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Elettronica per le telecomunicazioni 01/12/2003
Lezione B3 - DDC 2003 1
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Elettronica per telecomunicazioni
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Contenuto dell’unità B
Principio di funzionamento del PLLSchema a blocchi, ordine, parametri, errore di faseCaratteristica a farfalla
Circuiti per PLL Demodulatori di fase, pompa di carica, VCO.
ApplicazioniDemodulatori AM, FM, FSK, PSKSintetizzatori interi e frazionari, sintesi diretta (DDS)Data recovery e sincronizzazione clock
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ovcinElettronica per telecomunicazioni VCO e demodulatori
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Lezione B3
Banda equivalenteil PLL come filtro passa banda
Oscillatori a frequenza variabile: VCO e CCOesempi di VCO/CCO L-C e I-C
Demodulatori con PLLdemodulatori AM e FM coerent, PAM-FSK
Riferimenti nel testoBanda equivalente 3.3Oscillatori a frequenza variabile 3.6.3Demodulatore FM e AM 3.7.1, 3.7.2
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Elettronica per telecomunicazioni
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Indice della lezione B3
Banda equivalente del PLLPLL come filtro passa banda
Circuiti per VCOcircuiti VCO I-Ccircuiti VCO LC
Demodulatori AM, FMdemodulatore FMdemodulatore AM coerentetone decoder integrato
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Analisi del PLL con rumore all’ingresso
Elementi noti di un sistema di comunicazionecaratteristiche del rumore sul canale (banda, potenza, …)caratteristiche del canale e del PLL
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Analisi del PLL con rumore all’ingresso
Elementi noti di un sistema di comunicazionecaratteristiche del rumore sul canale (banda, potenza, …)caratteristiche del canale e del PLL
Obiettivo:determinare il rumore in uscita dal PLL (Vo)
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Analisi del PLL con rumore all’ingresso
Elementi noti di un sistema di comunicazionecaratteristiche del rumore sul canale (banda, potenza, …)caratteristiche del canale e del PLL
Obiettivo:determinare il rumore in uscita dal PLL (Vo)
Risultatoviene definita una banda equivalentedalla densità spettrale di ingresso è possibile calcolare la potenza di rumore in uscita
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Procedimento di calcolo
Canale (o filtro di ingresso) con banda BiPLL con DF analogico, operante in linearitàVCO con segnale sinusoidale
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Procedimento di calcolo
Canale (o filtro di ingresso) con banda BiPLL con DF analogico, operante in linearitàVCO con segnale sinusoidale
Segnale di ingresso: solo rumoresi ricava la potenza della Vd
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Procedimento di calcolo
Canale (o filtro di ingresso) con banda BiPLL con DF analogico, operante in linearitàVCO con segnale sinusoidale
Segnale di ingresso: solo rumoresi ricava la potenza della Vd
Segnale di ingresso: sinusoide con rumore di fase (jitter)
si ricava la potenza della Vd
Calcolo del rumore di fase equivalente
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Eguagliando le due potenze si ottiene il rumore di fase equivalente
n(t)2: potenza del rumore all’ingresso
θin2: potenza del rumore di fase equivalente
Vi: valore di picco del segnale di ingresso
passaggio da rumore additivo a rumore di fasela funzione di trasferimento del PLL è tra fasi
Rumore di fase equivalente
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Densità di potenza del rumore di fase
Densità spettrale di potenza del rumore sul canale (banda Bi)
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Densità di potenza del rumore di fase
Densità spettrale di potenza del rumore sul canale (banda Bi)
Densità di potenza del rumore di fase (banda Bi/2):
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Densità di potenza del rumore di fase
Densità spettrale di potenza del rumore sul canale (banda Bi)
Densità di potenza del rumore di fase (banda Bi/2):
Sostituendo nel rumore di fase equivalente
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Densità di potenza del rumore di fase
Densità spettrale di potenza del rumore sul canale (banda Bi)
Densità di potenza del rumore di fase (banda Bi/2):
