήκαηνο 𝐺𝑟 : θέξδνο θεξαίαο ηνπ δέθηε 𝐺𝑡 : θέξδνο θεξαίαο ηνπ πνκπνχ c:ηαρχηεηα ηνπ θσηφο d : απφζηαζε πνκπνχ-δέθηε f : ζπρλφηεηα ζήκαηνο Η παξαπάλσ εμίζσζε δείρλεη πσο ε ηζρχο ηνπ ιακβαλφκελνπ ζήκαηνο είλαη αληηζηξφθσο αλάινγε ηνπ ηεηξαγψλνπ ηεο ζπρλφηεηαο ηνπ ζήκαηνο. ΢ηα ζήκαηα ζηελήο δψλεο κε πνιχ ζηελή δψλε ζπρλνηήησλ ε αιιαγή ζηελ ζπρλφηεηα επηθέξεη κηθξέο αιιαγέο ζηελ ηζρχ ηνπ ιακβαλφκελνπ ζήκαηνο, ζπλεπψο κπνξεί λα αγλνεζεί. Χζηφζν ιφγσ ηεο πνιχ κεγάιεο έθηαζεο ζπρλνηήησλ πνπ θαιχπηεηαη απφ ην UWB θάζκα ε ηζρχο ηνπ ιακβαλφκελνπ ζήκαηνο κεηαβάιιεηαη δξαζηηθά κε απνηέιεζκα ηελ δηαζηξέβισζε ηνπ παικνχ. 1.5.2. Δκηίμηζη Καναλιού (Channel Estimation) Η εθηίκεζε θαλαιηνχ είλαη έλα ζεκαληηθφ δήηεκα ζηα αζχξκαηα ηειεπηθνηλσληαθά ζπζηήκαηα. Δπεηδή δελ είλαη δπλαηφλ λα κεηξεζεί θάζε αζχξκαην θαλάιη, είλαη ζεκαληηθφ λα ρξεζηκνπνηήζνπκε θάπνηεο αθνινπζίεο πξνθεηκέλνπ λα εθηηκεζνχλ ζεκαληηθέο παξάκεηξνη ησλ θαλαιηψλ φπσο νη ρξνληθέο θαζπζηεξήζεηο θαη εμαζζελήζεηο ζε κία δηαδξνκή κεηάδνζεο ηνπ ζήκαηνο. Γεδνκέλνπ πσο νη πεξηζζφηεξνη UWB δέθηεο ζπζρεηίδνπλ ην ιακβαλφκελν ζήκα κε έλα πξνθαζνξηζκέλν πξφηππν ζήκα, είλαη αλαγθαία ε εθ ησλ πξνηέξσλ γλψζε ησλ παξακέηξσλ ηνπ αζχξκαηνπ θαλαιηνχ, ψζηε λα πξνβιεθηεί ε κνξθή ηνπ πξφηππνπ ζήκαηνο πνπ ηαηξηάδεη ζην ιακβαλφκελν. Χζηφζν ιφγσ ηνπ κεγάινπ εχξνπο δψλεο αιιά θαη ηεο κηθξήο ελέξγεηαο, νη UWB κπνξεί λα αιινησζνχλ ζεκαληηθά. Σν ηειεπηαίν θάλεη ηελ εθηίκεζε θαλαιηνχ ζηα UWB ζπζηήκαηα επηθνηλσλίαο πνιχ πνιχπινθε δηαδηθαζία [5]. 12 1.5.3. Υπονικόρ ΢ςγσπονιζμόρ Ο ρξνληθφο ζπγρξνληζκφο κεηαμχ ηνπ πνκπνχ θαη ηνπ δέθηε απνηειεί κία κεγάιε πξφθιεζε ζηε κειέηε ησλ UWB ζπζηεκάησλ επηθνηλσλίαο. Η πνιχ κηθξή δηάξθεηα ησλ UWB παικψλ δπζθνιεχεη ηνλ ζρεδηαζκφ ησλ UWB ζπζηεκάησλ. Πξνθεηκέλνπ λα επηηεπρζεί δεηγκαηνιεςία απηψλ ησλ ζηελψλ παικψλ ε ρξεζηκνπνίεζε κεηαηξνπέσλ αλαινγηθνχ ζήκαηνο ζε ςεθηαθφ (Analog-to-Digital Converters, ADC) είλαη απαξαίηεηε. 1.5.3 Πολλαπλήρ ππόζβαζηρ παπεμβολέρ (Multiple-Access Interference). ΢ε πνιιαπιήο πξφζβαζεο ζπζηήκαηα επηθνηλσλίαο δηαθνξεηηθνί ρξήζηεο ή ζπζθεπέο ζηέιλνπλ πιεξνθνξίεο αλεμάξηεηα, ζε έλα θνηλφ κέζν κεηάδνζεο. Καηά ηε ιήςε έλαο ή πεξηζζφηεξνη δέθηεο πξέπεη λα είλαη ζε ζέζε λα δηαρσξίζνπλ ηνπο ρξήζηεο θαη λα αληρλεχζνπλ ηελ θαηάιιειε πιεξνθνξία. Οη παξεκβνιέο απφ ηνπο άιινπο ρξήζηεο νλνκάδνληαη πνιιαπιήο πξφζβαζεο παξεκβνιέο (Multiple-Access Interference, MAI) νη νπνίεο θαη πεξηνξίδνπλ ηελ ρσξεηηθφηεηα ηνπ θαλαιηνχ θαζψο θαη ηελ απφδνζε ησλ δεθηψλ. Οη πνιιαπιήο πξφζβαζεο παξεκβνιέο θαζψο θαη ν ζφξπβνο ηνπ θαλαιηνχ ππνβαζκίδνπλ ηνπο ρακειήο ηζρχνο UWB παικνχο θάλνληαο ηελ δηαδηθαζία αλίρλεπζεο πνιχ δχζθνιε. Σν ζρήκα 1.7 απεηθνλίδεη έλα θαλάιη πνιιαπιήο πξφζβαζεο. ΢σήμα 1.8. UWB θαλάιη πνιιαπιήο πξφζβαζεο. 13 1.6. Γιαθοπέρ UWB και Spread Φάζμαηορ. Παξφιν πνπ ε UWB είλαη κία αλαπηπζζφκελε ηερλνινγία θαη πεξηζζφηεξεο πιεξνθνξίεο ζρεηηθά κε ηηο ηδέεο θαη ηηο δπλαηφηεηέο ηεο είλαη δηαζέζηκεο θαζεκεξηλά, πνιιέο παξεξκελείεο ζπλδένληαη θαζεκεξηλά κε ην φλνκά ηεο. Πνιινί άλζξσπνη ζπρλά ζπγρένπλ ηελ UWB ηερλνινγία κε Wideband Spread-Spectrum ηερληθέο. Παξφιν πνπ θαη νη δχν ρξεζηκνπνηνχληαη ζε ζηξαηησηηθέο εθαξκνγέο ψζηε λα παξέρνπλ αζθάιεηα ζηηο επηθνηλσλίεο είλαη ρξήζηκν λα δηεπθξηληζηεί ε ζεκειηψδεο δηαθνξά ησλ δχν απηψλ ηερληθψλ. Γηα ηνλ παξαπάλσ ιφγν είλαη ζεκαληηθφ λα εμεηάζνπκε ελ ζπληνκία ηηο δχν Spread-Spectrum ηερληθέο πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη ζπλήζσο, ηελ DSSS θαη ηελ FHSS. 1.6.1 Direct-Sequence Spread Spectrum (DSSS). ΢ηελ Direct-Sequence Spread Spectrum (DSSS) ηερληθή έλαο ςεπδνηπραίνο θψδηθαο ρξεζηκνπνηείηαη γηα ηε δηάδνζε θάζε bit κε έλαλ κεγαιχηεξν αξηζκφ απφ chip φπνπ ην δηάζηεκα ηνπ chip είλαη αξθεηά κηθξφηεξν απφ ην δηάζηεκα ηνπ bit φπσο θαίλεηαη ζην ζρήκα 1.8. Απηέο νη θσδηθέο ιέμεηο εμαπιψλνπλ ηελ πιεξνθνξία ζε κεγαιχηεξν εχξνο δψλεο απφ απηφ πνπ ρξεηάδεηαη γηα λα κεηαδνζεί. ΢ην ζρήκα 1.8 ην bit 1 εθθξάδεηαη απφ κία αθνινπζία θψδηθα 4 bits (1010) θαη ην bit 0 απφ κία άιιε (1100). ΢σήμα 1.9. Η αθνινπζία δεδνκέλσλ θαη ν spreading θψδηθαο ρξεζηκνπνηψληαο ηελ DSSS ηερληθή. 14 1.6.2. Frequency-Hopping Spread Spectrum (FHSS). Η Frequency-Hopping Spread Spectrum (FHSS) ηερληθή επηλνήζεθε απφ ηνλ Hedy Lammar θαη θαηνρπξψζεθε ην 1942 σο ―Secret Communication System‖ [6]. Η FHSS ζαλ ηδέα είλαη αθξηβψο ίδηα κε ηελ DSSS απφ ηελ άπνςε ηεο δηάδνζεο ηεο ελέξγεηαο ηνπ ζήκαηνο ζην πεδίν ζπρλφηεηαο. Χζηφζν ην επξχ εχξνο δψλεο δελ νθείιεηαη ζηελ εμάπισζε ησλ δεδνκέλσλ φπσο ζηελ DSSS ηερληθή. Η FHSS ηερληθή κεηαπεδά ηηο ζπρλφηεηεο πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη γηα κεηάδνζε θαη ιήςε κε βάζε έλαλ ςεπδνηπραίν θψδηθα, θαη ν ζπλδπαζκφο απηψλ ησλ ζπρλνηήησλ παξάγεη έλα επξχ εχξνο δψλεο. Η αιιαγή ζηηο ζπρλφηεηεο γίλεηαη ηφζν γξήγνξα ψζηε θάλεη ηελ αλίρλεπζε πνιχ δχζθνιε ζε αλαξκφδηα φξγαλα. Όπσο θαίλεηαη ζην ζρήκα 1.9 ην ζήκα κεηαπεδά απφ ηελ κία ζπρλφηεηα ζηελ άιιε ζε θάζε ρξνληθή ζηηγκή. ΢σήμα 1.10. Μεηαπήδεζε ηεο ζπρλφηεηαο ζηελ FHSS ηερληθή. 15 1.6.3. Οι Βαζικέρ Γιαθοπέρ Σφζν ε DSSS φζν θαη ε FHSS ηερληθή πξνζθέξνπλ κία εμάπισζε ηεο ζπρλφηεηαο θαη παξέρνπλ πιενλεθηήκαηα ζε ζρέζε κε ηηο narrowband ηερληθέο, φπσο ρακειή θαζκαηηθή ππθλφηεηα ηζρχνο, θαιχηεξε απφδνζε ζε multipath θαλάιηα θαη αλνζία ζε ηπρφλ παξεκβνιέο. Παξφιν πνπ θαη νη δχν ηερληθέο έρνπλ ην πιενλέθηεκα ηνπ εμαπισκέλνπ εχξνπο δψλεο, ε δηαθνξά ηνπο εληνπίδεηαη ζηελ κέζνδν πνπ ε θάζε κία θαηαθέξλεη λα ην απνθηήζεη. ΢ηηο ηππηθέο spread-spectrum ηερληθέο, ηα ζήκαηα είλαη ζπλερείο εκηηνλνεηδείο θπκαηνκνξθέο φπνπ δηακνξθψλνληαη κε κία ζηαζεξή ζπρλφηεηα θέξνληνο. Απφ ηελ άιιε πιεπξά ζηηο UWB ηερλνινγίεο δελ ππάξρεη ζπρλφηεηα θέξνληνο. Η κηθξή δηάξθεηα ησλ UWB παικψλ δεκηνπξγεί άκεζα έλα εμαηξεηηθά επξχ εχξνο δψλεο. Μία άιιε δηαθνξά εληνπίδεηαη ζην κεγάιν εχξνο δψλεο. Οη spread Spectrum ηερληθέο κπνξνχλ λα πξνζθέξνπλ MHz ηνπ εχξνπο δψλεο ελψ νη UWB παικνί έσο θαη αξθεηά GHz. Σν ζρήκα 1.10 παξνπζηάδεη ηελ αλαπαξάζηαζε wideband, narrowband θαη UWB ζεκάησλ ζην πεδίν ηνπ ρξφλνπ θαη ζην πεδίν ηεο ζπρλφηεηαο. ΢σήμα 1.11. Η κεηάβαζε απφ narrowband ζε wideband θαη UWB ζην πεδίν ηνπ ρξφλνπ θαη ηεο ζπρλφηεηαο. 16 1.7. Single Band VS Multiband. Η ηθαλφηεηα ηεο UWB ηερλνινγίαο λα παξέρεη πςεινχο ξπζκνχο δεδνκέλσλ ζε πνιχ κηθξέο απνζηάζεηο ηελ θάλεη εμαηξεηηθφ ππνςήθην γηα ην physical layer ηνπ IEEE 802.15.3a πξνηχπνπ, γηα πξνζσπηθά αζχξκαηα δίθηπα (WPANs). Χζηφζν έρνπλ αλαπηπρζεί 2 αληαγσληζηηθέο ηερλνινγίεο νη νπνίεο είλαη ε single band θαη ε multiband. Η ηερληθή single band ππνζηεξίδεηαη απφ ηηο Motorola/Extreme spectrum θαη ρξεζηκνπνηεί ζηελνχο παικνχο νη νπνίνη θαηαιακβάλνπλ κεγάιν ηκήκα ηνπ θάζκαηνο. Η multiband ηερληθή δηαηξεί ην δηαζέζηκν UWB θάζκα (3.1GHz έσο 10.6GHz) ζε κηθξφηεξεο κπάληεο κε εχξνο δψλεο κεγαιχηεξν ησλ 500MHz ζχκθσλα κε ηα πξφηππα ηεο FCC. H multiband ηερληθή ππνζηεξίδεηαη απφ πνιιέο εηαηξίεο φπσο νη Intel, Texas Instruments, General Atomics θαη Time Domain Corporation. Οη δχν ππνςήθηεο ηερλνινγίεο γηα ην 802.15.3a πξφηππν είλαη ε Direct Sequence UWB θαη Multiband Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). 1.7.1. Direct –Sequence UWB. Η Direct-Sequence UWB είλαη κία πξνζέγγηζε ηεο single band ηερλνινγίαο ε νπνία ρξεζηκνπνηεί ζηελνχο UWB παικνχο θαη κε DSSS ηερληθή κεηαδίδεη θαη ιακβάλεη πιεξνθνξίεο. Σν ζρήκα 1.10 απεηθνλίδεη απηήλ ηελ πξνζέγγηζε. ΢σήμα 1.12. Η DS-UWΒ κεηαδίδεη έλαλ απιφ παικφ ζε κία ηεξάζηηα έθηαζε ηνπ θάζκαηνο. 17 Η αλαπαξάζηαζε ησλ δεδνκέλσλ ζε απηήλ ηελ πξνζέγγηζε βαζίδεηαη ζε κία κεηαηφπηζεο θάζεο δηακφξθσζε (BPSK). Η DS-UWB κπνξεί λα πεηχρεη ξπζκνχο δεδνκέλσλ πνπ μεπεξλνχλ ην 1Gbps. 1.7.2. Multiband OFDM. Η Multiband UWB ρξεζηκνπνηεί ηα 7500 MHz ηνπ RF θάζκαηνο πνπ είλαη δηαζέζηκν γηα ηηο UWB επηθνηλσλίεο κε ηξφπν πνπ δηαθέξεη απφ ηηο παξαδνζηαθέο ηερληθέο. Η UWB δψλε ζπρλνηήησλ δηαηξείηαη ζε πνιιαπιέο κηθξφηεξεο δψλεο φπνπ ε θάζε κία έρεη εχξνο δψλεο κεγαιχηεξν απφ 500MHz. To ζρήκα 1.11 δείρλεη ην πψο ρσξίδεηαη ε UWB δψλε ζπρλνηήησλ. ΢σήμα 1.13. Η multiband ηερληθή δηαηξεί ην δηαζέζηκν UWB θάζκα ζε πνιιαπιέο κηθξφηεξεο κπάληεο. Υσξίδνληαο ην θάζκα ζε πνιιαπιέο δψλεο ζπρλνηήησλ πξνζθέξεηαη ην πιενλέθηεκα απνθπγήο κεηάδνζεο ζε νξηζκέλεο δψλεο φπσο ζηα 5GHz πνπ νξίδεη ην πξφηππν 802.11.a. ΢ηε multiband ηερληθή νη παικνί δελ είλαη ηφζν ζηελνί φζν ζηηο άιιεο UWB ηερληθέο. Έηζη νη απαηηήζεηο ζπγρξνληζκνχ δελ είλαη ηφζν πςειέο. Η OFDM αξρηθά είρε πξνηαζεί απφ ηελ Texas Instruments θαη πξνζθέξεη πςειή απφδνζε ζε εθαξκνγέο κε πςειφ ξπζκφ δεδνκέλσλ. Καη νη δχν ηερλνινγίεο είλαη ηερληθά έγθπξεο. Χζηφζν νη ππνζηεξηθηέο ηεο DS-UWB επηθξίλνπλ ηα multiband OFDM ζπζηήκαηα γηα ηελ πνιππινθφηεηά ηνπο, πνπ απνξξέεη απφ ηελ ρξήζε πνιχπινθψλ κεηαζρεκαηηζκψλ Fourier. Απφ ηελ άιιε πιεπξά νη ππνζηεξηθηέο ηεο multiband OFDM πηζηεχνπλ φηη ε ηερληθή απηή πξνζθέξεη θαιχηεξε ζπλχπαξμε κε άιιεο 18 αζχξκαηεο ππεξεζίεο θαη απνδνθηκάδνπλ ηελ DS-UWB ιφγσ πηζαλψλ παξεκβνιψλ πνπ κπνξεί λα έρεη. 1.8. Όπια Δκπομπήρ ηηρ FCC. Η FCC πξνθεηκέλνπ λα πξνζηαηέςεη απφ παξεκβνιέο ηηο ήδε ππάξρνπζεο ππεξεζίεο έδσζε ζηελ UWB ηερλνινγία ηελ δψλε ζπρλνηήησλ απφ 3.1GHz έσο 10.6GHz. Η κέγηζηε επηηξεπφκελε ηηκή ηεο θαζκαηηθήο ππθλφηεηαο ηζρχνο ησλ ζπζθεπψλ πνπ ρξεζηκνπνηνχλ απηήλ ηελ ηερλνινγία είλαη -41.3dBm/MHz ή 75nW/MHz. Βάζε ησλ θαλνληζκψλ ηεο FCC νη UWB ζπζθεπέο θαηαηάζζνληαη ζε ηξεηο κεγάιεο θαηεγνξίεο. Σσλ επηθνηλσληψλ, ηεο απεηθφληζεο θαη ησλ ξαληάξ. 1.8.1. ΢ςζκεςέρ Δπικοινωνίαρ. Γηα ηηο επηθνηλσλίεο ε FCC αλέζεζε δηαθνξεηηθά φξηα εθπνκπήο γηα ηηο εζσηεξηθέο θαη εμσηεξηθέο UWB ζπζθεπέο. Η κάζθα θάζκαηνο γηα ηηο εμσηεξηθέο ζπζθεπέο είλαη 10dB ρακειφηεξε απφ φηη ζηηο εζσηεξηθέο ζπζθεπέο ζηελ πεξηνρή 1.61GHz έσο 3.1GHz φπσο δείρλνπλ ηα ζρήκαηα 1.14 θαη 1.15 αληίζηνηρα. ΢σήμα 1.14. UWB φξηα εθπνκπήο γηα εζσηεξηθά ζπζηήκαηα επηθνηλσλίαο. 19 ΢σήμα 1.15. UWB φξηα εθπνκπήο γηα εμσηεξηθά ζπζηήκαηα επηθνηλσλίαο. 1.8.2. ΢ςζκεςέρ Απεικόνιζηρ. Σν ζρήκα 1.16 δείρλεη ηα φξηα φπνπ έρεη αλαζέζεη ε FCC γηα ηηο ζπζθεπέο απεηθφληζεο. ΢σήμα 1.16. UWB φξηα εθπνκπήο γηα ζπζθεπέο απεηθφληζεο. 20 1.8.3 ΢ςζηήμαηα Ρανηάπ. Σα ζπζηήκαηα ξαληάξ επηηξέπεηαη λα εθπέκπνπλ κέρξη -41.3dBm/MHz κφλν ζηελ πεξηνρή ζπρλνηήησλ απφ 22GHz έσο 29GHz. Η θεληξηθή ζπρλφηεηα ησλ ζεκάησλ ηνπο πξέπεη λα είλαη κεγαιχηεξε απφ 24.075GHz. Σν ζρήκα 1.17 απεηθνλίδεη ηα φξηα εθπνκπήο γηα ηα ζπζηήκαηα ξαληάξ πνπ βαζίδνληαη ζε UWB ηερλνινγία. ΢σήμα 1.17. UWB φξηα εθπνκπήο γηα ζπζηήκαηα ξαληάξ. Όια ηα παξαπάλσ ζπλνςίδνληαη ζηνλ πίλαθα 1.1 Πίνακαρ 1.1. Όξηα εθπνκπήο γηα δηάθνξεο εθαξκνγέο ζε θάζε ζπρλφηεηα ιεηηνπξγίαο. 21 1.9. UWB Δθαπμογέρ. Σα UWB ζπζηήκαηα είλαη ηδαληθά γηα έλα επξχ θάζκα εθαξκνγψλ ζε ζηξαηησηηθνχο, πνιηηηθνχο θαη εκπνξηθνχο ηνκείο. Σα ξαληάξ ζεσξνχληαη κία απφ ηηο πην ηζρπξέο εθαξκνγέο ηεο ηερλνινγίαο UWB. Σα ραξαθηεξηζηηθά ησλ ζηελψλ παικψλ πξνζθέξνπλ ξαληάξ πςειήο αλάιπζεο γηα ηηο ζηξαηησηηθέο θαη πνιηηηθέο εθαξκνγέο. Δπίζεο, ηα UWB ζήκαηα κπνξνχλ εχθνια λα δηεηζδχζνπλ ζε δηάθνξα εκπφδηα. Απηή ε ηδηφηεηα θαζηζηά ηα ππφγεηα ξαληάξ (ground-penetrating radar-GPR) πνιχ ρξήζηκα γηα ηελ δηάζσζε θαη ηνλ εληνπηζκφ επηδψλησλ πνπ έρνπλ ζαθηεί θάησ απφ ραιάζκαηα ζε πεξηπηψζεηο θαηαζηξνθψλ. ΢ηνλ εκπνξηθφ ηνκέα ηέηνηα ζπζηήκαηα ξαληάξ κπνξνχλ λα ρξεζηκνπνηεζνχλ ζε θαηαζθεπαζηηθνχο ρψξνπο γηα λα εληνπίδνπλ ζσιήλεο θαη ειεθηξηθά θαιψδηα. Ίδηα ηερλνινγία κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί θαη γηα ηαηξηθέο εθαξκνγέο παξαθνινχζεζεο θαξδηάο. Δπηπιένλ ηα UWB ξαληάξ ρξεζηκνπνηνχληαη θαη ζηνλ θιάδν ηεο απηνθηλεηνβηνκεραλίαο γηα ζπζηήκαηα απνθπγήο ζπγθξνχζεσλ. Δπηπιένλ ε ρακειή ηζρχο κεηάδνζεο ησλ UWB παικψλ θάλεη ηελ UWB ηερλνινγία ηδαληθή γηα κπζηηθέο ζηξαηησηηθέο εθαξκνγέο. Οη UWB παικνί είλαη εμαηξεηηθά δχζθνιν λα εληνπηζηνχλ ή λα ππνθιεθηνχλ. ΢πλεπψο δελ κπνξεί ν θαζέλαο λα έρεη πξφζβαζε ζε κπζηηθέο ζηξαηησηηθέο πιεξνθνξίεο. Δπίζεο επεηδή νη UWB ζπζθεπέο έρνπλ απινχζηεξνπο θπθισκαηηθά πνκπνδέθηεο απφ ηηο narrowband κπνξνχλ λα θαηαζθεπάδνληαη ζε κηθξφηεξα κεγέζε θαη πην θζελά. Οη κηθξνί UWB πνκπνδέθηεο ρξεζηκνπνηνχληαη ζε αζχξκαηα δίθηπα αηζζεηήξσλ γηα πνιηηηθή θαη ζηξαηησηηθή ρξήζε. Σέηνηα δίθηπα αηζζεηήξσλ ρξεζηκνπνηνχληαη γηα ηελ αλίρλεπζε θπζηθψλ θαηλνκέλσλ ζε απξνζπέιαζηεο πεξηνρέο. Μία ζηξαηησηηθή εθαξκνγή ζα κπνξνχζε λα είλαη εληνπηζκφο ηνπ ερζξνχ ζην πεδίν κάρεο ελψ κία πνιηηηθή εθαξκνγή ζα κπνξνχζε λα πεξηιακβάλεη παξαθνινχζεζε ελφο νηθφηνπνπ, παξαηήξεζε ηνπ πεξηβάιινληνο θηι. Ο πςειφο ξπζκφο δεδνκέλσλ ησλ UWB ζπζηεκάησλ ζε κηθξέο απνζηάζεηο ηα θάλεη αξθεηά ρξήζηκα ζε εθαξκνγέο νηθηαθψλ δηθηχσλ (home networking) θαη πνιπκέζσλ (multimedia). Σα UWB ζπζηήκαηα κπνξνχλ λα αληηθαηαζηήζνπλ ηα θαιψδηα πνπ ζπλδένπλ ςεθηαθέο θάκεξεο θαη βίληεν φπσο θαη άιιεο ειεθηξηθέο ζπζθεπέο φπσο θνξεηνί ππνινγηζηέο, dvd, ςεθηαθέο θσηνγξαθηθέο κεραλέο θαη θνξεηέο HDTV νζφλεο. Γελ ππάξρεη άιιε δηαζέζηκε ηερλνινγία φπσο ην Bluetooth ή 802.11a/b ηθαλή λα κεηαθέξεη streaming βίληεν. Ο πίλαθαο 1.2 ζπγθξίλεη ηελ ηερλνινγία UWB κε ηα ήδε ππάξρνπζα standards γηα επηθνηλσλία δεδνκέλσλ. 22 Πίνακαρ 1.2. Γπλαηφηεηεο UWB ηερλνινγίαο ζπγθξηλφκελε κε ηα άιια IEEE standards. 23 ΚΔΦΑΛΑΙΟ 𝟐𝝄 ΢ΤΝΘΔΣΔ΢ ΢ΤΥΝΟΣΗΣΧΝ ΓΙΑ Α΢ΤΡΜΑΣΔ΢ ΔΦΑΡΜΟΓΔ΢ 2.1 Ο πόλορ ηος ΢ςνθέηη ΢ςσνοηήηων ζηοςρ RF πομποδέκηερ. Πξηλ μεθηλήζνπκε ηελ ζπδήηεζε γηα ηα ραξαθηεξηζηηθά θαη ηελ πινπνίεζε ησλ ζπλζεηψλ ζπρλνηήησλ είλαη ζεκαληηθφ λα πεξηγξάςνπκε ηα ζπζηήκαηα ζηα νπνία απηνί ρξεζηκνπνηνχληαη. ΢ηφρνο απηήο ηεο δηπισκαηηθήο είλαη ε πινπνίεζε ελφο ζπλζέηε ζπρλνηήησλ ην νπνίν ζα απνηειεί κέξνο ελφο Multiband-OFDM UWB δέθηε. Σν δνκηθφ δηάγξακκα ελφο ηππηθνχ αζχξκαηνπ δέθηε απεηθνλίδεηαη ζην ζρήκα 2.1. ΢ηηο πεξηζζφηεξεο αξρηηεθηνληθέο πνκπνδέθηε o ζπλζέηεο ζπρλνηήησλ είλαη θνηλφο γηα ηνλ πνκπφ θαη ην δέθηε. ΢ην κνλνπάηη ηνπ δέθηε ην RF ζήκα αληρλεχεηαη απφ ηελ θεξαία φπνπ ην κεηαβηβάδεη ζε έλα εληζρπηή ρακεινχ ζνξχβνπ (Low Noise Amplifier, LNA) o νπνίνο εληζρχεη ην ζήκα θαη εηζθέξεη ζε απηφ κία κηθξή πνζφηεηα ζνξχβνπ. ΢ηε ζπλέρεηα ην εληζρπκέλν απηφ ζήκα εθαξκφδεηαη ζε έλαλ θάησ κεηαηξνπέα ζπρλφηεηαο (downconverter) καδί κε ην ζήκα αλαθνξάο πνπ πξνέξρεηαη απφ ηνλ ζπλζέηε ζπρλφηεηαο ην νπνίν ζπλήζσο ραξαθηεξίδεηαη σο ηνπηθφο ηαιαλησηήο (LO). Σν ζήκα πνπ εκθαλίδεηαη ζηελ έμνδν ηνπ κεηαηξνπέα ζπρλφηεηαο έρεη ζπρλφηεηα ηελ δηαθνξά ζπρλφηεηαο ηνπ LO ζήκαηνο απφ ην RF ζήκα θαη ζπλήζσο αλαθέξεηαη ζαλ IF ζήκα. Η έμνδνο ηνπ κεηαηξνπέα εληζρχεηαη θαη θηιηξάξεηαη πξνθεηκέλνπ λα απνκνλψζεη ην επηζπκεηφ θαλάιη απφ ηα γεηηνληθά. Σέινο ην ζήκα κεηαηξέπεηαη απφ αλαινγηθφ ζε ςεθηαθφ κε έλαλ κεηαηξνπέα αλαινγηθνχ ζήκαηνο ζε ςεθηαθφ (ADC) γηα απνδηακφξθσζε. ΢χκθσλα κε ηα παξαπάλσ ν ξφινο ηνπ ζπλζέηε ζπρλνηήησλ είλαη λα παξέρεη έλα ζήκα αλαθνξάο κε θαηάιιειε ζπρλφηεηα έηζη ψζηε ε πιεξνθνξία πνπ κεηαθέξεη ην RF ζήκα λα ππνβηβαζηεί ζε κία ρακειφηεξε ζπρλφηεηα (IF) ψζηε ε ζπρλφηεηα ηνπ επηζπκεηνχ θαλαιηνχ λα βξίζθεηαη ζηε ζπρλφηεηα ιεηηνπξγίαο ηνπ θίιηξνπ επηινγήο θαλαιηνχ (channel select filter). ΢ην κνλνπάηη ηνπ πνκπνχ ν ξφινο ηνπ ζπλζέηε ζπρλνηήησλ είλαη παξφκνηνο κε απηφλ ζην κνλνπάηη ηνπ δέθηε. Η πιεξνθνξία έξρεηαη απφ ηνλ επεμεξγαζηή ςεθηαθνχ ζήκαηνο (digital signal processor), δηακνξθψλεηαη θαη κπαίλεη ζαλ είζνδνο ζε έλαλ άλσ κεηαηξνπέα ζπρλφηεηαο (upconverter) καδί κε ην ζήκα αλαθνξάο πνπ πξνέξρεηαη απφ ηνλ ζπλζέηε ζπρλνηήησλ (LO). Η έμνδνο ηνπ άλσ 24 κεηαηξνπέα ζπρλφηεηαο πεξηέρεη ηελ έμνδν ηνπ κεηαηξνπέα αιιά κεηαηνπίδεη ηελ ζπρλφηεηα ζηελ επηζπκεηή RF ζπρλφηεηα. ΢σήμα 2.1. Γνκηθφ δηάγξακκα ελφο ηππηθνχ δέθηε. 2.2. Οπιζμόρ. Ο ζπλζέηεο ζπρλνηήησλ (Frequency Synthesizer) είλαη κία ζπζθεπή ε νπνία κπνξεί λα παξάγεη ζήκα ζπρλφηεηαο 𝑓𝑜𝑢𝑡 παίξλνληαο ζηελ είζνδφ ηνπ έλα ζήκα ζπρλφηεηαο 𝑓𝑖𝑛 . Η πην δηαδεδνκέλε ηερληθή γηα ζχλζεζε ζπρλνηήησλ ζε αζχξκαηα ζπζηήκαηα επηθνηλσλίαο βαζίδεηαη ζηελ ρξήζε ελφο βξφρνπ θιεηδσκέλεο θάζεο (Phase Locked Loop, PLL). ΢ην PLL, ε έμνδνο ηνπ ηαιαλησηή ειεγρφκελνπ απφ ηάζε (Voltage control oscillator, VCO) δηαηξείηαη θαη ε θάζε θιεηδψλεη ζηε θάζε ελφο πνιχ ζηαζεξνχ ζήκαηνο αλαθνξάο. Ο βξφρνο ζπγρξνλίδεηαη ή θιεηδψλεη φηαλ ε θάζε ηνπ ζήκαηνο εηζφδνπ θαη ε θάζε ηνπ ζήκαηνο εμφδνπ ηνπ δηαηξέηε ζπρλφηεηαο γίλνπλ ίδηεο. Σν ζρήκα 2.2 απεηθνλίδεη ην δνκηθφ δηάγξακκα ελφο pll. 25 ΢σήμα 2.2. Σν δνκηθφ δηάγξακκα ελφο PLL. Έλα Phase Locked Loop απνηειείηαη απφ ηξία βαζηθά δνκηθά ζηνηρεία: ηνλ αληρλεπηή θάζεο (phase detector), ην θίιηξν θαη ηνλ ηαιαλησηή ειεγρφκελν απφ ηάζε (VCO). Δπηπξφζζεηα κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί θαη έλαο δηαηξέηεο ζπρλφηεηαο (Frequency Divider). Αλ ν αξηζκφο δηαίξεζεο είλαη αθέξαηνο ηφηε ην PLL νλνκάδεηαη integer-N frequency synthesizer. Η ζρέζε αλάκεζα ζηε ζπρλφηεηα εηζφδνπ θαη ζηε ζπρλφηεηα εμφδνπ ηνπ ζπλζέηε ζπρλνηήησλ δίλεηαη απφ : 𝑓𝑜𝑢𝑡 = 𝑁𝑓𝑖𝑛 2.1 φπνπ N, είλαη ν αξηζκφο δηαίξεζεο ηνπ δηαηξέηε ζπρλφηεηαο. Σν βήκα ζπρλφηεηαο ζηελ έμνδν ηνπ PLL είλαη ίζν κε ην 𝑓𝑖𝑛 φπνπ ζπρλά αλαθέξεηαη σο 𝑓𝑟𝑒𝑓 . Αλ ην βήκα ζπρλφηεηαο ζηελ έμνδν ηνπ ζπλζέηε πξέπεη λα είλαη κηθξφηεξν απφ ηε ζπρλφηεηα αλαθνξάο, 𝑓𝑟𝑒𝑓 , ηφηε ην N δελ είλαη αθέξαηνο αξηζκφο θαη ν ζπλζέηεο νλνκάδεηαη fractional-N frequency synthesizer. Η ρξεζηκνπνίεζε ηνπ fractional-N frequency synthesizer είλαη πνιχ ζπρλή φηαλ ην δηάζηεκα θαλαιηνχ πξέπεη λα είλαη κηθξφ θαη ε ρξεζηκνπνίεζε κηθξήο ζπρλφηεηαο αλαθνξάο δελ είλαη δπλαηή. Η επηινγή ηνπ ηχπνπ ηνπ ζπλζέηε βαζίδεηαη ζηηο αλάγθεο ζρεδηαζκνχ. Η πνιππινθφηεηα, ε απφζηαζε θαλαιηψλ ιεηηνπξγίαο (channel spacing) θαη ε θαηαλάισζε ηζρχνο 26 είλαη κεξηθνί απφ ηνπο παξάγνληεο πνπ ιακβάλνληαη ππφςε ζηελ απφθαζε γηα ην ηχπν ηνπ ζπλζέηε πνπ πξέπεη λα ρξεζηκνπνηεζεί. 2.3. Θεμελιώδειρ απσέρ ζηα PLLs. Πξνθεηκέλνπ λα θαηαλνήζνπκε ηηο ιεηηνπξγίεο θαη ηνπο ζπκβηβαζκνχο πνπ παξνπζηάδνληαη ζε έλαλ ζπλζέηε ζπρλνηήησλ είλαη απαξαίηεηε ε κειέηε ησλ βαζηθψλ αξρψλ ελφο PLL. Απφ ηειεπηθνηλσληαθήο άπνςεο έλαο βξφρνο θιεηδσκέλεο θάζεο κπνξεί λα ζεσξεζεί ζαλ έλαο βέιηηζηνο εθηηκεηήο θάζεο. Αο ρξεζηκνπνηήζνπκε έλα κε δηακνξθσκέλν θέξσλ ζήκα 𝛢 cos 2𝜋𝑓𝑐 𝑡 . To ιακβαλφκελν ζήκα αληηζηνηρεί ζην θέξσλ κε κία επηπιένλ άγλσζηε θάζε 𝜑: 𝑟 𝑡 = 𝐴 cos 2𝜋𝑓𝑐 𝑡 + 𝜑 2.2 Η ζπλζήθε πνπ δίλεη ηε θάζε 𝜑𝑀𝐿 κε θξηηήξην ηε κεγηζηνπνίεζε κηαο ζπλάξηεζεο κέγηζηεο πηζαλνθάλεηαο δίλεη : 𝑟 𝑡 sin 2𝜋𝑓𝑐 𝑡 + 𝜑𝑀𝐿 𝑑𝑡 = 0 2.3 𝛵0 Η βέιηηζηε ζπλζήθε πνπ δίλεηαη απφ ηελ εμίζσζε 2.3 ζπλεπάγεηαη ηελ ρξεζηκνπνίεζε ελφο βξφρνπ γηα ηνλ ππνινγηζκφ ηεο θάζεο φπσο επεμήγεηαη ζην ζρήκα 2.3a. Σν θίιηξν ηνπ βξφγρνπ είλαη έλαο νινθιεξσηήο ηνπ νπνίνπ ην εχξνο δψλεο είλαη αλάινγν ηνπ αληίζηξνθνπ ηεο πεξηφδνπ νινθιήξσζεο 𝛵0 [21]. Σν ζρήκα 2.3b παξνπζηάδεη ηελ ιεηηνπξγία ηνπ βξφρνπ φζνλ αθνξά ηελ αλαπαξάζηαζε ηεο θάζεο, φπνπ 𝜈(𝜏) είλαη ε ηάζε φπνπ ειέγρεη ηελ ζπρλφηεηα εμφδνπ ηνπ ηαιαλησηή ειεγρφκελνπ απφ ηάζε. 27 ΢σήμα 2.3. Υξεζηκνπνίεζε ηνπ βξφρνπ θιεηδσκέλεο θάζεο γηα εθηίκεζε ηεο θάζεο ελφο κε δηακνξθσκέλνπ θέξνληνο ζήκαηνο α) ζην πεδίν ηνπ ρξφλνπ, β) ζην πεδίν ηεο θάζεο. 2.3.1. Γπαμμικό Μονηέλο. Σν γξακκηθφ κνληέιν ηνπ PLL θαίλεηαη ζην ζρήκα 2.4. Σν κνληέιν απηφ ππνζέηεη πσο ν βξφρνο είλαη θιεηδσκέλνο θαη φηη ν αληρλεπηήο θάζεο είλαη γξακκηθφο ζηελ πεξηνρή ιεηηνπξγίαο ηνπ. ΢ην κνληέιν ηνπ PLL παξνπζηάδνληαη ηξία ζηνηρεία. Ο αληρλεπηήο θάζεο, ην θίιηξν θαη ν ηαιαλησηήο ειεγρφκελνο απφ ηάζε. ΢σήμα 2.4. Γξακκηθφ κνληέιν ηνπ PLL. 28 Υξεζηκνπνηψληαο ην γξακκηθφ κνληέιν πνπ παξνπζηάδεηαη ζην ζρήκα 2.4 ε ζπλάξηεζε κεηαθνξάο θιεηζηνχ βξφρνπ δίλεηαη απφ ηελ εμίζσζε 2.4. 𝐻𝑜𝑢𝑡 𝑠 = 𝛷𝑜𝑢𝑡 𝑠 𝐾𝑃𝐷 𝐾𝑉𝐶𝑂 𝐺 𝑠 =𝑁 𝛷𝑖𝑛 𝑠 𝑁𝑠 + 𝐾𝑃𝐷 𝐾𝑉𝐶𝑂 𝐺 𝑠 2.4 Η ζπλάξηεζε κεηαθνξάο ζηελ έμνδν ηνπ VCO είλαη: 𝐻𝛥𝜑 𝑠 = 𝛷𝑜𝑢𝑡 𝑠 𝐾𝑉𝐶𝑂 𝐺 𝑠 =𝑁 𝛷𝛥𝜑 𝑠 𝑁𝑠 + 𝐾𝑃𝐷 𝐾𝑉𝐶𝑂 𝐺 𝑠 2.5 Η ηάμε ηνπ PLL θαζνξίδεηαη απφ ηνλ αξηζκφ ησλ πφισλ ζηηο ζπλαξηήζεηο κεηαθνξάο αλνηρηνχ θαη θιεηζηνχ βξφρνπ θαη ν ηχπνο ηνπ PLL δείρλεη ηνλ αξηζκφ ησλ ηέιεησλ νινθιεξσηψλ ζην βξφρν. Αξρηθά ζα πεξηγξάςνπκε ην ηχπνπ-I PLL. Αλ δελ ππάξρεη θίιηξν ζην βξφρν ηφηε ε ζπλάξηεζε κεηαθνξάο ηνπ θίιηξνπ είλαη ίζε κε 1, G 𝑠 = 1. ΢ε απηήλ ηελ πεξίπησζε ε ζπλάξηεζε κεηαθνξάο ηνπ βξφρνπ, 𝐻𝑜𝑢𝑡 1 𝑠 γίλεηαη: 𝐻𝑜𝑢𝑡 1 𝑠 = 𝛷𝑜𝑢𝑡 𝑠 𝐾𝑃𝐷 𝐾𝑉𝐶𝑂 =𝑁 𝛷𝑖𝑛 𝑠 𝑁𝑠 + 𝐾𝑃𝐷 𝐾𝑉𝐶𝑂 2.6 Σν θέξδνο ηνπ βξφρνπ 𝐾𝑃𝐷 𝐾𝑉𝐶𝑂 είλαη ε κφλε παξάκεηξνο ζρεδηαζκνχ. Αλ ν βξφρνο έρεη κεγάιν θέξδνο ηφηε ζα έρεη θαη κεγάιν εχξνο δψλεο. Μία δεχηεξε πεξίπησζε είλαη ε πξνζζήθε ελφο πφινπ ζην θίιηξν ηνπ βξφρνπ ψζηε λα απμεζεί ε επειημία ζρεηηθά κε ην ζρεδηαζκφ. ΢ε απηήλ ηελ πεξίπησζε ε ζπλάξηεζε κεηαθνξάο ηνπ θίιηξνπ γίλεηαη: 29 G 𝑠 = 𝐺2 𝑠 = 1 s𝜏 + 1 2.7 επνκέλσο ε ζπλάξηεζε κεηαθνξάο ηνπ βξφρνπ, 𝐻𝑜𝑢𝑡 2 𝑠 , γξάθεηαη: 𝐻𝑜𝑢𝑡 2 𝑠 = 𝛷𝑜𝑢𝑡 𝑠 𝐾𝑃𝐷 𝐾𝑉𝐶𝑂 𝐺2 𝑠 =𝑁 𝛷𝑖𝑛 𝑠 𝑁𝑠 + 𝐾𝑃𝐷 𝐾𝑉𝐶𝑂 𝐺2 𝑠 𝐻𝑜𝑢𝑡 2 𝑠 = 𝑁 𝐾𝑃𝐷 𝐾𝑉𝐶𝑂 /𝜏 𝑠 2 +𝑠/𝜏 + 𝐾𝑃𝐷 𝐾𝑉𝐶𝑂 /𝑁𝜏 2.8 Η θπζηθή ζπρλφηεηα 𝜔𝑛 θαη ν ζπληειεζηήο απφζβεζεο δ ππνινγίδνληαη απφ ηηο παξαθάησ ζρέζεηο: 𝐾𝑃𝐷 𝐾𝑉𝐶𝑂 𝑁𝜏 2.9 1 𝑁 2 𝜏𝐾𝑃𝐷 𝐾𝑉𝐶𝑂 2.10 𝜔𝑛 = 𝜁= Αλ θαη ν βξφρνο απηφο είλαη απφιπηα ζηαζεξφο, ν αξηζκφο ησλ πξνδηαγξαθψλ παξακέλεη κεγαιχηεξνο απφ ηνλ αξηζκφ ησλ εμηζψζεσλ. Μία ηξίηε πεξίπησζε είλαη ε ρξεζηκνπνίεζε ελφο πην πξαθηηθνχ παζεηηθνχ θίιηξνπ φπσο θαίλεηαη απφ ην ζρήκα 2.5 ην νπνίν έρεη ζπλάξηεζε κεηαθνξάο: 30 G 𝑠 = 𝐺3 𝑠 = s𝜏2 + 1 s 𝜏1 +𝜏2 + 1 2.11 ΢σήμα 2.5. Παζεηηθφ θίιηξν. Γηα ην θίιηξν απηφ ηζρχνπλ νη εμηζψζεηο 𝜏1 = 𝑅1𝐶1 θαη 𝜏2 = R2C1 θαη ε ζπλάξηεζε κεηαθνξάο ηνπ βξφρνπ είλαη: 𝐻𝑜𝑢𝑡 3 2𝜁𝜔𝑛 s + 𝜔𝑛 2 𝑠 = 2 s + 2𝜁𝜔𝑛 s + 𝜔𝑛 2 2.12 φπνπ ηα 𝜔𝑛 θαη 𝜁 ππνινγίδνληαη απφ ηηο παξαθάησ ζρέζεηο: 𝜔𝑛 = 𝜁= 𝐾𝑃𝐷 𝐾𝑉𝐶𝑂 𝛮 𝜏1 +𝜏2 1 𝐾𝑃𝐷 𝐾𝑉𝐶𝑂 𝛮 +𝜏2 + 2 𝛮 𝜏1 +𝜏2 𝐾𝑃𝐷 𝐾𝑉𝐶𝑂 2.13 2.14 31 Μία ζχγθξηζε ηεο ζπλάξηεζεο κεηαθνξάο θιεηζηνχ βξφρνπ ηνπ PLL γηα ηηο ηξείο παξαπάλσ πεξηπηψζεηο παξνπζηάδεηαη ζην ζρήκα 2.6. ΢σήμα 2.6. ΢πλάξηεζε κεηαθνξάο θιεηζηνχ βξφρνπ γηα PLL type-I γηα δηαθνξεηηθά θίιηξα. Έλα κεηνλέθηεκα ησλ PLL ηχπνπ-I είλαη πψο δελ κπνξνχλ λα θαζνξηζηνχλ ν ζπληειεζηήο απφζβεζεο 𝜁 θαη ην θέξδνο ηνπ βξφρνπ 𝐾𝑃𝐷 𝐾𝑉𝐶𝑂 αλεμάξηεηα ηνπ εχξνπο δψλεο ηνπ βξφρνπ 𝜔𝑛 .