Sostituendo nel rumore di fase equivalente
Si ottiene Φ in funzione di parametri noti
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Rumore in uscita
Il rumore in uscita può essere calcolato dalla funzione di trasferimento H(s)
La potenza di rumore in uscita è
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Se Φ è costante Se H(jω) = 0 al di fuori di Bi/2
Possiamo definire una banda equivalente (BL) del PLL
Banda equivalente
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Caratteristiche della banda equivalente
BL dipende solo da H(s)è un parametro del PLL
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Caratteristiche della banda equivalente
BL dipende solo da H(s)è un parametro del PLL
Se H(s) ha banda stretta (polo di F(s) a frequenze basse)
banda BL strettamaggiore effetto filtrante, risposta lenta
Se H(s) ha banda larga (polo F(s) più alto)banda BL larga
maggiore rumore residuo in uscitarisposta rapida
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PLL come filtro
Nel PLL entra segnale Vi affetto da rumore e indeterminazioni di ampiezza e di fase
Il segnale di uscita (Vo) ha ampiezza nota e costante, e fase stabile (il segnale di controllo è filtrato dalla F(s)
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PLL come filtro
Nel PLL entra segnale Vi affetto da rumore e indeterminazioni di ampiezza e di fase
Il segnale di uscita (Vo) ha ampiezza nota e costante, e fase stabile (il segnale di controllo è filtrato dalla F(s)
È come se tra V i e Vo fosse inserito un filtro passa banda, con larghezza BL
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PLL come filtro
Nel PLL entra segnale Vi affetto da rumore e indeterminazioni di ampiezza e di fase
Il segnale di uscita (Vo) ha ampiezza nota e costante, e fase stabile (il segnale di controllo è filtrato dalla F(s)
È come se tra V i e Vo fosse inserito un filtro passa banda, con larghezza BL
la larghezza di banda BL dipende da F(s), che è un passa-basso
spostando verso ω = 0 il polo di F(s) si stringe BL
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Filtro a PLL e filtro convenzionale
Rispetto a un filtro passa-banda convenzionale, nel filtro a PLL
la banda è controllata da un passa bassomassima libertà di progettoil polo di F(s) può essere spostato a piacere
la frequenza centrale del “filtro” segue le variazioni di frequenza del segnale di ingresso
adattamento automatico della frequenzanon sono richiesti componenti precisi
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Elettronica per telecomunicazioni
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Indice della lezione B3
Banda equivalente del PLLPLL come filtro passa banda
Circuiti per VCOcircuiti VCO I-Ccircuiti VCO LC
Demodulatori AM, FMdemodulatore FMdemodulatore AM coerentetone decoder integrato
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Classificazione dei VCO
In base alla frequenza operativabassa (… MHz): circuiti I-C
alta (… GHz …): circuiti LC
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Classificazione dei VCO
In base alla frequenza operativabassa (… MHz): circuiti I-C
alta (… GHz …): circuiti LC
In base alla dinamica di variazione
piccola: ∆ω < ωorcircuiti LC o IC
grande: ∆ω confrontabile con ωorcircuiti IC o LC con battimento
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VCO a corrente-condensatore (I-C)
Richiedono A.O., SW, componenti analogici
Esempio 1: corrente fissa, soglie variabiliil condensatore viene caricato verso Valquando viene raggiunta la soglia di T1, Q va a 0 e il condensatore si scarica verso massaquando viene raggiunta la soglia di T2, Q torna a 1 e il condensatore riprende a caricarsi verso Valle soglie sono ottenute dalla tensione Vcvariando Vc varia il tempo richiesto per raggiungere le soglie, e quindi la frequenza
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Esempio di VCO I-C (4046)
Esempio 2: soglie fisse, corrente variabilelo specchio di corrente S riporta sul condensatore una corrente Vc/Rla corrente iniettata nel morsetto A fa crescere la tensione Va (Vb = 0)quando Va raggiunge la soglia di T1, Q commuta e i due deviatori invertono il condensatorela corrente iniettata in B fa crescere Vb (Va = 0)
quando Vb = soglia(T2) il condensatore si invertevariando la corrente varia il tempo richiesto per raggiungere le soglie, e quindi la frequenza