Σν PLL ηχπνπ-II ρξεζηκνπνηείηαη ζπλήζσο ζε εθαξκνγέο πνπ απαηηείηαη ζπλζέηεο ζπρλνηήησλ. Σν ζρήκα 2.7 απεηθνλίδεη κία ηππηθή πινπνίεζε. Σν charge-pupm PLL έρεη αξθεηά πιενλεθηήκαηα έλαληη ησλ άιισλ ηχπσλ PLL. Μεξηθά απφ απηά είλαη αχμεζε ηνπ ξπζκνχ θιεηδψκαηνο (locking range) θαη ζχιιεςεο (capture range). Ο ζπλδπαζκφο ηνπ αληρλεπηή θάζεο ζπρλφηεηαο (Phase Frequency Detector, PFD) θαη ηνπ charge-pump κπξνζηά απφ ην θίιηξν δεκηνπξγεί έλαλ επηπιένλ πφιν ζηελ κεδεληθή ζπρλφηεηα. Απηφο ν πφινο παξέρεη άπεηξν θέξδνο φπνπ έρεη σο απνηέιεζκα ηνλ κεδεληζκφ ηνπ ιάζνπο θάζεο (phase error) ζε κία ηδαληθή θαηάζηαζε θιεηδψκαηνο ηνπ PLL. 32 ΢σήμα 2.7. Γνκηθφ δηάγξακκα ηνπ charge pump PLL. ΢ηελ θαηάζηαζε θιεηδψκαηνο, ν PFD θαη ην charge-pump ρξεζηκνπνηνχληαη ζαλ έλαο αληρλεπηήο θάζεο. Όηαλ ην ιάζνο θάζεο είλαη πνιχ κηθξφ, ηφηε πνιχ κηθξνί παικνί παξάγνληαη είηε ζηελ άλσ (UP) είηε ζηελ θάησ (DOWN) έμνδν ηνπ PFD αληηζηαζκίδνληαο ην ιάζνο θάζεο κε κία κηθξή αιιαγή ζηελ ηάζε ειέγρνπ ηνπ ειεγρφκελνπ απφ ηάζε ηαιαλησηή. ΢χκθσλα κε ηα παξαπάλσ κπνξεί λα ππνινγηζηεί ην θέξδνο 𝐾𝑃𝐷 , ηνπ αληρλεπηή θάζεο. Αλ ε πεξίνδνο ηνπ ζήκαηνο εηζφδνπ ηνπ PLL είλαη ίζε κε 𝛵 θαη ε δηαθνξά θάζεο κεηαμχ ηεο εηζφδνπ 𝑓𝑖𝑛 θαη ηνπ δηαηξεκέλνπ ζήκαηνο 𝑓𝑑𝑖𝑣 είλαη 𝛥𝜑 ηφηε ν ρξφλνο γηα ηελ UP/DOWN αιιαγή είλαη: 𝑡𝑢𝑝 = 𝛥𝜑𝑇 2𝜋 2.15 Σν κέζν ξεχκα αλά πεξίνδν είλαη : 33 𝐼𝑝𝑑 = 𝐼𝑐𝑝 𝑡𝑢𝑝 𝐼𝑐𝑝 = 𝛥𝜑 𝑇 2𝜋 2.16 θαη ην θέξδνο ηνπ αληρλεπηή θάζεο δίλεηαη απφ ηελ παξαθάησ ζρέζε: 𝐾𝑝𝑑 = 𝐼𝑐𝑝 2𝜋 2.17 Μία ζπλεζηζκέλε πινπνίεζε ελφο αληρλεπηή θάζεο ζπρλφηεηαο πεξηιακβάλεη δχν DFlip-Flops θαη κία AND πχιε πνπ ρξεζηκνπνηείηαη γηα λα θάλεη επαλαθνξά. Σν charge-pump απνηειείηαη απφ δχν πεγέο ξεχκαηνο πνπ ειέγρνληαη απφ ηηο UP/DOWN εμφδνπο ηνπ αληρλεπηή θάζεο ζπρλφηεηαο φπσο θαίλεηαη ζην ζρήκα 2.8. ΢σήμα 2.8. Αληρλεπηήο θάζεο ζπρλφηεηαο ζπλδηαδφκελνο κε charge-pump. Σν ξεχκα πνπ πξνέξρεηαη απφ ην charge-pump δηνρεηεχεηαη ζην θίιηξν ηνπ βξφρνπ θαη κεηαηξέπεηαη ζε κία ηάζε πνπ ειέγρεη ην ηαιαλησηή ειεγρφκελν απφ ηάζε. Γεληθά θίιηξα 34 βξφρνπ δεχηεξεο θαη ηξίηεο ηάμεο ρξεζηκνπνηνχληαη γηα ηππηθέο εθαξκνγέο. Σν θίιηξν ηνπ ζρήκαηνο 2.7 είλαη έλα θίιηξν δεχηεξεο ηάμεο. Ο ππθλσηήο C1 δεκηνπξγεί έλαλ πφιν ζηε κεδεληθή ζπρλφηεηα, ε αληίζηαζε R εηζάγεη έλα κεδεληθφ θαη ν ππθλσηήο C2 πξνζηίζεηαη ζην loop γηα λα κεηψζεη ηηο απφηνκεο κεηαβνιέο ηάζεο ζηελ είζνδν ειέγρνπ ηνπ ειεγρφκελνπ απφ ηάζε ηαιαλησηή πνπ πξνθχπηνπλ απφ ηνπο κηθξνχο παικνχο ξεχκαηνο πνπ πξνέξρνληαη απφ ην charge-pump ζε θάζε θχθιν αλαθνξάο. Η ζχλζεηε αληίζηαζε ελφο θίιηξνπ βξφρνπ δεχηεξεο ηάμεο δίλεηαη απφ ηελ παξαθάησ εμίζσζε: 𝑍 𝑠 = 𝑉𝑉𝐶𝑂 1 + 𝑠𝑅1 𝐶1 = 𝑅1 𝐼𝑖𝑛 𝑠 𝑅1 𝐶1 𝑅1 𝐶2 𝑠 + 𝑅1 (𝐶1 + 𝐶2 ) 2.18 φπνπ Z(0) = ∞ θαη Z(∞) = 0. Σν ζρήκα 2.9 απεηθνλίδεη ηελ ζχλζεηε αληίζηαζε ελφο θίιηξνπ βξφρνπ δεχηεξεο ηάμεο. ΢σήμα 2.9. Mέηξν ζχλζεηεο αληίζηαζεο βξφρνπ δεχηεξεο ηάμεο. 35 Σν κεδεληθφ ηνπ θίιηξνπ δίλεηαη απφ ηελ αθφινπζε ζρέζε: 𝜔𝑧 = 1 𝑅1 𝐶1 2.19 θαη ν δεχηεξνο πφινο απφ: 𝜔𝑝2 = 1 1 ≈ 𝐶𝐶 𝑅1 𝐶2 𝑅1 𝐶 1 𝐶2 1+ 2 2.20 Η ζπλάξηεζε κεηαθνξάο αλνηρηνχ βξφρνπ γηα PLL ηξίηεο ηάμεο είλαη: 𝐻𝑜𝑙 𝑠 = 𝐾𝑉𝐶𝑂 𝐼𝑐𝑝 𝜑𝑑𝑖𝑣 𝐾𝑃𝐷 𝐾𝑉𝐶𝑂 𝑍 𝑠 1 + 𝑠𝑅1 𝐶1 = = 𝑅1 𝜑𝑖𝑛 𝑁 2𝜋𝑁 𝑠[𝑅1 𝐶1 𝑅1 𝐶2 𝑠 + 𝑅1 (𝐶1 + 𝐶2 )] 2.21 θαη ην πεξηζψξην θάζεο (Phase Margin) ηνπ βξφρνπ είλαη: 𝜑𝑚 = tan−1 𝜔𝑐 𝜔𝑐 − tan−1 𝜔𝑧 𝜔𝑝2 2.22 φπνπ ε 𝜔𝑐 είλαη ε ζπρλφηεηα απνθνπήο (Crossover Frequency) . Παξαγσγίδνληαο ηελ εμίζσζε 2.22 σο πξνο 𝜔𝑐 κπνξνχκε λα δείμνπκε πσο ην κέγηζην πεξηζψξην θάζεο κπνξεί λα επηηεπρζεί φηαλ: 36 𝜔𝑐 = 𝜔𝑧 𝜔𝑝2 = 𝜔𝑧 𝐶1 /𝐶2 + 1 2.23 θαη ην κέγηζην πεξηζψξην θάζεο γίλεηαη: 𝜔𝑝2 − tan−1 𝜔𝑧 𝜔𝑧 𝜔𝑝2 𝐶1 + 1 − tan−1 𝐶2 1 𝜑𝑚 = tan−1 𝜑𝑚 = tan−1 𝐶1 𝐶2 + 1 2.24 2.25 Σψξα νη ζέζεηο ηνπ πφινπ θαη ηνπ κεδεληθνχ σο ζπλάξηεζε ηεο ζπρλφηεηαο απνθνπήο ππνζέηνληαο κέγηζην πεξηζψξην θάζεο είλαη: 𝜔𝑧 = 𝜔𝑐 𝐶1 𝐶2 + 1 𝜔𝑝2 = 𝜔𝑐 𝐶1 +1 𝐶2 2.26 2.27 Θεσξψληαο ηελ ζπρλφηεηα απνθνπήο γηα κέγηζην πεξηζψξην θάζεο θαη αληηθαζηζηψληαο ηα απνηειέζκαηα ησλ εμηζψζεσλ 2.26 θαη 2.27 ζηελ │𝐻𝑜𝑙 𝑗𝜔𝑐 │=1 έρνπκε: 𝜔𝑐 = 𝐾𝑉𝐶𝑂 𝐼𝑐𝑝 𝐾𝑉𝐶𝑂 𝐼𝑐𝑝 𝑅1 𝐶1 𝑅1 ≈ 𝑁 (𝐶1 + 𝐶2 ) 𝑁 2.28 37 Γηα ηνλ ζρεδηαζκφ ελφο βξφρνπ πξέπεη λα θαζνξίζνπκε έλα πεξηζψξην θάζεο κεγαιχηεξν ησλ 45𝑜 γηα λα εμαζθαιίζνπκε ζηαζεξή ιεηηνπξγία. Αλ ρξεηάδεηαη πεξηζψξην θάζεο κεγαιχηεξν ησλ 45𝑜 ηφηε ν ιφγνο 𝐶1 /𝐶2 κπνξεί λα απμεζεί πνιχ κε απνηέιεζκα ηελ αχμεζε ηεο ζπλνιηθήο ρσξεηηθφηεηαο. Έλα κηθξφ πεξηζψξην θάζεο δίλεη κηθξφ ζπληειεζηή απφζβεζεο ην νπνίν δεκηνπξγεί κεγάιν overshoot φηαλ αιιάδεη ε ζπρλφηεηα εμφδνπ. 2.4. Μεηπήζειρ Απόδοζηρ. Ο ζρεδηαζκφο ησλ ζπλζεηψλ ζπρλνηήησλ γηα αζχξκαηνπο πνκπνδέθηεο πξέπεη λα ζπκκνξθψλεηαη κε έλα θαζνξηζκέλν ζχλνιν πξνδηαγξαθψλ. Σα δηάθνξα πξφηππα (Standards) επηθνηλσλίαο νξίδνπλ πνιινχο πεξηνξηζκνχο, παξακέηξνπο θαη δνθηκέο απφ ηηο νπνίεο ν ζρεδηαζηήο κπνξεί λα απνζπάζεη ιεπηνκεξείο πιεξνθνξίεο γηα ηα δνκηθά ζηνηρεία ηνπ δέθηε. ΢πγθεθξηκέλα ν ζπλζέηεο ζπρλνηήησλ έρεη έλα ζχλνιν ραξαθηεξηζηηθψλ πνπ θαζνξίδνπλ ηελ πνηφηεηα ηνπ ζήκαηνο πνπ δεκηνπξγείηαη θαη ηηο επηδξάζεηο ζην κεηαδηδφκελν θαη ιακβαλφκελν ζήκα ζε κε ηδαληθέο θαηαζηάζεηο. 2.4.1. Δύπορ ΢ςνηονιζμού (Tuning Range) και Δςκπίνεια ΢ςσνόηηηαρ (Frequency Resolution). Σν εχξνο ζπληνληζκνχ δίλεηαη απφ ηελ πεξηνρή ζπρλνηήησλ ιεηηνπξγίαο πνπ νξίδεη θάπνην πξφηππν γηα θαηεπζείαλ κεηαηξνπήο (direct conversion) δέθηεο. Γηα ηνπο ππεξεηεξφδπλνπο θαη ηνπο low-IF δέθηεο, ε πεξηνρή ζπρλνηήησλ δίλεηαη απφ ηελ ζπρλφηεηα ιεηηνπξγίαο ηνπ πξνηχπνπ αλ αθαηξέζνπκε ηελ IF ζπρλφηεηα ηνπ δέθηε/πνκπνχ. Σν εχξνο ζπληνληζκνχ θαζνξίδεη ηα ειάρηζηα φξηα ηεο ζπρλφηεηαο ιεηηνπξγίαο ηνπ ηαιαλησηή ειεγρφκελνπ απφ ηάζε. Η επθξίλεηα ζπρλφηεηαο ηνπ ζπλζέηε ζπρλνηήησλ θαζνξίδεηαη απφ ην απαηηνχκελν δηάζηεκα θαλαιηνχ (channel spacing) γηα ηελ εθάζηνηε εθαξκνγή. ΢ην integer-N PLL είλαη ίζε κε ηελ ζπρλφηεηα αλαθνξάο 𝑓𝑟𝑒𝑓 . Ο πίλαθαο 2.1 παξνπζηάδεη ηηο ηηκέο ηνπ εχξνπο ζπληνληζκνχ θαη ηεο επθξίλεηαο ζπρλφηεηαο γηα δηαθνξεηηθά πξφηππα αζχξκαησλ επηθνηλσληψλ. 38 Πίνακαρ 2.1. Σηκέο εχξνπο ζπληνληζκνχ, επθξίλεηα ζπρλφηεηαο θαη αθξίβεηα ζπρλφηεηαο γηα δηάθνξα πξφηππα επηθνηλσληψλ. 2.4.2. Ακπίβεια ΢ςσνόηηηαρ (Frequency Accuracy). Η αθξίβεηα ζπρλφηεηαο ζρεηίδεηαη κε ηε κέγηζηε απφθιηζε ηεο ζπρλφηεηαο πνπ παξάγεηαη απφ ηελ θεληξηθή ζπρλφηεηα ηνπ θαλαιηνχ. Η αθξίβεηα ζπρλφηεηαο ρξεζηκνπνηείηαη επίζεο σο έλα κέηξν θαζνξηζκνχ ησλ ζπλζεθψλ γηα ην settling θαηά ηελ αιιαγή ησλ ζπρλνηήησλ. 2.4.3 Θόπςβορ Φάζηρ (Phase Noise). Ο ζφξπβνο θάζεο είλαη έλα κέηξν ηεο θαζαξφηεηαο ηνπ θάζκαηνο ελφο ζήκαηνο θαη είλαη έλαο απφ ηνπο ζεκαληηθφηεξνπο παξακέηξνπο πνπ ραξαθηεξίδνπλ έλα ζπλζέηε ζπρλνηήησλ. Ο ζφξπβνο θάζεο αιινηψλεη ηελ πνηφηεηα ησλ δεδνκέλσλ ζε έλα ζχζηεκα επηθνηλσλίαο [22]. Γηα λα θαηαλνήζνπκε ηνλ ζφξπβν θάζεο είλαη απαξαίηεην λα αλαιχζνπκε ηνλ εκηηνλνεηδή ηφλν θαη λα πξνζζέζνπκε ζε απηφλ κηθξέο δηαηαξαρέο θάζεο. ΢ηελ ζπλέρεηα νη επηδξάζεηο ησλ δηαηαξαρψλ απηψλ ζην θάζκα ηνπ ζήκαηνο κπνξνχλ λα ππνινγηζηνχλ. ΢ην πεδίν ηεο ζπρλφηεηαο έλαο εκηηνλνεηδήο ηφλνο ζηελ ζπρλφηεηα 𝜔0 , δειαδή 𝑣(𝑡) = 𝐴𝑠𝑖𝑛(𝜔0 𝑡 + 𝜃) αληηπξνζσπεχεηαη κε έλαλ ηφλν Dirac ζηε ζπρλφηεηα 𝜔0 , δ(𝜔0 ). Αλ ηψξα ζεσξήζνπκε θαη ηηο δηαηαξαρέο θάζεο θαη πιάηνπο ηφηε ην ζήκα γίλεηαη [23] : 39 𝑣 𝑡 = 1 + 𝑎 𝑡 𝑠𝑖𝑛 𝜔0 𝑡 + 𝜃 𝑡 2.29 Οη δηαθπκάλζεηο ζην πιάηνο θαη ζηε θάζε, a(t) θαη θ(t), δεκηνπξγνχλ πιεπξηθέο κπάληεο ζπρλνηήησλ (sidebands) θνληά ζηε ζπρλφηεηα ηνπ ηαιαλησηή φπσο θαίλεηαη ζην ζρήκα 2.10. Οη δηαθπκάλζεηο πιάηνπο κπνξνχλ λα κεησζνχλ κε πεξηνξηζηέο (limiters) άξα νη δηαθπκάλζεηο θάζεο είλαη απηέο πνπ επζχλνληαη θπξίσο γηα ηνλ ζφξπβν θάζεο [24]. ΢σήμα 2.10. Θφξπβνο θάζεο θαη Spurs ζε ηαιαλησηή. Τπνζέηνληαο πσο νη δηαθπκάλζεηο ηεο θάζεο κπνξνχλ λα γξαθνχλ 𝜃 𝑡 = 𝜃𝑚 𝑠𝑖𝑛 𝜔𝑚 𝑡 θαη ε RMS ηηκή ηεο θ(t) είλαη πνιχ κηθξφηεξε απφ 1 radian, ε έμνδνο ηνπ ηαιαλησηή δίλεηαη απφ ηελ παξαθάησ εμίζσζε: 𝑉𝑜𝑠𝑐 𝑡 ≈ 𝐴𝑠𝑖𝑛 𝜔0 𝑡 + 𝛢 𝜃𝑚 sin 𝜔0 + 𝜔𝑚 𝑡 + sin 𝜔0 − 𝜔𝑚 𝑡 2 2.30 40 Απφ ηελ εμίζσζε 2.30 παξαηεξνχκε φηη ην θάζκα ηεο εμφδνπ ηνπ ηαιαλησηή απνηειείηαη απφ έλα FM ζήκα ζηελήο δψλεο κε δείθηε δηακφξθσζεο 𝜃𝑚 θαη κία ηζρπξή ζπληζηψζα ζηελ ζεκειηψδε ζπρλφηεηα 𝜔0 . Η FM δηακφξθσζε δεκηνπξγεί δχν κηθξνχο ηφλνπο ζηηο ζπρλφηεηεο 𝜔0 + 𝜔𝑚 θαη 𝜔0 − 𝜔𝑚 . ΢πλεπψο ε θαζκαηηθή ππθλφηεηα ηζρχνο (PSD) ηεο εμφδνπ ηνπ ηαιαλησηή ζρεηίδεηαη κε ηνλ ζφξπβν θάζεο. 𝑆𝑉 𝜔 = 𝐴2 1 1 𝛿 𝜔 − 𝜔0 + 𝑆𝜃 𝜔 − 𝜔0 + 𝑆𝜃 𝜔0 − 𝜔 2 2 2 𝑆𝜃 𝜔 = 𝜃𝑚2 𝛿 𝜔 − 𝜔𝑚 2 2.31 2.32 Ο ζφξπβνο θάζεο £{Δω} νξίδεηαη ζαλ ν ιφγνο ηεο ηζρχνο ζνξχβνπ ζε εχξνο δψλεο 1Hz γηα απφθιηζε Δω απφ ηελ θεληξηθή ζπρλφηεηα 𝜔0 , πξνο ηελ ηζρχ ηνπ θέξνληνο. £ Δω = 10𝑙𝑜𝑔 𝑃𝑛𝑜𝑖𝑠𝑒 1𝐻𝑧 𝑏𝑎𝑛𝑑 𝑎𝑡 𝛥𝜔 𝑃𝑐𝑎𝑟𝑟𝑖𝑒𝑟 2.33 Ο πξαγκαηηθφο ζφξπβνο θάζεο γηα απφθιηζε 𝜔𝑚 απφ ηελ θεληξηθή ζπρλφηεηα είλαη : £ 𝛥𝜔 = 10 log 𝑆𝑉 𝜔0 + 𝜔𝑚 𝐴2 /2 = 10 log 𝑆𝜃 𝜔𝑚 2 2.34 Ο ζφξπβνο θάζεο ζηελ έμνδν ηνπ ηαιαλησηή ειεγρφκελνπ απφ ηάζε πξνέξρεηαη απφ δηαθνξεηηθέο πεγέο. Μέξνο ηνπ ζνξχβνπ πξνέξρεηαη απφ ηνλ αληρλεπηή θάζεο ζπρλφηεηαο, ην 41 charge-pump θαη ην θίιηξν ηνπ βξφρνπ. Ο ζφξπβνο ζηελ έμνδν ηνπ VCO δηακνξθψλεηαη πξνο ηα πάλσ ζηελ ζπρλφηεηα ηαιάλησζεο 𝜔0 . Δμαηηίαο απηνχ ηνπ ζνξχβνπ ε έμνδνο ηνπ VCO δελ είλαη έλαο απιφο ηφλνο αιιά παίξλεη ηελ κνξθή ηνπ ζρήκαηνο 2.10. Πνιιέο θνξέο ε ελέξγεηα επηθεληξψλεηαη εθηφο ηεο επηζπκεηήο. Απηή ε ελέξγεηα νθείιεηαη ζηα Spurious Tones. Θφξπβνο θάζεο θαη spurious tones είλαη δχν πνιχ ζεκαληηθέο παξάκεηξνη ζηελ απφδνζε ελφο ζπλζέηε ζπρλνηήησλ. Ο ζφξπβνο θάζεο θαη ηα spurious signals αλακεηγλχνληαη κε ηα αλεπηζχκεηα θαλάιηα παξάγνληαο ζφξπβν ζην downconverted ζήκα ππνβαζκίδνληαο κε απηφλ ηνλ ηξφπν ηελ επαηζζεζία ηνπ δέθηε. ΢ηνλ πνκπφ ν ζφξπβνο θάζεο θαη ην spurious ζήκα αλακεηγλχνληαη κε ην δηακνξθσκέλν ζήκα θαη απηφ έρεη ζαλ απνηέιεζκα ηελ δεκηνπξγία αλεπηζχκεησλ θαζκάησλ κεηάδνζεο, ηελ αχμεζε ησλ παξεκβνιψλ απφ ηα αλεπηζχκεηα γεηηνληθά θαλάιηα θαζψο θαη ηελ κείσζε ηεο αθξίβεηαο ηεο δηακφξθσζεο. Σν ζρήκα 2.11 απεηθνλίδεη ηελ επίδξαζε ηνπ ζνξχβνπ πνπ πξνέξρεηαη απφ έλαλ ηαιαλησηή ζε έλα δέθηε. ΢σήμα 2.11. Eπίδξαζε ηνπ ζφξπβνπ θάζεο ζε δέθηε. 42 Οη δχν θχξηεο πεγέο ζνξχβνπ ζε έλα βξφγρν θιεηδσκέλεο θάζεο είλαη απφ ην ηαιαλησηή ειεγρφκελν απφ ηάζε (𝜃𝑉𝐶𝑂 ) θαη απφ ην ζήκα αλαθνξάο (𝜃𝛪𝛮 ). Σν γξακκηθφ κνληέιν ηνπ ζρήκαηνο 2.12 πεξηιακβάλεη φιεο ηηο πεγέο ζνξχβνπ ηνπ PLL θαη κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεηζεί γηα λα ππνινγίζνπκε ηηο ζπλαξηήζεηο κεηαθνξάο ηνπ ζνξχβνπ. ΢σήμα 2.12. Γξακκηθφ κνληέιν pll ζπκπεξηιακβαλνκέλσλ ησλ πεγψλ ζνξχβνπ. Η ζπλάξηεζε κεηαθνξάο ηνπ ζνξχβνπ δίλεηαη απφ ηελ παξαθάησ ζρέζε: 𝑯𝑳𝑷 𝒔 = 𝜽𝐎𝐔𝐓 (𝒔) 𝑵𝑲𝐏𝐃 𝑲𝐕𝐂𝐎 𝒁 𝒔 = 𝜽𝐈𝐍 (𝒔) 𝑵𝒔 + 𝑲𝐏𝐃 𝑲𝐕𝐂𝐎𝐙 𝒔 ΢ηηο πνιχ ρακειέο ζπρλφηεηεο ηζρχεη 𝑁𝑠 ≪ 𝐾PD 𝐾VCO Z 𝑠 ζπρλφηεηεο θάησ απφ ην εχξνο δψλεο ηνπ βξφρνπ ην 𝜃IN 𝟐. 𝟑𝟓 θαη 𝐻𝐿𝑃 𝑠 ≈ 𝑁. Γηα εληζρχεηαη ιφγσ ηνπ πνιιαπιαζηαζκνχ κε ην N θαη ηέινο εμαζζελεί γηα κεγάιεο ζπρλφηεηεο. Η ζπλάξηεζε κεηαθνξάο ηνπ ζνξχβνπ ηνπ VCO δίλεηαη απφ ηελ παξαθάησ ζρέζε. 𝐻𝑉𝐶𝑂 𝑠 = 𝜃OUT 𝑠 𝑁s = 𝜃IN 𝑠 𝑁𝑠 + 𝐾PD 𝐾VCO Z 𝑠 ΢ηηο πνιχ ρακειέο ζπρλφηεηεο ηζρχεη 𝑁𝑠 ≪ 𝐾PD 𝐾VCO Z 𝑠 2.36 θαη ε εμαζζέλεζε ηνπ ζνξχβνπ ηνπ VCO είλαη αλάινγε ηνπ 𝑠 𝑖 φπνπ i είλαη ν αξηζκφο ησλ νινθιεξσηψλ ηνπ βξφρνπ. 43 Όινη νη βξφρνη δεχηεξεο ή θαη κεγαιχηεξεο ηάμεο έρνπλ δχν νινθιεξσηέο. Γηα ζπρλφηεηεο κηθξφηεξεο ηνπ εχξνπο δψλεο ηνπ βξφγρνπ ηζρχεη 𝑁𝑠 ≪ 𝐾PD 𝐾VCO Z 𝑠 θαη lims→∞ HVCO s = 𝑁. Γεληθά ζηηο ρακειέο ζπρλφηεηεο ην κεγαιχηεξν κέξνο ηνπ ζνξχβνπ πξνέξρεηαη απφ ην ζήκα αλαθνξάο ελψ ζηηο πςειέο ζπρλφηεηεο απφ ην VCO. Ο ζφξπβνο πνπ πξνέξρεηαη απφ ηνλ δηαηξέηε ζπρλφηεηαο, ηνλ PFD θαη ην charge pump πξνζηίζεηαη ζε απηφλ ηνπ ζήκαηνο αλαθνξάο θαη κπνξεί λα ειαρηζηνπνηεζεί κε έλαλ πξνζεθηηθφ ζρεδηζκφ. Ο ζφξπβνο απφ ην θίιηξν ηνπ βξφρνπ κπνξεί λα γίλεη αξθεηά κεγάινο επηδξψληαο αξλεηηθά ζην ζφξπβν θάζεο ηνπ ζπζηήκαηνο ηδηαίηεξα ζηηο ζπρλφηεηεο πνπ βξίζθνληαη θνληά ζην εχξνπο δψλεο ηνπ βξφρνπ. Η ζπλάξηεζε κεηαθνξάο ηνπ ζνξχβνπ ηνπ θίιηξνπ δίλεηαη απφ ηελ παξαθάησ ζρέζε: 𝐻𝐿𝐹 𝑠 = 𝛩out 𝑠 𝑁𝐾VCO = 𝑉LF 𝑠 𝑁𝑠 + 𝐾PD 𝐾VCO Z 𝑠 2.37 ΢ηηο πνιχ ρακειέο ζπρλφηεηεο ηζρχεη lims→0 H𝐿𝐹 s = 0 θαη γηα ηηο πςειέο ζπρλφηεηεο lims→∞ H𝐿𝐹 s = 0 . 2.4.4. Spurious ΢ήμαηα. Όηαλ έλα ζήκα παξνπζηάδεηαη ζηελ είζνδν ελφο ηαιαλησηή ηφηε ε πεξηνδηθή δηαθχκαλζε ηεο θάζεο εμφδνπ ηνπ δεκηνπξγεί spurious ηφλνπο, νη νπνίνη νλνκάδνληαη spurs. Απηά ηα spurious ζήκαηα έρνπλ παξφκνηα επίδξαζε κε απηήλ ηνπ ζνξχβνπ θάζεο ζην downconverted ζήκα κεηψλνληαο ηελ επαηζζεζία ηνπ δέθηε. Η εμίζσζε 2.30 δείρλεη πσο ε δηακφξθσζε απφ έλα εκηηνλνεηδέο ζήκα ζπρλφηεηαο 𝑓𝑚 δεκηνπξγεί έλα δεπγάξη spurious ζεκάησλ ζε ζπρλφηεηεο ±𝑓𝑚 απφ ηελ θεληξηθή ζπρλφηεηα 𝑓0 . H εμίζσζε 2.30 δείρλεη επίζεο πσο ην πιάηνο 𝐴𝑠𝑝 ησλ spurious ζεκάησλ ζρεηίδεηαη κε ην πιάηνο A ηνπ θέξνληνο θαη κε ηελ απφθιηζε θάζεο 𝜃𝑚 : 44 𝐴𝑠𝑝 = 𝛢 𝜃𝑚 2 2.38 Γηα λα ππνινγίζνπκε ην πιάηνο ησλ spurious ζεκάησλ πξέπεη πξψηα λα ππνινγίζνπκε ηελ κέγηζηε απφθιηζε θάζεο σο ζπλάξηεζε ηνπ πιάηνπο ηνπ VCO, 𝐴𝑚 : 𝜏 𝜃𝑚 = 𝐾𝑉𝐶𝑂 0 𝐴𝑚 𝑐𝑜𝑠 𝜔𝑟𝑒𝑓 𝜏 𝑑𝜏 = 𝑚𝑎𝑥 𝐾𝑉𝐶𝑂 𝐴𝑚 𝜔𝑟𝑒𝑓 2.39 Σν πιάηνο ησλ αλεπηζχκεησλ spurious ζεκάησλ ζε decibel ζε ζρέζε κε ην πιάηνο ηνπ θέξνληνο ππνινγίδεηαη απφ ηελ αθφινπζε ζρέζε: 𝐴𝑠𝑝 𝛢 𝑑𝐵𝑐 = 20 log Σν maximum 𝐴𝑚 για συγκεκριμένο 𝐴𝑚 = 𝜃𝑚 𝐾𝑉𝐶𝑂 𝐴𝑚 = 20 log 2 2𝜔𝑟𝑒𝑓 𝐴𝑠𝑝 𝛢 𝑑𝐵𝑐 2𝜔𝑟𝑒𝑓 10 𝐾𝑣𝑐𝑜 2.40 δίλεηαη απφ ηνλ παξαθάησ ηχπν: 𝐴𝑠𝑝 𝛢 𝑑𝐵𝑐 20 2.41 ΢ηνπο ζπλζέηεο ζπρλνηήησλ είλαη ζεκαληηθφ λα πξνζδηνξηζηνχλ νη θχξηνη παξάγνληεο πνπ νθείινληαη γηα ηα spurious ψζηε λα κπνξέζνπλ λα κεησζνχλ νη επηπηψζεηο ηνπο. Οη δχν θχξηνη παξάγνληεο πνπ δεκηνπξγνχλ spurious ζήκαηα είλαη [25], Ρεχκα δηαξξνήο ζην θίιηξν ηνπ βξφρνπ θαη ζην charge-pump. Σν mismatch ζηηο up/down πεγέο ξεχκαηνο ηνπ charge-pump. Γεδνκέλνπ φηη γλσξίδνπκε ην πιάηνο ησλ spurs απφ ηελ εμίζσζε 2.40 κε δνζκέλν 𝐴𝑚 45 ην πξφβιεκα πεξηνξίδεηαη ζην λα βξνχκε κία ζρέζε κεηαμχ ηνπ 𝐴𝑚 θαη ηνπ ξεπκάησλ δηαξξνήο θαη mismatch. Όηαλ εκθαλίδεηαη ξεχκα δηαξξνήο ζην θίιηξν ή ζην charge-pump έρνπκε κεηαβνιή ηεο ηάζεο ζπληνληζκνχ ηνπ VCO. Γηα ηελ επίηεπμε θιεηδψκαηνο ηνπ PLL πξέπεη ε ηάζε απηή λα είλαη ζηαζεξή γηα αξθεηέο πεξηφδνπο ηνπ ζήκαηνο αλαθνξάο. Απηφ επηηπγράλεηαη φηαλ ην κέζν ξεχκα ηνπ charge-pump 𝐼𝑜𝑢𝑡 ηζνχηαη κε ην ξεχκα δηαξξνήο 𝐼𝑙𝑒𝑎𝑘 . Αλ ππνζέζνπκε φηη ην ξεχκα ηνπ charge-pump είλαη έλα πεξηνδηθφ ζήκα ηφηε κπνξεί λα αλαπαξαζηαζεί ζε ζεηξά Fourier [26]. ∞ 𝐼𝑜𝑢𝑡 𝑡 = 𝐼𝑙𝑒𝑎𝑘 + 2𝐼𝑙𝑒𝑎𝑘 cos 2𝜋𝑛𝑓𝑟𝑒𝑓 𝑡 2.42 𝑛=1 Η θαζκαηηθή ζπληζηψζα ηεο ηάζεο ηνπ VCO ζηελ ζπρλφηεηα 𝑓𝑟𝑒𝑓 κπνξεί λα πξνθχςεη απφ πνιιαπιαζηαζκφ ηεο εμίζσζεο 2.42 κε ηελ ζχλζεηε αληίζηαζε ηνπ θίιηξνπ ηνπ βξφρνπ ζηελ ίδηα ζπρλφηεηα: 𝐴𝑚 = 2𝐼𝑙𝑒𝑎𝑘 𝑍 𝑗𝜔𝑟𝑒𝑓 2.43 Έηζη ε εμίζσζε 2.40 κπνξεί ηψξα λα γξαθεί: 𝐴𝑠𝑝 𝛢 𝑑𝐵𝑐 = 20 log 𝐼𝑙𝑒𝑎𝑘 𝑍 𝑗2𝜋𝑓𝑟𝑒𝑓 𝐾𝑉𝐶𝑂 2𝜋𝑓𝑟𝑒𝑓 2.44 Μία ζεκαληηθή παξαηήξεζε πνπ πξνθχπηεη απφ ηελ εμίζσζε 2.44 είλαη πσο ην πιάηνο ησλ spurious ζεκάησλ δελ εμαξηάηαη απφ ην εχξνο δψλεο ηνπ θίιηξνπ ή απφ ην ξεχκα ηνπ charge pump παξά κφλν απφ ηελ ζχλζεηε αληίζηαζε ηνπ θίιηξνπ ηνπ βξφρνπ, ην θέξδνο ηνπ 46 VCO, θαη απφ ην ξεχκα δηαξξνήο. Μία άιιε παξάκεηξνο πνπ δεκηνπξγεί spurious ζήκαηα είλαη ην mismatch ζηηο πεγέο ξεχκαηνο ηνπ charge-pump. Όηαλ ην ξεχκα ζηελ κία πεγή ξεχκαηνο είλαη δηαθνξεηηθφ απφ απηφ ηεο άιιεο πεγήο ηφηε ν βξφρνο θιεηδψλεη ζε κία κε κεδεληθή θάζε. Αλ θάλνπκε αλάιπζε Fourier ζην ξεχκα εμφδνπ ηνπ charge-pump ζηελ θαηάζηαζε θιεηδψκαηνο ηνπ βξφρνπ ηφηε νη θαζκαηηθέο ζπληζηψζεο ζηελ ζεκειηψδε θαη ζηηο αξκνληθέο ζπρλφηεηεο ηεο ζπρλφηεηαο αλαθνξάο κπνξνχλ λα ρξεζηκνπνηεζνχλ γηα λα ιάβνπκε πιεξνθνξίεο γηα ηελ ηάζε πνπ παξάγεηαη εμαηηίαο ηνπ mismatch. Κάλνληαο κία αλάιπζε παξφκνηα κε ηελ πξνεγνχκελε κπνξνχκε λα ππνινγίζνπκε ην πιάηνο ησλ spurious ζεκάησλ γηα γλσζηφ mismatch ζχκθσλα κε ηελ παξαθάησ ζρέζε: 𝐴𝑠𝑝 𝛢 𝑑𝐵𝑐 = 20 log 𝛪𝑜𝑢𝑡 𝑍 𝑗2𝜋𝑓𝑟𝑒𝑓 𝐾𝑉𝐶𝑂 4𝜋𝑓𝑟𝑒𝑓 2.45 2.4.5.Υπόνορ Αποκαηάζηαζηρ (Settling Time). Μία άιιε πνιχ ζεκαληηθή παξάκεηξνο ζηνλ ζρεδηαζκφ ησλ ΢πλζεηψλ ΢πρλνηήησλ είλαη ν ρξφλνο απνθαηάζηαζεο. Γηα ηελ απνθαηάζηαζε επηθνηλσλίαο κεηαμχ ελφο θηλεηνχ θαη ελφο ζηαζεξνχ ζηαζκνχ ρξεηάδεηαη ν θηλεηφο λα θιεηδψζεη ζε κία ζπγθεθξηκέλε ζπρλφηεηα κε έλα θαζνξηζκέλν ζθάικα. Πνιιά ζχγρξνλα πξφηππα αζχξκαηεο επηθνηλσλίαο απαηηνχλ αξθεηά επθίλεηνπο ζπλζέηεο ζπρλνηήησλ ψζηε λα κεηαπεδνχλ κεηαμχ δηαθνξεηηθψλ θαλαιηψλ. Σν UWB είλαη έλα παξάδεηγκα ησλ πξνηχπσλ απηψλ φπνπ ην παθέην πιεξνθνξίαο ζηέιλεηαη θάζε 9.7 nsec ζε δηαθνξεηηθφ θαλάιη. Η κεηαγσγή ζπρλφηεηαο επηηπγράλεηαη αιιάδνληαο ηνλ αξηζκφ δηαίξεζεο Ν, ηνπ πξνγξακκαηηδφκελνπ δηαηξέηε. Τπνζέηνληαο πσο ηελ ρξνληθή ζηηγκή t=0 ν αξηζκφο δηαίξεζεο είλαη N θαη ην PLL είλαη θιεηδσκέλν, ηφηε ε έμνδνο ηνπ VCO είλαη: 𝑁𝑓𝑟𝑒𝑓 . Σελ ρξνληθή ζηηγκή t=0 ην Ν αιιάδεη ζε Ν + ΓΝ. Η αιιαγή απηή ζηνλ αξηζκφ δηαίξεζεο νδεγεί ζε κία δηαηαξαρή θάζεο ζηνλ βξφρν. Σφηε ν βξφρνο πξνζπαζεί λα δηνξζψζεη ην ζθάικα θάζεο πνπ εηζάγεηαη. Όηαλ ν βξφρνο θιεηδψζεη ε θαηλνχξηα ζπρλφηεηα εμφδνπ ηνπ VCO είλαη Ν +ΔΝ 𝑓𝑟𝑒𝑓 . Ο 47 ρξφλνο πνπ απαηηείηαη γηα λα θηάζνπκε ζε απηήλ ηελ λέα ζηαζεξή θαηάζηαζε νλνκάδεηαη ρξφλνο απνθαηάζηαζεο (settling time). Γεληθά ν ρξφλνο απνθαηάζηαζεο ελφο PLL αθνινπζεί κία εθζεηηθή ζπκπεξηθνξά, πξάγκα πνπ ζεκαίλεη πσο γηα λα θηάζνπκε ζηελ λέα επηζπκεηή, ζηαζεξή θαηάζηαζε απαηηείηαη πνιχ κεγάιν ρξνληθφ δηάζηεκα. Γηα λα νξίζνπκε έλα πξαθηηθφ φξην γηα ηνλ ππνινγηζκφ ηνπ ρξφλνπ απνθαηάζηαζεο εηζάγνπκε κία ζπλζήθε ζθάικαηνο. ΢πλεπψο εηζάγεηαη ην ζθάικα ε ζαλ αλνρή ζθάικαηνο ζπρλφηεηαο εμφδνπ θαη θαζνξίδεηαη φπσο: 𝜀 ≥ 𝑓𝑜𝑢𝑡 𝑡 − 𝑓𝑜𝑢𝑡 ∞ 2.46 θαη ρξφλνο απνθαηάζηαζεο 𝑡𝑠 ζαλ ν ρξφλνο πνπ ρξεηάδεηαη ην PLL λα αιιάμεη ηελ ζπρλφηεηα εμφδνπ ηνπ απφ 𝑓𝑜𝑢𝑡 0 ζε 𝑓𝑜𝑢𝑡 ∞ κέζα ζε έλα ζθάικα ζπρλφηεηαο κηθξφηεξν ή ίζν ηνπ ε. 𝑓𝑜𝑢𝑡 𝑡 είλαη ε ζπρλφηεηα εμφδνπ ηνπ VCO ηελ ρξνληθή ζηηγκή t [28]. Πξνθεηκέλνπ λα ππνινγίζνπκε ηελ απφθξηζε ηνπ PLL ζε κία αιιαγή ηνπ αξηζκνχ δηαίξεζεο Ν είλαη απαξαίηεην λα ρξεζηκνπνηήζνπκε ηα γξακκηθά κνληέια πνπ πεξηγξάθηεθαλ ζηελ ελφηεηα 2.3. Όπσο πξναλαθέξζεθε γηα λα κεηαβιεζεί ε ζπρλφηεηα εμφδνπ ηνπ VCO απφ 𝑁𝑓𝑟𝑒𝑓 ζε (Ν+ΔΝ 𝑓𝑟𝑒𝑓 είλαη απαξαίηεηε κία κεηαβνιή ζηνλ αξηζκφ δηαίξεζεο απφ Ν ζε Ν+ΔΝ . Η ζπρλφηεηα εμφδνπ ηνπ VCO κπνξεί ηψξα λα γξαθεί: 𝑓𝑜𝑢𝑡 = 𝑁 + 𝛥𝛮 𝑓𝑟𝑒𝑓 = 𝑁 1+ 𝛥𝛮 𝑓 𝛮 𝑟𝑒𝑓 2.47 Η παξαπάλσ εμίζσζε δείρλεη πσο αιιάδνληαο ηελ ζπρλφηεηα αλαθνξάο απφ 𝑓𝑟𝑒𝑓 ζε 1+ 𝛥𝛮 𝛮 𝑓𝑟𝑒𝑓 θαη αθήλνληαο ηνλ αξηζκφ δηαίξεζεο 𝑁 ζηαζεξφ ηφηε παίξλνπκε ηελ ίδηα ζπρλφηεηα εμφδνπ γηα ην VCO ε νπνία είλαη 𝑓𝑜𝑢𝑡 = 𝑁 + 𝛥𝛮 𝑓𝑟𝑒𝑓 . Δίλαη ζεκαληηθφ λα αλαθεξζεί πσο ην 𝛥𝛮 πξέπεη λα είλαη ζεκαληηθά κηθξφηεξν απφ ην 𝑁 πξνθεηκέλνπ νη δπλακηθέο κεηαβνιέο ζηνλ βξφγρν λα είλαη κηθξέο. Γηα λα αλαιχζνπκε ηελ ζπκπεξηθνξά θιεηδψκαηνο ηνπ PLL ρξεζηκνπνηνχκε έλα απιφ 48 θίιηξν βξφρνπ. Η ρξεζηκνπνίεζε πνιππινθφηεξσλ θίιηξσλ επηδξά πεξηζζφηεξα ζε άιια ραξαθηεξηζηηθά ηνπ PLL πνπ εκθαλίδνληαη αξρηθά φπσο ην overshoot θαη ιηγφηεξν ζε καθξνπξφζεζκα ραξαθηεξηζηηθά. Σν θίιηξν πνπ ζα ρξεζηκνπνηήζνπκε γηα ηελ παξαθάησ αλάιπζε πεξηιακβάλεη έλα πφιν ζην άπεηξν θαη έλα κεδεληθφ ην νπνίν θαη ζηαζεξνπνηεί ην βξφρν. Η ζπλάξηεζε κεηαθνξάο ηνπ θίιηξνπ δίλεηαη απφ ηελ εμίζσζε 2.48 ελψ ε πινπνίεζε ηνπ θαίλεηαη ζην ζρήκα 2.13. 𝐺 𝑠 = 𝐾𝑓 1 + 𝜏𝑠 𝑠 2.48 ΢σήμα 2.13. Τινπνίεζε ηνπ G(s) γηα αλάιπζε ηνπ ρξφλνπ απνθαηάζηαζεο. ΢πλδπάδνληαο ηηο εμηζψζεηο 2.48 θαη 2.4 πξνθχπηεη: 𝑁 2𝜁𝜔𝑛 𝑠 + 𝜔𝑛 2 𝛨 𝑠 = 2 𝑠 + 2𝜁𝜔𝑛 𝑠 + 𝜔𝑛 2 2.49 Σν PLL απνθξίλεηαη ζην βήκα ηεο ζπρλφηεηαο εηζφδνπ φπσο: 49 𝛥𝑓𝑜𝑢𝑡 𝑠 = 𝑓𝑜𝑢𝑡 𝑠 − 𝑓𝑟𝑒𝑓 𝛥𝛮𝑓𝑟𝑒𝑓 2𝜁𝜔𝑛 𝑠 + 𝜔𝑛 2 = 𝐻 𝑠 = 𝛥𝛮𝑓𝑟𝑒𝑓 𝑁𝑠 𝑠(𝑠 2 + 2𝜁𝜔𝑛 𝑠 + 𝜔𝑛 2 ) 2.50 Η ζπρλφηεηα ζηαζεξήο θαηάζηαζεο κπνξεί λα ππνινγηζηεί ρξεζηκνπνηψληαο ην ζεψξεκα ηειηθήο ηηκήο. 𝛥𝑓𝑜𝑢𝑡 ∞ = 𝑓𝑜𝑢𝑡 ∞ − 𝑓𝑟𝑒𝑓 = lim 𝑠 𝑠→0 𝛥𝛮𝑓𝑟𝑒𝑓 𝐻 𝑠 𝑁𝑠 = 𝛥𝛮𝑓𝑟𝑒𝑓 2.51 <𝜀 2.52 θαη ν ρξφλνο θιεηδψκαηνο ηνπ PLL ππνινγίδεηαη φπσο: 𝑡𝑙𝑜𝑐𝑘 = 𝐿−1 𝛥𝛮𝑓𝑟𝑒𝑓 𝐻 𝑠 𝑁𝑠 − 𝛥𝑓𝑜𝑢𝑡 ∞ Αλάινγα κε ηελ ηηκή ηνπ ζπληειεζηή απφζβεζεο ππάξρνπλ ηξεηο δηαθνξεηηθέο πεξηπηψζεηο 0 <ζ <1 Underdamped ζ=1 Critically Damped ζ> 1 Overdamped 2.53 Οη πφινη ηεο εμίζσζεο 2.50 είλαη: 50 𝜔1,2 = −𝜔𝑛 𝜁 ± 𝑗 1 − 𝜁 2 𝜁<1 −𝜁𝜔𝑛 𝜁=1 −𝜔𝑛 𝜁 ± 𝑗 −𝜔𝑛 𝜁 ± 𝜁 2 − 1 𝜁>1 2.54 Η ζπλάξηεζε κεηαθνξάο ηεο 𝛥𝑓𝑜𝑢𝑡 𝑠 κπνξεί λα δηαζπαζζεί ζε απιά θιάζκαηα ζχκθσλα κε ηελ παξαθάησ κνξθή. 𝛥𝑓𝑜𝑢𝑡 𝑠 = 𝛥𝛮𝑓𝑟𝑒𝑓 2𝜁𝜔𝑛 𝑠 + 𝜔𝑛 2 𝐶0 𝐶1 𝐶21 = + + 2 2 𝑠(𝑠 + 2𝜁𝜔𝑛 𝑠 + 𝜔𝑛 ) 𝑠 𝑠 − 𝜔1 𝑠 − 𝜔2 2.55 θαη ιχλνληαο γηα θάζε πεξίπησζε θαη εθαξκφδνληαο ηνλ αληίζηξνθν κεηαζρεκαηηζκφ Laplace πξνθχπηεη: 𝛥𝛮𝑓𝑟𝑒𝑓 1 + 𝛥𝑓𝑜𝑢𝑡 𝑡 = 𝛥𝛮𝑓𝑟𝑒𝑓 𝛥𝛮𝑓𝑟𝑒𝑓 𝜔1 𝑒 −𝜔 1 𝑡 − 𝜔2 𝑒 −𝜔 2 𝑡 𝑗2 1 − 𝜁 2 𝜔𝑛 1 − 𝑒 −𝜔 𝑛 𝑡 1 − 𝜔𝑛 𝑡 −𝜔1 𝑒 −𝜔 1 𝑡 + 𝜔2 𝑒 −𝜔 2 𝑡 1+ 2 𝜁 2 − 1𝜔𝑛 𝜁<1 𝜁=1 2.56 𝜁>1 ΢πλδπάδνληαο ηηο εμηζψζεηο 2.52 θαη 2.56 θαη ιχλνληαο σο πξνο ηνλ ρξφλν απνθαηάζηαζεο πξνθχπηεη: 51 ln 𝑡𝑙𝑜𝑐𝑘 = 𝛥𝛮𝑓𝑟𝑒𝑓 𝜀 1 − 𝜁2 𝜔𝑛 𝜁 𝜆ύ𝜈𝜀𝜏𝛼𝜄 𝛼𝜌𝜄𝜃𝜇𝜂𝜏𝜄𝜅ά 1 𝜁 − 𝜁 2 − 1 𝜔𝑛 ln 𝜁<1 𝜁=1 𝛥𝛮𝑓𝑟𝑒𝑓 𝜁 2 − 1 + 𝜁 𝜀2 1 − 𝜁 2 2.57 𝜁>1 ΢ην ζρήκα 2.14 παξνπζηάδεηαη ν θαλνληθνπνηεκέλνο ρξφλνο θιεηδψκαηνο ζπλαξηήζεη ηνπ ζπληειεζηή απφζβεζεο δ γηα δηάθνξεο ηηκέο ηνπ (𝛥𝑁𝑓_𝑟𝑒𝑓)/𝜀. Παξαηεξνχκε φηη ν ειάρηζηνο settling time επηηπγράλεηαη κε ηελ θαηάιιειε επηινγή ηνπ ζπληειεζηή απφζβεζεο. ΢σήμα 2.14. Καλνληθνπνηεκέλνο ρξφλνο θιεηδψκαηνο ζπλαξηήζεη ηνπ ζπληειεζηή απφζβεζεο δ. 52 2.5. Η επίδπαζη ηων μη ιδανικών καηαζηάζεων. Οη πξνεγνχκελεο παξάκεηξνη θαη νη κεηξήζεηο απφδνζεο θαζνξίδνπλ ηα θχξηα ραξαθηεξηζηηθά ιεηηνπξγίαο ηνπ ζπλζέηε ζπρλνηήησλ. ΢ηηο επφκελεο ελφηεηεο αλαιχνληαη νη επηδξάζεηο ησλ κε ηδαληθψλ θαηαζηάζεσλ απφ ηα δνκηθά ζηνηρεία πνπ απαξηίδνπλ ηνλ ζπλζέηε ζπρλνηήησλ. Η επίδξαζε ησλ κε ηδαληθψλ θαηαζηάζεσλ απφ ηνλ PFD θαη ην charge pump επηδξά θπξίσο ζην ζφξπβν θάζεο, αθνχ ν ζφξπβνο θάζεο απφ ηα δνκηθά ζηνηρεία εληζρχεηαη απφ ηνλ αξηζκφ δηαίξεζεο 𝛮 ηνπ βξφρνπ. Η επίδξαζε ηνπ ζνξχβνπ θάζεο ησλ δηαηξεηψλ ζπρλφηεηαο εληζρχνληαη επίζεο θαηά ηνλ ίδην παξάγνληα θαη πξέπεη λα θαζνξηζηεί ε ζπλεηζθνξά ηνπ ζηνλ ζπλνιηθφ ζφξπβν θάζεο. 2.5.1.Ανισνεςηήρ Φάζηρ ΢ςσνόηηηαρ (Phase Frequency Detector). ΢θνπφο ηνπ αληρλεπηήο θάζεο ζπρλφηεηαο είλαη ε παξαγσγή ελφο ζήκαηνο εμφδνπ ηνπ νπνίνπ ε θάζε είλαη αλάινγε ηεο δηαθνξάο θάζεο ησλ δχν ζεκάησλ εηζφδνπ ηνπ, ηα νπνία είλαη ην ζήκα αλαθνξάο θαη ην ζήκα εμφδνπ ηνπ VCO αθνχ πεξάζεη απφ ην δηαηξέηε ζπρλφηεηαο πνπ ην αθνινπζεί. Τπάξρνπλ δηάθνξα ήδε αληρλεπηψλ θάζεσλ κε πην δηαδεδνκέλε απηή ηνπ PFD πνπ ρξεζηκνπνηείηαη ζε εθαξκνγέο ζπλζέηε ζπρλνηήησλ [29]. Σν ζρήκα 2.15 παξνπζηάδεη ηνλ PFD ν νπνίνο βαζίδεηαη ζε D flips – flops. Η έμνδνο ηνπ PFD δελ εμαξηάηαη κφλν απφ ηελ δηαθνξά θάζεο, αιιά θαη απφ ηελ δηαθνξά ζπρλνηήησλ ησλ δχν ζεκάησλ εηζφδνπ ηνπ, 𝛥𝑓 = 𝑓𝑟𝑒𝑓 − 𝑓𝑑𝑖𝑣 . Οη έμνδνη ηνπ PFD ραξαθηεξίδνληαη απφ ηα ζχκβνια UP θαη DWN. Γεδνκέλνπ φηη ππάξρνπλ δχν έμνδνη πξνθχπηνπλ ηέζζεξηο πηζαλέο θαηαζηάζεηο. Η ιεηηνπξγία ηνπ PFD ρξεηάδεηαη κφλν ηξεηο θαηαζηάζεηο, έηζη ε ηέηαξηε κέλεη αρξεζηκνπνίεηε. Ο αληρλεπηήο θάζεο ζπρλφηεηαο ζρεδηάδεηαη κε ηξφπν ηέηνην ψζηε φηαλ επηηπγράλεηαη ε ηέηαξηε θαηάζηαζε, ε πχιε AND λα θάλεη reset ζην θχθισκα θαη λα επαλαθέξεη ηηο εμφδνπο ζε κία έγθπξε θαηάζηαζε. Σν δηάγξακκα 2.16 πεξηγξάθεη ηελ ιεηηνπξγία ηνπ θπθιψκαηνο. Ο αληρλεπηήο θάζεο ζπρλφηεηαο είλαη αθκν– ππξνδνηνχκελνο θαη ιεηηνπξγεί ζηελ πεξηνρή ± 2𝜋 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛𝑠 [30]. 53 ΢σήμα 2.15. ΢ρεκαηηθφ δηάγξακκα ηνπ Αληρλεπηή Φάζεο ΢πρλφηεηαο. ΢σήμα 2.16. Γηάγξακκα θαηαζηάζεσλ ηνπ Phase Frequency Detector. Όηαλ ε πίπηνπζα παξπθή ηνπ ζήκαηνο αλαθνξάο 𝑓𝑟𝑒𝑓 πξνεγείηαη έλαληη ηνπ δηαηξνχκελνπ ζήκαηνο εμφδνπ ηνπ VCO, 𝑓𝑑𝑖𝑣 ηφηε ε έμνδνο UP ηνπ PFD ζα ηεζεί ζε πςειή ζηάζκε κε απνηέιεζκα λα απμεζεί ε ηάζε ειέγρνπ ηνπ VCO. ΢πλεπψο ε ζπρλφηεηα θαη ε θάζε 54 ηνπ ζήκαηνο εμφδνπ ηνπ VCO, κεηψλεη απνηειεζκαηηθά ηελ δηαθνξά θάζεο ησλ δχν εηζφδσλ ηνπ PFD. To αληίζεην ζπκβαίλεη φηαλ ε 𝑓𝑑𝑖𝑣 πξνεγείηαη ηεο 𝑓𝑟𝑒𝑓 . Σφηε ε έμνδνο DWN ηίζεηαη ζε πςειή ζηάζκε κε απνηέιεζκα λα επηθέξεη ηελ κείσζε ηεο ηάζεο ειέγρνπ ηνπ VCO κεηψλνληαο ηελ ζπρλφηεηα εμφδνπ ηνπ. Η κείσζε ηεο ζπρλφηεηαο ζην VCO επηθέξεη ηελ ειάηησζε ηεο δηαθνξάο θάζεο ησλ δχν εηζφδσλ. Όηαλ ν βξφρνο είλαη θιεηδσκέλνο (νη δχν είζνδνη έρνπλ ηελ ίδηα θάζε) νη δχν έμνδνη ηνπ PFD αληαπνθξίλνληαη ηαπηφρξνλα ζηηο παξπθέο ησλ δχν εηζφδσλ 𝑓𝑟𝑒𝑓 θαη 𝑓𝑑𝑖𝑣 . Η πχιε NAND αληρλεχεη φηη θαη δχν είζνδνη είλαη ζε πςειή ζηάζκε (ε νπνία είλαη ε ηέηαξηε – αρξεζηκνπνίεηε θαηάζηαζε) θαη θάλεη reset θαη ζηηο δχν εμφδνπο. Με απηφλ ηνλ ηξφπν δεκηνπξγνχληαη παικνί κηθξήο δηάξθεηαο ζηηο δχν εμφδνπο ην νπνίν είλαη αλεπηζχκεην θαηλφκελν. Σν πιάηνο ησλ παικψλ απηψλ θαζνξίδεηαη απφ ηελ ρξνληθή θαζπζηέξεζε εηζφδνπ – εμφδνπ ηνπ PFD θαζψο θαη απφ ηελ θαζπζηέξεζε ηεο πχιεο NAND. Όηαλ ε δηαθνξά θάζεο ησλ εηζφδσλ γίλεη πνιχ κηθξή ηφηε ε ρξνληθή θαζπζηέξεζε ησλ ππιψλ πνπ απνηεινχλ ηα D Flips - Flops δεκηνπξγεί κία πεξηνρή ζηελ νπνία ν PFD δελ κπνξεί λα κεηξήζεη ηελ δηαθνξά θάζεο. Με απηφλ ηνλ ηξφπν δεκηνπξγείηαη ε λεθξή δψλε (dead zone) ηνπ PFD (ζρήκα 2.17). Όηαλ ν βξφρνο θηάλεη ζηελ dead zone, o PFD ζηακαηά λα αληαπνθξίλεηαη ζηηο κεηαβνιέο θάζεσλ ζηηο εηζφδνπο ηνπ θαη ε ηάζε ειέγρνπ ηνπ VCO δελ ειέγρεηαη πιένλ απφ ην charge-pump θαη ην θίιηξν θαη ην VCO ιεηηνπξγεί ζε αλνηρηφ βξφρν. ΢σήμα 2.17. Dead Zone ηνπ PFD. 55 Πξνθεηκέλνπ λα μεπεξαζηεί ην παξαπάλσ πξφβιεκα, απμάλεηαη ε ρξνληθή θαζπζηέξεζε ηεο πχιεο NAND εηζάγνληαο κία αιπζίδα αληηζηξνθψλ (inverters) κεηαμχ ηεο πχιεο θαη ηεο εηζφδνπ reset ησλ D flips – flops. Όπσο εμεγήζεθε πξνεγνπκέλσο ε επίδξαζε ηεο ρξνληθήο θαζπζηέξεζεο είλαη ε παξαγσγή παικψλ κηθξήο δηάξθεηαο θαη ζηηο δχν εμφδνπο ηνπ PFD. Ιδαληθά απηνί νη παικνί έρνπλ ην ίδην πιάηνο θαη εκθαλίδνληαη ηελ ίδηα ζηηγκή κε απνηέιεζκα ην ζθάικα θάζεο λα είλαη κεδέλ (ζρήκα 2.18). Έηζη δελ ππάξρεη charge injection ζην θίιηξν ηνπ βξφρνπ. Σα UP θαη DWN ξεχκαηα ηνπ charge-pupm ελεξγνπνηνχληαη θαη απελεξγνπνηνχληαη ζηελ ίδηα ρξνληθή ζηηγκή. Πξαθηηθά νη θαζπζηεξήζεηο θαη ηα πιάηε ησλ παικψλ δελ κπνξεί λα ηαηξηάμνπλ απφιπηα εμαηηίαο ησλ κεηαβνιψλ θαησθιηνχ ησλ ινγηθψλ ππιψλ θαη ησλ κηθξψλ mismatches ζηηο δηαδξνκέο ησλ δχν ζεκάησλ. Απνηέιεζκα είλαη ε δεκηνπξγία spurious ηφλσλ ζηελ έμνδν ηνπ VCO φπσο παξνπζηάζηεθε ζε πξνεγνχκελε ελφηεηα. ΢σήμα 2.18. UP/DWN Παικνί. 2.5.2.Charge pump. Γεληθά ην charge Pump απνηειείηαη απφ δχν πεγέο ξεχκαηνο πνπ ελεξγνπνηνχληαη απφ ηα ζήκαηα ειέγρνπ πνπ πξνέξρνληαη απφ ηνλ PFD. Η πνζφηεηα ηνπ θνξηίνπ πνπ πξνέξρεηαη απφ ην θίιηξν θαη ε νπνία είλαη αλαγθαία γηα ηελ επίηεπμε θαη ηελ δηαηήξεζε ηνπ θιεηδψκαηνο ηνπ 56 βξφρνπ, θαζνξίδεηαη απφ ηελ ζηηγκή πνπ ηα ξεχκαηα ησλ δχν πεγψλ ελεξγνπνηνχληαη θαη απελεξγνπνηνχληαη έηζη ψζηε λα ζέζνπλ ηελ ηάζε ειέγρνπ ηνπ VCO ζηελ θαηάιιειε ηηκή. Αξθεηέο κε ηδαληθέο θαηαζηάζεηο παξνπζηάδνληαη ζε έλα charge-pump. Οη πεξηζζφηεξεο απφ απηέο νδεγνχλ ζε spurious tones θαη γηα απηφ ηνλ ιφγν είλαη αλαγθαία ε αλάιπζε θαη ε ειαρηζηνπνίεζή ηνπο θαηά ηνλ ζρεδηαζκφ ελφο charge-pump. Σν mismatch ζηηο πεγέο ξεχκαηνο νδεγεί ζε κία αλεπηζχκεηε πνζφηεηα θνξηίνπ ην νπνίν θαη εγρέεηαη ζην θίιηξν ζε θάζε θχθιν αλαθνξάο. Ο βξφρνο θιεηδψλεη κε κία κηθξή κεηαηφπηζε θάζεο ην νπνίν αληηζηαζκίδεη ην current mismatch. Η θφξηηζε ζην θίιηξν είλαη κεδεληθή, αιιά ζηελ έμνδν ηνπ ζπλζέηε ζπρλνηήησλ εκθαλίδνληαη spurious ζήκαηα. Σν θαηλφκελν απηφ κπνξεί λα κεησζεί ρξεζηκνπνηψληαο cascade current mirrors. Έλα κεηνλέθηεκα ηεο ρξήζεο απηήο είλαη ε κείσζε ηεο ηάζεο ζηελ έμνδν ηνπ charge-pump. ΢ε γεληθέο γξακκέο ρξεζηκνπνηείηαη κεγάιν 𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑇 ζηνπο θαζξέθηεο ξεχκαηνο. Σν θέξδνο απηήο ηεο επηινγήο είλαη φηη βνεζάεη ζηε κείσζε ηνπ current mismatch πνπ νθείιεηαη ζηηο κεηαβνιέο ηεο ηάζεο θαησθιίνπ κεηαμχ ησλ ηξαλδίζηνξ. Σν current mismatch επίζεο κπνξεί λα νθείιεηαη εμαηηίαο ηεο δηαθνξεηηθήο 𝑉𝐷𝑆 ησλ θαζξεθηψλ ξεχκαηνο ηνπ charge-pump. Πξνθεηκέλνπ λα κεηψζνπκε ηελ επίδξαζε ηεο θαζνξηζκέλεο αληίζηαζεο εμφδνπ ησλ ηξαλδίζηνξ, επηιέγνληαη κεγάια κήθε πχιεο, ην νπνίν βνεζά θαη ζηε κείσζε ηνπ 1/f ζνξχβνπ ηνπ charge-pump. Όηαλ ν βξφρνο είλαη θιεηδσκέλνο ν ζφξπβνο πνπ πξνέξρεηαη απφ ηηο πεγέο ξεχκαηνο ηνπ charge-pump εγρέεηαη ζην θίιηξν θαηά ηελ δηάξθεηα πνπ παξάγνληαη κηθξνί παικνί απφ ηνλ PFD. Ο ζφξπβνο απφ ηηο πεγέο ξεχκαηνο ηνπ charge-pump δίλεηαη απφ: 2 𝑖𝑐𝑝 = 2𝑎𝑐𝑝 ∙ 𝑖𝑛2 2.58 Όπνπ ην 𝑖𝑐𝑝 είλαη ν ζφξπβνο πνπ πξνέξρεηαη απφ ην charge-pump, 𝑎𝑐𝑝 είλαη ην θιάζκα ηνπ ρξφλνπ θαηά ην νπνίν νη πεγέο ξεχκαηνο είλαη ελεξγνπνηεκέλεο θαη 𝑖𝑛2 είλαη ν ζπλνιηθφο ζφξπβνο απφ ηηο πεγέο ξεχκαηνο. Καηά ηελ δηάξθεηα φπνπ νη πεγέο ξεχκαηνο είλαη ελεξγνπνηεκέλεο ε παξνρή ξεχκαηνο θαζψο θαη ν ζφξπβνο ππνζηξψκαηνο κπνξνχλ λα δεκηνπξγήζνπλ spurious ηφλνπο ζην θάζκα εμφδνπ. Ο ζφξπβνο ξεχκαηνο είλαη 𝑖𝑛2 = 4𝜅𝛵𝑔𝑚 , φπνπ θ είλαη ε ζηαζεξά ηνπ Boltzmann, T ε απφιπηε ζεξκνθξαζία θαη 𝑔𝑚 είλαη αγσγηκφηεηα 57 ηνπ ηξαλδίζηνξ ηεο πεγήο ξεχκαηνο [22]. Η ζπλεηζθνξά ησλ πεγψλ ξεχκαηνο ζην ζφξπβν θάζεο πνπ ππνινγίδεηαη ζε απφθιηζε 𝛥𝜔 απφ ηελ θεληξηθή ζπρλφηεηα είλαη: £ 𝛥𝜔 = 2 𝜃𝑜𝑢𝑡 Δω 2 2 = 𝐻𝑐𝑝 (𝛥𝜔) ∙ 𝑎𝑐𝑝 ∙ 4𝜅𝛵 2𝛪𝑐𝑝 𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑇 𝑐𝑝 2.59 Όπνπ 𝐻𝑐𝑝 (𝛥𝜔) είλαη ε ζπλάξηεζε κεηαθνξάο ηνπ ζνξχβνπ ηεο πεγήο ξεχκαηνο θαη δίλεηαη απφ : 𝐻𝑐𝑝 𝛥𝜔 = 𝛷𝑜𝑢𝑡 (𝑠) 𝐾𝑉𝐶𝑂 𝑍(𝑠) =𝑁 𝑖𝑐𝑝 𝑁𝑠 + 𝐾𝑃𝐷 𝐾𝑉𝐶𝑂 𝑍(𝑠) 2.60 2.5.3. Γιαιπέηερ ζςσνόηηηαρ. Ο ζφξπβνο θάζεο απφ ηνπο δηαηξέηεο ζπρλφηεηαο εμαζζελεί απφ ηνλ αξηζκφ δηαίξεζεο 𝛮 ηνπ βξφγρνπ. Αλ ππνινγίζνπκε ηνλ ζφξπβν θάζεο ζηελ είζνδν ηνπ PFD ηφηε ε ζπλάξηεζε κεηαθνξάο ηνπ ζνξχβνπ ζηελ έμνδν ηνπ VCO είλαη ίδηα κε απηήλ ηεο εμίζσζεο 2.35. Απηφ ζεκαίλεη πσο ν ζφξπβνο θάζεο απφ ηνπο δηαηξέηεο ζπρλφηεηαο εληζρχεηαη απφ ηνλ παξάγνληα 𝛮 γηα ζπρλφηεηεο κηθξφηεξεο ηνπ εχξνπο δψλεο ηνπ βξφρνπ θαη εμαζζελεί γηα κεγαιχηεξεο ζπρλφηεηεο. Γεληθά ε ζπλεηζθνξά ηνπ ζνξχβνπ θάζεο απφ ηνπο δηαηξέηεο ζπρλφηεηαο είλαη ακειεηέα ζηα narrowband plls. 58 ΚΔΦΑΛΑΙΟ 𝟑𝒐 3.6-10.6 GHZ MB-OFDM UWB ΢ΤΝΘΔΣΗ΢ ΢ΤΥΝΟΣΗΣΧΝ Λφγσ ηεο κεγάιεο ρσξεηηθφηεηαο θαλαιηνχ, ηα UWB ζπζηήκαηα είλαη κία ειθπζηηθή ιχζε γηα ηελ πινπνίεζε κηθξήο εκβέιεηαο αζχξκαησλ δηθηχσλ κε πνιχ πςειφ ξπζκφ δεδνκέλσλ. Δμαηηίαο ησλ πνιιψλ ελαιιαθηηθψλ κεζφδσλ ρξήζεο ηνπ UWB θάζκαηνο ε ηερλνινγία MB-OFDM ππνζηεξίδεηαη απφ πνιινχο βηνκεραληθνχο νξγαληζκνχο [34]. ΢χκθσλα κε ηνπο θαλνληζκνχο ηεο νκνζπνλδηαθήο επηηξνπήο επηθνηλσληψλ (FCC) νη UWB ζπζθεπέο κπνξνχλ λα ιεηηνπξγήζνπλ ζηε δψλε ζπρλνηήησλ 3.1-10.6 GHz γηα εθαξκνγέο επηθνηλσλίαο ρξεζηκνπνηψληαο ηνπιάρηζηνλ 500MHz ηνπ εχξνπο δψλεο (κεηξεκέλν ζηα 10 dB) κε θαζκαηηθή ππθλφηεηα ηζρχνο κηθξφηεξε απφ -41.25 dBm/MHz [35]. ΢ην multiband orthogonal frequencydivision multiplexing (OFDM) πξφηππν [36] ην 7500 MHz UWB θάζκα δηαηξείηαη ζε 14 δψλεο ζπρλνηήησλ ησλ 528 MHz ε θάζε κία. Οη δψλεο απηέο νκαδνπνηνχληαη ζε 5 κπάληεο φπσο θαίλεηαη ζην ζρήκα 3.1. ΢σήμα 3.1. ΢ρέδην ζπρλνηήησλ γηα ην MB-OFDM πξφηππν. 59 Η πξψηε κπάληα ζπρλνηήησλ (3.1-4.8 GHz) πνπ αληηζηνηρεί ζην θαηψηεξν κέξνο ηνπ θάζκαηνο, ζεσξείηαη ππνρξεσηηθή ελψ νη ππφινηπεο νξηνζεηήζεθαλ θαη αθέζεθαλ πξναηξεηηθέο πξνθεηκέλνπ λα ηθαλνπνηήζνπλ ηηο πξννδεπηηθή επέθηαζε ησλ δπλαηνηήησλ ησλ ζπζηεκάησλ. Σν ζρήκα 3.2 δείρλεη ηνλ ξφιν ηνπ ζπλζέηε ζπρλνηήησλ ζε έλαλ MB-OFDM πνκπνδέθηε. Όπσο θαη ζηα άιια αζχξκαηα ζπζηήκαηα ν ζπλζέηεο ζπρλνηήησλ έρεη ηνλ ζεκαληηθφ ξφιν λα δεκηνπξγεί ην local oscillator (LO) ζήκα πνπ νδεγεί ηνλ down-converter θαη ηνλ up-converter ζην κνλνπάηη ησλ δέθηε θαη πνκπνχ αληίζηνηρα. Τπάξρνπλ 2 ηνπιάρηζηνλ απαηηήζεηο πνπ θάλνπλ έλαλ ζπλζέηε ζπρλνηήησλ γηα MB-OFDM εθαξκνγέο ζεκαληηθά δηαθνξεηηθφ απφ ηνπο επξέσο ρξεζηκνπνηνχκελνπο ζπλζέηεο ζπρλνηήησλ πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη ζε ζπζηήκαηα ζηελήο δψλεο. Οη δχν απηέο απαηηήζεηο είλαη: 1.Σν θάζκα ησλ ζπρλνηήησλ πνπ πξφθεηηαη λα παξαρζεί εθηείλεηαη ζε πνιιά GHz. 2.Ο ρξφλνο κεηαγσγήο (switching time) δειαδή ν ρξφλνο πνπ θάλεη ν ζπλζέηεο ζπρλνηήησλ γηα λα θιεηδψζεη απφ κία ζπρλφηεηα ζε κία άιιε πξέπεη λα είλαη κηθξφηεξνο απφ 9.47 ns [36]. ΢σήμα 3.2. ΢πλζέηεο ζπρλνηήησλ ζε MB-OFFM πνκπνδέθηε. 60 Οη παξαπάλσ απαηηήζεηο απνηξέπνπλ ηελ ρξεζηκνπνίεζε ελφο ζπλζέηε βαζηζκέλν ζε θιαζηθφ phase locked loop πξνθεηκέλνπ λα ρξεζηκνπνηεζεί ζε ηέηνηεο εθαξκνγέο [37]. Οξηζκέλνη πηζαλνί ηξφπνη δεκηνπξγίαο ησλ θαηάιιεισλ ζπρλνηήησλ γηα UWB εθαξκνγέο ζπδεηηνχληαη ζην [38]. Ο ζπλζέηεο ζπρλνηήησλ πνπ παξνπζηάδεηαη ζην [39] παξάγεη ηφλνπο ζηηο ζπρλφηεηεο 4-,5-,6,θαη 7-GHz ρξεζηκνπνηψληαο έλαλ απιφ ζπλζέηε ζπρλνηήησλ γηα θάζε ζπρλφηεηα. ΢ηελ πεγή [40] ρξεζηκνπνηείηαη κία παξφκνηα πξνζέγγηζε ρξεζηκνπνηψληαο 3 phase locked loops (PLLs) έλα γηα θάζε κία ζπρλφηεηα ηεο πξψηεο κπάληαο ζπρλνηήησλ. ΢ηελ πεγή [41] ρξεζηκνπνηνχληαη 2 PLLs γηα λα παξάγνπλ ηηο ζπρλφηεηεο 3960 θαη 528 MHz θαη ζηελ ζπλέρεηα κε έλαλ SSB κείθηε παξάγνληαη φιεο νη ζπρλφηεηεο ηεο πξψηεο κπάληαο. ΢ην [42] ρξεζηκνπνηνχληαη πάιη 2 PLLs αιιά κε δηαθνξεηηθφ ηξφπν παξάγνληαο 8 δψλεο ζπρλνηήησλ απφ 3 έσο 8 GHz. Χζηφζν ε πην απνηειεζκαηηθή κέζνδνο είλαη λα παξαρζεί κία ζπρλφηεηα απφ έλα PLL θαη έκκεζα λα δεκηνπξγήζνπκε ηηο άιιεο ζπρλφηεηεο απφ βνεζεηηθά ζήκαηα. Βνεζεηηθά ζήκαηα είλαη απηά πνπ δεκηνπξγνχληαη ζηελ αιπζίδα δηαίξεζεο ηνπ PLL. Απηή ε ηερληθή ρξεζηκνπνηείηαη ζηα [43], [44] θαη [45]. ΢ηελ πεγή [44] παξνπζηάδεηαη έλαο ζπλζέηεο βαζηζκέλνο ζε κία δνκή δηαίξεζεο πνπ απνηειείηαη απφ δηαηξέηεο θαη SSB κείθηεο. Οη ζπρλφηεηεο 3960 θαη 528 MHz παξάγνληαη απφ έλα απιφ PLL. Ο ζπλζέηεο πνπ παξνπζηάδεηαη ζην [45] ρξεζηκνπνηεί 8 δηαηξέηεο (/2), 2 SSB κείθηεο θαη 2 πνιππιέθηεο γηα λα παξαρζνχλ 7 δψλεο ζπρλνηήησλ απφ 3.1 έσο 8.2 GHz. Κακία απφ ηηο παξαπάλσ αξρηηεθηνληθέο φκσο δελ θαιχπηεη φιν ην UWB θάζκα. ΢ηφρνο απηήο ηεο δηπισκαηηθήο είλαη ε πινπνίεζε ελφο UWB MB-UWB ζπλζέηε ζπρλνηήησλ φπνπ ζα θαιχπηεη φιν ην UWB θάζκα πνπ είλαη απφ 3.6 έσο 10.1 GHz. 3.1. Πλάνο ζςσνοηήηων και απσιηεκηονική ηος ΢ςνθέηη ΢ςσνοηήηων. 3.1.1. Δπιλογή ηος καηάλληλος πλάνος ζςσνοηήηων. Η ηερληθή πνπ ζα ρξεζηκνπνηεζεί βαζίδεηαη ζηελ δεκηνπξγία ελφο ζπλζέηε ζπρλνηήησλ πνπ πεξηιακβάλεη κεηαμχ άιισλ θαη έλα βξφρν θιεηδσκέλεο θάζεο. Η ζπρλφηεηα εμφδνπ ηνπ PLL είλαη θαζνξηζκέλε ελψ φιεο νη άιιεο ζπρλφηεηεο (πνπ ζέινπκε λα παξαρζνχλ ζηελ έμνδν ηνπ ζπζηήκαηφο καο) θαζψο θαη ε ζπρλφηεηα ησλ 528MHz πξνθχπηνπλ είηε άκεζα είηε έκκεζα. Ο αξηζκφο δηαίξεζεο ηνπ θάζε δηαηξέηε ζπρλφηεηαο θαζψο θαη ν αξηζκφο ησλ δηαηξεηψλ 61 θαζνξίδνπλ ηα βνεζεηηθά ζήκαηα ηα νπνία ζα ρξεζηκνπνηεζνχλ πξνθεηκέλνπ λα παξαρζνχλ νη θαηάιιειεο ζπρλφηεηεο. Βαζηδφκελν ζε απηήλ ηελ ηερληθή είλαη ν ζπλζέηεο πνπ παξνπζηάδεηαη ζηελ πεγή [46]. Ο ζπλζέηεο απηφο παξάγεη φιεο ηηο θαηάιιειεο ζπρλφηεηεο ζηηο κπάληεο 1,3,4,5. Η κπάληα 2 παξαιείπεηαη ιφγσ ηεο επηθάιπςεο κε ηελ U-NII δψλε ζπρλνηήησλ . Η αξρηηεθηνληθή απηή πεξηιακβάλεη αξθεηνχο κείθηεο ελψ ρξεηάδνληαη θαη δσλνπεξαηά (bandpass) θίιηξα γηα ηελ εμαζζέληζε ησλ spurious ζεκάησλ. Τπνζέηνληαο πσο νη δηαηξέηεο κε ην 2 θαη νη δηαηξέηεο 3, είλαη ηα βαζηθά θχηηαξα ηεο αιπζίδαο δηαίξεζεο ηνπ PLL θαηαζθεπάδεηαη έλα δέλδξν-δηάγξακκα φπνπ δείρλεη ηηο πηζαλέο ζπρλφηεηεο ηνπ VCO πνπ κπνξνχλ κε δηαδνρηθέο δηαηξέζεηο κε ην 2 ή κε ην 3 ή θαη κε ηα δχν λα θαηαιήμνπλ ζε ζπρλφηεηα 528 MHz. To δέληξν δείρλεη επίζεο ηα δηαθνξεηηθά βνεζεηηθά ζήκαηα πνπ γελληνχληαη ζην PLL θαηά ηελ δηάξθεηα παξαγσγήο ηεο ζπρλφηεηαο 528 MHz. ΢σήμα 3.3. Γέληξν-δηάγξακκα ζπρλφηεηαο. Πξνθεηκέλνπ λα κεηψζνπκε ηνλ αξηζκφ ησλ κεηθηψλ θαη ησλ θίιηξσλ ζα επηιέμνπκε ην κνλνπάηη εθείλν φπνπ γελλά ηηο πεξηζζφηεξεο ζπρλφηεηεο αλαθνξάο άκεζα ζηελ αιπζίδα ηνπ PLL. Ξεθηλψληαο απφ ην βαζηθφ ζρέδην ζπρλνηήησλ ηνπ ζρήκαηνο 3.1 θαη κεηαθηλψληαο ηελ κπάληα 1 θαηά 264 MHz πην ςειά θαη ηηο κπάληεο 3,4,5 θαηά 264 MHz πην ρακειά απνθνκίδνπκε ην ελαιιαθηηθφ ζρέδην ζπρλνηήησλ πνπ απεηθνλίδεηαη επίζεο ζην ζρήκα 3.1. ΢ην ηξνπνπνηεκέλν απηφ ζρέδην ζπρλνηήησλ πνπ πξνηείλεηαη ζην [46], δχν απφ ηηο ζπρλφηεηεο αλαθνξάο (8448 θαη 4224 MHz) παξάγνληαη ζηελ αιπζίδα ηνπ PLL. Σν ζχλνιν ησλ βνεζεηηθψλ ζεκάησλ πνπ παξάγνληαη γηα ην πιάλν απηφ πεξηθιείεηαη κε κία έληνλε γξακκή ζην 62 ζρήκα 3.3. Δίλαη ζεκαληηθφ λα αλαθεξζεί πσο ην ηξνπνπνηεκέλν απηφ ζρέδην ζπρλνηήησλ επηθαιχπηεηαη κε radio astronomy bands ζηελ Ιαπσλία, σζηφζν δελ εηζάγεη θακία επηθάιπςε κε ηελ U-NII κπάληα ζηηο Ηλσκέλεο Πνιηηείεο [46]. 3.1.2. Απσιηεκηονική ηος ΢ςνθέηη ΢ςσνοηήηων. Σν ζρήκα 3.4 παξνπζηάδεη ην δνκηθφ δηάγξακκα ηνπ UWB MB OFDM ζπλζέηε ζπρλνηήησλ. Η αξρηηεθηνληθή ηνπ πξνέθπςε απφ ην ελαιιαθηηθφ ζρέδην ζπρλνηήησλ θαη ην δέλδξν-δηάγξακκα πνπ παξνπζηάζηεθαλ ζηελ ελφηεηα 3.1.1. Απηφο ν ζπλζέηεο ζπρλνηήησλ ρξεζηκνπνηεί δηαηξέηεο ζπρλφηεηαο κφλν κε ην 2, single sideband κείθηεο (SSB), εληζρπηέο, θίιηξα θαζψο θαη SDDT δηαθφπηεο πξνθεηκέλνπ λα παξαρζνχλ νη 11 επηζπκεηέο ζπρλφηεηεο. Η αξρή ιεηηνπξγίαο ηνπ είλαη λα παξάγεη κία ζπρλφηεηα αλαθνξάο ζε θάζε κπάληα θαη ζην ηειηθφ ζηάδην κε SSB mixing ( 𝑓 ± 528) λα παξάγνληαη νη πιεπξηθέο δψλεο. Αλαιπηηθά ε ζπρλφηεηα εηζφδνπ ζην phase locked loop είλαη ίζε κε 33MHz θαη ε έμνδνο ηνπ ηαιαλησηή ειεγρφκελνπ απφ ηάζε είλαη 8448 MHz. Πξνθεηκέλνπ λα παξαρζνχλ νη ζπρλφηεηεο 4224, 2112, 1056 θαη 528 MHz ρξεζηκνπνηνχκε ηέζζεξηο ζε ζεηξά δηαηξέηεο ζπρλφηεηαο νη νπνίνη δηαηξνχλ κε ην δχν. ΢ηελ ζπλέρεηα εθαξκφδνληαο ζηηο εηζφδνπο ελφο SSB κείθηε ηηο ζπρλφηεηεο 2112 θαη 1056 MHz θαηαθέξλνπκε λα παξάγνπκε ζηελ έμνδφ ηνπ ηελ ζπρλφηεηα 3168 MHz ε νπνία κε δηαίξεζε κε ην δχν παξάγεη ηελ ζπρλφηεηα 1584 MHz. Η ζπρλφηεηα απηή ρξεζηκνπνηείηαη ζαλ είζνδνο ζε δχν SSB κείθηεο ησλ νπνίσλ ε δεχηεξε είζνδνο είλαη ε ζπρλφηεηα 8448 MHz ηνπ VCO. Σν απνηέιεζκα είλαη λα παξαρζνχλ νη ζπρλφηεηεο 10032 θαη 6864 MHz αληίζηνηρα. Μέρξη απηφ ην ζηάδην έρνπκε θαηαθέξεη λα δεκηνπξγήζνπκε φιεο ηηο ζπρλφηεηεο αλαθνξάο ηεο θάζε κπάληαο (4224, 6864, 8448, 10032 MHz) ηνπ ελαιιαθηηθνχ ζρεδίνπ ζπρλνηήησλ φπσο θαίλεηαη ζην ζρήκα 3.5. Έρνληαο παξάγεη θαη ηελ ζπρλφηεηα ησλ 528 MHz θαηαθέξλνπκε ζην ηειεπηαίν ζηάδην λα πάξνπκε θαη ηηο 11 δπλαηέο ζπρλφηεηεο πνπ ρξεηαδφκαζηε κε SSB mixing. Οη SPDT δηαθφπηεο ρξεζηκνπνηνχληαη γηα λα πάξνπκε θάζε θνξά ζηελ έμνδν ηνπ ζπλζέηε ζπρλνηήησλ ηελ ζπρλφηεηα πνπ επηζπκνχκε. Δπίζεο παξαηεξνχκε πσο ν ρξφλνο κεηαγσγήο (switching time) κεηαμχ ησλ δσλψλ ζπρλνηήησλ εμαξηάηαη κφλν απφ ηνλ ρξφλν κεηαγσγήο ηνπ ηειεπηαίνπ δηαθφπηε. Η ρξήζε ησλ εληζρπηψλ είλαη επηβεβιεκέλε πξνθεηκέλνπ λα ηθαλνπνηήζνπκε ηηο απαηηήζεηο ησλ SSB κεηθηψλ γηα ειάρηζηε ηζρχ ζηελ LO είζνδφ ηνπο. Σέινο ρξεζηκνπνηνχκε θίιηξα πξνθεηκέλνπ λα κεηψζνπκε ηα επίπεδα ηζρχνο ησλ αλεπηζχκεησλ ζεκάησλ πνπ παξάγνληαη. 63 (M4) (S3) (A5) (A1) VCO (S5) /2 (S2) (A4) (A2) LPF (M5) (M2) (S7) (F2) /2 (S1) PFD /2 (A3) (M3) (F1) (M6) (F3) (S4) (A6) /2 /2 (M1) (S6) (M7) 33 MHz Reference ΢σήμα 3.4. UWB MB OFDM ζπλζέηεο ζπρλνηήησλ. 64 ΢σήμα 3.5. ΢ρέδην ζπρλνηήησλ γηα ην πξνηεηλφκελν UWB MB OFDM ζπλζέηε ζπρλνηήησλ. Ο πίλαθαο 3.1 δείρλεη ην πψο ζπλδένληαη νη ζπρλφηεηεο ηεο θάζε κπάληαο ζε ζρέζε κε ηε ζπρλφηεηα εμφδνπ ηνπ VCO. Πίνακαρ 3.1. ΢χλζεζε ζπρλνηήησλ γηα ην ελαιιαθηηθφ ζρέδην ζπρλνηήησλ. Band# f0 (MHz) Frequency synthesis 1 3696 𝑓0 /2 - 𝑓0 /16 2 4224 𝑓0 /2 3 4752 𝑓0 /2 + 𝑓0 /16 4 6336 𝑓0 - 𝑓0 /8- 𝑓0 /16 - 𝑓0 /16 5 6864 𝑓0 - 𝑓0 /8- 𝑓0 /16 6 7392 𝑓0 - 𝑓0 /8- 𝑓0 /16 + 𝑓0 /16 7 7920 𝑓0 - 𝑓0 /16 8 8448 𝑓0 9 8976 𝑓0 + 𝑓0 /16 10 9504 𝑓0 + 𝑓0 /8 + 𝑓0 /16 -𝑓0 /16 11 10032 𝑓0 + 𝑓0 /8 + 𝑓0 /16 65 3.2. Δπιλογή ηων καηάλληλων εξαπηημάηων για ηην καηαζκεςή ηος ΢ςνθέηη ΢ςσνοηήηων. 3.2.1 Σαλανηωηήρ ελεγσόμενορ από ηάζη (Voltage Controlled Oscillator, VCO). Δμαηηίαο ηεο αξρηηεθηνληθήο ηνπ ζπλζέηε ζπρλνηήησλ πνπ επηιέμακε θαη αλαιχζεθε ζηελ πξνεγνχκελε ελφηεηα ρξεηαδφκαζηε έλα VCO ην νπνίν λα παξάγεη ζηελ έμνδφ ηνπ κία ζπρλφηεηα ησλ 8448 MHz. Γηα ηνλ ιφγν απηφ επηιέμακε λα ρξεζηκνπνηήζνπκε ην hmc587lc4b απφ ηελ Hittite Microwave Corporation [48]. Σν hmc587lc4b είλαη έλα wideband GaAs InGaP Voltage Controlled Oscillator ην νπνίν δέρεηαη ζηελ είζνδφ ηνπ (Vtune) έλα επξχ θάζκα αλαινγηθψλ ηάζεσλ ζπληνληζκνχ νη νπνίεο θπκαίλνληαη απφ 0 έσο +18 Volts. Σν MMIC (monolithic microwave itegrated circuit) hmc587lc4b έρεη εμαηξεηηθέο επηδφζεηο φζνλ αθνξά ηελ ηζρχ ζηελ έμνδφ ηνπ αιιά θαη ην ζφξπβν θάζεο ιφγσ ηεο κνλνιηζηθήο θαηαζθεπήο ηνπ. Σξνθνδνηείηαη απφ ηάζε 5 Volt θαη θαηαλαιψλεη ξεχκα κφιηο 55mA. Ο πίλαθαο 3.2 παξνπζηάδεη ηηο ειεθηξηθέο πξνδηαγξαθέο ηνπ hmc587lc4b VCO. Πίνακαρ 3.2 Ηιεθηξηθέο Πξνδηαγξαθέο ηνπ hmc587lc4b , TA= + oC, Vcc= +5Volt. Parameter Min. Frequency Range Power Output 0 Typ. Max. Units 5.0 - 10.0 GHz 5 dBm SSB Phase Noise @ 100 kHz Offset -95 dBc/Hz SSB Phase Noise @ 10 kHz Offset -65 dBc/Hz Tune Voltage (Vtune) 0 18 V Supply Current (Icc) (Vcc = +5.0V) 40 75 mA 10 κA Tune Port Leakage Current (Vtune = +18V) Output Return Loss 2nd Harmonic 7 dB -15 dBc Pulling (into a 2.0:1 VSWR) 4 MHz pp Pushing @ Vtune= +5V 15 MHz/V Frequency Drift Rate 0.8 MHz/oC 66 3.2.2. Γιαιπέηερ ζςσνόηηηαρ. ΢χκθσλα κε απηά πνπ ζπδεηήζεθαλ ζηελ ελφηεηα 3.2.2 θαη φπσο θαίλεηαη θαη απφ ην ζρήκα 3.4 φινη νη δηαηξέηεο πνπ ζα ρξεζηκνπνηεζνχλ γηα ηελ θαηαζθεπή ηνπ ζπλζέηε ζπρλνηήησλ ζα δηαηξνχλ κε ηνλ αθέξαην αξηζκφ δχν, εθηφο απφ ηνλ ηειεπηαίν δηαηξέηε πνπ βξίζθεηαη πξηλ απφ ηνλ αληρλεπηή θάζεο ζπρλφηεηαο (PFD) φπνπ απηφο ζα δηαηξεί κε ην 16. Ο δηαηξέηεο κε ην δχν πνπ επηιέμακε λα ρξεζηκνπνηήζνπκε γηα ηελ θαηαζθεπή ηνπ ζπλζέηε ζπρλνηήησλ είλαη ν hmc364s8g ηεο Hittite Microwave Corporation [49]. Ο hmc364s8g είλαη έλαο InGaP GaAs HBT δηαηξέηεο. Λεηηνπξγεί γηα ζπρλφηεηεο εηζφδνπ απφ DC έσο 12.5 GHz ελψ ν ρακειφο ηνπ ζφξπβνο θάζεο βνεζάεη ζηελ θαιή απφδνζε ζε ζφξπβν, ηνπ ζπζηήκαηφο καο. Ο πίλαθαο 3.3 παξνπζηάδεη ηηο ειεθηξηθέο πξνδηαγξαθέο ηνπ hmc364s8g δηαηξέηε. Πίνακαρ 3.3. Ηιεθηξηθέο πξνδηαγξαθέο ηνπ hmc364s8g. Parameter Conditions Maximum Input Frequency Minimum Input Frequency Sine Wave Input Input Power Range Fin = 1 to 10 GHz Output Power Reverse Leakage Min. Typ. 12.5 13.5 Max. Units GHz 0.2 0.5 GHz -15 >-20 +10 dBm Fin = 10 to 12 GHz -10 >-15 +5 dBm Fin = 12 to 12.5 GHz -4 >-8 +2 dBm Fin = 6 GHz 2 5 Fin = 9 GHz -2 dBm Fin = 11 GHz -5 dBm Fin = 12.5 GHz -8 dBm Both RF Outputs dBm 40 dB Terminated SSB Phase Noise (100 kHz offset) Pin = 0 dBm, Fin = 6 GHz -145 dBc/Hz Output Transition Time Pin = 0 dBm, Fout = 882 100 Ps 105 mA MHz Supply Current (Icc) 67 3.2.3. Ανισνεςηήρ Φάζηρ ΢ςσνόηηηαρ (Phase Frequency Detector, PFD). Ο αληρλεπηήο θάζεο ζπρλφηεηαο πνπ ζα ρξεζηκνπνηήζνπκε είλαη ν hmc440qs16g ηεο Hittite Microwave Corporation [50]. Ο PFD απηφο απνηειείηαη απφ έλαλ ςεθηαθφ PFD θαη έλαλ 5-Bit κεηξεηή (Counter) πνπ ρξεζηκνπνηείηαη γηα δηαίξεζε ζπρλφηεηαο κε ην 2 έσο ην 32. Ο hmc440qs16g είλαη ηδαληθφο γηα εθαξκνγέο φπνπ απαηηείηαη ρακειφο ζφξπβνο θάζεο. Σν θάζκα ησλ ζπρλνηήησλ πνπ δέρεηαη ζηηο εηζφδνπο ηνπ θπκαίλεηαη απφ 10 έσο 1300 MHz ελψ ην επίπεδν ζνξχβνπ θάζεο (phase noise floor) είλαη -153dBc/Hz ζε απφθιηζε 10 kHz απφ ηελ θεληξηθή ζπρλφηεηα. Αλαιπηηθά νη ειεθηξηθέο πξνδηαγξαθέο ηνπ hmc440qs16g παξνπζηάδνληαη ζηνλ πίλαθα 3.4. Πίνακαρ 3.4. Ηιεθηξηθέο πξνδηαγξαθέο ηνπ hmc440qs16g. Parameter Conditions Min. Maximum Ref. Input Frequency Sine or Square Wave Input 1300 Minimum Ref. Input Frequency Sine Wave Input Reference Input Power Range 100 MHz Frequency Typ. Max. MHz -10 10 MHz +10 dBm 2800 Maximum VCO Input Frequency Units MHz Minimum VCO Input Frequency Sine Wave Input VCO Input Power Range 100 MHz Input Frequency Output Voltage 200 Ohm Pull Up to Vcc 2000 SSB Phase Noise @ 10 kHz Offset @ 100 -153 dBc/Hz 250 mA -15 10 MHz +10 dBm mV,Pk- Pk MHz Ref. Input, Pin= 0 dBm Supply Current 68 3.2.4 Image-Reject and Single-Sideband μείκηερ. Οη Image-Reject Mixers (IRMs) θαη νη Single-Sideband Mixers (SSMs) παίδνπλ ζεκαληηθφ ξφιν ζε πνιιά Microwave θαη RF ζπζηήκαηα [31,32,33]. Οη IRMs θαη νη SSMs κεηψλνπλ θαηά πνιχ ην θφζηνο θαη ηελ πνιππινθφηεηα ησλ ζπζηεκάησλ θαηαξγψληαο ηελ αλάγθε γηα πξνεπηινγή θαζψο θαη έλα ή θαη πεξηζζφηεξα ζηάδηα up ή downconversion. Οη IRMs απινπνηνχλ ηελ δηαδηθαζία down-conversion εθαξκφδνληαο ηερληθέο αθχξσζεο θάζεο γηα λα δηαρσξίζνπλ ηα πξντφληα πνπ πξνέξρνληαη απφ ηηο αλεπηζχκεηεο εηθφλεο (images) απφ απηά ησλ επηζπκεηψλ RF εηζφδσλ. Παξφκνηα, νη SSMs απινπνηνχλ ηελ δηαδηθαζία up-conversion, δηαρσξίδνληαο ηελ up-converted lower sideband (LSB) απφ ηελ up-converted upper sideband (USB). Καη ζηηο δχν πεξηπηψζεηο ηα πξντφληα πνπ παξάγνληαη δηαρσξίδνληαη κεηαμχ ηνπο θαη εθαξκφδνληαη ζε δχν δηαθνξεηηθέο ζχξεο εμφδνπ πξνθεηκέλνπ λα ππνζηνχλ πεξαηηέξσ επεμεξγαζία. 