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Banda equivalente del PLLPLL come filtro passa banda
Circuiti per VCOcircuiti VCO I-Ccircuiti VCO LC
Demodulatori AM, FMdemodulatore FMdemodulatore AM coerentetone decoder integrato
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VCO con circuito risonante
Adatti per frequenze elevate
Per bassa dinamica, variazione di frequenza ottenuta variando
condensatore C (circuito con varicap)induttanza L (più raro)
Per alta dinamicabattimento con riferimento fisso
ωO = ωO R - ωOCfisso variabile
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Rumore di fase
Piccole variazioni casuali (rumore) sulla Vcdeterminano variazioni di frequenza
rumore di fase
allarga lo spettro della Vo
f
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Rumore di fase
Piccole variazioni casuali (rumore) sulla Vcdeterminano variazioni di frequenza
rumore di fase
allarga lo spettro della Vo
Variazioni periodiche della Vcdeterminano spostamenti sistematici nello spettro
spurie(modulazione di frequenza della portante)
f
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Riduzione del rumore
Per ridurre rumore e spurie:
banda di anello largala reazione compensa i disturbi iniettati entro l’anello
correzione diretta delle variazioni periodichesintetizzatori frazionari
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Indice della lezione B3
Banda equivalente del PLLPLL come filtro passa banda
Circuiti per VCOcircuiti VCO I-Ccircuiti VCO LC
Demodulatori AM, FMdemodulatore FMdemodulatore AM coerentetone decoder integrato
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Modulazione e demodulazione FM
Frequenza del segnale Fp, modulante M(t)Fp = Fpo + K M(t)allargamento dello spettro legato a K
Demodulazione:(tecniche derivate da AM)
tecniche a PLLFp deve rientrare nel campo di mantenimentoM(t) proporzionale a Vc(t)
esempi con simulatore
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Demodulazione FM con PLL
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Elettronica per telecomunicazioni
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Indice della lezione B3
Banda equivalente del PLLPLL come filtro passa banda
Circuiti per VCOcircuiti VCO I-Ccircuiti VCO LC
Demodulatori AM, FMdemodulatore FMdemodulatore AM coerentetone decoder integrato
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Modulazione e demodulazione AM
Modulazione:prodotto di portante P (frequenza Fpo) con modulante M(t)
in t: M è l’inviluppo del segnale in uscitain F: traslazione dello spettro di M su Fpo
Demodulazioneestrarre l’inviluppo
raddrizzatore a 1 o 2 semionde e filtro
riportare M in banda base (traslazione di spettro)demodulazione coerenteserve un segnale di riferimento: PLL
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Modulazione e demodulazione AM
Modulazione AM
segnale modulante: A sen ωt + Bmax: A+B, min: B-Aindice di modulazione m m = (max-min)/(max+min) = A/B
Esempi (da simulatore del testo)AM modulata al 25% (m = 0,25)AM modulata al 50% (m = 0,5)AM modulata al 100% (m = 1)AM modulata al 200% (PSK-180°) (modulazione a portante soppressa)
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Demodulatore di inviluppo
Voltmetro di piccocon perdite
Il condensatore si carica sui picchi positivie si scarica su R
Problemi di soglia del diodorumore
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Demodulatore coerente
Il filtro B1 riduce il rumore fuori banda Il PLL genera il segnale di riferimento Il filtro B3 isola lo spettro in banda base
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Effetto delle variazioni di frequenza
Variando Fi nasce un errore di faseper spostare il VCO serve una Vc ≠ 0
per avere Vc ≠ 0 serve θe ≠ 0errore di ampiezza proporzionale a cos θedemodulazione incrociata (da AM a FM)
ωo
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Effetto delle variazioni di frequenza
Variando Fi nasce un errore di faseper spostare il VCO serve una Vc ≠ 0
per avere Vc ≠ 0 serve θe ≠ 0errore di ampiezza proporzionale a cos θedemodulazione incrociata (da AM a FM)
Per ridurlaaumentare il guadagno di anellodemodulatori I/Q
ωo
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Demodulatore a due rami
Demodulazione separata delle componenti I/Q(fase e quadratura), seguita da ricostruzione
Va è indipendente dallo sfasamento tra Ve e Vo