3.2.4.1. Δικόνα (Image). Δηθφλα είλαη ην αλεπηζχκεην ζήκα ζηελ είζνδν ελφο κείθηε. Η ζπρλφηεηά ηνπ κπνξεί λα είλαη κεγαιχηεξε ή κηθξφηεξε απφ ηελ ζπρλφηεηα ηνπ ηνπηθνχ ηαιαλησηή (LO) θαηά έλα πνζφ ίζν κε ηε ζπρλφηεηα IF. ΢ην ζρήκα 3.6 αλ ε 𝑓𝑅1 είλαη ην επηζπκεηφ IF ζήκα εηζφδνπ ηφηε ην 𝑓𝑅2 είλαη ε εηθφλα (image) ηνπ. Σν image θαη ε επηζπκεηή είζνδνο αλακεηγλχνληαη ην θαζέλα κε ην LO ζήκα θαη ππνβηβάδνληαη ζηελ ίδηα ζπρλφηεηα. Σν παξαπάλσ απνηειεί πξφβιεκα ζηνπο double-balanced (DB) mixers δηφηη ηα δχν down-converted ζήκαηα αιιειεπηδξνχλ κεηαμχ ηνπο θαη παξέρνληαη ζηελ ίδηα IF έμνδν καδί. Οη IRMs απνθεχγνπλ ην πξφβιεκα απηφ ιφγσ ηνπ φηη εθαξκφδνπλ ηα δχν απηά πξντφληα ζε μερσξηζηέο ζχξεο εμφδνπ. 3.2.4.2. IRMs and SSMs. ΢ε αληίζεζε κε ηνπο conventional double balanced κίθηεο, νη IRMs απφξξηςε πεηπραίλνπλ ηεο εηθφλαο εθαξκφδνληαο ηερληθέο αθχξσζεο θάζεο θαη φρη ρξεζηκνπνηψληαο θίιηξα. ΢πλεπψο ην δηάζηεκα ζπρλνηήησλ κεηαμχ ηεο εηθφλαο θαη ησλ επηζπκεηψλ RF εηζφδσλ 69 κπνξεί λα γίλεη ακειεηέν. Απηφ ζεκαίλεη πσο ε δηαδηθαζία downconversion κπνξεί λα επηηεπρζεί ρσξίο preselection, θαζψο επίζεο θαη ζε ιηγφηεξα ζηάδηα, ρσξίο ηελ ρξεζηκνπνίεζε παξαπάλσ κεηθηψλ, εληζρπηψλ, ηνπηθψλ ηαιαλησηψλ θαη θίιηξσλ. Γηα ηνπο ίδηνπο ιφγνπο ε δηαδηθαζία upconversion κπνξεί επίζεο λα απινπνηεζεί ρξεζηκνπνηψληαο single sideband κείθηεο. ΢σήμα 3.6. IRM ιεηηνπξγία. ΢σήμα 3.7 Block δηάγξακκα ελφο image-reject θαη ελφο single-sideband κείθηε. 70 3.2.4.3. IRM. Σν ζρήκα 3.6 δείρλεη πσο ην θχθισκα ηνπ ζρήκαηνο 3.7 ιεηηνπξγεί ζαλ IRM κείθηεο. Σν ζήκα ζηε ζπρλφηεηα 𝑓𝑅1 ζα δηακνξθσζεί πξνο ηα θάησ θαη ζα εθαξκνζζεί ζηελ έμνδν 𝛪1 θαη ην ζήκα ζηε ζπρλφηεηα 𝑓𝑅2 ζα δηακνξθσζεί πξνο ηα θάησ αιιά ζα εθαξκνζζεί ζηε έμνδν 𝛪2 . Αλ ην 𝑓𝑅1 είλαη ην επηζπκεηφ ζήκα ηφηε ην 𝑓𝑅2 ζα είλαη ε εηθφλα ηνπ. Ιδαληθά θαλέλα down-converted image ζήκα δελ ππάξρεη ζηελ IF ζχξα εμφδνπ, σζηφζν ιφγσ ηεο αληζνξξνπίαο ζην πιάηνο θαη ζηε θάζε πνπ ππάξρεη ζηα πξαθηηθά θπθιψκαηα, κεξηθά παξνπζηάδνληαη ζηελ επηζπκεηή IF ζχξα εμφδνπ. Η απφξξηςε εηθφλαο (Image Rejection) νξίδεηαη ζαλ ν ιφγνο ηεο ηζρχο ηνπ down-converted image ζήκαηνο πνπ εκθαλίδεηαη ζηελ επηζπκεηή ζχξα εμφδνπ πξνο ηελ ηζρχ ηνπ επηζπκεηνχ ζήκαηνο πνπ εκθαλίδεηαη ζηελ ίδηα ζχξα εμφδνπ. Γηα θαιή απφξξηςε ζήκαηνο απαηηείηαη ζηελφ εχξνο, ηαίξηαζκα θάζεο, ρακειφ VSWR κείθηε θαη θαηεπζπληηθφηεηα. 3.2.4.4. SSM. Σν ζρήκα 3.8 δείρλεη πσο ην θχθισκα ηνπ ζρήκαηνο 3.7 ιεηηνπξγεί ζαλ SSM κείθηεο. Οη SSMs παξέρνπλ κία single–sideband suppressed carrier έμνδν. Η LSB θαη ε USB έμνδνο κπνξνχλ λα επηιερζνχλ δηαιέγνληαο κία απφ ηηο δχν Ι ζχξεο θαη ηξνθνδνηψληαο ηελ κε ην IF ζήκα. Αλ νδεγήζνπκε ηελ 𝛪1 ζα πάξνπκε ηελ LSB έμνδν ελψ αλ νδεγήζνπκε ηελ 𝛪2 ζα πάξνπκε ηελ USB. Οη SSMs κείθηεο έρνπλ δχν βαζηθέο παξακέηξνπο. Σελ sideband suppression θαη ηελ carrier suppression. Η sideband suppression είλαη παξφκνηα κε ηελ image rejection θαη νξίδεηαη ζαλ ν ιφγνο ηεο ηζρχο ηνπ αλεπηζχκεηνπ ζήκαηνο πξνο ηελ ηζρχ ηνπ επηζπκεηνχ ζήκαηνο ζηελ ζχξα εμφδνπ. Carrier suppression είλαη έλα κέηξν ηνπ κέξνπο ηνπ θέξνληνο ζήκαηνο πνπ δηαξξέεηαη κέζσ ηνπ SSM κείθηε θαη παξνπζηάδεηαη ζηελ IF έμνδν θαη νξίδεηαη ζαλ ν ιφγνο ηεο ηζρχο ηνπ θέξνληνο ζήκαηνο ζηελ έμνδν πξνο ηελ ηζρχ ηνπ επηζπκεηνχ ζήκαηνο. Καη νη δχν απηέο βαζηθέο παξάκεηξνη έρνπλ ζαλ κνλάδα κέηξεζεο ην dBc επεηδή κεηξψληαη ζε ζρέζε κε ην επηζπκεηφ USB ή LSB επίπεδν ηζρχνο. 71 ΢σήμα 3.8. SSM ιεηηνπξγία. 3.2.4.5. Λειηοςπγία ηων IRMs και ηων SSMs. ΢ε θάζε κείθηε ε γσλία θάζεο ηνπ RF θαη ηνπ LO ζήκαηνο παξακέλεη ακεηάβιεηε θαηά ηελ δηεξγαζία mixing. Άξα ε θάζε ηνπ IF ζήκαηνο ζηελ έμνδν, ηζνχηαη κε ην άζξνηζκα ησλ γσληψλ θάζεο ησλ RF θαη LO, πνιιαπιαζηαζκέλε κε ηνπο αληίζηνηρνπο ζπληειεζηέο ησλ αξκνληθψλ ηνπο. Οη ζπληειεζηέο απηνί θαζνξίδνπλ ηα πξντφληα ελδνδηακφξθσζεο θαη είλαη ζεηηθνί ή αξλεηηθνί αθέξαηνη αξηζκνί. Ιζρχεη 𝑓𝐼𝑀 = 𝑚𝑓𝑅 + 𝑛𝑓𝐿 . Γηα ην επηζπκεηφ downconverted ζήκα θαη γηα ην image down-converted ζήκα ηα m θαη n πξέπεη λα ηζνχληαη κε ±1. ΢ην ζρήκα 3.6 αλ ε ζπρλφηεηα ηνπ επηζπκεηνχ dνwn-converted ζήκαηνο είλαη 𝑓𝐼𝐹 = 𝑓𝐿 − 𝑓𝑅1 ηφηε 𝑛 = 1 θαη 𝑚 = −1 θαη ε γσλία θάζεο ζα ηζνχηαη κε 𝜃𝐿 − 𝜃𝑅1 φπνπ 𝜃𝐿 θαη 𝜃𝑅1 είλαη νη γσλίεο θάζεο ησλ ζεκάησλ LO θαη RF αληίζηνηρα. Όκνηα ε ζπρλφηεηα ηνπ image downconverted ζήκαηνο ζα είλαη 𝑓𝐼𝐹 = 𝑓𝑅2 − 𝑓𝐿 κε 𝑚 = 1 , 𝑛 = −1 θαη ε γσλία θάζεο ηνπ ζα ηζνχηαη κε 𝜃𝑅2 − 𝜃𝐿 . Σν ζρήκα 3.7 δείρλεη πσο θαη νη IRMs θαη νη SSMs mixers απνηεινχληαη απφ δχν κείθηεο, δχν δηαηξέηεο ηζρχνο (quadrature power dividers) θαη έλαλ ζε θάζε δηαηξέηε ηζρχνο. 72 Δίλαη φιεο παζεηηθέο ζπζθεπέο θαη ελεξγνχλ κεηαμχ ηνπο ψζηε λα κεηψζνπλ ην θφζηνο θαη λα εληζρχζνπλ ζεκαληηθά ηελ ιεηηνπξγηθφηεηα, ηελ αμηνπηζηία θαη ηελ απφδνζε ηνπ ζπζηήκαηνο. Οη κείθηεο Μ1 θαη Μ2 έρνπλ ξεχκαηα εμφδνπ 𝐼1′ θαη 𝐼2′ κε γσλίεο θάζεο 0o θαη 90o αληίζηνηρα. Καη γηα ηνπο 2 κείθηεο ην 𝜃𝐿 ηίζεηαη ίζν κε 0 επεηδή ην ζήκα LO εθαξκφδεηαη ζε θάζε ζηνλ Μ1 θαη ζηνλ Μ2. Δπίζεο επεηδή νη είζνδνη ζηνπο Μ1 θαη Μ2 έρνπλ δηαθνξά θάζεο 90o ηίζεηαη ην 𝜃𝑅 γηα ην Μ1 ίζν κε 0 θαη ην 𝜃𝑅 γηα ην Μ2 ίζν κε 90o . Άξα 𝐼1′ = 𝐼𝑚𝑛 ∠0o θαη 𝐼2′ = 𝐼𝑚𝑛 ∠𝑚90o . Σν 𝐼𝑚𝑛 είλαη ίδην γηα ηνπο 2 κείθηεο αθνχ έρεη ππνηεζεί πσο έρνπλ ην ίδην conversion-loss. Σα 𝐼1′ θαη 𝐼2′ ζπλδπάδνληαη ζηελ έμνδν ηνπ quadrature power divider κε ηέηνην ηξφπν ψζηε λα νδεγήζνπκε ην 𝑓𝐿 − 𝑓𝑅1 ζηελ ζχξα I1 θαη ην 𝑓𝑅2 − 𝑓𝐿 ζηελ ζχξα I2. Αθνινπζεί ν ηξφπνο πνπ νδεγνχκε ζηηο ζχξεο εμφδνπ ηα θαηάιιεια ζήκαηα. 𝐼1 = 1 ′ 1 𝐼 𝐼1 + 𝐼2′ ∠90o = 𝐼𝑚𝑛 + 𝐼𝑚𝑛 ∠ 𝑚 + 1 90o = 𝑚𝑛 0 2 2 ό𝜏𝛼𝜈 𝑚 = −1, 𝑓𝐿 − 𝑓𝑅1 ό𝜏𝛼𝜈 𝑚 = +1, 𝑓𝑅2 − 𝑓𝐿 3.1 𝐼2 = 1 ′ 1 0 ό𝜏𝛼𝜈 𝑚 = −1, 𝑓𝐿 − 𝑓𝑅1 𝐼1 ∠90o + 𝐼2′ = 𝐼𝑚𝑛 ∠90o + 𝐼𝑚𝑛 ∠𝑚90o = 𝐼𝑚𝑛 ό𝜏𝛼𝜈 𝑚 = +1, 𝑓𝑅2 − 𝑓𝐿 2 2 3.2 Όηαλ έρνπκε up-conversion (SSM ιεηηνπξγία) ε έμνδνο LSB 𝑓𝐿 − 𝑓𝐼1 εκθαλίδεηαη ζηελ RF1 θαη ε έμνδνο USB 𝑓𝐿 + 𝑓𝐼2 ζηελ RF2. ΢ην παξάξηεκα Β θαη Γ δίλεηαη κία αλάιπζε ησλ quadrature κηθηψλ θαη ηεο ζρέζεο ηνπ image rejection σο ζπλάξηεζε ηνπ amplitude θαη phase match. 3.2.4.6. Δπιλογή ηων SSB μεικηών. Mε βάζε ηα παξαπάλσ έγηλε ε επηινγή ησλ θαηάιιεισλ κεηθηψλ πξνθεηκέλνπ λα πινπνηήζνπκε ην θχθισκά καο. Όινη νη κείθηεο πνπ ρξεζηκνπνηήζακε είλαη I/Q MMIC κείθηεο απφ ηελ Hittite Microwave Corporation θαη κπνξνχλ λα ρξεζηκνπνηεζνχλ είηε ζαλ Image Reject είηε σο Single Sideband κείθηεο. ΢ε φιεο ηηο πεξηπηψζεηο εκείο ζα ηνπο ρξεζηκνπνηήζνπκε ζε SSM ιεηηνπξγία. 73 Όπσο θαίλεηαη ζην ζρήκα 3.4 o κείθηεο 1 ηνπ θπθιψκαηφο καο, δέρεηαη ζηελ LO είζνδφ ηνπ ηελ έμνδν ηνπ δεχηεξνπ δηαηξέηε ζηα 2112 MHz ελψ ζηελ IF1 είζνδφ ηνπ ηελ έμνδν ηνπ ηξίηνπ δηαηξέηε ζηα 1056 MHz. Η RF έμνδνο ηνπ κείθηε είλαη ζηα LO+IF1=2112+1056 =3168 MHz. Γηα ηνλ κίθηε απηφλ ρξεζηκνπνηήζακε ηνλ hmc340lp5 ηεο Hittite Microwave Corporation. Απφ [48] ηζρχεη πσο ην frequency Range RF/LO=1.7-4.5 GHz ελψ ην frequency Range IF=DC1.5GHz. O κείθηεο 2 ηνπ θπθιψκαηφο καο, δέρεηαη ζηελ LO είζνδφ ηνπ ηελ έμνδν ηνπ VCO ζηα 8448 MHz ελψ ζηελ IF1 είζνδφ ηνπ ηελ έμνδν ηνπ πέκπηνπ δηαηξέηε ζηα 1584 MHz. Η RF έμνδνο ηνπ κείθηε είλαη ζηα LO+IF1=8448+1584 =10032 MHz. Γηα ηνλ κείθηε απηφλ ρξεζηκνπνηήζακε ηνλ hmc521lc4 ηεο Hittite Microwave Corporation. Απφ [48] ηζρχεη πσο ην frequency Range RF/LO=8.5-13.5 GHz ελψ ην frequency Range IF=DC-3.5GHz. O κείθηεο 3 ηνπ θπθιψκαηφο καο, δέρεηαη ζηελ LO είζνδφ ηνπ ηελ έμνδν ηνπ VCO ζηα 8448 MHz ελψ ζηελ IF2 είζνδφ ηνπ ηελ έμνδν ηνπ πέκπηνπ δηαηξέηε ζηα 1584 MHz. Η RF έμνδνο ηνπ κείθηε είλαη ζηα LO-IF2=8448-1584 =6864 MHz. Γηα ηνλ κείθηε απηφλ ρξεζηκνπνηήζακε ηνλ hmc520lc4 ηεο Hittite Microwave Corporation. Απφ [48] ηζρχεη πσο ην frequency Range RF/LO=6-10 GHz ελψ ην frequency Range IF=DC-3.5GHz. O κείθηεο 4 ηνπ θπθιψκαηφο καο, δέρεηαη ζηελ LO είζνδφ ηνπ ηελ έμνδν ηνπ δεχηεξνπ SPDT δηαθφπηε ε νπνία κπνξεί λα είλαη κία εθ ησλ 6864,8448 θαη 10032 MHz ελψ ζηελ IF1 είζνδφ ηνπ ηελ έμνδν ηνπ ηέηαξηνπ δηαηξέηε ζηα 528 MHz. Η RF έμνδνο ηνπ κείθηε είλαη ζηα LO+IF1=(6864,8448,10032)+528=7392,8976,10560 MHz. Η ζπρλφηεηα φκσο ζηα 10560 MHz δελ καο ελδηαθέξεη γηαηί δελ πεξηιακβάλεηαη ζην ελαιιαθηηθφ ζρέδην ζπρλνηήησλ. Γηα ηνλ κείθηε απηφλ ρξεζηκνπνηήζακε ηνλ hmc520lc4 [48] ηεο Hittite Microwave Corporation. O κείθηεο 5 ηνπ θπθιψκαηφο καο, δέρεηαη ζηελ LO είζνδφ ηνπ ηελ έμνδν ηνπ δεχηεξνπ SPDT δηαθφπηε ε νπνία κπνξεί λα είλαη κία εθ ησλ 6864,8448 θαη 10032 MHz ελψ ζηελ IF2 είζνδφ ηνπ ηελ έμνδν ηνπ ηέηαξηνπ δηαηξέηε ζηα 528 MHz. Η RF έμνδνο ηνπ κείθηε είλαη ζηα LO-IF2=(6864,8448,10032)-528=6336,7920,9504 MHz. Γηα ηνλ κείθηε απηφλ ρξεζηκνπνηήζακε ηνλ hmc520lc4 [48] ηεο Hittite Microwave Corporation. O κείθηεο 6 ηνπ θπθιψκαηφο καο, δέρεηαη ζηελ LO είζνδφ ηνπ ηελ έμνδν ηνπ πξψηνπ δηαηξέηε ζηα 4224 MHz ελψ ζηελ IF1 είζνδφ ηνπ ηελ έμνδν ηνπ ηέηαξηνπ δηαηξέηε ζηα 528 MHz. Η RF έμνδνο ηνπ κείθηε είλαη ζηα LO+IF1=4224+528=4752 MHz. Γηα ηνλ κείθηε απηφλ ρξεζηκνπνηήζακε ηνλ hmc620lc4 ηεο Hittite Microwave Corporation. Απφ [48] ηζρχεη πσο ην 74 frequency Range RF/LO=3-7GHz ελψ ην frequency Range IF=DC-3.5GHz. O κείθηεο 7 ηνπ θπθιψκαηφο καο, δέρεηαη ζηελ LO είζνδφ ηνπ ηελ έμνδν ηνπ πξψηνπ δηαηξέηε ζηα 4224 MHz ελψ ζηελ IF2 είζνδφ ηνπ ηελ έμνδν ηνπ ηέηαξηνπ δηαηξέηε ζηα 528 MHz. Η RF έμνδνο ηνπ κείθηε είλαη ζηα LO-IF2=4224-528=3696 MHz. Γηα ηνλ κείθηε απηφλ ρξεζηκνπνηήζακε ηνλ hmc620lc4 [54] ηεο Hittite Microwave Corporation. Λφγσ ηνπ φηη νη παξαπάλσ κείθηεο ηεο Hittite Microwave Corporation δελ ελζσκαηψλνπλ θαη quadrature hybrids είλαη αλαγθαία ε επηινγή ησλ θαηάιιεισλ πβξηδηθψλ πξνθεηκέλνπ νη κείθηεο λα δνπιέςνπλ ζε SSM ιεηηνπξγία φπσο απαηηεί ην ζχζηεκά καο. Γηα ηνλ ιφγν απηφ επηιέμακε ην quadrature hybrid QHZ-2A-528 [61] ηεο Merrimac Industries West Caldwell. Σν παξαπάλσ πβξηδηθφ ην ζπλδένπκε ζηνπο κείθηεο 4, 5, 6 θαη 7 ηνπ θπθιψκαηφο καο. ΢ηνπο κείθηεο 1,2 θαη 3 δελ ρξεηάδεηαη ε πξνζζήθε ηνπ, αθνχ ζηελ έμνδν ησλ κεηθηψλ απηψλ έρνπλ ηνπνζεηεζεί ηα θαηάιιεια θίιηξα πξνθεηκέλνπ λα απνκνλψζνπκε ηηο επηζπκεηέο ζπρλφηεηεο γηα ην ζχζηεκά καο. ΢ην ζρήκα 3.9 παξνπζηάδεηαη ν ηξφπνο πνπ ζπλδένπκε ην πβξηδηθφ ζε θάζε έλαλ απφ ηνπο κείθηεο 4, 5, 6 θαη 7 ηνπ ζπζηήκαηφο καο. ΢σήμα 3.9. ΢χλδεζε Hmc κείθηε κε ην πβξηδηθφ QHZ-2A-528. 75 3.2.5. Δνιζσςηέρ. Η επηινγή ησλ εληζρπηψλ έγηλε κε ζθνπφ λα κπνξνχλ λα νδεγήζνπλ ηνπο κείθηεο ηνπ θπθιψκαηφο καο. Κάζε κείθηεο πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε έρεη θάπνηεο απαηηήζεηο φζνλ αθνξά ηα επίπεδα ηζρχνο πνπ κπνξεί λα δερζεί ζηηο εηζφδνπο ηνπ. Αλαιπηηθφηεξα ηα επίπεδα ηζρχνο ζηνπο θφκβνπο ηνπ θπθιψκαηφο καο θαζψο θαη ν ξφινο ηνλ εληζρπηψλ ζε απηφ ζα ζπδεηεζνχλ ζηελ ελφηεηα 3.5. Ο πίλαθαο 3.5 παξνπζηάδεη ηνπο εληζρπηέο πνπ ρξεζηκνπνηήζακε απφ ηελ Hittite Microwave Corporation γηα ηνπο εληζρπηέο Α1, Α2, Α3, Α4, Α5 θαη Α6 πνπ θαίλνληαη ζην ζρήκα 3.4. Πίνακαρ 3.5. Δληζρπηέο πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ γηα ηελ θαηαζθεπή ηνπ ζπλζέηε ζπρλνηήησλ. Part number Function Freq(GHz) 1 hmc441lp3 Medium Power Amp 6.5 - 13.5 2 hmc311lp3 HBT Gain Block DC – 6 3 hmc311lp3 HBT Gain Block DC – 6 4 hmc451lc3 Medium Power Amp 5 – 20 5 hmc451lc3 Medium Power Amp 5 – 20 6 hmc311lp3 HBT Gain Block DC – 6 3.3.6. Single Pole Double Throw (SPDT) Γιακόπηερ. Η επηινγή ησλ δηαθνπηψλ έγηλε κε βάζε ηελ έθηαζε ζπρλνηήησλ (frequency range) πνπ κπνξνχλ λα δερζνχλ ζηελ είζνδφ ηνπο αιιά θαη ηνλ ρξφλν κεηαγσγήο (switching time) πξνθεηκέλνπ λα κπνξνχλ λα ηθαλνπνηήζνπλ ηελ απαίηεζε ηεο UWB ηερλνινγίαο γηα switching time < 9.7 ns. Γηα φινπο ηνπο δηαθφπηεο ηνπ θπθιψκαηφο καο επηιέρζεθε ν hmc347lp3 ηεο Hittite Microwave Corporation [48]. Ο δηαθφπηεο απηφο είλαη έλαο GaAs MESFET SPDT δηαθφπηεο ηνπ νπνίνπ ηα ειεθηξηθά ραξαθηεξηζηηθά παξνπζηάδνληαη ζηνλ πίλαθα 3.6. 76 Πίνακαρ 3.6. Ηιεθηξηθά ραξαθηεξηζηηθά ηνπ hmc347lp3 SPDT δηαθφπηε. Parameter Frequency Insertion Loss Min. Typ. Max. Units DC - 3.0 GHz 1.5 1.9 dB DC - 6.0 GHz 1.6 2.0 dB DC - 12.0 GHz 1.6 2.1 dB DC - 14.0 GHz 1.9 2.4 dB Return Loss DC - 3.0 GHz 49 53 dB “On State” DC - 6.0 GHz 41 46 dB DC - 12.0 GHz 39 44 dB DC - 14.0 GHz 33 38 dB Return Loss RF1, RF2 DC - 6.0 GHz 10 13 dB “Off State” DC - 14.0 GHz 8 13 dB Input Power for 1 dB DC - 6.0 GHz 7 10 dB Compression DC - 14.0 GHz 6 9 dB Input Power for 1 dB Compression 0.5 - 14.0 GHz 19 23 dBm Input Third Order Intercept 0.5 - 14.0 GHz 38 43 dBm 3 Ns 6 ns (Two-Tone Input Power= +7 dBm Each Tone) Switching Characteristics tRISE, tFALL (10/90% RF) DC - 14 GHz tON, tOFF (50% CTL to 10/90% RF) 3.3.7 Φίληπα. Όπσο θαίλεηαη ζην ζρήκα 3.4 ρξεζηκνπνηήζακε ηξία θίιηξα ζηηο εμφδνπο ησλ κεηθηψλ 1, 2 θαη 3 πξνθεηκέλνπ λα κεηψζνπκε ηελ ηζρχ ησλ αλεπηζχκεησλ ζεκάησλ. Σα θίιηξα πνπ επηιέμακε είλαη ην VHF-8400 (coaxial high pass filter) [56] ην VBFZ-6260+(coaxial band pass filter) [56] θαη ην BFCN-2900+ (surface mount) ηεο mini-circuits [58]. Η απφθξηζε ζπρλφηεηαο θαζψο θαη ην ζρεκαηηθφ ησλ ηξηψλ απηψλ θίιηξσλ θαίλνληαη ζηα ζρήκαηα 3.10, 3.11 θαη 3.12 αληίζηνηρα. 77 ΢σήμα 3.10. Απφθξηζε ζπρλφηεηαο θαη ζρεκαηηθφ ηνπ VHF-8400. ΢σήμα 3.11. Απφθξηζε ζπρλφηεηαο θαη ζρεκαηηθφ ηνπ VBFZ-6260+. ΢σήμα 3.12. Απφθξηζε ζπρλφηεηαο θαη ζρεκαηηθφ ηνπ BFCN-2900+. 78 3.3.8. Κπςζηαλλικόρ ηαλανηωηήρ και ενιζσςηήρ ηος θίληπος ηος βπόγσος κλειδωμένηρ θάζηρ . Ο θξπζηαιιηθφο ηαιαλησηήο πνπ επηιέμακε είλαη ν SE3448-ND (33MHz) ηεο Epson Toyocom Corporation [59] ελψ ν εληζρπηήο ηνπ θίιηξνπ ηνπ PLL είλαη ν THS4031DGN ηεο Texas Instruments [60]. ΢ηνλ πίλαθα 3.7 παξνπζηάδνληαη φια ηα εμαξηήκαηα πνπ απαξηίδνπλ ηνλ ζπλζέηε ζπρλνηήησλ, ελψ ζην παξάξηεκα Α παξνπζηάδεηαη ην δνκηθφ δηάγξακκα ηνπ ζρήκαηνο 3.4 αληηθαζηζηψληαο ζε απηφ ηα εμαξηήκαηα πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ, θαζψο θαη ε ηζρχο, ν ζφξπβνο θάζεο θαη νη ζπρλφηεηεο ζε θάζε θφκβν ηνπ θπθιψκαηφο καο. Πίνακαρ 3.7. Δμαξηήκαηα πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ γηα ηελ θαηαζθεπή ηνπ ζπλζέηε ζπρλνηήησλ. Part number Function Quantity hmc587lc4b Wideband VCO 1 Hittite hmc364s8g Divide-by-2 5 Hittite Phase-Freq. Detector Bit w/5-Bit Counter 1 Hittite Ths4031dgn Low-Noise High-Speed Amplifier 1 Texas Instruments Se3448-nd Crystal 33.0000MHz 18PF Cyl 1 Epson Toyocom hmc311lp3 HBT Gain Block 3 Hittite hmc451lc3 Medium Power Amp 2 Hittite hmc441lp3 Medium Power Amp 1 Hittite Hmc347lp3 SPDT, Hi Isolation 7 Hittite VHF-8400 coaxial high pass filter 1 Mini-Circuits 1 Mini-Circuits coaxial band pass filter 1 Mini-Circuits I/Q Mixer / IRM 1 Hittite hmc440qs16g BFCN-2900+ VBFZ-6260+ hmc340lp5 Surface mount band pass filter Manufacturer Hmc521lc4 I/Q Mixer / IRM 1 Hittite Hmc520lc4 I/Q Mixer / IRM 3 Hittite Hmc620lc4 I/Q Mixer / IRM 2 Hittite 90o power divider 4 Merrimac QHZ-2A-528 79 3.3. ΢σεδιαζμόρ ηος βπόσος κλειδωμένηρ θάζηρ . Σν δνκηθφ δηάγξακκα ηνπ βξφρνπ θιεηδσκέλεο θάζεο πνπ ζα ρξεζηκνπνηήζακε θαίλεηαη ζην ζρήκα 3.13. Σν ζήκα αλαθνξάο ηνπ θξπζηαιιηθνχ ηαιαλησηή, 𝑓𝑟𝑒𝑓 ηζνχηαη κε 33MHz, ελψ ην VCO επηζπκνχκε λα θιεηδψλεη ζηελ ζπρλφηεηα ησλ 8448 MHz. Υξεζηκνπνηνχκε ζε ζεηξά ηέζζεξηο δηαηξέηεο κε ην δχν πξνθεηκέλνπ λα πάξνπκε ηηο ζπρλφηεηεο 4224, 2112, 1056 θαη 528 MHz. Γηα Integer-N ζπλζέηε ζπρλνηήησλ ηζρχεη ε ζρέζε 3.3. 𝑓𝑜𝑢𝑡 = 𝑁𝑓𝑖𝑛 3.3 Απφ ηελ παξαπάλσ ζρέζε πξνθχπηεη 𝛮 = 𝑓𝑜𝑢𝑡 /𝑓𝑖𝑛 =8448/33=256. ΢πλεπψο ν ζπλνιηθφο αξηζκφο δηαίξεζεο ηνπ ζπλζέηε ζπρλνηήησλ πξέπεη λα είλαη 256. Έζησ x ν αθέξαηνο αξηζκφο δηαίξεζεο ηνπ ζπλζέηε. Όπσο αλαθέξζεθε ζηελ ελφηεηα 3.2.3 ν PFD πνπ ρξεζηκνπνηήζακε είλαη ν hmc440qs16g o νπνίνο φκσο ελζσκαηψλεη θαη έλαλ κεηξεηή γηα δηαίξεζε κε ην 2 έσο 32. ΢χκθσλα κε ηα παξαπάλσ ν ζπλνιηθφο αξηζκφο δηαίξεζεο ζα είλαη 2 ∙ 2 ∙ 2 ∙ 2 ∙ 𝑥 = 16 ∙ 𝑥. Γηα ηηο αλάγθεο φκσο ηνπ θπθιψκαηφο καο πξέπεη απηφο ν αξηζκφο λα ηζνχηαη κε ην 256. ΢πλεπψο πξνγξακκαηίζακε ηνλ hmc440qs16g λα δηαηξεί κε ηνλ αθέξαην αξηζκφ 256/16 = 16. Crystal Oscillator PFD LPF VCO 33 MHz 8448 MHz /16 528 MHz 1056 MHz /2 2112 MHz /2 4224 MHz /2 /2 ΢σήμα 3.13. Block δηάγξακκα ηνπ Phase locked loop πνπ ρξεζηκνπνηήζακε. 80 3.3.1. Δπιλογή ηος καηάλληλος θίληπος ηος βπόσος κλειδωμένηρ θάζηρ. ΢ε πεξηπηψζεηο πνπ ζέινπκε απμεκέλε ηάζε ζπληνληζκνχ (tuning voltage) γηα ην VCO ε ρξεζηκνπνίεζε ελφο active loop filter είλαη ηδαληθή [62]. ΢πγθεθξηκέλα ρξεζηκνπνηήζακε ην differential type II op-amp loop filter πνπ θαίλεηαη ζην ζρήκα 3.14. Δπηιέγνληαο ην θίιηξν απηφ πξνζπεξλάκε ηελ αλάγθε ρξεζηκνπνίεζεο charge pump. Η ηνπνινγία απηή παίξλεη ζαλ εηζφδνπο ηηο δηαθνξηθέο εμφδνπο 𝑁𝑈 θαη 𝑁𝐷 ηνπ αληρλεπηή θάζεο ζπρλφηεηαο. Πξνθεηκέλνπ λα αλαιχζνπκε ην θίιηξν απηφ θαη λα βξνχκε ηελ ζπλάξηεζε κεηαθνξάο ηνπ, ην θχθισκα ηνπ ζρήκαηνο 3.14 απινπνηείηαη παίξλνληαο ηε κνξθή ηνπ θπθιψκαηνο ηνπ ζρήκαηνο 3.15. R2 C Vcc R1 - NU 0V + Cc R1 ND R2 C ΢σήμα 3.14. Differential type II op-amp loop filter. i2 C2 i1 R2 Vcc R1 Vin1 + Vo ΢σήμα 3.15. Απινπνηεκέλν θχθισκα ηνπ differential type II op-amp loop filter. 81 Γηα ην απινπνηεκέλν θχθισκα ηνπ ζρήκαηνο 3.15 ηζρχεη: 𝑖1 = 𝑖2 𝑉𝑖𝑛 − 0 0 − 𝑉𝑜 = 1 𝑅1 𝑅2 + 𝑠𝐶 𝑉𝑜 𝑠𝐶𝑅2 + 1 =− 𝑉𝑖𝑛 𝑠𝐶𝑅1 3.4 θαη ζέηνληαο 𝜏1 = 𝐶𝑅1 θαη 𝜏2 = 𝐶𝑅2 πξνθχπηεη απφ ηελ ζρέζε 3.4 ε ζπλάξηεζε κεηαθνξάο ηνπ θίιηξνπ: 𝐹 𝑠 = 𝑉𝑜 1 + 𝑠𝜏2 = 𝑉𝑖𝑛 𝑠𝜏1 3.5 Η ζπλάξηεζε κεηαθνξάο αλνηρηνχ βξφρνπ ηνπ pll δίλεηαη απφ ηελ παξαθάησ ζρέζε. 𝐺 𝑠 = 𝐾𝐹(𝑠) 𝑠 3.6 φπνπ ην Κ δίλεηαη απφ ηελ ζρέζε 3.7 𝐾= 𝐾𝑃𝐷 𝐾𝑉𝐶𝑂 N 3.7 82 Γηα ηελ ζπλάξηεζε κεηαθνξάο θιεηζηνχ βξφρνπ H(s) ηζρχεη: 𝐻 𝑠 = 𝐺(𝑠) 1 + 𝐺(𝑠) 3.8 θαη ιφγσ ηεο 3.5 θαη ηεο 3.6 ε ζρέζε 3.8 γίλεηαη: 𝐻 𝑠 = 𝐺 𝑠 1+𝐺 𝑠 𝐻 𝑠 = 𝐾𝐹 𝑠 𝑠 + 𝐾𝐹 𝑠 3.6 3.5 𝐾𝑠𝜏2 𝐾 𝜏1 + 𝜏1 𝐻 𝑠 = 𝐾𝜏 𝐾 𝑠2 + 𝑠 𝜏 2 + 𝜏 1 1 3.9 Η γεληθή εμίζσζε ζπλάξηεζεο κεηαθνξάο γηα βξφρν θιεηδσκέλεο θάζεο ηχπνπ-II θαη δεπηέξνπ βαζκνχ δίλεηαη απφ ηελ εμίζσζε 3.10 [65]. 𝐻 𝑠 = 2𝑠𝜁𝜔𝑛 + 𝜔𝑛 2 𝑠 2 + 2𝑠𝜁𝜔𝑛 + 𝜔𝑛 2 3.10 Δμηζψλνληαο ηηο ζρέζεηο 3.9 θαη 3.10 ππνινγίδνπκε ηε θπζηθή ζπρλφηεηα θαη ηε ζηαζεξά απφζβεζεο ηνπ θίιηξνπ, 83 𝐾 𝜏1 3.11 𝜏2 𝐾 2 𝜏1 3.12 𝜔𝑛 = 𝜁= Η ζπρλφηεηα απνθνπήο , 𝜔𝑐 , είλαη ε ζπρλφηεηα ζηελ νπνία ην κέηξν ηεο ζπλάξηεζεο κεηαθνξάο αλνηρηνχ βξφρνπ ηζνχηαη κε ηελ κνλάδα ή 0 dB. 𝐺 𝑠 3.6 =1 𝐾2 𝐹 𝑗𝜔𝑐 𝜔𝑐 2 2 =1 3.13 Απφ 3.5 ηζρχεη 𝐹 𝑠 = 1 + 𝑠𝜏2 𝑠𝜏1 2 𝐹 𝑗𝜔𝑐 𝜏2 = 𝜏1 𝑠=𝑗 𝜔 𝑐 2 1 + 𝜔𝑐 𝜏1 2 3.14 ΢πλδπάδνληαο ηηο ζρέζεηο 3.13 θαη 3.14 πξνθχπηεη : 𝐾2 𝐹 𝑗𝜔𝑐 𝜔𝑐 2 𝐾2 2 =1 3.14 𝜏2 2 1 2 + 𝐾2 2 = 𝜔𝑐 2 2 𝜏1 𝜔𝑐 𝜏1 84 𝐾 4 𝜏1 3.11 𝐾 𝜏2 2 𝐾2 1 3.12 + = 𝜔𝑐 2 2 2 𝜏1 4 𝜏1 𝜔𝑐 4𝜔𝑛 2 𝜁 2 + 𝜔𝑛 4 1 = 𝜔𝑐 2 𝜔𝑐 2 𝜔𝑐 4 − (4𝜔𝑛 2 𝜁 2 )𝜔𝑐 2 − 𝜔𝑐 4 = 0 θαη ηειηθά πξνθχπηεη γηα ηελ ζπρλφηεηα απνθνπήο: 𝜔𝑐 = 𝜔𝑛 2𝜁 2 + 4𝜁 2 + 1 3.15 ΢χκθσλα κε [63] ην εχξνο δψλεο ηνπ βξφρνπ δίλεηαη απφ 𝛣3𝑑𝐵 = 𝜔𝑛 2𝜁 2 + 1 + (2𝜁 2 + 1)2 + 1 2𝜋 3.16 Σν ζθάικα θάζεο έρεη σο απνηέιεζκα ηελ δεκηνπξγία παικψλ κεγάινπ πιάηνπο θαη κηθξήο δηάξθεηαο ζηελ έμνδν ηνπ PFD. Σα ζήκαηα απηά κπνξνχλ λα πξνθαιέζνπλ κε γξακκηθφ θνξεζκφ ζηνλ εληζρπηή ηνπ θίιηξνπ κεηψλνληαο ην gain bandwidth ηνπ. Σν θαηλφκελν απηφ είλαη αλεπηζχκεην ζε επξείαο δψλεο PLLs. Μία ιχζε είλαη λα θηιηξάξνπκε ηνπο παικνχο απηνχο πξηλ θηάζνπλ ζηνλ εληζρπηή ρξεζηκνπνηψληαο έλα RC θίιηξν πνπ απνηειείηαη απφ κία αληίζηαζε πνπ ηζνχηαη κε (R1)/2 θαη έλαλ ππθλσηή Cc. ΢χκθσλα κε ηα παξαπάλσ ην θίιηξν ηνπ ζρήκαηνο 3.14 παίξλεη ηελ κνξθή ηνπ ζρήκαηνο 3.16. Απφ [64] ε ηηκή ηνπ ππθλσηή Cc ππνινγίδεηαη απφ ηελ αθφινπζε ζρέζε. 85 𝐶𝑐 = 4 10𝜔𝑛 𝑅1 3.17 R2 C Vcc R1/2 R1/2 - NU + Cc ND R1/2 R1/2 Cc R2 C ΢σήμα 3.16. Σειηθή κνξθή ηνπ θίιηξνπ ηνπ PLL. ΢χκθσλα κε [65] ην εχξνο δψλεο ηνπ βξφρνπ επηιέγεηαη απφ ην ζεκείν ηνκήο ηεο γξαθηθήο παξάζηαζεο ηνπ phase noise ηνπ VCO κε απηήλ ηνπ θξπζηαιιηθνχ ηαιαλησηή πνιιαπιαζηαζκέλε ζηα 8448 MHz. Η επηινγή απηή καο εμαζθαιίδεη ηνλ ειάρηζην ζφξπβν θάζεο πνπ κπνξνχκε λα πεηχρνπκε γηα ην ζχζηεκά καο. Απφ εμνκνίσζε πνπ έγηλε ζην Advanced Design System (ADS) πήξακε ηελ γξαθηθή παξάζηαζε γηα ηνλ ζφξπβν θάζεο ηνπ VCO θαη ηνπ θξπζηαιιηθνχ ηαιαλησηή (ζρήκα 3.17). 86 80 time=100.0000msec 60 PhaseNoise_hmc587Lc4b PhaseNoise_Cr_Oscillator_33MHz PhaseNoise_Cr_Oscillator_Up_To_8448MHz PhaseNoise_hmc587Lc4b 40 PhaseNoise_Cr_Oscillator_Up_To_8448MHz 20 PhaseNoise_Cr_Oscillator_33MHz 0 -20 -40 -60 -80 -100 -120 -140 -160 1E2 1E3 1E4 1E5 1E6 1E7 noisef req, Hz ΢σήμα 3.17. Θφξπβνο θάζεο ηνπ VCO, ηνπ θξπζηαιιηθνχ ηαιαλησηή πνιιαπιαζηαζκέλν ζηα 8448MHz θαη ηνπ θξπζηαιιηθνχ ηαιαλησηή ζηα 33MHz. Παξαηεξνχκε πσο ν ζφξπβνο θάζεο ηνπ θξπζηαιιηθνχ ηαιαλησηή πνιιαπιαζηαζκέλνο ζηα 8448MHz πξνθχπηεη πξνζζέηνληαο ηνλ ζφξπβν θάζεο ηνπ θξπζηαιιηθνχ ηαιαλησηή ζηα 33MHz κε ην 20 log 𝑁 φπνπ Ν=256. ΢χκθσλα κε ηα παξαπάλσ ην εχξνο δψλεο επηιέγεηαη ζηα 180 KHz, φπνπ είλαη ην ζεκείν ηνκήο φπσο θαίλεηαη απφ ην ζρήκα 3.17. Η ζηαζεξά απφζβεζεο δ, είλαη έλα κέηξν ηεο ζηαζεξφηεηαο ηνπ pll θαη κπνξεί λα επεξεάζεη ην settling time ηνπ βξφρνπ. Γηα ην ζχζηεκά καο δελ ππάξρεη απαίηεζε γηα κηθξφ settling time (εμαξηάηαη κφλν απφ ην switching time ηνπ ηειεπηαίνπ δηαθφπηε) θαη σο εθ ηνχηνπ ε ζηαζεξά απφζβεζεο επηιέγεηαη λα είλαη ίζε κε έλα γηα λα απνθεπρζνχλ ηπρφλ πξνβιήκαηα ζηαζεξφηεηαο. ΢πλεπψο νη αξρηθέο παξάκεηξνη γηα ηνλ ππνινγηζκφ φισλ ησλ ζηνηρείσλ ηνπ βξφγρνπ επηιέγνληαη λα είλαη, 𝛣3𝑑𝐵 = 180 𝐾𝐻𝑧 θαη 𝜁 = 1. Η ζηαζεξά 𝐾𝑉𝐶𝑂 πνπ αληηπξνζσπεχεη ηελ επαηζζεζία (θέξδνο) δηακφξθσζεο (modulation sensitivity) ηνπ VCO ππνινγίδεηαη απφ ηελ θιίζε ηεο γξαθηθήο παξάζηαζεο ηνπ ζρήκαηνο 3.18. 87 ΢σήμα 3.18. ΢πρλφηεηα ζπλαξηήζεη ηεο ηάζεο ζπληνληζκνχ γηα ην hmc587lc4b VCO. Τπνινγίδνπκε ηελ ζηαζεξά 𝐾𝑉𝐶𝑂 , ζηα ζεκεία φπνπ ε ζρέζε αλάκεζα ζηελ ζπρλφηεηα εμφδνπ θαη ζηελ ηάζε ζπληνληζκνχ ηνπ VCO είλαη γξακκηθή. 𝐾𝑉𝐶𝑂 𝑓𝑚𝑎𝑥 − 𝑓𝑚𝑖𝑛 (9 − 7.55) · 109 = · 2𝜋 = · 2𝜋 = 2276 · 106 𝑉𝑚𝑎𝑥 − 𝑉𝑚𝑖𝑛 10 − 6 𝑟𝑎𝑑 𝑠 𝑣 3.18 ΢ηελ ζπλέρεηα πξέπεη λα ππνινγίζνπκε ηελ επαηζζεζία (θέξδνο) ηνπ PFD, 𝐾𝑃𝐷 . Απφ [48] γλσξίδνπκε πσο 𝑉𝑂𝐻 = 5𝑉 θαη 𝑉𝑂𝐿 = 3𝑉 φπνπ 𝑉𝑂𝐻 θαη 𝑉𝑂𝐿 είλαη ηα επίπεδα ησλ ηάζεσλ ζηηο εμφδνπο ηνπ PFD. Απφ [64] γλσξίδνπκε πσο ε επαηζζεζία ηνπ PFD δίλεηαη απφ ηελ παξαθάησ ζρέζε, 𝐾𝑃𝐷 = 𝑉𝑂𝐻 − 𝑉𝑂𝐿 5 − 3 𝑉 = = 0.318 2𝜋 2𝜋 𝑟𝑎𝑑 3.19 Απφ ηε ζρέζε 3.7: 88 𝐾𝑃𝐷 𝐾𝑉𝐶𝑂 0.318 · 2276 · 106 𝐾= = = 2827218.75 N 256 3.20 Μπνξνχκε λα ππνινγίζνπκε ηελ θπζηθή ζπρλφηεηα ηνπ βξφρνπ 𝜔𝑛 , απφ ηελ ζρέζε 3.16 2𝜋 · 𝛣3𝑑𝐵 𝜔𝑛 = 2𝜁 2 + 1 + (2𝜁 2 + 1)2 + 1 = 2𝜋 · 180 · 103 2+1+ 9+1 = 455366.961 𝑟𝑎𝑑 𝑠 3.21 Σψξα απφ ηηο ζρέζεηο 3.11 θαη 3.12 κπνξνχκε λα ππνινγίζνπκε ηηο ζηαζεξέο ρξφλνπ 𝜏1 θαη 𝜏2 . 𝜏1 = 𝐾 2827218.75 = = 13.63441 𝜇𝑠 2 𝜔𝑛 455366.9612 3.22 𝜏2 = 2𝜁 2 = = 4.392 𝜇𝑠 𝜔𝑛 455366.961 3.23 Δπηιέγνληαο 𝑅1 = 400 θαη γλσξίδνληαο πσο 𝜏1 = 𝐶𝑅1 θαη 𝜏1 = 𝐶𝑅2 κπνξνχκε λα ππνινγίζνπκε ηηο ηηκέο C θαη 𝑅2 . 𝐶= 𝜏1 13.63441 · 10−6 = = 34 𝑛𝐹 𝑅1 400 𝑅2 = 𝜏2 4.392 · 10−6 = = 129 𝛺 𝐶 34 · 10−9 3.24 3.25 Σέινο ρξεζηκνπνηψληαο ηε ζρέζε 3.17 ππνινγίδνπκε ηελ ηηκή 𝐶𝐶 . 89 𝐶𝑐 = 4 4 = = 2190 𝑝𝐹 10𝜔𝑛 𝑅1 10 · 455366.961 · 400 3.26 ΢πλεπψο νη ηηκέο φισλ ησλ ζηνηρείσλ ηνπ θίιηξνπ πνπ ππνινγίζηεθαλ ζχκθσλα κε ηελ παξαπάλσ αλάιπζε είλαη νη παξαθάησ, 𝑅1/2 = 200 𝛺 , 𝑅2 = 129 𝛺, 𝐶 = 34 𝑛𝐹 και 𝐶𝑐 = 2190𝑝𝐹 Λακβάλνληαο ππφςε φιεο ηηο παξαπάλσ ηηκέο θαη εμνκνηψλνληαο ζην πξφγξακκα Advanced Design System ηνλ βξφρν θιεηδσκέλεο θάζεο πξνθχπηνπλ ηα δηαγξάκκαηα απφθξηζεο πιάηνπο θαη θάζεο αλνηθηνχ θαη θιεηζηνχ βξφρνπ ηνπ PLL πνπ θαίλνληαη ζηα ζρήκαηα 3.19 θαη 3.20 αληίζηνηρα. Open and Closed Loop Amplitude Responses 200.00 dB(Vout_Open_Lp) dB(Vout_Closed_Lp) 150.00 100.00 50.000 0.00000 -50.000 -100.00 1.000 10.00 100.0 1.000k 10.00k 100.0k 1.000M 10.00M freq, Hz ΢σήμα 3.19. Απφθξηζε πιάηνπο αλνηρηνχ θαη θιεηζηνχ βξφρνπ. 90 Open and Closed Loop Phase Responses 200.0 phase(Vout_Open_Lp) phase(Vout_Closed_Lp) 150.0 100.0 50.00 0.0000 -50.00 -100.0 -150.0 -200.0 1.000 10.00 100.0 1.000k 10.00k 100.0k 1.000M 10.00M freq, Hz ΢σήμα 3.20. Απφθξηζε θάζεο αλνηρηνχ θαη θιεηζηνχ βξφρνπ. Απφ εμνκνίσζε πνπ έγηλε πάιη ζην ADS ιάβακε ηελ απφθξηζε ηεο ηάζεο εηζφδνπ ηνπ VCO ζπλαξηήζεη ηνπ ρξφλνπ. Όπσο θαίλεηαη ζην ζρήκα 3.21 ην PLL θιεηδψλεη ζε ρξφλν 𝑡 ≈ 8 𝜇𝑠. 0.02 m1 real(vtune[0]) 0.00 m1 time=8.000usec real(vtune[0])=0.001 -0.02 -0.04 -0.06 0 2 4 6 8 10 12 14 16 time, usec ΢σήμα 3.21. Σάζε ζπληνληζκνχ (Vtune) ηνπ VCO ζπλαξηήζεη ηνπ ρξφλνπ. 91 Σν θάζκα εμφδνπ ηνπ VCO θαίλεηαη ζην ζρήκα 3.22. Παξαηεξνχκε πσο παξνπζηάδεηαη κία ηζρπξή ζπληζηψζα ζηε ζπρλφηεηα 8448 MHz ελψ παξνπζηάδνληαη θαη spurious ζήκαηα ζηηο ζπρλφηεηεο 8448 ± 𝑛 · 33𝑀𝐻𝑧 (𝑛 = 1,2, . . ) φπνπ 33 MHz είλαη ε ζπρλφηεηα ηνπ θξπζηαιιηθνχ dBm(fs(var("8448")[1],,,,,"Kaiser")) ηαιαλησηή ηνπ ζπζηήκαηφο καο. 0 -50 -100 -150 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 freq, MHz ΢σήμα 3.22. Φάζκα ηεο εμφδνπ ηνπ ηαιαλησηή ειεγρφκελνπ απφ ηάζε. 92 3.4. Τπολογιζμόρ ηηρ ιζσύορ ζηην έξοδο ηος κςκλώμαηόρ μαρ. Όπσο έρεη πξναλαθεξζεί ε έμνδνο ηνπ VCO ηνπ θπθιψκαηφο καο είλαη ζηε ζπρλφηεηα 8448 MHz. ΢ην 3.23 παξνπζηάδεηαη ε απφθξηζε ηεο ηζρχνο εμφδνπ ηνπ VCO hmc587lc4b ζπλαξηήζεη ηεο ηάζεο πνπ εθαξκφδεηαη ζηελ είζνδφ ηνπ. ΢σήμα 3.23. Απφθξηζε ηεο ηζρχνο εμφδνπ ηνπ VCO (hmc587lc4b) ζπλαξηήζεη ηεο ηάζεο εηζφδνπ ηνπ. Απφ ην παξαπάλσ ζρήκα παξαηεξνχκε πσο φηαλ ε ηάζε (Vtune) ζηελ είζνδν ηνπ VCO είλαη 0 Volt, ηφηε ε ηζρχο εμφδνπ ηνπ VCO είλαη 5dBm. ΢πλεπψο ην ζήκα ζηελ έμνδν ηνπ VCO είλαη ζπρλφηεηαο 8448 MHz θαη ηζρχνο 5dBm. Σν ζήκα απηφ εθαξκφδεηαη ζηελ είζνδν ηνπ πξψηνπ δηαηξέηε (/2) ηεο αιπζίδαο ηνπ pll, hmc364s8g(1). Ο δηαηξέηεο απηφο κπνξεί λα δερζεί ζηελ είζνδφ ηνπ ζήκαηα ζπρλφηεηαο απφ DC έσο 12.5 GHz θαη ηζρχνο απφ -15 έσο 10 dBm. ΢ην ζρήκα 3.24 παξνπζηάδεηαη ε απφθξηζε ηεο ηζρχνο εμφδνπ ηνπ ζπλαξηήζεη ηεο ζπρλφηεηαο ζηελ είζνδφ ηνπ. Παξαηεξνχκε πσο γηα ζήκα εηζφδνπ ζπρλφηεηαο 8448 MHz ε ηζρχο ζηελ έμνδφ ηνπ είλαη 3dBm. ΢πλεπψο ην ζήκα ζηελ έμνδν ηνπ πξψηνπ δηαηξέηε είλαη ζπρλφηεηαο 4224 MHz θαη ηζρχνο 3dBm. Σν ζήκα απηφ εθαξκφδεηαη ζηελ είζνδν ηνπ δεχηεξνπ δηαηξέηε (/2) ηεο αιπζίδαο ηνπ PLL. 93 ΢σήμα 3.24. Απφθξηζε ηεο ηζρχνο εμφδνπ ηνπ δηαηξέηε ζπρλφηεηαο (hmc364s8g) ζπλαξηήζεη ηεο ζπρλφηεηαο εηζφδνπ ηνπ. Απφ ην ζρήκα 3.24 παξαηεξνχκε πσο γηα ζήκα εηζφδνπ ζπρλφηεηαο 4224 MHz ε ηζρχο ηνπ ζήκαηνο ζηελ έμνδφ ηνπ είλαη 5.5 dBm. ΢πλεπψο ην ζήκα ζηελ έμνδν ηνπ δεχηεξνπ δηαηξέηε είλαη ζπρλφηεηαο 2112 MHz θαη ηζρχνο 5.5 dBm. Σν ζήκα απηφ εθαξκφδεηαη ζηελ είζνδν ηνπ ηξίηνπ δηαηξέηε ηεο αιπζίδαο ηνπ PLL. Απφ ην ζρήκα 3.24 παξαηεξνχκε πσο γηα ζήκα εηζφδνπ ζπρλφηεηαο 2112 MHz ε ηζρχο ηνπ ζήκαηνο ζηελ έμνδφ ηνπ είλαη 6dBm. Άξα ην ζήκα ζηελ έμνδν ηνπ ηξίηνπ δηαηξέηε ζα είλαη ζπρλφηεηαο 1056 MHz θαη ηζρχνο 6 dBm. Σέινο ην ζήκα απηφ εθαξκφδεηαη ζηελ είζνδν ηνπ ηέηαξηνπ δηαηξέηε φπνπ πάιη απφ ην ζρήκα 3.24 παξαηεξνχκε πσο γηα ζπρλφηεηα εηζφδνπ 1056 MHz ην ζήκα ζηελ έμνδν ηνπ ηέηαξηνπ δηαηξέηε ζα είλαη ζπρλφηεηαο 528 MHz θαη ηζρχνο 6.5 dBm. Απφ εμνκνίσζε πνπ έγηλε ζην ADS πήξακε ην δηάγξακκα ηνπ ζρήκαηνο 3.25 φπνπ θαίλνληαη νη ζπρλφηεηεο θαη ηα επίπεδα ηζρχνο ησλ ζεκάησλ ζηηο εμφδνπο ηνπ VCO θαη ησλ ηεζζάξσλ δηαηξεηψλ. 94 m1 freq= 528.0MHz dBm(Hmc364s8g_4_out)=6.499 dBm(Hmc587lc3b_out) dBm(Hmc364s8g_4_out) dBm(Hmc364s8g_3_out) dBm(Hmc364s8g_2_out) dBm(Hmc364s8g_1_out) 8 m1 m2 6 m3 m2 freq= 1.056GHz dBm(Hmc364s8g_3_out)=5.999 m5 m3 freq=2.112GHz dBm(Hmc364s8g_2_out)=5.500 m4 4 2 m4 freq=4.224GHz dBm(Hmc364s8g_1_out)=3.008 0 0 2 4 6 8 10 11 freq, GHz m5 freq= 8.448GHz dBm(Hmc587lc3b_out)=5.001 ΢σήμα 3.25. ΢πρλφηεηεο θαη επίπεδα ηζρχνο ησλ ζεκάησλ ζηηο εμφδνπο ηνπ PLL. Όπσο θαίλεηαη ζην ζρήκα Α1 ε έμνδνο ηνπ δεχηεξνπ δηαηξέηε ζπρλφηεηαο 2112 MHz θαη ηζρχνο 5.5dBm πξηλ νδεγεζεί ζηελ LO είζνδν ηνπ hmc340lp5 κείθηε εθαξκφδεηαη ζαλ είζνδνο ζηνλ hmc311lp3(2) εληζρπηή. Απηφ ζπκβαίλεη πξνθεηκέλνπ λα εμαζθαιίζνπκε θαιή ιεηηνπξγία ηνπ hmc340lp5 δεδνκέλνπ φηη απηή επηηπγράλεηαη γηα επίπεδα ηζρχνο ζηελ LO είζνδφ ηνπ θνληά ζηα 15dBm. Απφ εμνκνίσζε πνπ έγηλε ζην ADS πήξακε ηηο S-parameters γηα ηνλ εληζρπηή hmc340lp5 πνπ θαίλνληαη ζην ζρήκα 3.26. 20 m1 m1 freq=2.112GHz dB(S(2,1))=14.554 m2 freq=4.224GHz dB(S(2,1))=14.048 m3 freq=3.696GHz dB(S(2,1))=14.201 m4 freq=4.752GHz dB(S(2,1))=13.968 m3 m2 m4 dB(S(2,1)) dB(S(2,2)) dB(S(1,1)) 10 0 -10 -20 -30 0 2 4 6 8 10 freq, GHz ΢σήμα 3.26. S-parameters ηνπ εληζρπηή hmc311lp3. 95 Απφ ην ζρήκα 3.26 πξνθχπηεη πσο ην θέξδνο ηνπ εληζρπηή γηα ζπρλφηεηα εηζφδνπ 2112 MHz είλαη 14.554 dB. ΢πλεπψο ε αλακελφκελε ηηκή ηζρχνο ζηελ έμνδφ ηνπ ζα είλαη 𝑃 = 14.554 + 5.5 = 20.054 𝑑𝐵𝑚. Η ηηκή απηή φκσο δελ είλαη ε πξαγκαηηθή δεδνκέλνπ πσο ε ηζρχο θνξεζκνχ 𝑃𝑠𝑎𝑡 ηνπ hmc311lp3 ζηελ ζπρλφηεηα ησλ 2112 MHz είλαη 16.5dBm. ΢πλεπψο ε έμνδνο ηνπ εληζρπηή άξα θαη ε LO είζνδνο ηνπ κείθηε ζα είλαη ζήκα ζπρλφηεηαο 2112 MHz θαη ηζρχνο 16.5 dBm. H IF είζνδνο ηνπ κείθηε ηξνθνδνηείηαη απφ ηελ έμνδν ηνπ ηξίηνπ δηαηξέηε φπνπ είλαη ζήκα ζπρλφηεηαο 1056 MHz θαη ηζρχνο 6dBm. Σν δηάγξακκα ηνπ θέξδνπο κεηαηξνπήο (conversion gain) ζπλαξηήζεη ηεο ζπρλφηεηαο ηεο RF εηζφδνπ δίλεηαη ζην ζρήκα 3.27. ΢σήμα 3.27. Κέξδνο κεηαηξνπήο ζπλαξηήζεη ηεο ζπρλφηεηαο ζηελ είζνδν IF ηνπ hmc340lp5. Απφ ην παξαπάλσ δηάγξακκα παξαηεξνχκε πσο γηα ζήκα RF ζπρλφηεηαο 3168 MHz (1056+2112),νη απψιεηεο κεηαηξνπήο (conversion loss) είλαη -7.5dB. ΢πλεπψο ζηελ έμνδν ηνπ hmc340lp5 κίθηε ζα έρνπκε ζήκα ζπρλφηεηαο 3168 MHz (1056 + 2112) θαη ηζρχνο -1.5dBm (67.5). Σν ζήκα απηφ πξηλ νδεγεζεί ζηνλ hmc364s8g divider πεξλάεη απφ ην θίιηξν BFCN-2900+ πξνθεηκέλνπ λα απνθνπνχλ νη αλεπηζχκεηεο ζπρλφηεηεο. Απφ εμνκνίσζε ζην ADS πήξακε ην δηάγξακκα 3.28 φπνπ παξνπζηάδεηαη ην insertion loss ζπλαξηήζεη ηεο ζπρλφηεηαο εηζφδνπ γηα ην 96 band-pass θίιηξν BFCN-2900+. Γηα ζπρλφηεηα εηζφδνπ 3168 MHz νη απψιεηεο εηζαγσγήο (insertion loss) ηνπ θίιηξνπ είλαη -1.538 dB. ΢πλεπψο ην ζήκα ζηελ έμνδν ηνπ θίιηξνπ ζα είλαη ζπρλφηεηαο 3168 MHz θαη ηζρχνο -3.038dBm (-1.5-1.538). m1 0 dB(S(2,1)) -20 -40 m1 freq=3.168GHz dB(S(2,1))=-1.538 -60 -80 -100 -120 0 1 2 3 4 5 freq, GHz ΢σήμα 3.28. Insertion loss ζπλαξηήζεη ηεο ζπρλφηεηαο εηζφδνπ γηα ην BPF BFCN-2900+. Όπσο θαίλεηαη απφ ην ζρήκα Α1 ην ζήκα απηφ εθαξκφδεηαη ζηελ είζνδν ηνπ hmc364s8g(5) divider (/2). Απφ ην ζρήκα 3.24 παξαηεξνχκε πσο γηα ζήκα εηζφδνπ ζπρλφηεηαο 3168 MHz, ε ηζρχο ηνπ ζήκαηνο ζηελ έμνδφ ηνπ είλαη 5.5 dBm. ΢πλεπψο ζηελ έμνδν ηνπ hmc364s8g(5) divider έρνπκε ζήκα ζπρλφηεηαο 1584 MHz θαη ηζρχνο 5.5 dBm. Σν ζήκα απηφ εθαξκφδεηαη ζηηο IF εηζφδνπο ησλ κεηθηψλ hmc520lc4(1) θαη hmc521lc4. H LO είζνδνο ησλ κηθηψλ απηψλ είλαη ε έμνδνο ηνπ VCO ζηα 8448 MHz εληζρπκέλε φκσο απφ ηνλ hmc441lp3 πξνθεηκέλνπ λα δηαζθαιηζηεί ε θαιή ιεηηνπξγία ησλ κηθηψλ πνπ απαηηνχλ επίπεδα ηζρχνο ζηελ LO είζνδφ ηνπο θνληά ζηα 17 dBm. Απφ εμνκνίσζε πνπ έγηλε ζην ADS πήξακε ηηο S-parameters γηα ηνλ εληζρπηή hmc441lp3 πνπ θαίλνληαη ζην ζρήκα 3.29. 97 20 m1 15 10 m1 freq=8.448GHz dB(S(2,1))=14.612 dB(S(2,2)) dB(S(2,1)) dB(S(1,1)) 5 0 dB(S(1,1)) dB(S(2,1)) dB(S(2,2)) -5 -10 -15 -20 -25 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 freq, GHz ΢σήμα 3.29. S-parameters ηνπ εληζρπηή hmc441lp3. Απφ ην ζρήκα 3.29 πξνθχπηεη πσο ην θέξδνο ηνπ εληζρπηή γηα ζπρλφηεηα εηζφδνπ 8448 MHz είλαη 14.612 dB. ΢πλεπψο ε αλακελφκελε ηηκή ηζρχνο ζηελ έμνδφ ηνπ ζα είλαη 𝑃 = 14.612 + 5 = 19.612 𝑑𝐵𝑚. Η ηηκή απηή φκσο δελ είλαη ε πξαγκαηηθή δεδνκέλνπ πσο ε 𝑃𝑠𝑎𝑡 ηνπ hmc441lp3 ζηελ ζπρλφηεηα ησλ 8448 MHz είλαη 19dBm. ΢πλεπψο ε έμνδνο ηνπ εληζρπηή άξα θαη ε LO είζνδνο ηνπ κηθηψλ hmc520lc4 θαη hmc521lc4 ζα είλαη ζήκα ζπρλφηεηαο 8448 MHz θαη ηζρχνο 19 dBm. ΢ηα ζρήκαηα 3.30 θαη 3.31 θαίλεηαη ην conversion gain γηα ηνπο κείθηεο hmc520lc4 θαη hmc521lc4 ζπλαξηήζεη ηεο ζπρλφηεηαο ζηελ RF είζνδφ ηνπο. Όπσο πξναλαθέξζεθε ην ζήκα ζηελ IF είζνδφ ηνπο είλαη ζπρλφηεηαο 1584 MHz θαη ηζρχνο 5.5dBm. Απφ ηα παξαπάλσ δηαγξάκκαηα παξαηεξνχκε πσο γηα ζήκα RF ζπρλφηεηαο 6864 MHz (84481584), ην conversion loss ηνπ hmc520lc4 είλαη -6.5dB, ελψ γηα ζήκα RF ζπρλφηεηαο 10032 MHz (8448+1584),ην conversion loss ηνπ hmc521lc4 είλαη -7dB. ΢πλεπψο ην ζήκα πνπ ζα έρνπκε ζηελ έμνδν ηνπ hmc520lc4 ζα είλαη ζπρλφηεηαο 6864 MHz θαη ηζρχνο -1dB (5.5-6.6), ελψ ην ζήκα ζηελ έμνδν ηνπ hmc521lc4 ζα είλαη ζπρλφηεηαο 10032 θαη ηζρχνο -1.5dB (5.5 -7). 98 ΢σήμα 3.30. Conversion gain ζπλαξηήζεη ηεο ζπρλφηεηαο ζηελ είζνδν RF ηνπ hmc520lc4. ΢σήμα 3.31 Conversion gain ζπλαξηήζεη ηεο ζπρλφηεηαο ζηελ είζνδν RF ηνπ hmc521lc4. ΢ηε ζπλέρεηα ηα ζήκαηα ζηηο εμφδνπο ησλ κηθηψλ hmc520lc4 θαη hmc521lc4 πεξλνχλ απφ ηα θίιηξα VBFZ-6260 θαη VHF-8400 αληίζηνηρα πξνθεηκέλνπ λα κεησζνχλ ηα επίπεδα 99 ηζρχνο ησλ αλεπηζχκεησλ ζπρλνηήησλ. ΢ηα ζρήκαηα 3.32 θαη 3.33 θαίλεηαη ην insertion loss ζπλαξηήζεη ηεο ζπρλφηεηαο εηζφδσλ ηνπο. m1 0 dB(S(2,1)) -20 -40 m1 freq=6.864GHz dB(S(2,1))=-1.308 -60 -80 0 2 4 6 8 10 freq, GHz ΢σήμα 3.32. Insertion loss ζπλαξηήζεη ηεο ζπρλφηεηαο εηζφδνπ γηα ην BPF VBFZ-6260. m1 0 m1 freq=10.03GHz dB(S(2,1))=-1.463 dB(S(2,1)) -10 -20 -30 -40 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 freq, GHz ΢σήμα 3.33. Insertion loss ζπλαξηήζεη ηεο ζπρλφηεηαο εηζφδνπ γηα ην HPF VHF-8400. 100 Απφ ηα ζρήκαηα 3.32 θαη 3.33 παξαηεξνχκε πσο ην insertion loss ζηελ ζπρλφηεηα 6864MHz είλαη -1.2dB γηα ην VBFZ-6260 ελψ ην insertion loss ζηελ ζπρλφηεηα 10032 είλαη 1.463dB γηα ην VHF-8400. ΢πλεπψο ην ζήκα ζηελ έμνδν ηνπ VBFZ-6260 είλαη ζπρλφηεηαο 6864MHz θαη ηζρχνο -2.308 dBm (-1 - 1.308) ελψ ην ζήκα ζηελ έμνδν ηνπ VHF-8400 είλαη ζπρλφηεηαο -2.963(-1.5-1.463). Απφ ζρήκα Α1 παξαηεξνχκε πσο νη έμνδνη ησλ δχν θίιηξσλ νδεγνχληαη ζηνλ SPDT hmc347lp3(1) δηαθφπηε. ΢ηα ζρήκαηα 3.34 θαη 3.35 παξνπζηάδεηαη ην insertion loss γηα ηνλ δηαθφπηε απηφλ, ελψ ζηνλ πίλαθα 3.8 παξνπζηάδνληαη φιεο νη ηηκέο ηνπ insertion loss ηνπ δηαθφπηε γηα φιεο ηηο επηζπκεηέο ζπρλφηεηεο ηνπ ζπζηήκαηφο καο. Πίνακαρ 3.8. Insertion loss ηνπ hmc347lp3. Frequency(MHz) Insertion loss (dB) 3696 -1.53 4224 -1.64 4752 -1.69 6336 -1.69 6864 -1.58 7392 -1.49 7920 -1.33 8448 -1.35 8976 -1.38 9504 -1.39 10032 -1.49 101 -0.5 dB(S(1,2)) -1.0 -1.5 -2.0 -2.5 0 2 4 6 8 10 12 14 freq, GHz ΢σήμα 3.34. Insertion loss γηα ηνλ hmc347lp3, Port 2 to Port1. -0.5 dB(S(1,3)) -1.0 -1.5 -2.0 -2.5 0 2 4 6 8 10 12 14 freq, GHz ΢σήμα 3.35. Insertion loss γηα ηνλ hmc347lp3, Port 3 to Port1. Όπσο θαίλεηαη απφ ηα παξαπάλσ δηαγξάκκαηα ην insertion loss γηα Port 2 to Port1 θαη γηα Port 3 to Port1 δηαθέξνπλ ειάρηζηα θαη επνκέλσο ζηελ αλάιπζε ζα ηα ζεσξήζνπκε αθξηβψο 102 ίδηα. Απφ ηνλ πίλαθα 3.8 βιέπνπκε πσο ην insertion loss ηνπ δηαθφπηε είλαη -1.58 dB γηα ηελ ζπρλφηεηα 6864 MHz, θαη -1.49dB γηα ηε ζπρλφηεηα 10032 MHz. ΢πλεπψο ζηελ έμνδν ηνπ δηαθφπηε ζα έρνπκε έλα ζήκα ζπρλφηεηαο 6864MHz θαη ηζρχνο -3.888dBm (-2.308-1.58) ή έλα ζήκα ζπρλφηεηαο 10032 MHz θαη ηζρχνο -4.18dBm (-2.693-1.49). Όπσο θαίλεηαη απφ ην ζρήκα Α1 ην ζήκα ζηελ έμνδν ηνπ δηαθφπηε απηνχ εληζρχεηαη απφ ηνλ hmc451lc3(1). ΢ην ζρήκα 3.36 δίλνληαη νη S-parameters ηνπ εληζρπηή φπνπ πάξζεθαλ απφ εμνκνίσζε ζην ADS. 30 m1 dB(S(2,2)) dB(S(2,1)) dB(S(1,1)) 20 m2 m2 freq=10.03GHz m1 dB(S(2,1))=22.134 freq=6.864GHz dB(S(2,1))=23.474 10 0 -10 -20 -30 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 freq, GHz ΢σήμα 3.36. S-parameters ηνπ εληζρπηή hmc451lc3. Παξαηεξνχκε πσο γηα ζπρλφηεηα 6864 MHz ν εληζρπηήο έρεη θέξδνο 23.474dB ελψ γηα ζπρλφηεηα 10032 MHz έρεη θέξδνο 22.134 dB. ΢πλεπψο ε έμνδφο ηνπ ζα είλαη ζήκα ζπρλφηεηαο 6864 MHz θαη ηζρχνο 19.582 dBm (-3.888+23.47) ή ζήκα ζπρλφηεηαο 10032 MHz θαη ηζρχνο 17.954dBm (-4.18+22.134). Απφ ην ζρήκα Α1 βιέπνπκε πσο ε έμνδνο ηνπ hmc451lc3(1) νδεγείηαη ζηελ κία είζνδν ηνπ SPDT hmc347lp3(2) δηαθφπηε ηνπ νπνίνπ ε άιιε είζνδνο ηξνθνδνηείηαη απφ ην ζήκα ηεο εμφδνπ ηνπ hmc441lp3 πνπ έρεη ζπρλφηεηα 8448MHz θαη ηζρχ 19dBm. Απφ ηνλ πίλαθα 3.8 βιέπνπκε πσο ην insertion loss ηνπ δηαθφπηε γηα ηηο ζπρλφηεηεο 6864, 8448 θαη 10032 MHz είλαη -1.58, -1.35 θαη -1.49dB αληίζηνηρα. ΢πλεπψο ζηελ έμνδν ηνπ δηαθφπηε ζα έρνπκε ζήκα ζπρλφηεηαο 6864 MHz θαη ηζρχνο 18.002dBm (19.582-1.58) ή ζήκα ζπρλφηεηαο 8448 MHz θαη 103 ηζρχνο 17.65dBm (19 -1.35) ή ζήκα ζπρλφηεηαο 10032 θαη ηζρχνο 16.464dBm(17.954-1.49). ΢ηε ζπλέρεηα ην ζήκα απηφ νδεγείηαη ζηηο LO είζνδν ησλ δχν hmc520lc4 κεηθηψλ πνπ αθνινπζνχλ. Οπνηνδήπνηε απφ ηα ηξία ζήκαηα πνπ κπνξεί λα έρεη ζηελ είζνδφ ηνπ ν δηαθφπηεο είλαη ηθαλφ λα νδεγήζεη ηνπο κείθηεο απηνχο φπνπ έρνπλ θαιή ιεηηνπξγία γηα επίπεδα ηζρχνο ζηελ LO είζνδφ ηνπο θνληά ζηα 17dBm. ΢ηελ IF είζνδν ησλ κεηθηψλ απηψλ νδεγνχκε ηελ έμνδν ηνπ ηέηαξηνπ δηαηξέηε πνπ είλαη ζήκα ζπρλφηεηαο 528 MHz θαη ηζρχνο 6.5dBm. Απφ ην ζρήκα 3.30 παξαηεξνχκε πσο ην conversion gain γηα ζπρλφηεηεο 6336, 7392, 7920, 8976 θαη 9504 MHz είλαη -7, -6.2, -7, -7.5 θαη -8 αληίζηνηρα. ΢πλεπψο νη δπλαηέο έμνδνη ησλ δχν κεηθηψλ αθνινπζνχλ ζηνλ πίλαθα 3.9. Όπσο αλαθέξζεθε ζηελ ελφηεηα 3.2.4.5. νη κείθηεο απηνί ζπλδπάδνληαη κε ηα πβξηδηθά QHZ-2A-528 ηεο Merrimac. Λφγσ φκσο ηνπ κηθξνχ insertion loss ηνπ πβξηδηθνχ δελ ζπκπεξηιήθζεζαλ νη απψιεηεο ηζρχνο ζηελ αλάιπζε. Πίνακαρ 3.9. Δπίπεδα ηζρχνο ζηηο εμφδνπο ησλ δχν hmc520lc4 κεηθηψλ. Frequency(MHz) Power(dBm) 6336=6864-528 -0.5 = 6.5-7 7392=6864+528 0.3 = 6.5-6.2 7920=8448-528 -0.5 = 6.5-7 8976=8448+528 9504=10032-528 -1 = 6.5-7.5 -1.5= 6.5-8 Οη παξαπάλσ έμνδνη νδεγνχληαη ζηνλ SPDT hmc347lp3(3) δηαθφπηε. Απφ ηνλ πίλαθα 3.8 βξίζθνπκε ην insertion loss ηνπ δηαθφπηε γηα ηηο ζπρλφηεηεο απηέο θαη θαηαζθεπάδνπκε ηνλ πίλαθα 3.10 φπνπ παξνπζηάδεη ηα επίπεδα ηζρχνο ζηελ έμνδν ηνπ δηαθφπηε. 104 Πίνακαρ 3.10. Δπίπεδα ηζρχνο ζηελ έμνδν ηνπ hmc347lp3. Frequency(MHz) Power(dBm) 6336 -2.19=-0.5 -1.69 7392 -1.79=0.3 -1.49 7920 -1.83=-0.5 -1.33 8976 -2.38=-1 -1.38 9504 -2.89= -1.5-1.39 ΢ηελ ζπλέρεηα ε έμνδνο ηνπ δηαθφπηε απηνχ εληζρχεηαη απφ ηνλ hmc451lc3(2). Ο πίλαθαο 3.11 παξνπζηάδεη ηα επίπεδα ηζρχνο ζηελ έμνδν ηνπ hmc451lc3 (νη ηηκέο ηνπ θέξδνπο ηνπ εληζρπηή γηα ηηο ζπρλφηεηεο ηνπ πίλαθα 3.10 πάξζεθαλ απφ ην ζρήκα 3.36). Πίνακαρ 3.11. Δπίπεδα ηζρχνο ζηελ έμνδν ηνπ hmc451lc3(2). Frequency(MHz) Gain(dB) Power(dBm) 6336 23.689 21.499 = 23.689-2.19 7392 23.155 21.365 = 23.155-1.79 7920 22.882 21.052 = 22.882-1.83 8976 22.44 20.06 = 22.44-2.38 9504 22.20 19.31 = 22.2-2.89 ΢ηε ζπλέρεηα ε έμνδνο ηνπ hmc451lc3(2) θαζψο θαη ε έμνδνο ηνπ hmc347lp3(2) νδεγνχληαη ζηνλ SPDT hmc347lp3(5) φπνπ ε έμνδνο ηνπ δηαθφπηε απηνχ νδεγείηαη ζηνλ ηειηθφ SPDT hmc347lp3(7) ηνπ θπθιψκαηφο καο. Με ηελ βνήζεηα ηνπ πίλαθα 3.8 ππνινγίδνπκε ηα ηειηθά επίπεδα ηζρχνο γηα ηηο ζπρλφηεηεο 6336, 6864, 7392, 7920, 8448, 8976, 9504 θαη 10032 MHz θαη παξνπζηάδνληαη ζηνλ πίλαθα 3.12. 