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Demodulatori FSK
Modulazione a salto di frequenzaFrequency Shift Keyed, FM su 2, …N frequenze
Demodulazione con:unico PLL sempre agganciato, variazione di Vc
banda larga, risposta veloce ma sensibile al rumorebanda stretta, risposta lenta
un PLL per ogni frequenzademodulatori AM coerenti, confronto tra le uscitebanda stretta, risposta lenta
banco di filtri e demodulatori di inviluppoconfronto uscite demodulatori (WTA)
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Demodulatori PAM
Modulazione di ampiezza discretaPulse Amplitude Modulation (anche ASK)AM con M numerico (2, …N ampiezze)
esempio
Demodulazione con: demodulatori di inviluppo
demodulatore coerente PLL sempre agganciato
demodulatori e banco di comparatori
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Demodulatore PAM-PSK
Modulazione in ampiezza e faseQAMCostellazione dei segnali
Demodulazione I/Qdalle due componenti (ricavate con demodulazione coerente) si possono ricavare
modulo (parte PAM) e fase (parte PSK)coordinate I,Q del simbolo
I
Q
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Elettronica per telecomunicazioni
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Indice della lezione B3
Banda equivalente del PLLPLL come filtro passa banda
Circuiti per VCOcircuiti VCO I-Ccircuiti VCO LC
Demodulatori AM, FMdemodulatore FMdemodulatore AM coerentetone decoder integrato
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Tone decoder integrato
Obiettivo di un tone decoder (decodificatore di tono):
riconoscere la presenza del tono anche in presenza di forte rumore
Schema a blocchi NE 567PLL con DF analogicoDemodulatore AM sincronoAccetta solo piccole variazioni di frequenzaDemodulazione interna analogicaUscita esterna ON/OFF
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Tone decoder: specifiche
Campo di frequenzavalori ammessi per il tono da riconoscere
Larghezza di bandaampiezza della finestra antro cui si accetta il tono
Campo di ampiezzeingresso massimo in banda non riconosciutoingresso minimo in banda riconosciuto
Rumoredisturbi a banda stretta e larga ammessi
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Tone decoder: tensioni di ingresso
Immunità al rumore
possibilità di riconoscere il tono anche il presenza di rumore con potenza maggiore del segnale
(fuori banda) / (in banda): + 6 dB(segnale) / (rumore a banda larga): - 6 dB
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Tone decoder: demodulatori F e AM
Demodulatore di fase e demodulatore di ampiezza:
moltiplicatori con cella di Gilbert
linearizzazione con Re
Ingresso Vx
Ingresso Vy
Uscita Iz (corrente)
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VCO a corrente-condensatore (I-C)
VCO a corrente fissa, soglie variabiliPiccola escursione di frequenza
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VCO fase/quadratura
VCO a corrente fissa, soglie variabiliPiccola escursione di frequenzaTerzo comparatore per l’uscita sfasata (Va)
Va
VoT3
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NE 576 - caratteristica demod. AM
Tensione di controllo del VCO(caratteristica a farfalla)
Tensione di uscita del demodulatoredi ampiezza(caratteristica a coseno)
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Sommario lezione B3
Banda equivalenteil PLL come filtro passa banda
Oscillatori a frequenza variabile: VCO e CCOesempi di VCO/CCO L-C e I-C
Demodulatori con PLLdemodulatori AM e FM, demodulatori coerenti
Tone decoder integrato
Esercizio B3.1: Demodulatore coerente.
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Verifica lezione B3
In un PLL con DF analogico, la banda equivalente dipende dall’ampiezza del segnale di ingresso?
Quali sono le differenze tra un “filtro PLL” e un filtro convenzionale?
Come ridurre la sensibilità alla FM in un modulatore AM coerente?
Quali parametri definiscono le prestazioni di un tone decoder?
Spostando verso la DC il polo della F(s), la banda equivalente aumenta o diminuisce?
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Prossima lezione (B4)
Sintetizzatori di frequenzasintetizzatori a interi e frazionariSintesi digitale diretta (DDS)
Sincronizzazione dati e clockClock/data recovery
Analisi di un PLL integrato
Riferimenti nel testosintetizzatori e DDS 3.7.4, 3.7.5sincronizzazione clock 3.7.3, 3.7.6
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