105 Πίνακαρ 3.12. Δπίπεδα ηζρχνο ζηελ έμνδν ηνπ hmc347lp3(7). Frequency(MHz) Power(dBm) 6336 18.119 = 21.499 - 2·1.69 6864 14.842 = 18.002 - 2·1.58 7392 18.385 = 21.365 - 2·1.49 7920 18.392 = 21.052 - 2·1.33 8448 14.950 = 17.650 - 2·1.35 8976 17.300 = 20.060 - 2·1.38 9504 16.530 = 19.310 - 2·1.39 10032 13.484 = 16.464 - 2·1.49 Απνκέλεη λα ππνινγίζνπκε ηα επίπεδα ηζρχνο ησλ ζπρλνηήησλ ηεο πξψηεο κπάληαο. Γειαδή ηα επίπεδα ηζρχνο ζηα 3696 , 4224 θαη 4752 MHz. Όπσο θαίλεηαη ζην ζρήκα Α1 ε έμνδνο ηνπ πξψηνπ δηαηξέηε ηνπ νπνίνπ ε έμνδνο είλαη ζήκα ζπρλφηεηαο 4224 MHz θαη ηζρχνο 3dBm εληζρχεηαη απφ ηνλ hmc311lp3(1) εληζρπηή πξνθεηκέλνπ λα ηθαλνπνηεζνχλ νη απαηηήζεηο ηνπ κίθηε hmc620lc4 γηα επίπεδα ηζρχνο ζηελ LO είζνδφ ηνπ γηα επίπεδα ηζρχνο θνληά ζηα 17dBm. Απφ ην ζρήκα 3.26 βιέπνπκε πσο ην θέξδνο ηνπ εληζρπηή hmc311lp3 γηα ζπρλφηεηα ζηελ είζνδφ ηνπ 4224MHz είλαη 14.048dB. ΢πλεπψο ην ζήκα ζηελ έμνδν ηνπ hmc311lp3(1) είλαη ζπρλφηεηαο 4224 MHz θαη ηζρχνο 17.048dBm (3+14.048). Σν ζήκα απηφ νδεγείηαη ζηελ LO είζνδν ησλ κηθηψλ hmc620lc4. Η IF είζνδνο ησλ κηθηψλ απηψλ είλαη ε έμνδνο ηνπ ηέηαξηνπ δηαηξέηε πνπ είλαη ζήκα ζπρλφηεηαο 528 MHz θαη ηζρχνο 6.5dBm. ΢ην ζρήκα 3.37 παξνπζηάδεηαη ην insertion loss ηνπ κείθηε hmc620lc4 ζπλαξηήζεη ηεο ζπρλφηεηαο ζηελ RF είζνδφ ηνπ. 106 ΢σήμα 3.37. Conversion gain ζπλαξηήζεη ηεο ζπρλφηεηαο ζηελ είζνδν RF ηνπ hmc620lc4. Απφ ην παξαπάλσ δηάγξακκα παξαηεξνχκε πσο γηα ζήκα RF ζπρλφηεηαο 3696 MHz (4224-528), ην conversion loss ηνπ hmc620lc4 είλαη -7.5dB, ελψ γηα ζήκα RF ζπρλφηεηαο 4752 MHz (4224+528), ην conversion loss ηνπ hmc620lc4 είλαη επίζεο -7.5dB. ΢πλεπψο ην ζήκα πνπ ζα έρνπκε ζηηο εμφδνπο ησλ δχν hmc620lc4 κεηθηψλ ζα είλαη ζπρλνηήησλ 3696 θαη 4752 MHz κε επίπεδν ηζρχνο -1dBm (6.5-7.5). Σα δχν ζήκαηα απηά νδεγνχληαη ζηνλ SPDT hmc347lp3(4) δηαθφπηε. Απφ ηνλ πίλαθα 3.8 βιέπνπκε πσο ην insertion loss ηνπ δηαθφπηε απηνχ γηα ζπρλφηεηεο ζηελ είζνδφ ηνπ 3696 θαη 4752 είλαη -1.53 θαη -1.69 αληίζηνηρα. Άξα ε έμνδνο ηνπ hmc347lp3(4) ζα είλαη ζήκα ζπρλφηεηαο 3696 MHz θαη ηζρχνο -2.53 (-1-1.53) ή ζήκα ζπρλφηεηαο 4752 MHz κε επίπεδν ηζρχνο -2.69(-1-1.69). Σν ζήκα απηφ εληζρχεηαη απφ ηνλ hmc311lp3 εληζρπηή. Απφ ην ζρήκα 3.26 βιέπνπκε πσο ην θέξδνο ηνπ εληζρπηή γηα ζπρλφηεηεο εηζφδνπ 3696 θαη 4752 MHz είλαη 14.201 θαη 13.968dB αληίζηνηρα. Άξα ε έμνδνο ηνπ hmc311lp3 εληζρπηή ζα είλαη ζήκα ζπρλφηεηαο 3696 MHz κε επίπεδν ηζρχνο 11.671dBm (-2.53+14.201) ή ζήκα ζπρλφηεηαο 4752MHz κε επίπεδν ηζρχνο 11.278dBm (-2.53+13.968). Σέινο ηα ζήκαηα ζπρλνηήησλ 3696, 4224 θαη 4752 MHz πεξλνχλ δηαδνρηθά απφ ηνπο 107 δχν hmc347lp3. Με ηελ βνήζεηα ηνπ πίλαθα 3.8 ππνινγίδνπκε ηα ηειηθά επίπεδα ηζρχνο ησλ ζεκάησλ απηψλ. Σα απνηειέζκαηα παξνπζηάδνληαη ζηνλ πίλαθα 3.13. Πίνακαρ 3.13. Δπίπεδα ηζρχνο ζεκάησλ ζηελ πξψηε κπάληα ζπρλνηήησλ. Frequency(MHz) Power(dBm) 3696 8.611 = 11.671 - 2·1.53 4224 13.768= 17.048 - 2·1.64 4752 7.898 = 11.278 - 2·1.69 Σα ηειηθά επίπεδα ηζρχνο γηα φιεο ηηο ζπρλφηεηεο ηνπ ζπζηήκαηφο καο παξνπζηάδνληαη ζηνλ πίλαθα 3.14. Πίνακαρ 3.14. Σειηθά επίπεδα ηζρχνο ηνπ ζπζηήκαηφο καο. Frequency(MHz) Power(dBm) 3696 8.611 4224 13.768 4752 7.898 6336 18.119 6864 14.842 7392 18.385 7920 18.392 8448 14.950 8976 17.300 9504 16.530 10032 13.484 108 3.5. Τπολογιζμόρ ηος ολικού θοπύβος θάζηρ ηος ζςζηήμαηορ. Ο ζφξπβνο θάζεο απφ ηνλ ζπλζέηε ζπρλνηήησλ ζε έλαλ OFDM δέθηε έρεη δχν δηαθνξεηηθέο επηπηψζεηο ζηα ιακβαλφκελα ζχκβνια. Δηζάγεη κία θάζε πεξηζηξνθήο ίδηνπ κεγέζνπο ζε φια ηα ππνθέξνληα sub-carriers θαη δεκηνπξγεί ελδνζπκβνιηθέο παξεκβνιέο (ICIinter-carrier interference) [66]. Η πξψηε αλεπηζχκεηε επίπησζε εμαιείθεηαη εηζάγνληαο θέξνληα- πηιφηνπο (pilot carriers) κε γλσζηέο θάζεηο. Απφ ηελ άιιε πιεπξά ν ζφξπβνο θάζεο δεκηνπξγεί ελδνζπκβνιηθέο παξεκβνιέο κε παξφκνην ηξφπν πνπ δεκηνπξγνχλ παξεκβνιέο ηα γεηηνληθά θαλάιηα ζε ζπζηήκαηα ζηελήο δψλεο. Απφ [16] νη ελδνζπκβνιηθέο παξεκβνιέο κπνξνχλ λα ζεσξεζνχλ σο γθανπζηαλφο ζφξπβνο. Η θαζκαηηθή ππθλφηεηα ηζρχνο (PSD) ελφο θιεηδσκέλνπ PLL κπνξεί λα κνληεινπνηεζεί απφ ηελ εμίζσζε Lorenzian πνπ δίλεηαη απφ ηελ εμίζσζε 3.27. 𝛷 𝑓 2 = 1 𝛽 · 2 𝜋 𝑓 + 𝛽2 3.27 Όπνπ β είλαη ην 3-dB εχξνο δψλεο ηεο θαζκαηηθήο ππθλφηεηαο ηζρχνο, ε νπνία έρεη θαλνληθνπνηεκέλε ζπλνιηθή ηζρχο 0 dB. Η ππνβάζκηζε (D ζε decibels) ζηελ αλαινγία ζήκαηνο πξνο ζφξπβν (SNR) πνπ νθείιεηαη ζηνλ ζφξπβν θάζεο ηνπ ζπλζέηε ζπρλνηήησλ ζε έλα OFDM ζχζηεκα δίλεηαη απφ ηελ εμίζσζε 3.28 [67]. 𝐷≅ 11 𝐸𝑠 · 4𝜋 · 𝛽𝑇 · 6 · 𝑙𝑛10 𝑁0 3.28 φπνπ T είλαη ην κήθνο ηνπ OFDM ζπκβφινπ ζε seconds (ρσξίο ηελ θπθιηθή επέθηαζε), β είλαη ην Lorenzian θάζκα φπσο πεξηγξάθηεθε παξαπάλσ θαη 𝐸𝑠 /𝑁0 είλαη ην επηζπκεηφ SNR γηα ηα ιακβαλφκελα ζχκβνια. 109 Γηα ην ζχζηεκά καο απφ [38] ηζρχεη 1/𝛵 =4.1254 MHz θαη 𝐸𝑠 /𝑁0 = 5.89 (7.7dB) γηα BER=10-5. Γηα D=0.1 dB απφ ηελ εμίζσζε 3.28 ππνινγίδνπκε ην β φπνπ πξνθχπηεη β=7.7 kHz. Σν αληίζηνηρν Lorenzian θάζκα έρεη ηζρχο -86.5 dBc/Hz @ 1MHz. ΢χκθσλα κε ηα παξαπάλσ ην ζπλνιηθφ ζφξπβν θάζεο ζηελ έμνδν ηνπ ζπζηήκαηφο καο πξέπεη λα είλαη κηθξφηεξν απφ -86.5 dBc/Hz @ 1MHz. Απφ εμνκνίσζε πνπ έγηλε ζην ADS ππνινγίζηεθε ν ζφξπβνο θάζεο ηνπ βξφγρνπ θιεηδσκέλεο θάζεο ηνπ ζπζηήκαηφο καο θαη παξνπζηάδεηαη ζην ζρήκα 3.38 ελψ νη αλαιπηηθέο PNTotal PN_VCO_only PN_VCO_FreeRun ηηκέο παξνπζηάδνληαη ζηνλ πίλαθα 3.15. -20 -70 -120 -170 1E2 1E3 1E4 1E5 1E6 1E7 freq, Hz ΢σήμα 3.38. Θφξπβνο θάζεο ηνπ PLL. Πίνακαρ 3.15. Phase Noise ηνπ PLL. foffset Phase Noise (Hz) (dBc/HZ) 102 -73.813 103 -83.744 104 -91.192 105 -92.526 106 -116.419 110 Απφ ηνλ πίλαθα 3.15 παξαηεξνχκε πσο o ζφξπβνο θάζεο ηνπ pll ζε απφθιηζε 1MHz απφ ηελ θεληξηθή ζπρλφηεηα είλαη -116.421(dBc/HZ). Ο ζφξπβνο θάζεο φκσο απηφο , δελ είλαη απηφο πνπ εκθαλίδεηαη ζηελ έμνδν ηνπ ζπζηήκαηφο καο αθνχ κεηά ην PLL ν δηθφ καο UWB ζπλζέηεο ζπρλνηήησλ πεξηιακβάλεη θαη άιια εμαξηήκαηα πνπ επηδξνχλ ζην ζφξπβν θάζεο φπσο δηαηξέηεο, εληζρπηέο, θίιηξα, κείθηεο θαη δηαθφπηεο. Γηα λα ππνινγίζνπκε ηνλ ζφξπβν θάζεο ζηελ έμνδν ηνπ ζπλζέηε είλαη απαξαίηεην λα ππνινγίζνπκε ηνλ ζφξπβν θάζεο ζε θάζε θφκβν ηνπ ζπζηήκαηφο καο. Αξρηθά ππνινγίδνπκε ηνλ ζφξπβν θάζεο ζηελ έμνδν ηνπ θάζε δηαηξέηε ηεο αιπζίδαο ηνπ PLL. Απφ [68] γλσξίδνπκε πσο ν ζφξπβνο θάζεο ζηελ έμνδν ελφο δηαηξέηε δίλεηαη απφ ηελ εμίζσζε 3.29. £𝑜 (𝑓𝑚 )𝑑𝐵 = £𝑖 (𝑓𝑚 )𝑑𝐵 + 20 · log10 𝑁 3.29 φπνπ Ν είλαη ν αθέξαηνο αξηζκφο δηαίξεζεο θαη £𝑖 (𝑓𝑚 )𝑑𝐵 είλαη ν ζφξπβνο θάζεο ζηελ είζνδν ηνπ δηαηξέηε. ΢πλεπψο απφ ηελ ζρέζε 2.29 κπνξνχκε λα ππνινγίζνπκε ηνλ ζφξπβν θάζεο ζηελ έμνδν ηνπ θάζε δηαηξέηε ζηελ αιπζίδα ηνπ pll. Απφ ηνλ πίλαθα 3.15 βιέπνπκε πσο ν ζφξπβνο θάζεο ζηελ έμνδν ηνπ VCO άξα θαη ζηελ είζνδν ηνπ πξψηνπ δηαηξέηε είλαη -116.419@1MHZ. Δπίζεο γλσξίδνληαο πσο ν δηαηξέηεο απηφο δηαηξεί κε ην δχν κπνξνχκε κε ρξήζε ηεο εμίζσζεο 3.29 λα ππνινγίζνπκε ηνλ ζφξπβν θάζεο ζηελ έμνδν ηνπ πξψηνπ δηαηξέηε. £𝑜 𝑓𝑚 𝑑𝐵 = £𝑖 𝑓𝑚 £4224 106 𝑑𝐵 𝑑𝐵 + 20 · log10 𝑁 = £𝑉𝐶𝑂 106 𝑑𝐵 + 20 · log10 2 = −110.399 𝑑𝐵 3.30 Με παξφκνην ηξφπν ππνινγίδνπκε ηνλ ζφξπβν θάζεο ζηελ έμνδν ησλ ππφινηπσλ δηαηξεηψλ. 111 6 £2112 10 = £4224 106 𝑑𝐵 + 20 · log10 2 = −104.378 𝑑𝐵 3.31 £1056 (106 )𝑑𝐵 = £2112 106 𝑑𝐵 + 20 · log10 2 = −98.359 𝑑𝐵 3.32 + 20 · log10 2 = −92.339 𝑑𝐵 3.33 𝑑𝐵 £528 (106 )𝑑𝐵 = £1056 106 𝑑𝐵 ΢ην ζρήκα 3.39 παξνπζηάδεηαη ν ζφξπβνο θάζεο ζηηο εμφδνπο ησλ ηεζζάξσλ δηαηξεηψλ φπνπ θαη επηβεβαηψλνληαη νη παξαπάλσ ππνινγηζκνί. Η εμνκνίσζε έγηλε ζην ADS. Loop Reduction of VCO Phase Noise -50.00 PN528 PN1056 PN2112 PN4224 -60.00 -80.00 m4 m3 -100.0 m2 m1 -120.0 100.0 1.000k 10.00k 100.0k 1.000M m1 f req=1.000MHz PN4224=-110.398 m2 f req=1.000MHz PN2112=-104.378 m3 f req=1.000MHz PN1056=-98.357 m4 f req=1.000MHz PN528=-92.337 10.00M freq, Hz ΢σήμα 3.39. Θφξπβνο θάζεο ζηηο εμφδνπο ησλ ηεζζάξσλ δηαηξεηψλ. Απφ ην ζρήκα Α1 παξαηεξνχκε πσο ε έμνδνο ηνπ VCO θαζψο θαη ησλ πξψησλ δχν δηαηξεηψλ ζηηο ζπρλφηεηεο 8448, 4224 θαη 2112MHz αληίζηνηρα εληζρχνληαη απφ ηνπο εληζρπηέο hmc411lp3 (γηα ην VCO) θαη hmc311lp3 (γηα ηνπο δηαηξέηεο). Απφ [68] γλσξίδνπκε πσο ε επίδξαζε ησλ εληζρπηψλ ζηνλ ζφξπβν θάζεο ελφο ζπζηήκαηνο δίλεηαη απφ ηελ εμίζσζε 3.34. £𝑜 (𝑓𝑚 )𝑑𝐵 = 10 · log 10 £𝑖 (𝑓𝑚 )𝑑𝐵 10 + 1+ 𝑓𝑐 · 10 𝑓𝑚 𝐹𝑜 +𝑘𝑇− 𝐶𝑖 10 3.34 112 £𝑜 (𝑓𝑚 )𝑑𝐵 ,είλαη ν ζφξπβνο θάζεο ζηελ έμνδν ηνπ εληζρπηή ζε απφθιηζε 𝑓𝑚 απφ ηελ θεληξηθή ζπρλφηεηα (dBc/Hz). £𝑖 (𝑓𝑚 )𝑑𝐵 ,είλαη ν ζφξπβνο θάζεο ζηελ είζνδν ηνπ εληζρπηή ζε απφθιηζε 𝑓𝑚 απφ ηελ θεληξηθή ζπρλφηεηα (dBc/Hz). F, είλαη ε εηθφλα ζνξχβνπ (noise figure) ηνπ εληζρπηή (dB). 𝑓𝑐 , είλαη ε ζπρλφηεηα θιίζεο (corner frequency) ηνπ εληζρπηή (Hz). kT , είλαη ε ζηαζεξά ηνπ boltzmann πνιιαπιαζηαζκέλε κε ηελ απφιπηε ζεξκνθξαζία θαη ηζνχηαη κε (-174dbm/Hz). 𝐶𝑖 , είλαη ε ηζρχο ηνπ ζήκαηνο εηζφδνπ ηνπ εληζρπηή. Γηα ηνλ εληζρπηή hmc441lp3 ηζρχεη, 𝑓𝑐 = 14𝐺𝐻𝑧, 𝐹 = 4.5𝑑𝐵 ελψ ε ηζρχο ηνπ ζήκαηνο ζηελ είζνδφ ηνπ είλαη 𝐶𝑖 = 5𝑑𝐵𝑚. Αληηθαζηζηψληαο ηηο παξαπάλσ ηηκέο ζηελ εμίζσζε 3.34 κπνξνχκε λα ππνινγίζνπκε ηνλ ζφξπβν θάζεο ζηελ έμνδφ ηνπ. £𝑜 𝑓𝑚 𝑑𝐵 = 10 · log 10 £𝑕𝑚𝑐 441 106 𝑑𝐵 £𝑖 𝑓𝑚 𝑑𝐵 10 = 10 · log 10 + 1+ £𝑉𝐶𝑂 10 6 𝑑𝐵 10 𝑓𝑐 · 10 𝑓𝑚 + 1+ 𝐹𝑜 +𝑘𝑇− 𝐶𝑖 10 14 · 109 · 10 106 4.5−174−5 10 = −116.32 𝑑𝐵 3.35 Γηα ηνλ εληζρπηή hmc311lp3 ηζρχεη, 𝑓𝑐 = 7.5𝐺𝐻𝑧, 𝐹 = 4.5𝑑𝐵 ελψ ε ηζρχο ηνπ ζήκαηνο ζηελ είζνδφ ηνπ είλαη 𝐶𝑖 = 3𝑑𝐵𝑚 γηα ζπρλφηεηα 4224MHz θαη 𝐶𝑖 = 5.5𝑑𝐵𝑚 γηα ζπρλφηεηα 2112 MHz. Αληηθαζηζηψληαο ηηο παξαπάλσ ηηκέο ζηελ εμίζσζε 3.34 κπνξνχκε λα ππνινγίζνπκε ηνλ ζφξπβν θάζεο ζηελ έμνδφ ησλ δχν hmc311lp3 εληζρπηψλ. 113 £𝑜 𝑓𝑚 £𝑕𝑚𝑐 311 𝑑𝐵 1 = 10 · log 10 106 𝑑𝐵 £𝑖 𝑓𝑚 𝑑𝐵 10 = 10 · log 10 + 1+ £4224 10 6 𝑑𝐵 10 𝑓𝑐 · 10 𝑓𝑚 + 1+ 𝐹𝑜 +𝑘𝑇− 𝐶𝑖 10 7.5 · 109 · 10 106 4.5−174 −3 10 = −110.38 𝑑𝐵 3.36 Η παξαπάλσ ηηκή ηνπ ζνξχβνπ θάζεο είλαη θαη ε ηειηθή γηα ζήκα ζπρλφηεηαο 4224 MHz. Γηα ηνλ δεχηεξν hmc311lp3 εληζρπηή έρνπκε, £𝑜 𝑓𝑚 £𝑕𝑚𝑐 311 𝑑𝐵 2 = 10 · log 10 106 𝑑𝐵 £𝑖 𝑓𝑚 𝑑𝐵 10 = 10 · log 10 + 1+ £2112 10 6 𝑑𝐵 10 𝑓𝑐 · 10 𝑓𝑚 + 1+ 𝐹𝑜 +𝑘𝑇− 𝐶𝑖 10 7.5 · 109 · 10 106 4.5−174 −5.5 10 = −104.375 𝑑𝐵 3.37 Απφ ηα παξαπάλσ παξαηεξνχκε πσο νη εληζρπηέο επηδξνχλ ειάρηζηα ζην phase noise. Απφ ην ζρήκα Α1 παξαηεξνχκε πσο νη έμνδνη ησλ hmc311lp3(2) θαη hmc364s8g(2) νδεγνχληαη ζηνλ κείθηε hmc340lp5. Απφ [68] γλσξίδνπκε πσο ν ζφξπβνο θάζεο ζηελ έμνδν ελφο κείθηε κπνξεί λα ππνινγηζζεί απφ ηελ εμίζσζε 3.38. £𝑜 (𝑓𝑚 )𝑑𝐵 = 10 · log 10 £1 (𝑓𝑚 )𝑑𝐵 10 + 10 £2 (𝑓𝑚 )𝑑𝐵 10 3.38 Όπνπ £𝑜 (𝑓𝑚 )𝑑𝐵 είλαη ν ζφξπβνο θάζεο ζηελ έμνδν ηνπ κείθηε θαη £1 (𝑓𝑚 )𝑑𝐵 , £2 (𝑓𝑚 )𝑑𝐵 νη ζφξπβνη θάζεο ζηηο εηζφδνπο ηνπ κείθηε. ΢ηελ πεξίπησζε ηνπ δηθνχ καο ζπζηήκαηνο νη δχν είζνδνη ηνπ θάζε κείθηε είλαη νη LO θαη IF. ΢πλεπψο ε εμίζσζε 3.38 κπνξεί λα πάξεη ηελ κνξθή ηεο εμίζσζεο 3.39. 114 £𝑜𝑅𝐹 (𝑓𝑚 )𝑑𝐵 = 10 · log 10 £𝑖𝐼𝐹 (𝑓𝑚 )𝑑𝐵 10 + 10 £𝑖𝐿𝑂 (𝑓𝑚 )𝑑𝐵 10 3.39 Απφ ηελ παξαπάλσ εμίζσζε κπνξνχκε λα ππνινγίζνπκε ηνλ ζφξπβν θάζεο ζηελ RF έμνδν ηνπ hmc340lp5. £𝑜𝑅𝐹 𝑓𝑚 𝑑𝐵 £𝑕𝑚𝑐 340 106 = 10 · log 10 𝑑𝐵 £𝑖𝐼𝐹 𝑓𝑚 𝑑𝐵 10 = 10 · log 10 + 10 £1056 10 6 𝑑𝐵 10 £𝑖𝐿𝑂 𝑓𝑚 𝑑𝐵 10 + 10 £𝑕 𝑚𝑐 311 2 10 6 𝑑𝐵 10 = −97.388 𝑑𝐵 3.40 ΢ηε ζπλέρεηα ην ζήκα απηφ νδεγείηαη ζην δσλνπεξαηφ (band pass) θίιηξν BFCN-2900+. Απφ [68] γλσξίδνπκε πσο ν ζφξπβνο θάζεο ζηελ έμνδν ελφο θίιηξνπ ππνινγίδεηαη απφ ηελ εμίζσζε 3.41. £𝑖 𝑓𝑚 𝑑𝐵 10 + 10 𝑘𝑇− 𝐶0 10 £𝑜 𝑓𝑚 𝑑𝐵 = 10 · log 10 £𝑜 𝑓𝑚 𝑑𝐵 ,είλαη ν ζφξπβνο θάζεο ζηελ έμνδν ηνπ θίιηξνπ. £𝑖 𝑓𝑚 𝑑𝐵 , είλαη ν ζφξπβνο θάζεο ζηελ είζνδν ηνπ θίιηξνπ. 3.41 𝑘𝑇 = −174 𝑑𝐵𝑚/𝐻𝑧 𝐶𝑜 , είλαη ε ηζρχο ηνπ ζήκαηνο ζηελ έμνδν ηνπ θίιηξνπ. 115 Απφ ηελ ελφηεηα 3.4 γλσξίδνπκε πσο 𝐶𝑜 = −3.038 𝑑𝐵𝑚 ζπλεπψο κπνξνχκε λα ππνινγίζνπκε ηνλ ζφξπβνο θάζεο ζηελ έμνδν ηνπ BFCN-2900+. £𝑜 𝑓𝑚 𝑑𝐵 = 10 · log 10 £𝐵𝐹𝐶𝑁−2900 106 𝑑𝐵 £𝑖 𝑓𝑚 𝑑𝐵 10 + 10 = 10 · log 10 𝑘𝑇− 𝐶0 10 £𝑕 𝑚𝑐 340 10 6 𝑑𝐵 10 + 10 −174−3.038 10 = −97.387 𝑑𝐵 3.42 Απφ ηα παξαπάλσ παξαηεξείηαη πσο ην θίιηξν δελ επεξεάδεη ζρεδφλ θαζφινπ ηνλ ζφξπβν θάζεο ηνπ ζπζηήκαηνο. Σν ζήκα απηφ νδεγείηαη ζηνλ δηαηξέηε hmc364s8g(5). Όπσο πξναλαθέξζεθε ν ζφξπβνο θάζεο ζηελ έμνδν ελφο δηαηξέηε ππνινγίδεηαη απφ ηελ εμίζσζε 3.29. Άξα γηα ηνλ ζφξπβν θάζεο ζηελ έμνδν ηνπ hmc364s8g(5) ζα ηζρχεη: £𝑜 𝑓𝑚 𝑑𝐵 = £𝑖 𝑓𝑚 £1584 106 𝑑𝐵 𝑑𝐵 + 20 · log10 𝑁 = £𝐵𝐹𝐶𝑁−2900 106 𝑑𝐵 + 20 · log10 2 3.42 − 91.367 𝑑𝐵 3.43 Σν ζήκα απηφ νδεγείηαη ζηελ IF είζνδν ησλ κεηθηψλ hmc520lc4(1) θαη hmc521lc4. Η LO είζνδνο ησλ κεηθηψλ απηψλ είλαη ε έμνδνο ηνπ εληζρπηή hmc441lp3. Απφ ηελ εμίζσζε 3.39 ππνινγίδνπκε ηνλ ζφξπβν θάζεο ζηελ έμνδν ησλ δχν απηψλ κεηθηψλ. £𝑜𝑅𝐹 𝑓𝑚 𝑑𝐵 = 10 · log 10 £𝑖𝐼𝐹 𝑓𝑚 𝑑𝐵 10 + 10 £𝑖𝐿𝑂 𝑓𝑚 𝑑𝐵 10 116 £𝑕𝑚𝑐 520(1) 𝑓𝑚 = £𝑕𝑚𝑐 521 𝑓𝑚 𝑑𝐵 6 𝑑𝐵 6 = 10 · log 10 £𝑖𝐼𝐹 𝑓𝑚 𝑑𝐵 10 £𝑕𝑚𝑐 520(1) 10 𝑑𝐵 = £𝑕𝑚𝑐 521 10 𝑑𝐵 = 10 · log 10 £𝑕𝑚𝑐 520(1) 106 𝑑𝐵 = £𝑕𝑚𝑐 521 106 𝑑𝐵 = −91.35 + 10 £1584 10 6 𝑑𝐵 10 £𝑖𝐿𝑂 𝑓𝑚 𝑑𝐵 10 + 10 £𝑕 𝑚𝑐 441 10 6 𝑑𝐵 10 3.35 3.43 3.44 ΢ηε ζπλέρεηα νη έμνδνη ησλ κεηθηψλ hmc521lc4 θαη hmc520lc4(1) νδεγνχληαη ζηα θίιηξα VHF-8400 θαη VBFZ-6260+ αληίζηνηρα. Όπσο ππνινγίζηεθε ζηελ ελφηεηα 3.5 ε ηζρχο ζηελ έμνδν ησλ δχν απηψλ θίιηξσλ είλαη -2.963dBm γηα ην VHF-8400 θαη -2.308dBm γηα ην VBFZ-6260+. ΢χκθσλα κε ηα παξαπάλσ θαη κε ρξήζε ηεο εμίζσζεο 3.41 ππνινγίδνπκε ηνλ ζφξπβν θάζεο ζηελ έμνδν ησλ δχν θίιηξσλ. £𝑉𝐻𝐹−8400 106 𝑑𝐵 £𝑉𝐵𝐹𝑍 −6260 106 = 10 · log 10 𝑑𝐵 = 10 · log 10 £𝑕 𝑚𝑐 521 10 6 𝑑𝐵 10 + 10 £𝑕 𝑚𝑐 520 (1) 10 6 𝑑𝐵 10 𝑘𝑇− 𝐶0 10 + 10 = − 91.34 𝑑𝐵 𝑘𝑇− 𝐶0 10 = − 91.34 𝑑𝐵 3.45 3.46 Όπσο παξαηεξνχκε απφ ην ζρήκα Α1 νη έμνδνη ησλ δχν απηψλ κηθηψλ νδεγνχληαη ζηνλ SPDT δηαθφπηε hmc347lp3(1). Η επίδξαζε ησλ δηαθνπηψλ ζηνλ ζφξπβν θάζεο ζπζηήκαηνο είλαη ακειεηέα φπσο άιισζηε θαη ησλ θίιηξσλ θαη γηα ηνλ ιφγν απηψλ δελ ιακβάλνληαη ππφςε ζηνλ ππνινγηζκφ ηνπ ζνξχβνπ θάζεο. Άξα ηζρχεη, £𝑕𝑚𝑐 347𝑙𝑝 3(1) 106 𝑑𝐵 = −91.34 3.47 117 Παξαηεξνχκε πσο ε έμνδνο ηνπ hmc347lp3(1) εληζρχεηαη απφ ηνλ hmc451lc3(1). Γηα ηνλ εληζρπηή απηφλ γλσξίδνπκε πσο 𝑓𝑐 = 18𝐺𝐻𝑧, 𝐹 = 7𝑑𝐵 ελψ ε ηζρχο ηνπ ζήκαηνο ζηελ είζνδφ ηνπ είλαη 𝐶𝑖 = −3.888𝑑𝐵𝑚 γηα ζήκα ζπρλφηεηαο 6864MHz ή 𝐶𝑖 = −4.18 𝑑𝐵𝑚 γηα ζήκα ζπρλφηεηαο 10032MHz (απφ ελφηεηα 3.4). ΢χκθσλα κε ηα παξαπάλσ θαη κε ρξήζε ηεο εμίζσζεο 3.34 ππνινγίδνπκε ηνλ ζφξπβν θάζεο ζηελ έμνδν ηνπ hmc451lc3. Γηα ζήκα ζπρλφηεηαο 6864MHZ ζηελ είζνδφ ηνπ hmc451lc3 ηζρχεη, £𝑜 𝑓𝑚 £451 𝑙𝑐3 𝑑𝐵 6864 = 10 · log 10 10 6 𝑑𝐵 £𝑖 𝑓𝑚 𝑑𝐵 10 = 10 · log 10 + 1+ 𝑓𝑐 · 10 𝑓𝑚 £𝑕 𝑚𝑐 347 𝑙𝑝 3 1 10 6 𝑑𝐵 10 𝐹𝑜 +𝑘𝑇− 𝐶𝑖 10 + 1+ 18 · 109 · 10 106 7−174 −3.888 10 = −91.33 𝑑𝐵 3.48 Δλψ γηα ζήκα ζπρλφηεηαο 10032 MHz ζηελ είζνδν ηνπ hmc451lc3 ηζρχεη, £𝑜 𝑓𝑚 £451 𝑙𝑐3 𝑑𝐵 10032 = 10 · log 10 10 6 𝑑𝐵 £𝑖 𝑓𝑚 𝑑𝐵 10 = 10 · log 10 + 1+ 𝑓𝑐 · 10 𝑓𝑚 £𝑕 𝑚𝑐 347 𝑙𝑝 3 1 10 6 𝑑𝐵 10 Παξαηεξνχκε πσο £451𝑙𝑐3 6864 106 𝑑𝐵 𝐹𝑜 +𝑘𝑇− 𝐶𝑖 10 + 1+ 18 · 109 · 10 106 = £451𝑙𝑐 3 10032 7−174 −4.18 10 106 𝑑𝐵 = −91.33 𝑑𝐵 3.49 .΢πλεπψο βγάδνπκε ην ζπκπέξαζκα πσο ν ζφξπβνο θάζεο δελ επεξεάδεηαη νπζηαζηηθά γηα κηθξέο δηαθνξέο ηεο ηζρχνο εηζφδνπ ζε έλαλ εληζρπηή. Όπσο παξαηεξνχκε απφ ην ζρήκα Α1 νη έμνδνη ησλ hmc451lc3(1) θαη hmc441lp3 νδεγνχληαη ζηνλ SPDT δηαθφπηε hmc347lp3(2). Γεδνκέλνπ φηη νη δηαθφπηεο επεξεάδνπλ αλεπαίζζεηα ηνλ ζφξπβν θάζεο ππνινγίδνπκε ηνλ ζφξπβν θάζεο ζηελ έμνδν ηνπ hmc347lp3(2) (ην νπνίν γηα ηηο ζπρλφηεηεο 6864,8448 θαη 10032 MHz ζα είλαη θαη ην ηειηθφ). Γηα ζήκα ζηελ έμνδφ ηνπ ζπρλφηεηαο 8448MHz ηζρχεη, 118 £𝑕𝑚𝑐 347𝑙𝑝 3 106 2 𝑑𝐵 = £𝑕𝑚𝑐 441 106 𝑑𝐵 = −116.32 𝑑𝐵 3.50 Δλψ γηα ζήκα ζηελ έμνδφ ηνπ ζπρλφηεηαο 6864 ή 10032 MHZ ηζρχεη , £𝑕𝑚𝑐 347𝑙𝑝 3 2 106 𝑑𝐵 = £451𝑙𝑐3 10032 106 𝑑𝐵 = £451𝑙𝑐3 6864 106 𝑑𝐵 £𝑕𝑚𝑐 347𝑙𝑝 3 2 106 𝑑𝐵 = £451𝑙𝑐3 10032 106 𝑑𝐵 = £451𝑙𝑐3 6864 106 𝑑𝐵 − 91.33 𝑑𝐵 3.51 ΢ηελ ζπλέρεηα ε έμνδνο ηνπ δηαθφπηε απηνχ νδεγείηαη ζηελ LO είζνδν ησλ κεηθηψλ hmc520lc4(2) θαη hmc520lc44(3). H IF είζνδνο ησλ κεηθηψλ απηψλ είλαη ε έμνδνο ηνπ δηαηξέηε hmc364s8g(4) ζηα 528 MHz. Με ρξήζε ηεο εμίζσζεο 3.39 κπνξνχκε λα ππνινγίζνπκε ηνλ ζφξπβν θάζεο ζηελ έμνδν ησλ δχν κεηθηψλ (ηα πβξηδηθά επεξεάδνπλ ειάρηζηα ηνλ ζφξπβν θάζεο θαη γηα ηνλ ιφγν απηφ δελ ιακβάλνληαη ππφςε ζηελ αλάιπζε). Γηα LO ζήκα ζπρλφηεηαο 8448MHz ζπλεπψο γηα ζήκαηα εμφδνπ ζηηο ζπρλφηεηεο 7920 θαη 8976MHz ηζρχεη, £𝑜𝑅𝐹 𝑓𝑚 𝑑𝐵 = 10 · log 10 £𝑕𝑚𝑐 520(2) 106 3.33 3.50 𝑑𝐵 £𝑕𝑚𝑐 520(2) 106 £𝑖𝐼𝐹 𝑓𝑚 𝑑𝐵 10 = £𝑕𝑚𝑐 520(3) 106 𝑑𝐵 + 10 𝑑𝐵 = £𝑕𝑚𝑐 520(3) 106 £𝑖𝐿𝑂 𝑓𝑚 𝑑𝐵 10 = 10 log 10 𝑑𝐵 £528 (10 6 )𝑑𝐵 10 = −92.32 𝑑𝐵 + 10 £𝑕 𝑚𝑐 347 𝑙𝑝 3(2) (10 6 )𝑑𝐵 10 3.52 Δλψ γηα LO ζήκα ζπρλφηεηαο 6864 ή 10032 MHz ζπλεπψο γηα ζήκαηα εμφδνπ ζηηο ζπρλφηεηεο 6336,7392 θαη 9504 MHz ηζρχεη, 119 £𝑜𝑅𝐹 𝑓𝑚 𝑑𝐵 = 10 · log 10 £𝑕𝑚𝑐 520(2) 106 3.33 3.51 𝑑𝐵 £𝑕𝑚𝑐 520(2) 106 £𝑖𝐼𝐹 𝑓𝑚 𝑑𝐵 10 = £𝑕𝑚𝑐 520(3) 106 𝑑𝐵 + 10 £𝑖𝐿𝑂 𝑓𝑚 𝑑𝐵 10 = 10 log 10 𝑑𝐵 = £𝑕𝑚𝑐 520(3) 106 𝑑𝐵 £528 (10 6 )𝑑𝐵 10 + 10 = −88.79 𝑑𝐵 £𝑕 𝑚𝑐 347 𝑙𝑝 3(2) (10 6 )𝑑𝐵 10 3.53 Η έμνδνο ησλ δχν απηψλ κεηθηψλ νδεγείηαη ζηνλ SPDT δηαθφπηε hmc347lp3(3), (ν ζφξπβνο θάζεο παξακέλεη ακεηάβιεηνο) θαη ζηε ζπλέρεηα ε έμνδνο ηνπ δηαθφπηε απηνχ εληζρχεηαη απφ ηνλ hmc451lc3(2). Όπσο πξναλαθέξζεθε γηα ηνλ εληζρπηή απηφλ ηζρχεη πσο 𝑓𝑐 = 18𝐺𝐻𝑧, 𝐹 = 7𝑑𝐵 ελψ απφ ηνλ πίλαθα 3.10 βξίζθνπκε ηα επίπεδα ηζρχνο ζηηο ζπρλφηεηεο 6336, 7392, 7920, 8976 θαη 9504MHz. Με ρξήζε ηεο εμίζσζεο 3.34 ππνινγίδνπκε ηνλ ζφξπβν θάζεο ζηελ έμνδν ηνπ hmc451lc3(2) ην νπνίν ζα είλαη θαη ην ηειηθφ γηα ηηο παξαπάλσ ζπρλφηεηεο αθνχ ζηε ζπλέρεηα ην ζήκα απηφ νδεγείηαη δηαδνρηθά ζηνπο hmc347lp3(5) θαη hmc347lp3(7) νη νπνίνη δελ επεξεάδνπλ ηνλ ζφξπβν θάζεο. Πίνακαρ 3.16. Θφξπβνο θάζεο γηα ηηο κπάληεο 2,3 θαη 4. Frequency(MHz) Phase Noise(dBc/Hz) £𝟔𝟑𝟑𝟔 𝟏𝟎𝟔 𝒅𝑩 −88.78 £𝟔𝟖𝟔𝟒 𝟏𝟎𝟔 𝒅𝑩 −91.33 £𝟕𝟑𝟗𝟐 𝟏𝟎𝟔 𝒅𝑩 −88.78 £𝟕𝟗𝟐𝟎 𝟏𝟎𝟔 𝒅𝑩 −92.31 £𝟖𝟒𝟒𝟖 𝟏𝟎𝟔 𝒅𝑩 −116.32 £𝟖𝟗𝟕𝟔 𝟏𝟎𝟔 𝒅𝑩 −92.31 £𝟗𝟓𝟎𝟒 𝟏𝟎𝟔 𝒅𝑩 −88.78 £𝟏𝟎𝟎𝟑𝟐 𝟏𝟎𝟔 𝒅𝑩 −91.33 120 Απνκέλεη λα ππνινγίζνπκε ηνλ ζφξπβν θάζεο γηα ζήκαηα ησλ ζπρλνηήησλ ηεο πξψηεο κπάληαο. Γειαδή ηνλ ζφξπβν θάζεο ζηα 3696 ,4224 θαη 4752 MHz. Απφ ην ζρήκα Α1 παξαηεξνχκε πσο ε έμνδνο ηνπ εληζρπηή hmc311lp3(1) νδεγείηαη ζηελ LO είζνδν ησλ κεηθηψλ hmc620lc4(1) θαη hmc620lc4(2) . Η IF είζνδνο ησλ κεηθηψλ απηψλ είλαη ε έμνδνο ηνπ hmc364s8g(4) ζηα 528 MHz. Με ρξήζε ηεο εμίζσζεο 3.39 κπνξνχκε λα ππνινγίζνπκε ηνλ ζφξπβν θάζεο ζηελ έμνδν ησλ κεηθηψλ γηα ηηο ζπρλφηεηεο 3696 θαη 4752 MHz. £𝑜𝑅𝐹 𝑓𝑚 £𝑕𝑚𝑐 620 3.33 3.36 𝑑𝐵 1 = 10 · log 10 106 £𝑕𝑚𝑐 620 1 𝑑𝐵 106 £𝑖𝐼𝐹 𝑓𝑚 𝑑𝐵 10 = £𝑕𝑚𝑐 620 𝑑𝐵 2 106 = £𝑕𝑚𝑐 620 2 + 10 𝑑𝐵 £𝑖𝐿𝑂 𝑓𝑚 𝑑𝐵 10 = 10 · log 10 106 𝑑𝐵 £528 10 6 𝑑𝐵 10 + 10 = −92.27 £𝑕 𝑚𝑐 311 1 10 6 𝑑𝐵 10 3.54 Σα ζήκαηα απηά αθνχ πεξάζνπλ απφ ηνλ δηαθφπηε hmc347lp3(4) εληζρχνληαη απφ ηνλ hmc311lp3(3). Με ρξήζε ηεο εμίζσζεο 3.34 ππνινγίδνπκε ηνλ ζφξπβν θάζεο ζηελ έμνδν ηνπ εληζρπηή ην νπνίν ζα είλαη θαη ην ηειηθφ γηα ηηο παξαπάλσ ζπρλφηεηεο αθνχ ζηε ζπλέρεηα ην ζήκα απηφ νδεγείηαη δηαδνρηθά ζηνπο hmc347lp3(6) θαη hmc347lp3(7) νη νπνίνη δελ επεξεάδνπλ ην ζφξπβν θάζεο. Σα απνηειέζκαηα θαίλνληαη ζηνλ πίλαθα 3.17. Πίνακαρ 3.17. Θφξπβνο θάζεο γηα ηελ κπάληα 1. Frequency(MHz) Phase Noise(dBc/Hz) £𝟑𝟔𝟗𝟔 𝟏𝟎𝟔 𝒅𝑩 −92.26 £𝟒𝟐𝟐𝟒 𝟏𝟎𝟔 𝒅𝑩 −110.38 £𝟒𝟕𝟓𝟐 𝟏𝟎𝟔 𝒅𝑩 −92.26 Ο πίλαθαο 3.18 παξνπζηάδεη ηνλ ζφξπβν θάζεο γηα φιεο ηηο ζπρλφηεηεο ηνπ ζπλζέηε ζπρλνηήησλ. 121 Πίνακαρ 3.18. Θφξπβνο θάζεο ζηελ έμνδν ηνπ ζπλζέηε ζπρλνηήησλ. Frequency(MHz) Phase Noise £𝟑𝟔𝟗𝟔 𝟏𝟎𝟔 𝒅𝑩 −92.26 £𝟒𝟐𝟐𝟒 𝟏𝟎𝟔 𝒅𝑩 −110.38 £𝟒𝟕𝟓𝟐 𝟏𝟎𝟔 𝒅𝑩 −92.26 £𝟔𝟑𝟑𝟔 𝟏𝟎𝟔 𝒅𝑩 −88.78 £𝟔𝟖𝟔𝟒 𝟏𝟎𝟔 𝒅𝑩 −91.33 £𝟕𝟑𝟗𝟐 𝟏𝟎𝟔 𝒅𝑩 −88.78 £𝟕𝟗𝟐𝟎 𝟏𝟎𝟔 𝒅𝑩 −92.31 £𝟖𝟒𝟒𝟖 𝟏𝟎𝟔 𝒅𝑩 −116.32 £𝟖𝟗𝟕𝟔 𝟏𝟎𝟔 𝒅𝑩 −92.31 £𝟗𝟓𝟎𝟒 𝟏𝟎𝟔 𝒅𝑩 −88.78 £𝟏𝟎𝟎𝟑𝟐 𝟏𝟎𝟔 𝒅𝑩 −91.33 Απφ ηνλ παξαπάλσ πίλαθα παξαηεξνχκε πσο ν κεγαιχηεξνο ζφξπβνο θάζεο εκθαλίδεηαη θαηά ηελ παξαγσγή ησλ ζπρλνηήησλ 6336, 7392 , 9504 MHz ην νπνίν είλαη -88.78 dBC/Hz . Άξα γηα ηελ ζχλζεζε θάζε κίαο απφ ηηο έληεθα ζπρλφηεηεο πεηπραίλνπκε 𝑃𝑕𝑎𝑠𝑒 𝑁𝑜𝑖𝑠𝑒 < −86.5 dBc/Hz. Απφ εμνκνίσζε πνπ έγηλε ζην ADS πήξακε ηα δηαγξάκκαηα 3.40-4.45 φπνπ παξνπζηάδεηαη ν ζφξπβνο θάζεο ζηελ έμνδν ηνπ ζπζηήκαηφο. Οη κηθξέο δηαθνξέο ζηηο ηηκέο ζε ζχγθξηζε κε απηέο πνπ παξνπζηάδνληαη ζηνλ πίλαθα 3.18 νθείινληαη ζην φηη ζην ADS ιάβακε ππφςε κφλν ηελ επίδξαζε ηνπ PLL, ησλ κηθηψλ θαη ησλ δηαηξεηψλ ζηνλ ζφξπβν θάζεο ηνπ ζπζηήκαηφο καο αθνχ φπσο πξναλαθέξζεθε νη εληζρπηέο, νη δηαθφπηεο, ηα πβξηδηθά θαη ηα θίιηξα επεξεάδνπλ ειάρηζηα ην phase noise. 122 PhaseNoise_8448 -40 m1 freq=1.000MHz PhaseNoise_8448=-116.421 -60 -80 -100 m1 -120 -140 1E2 1E3 1E4 1E5 1E6 1E7 freq, Hz ΢σήμα 3.40. Θφξπβνο θάζεο γηα ζήκα εμφδνπ ζπρλφηεηαο 8448MHz. PhaseNoise_4224 -40 m2 freq=1.000MHz PhaseNoise_4224=-110.400 -60 -80 m2 -100 -120 -140 1E2 1E3 1E4 1E5 1E6 1E7 freq, Hz ΢σήμα 3.41. Θφξπβνο θάζεο γηα ζήκα εμφδνπ ζπρλφηεηαο 4224MHz. 123 PhaseNoise_6864_10032 -20 m1 freq=1.000MHz PhaseNoise_6864_10032=-91.356 -40 -60 m1 -80 -100 -120 1E2 1E3 1E4 1E5 1E6 1E7 freq, Hz ΢σήμα 3.42. Θφξπβνο θάζεο γηα ζήκα εμφδνπ ζπρλφηεηαο 6864 ή 10032 MHz. PhaseNoise_3696_4752 -20 m1 freq=1.000MHz PhaseNoise_3696_4752=-92.271 -40 -60 m1 -80 -100 -120 1E2 1E3 1E4 1E5 1E6 1E7 freq, Hz ΢σήμα 3.43. Θφξπβνο θάζεο γηα ζήκα εμφδνπ ζπρλφηεηαο 3696 ή 4752 MHz. 124 PhaseNoise_7920_8976 -20 m1 freq=1.000MHz PhaseNoise_7920_8976=-92.322 -40 -60 m1 -80 -100 -120 1E2 1E3 1E4 1E5 1E6 1E7 freq, Hz PhaseNoise_6336_7392_9504 ΢σήμα 3.44. Θφξπβνο θάζεο γηα ζήκα εμφδνπ ζπρλφηεηαο 7920 ή 8976 MHz. -20 m1 freq=1.000MHz PhaseNoise_6336_7392_9504=-88.809 -40 -60 m1 -80 -100 -120 1E2 1E3 1E4 1E5 1E6 1E7 freq, Hz ΢σήμα 3.45. Θφξπβνο θάζεο γηα ζήκα εμφδνπ ζπρλνηήησλ 6336,7392 θαη 9504 MHz. 125 3.7 Τπολογιζμόρ ηων spurious ζςνιζηωζών. Όπσο θαη ζε άιια ηειεπηθνηλσληαθά ζπζηήκαηα, έηζη θαη ζην δηθφ καο, νη πην βιαβεξέο spurious ζπληζηψζεο ηνπ LO ζήκαηνο είλαη απηέο πνπ εκθαλίδνληαη ζε απφθιηζε ζπρλφηεηαο πνιιαπιάζηα ηνπ δηαζηήκαηνο ηνπ θαλαιηνχ (ζηελ δηθηά καο πεξίπησζε, 528 MHz). Απφ [16] δηαπηζηψζεθε πσο γηα ακειεηέα ππνβάζκηζε ζηελ επαηζζεζία (< 0.1 𝑑𝐵) ν ιφγνο ηνπ θέξνληνο (carrier) πξνο ηνλ παξεκβνιέα (Interferer) πξέπεη λα είλαη ηνπιάρηζηνλ 24dB. Αλ εκθαληζηνχλ δχν interferers κε ίδην επίπεδν ηζρχνο ηφηε θάζε κία πξέπεη λα είλαη ηνπιάρηζηνλ 27dB θάησ απφ ην ζήκα πνπ καο ελδηαθέξεη. ΢πλεπψο γηα λα απνθεπρζνχλ πξνβιήκαηα απφ άιιεο UWB κεηαδφζεηο πνπ θηάλνπλ ζηελ θεξαία ηνπ δέθηε κε παξφκνηα επίπεδα ηζρχνο πξέπεη νη spurious ζπληζηψζεο ηνπ ζπλζέηε ζπρλνηήησλ λα έρνπλ επίπεδα ηζρχνο ηνπιάρηζηνλ 24dB θάησ απφ ηελ ηζρχ ηνπ ζήκαηνο ελδηαθέξνληνο. Απφ εμνκνίσζε ηνπ ζπζηήκαηφο καο ζην ADS ιάβακε ην θάζκα εμφδνπ ηνπ ζπλζέηε γηα ηηο έληεθα ζπρλφηεηεο πνπ καο ελδηαθέξνπλ (ζρήκαηα 3.46-3.56). ΢ηνλ πίλαθα 3.19 παξνπζηάδνληαη αλαιπηηθά ηα επίπεδα ηζρχνο ησλ πην ζεκαληηθψλ spurious ζπληζησζψλ. 30 m1 dBm(Fout) 0 m1 freq=3.696GHz dBm(Fout)=2.914 -30 -60 -90 -120 -150 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 freq, GHz ΢σήμα 3.46. Φάζκα εμφδνπ ζήκαηνο ζπρλφηεηαο 3696 MHz. 126 30 m1 dBm(Fout) 0 m1 freq=4.224GHz dBm(Fout)=6.289 -30 -60 -90 -120 -150 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 freq, GHz ΢σήμα 3.47. Φάζκα εμφδνπ ζήκαηνο ζπρλφηεηαο 4224 MHz. 30 m1 m1 freq=4.752GHz dBm(Fout)=-3.320 dBm(Fout) 0 -30 -60 -90 -120 -150 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 freq, GHz ΢σήμα 3.48. Φάζκα εμφδνπ ζήκαηνο ζπρλφηεηαο 4752 MHz. 127 30 m1 freq=6.336GHz dBm(Fout)=8.042 dBm(Fout) 0 m1 -30 -60 -90 -120 -150 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 freq, GHz ΢σήμα 3.49. Φάζκα εμφδνπ ζήκαηνο ζπρλφηεηαο 6336 MHz. 30 m1 dBm(Fout) 0 m1 freq=6.864GHz dBm(Fout)=7.822 -30 -60 -90 -120 -150 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 freq, GHz ΢σήμα 3.50. Φάζκα εμφδνπ ζήκαηνο ζπρλφηεηαο 6864 MHz. 128 30 0 dBm(Fout) m1 m1 freq=7.392GHz dBm(Fout)=10.308 -30 -60 -90 -120 -150 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 freq, GHz ΢σήμα 3.51. Φάζκα εμφδνπ ζήκαηνο ζπρλφηεηαο 7392 MHz. 30 m1 m1 freq=7.920GHz dBm(Fout)=2.751 dBm(Fout) 0 -30 -60 -90 -120 -150 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 freq, GHz ΢σήμα 3.52. Φάζκα εμφδνπ ζήκαηνο ζπρλφηεηαο 7920 MHz. 129 30 m1 m1 freq=8.448GHz dBm(Fout)=1.514 dBm(Fout) 0 -30 -60 -90 -120 -150 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 11 12 freq, GHz ΢σήμα 3.53. Φάζκα εμφδνπ ζήκαηνο ζπρλφηεηαο 8484 MHz. m1 30 m1 freq=8.976GHz dBm(Fout)=14.349 dBm(Fout) 0 -30 -60 -90 -120 -150 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 freq, GHz ΢σήμα 3.54. Φάζκα εμφδνπ ζήκαηνο ζπρλφηεηαο 8976 MHz. 130 m1 m1 freq=9.504GHz dBm(Fout)=14.597 30 dBm(Fout) 0 -30 -60 -90 -120 -150 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 11 12 freq, GHz ΢σήμα 3.55. Φάζκα εμφδνπ ζήκαηνο ζπρλφηεηαο 9504 MHz. 30 m1 freq=10.03GHz dBm(Fout)=7.273 dBm(Fout) 0 m1 -30 -60 -90 -120 -150 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 freq, GHz ΢σήμα 3.56.Φάζκα εμφδνπ ζήκαηνο ζπρλφηεηαο 10032 MHz. 131 Πίνακαρ 3.19. Δπίπεδα ηζρχνο (dBm) ησλ spurious ζπληζησζψλ πνπ παξάγνληαη θαηά ηελ ζχλζεζε θάζε κίαο απφ ηηο έληεθα ζπρλφηεηεο ηνπ ζπζηήκαηφο καο. 3696 (2.914dBm) 4224 (6.289dBm) -22.736 (4224) - -31.845(4752) -35.468(8448) - - 4752 (-3.320dBm) -26.512 (3696) -27.053(4224) - 6336 (8.042dBm) -14.469 (7392) -22.232(6864) -32.271(2640) - - - 7392 (10.308dBm) -7.934 (11.09) -24.622(6864) -24.841(6336) 7920 (2.751dBm) -19.547 (4224) -31.125(8448) -36.294(9504) - - - 8976 (14.349dBm) -39.410(7920) - 9504 (14.597dBm) -22.622(5808) -25.807(11.09) -26.503(10032) 10032 (7.273dBm) -30.258(9504) -30.488(6864) -39.698(8448) 6864 (7.822dBm) 8448 (1.514dBm) Όπσο θαίλεηαη απφ ηνλ παξαπάλσ πίλαθα θαηά ηελ ζχλζεζε ησλ ζπρλνηήησλ 4224 θαη 8448MHz δελ παξάγνληαη θαζφινπ spurs. Απηφ ζπκβαίλεη δηφηη ε ζπρλφηεηα 8448 MHz είλαη ε ζπρλφηεηα ηνπ VCO ελψ ε 4224 MHz είλαη ε ζπρλφηεηα ηνπ πξψηνπ δηαηξέηε κε ην δχν ηεο αιπζίδαο ηνπ PLL (εκθαλίδνληαη θαηεπζείαλ ζηελ έμνδν). Πξέπεη λα ηνληζηεί πσο εμαηηίαο ησλ θίιηξσλ πνπ έρνπκε ρξεζηκνπνηήζεη γηα ηελ θαηαζθεπή ηνπ ζπζηήκαηφο καο, δελ εκθαλίδνληαη πνιιά spurs. Οη spurious ηφλνη ηνπ ζπλζέηε πνπ βξίζθνληαη εθηφο ηνπ UWB θάζκαηνο κπνξνχλ λα πξνθαιέζνπλ παξεκβνιέο ζε άιια ζπζηήκαηα επηθνηλσλίαο. Σν θαηλφκελν απηφ κπνξεί λα εμαιεηθζεί κε νξζή ζρεδίαζε ησλ θεξαηψλ θαη off-chip θίιηξα. Απφ ηνλ πίλαθα 3.15 παξαηεξνχκε πσο ν ζπλζέηεο ζπρλνηήησλ παξάγεη spur ζηε ζπρλφηεηα 5808 MHz ε νπνία εκπίπηεη ζηελ U-NII κπάληα. Δίλαη ζεκαληηθφ λα ηνληζηεί πσο ν ζπλζέηεο δελ παξάγεη θαζφινπ spurs ζην θάζκα ησλ 800 έσο 2000 MHz πνπ δηαηίζεηαη γηα ηα πξφηππα GSM, DECT θαη GPS. 132 ΚΔΦΑΛΑΙΟ 𝟒𝒐 ΤΛΟΠΟΙΗ΢Η ΣΟΤ PLL ΢Δ ΠΛΑΚΔΣΑ 2 ΟΦΔΧΝ 4.1.Μέθοδοι ζσεδιαζμού ηςπωμένων κςκλωμάηων. Τπάξρνπλ ηέζζεξηο θαηεγνξίεο θαηαζθεπήο πιαθεηψλ ηππσκέλσλ θπθισκάησλ. 1. Πιαθέηεο κε ηππσκέλν θχθισκα κίαο φςεο. Ο ηχπνο απηφο ηεο πιαθέηαο είλαη ν πην θνηλφο θαη ηζηνξηθά ν πξψηνο πνπ επηθξάηεζε. Οη δηαδξνκέο ραιθνχ θαη νη ράιθηλεο επηθάλεηεο ππάξρνπλ κφλν ζηελ θάησ πιεπξά ηεο πιαθέηαο, ελψ ζηελ επάλσ ηνπνζεηνχληαη ηα εμαξηήκαηα. Οη νπέο πνπ ηνπνζεηνχληαη ηα εμαξηήκαηα δελ θέξνπλ επηκεηάιισζε (Plated Thru). 2. Πιαθέηεο κε ηππσκέλν θχθισκα δχν φςεσλ. Ο ηχπνο απηφο ηεο πιαθέηαο είλαη επίζεο πνιχ θνηλφο θαη ηζηνξηθά ν πξψηνο πνπ επηθξάηεζε. Οη δηαδξνκέο ραιθνχ θαη νη ράιθηλεο επηθάλεηεο ππάξρνπλ θαη ζηε άλσ θαη ζηε θάησ κεξηά ηεο πιαθέηαο. Απφ ην 1955 πνπ ζπζηήκαηα επηκεηάιισζεο νπψλ άξρηζαλ λα θπθινθνξνχλ, ε βηνκεραλία άξρηζε λα θαηαζθεπάδεη πιαθέηεο κε ηππσκέλν θχθισκα δχν φςεσλ θαη κε επηκεηάιισζε ησλ νπψλ. ΢ήκεξα ε ηερληθή επηκεηάιισζεο νπψλ έρεη επηθξαηήζεη παληνχ. 3. Πιαθέηεο κε ηππσκέλν θχθισκα πνιιαπιψλ επηπέδσλ. Η ζχλδεζε ησλ ράιθηλσλ δηαδξνκψλ ησλ επηπέδσλ γίλεηαη κε επηκεηαιισκέλεο νπέο, απφ ηηο νπνίεο δηέξρνληαη νη αθξνδέθηεο ησλ εμαξηεκάησλ. ΢ήκεξα ε βηνκεραλία θαηαζθεπάδεη επηηπρψο πιαθέηεο κέρξη 18 επηπέδσλ. Οη ιφγνη πνπ αλάγθαζαλ ηελ βηνκεραλία ζηελ ρξήζε πιαθεηψλ πνιιαπιψλ επηπέδσλ ηππσκέλνπ θπθιψκαηνο ήηαλ ε αχμεζε ηεο ππθλφηεηαο ησλ εμαξηεκάησλ επί ησλ πιαθεηψλ, ε ειάηησζε ηνπ φγθνπ ησλ ειεθηξνληθψλ θαη ε κεγαιχηεξε αμηνπηζηία. Πιαθέηεο απηνχ ηνπ ηχπνπ έρνπλ επηθξαηήζεη πεξηζζφηεξν ζε ζηξαηησηηθέο εθαξκνγέο. Παξφια ηα πιενλεθηήκαηα ησλ πιαθεηψλ απηψλ, ην κεγάιν πιενλέθηεκά ηνπο είλαη φηη είλαη πνιχ δχζθνιε ή θαη αδχλαηε ε επηζθεπή ηνπο. 4.Δχθακπηεο πιαθέηεο ηππσκέλσλ θπθισκάησλ. Πνιιέο θνξέο γηα ηελ ζχλδεζε ειεθηξνληθψλ βαζκίδσλ κε πνιινχο αγσγνχο ρξεζηκνπνηνχληαη εχθακπηεο ηαηλίεο κνλσηηθνχ πιηθνχ πνπ θέξνπλ ελζσκαησκέλνπο πνιιαπινχο ράιθηλνπο αγσγνχο κίαο ή πεξηζζφηεξσλ 133 ζηξψζεσλ. ΢ηα άθξα ησλ εχθακπησλ ηαηληψλ ηνπνζεηνχληαη θαηάιιεια βχζκαηα πνιιαπιψλ επαθψλ. ΢ηελ ηαηλία θαη ζηηο επαθέο ησλ ράιθηλσλ δηαδξνκψλ ηνπνζεηνχληαη θαη ζπγθνιινχληαη κηθξνζθνπηθά εμαξηήκαηα. Οη πιαθέηεο ηνπ ηχπνπ απηνχ έρνπλ κεγάιε επειημία θαη κπνξνχλ λα ελδνζπλδεζνχλ κεηαμχ βαζκίδσλ ειεθηξνληθψλ πνπ θέξνληαη ζε δηάθνξεο ζέζεηο ή επίπεδα εληφο κίαο ζπζθεπήο. Η επηζθεπή ησλ πιαθεηψλ ηνπ ηχπνπ απηνχ είλαη απφ δχζθνιε έσο θαη αδχλαηε. 4.2. Δξαπηήμαηα ζςμβαηικήρ ηεσνολογίαρ. Δμαξηήκαηα ζπκβαηηθήο ηερλνινγίαο νλνκάδνπκε ηα πάζεο θχζεσο εμαξηήκαηα πνπ θέξλνπλ αθξνδέθηεο ή πφδηα θαη πξννξίδνληαη γηα ηνπνζέηεζε ζε πιαθέηεο πνπ θέξλνπλ νπέο. Σα εμαξηήκαηα ζπκβαηηθήο ηερλνινγίαο δηαηξνχληαη ζε δχν θαηεγνξίεο. ΢ηελ πξψηε θαηεγνξία αλήθνπλ ηα παζεηηθά εμαξηήκαηα (Passive) φπσο αληηζηάζεηο, ππθλσηέο, πνηελζηφκεηξα, δηαθφπηεο βάζεηο θηι. ΢ηελ δεχηεξε θαηεγνξία αλήθνπλ ηα ελεξγά εμαξηήκαηα (Active), φπσο δίνδνη, ηξαλδίζηνξ, νινθιεξσκέλα θπθιψκαηα (IC), LSI (Large Scale Intergrated Circuits), φπσο κηθξνυπνινγηζηέο /κηθξνεπεμεξγαζηέο, δίνδνη ZENER, triacs θιπ. Δπίζεο, ηα ζπκβαηηθά εμαξηήκαηα δηαηξνχληαη ζε ηξεηο θαηεγνξίεο αλάινγα κε ηελ θαηαλνκή ησλ αθξνδεθηψλ. ΢ηελ πξψηε θαηεγνξία αλήθνπλ ηα εμαξηήκαηα πνπ θέξνπλ πιεπξηθνχο αθξνδέθηεο, φπσο αληηζηάζεηο, ππθλσηέο ράξηνπ, δίνδνη θηι. ΢ηελ θαηεγνξία απηή επνκέλσο αλήθνπλ εμαξηήκαηα κε αθξνδέθηεο αμνληθήο θαηαλνκήο (Axial Leaded). ΢ηελ δεχηεξε θαηεγνξία αλήθνπλ εμαξηήκαηα πνπ νη αθξνδέθηεο ηνπο βγαίλνπλ απφ ην θάησ κέξνο απηψλ αθηηληθψο, φπσο ηξαλδίζηνξ, ειεθηξνιπηηθνί ππθλσηέο, δηαθφπηεο θιπ θαη νλνκάδνληαη εμαξηήκαηα κε αθξνδέθηεο αθηηληθήο θαηαλνκήο (Radial Leaded). ΢ηελ ηξίηε θαηεγνξία αλήθνπλ εμαξηήκαηα πνπ θέξνπλ ζην θάησ κέξνο απηψλ δχν ζεηξέο αθξνδεθηψλ ζε παξάιιειε θαηαλνκή θαη νλνκάδνληαη Dual In Line. Σέηνηα εμαξηήκαηα είλαη ηα νινθιεξσκέλα θπθιψκαηα IC, LCI θιπ. ΢ην ζρήκα 4.1 θαίλνληαη εμαξηήκαηα ηεο θαηεγνξίαο Dual In Line θαη βάζεηο απηψλ. Σα Δμαξηήκαηα ζπκβαηηθήο ηερλνινγίαο έρνπλ σο θνηλφ ραξαθηεξηζηηθφ φηη θέξνπλ αθξνδέθηεο πνπ ηνπνζεηνχληαη ζηηο νπέο ησλ ηππσκέλσλ θπθισκάησλ θαη ζπγθνιινχληαη. Σα κεηνλεθηήκαηά ηνπο είλαη ηα εμήο. 134 ΢σήμα 4.1. Δμαξηήκαηα DUAL IN LINE θαη βάζεηο απηψλ. α. Απαηηνχζαλ νπέο ζηηο πιαθέηεο κεγάινπ κεγέζνπο θαη γηα πιαθέηεο κε ηερλνινγία Multilayer. Οη νπέο έπξεπε λα πεξλνχλ απφ φια ηα ζηξψκαηα ηεο πιαθέηαο πνπ νδεγνχζαλ ζε δπζθνιίεο θαη πεξηνξηζκνχο ζην ζρεδηαζκφ πιαθεηψλ. β. Οη πιαθέηεο είραλ αξθεηά κεγάιν κέγεζνο. γ. Γελ είλαη δπλαηή ε ηνπνζέηεζε ηζηπο ζηελ άιιε κεξηά ηεο πιαθέηαο. δ. Απαηηνχζαλ νπέο ζηηο πιαθέηεο πνπ ζπλήζσο ήηαλ επηκεηαιισκέλεο, κε απνηέιεζκα απμεκέλν θφζηνο θαηαζθεπήο πιαθεηψλ. Σα πιενλεθηήκαηά ηνπο είλαη ηα εμήο: α. Υαιαζκέλα εμαξηήκαηα κπνξνχζαλ εχθνια λα απνθνιιεζνχλ απφ ηηο πιαθέηεο θαη λέα εμαξηήκαηα λα ζπγθνιιεζνχλ εθ λένπ, ρσξίο λα ππάξρεη κεγάινο θίλδπλνο θαηαζηξνθήο ησλ νπψλ ηεο πιαθέηαο. Έηζη, ε ηερλνινγία αληηθαηάζηαζήο ηνπο ήηαλ απιή θαη νη ζπζθεπέο πνπ απαηηνχλην γηα ην ζθνπφ απηφ αξθεηά νηθνλνκηθέο. β. Τπήξρε ε δπλαηφηεηα ρξεζηκνπνίεζεο απιψλ βάζεσλ γηα ηε βπζκάησζε απηψλ ζηα ηππσκέλα θπθιψκαηα θπξίσο ζηελ πεξίπησζε IC ηζηπο, κηθξνυπνινγηζηψλ, κλεκψλ θιπ. γ. Γηα ηνλ έιεγρν θαη κέηξεζε ησλ εμαξηεκάησλ απηψλ ε δηαδηθαζία ήηαλ απιή. 135 4.2.1. Σα ππώηα εξαπηήμαηα επιθανειακήρ ζηήπιξηρ. Η βηνκεραλία γηα λα απνθχγεη ηηο δαπαλεξέο επηκεηαιισκέλεο νπέο επηλφεζε ηα πξψηα εμαξηήκαηα επηθαλεηαθήο ζηήξημεο, πνπ ηα νλφκαζε Flat Packs. Σα πιενλεθηήκαηα ησλ Flat Packs είλαη φηη κπνξνχζαλ λα ηνπνζεηεζνχλ θαη λα ζπγθνιιεζνχλ ζε πιαθέηεο άλεπ νπψλ. Σα κεηνλεθηήκαηα είλαη φηη απαηηνχζαλ κεγάιν ρψξν ζηηο πιαθέηεο ιφγσ ηνπ κεγάινπ κήθνπο ησλ αθξνδεθηψλ ηνπο θαη γηα ην ιφγν απηφ δελ επηθξάηεζαλ. 4.2.2. Δξελιγμένα εξαπηήμαηα Flat Packs μικπών διαζηάζεων 2-3 ποδιών. Με ηελ πάξνδν ησλ εηψλ εκθαλίζηεθαλ εμαξηήκαηα επηθαλεηαθήο ζηήξημεο πνιχ κηθξψλ δηαζηάζεσλ κε 2-3 πφδηα πνπ ήηαλ ε εμέιημε ησλ πξψησλ Flat Packs. Σέηνηα εμαξηήκαηα εκθαλίζηεθαλ σο δίνδνη θαη ηξαλδίζηνξ. ΢ην ζρήκα 4.2 θαίλεηαη ηξαλδίζηνξ επηθαλεηαθήο ζηήξημεο κε ηξεηο αθξνδέθηεο ζε ζπζθεπαζία ηχπνπ SOT-23. ΢σήμα 4.2. Σξαλδίζηνξο επηθαλεηαθήο ζηήξημεο κε ηξεηο αθξνδέθηεο. 4.2.3. Σζιπρ IC ζε ζςζκεςαζία επιθανειακήρ ζηήπιξηρ. Με ηνλ φξν IC (Intergrated Circuit) ελλννχκε ηα γλσζηά ηζηπο νινθιεξσκέλνπ ηχπνπ Dual In Line πνπ έρνπλ πιεπξηθά θάζεηα πφδηα γηα πιαθέηεο κε νπέο. Η εμέιημε ηεο 136 ζπζθεπαζίαο απηήο ζε IC επηθαλεηαθήο ζηήξημεο ηχπνπ SO (Small Outline) κε πιεπξηθέο κηθξέο επαθέο επηθαλεηαθήο ζηήξημεο πνπ θέξνπλ ζπλήζσο ηελ νλνκαζία Gull Wing. Δπίζεο αλαθέξνληαη κε ηελ νλνκαζία SOIC. Καηαζθεπάδνληαη ζπλήζσο γηα ηζηπο 8-28 πιεπξηθψλ επαθψλ. ΢ην ζρήκα 2.4 θαίλνληαη κεξηθά εμαξηήκαηα SOIC. ΢σήμα 4.3. Φσηνγξαθία εμαξηεκάησλ SOIC. 4.2.4. Δξαπηήμαηα επιθανειακήρ ζηήπιξηρ πολλών ακποδεκηών ηύπος QUAD FLAT. Η ζπζθεπαζία απηή αλαπηχρζεθε ζηελ Ιαπσλία. Οη πιεπξηθέο επαθέο επηθαλεηαθήο ζηήξημεο είλαη ηχπνπ Gull Wing θαη ππάξρνπλ ζε φιεο ηηο 4 πιεπξέο ηεο ζπζθεπαζίαο. Τπάξρνπλ ηέηνηα εμαξηήκαηα κε ζχλνιν αθξνδεθηψλ απφ 44 έσο 240. Σν κεηνλέθηεκα ησλ εμαξηεκάησλ Quad Flat Pack είλαη φηη νη πιεπξηθέο επαθέο είλαη πνιχ ιεπηέο θαη παξακνξθψλνληαη εχθνια θαηά ηελ ρξήζε. Δπίζεο νη απνζηάζεηο κεηαμχ ηνπο είλαη πνιχ κηθξέο, πξάγκα πνπ απαηηεί κεγάιε δεμηνηερλία πξνζνρή θαη αθξίβεηα ζηελ θαηαζθεπή ηππσκέλσλ θπθισκάησλ. ΢ην ζρήκα 4.4 παξνπζηάδεηαη ην παξαζηαηηθφ δηάγξακκα θαζψο θαη ε θσηνγξαθία ελφο ηέηνηνπ εμαξηήκαηνο. ΢σήμα 4.4. Παξαζηαηηθφ δηάγξακκα θαη θσηνγξαθία εμαξηεκάησλ FLAT PACK. 137 4.2.5. Δξαπηήμαηα επιθανειακήρ ζηήπιξηρ ζε ζςζκεςαζία ηύποςPLCC. Σα εμαξηήκαηα απηά ζπλήζσο εκθαλίδνληαη ζε ηεηξάγσλε θαη νξζνγψληα ζπζθεπαζία. Φέξνπλ επαθέο επηθαλεηαθήο ζηήξημεο ζε φιεο ηηο 4 πιεπξέο ηεο ζπζθεπαζίαο ηχπνπ J-LEADS. Ολνκάδνληαη J δηφηη νη επαθέο κνηάδνπλ κε ην αγγιηθφ θεθαιαίν γξάκκα J θαη πξνβάιινπλ πξνο ηα έζσ ηεο ζπζθεπαζίαο κφλνλ, θαη είλαη θαιά ζηεξεσκέλεο ζε απηή. Έηζη νη πιεπξηθέο επαθέο δελ θηλδπλεχνπλ λα παξακνξθσζνχλ θαηά ηνλ ρεηξηζκφ ησλ εμαξηεκάησλ. Σν κφλν κεηνλέθηεκα ησλ εμαξηεκάησλ απηψλ, πνπ ζπλήζσο νλνκάδνληαη PLCC είλαη φηη θαζίζηαηαη πνιχ δχζθνιή ε επηζεψξεζε ησλ επαθψλ J πξηλ θαη κεηά ηελ ζπγθφιιεζε. ΢ην ζρήκα 4.5 θαίλεηαη ην παξαζηαηηθφ δηάγξακκα θαη θσηνγξαθία ηέηνησλ εμαξηεκάησλ. ΢σήμα 4.5. Παξαζηαηηθφ δηάγξακκα θαη θσηνγξαθία εμαξηεκάησλ PLCC J LEAD. 4.2.6. Δξαπηήμαηα PLCC με επαθέρ J μόνο ζηιρ δύο πλεςπέρ. Σα εμαξηήκαηα απηά είλαη ζε νξζνγψληα ζπζθεπαζία θαη θέξνπλ 20 επαθέο J κφλν ζηηο δχν πιεπξέο. ΢πλήζσο ρξεζηκνπνηνχληαη γηα δπλακηθέο RAM. Φέξνπλ ηελ νλνκαζία SOJ θαη ην παξαζηαηηθφ δηάγξακκα θαζψο θαη θσηνγξαθία απηψλ θαίλεηαη ζην ζρήκα 4.6. 4.2.7. Δξαπηήμαηα επιθανειακήρ ζηήπιξηρ ηύπος LCCC. Σα εμαξηήκαηα ηχπνπ LCCC (Leadless Ceramic Chip Carrier) είλαη απφ θεξακηθφ πιηθφ. Γελ θέξνπλ πιεπξηθέο κεηαιιηθέο επαθέο. Οη πιεπξηθέο επαθέο δεκηνπξγνχληαη κε επηκεηάιισζε ζηηο πιεπξηθέο επηθάλεηεο ηεο θεξακηθήο ζπζθεπαζίαο. Οη πιεπξηθέο επηκεηαιισκέλεο επαθέο ζπγθνιινχληαη ζηηο αληίζηνηρεο επαθέο ηνπ ηππσκέλνπ θπθιψκαηνο κε 138 εηδηθή ηερλνινγία. Σν παξαζηαηηθφ δηάγξακκα θαη θσηνγξαθία εμαξηεκάησλ θαίλεηαη ζην ζρήκα 4.7. 4.2.8. Δξαπηήμαηα επιθανειακήρ ζηήπιξηρ ηύπος CLCC. Σα εμαξηήκαηα CLCC (Ceramic Leaded Chip Carrier) είλαη φκνηα κε ηα εμαξηήκαηα LCCC αιιά αληί ησλ επηκεηαιισκέλσλ πιεπξηθψλ επαθψλ θέξνπλ κεηαιιηθέο επαθέο ηχπνπ J. Δίλαη ζρεδηαζκέλα λα αληέρνπλ ζε κεηαβνιέο ζεξκνθξαζίαο. 4.2.9. Δξαπηήμαηα επιθανειακήρ ζηήπιξηρ δύο επαθών. Αληηζηάζεηο θαη ππθλσηέο θαη ειεθηξνιπηηθνί ππθλσηέο Tantalum είλαη εμαξηήκαηα επηθαλεηαθήο ζηήξημεο δχν επαθψλ. Οη δηαζηάζεηο ησλ εμαξηεκάησλ απηψλ είλαη πνιχ κηθξέο, ηεο ηάμεο 0.040 x 0.0.20 ηεο ίληζαο. Δπίζεο θπθινθνξνχλ δίνδνη θαη αληηζηάζεηο ζε ζπζθεπαζία θπιηλδξηθήο κνξθήο κε δχν επαθέο επηθαλεηαθήο ζηήξημεο ζηα άθξα ηνπο, πνπ θέξνληαη κε ηελ νλνκαζία MELF. (Metal Electrode Facebonded). ΢ην ζρήκα 4.8 θαίλνληαη εμαξηήκαηα ηνπ ηχπνπ απηνχ. 4.2.10. Πλεονεκηήμαηα εξαπηημάηων επιθανειακήρ ζηήπιξηρ Όπσο έρεη αλαθεξζεί κέρξη ηψξα ηα εμαξηήκαηα επηθαλεηαθήο ζηήξημεο θαηαζθεπάδνληαη ρσξίο θάζεηνπο αθξνδέθηεο, αιιά κφλν κε πιεπξηθέο επαθέο γηα ηέιεηα επαθή κε ηηο αληίζηνηρεο επαθέο ηεο πιαθέηαο. Σα εμαξηήκαηα απηά ζπλήζσο νλνκάδνληαη SMD (Surface Mounted Devices) ή SMC (Surface Mounted Components) θαη ε ηερλνινγία ηνπο SMT (Surface Mounted Technology). Σα πιενλεθηήκαηα πνπ παξέρνπλ είλαη ηα εμήο: α. ΢κίθξπλζε ηνπ κεγέζνπο ησλ πιαθεηψλ θαη αχμεζε ηεο ππθλφηεηαο ησλ εμαξηεκάησλ. Οη SMD πιαθέηεο έρνπλ πεξίπνπ ην 1/3 ησλ δηαζηάζεσλ ησλ πιαθεηψλ πνπ θέξνπλ ζπλήζε εμαξηήκαηα. β. Καηαξγνχληαη νη νπέο Plated Thru ζηηο πιαθέηεο, κε απνηέιεζκα αχμεζε ηεο 139 ππθλφηεηαο ησλ εμαξηεκάησλ θαη ελδνζπλδέζεηο ησλ πιαθεηψλ Μultilayer, κε κηθξήο δηακέηξνπο αγσγνχο πνπ θζάλνπλ κφλν ζην ζηξψκα πνπ επηζπκνχκε. γ. Παξέρεηαη ε δπλαηφηεηα ηνπνζέηεζεο ησλ εμαξηεκάησλ θαη ζηελ άιιε πιεπξά ηεο πιαθέηαο. δ. Σν θχθισκα ηνπνζεηείηαη ζην ρακειφ κέξνο ηνπ ηζηπ, θνληά ζηα ζεκεία ησλ επαθψλ ηνπ, κε απνηέιεζκα ηελ ειάηησζε ηεο απηεπαγσγήο θαη ηεο θαηαλεκεκέλεο ρσξεηηθφηεηαο ησλ αθξνδεθηψλ. ε. Αληέρνπλ ζε πςειφηεξεο ζεξκνθξαζίεο απφ ηα ζπλήζε ηζηπο. ΢σήμα 4.6. Παξαζηαηηθφ δηάγξακκα θαη θσηνγξαθία εμαξηεκάησλ ηχπνπ SOJ. ΢σήμα 4.7. Παξαζηαηηθφ δηάγξακκα θαη θσηνγξαθία εμαξηεκάησλ ηχπνπ LCCC. 140 ΢σήμα 4.8. Δμαξηήκαηα επηθαλεηαθήο ζηήξημεο, αληηζηάζεηο θαη ππθλσηέο. 4.3. Τλοποίηζη ηηρ πλακέηαρ για ηον βπόγσο κλειδωμένηρ θάζηρ. Έρνληαο νινθιεξψζεη ζε πξνεγνχκελα θεθάιαηα ηελ ζρεδίαζε, αλάιπζε θαη εμνκνίσζε πξνρσξήζακε ζηελ πινπνίεζε ηνπ ζπλζέηε ζπρλνηήησλ. Λφγσ ησλ θίιηξσλ VHF-8400 θαη VBFZ-6260+ πνπ ρξεζηκνπνηήζακε ε πινπνίεζε δελ κπνξεί λα γίλεη ζε κία πιαθέηα. Ο ιφγνο είλαη φηη ηα θίιηξα απηά είλαη coaxial πνπ ζεκαίλεη φηη πξέπεη λα θαηαζθεπαζηνχλ δχν πιαθέηεο πνπ ζα ζπλδένληαη κέζσ ησλ δχν απηψλ ησλ εμσηεξηθψλ θίιηξσλ. ΢ηα ζρήκαηα 4.9 θαη 4.10 παξνπζηάδνληαη ηα ζρέδηα ησλ δχν πιαθεηψλ. Η ζρεδίαζε έγηλε κε ηε βνήζεηα ηνπ πξνγξάκκαηνο OrCAD Capture CIS. Λφγσ θάπνηαο δπζθνιίαο θαηά ηελ παξαγγειία ησλ πβξηδηθψλ ηεο Merrimac ζεσξήζεθε ζθφπηκε ε πινπνίεζε κφλν ηνπ Phase Locked Loop πνπ απνηειεί έλα βαζηθφ κέξνο ηνπ ζπλζέηε ζπρλνηήησλ. Η ζρεδίαζε έγηλε κε ηελ βνήζεηα ηνπ πξνγξάκκαηνο OrCAD Capture CIS θαη παξνπζηάδεηαη ζην ζρήκα 4.11. ΢ηνλ πίλαθα 4.1 παξνπζηάδνληαη ηα εμαξηήκαηα πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ θαζψο θαη νη ηηκέο ηνπο. Η ζρεδίαζε ηεο πιαθέηαο ηνπ Phase Locked Loop έγηλε κε ηε βνήζεηα ηνπ πξνγξάκκαηνο OrCAD Layout Plus. Δίλαη πιαθέηα κε ηππσκέλν θχθισκα δχν φςεσλ πνπ ζεκαίλεη φηη νη δηαδξνκέο ραιθνχ θαη νη ράιθηλεο επηθάλεηεο ππάξρνπλ θαη ζηε άλσ θαη ζηελ θάησ κεξηά ηεο πιαθέηαο. ΢ην ζρήκα 4.12 παξνπζηάδεηαη ε δηάηαμε ησλ εμαξηεκάησλ πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ θαη νη ζπλδέζεηο απηψλ. ΢ηα ζρήκαηα 4.13 θαη 4.14 παξνπζηάδεηαη ε ηειηθή φςε ηεο πιαθέηαο γηα ην άλσ θαη θάησ επίπεδφ ηεο. 141 C50 C14 4 +5V C6 C15 U10 C49 hmc441lp3 R3 R4 U4 U1 HMC587LC4B C3 VCC REF NU NREF ND C8 2 Fout D R6 4 2 RFIN R14 Vtune RFOUT THS4031DGN +5V C4 11 U17 hmc521lc4 R13 9 C11 4 C52 NFout 11 C53 IF1 C12 10 11 12 13 14 A0 R11 C18 A1 A2 A3 VCO NVCO C28 C35 A4 +5V C20 15 16 C10 C42 HMC440QS16G VGG1 VGG2 +5V C21 +5V . . VHF-8400 C27 +5V C34 U5 hmc364s8g C41 U6 hmc364s8g R21 U7 hmc364s8g U8 hmc364s8g R22 4 C44 3 1 VCC OUT /OUT R19 IN /IN GND C36 4 5 3 7 1 8 VCC OUT /OUT IN /IN GND 4 C30 R17 5 3 7 1 8 VCC IN OUT /IN /OUT GND 4 C22 R16 5 3 7 1 VCC IN OUT /IN /OUT GND 5 7 8 C19 8 R15 C25 R18 R20 C29 C26 C33 C54 C40 C59 C39 C43 RBIAS 9 IF1 C58 VS VCC C56 U19 RF 4 . . VBFZ-6260 IF2 GND 11 L1 RBIAS VCC SMA CONNECTOR (6864MHz) LO 3 GND RFOUT RFIN 3 L2 VS C57 U16 hmc521lc4 10 GND 1,2,4-9,11-16 10 1,2,4-9,11-16 U11 hmc311lp3 RFOUT RFIN U13 hmc311lp3 SMA CONNECTOR (4224MHz) C55 U12 C63 IF1 LO2 C62 RF1 RF2 19 1 RFIN 22 BFCN-2900+ GND 3 C64 U15 RFOUT 3 7 5 GND /OUT /IN OUT IN VCC 1 C61 3 4 hmc364s8g 1,4,5,6 12 LO1 hmc340lp5 U14 6 8 IF2 SMA CONNECTOR (528MHz) U18 4 IF2 C13 C9 SMA CONNECTOR (10032MHz) RF 3,5,12,14,16 R7 6 + 15 RFout U3A 6 - 15 R8 3 GND 1 R9 2 3 29 R10 U R5 5 3,5,12,14,16 +5V 9 6 8 VCC 4 7 7 C7 12 15 R2 VDD R1 LO R12 C47 15 6A GND 74HC04 C51 VGG2 2Y 13 7 +5V VGG1 C48 SE3448-ND +5V C5 2A 6Y 7 3 12 SMA CONNECTOR (8448MHz) VDD U9 Y1 C60 Title PCB1(UWB FREQUENCY SY NTHESIZER) C65 Size A2 Date: Document Number <Doc> Thursday , February 18, 2010 Rev <Rev Code> Sheet +5V ΢σήμα 4.9. ΢ρέδην ηεο πξψηεο πιαθέηαο ηνπ UWB ΢πλζέηε ΢πρλνηήησλ. 142 1 of 1 VCC VCC R3 R4 VCC VCC VCC VCC VDD1 VDD1 R11 10 C7 9 11 LSB . . 10 11 B A GND 10 A 4 VS VCC VCC R5 R6 C56 RBIAS RF1 R8 OUT 3 RFC hmc347lp3 IF1 4 14 7 LSB . 1 QHZ-2A-528 9 11 IF1 RFC RF1 2,4,6,8,13,15 15 LO 1-8,10,12-14,16-23 4 C55 RF2 RF 3 3 C54 RFIN RFOUT 10 VCC 4 IF2 GND . 3 L1 1-8,10,12-14,16-23 USB U11 hmc521lc4 RFC RF1 B A RF IF2 GND 9 11 U13 hmc311lp3 hmc347lp3 RF2 1,2,4-9,11-16 1 QHZ-2A-528 10 U12 GND . U10 hmc521lc4 11 LSB 4 15 . 7 1 GND 2 7 10 U14 SMA CONNECTOR(4224MHz) LO USB SMA CONNECTOR(528MHz) 13 R7 14 U9 3 VDD2 VCC VCC RF2 4224 U8 2 16 VDD1 GND 14 QHZ-2A-528 3 hmc347lp3 GND 2 USB U18 1 U4 3 IF2 4 QHZ-2A-528 R14 4 11 . 3 B LSB RFC RF1 VCC VCC A . RF2 2,4,6,8,13,15 2 USB 7 R13 RF 1,2,3,5,6,7,8,10,12,13,14,16 U5 3 IF1 1,2,4,5,6,7,8,9,11,12,14,15 SMA CONNECTOR(6864MHz) 10 11 10 RFOUT B 13 RFOUT RFIN GND RFIN 3 hmc347lp3 2,4,6,8,13,15 3 hmc520lc4 GND 3 3 U17 14 2,4,6,8,13,15 C6 VDD2 VDD1 RFC RF1 16 10 11 B A RF2 2,4,6,8,13,15 7 GND 14 U2 hmc451lc3 hmc347lp3 RFC RF1 U7 SMA CONNECTOR(10032MHz) U1 C12 1,2,4,5,6,7,8,9,11,12,14,15 C5 RF2 7 2,4,6,8,13,15 C4 14 U16 hmc451lc3 hmc347lp3 15 C3 C11 LO C2 4 RF IF2 R2 C1 C10 GND IF1 1,2,3,5,6,7,8,10,12,13,14,16 R1 VDD1 9 11 10 A 11 U15 B U6 hmc520lc4 GND VDD1 C9 3 2,4,6,8,13,15 VCCVCC C8 GND RFC 15 RF2 RF1 R12 R10 LO 7 GND 14 R9 hmc347lp3 B A 11 U3 SMA CONNECTOR(8448MHz) Title PCB2(UWB FREQUENCY SY NTHESIZER) Size A3 Date: Document Number <Doc> Thursday , February 18, 2010 Rev <Rev Code> Sheet 1 of ΢σήμα 4.10. ΢ρέδην ηεο δεχηεξεο πιαθέηαο ηνπ UWB ΢πλζέηε ΢πρλνηήησλ. 143 1 U2 Y1 3 12 +5V 2A 6Y C17 C7 13 7 SE3448-ND +5V C16 2Y 4 C8 +5V C15 6A GND R12 74HC04 C12 C4 R5 R6 R7 R8 U4 U1 HMC587LC4B C9 8 REF NU NREF ND C2 +5V R1 1 R2 R3 R4 2 U Fout D R9 5 2 3 3 6 VCC 4 VCC R10 RFout - U3A 6 + THS4031DGN 4 OUT1 15 Vtune C18 +5V 7 C5 7 12 9 C10 C13 4 NFout C11 C3 C14 10 11 12 13 14 A0 R11 A1 A2 A3 VCO NVCO C23 15 C27 16 C33 A4 C1 C37 HMC440QS16G +5V +5V C22 +5V C26 +5V C32 U5 hmc364s8g C36 U6 hmc364s8g OUT5 U7 hmc364s8g U8 hmc364s8g 4 C6 3 1 C30 VCC IN OUT /IN /OUT GND 4 5 3 7 1 C28 VCC IN OUT /IN /OUT GND 4 5 3 7 1 C21 VCC OUT /OUT IN /IN GND 4 5 3 7 1 VCC IN OUT /IN /OUT GND 5 7 8 C19 8 C20 8 C24 8 C25 C29 C31 C34 C35 OUT4 OUT3 OUT2 Title PHASE LOCKED LOOP Size A3 Date: Document Number <Doc> Thursday , February 18, 2010 Rev <Rev Code> Sheet ΢σήμα 4.11. ΢ρέδην ηεο πιαθέηαο γηα ην Phase Locked Loop. 144 1 of 1 Πίνακαρ 4.1. Δμαξηήκαηα πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ γηα ηελ πινπνίεζε ηνπ PLL θαη νη ηηκέο ηνπο. C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 C11 C12 C13 C14 C15 C16 C17 C18 C19 C20 C21 C22 C23 C24 C25 C26 C27 C28 C29 C30 C31 C32 C33 C34 C35 C36 C37 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 100p 100p 100p 1000p 1000p 100p 4.7u 1000p 34n 34n 2190p 2190p 4.7u 1000p 1000p 4.7u 100p 100p 100p 100p 100p 1000p 10u 100p 100p 1000p 10u 100p 100p 100p 100p 1000p 10u 100p 100p 1000p 10u 10K 10K 10K 10K 200 200 20 20 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 CYLINDER SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 145 R9 R10 R11 R12 U1 U2 U3 U4 U5 U6 U7 U8 Y1 OUT1 OUT2 OUT3 OUT4 200 200 129 129 HMC440 74HC04 THS4031 HMC587 HMC364 HMC364 HMC364 HMC364 SE3448 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 SMD 0402 QS16G TSSOP14 S08 LC4B S8G S8G S8G S8G CYLINDER SMA CONNECTOR SMA CONNECTOR SMA CONNECTOR SMA CONNECTOR 146 ΢σήμα 4.12. ΢ρεδίαζε ηνπ Layout ηνπ Phase Locked Loop. 147 ΢σήμα 4.13. Σειηθή φςε ηνπ άλσ κέξνπο ηεο πιαθέηαο. 148 ΢σήμα 4.14. Σειηθή φςε ηνπ θάησ κέξνπο ηεο πιαθέηαο. 149 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] R. Fontana, ―A Brief History of UWB Communications,‖ online article, http://www.multispectral.com/history.html [2] Online article, http://www.fcc.gov/oet/info/rules [3] T. W. Barrett, ―History of UltraWideBand (UWB) Radar & Communications: Pioneers and Innovators,‖ in Proceedings of Progress in Electromagnetics Symposium 2000, Cambridge, Mass., July 2000. [4] C. L. Bennett and G. F. Ross, ―Time-Domain Electromagnetics and Its Applications,‖ in Proceedings of the IEEE 66, 1978, pp. 229–318. [5] I. J. Lahaie, ed., Ultrawideband Radar: SPIE Proceedings, vol. 1631, January 1992. [6] Online article, http://www.qsl.net/n9zia/fhss/02292387.pdf [7] J. McCorkle, ―A Tutorial on Ultrawideband Technology,‖ Doc. IEEE 802.15-00/082r0, March 2000. [8] J. Foerster, E. Green, S. Somayazulu, and D. Leeper, ―Ultra-Wideband Technology for Short- or Medium-Range Wireless Communications,‖ Intel Technology Journal, Q2, 2001. [9] S. S. Kolenchery, J. K. Townsend, and J. A. Freebersyser, ― A Novel Impulse Radio Network for Tactical Military Communications,‖ in Proceedings of IEEE Military Communications Conference, pp. 59–65, 1998. [10] L. Y. Astanin and A. A. Kostylev, ―Ultra Wideband Signals—A New Step in Radar Development,‖ IEEE AES Systems Magazine, March 1992, pp. 12–15. [11] H. F. Engler, Jr., ―Technical Issues in Ultra-Wideband Radar Systems,‖ in Introduction to Ultra-Wideband Radar Systems, J. D. Taylor, ed. Boston: CRC Press, 1994. [12] R. J. Fontana and S. J. Gunderson, ―Ultra-Wideband Precision Asset Location System,‖ in 2002 IEEE Conference on Ultra Wideband Systems and Technologies, Baltimore, Md., May 2002. [13] 2002 IEEE Conference on Ultra-Wideband Systems and Technologies, Baltimore, Md., May 2002. 150 [14] R. Fontana et al., ―Recent Advances in Ultra-Wideband Communications Systems,‖ in 2002 IEEE Conference on Ultra Wideband Systems and Technologies, Baltimore, Md., May 2002. [15] J. R. Davis, D. J. Baker, J. P. Shelton, and W. S. Ament, ―Some Physical Constraints on the Use of ‗Carrier-Free‘ Waveforms in Radio-Wave Transmission Systems,‖ in Proceedings of the IEEE, vol. 67, no. 6, June 1979, pp. 884–891. [16] E. Heyman, J. Shiloh, and B. Mandelbaum, eds., Ultra-Wideband ShortPulse Electromagnetics 4, New York: Plenum Press, 1999. [17] G. F. Ross, ―A Time-Domain Criterion for the Design of Wideband Radiating Elements,‖ IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 16, no. 3, 1968. [18] B. Noel, ed., Ultra-Wideband Radar: Proceedings of the First Los Alamos Symposium. Boston: CRC Press, 1991. [19] H. L. Bertoni, L. Carin, and L. B. Felsen, eds., Ultra-Wideband Short-Pulse Electromagnetics. New York: Plenum Press, 1993. [20] H. F. Harmuth, ―Frequency-Sharing and Spread-Spectrum Transmission with Large Relative Bandwidth,‖ IEEE Transactions on Electromagnetics Compatibility, vol. EMC-20, no. 1, February 1978, pp. 232–239. [21] G. Proakis, Digital Communications, 3rd Edition, New York, McGraw-Hill, 1995. [22] B. De Muer and M. Steyaert, CMOS Fractional-N Synthesizers. Design for High Spectral Purity and Monolithic Integration, Boston, Kluwer Academic Publishers, 2003. [23] L. Lin, Design Techniques for High Performance Integrated Frequency Synthesizers for Multi-Standard Wireless Communication Applications, Ph.D. Dissertation, University of California at Berkeley, 2000. [24] A. Hajimiri and T.H. Lee, ―A General Theory of Phase Noise in Electrical Oscillators‖, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 33, pp: 179-194, December 1998. [25] W. Rhee, ―Design of High Performance CMOS Charge Pumps in Phase Locked Loop‖, IEEE International Symp. On Circuits and Systems, vol. 1, pp: 545-548, 1999. [26] C.S. Voucher, Architectures for RF Frequency Synthesizers, Boston, Kluwer Academic Publishers, 2003. 151 [27] B. Razavi, RF Microelectronics, New Jersey, Prentice Hall, 1998. [28] B. Zhang, A 2.4GHz. Low Power, Fully-Integrated CMOS Frequency Synthesizer for Wireless Communications, Ph.D. Dissertation, Georgia Institute of Technology, Atlanta, 2001. [29] F. Gardner, Phaselock Techniques, New York, J. Wiley & Sons, 1979. [30] B. Leung, VLSI for Wireless Communications, Upple Saddle River, NJ, Prentice Hall, 2002. [31] Cochrane, J. B. and F. A. Marki. ‗Thin-Film Mixers Team Up to Block Out Image Noise,‖ Microwaves, March 1977, Vol. 16, No. 3. [32] Okean, H. C. and A. J. Kelly. ―Low-Noise Receiver Design Trends Using Stateofthe-Art Building Blocks,‖ IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, April 1977, Vol. MTT25, No. 4, p. 256. [33] Halford, B. R., ―Single-Sideband Mixers for Communication Systems,‖ 1982 IEEE MTT Symposium Digest, pp. 30-32. [34] A. Batra, J. Balakrishnan, G. R. Aiello, J. R. Foerster, and A. Dabak, ―Design of a multiband OFDM system for realistic UWB channel environments,‖ IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 52, no. 9, pp. 2123–2138, Sep. 2004. [35] ―First report and order, revision of part 15 of the Commission‘s rules regarding ultra-wideband transmission systems,‖ FCC,Washington, DC, ET Docket 98-153, Feb. 14, 2002. [36] A. Batra et al., ―Multi-band OFDM physical layer proposal for IEEE 802.15 Task Group 3a,‖ IEEE, Piscataway, NJ, IEEE P802.15-03/268r3TG3a, Mar. 2004. [37] R. Harjani, J. Harvey, and R. Sainati, ―Analog/RF physical layer issues for UWB systems,‖ in Proc. 17th Int. VLSI Design Conf., Jan. 2004, pp. 941–948. [38] ] R. Harjani, J. Harvey, and R. Sainati, ―Analog/RF physical layer issues for UWB systems,‖ in Proc. 17th Int. VLSI Design Conf., Jan. 2004, pp. 941–948. [39] A. Medi and W. Namgoong, ―A fully integrated multi-output CMOS frequency synthesizer for channelized receivers,‖ in Proc. IEEE Int. Systemson-Chip Conf., Sep. 2003, pp. 75–78. 152 [40] B. Razavi, T. Aytur, F.-R. Yang, R.-H. Yan, H.-C. Kang, C.-C. Hsu, and C.-C. Lee, ―A 0.13 _m CMOS UWB transceiver,‖ in IEEE Int. SolidState Circuits Conf. Tech. Dig., Feb. 2005, pp. 216–217. [41] D. Leenaerts, R. van de Beek, G. van der Weide, J. Bergervoet, K. S. Harish, H. Waite, Y. Zhang, C. Razzell, and R. Roovers, ―A SiGe BiCMOS 1 ns fast hopping frequency synthesizer for UWB radio,‖ in IEEE Int. Solid-State Circuits Conf. Tech. Dig., Feb. 2005, pp. 202–203. [42] J. Lee and D. Chiu, ―A 7-band 3–8 GHz frequency synthesizer with 1 ns band-switching time in 0.18 _m CMOS technology,‖ in IEEE Int. Solid-State Circuits Conf. Tech. Dig., Feb. 2005, pp. 204–205. [43] A. Batra, J. Balakrishnan, G. R. Aiello, J. R. Foerster, and A. Dabak, ―Design of a multiband OFDM system for realistic UWB channel environments,‖ IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 52, no. 9, pp. 2123–2138, Sep. 2004. [44] C. Lin and C. Wang, ―A regenerative semi-dynamic frequency divider for mode-1 MB-OFDM UWB hopping carrier generation,‖ in IEEE Int. Solid-State Circuits Conf. Tech. Dig., Feb. 2005, pp. 206–207. [45] A. Ismail and A. Abidi, ―A 3.1 to 8.2 GHz direct conversion receiver for MB-OFDM UWB communications,‖ in IEEE Int. Solid-State Circuits Conf. Tech. Dig., Feb. 2005, pp. 208–209. [46] Chinmaya Mishra, Alberto Valdes-Garcia, Faramarz Bahmani, Anuj Batra and Jose Silva-Martinez ―Frequency Planning and Synthesizer Architectures for Multiband OFDM UWB Radios― in IEEE Transections on Microwave theory and techniques, vol. 63, no. 12, December 2005 [48] http://www.hittite.com/ [49] Y. Koo, H. Huh, Y. Cho, J. Lee, J. Park, K. Lee, D. Jeong, and W. Kim, ―A Fully Integrated CMOS Frequency Synthesizer with Charge-Averaging Charge Pump th Loop Filter for PCS and Cellular CDMA Wireless Systems‖, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 37, pp: 536-542, May 2002. [50] S. Pamarti, L. Jansson and I. Galton, ―A Wideband 2.4-GHz Delta-Sigma Fractional-N PLL With 1-Mb/s In-Loop Modulation‖, IEEE Journal of SolidState Circuits, vol. 39, pp: 49- 62, January 2004. [51] H. Huh, et al., ―A CMOS Dual-Band Fractional-N Synthesizer with Reference 153 Doubler and Compensated Charge Pump‖, IEEE International Solid-State Circuits Conference, Digest of Technical Papers, pp: 100 - 101, 2004. [52] [53] [54] [55] L.M. Franca-Neto, P.E. Bishop and B.A. Bloechel, ―64GHz and 100GHz VCOs in 90nm CMOS Using Optimum Pumping Method‖, IEEE International SolidState Circuits Conference, Digest of Technical Papers, pp: 444 - 445, 2004. R.C. Liu, H.Y. Chang, C.H. Wang and H. Wang, ―A 63GHz VCO Using a Standard 0.25κm CMOS Process‖, IEEE International Solid-State Circuits Conference, Digest of Technical Papers, pp: 446 - 447, 2004. R. Aparicio and A. Hajimiri, ―Circular-Geometry Oscillators‖, IEEE International Solid-State Circuits Conference, Digest of Technical Papers, pp: 378 - 379, 2004. D. Ham and W. Andress, ―A Circular Standing Wave Oscillator‖, IEEE International Solid-State Circuits Conference, Digest of Technical Papers, pp: 380- 381, 2004. [56] http://www.minicircuits.com/pdfs/VHF-8400.pdf [57] B. Jung, and R. Harjani, ―A 20GH VCO with 5GHz Tuning Range in 0.25κm SiGe BiCMOS‖, IEEE International Solid-State Circuits Conference, Digest of Technical Papers, pp: 178 - 179, 2004. [42] N. H.W. Fong, J.O. Plouchart, N. Zamdmer, D. Liu, L.F. Wagner, C. Plett and N. G. Tarr, ‖Design of Wide-Band CMOS VCO for Multiband Wireless LAN Applications‖, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 38, pp: 1333 – 1342, August 2003. [58] http://media.digikey.com/pdf/Data%20Sheets/Epson%20PDFs/CA-301.pdf [60] http://www.datasheetarchive.com/THS4031DGN-datasheet.html [61] http://www.merrimacind.com/rfmw/data_sheets/Q/QHZ2A.pdf [62] PLL Performance, Simulation and Design Handbook 4th Edition [63] Petr VÁGNER, Petr KUTÍN X-Band PLL Synthesizer RADIOENGINEERING, VOL. 15, NO. 1, APRIL 2006 [64] SHOCKMAN, P. Phase Lock Loop General Operations. <http://onsemi.com>, ON Semiconductor Logic Applications Engineering, September 2003. [65] ROHDE, U. L. Synthesizer Design for Microwave Applications. <http://www.synergymwave.com>. Synergy Microwave Corporation 154 – Technical Articles, 1999. 51 p. [66] A. G. Armada, ―Understanding the effects of phase noise in orthogonal frequency division multiplexing (OFDM),‖ IEEE Trans. Broadcast., vol. 47, no. 2, pp. 153–159, Jun. 2001. [67] T. Pollet, M. V. Bladel, and M. Moeneclaey, ―BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset andWiener phase noise,‖ IEEE Trans. Commun., vol. 43, no. 2, pp. 191–193, Feb./Mar./Apr. 1995. [68] K. V. Puglia, ―Phase noise analysis of component cascades,‖ IEEE Micro, vol. 3, no. 4, pp. 71–75, Dec. 2002. [69] Wilds, R. B. ―Microwave Two-Phase Converters for Imageless Receivers,‖Microwave Journal, September 1961, Vol. 4, No. 9, pp. 84-87. [70] Neuf, D. and S. Spohrer. ―Conventional and New Applications for the Quadrature IF Microwave Mixer‖ Microwave Journal,January 1983, p. 103. 155 Hmc520lc4(2) ΠΑΡΑΡΣΗΜΑ Α Hmc587lc4B Wideband VCO Hmc347lp3(3) S Hmc451lc3(2) W Y Hmc441lp3 Medium Power Amplifier A Hmc347lp3(2) F IA Hmc347lp3(5) Q Hmc311lp3(1) HBT Gain Block B T VHF-8400 L Fout Hmc347lp3(1) Hmc347lp3(7) N Hmc311lp3(2) HBT Gain Block H Hmc520lc4(1) M O Hmc620lc4(1) BVFZ-6260+ BFCN-2900+ D Hmc364s8g(4) Divide-by-2 Hmc364s8g(3) Divide-by-2 Hmc520lc4(2) G Hmc521lc4 C Hmc440qs16g Phase-Freq-Detector w/5-Bit Counter Hmc451lc3(1) P Hmc364s8g(2) Divide-by-2 LPF Hmc364s8g(1) Divide-by-2 R I Hmc340lp5 J U Hmc347lp3(4) K Hmc364s8g(5) Divide-by-2 X Z Hmc311lp3(3) HBT Gain Block IB Hmc347lp3(6) E V Hmc620lc4(2) Se3448-nd Crystal 33MHz 18pF ΢ρήκα Α1. Γνκηθφ δηάγξακκα ηνπ UWB Frequency Synthesizer. 156 Πίλαθαο Α1. ΢πρλφηεηα, Ιζρχο θαη Phase Noise ζε θάζε θφκβν ηνπ θπθιψκαηφο καο. A F=8448MHz P = +5dBm £(𝟏𝟎𝟔 ) = -119.419 B F=4224MHz P=+3dBm £(𝟏𝟎𝟔 ) =-110.399 C F=2112MHz P=+5.5dBm £(𝟏𝟎𝟔 ) = -104.378 D F=1056MHz P=+6dBm £(𝟏𝟎𝟔 ) = -98.359 E F=528MHz P=+6.5dBm £(𝟏𝟎𝟔 )=-92.339 F F=8448MHz P=+19dBm £(𝟏𝟎𝟔 )=-116.32 G F=4224MHz H F=2112MHz P=+16dBm £(𝟏𝟎𝟔 )=-104.375 I F=3168MHz P=-1.5dBm £(𝟏𝟎𝟔 )=-97.388 G F=3168MHz P=-3.038dBm £(𝟏𝟎𝟔 )=-97.387 K F=1584MHz P=+5.5dBm £(𝟏𝟎𝟔 )=-91.367 L F=10032MHz P=-1.5dBm £(𝟏𝟎𝟔 )=-91.35 M F=6864MHz P=-1dBm £(𝟏𝟎𝟔 )=-91.35 N F=10032MHz P=-2.963dBm £(𝟏𝟎𝟔 )=-91.34 O F=6864MHz P=-2.308dBm £(𝟏𝟎𝟔 )=-91.34 P F=10032MHz P=-4.18dBm £(𝟏𝟎𝟔 )=-91.34 F=6864MHz P=-3.888dBm £(106 )=-91.34 F=10032MHz P=+17.954dBm £(𝟏𝟎𝟔 )=-91.33 F=6864MHz P=+19.582dBm £(106 )=-91.33 F=10032MHz P=+16.464dBm £(𝟏𝟎𝟔 )=-116.32 F=8448MHz P=+17.65dBm £(106 )=-91.33 P=+18.002dBm P=+18.002dBm £(106 )=-91.33 F=8976MHz P=-1dBm £(𝟏𝟎𝟔 )=-92.32 F=7392MHz P=+0.3dBm £(106 )=-88.79 Q R S P=+17.048dBm £(𝟏𝟎𝟔 )=-110.38 157 F=9504MHz P=-1.5dBm £(𝟏𝟎𝟔 )=-88.79 F=7920MHz P=-0.5dBm £(106 )=-92.32 F=6336MHz P=-0.5dBm £(106 )=-88.79 U F=4752MHz P=-1dBm £(𝟏𝟎𝟔 )=-92.27 V F=3696MHz P=-1dBm £(𝟏𝟎𝟔 )=-92.27 W F=6336MHz P=-2.19dBm £(𝟏𝟎𝟔 )=-88.79 F=7392MHz P=-1.79dBm £(106 )=-88.79 F=7920MHz P=-1.83dBm £(106 )=-92.32 F=8976MHz P=-2.38dBm £(106 )=-92.32 F=9504MHz P=-2.89dBm £(106 )=-88.79 F=3696MHz P=+11.671dBm £(𝟏𝟎𝟔 )=-92.26 F=4752MHz P=+11.278dBm £(106 )=-92.26 F=6336MHz P=+21.499dBm £(𝟏𝟎𝟔 )=-88.78 F=7392MHz P=+21.365Bm £(106 )=-88.78 F=7920MHz P=+21.052dBm £(106 )=-92.31 F=8976MHz P=+20.06dBm £(106 )=-92.31 F=9504MHz P=+19.31dBm £(106 )=-88.78 F=3696MHz P=+11.671dBm £(𝟏𝟎𝟔 )=-92.26 F=4752MHz P=+11.278dBm £(106 )=-92.26 F=6336MHz P=+19.809dBm £(𝟏𝟎𝟔 )=-88.78 F=6864MHz P=+16.422dBm £(106 )=-91.33 F=7392MHz P=+19.875Bm £(106 )=-88.78 F=7920MHz P=+19.722dBm £(106 )=-92.31F= F=8448MHz P=+16.3dBm £(106 )=-116.32 F=8976MHz, P=+18.68dBm £(106 )=-92.31 F=9504MHz P=+17.92dBm £(106 )=-88.78 F=10032MHz P=+14.974dBm £(106 )=-91.33 T X Y Z IA 158 IB Fout F=3696MHz P=+10.141dBm £(𝟏𝟎𝟔 )=-92.26 F=4224MHz P=+15.408dBm £(106 )=-110.38 F=4752MHz P=+9.588dBm £(106 )=-92.26 F=3696MHz P=+8.611dBm £(𝟏𝟎𝟔 )=-92.26 F=4224MHz P=+13.768dBm £(106 )=-110.38 4752MHz P=+7.898dBm £(106 )=-92.26 F=6336MHz P=+18.119dBm £(106 )=-88.78 F=6864MHz P=+14.842dBm £(106 )=-91.33 F=7392MHz P=+18.385Bm £(106 )=-88.78 F=7920MHz P=+18.392dBm £(106 )=-92.31 F=8448MHz P=+14.950dBm £(106 )=-116.32 F=8976MHz P=+17.300dBm £(106 )=-92.31 F=9504MHz P=+16.530dBm £(106 )=-88.78 F=10032MHz P=+13.484dBm £(106 )=-91.33 159 ΠΑΡΑΡΣΗΜΑ B Ανάλςζη ηυν Quadrature Μεικηών. ΢ην παξάξηεκα απηφ δίλεηαη κία καζεκαηηθή αλάιπζε πνπ παξνπζηάδεη ηα πξντφληα πνπ εκθαλίδνληαη ζηηο δηάθνξεο ζχξεο ελφο quadrature κίθηε. Η πξνζέγγηζε πνπ ζα αθνινπζήζνπκε είλαη λα ππνινγίζνπκε ηηο ζεηξέο Fourier γηα ην ξεχκα ηεο θάζε δηφδνπ ηνπ κείθηε θαη ζηελ ζπλέρεηα πξνζζέηνληαο απηά ηα ξεχκαηα ζα πξνζδηνξίζνπκε ηα πξντφληα πνπ εκθαλίδνληαη ζηηο ζχξεο εμφδνπ ηνπ κείθηε. ΢αλ παξάδεηγκα ζα αλαιπζεί ν κείθηεο ηνπ ζρήκαηνο B1. Τπνζέηνπκε πσο ην ξεχκα ζε θάζε δίνδν ξέεη απφ ηελ άλνδν ζηελ θάζνδν θαη ζε ζεηξά Fourier γξάθεηαη φπσο: ∞ ∞ 𝑔𝑛 𝑣𝑚 𝑒 𝑗 𝑖𝐷 = 𝑛 𝜔 𝐿 +𝑚 𝜔 𝑅 𝑡𝑒 𝑗𝑚 𝜑 𝑒 𝑗𝑛 𝜃 = 𝑘𝑛𝑚 𝑒 𝑗𝑚 𝜑 𝑒 𝑗𝑛 𝜃 𝐵1 𝑛=1 𝑚 =1 Η παξαπάλσ ζεηξά Fourier πξνθχπηεη πνιιαπιαζηάδνληαο ηελ θπκαηνκνξθή αγσγηκφηεηαο ηεο δηφδνπ πνπ ειέγρεηαη κε ην LO ζήκα κε ηελ θπκαηνκνξθή ηεο ηάζεο ζηα άθξα ηεο δηφδνπ ε νπνία ειέγρεηαη απφ ην IF ζήκα. Η γσλία θάζεο 𝜃 αληηζηνηρεί ζηε δηαθνξά θάζεο ηνπ LO ζήκαηνο κε ην θαζέλα απφ ηα ξεχκαηα ηεο δηφδνπ. Η γσλία θάζεο 𝜑 αληηζηνηρεί ζηε δηαθνξά θάζεο ηνπ RF ζήκαηνο κε ην θαζέλα απφ ηα ξεχκαηα ηεο δηφδνπ. ΢ηελ αλάιπζε απηή ρξεζηκνπνηνχληαη ηέζζεξηο ππνζέζεηο. 1. 2. 3. 4. Ιδαληθή ηζνξξνπία ζην θχθισκα θαζψο θαη ηδαληθνί quadrature couplers. Ιδαληθέο δίνδνη. Large-Signal LO. Small-Signal RF. Σν ξεχκα ζηε δίνδν 1 κπνξεί λα γξαθεί: 𝑖1 = 𝐾𝑒 𝑗𝑚 𝜋 = 𝛫 −1 𝑚 Όπνπ 𝜑 ηζνχηαη κε ην 𝜋 επεηδή ην IF ζήκα έρεη δηαθνξά θάζεο 180o κε ηελ ππνηηζέκελε θαηεχζπλζε ηνπ ξεχκαηνο ζηελ δίνδν 1 (άλνδνο πξνο θάζνδν). To 𝜃 ηζνχηαη κε ην κεδέλ επεηδή ην LO ζήκα είλαη ζε θάζε κε ην ξεχκα ζηε δίνδν 1. 160 ΢σήμα B1. ΢ρεκαηηθφ δηάγξακκα ελφο image-reject Mixer. Σν ξεχκα ζηε δίνδν 2 ηζνχηαη κε : 𝑖2 = 𝐾 Σα 𝜑 θαη 𝜋 είλαη κεδέλ επεηδή νη RF θαη LO είζνδνη είλαη ζε θάζε κε ην ξεχκα. Σν ξεχκα ζηε δίνδν 3 κπνξεί λα γξαθεί: 𝜋 𝑖3 = 𝐾𝑒 𝑗𝑚 (2 +𝜋) 𝑒 𝑗𝑛 𝜋 = 𝐾𝑗 (−𝑚 ) −1 𝑛 Σν 𝜑 ηζνχηαη κε (𝜋/2 + 𝜋): ην 𝜋/2 πξνέξρεηαη απφ ην RF Quadrature Hybrid θαη ην 𝜃 πξνέξρεηαη απφ ηελ θαηεχζπλζε ηνπ ξεχκαηνο ζηε δίνδν 3 φπνπ είλαη 180o εθηφο θάζεο απφ ην RF ζήκα πνπ εμέξρεηαη απφ ην πβξηδηθφ. Σν ξεχκα ζηε δίνδν 4 κπνξεί λα γξαθεί φπσο: 161 𝜋 𝑖4 = 𝐾𝑒 𝑗𝑚 2 𝑒 𝑗𝑛 𝜋 = 𝐾𝑗 𝑚 −1 𝑛 Όπνπ ην 𝜑 ηζνχηαη κε 𝜋/2 ιφγσ ηνπ RF Quadrature Hybrid θαη ην 𝜃 ηζνχηαη κε 𝜋 επεηδή ην LO ζήκα είλαη 180o εθηφο θάζεο απφ ην ξεχκα ζηε δίνδν 4. Απφ ηελ ζηηγκή πνπ ππνινγίζηεθαλ ηα επηκέξνπο ξεχκαηα ησλ ηεζζάξσλ δηφδσλ, κπνξνχλ λα ζπλδπαζηνχλ ψζηε λα βξνχκε ηελ κνξθή ησλ ξεπκάησλ ζηηο ζχξεο 𝐼1 θαη 𝐼2 . Σν ξεχκα πνπ εμέξρεηαη απφ ηελ 𝐼1 κπνξεί λα γξαθεί: 𝑖𝐼1 = 𝑖1 − 𝑖2 + 𝑗𝑖3 − 𝑗𝑖4 = 𝐾 −1 𝑚 −1+𝑗 1−𝑚 −1 𝑛 −𝑗 1+𝑚 −1 𝑛 𝐵2 Σα ξεχκαηα 𝑖3 θαη 𝑖4 πνιιαπιαζηάδνληαη κε ην j ιφγσ ηεο κεηαηφπηζεο θάζεο θαηά 90o ζην IF quadrature coupler. Σα ξεχκαηα 𝑖1 θαη 𝑖2 είλαη αξλεηηθά επεηδή εηζέξρνληαη θαη φρη εμέξρνληαη ζηνλ θφκβν πνπ ζπλδέεη ηηο δηφδνπο ζην IF coupler. Παξφκνηα ην ξεχκα πνπ εμέξρεηαη απφ ηελ 𝐼2 κπνξεί λα γξαθεί: 𝑖𝐼2 = 𝑗𝑖1 − 𝑗𝑖2 + 𝑖3 − 𝑖4 = 𝐾 𝑗 −1 𝑚 − 𝑗 + 𝑗 −𝑚 −1 𝑛 − 𝑗 𝑚 −1 𝑛 𝐵3 Ο πίλαθαο B1 ζπλνςίδεη πηα mixing products εκθαλίδνληαη ζηηο ζχξεο 𝐼1 θαη 𝐼2 . Παξαηεξνχκε πσο ηα πξντφληα 𝑅 ± 𝐿 εκθαλίδνληαη ζηελ 𝐼1 ελψ ηα 𝐿 − 𝑅 ζηελ 𝐼2 . Παξαηεξνχκε επίζεο πσο ηα πξντφληα ζηηο ζχξεο 𝐼1 θαη 𝐼2 είλαη πάληα ζε δηαθνξά θάζεο 90o . Πίνακαρ Β1. Σα Mixing products πνπ εκθαλίδνληαη ζηηο ζχξεο εμφδνπ 𝑰𝟏 θαη 𝑰𝟐 . Mixing Product R+L R-L L-R L to I isolation R to I isolation 2x1 -2x1 3x1 -3x1 5x1 -5x1 (RF) m 1 1 -1 0 1 2 -2 3 -3 5 -5 (LO) n 1 -1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 𝐈𝟏 K[-1-1-1-1] = -4K K[-1-1-1-1] = -4K K[-1-1+1+1] = 0 K[-1-1-j+j] = 0 K[-1-1+1+1] = 0 K[1-1+j-j] = 0 K[1-1+j-j] = 0 K[1-1+1+1] = 0 K[1-1-1-1] = -4K K[-1-1-1-1] = -4K K[-1-1+1+1] = 0 𝐈𝟐 K[-j-j+j+j] = 0 K[-j-j+j+j] = 0 K[-j-j-j-j] = -4jK K[j-j-1+1] = 0 K[j-j-j-j] = -4jK K[j-j+1-1] = 0 K[j-j+1-1] = 0 K[j-j-j-j] = -4jK K[j-j+j+j] = 0 K[-j-j+j+j] = 0 K[j-j-j-j] = -4jK 162 ΠΑΡΑΡΣΗΜΑ Γ Απόππιτη εικόναρ ζςναπηήζει ηος ηαιπιάζμαηορ πλάηορ και θάζηρ. Η αλάιπζε πνπ αθνινπζεί εθθξάδεη ηελ ζρέζε αλάκεζα ζηελ απφξξηςε εηθφλαο (image rejection) θαη ζηηο αληζνξξνπίεο ζην πιάηνο θαη ζηε θάζε (amplitude phase imbalances). Σν image rejection θαζνξίδεηαη ζαλ ν ιφγνο ηνπ image ζήκαηνο πξνο ην επηζπκεηφ ζήκα [69]. ΢πλεπψο ην image rejection ζηε ζχξα 𝐼1 ζην ζρήκα 3.7 είλαη: 𝐼1 (𝑚 = +1) 𝐼1 (𝑚 = −1) 𝐼𝑅 = −20 log Γ1 Απφ ηελ εμίζσζε 3.1 𝐼1′ = 𝐼2′ = 𝐼𝑚𝑛 . Υξεζηκνπνηψληαο ηελ ζρέζε απηή θαη μαλαγξάθνληαο ηελ εμίζσζε 3.1 ιακβάλνπκε: 𝐼1 = 1/2[ 𝐼1′ ∠𝜃1 + 𝐼2′ ∠𝜃1 + 𝑚 + 1 90o )] Γ2 Απφ ηελ εμίζσζε Γ1 ιακβάλνπκε ηηο αθφινπζεο εμηζψζεηο γηα ηα 𝐼1 (𝑚 = +1) θαη 𝐼1 (𝑚 = −1) : 𝐼1 𝑚 = +1 = 𝐼1′ 2 1 ∠𝜃1 − 𝐼2′ ∠𝜃2 𝐼1 𝑚 = −1 = 1/2 𝐼1′ ∠𝜃1 + 𝐼2′ ∠𝜃2 Γ3α Γ3β ΢ε πξαθηηθέο εθαξκνγέο, ηα 𝐼1′ θαη 𝐼2′ δελ έρνπλ απφιπην ηαίξηαζκα ζην πιάηνο θαη ζηελ θάζε. Αλ ζηηο εμηζψζεηο Γ3α θαη Γ3β ζπκπεξηιάβνπκε ηνπο παξάγνληεο amplitude imbalance A θαη phase imbalance ζ ηφηε ιακβάλνπκε : 𝐼1 𝑚 = +1 = 2 𝐼1′ ∠𝜃1 1 1 − 𝐴∠𝜃2 Γ4α 163 𝐼1 𝑚 = −1 = Όπνπ 𝛢 = 𝐼2′ 𝐼1′ θαη 2 𝐼1′ ∠𝜃1 1 1 + 𝐴∠𝜃2 Γ4β 𝜃 = 𝜃2 − 𝜃1 . Ο παξάγνληαο Α είλαη ίζνο κε ην άζξνηζκα ησλ κεκνλσκέλσλ amplitude imbalances ζηα IF θαη RF πβξηδηθά θαη ζηνπο δχν κείθηεο. Ο παξάγνληαο ζ είλαη ην ζπλνιηθφ phase imbalance ην νπνία νθείιεηαη ζην άζξνηζκα ηεο απφθιηζεο απφ ην quadrature ζηα RF θαη IF πβξηδηθά θαη ζην phase imbalance απφ ηνπο δχν κείθηεο. Σα A θαη ζ επίζεο πεξηιακβάλνπλ ηηο επηδξάζεηο ηεο θαηεπζπληηθφηεηαο ηνπ πβξηδηθνχ θαη ηηο impedance mismatches αλάκεζα ζηα πβξηδηθά θαη ζηνπο κείθηεο. Η θαηεπζπληηθφηεηα ηνπ πβξηδηθνχ πξνθαιεί πξφζζεην ζθάικα θάζεο θαη impedance mismatches εμαηηίαο ηνπ amplitude ripple [70]. Αληηθαζηζηψληαο ηηο εμηζψζεηο Γ3α θαη Γ3β ζηελ εμίζσζε Γ1 πξνθχπηεη ε εμίζσζε Γ5 φπνπ δείρλεη ην image rejection ζαλ ζπλάξηεζε ηνπ A θαη ηνπ ζ: 𝐼𝑅 = −10 log 1 + 𝐴2 − 2𝐴 cos 𝜃 1 + 𝐴2 + 2𝐴 cos 𝜃 𝛢 = 𝛢− Γ5 𝛢 𝑑𝐵 20 Η επίδξαζε ηνπ Α θαη ηνπ ζ ζην image rejection απεηθνλίδεηαη ζην ζρήκα Γ1. ΢ρήκα Γ1. Image rejection vs. amplitude and phase imbalance. 164 ΠΑΡΑΡΣΗΜΑ Γ Οι εξομοιώζειρ ζηο ππόγπαμμα Advanced Design System ΢σήμα Γ1. Δμνκνίσζε γηα εχξεζε ηνπ θαηάιιεινπ εχξνπο δψλεο ηνπ θίιηξνπ ηνπ βξφρνπ. 165 ΢ρήκα Γ2. Δμνκνίσζε γηα απφθξηζε πιάηνπο θαη θάζεο αλνηρηνχ θαη θιεηζηνχ βξφρνπ. 166 ΢σήμα Γ3. Δμνκνίσζε γηα ρξφλν απνθαηάζηαζεο θαη θάζκαηνο εμφδνπ ηνπ VCO. 167 ΢σήμα Γ4. Δμνκνίσζε ησλ S-Parameters ησλ εληζρπηψλ. ΢σήμα Γ5. Δμνκνίσζε γηα απφθξηζε θίιηξσλ. 168 ΢σήμα Γ6. Δμνκνίσζε ησλ S-Parameters ησλ δηαθνπηψλ. 169 ΢σήμα Γ7. Δμνκνίσζε ηεο ηειηθήο ηζρχνο ηνπ νιηθνχ θπθιψκαηνο . 170 171

UWB

Related documents

Products

Support

UWB

Related documents

Add this document to collection(s)

Add this document to saved

Suggest us how to improve StudyLib