ΤΕΙ ΚΕΝΤΡΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ-ΣΕΡΡΕΣ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΤΕΙ ΚΕΝΤΡΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ-ΣΕΡΡΕΣ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ Πτυχιακή εργασία Μελέτη και προσομοίωση αναλογικών φίλτρων για τις RF και IF βαθμίδες ενός ασύρματου πομποδέκτη Ουζούνογλου Μαρία-Παρασκευή 3402 Επιβλέπων : Δημήτριος Ευσταθίου Μάρτιος 2016

Στόχοι πτυχιακής Μελέτη αρχιτεκτονικής αναλογικών πομποδεκτών Στόχοι πτυχιακής Μελέτη αρχιτεκτονικής αναλογικών πομποδεκτών Έννοια και χαρακτηριστικά αναλογικών/ψηφιακών φίλτρων Ανάλυση φίλτρων πεπερασμένης κρουστικής απόκρισης FIR και φίλτρων άπειρης κρουστικής απόκρισης IIR Προσομοίωση IIR ζωνοδιαβατών φίλτρων

Επισκόπηση της πτυχιακής εργασίας 1. Αρχιτεκτονική πομποδεκτών 2. Αναλογικά Φίλτρα 3. Ψηφιακά Φίλτρα 4. IIR ζωνοδιαβατά φίλτρα για την RF βαθμίδα ενός δέκτη

1. Αρχιτεκτονική πομποδεκτών

Αρχιτεκτονική πομποδεκτών Πομπός Ετερόδυνος Δέκτης Υπερετερόδυνος

Ετερόδυνος πομπός Μετατροπείς ψηφιακού σήματος σε αναλογικό σήμα Φιλτράρισμα σημάτων από κατωπερατα φίλτρα Μίξη σημάτων (1η βαθμίδα μίξης) και μεταφορά του σήματος στην ενδιάμεση συχνότητα (IF) Φιλτράρισμα του σήματος μέσω αναλογικού ζωνοπερατού φίλτρου στη συχνότητα IF (ενδιάμεση συχνότητα) Μίξη σήματος (2η βαθμίδα μίξης) και μεταφορά του σήματος στη ραδιοσυχνότητα εκπομπής (RF) Φιλτράρισμα του σήματος μέσω αναλογικού ζωνοπερατού φίλτρου στη συχνότητα RF (ραδιοσυχνότητα εκπομπής) Ενίσχυση σήματος με τον ενισχυτή ισχύος(χαμηλου θορυβου)

Ετερόδυνος Δέκτης Ενίσχυση χαμηλού θορύβου Φιλτράρισμα του σήματος μέσω αναλογικού ζωνοπερατού φίλτρου στη συχνότητα RF (ραδιοσυχνότητα εκπομπής) Μίξη σήματος (2η βαθμίδα μίξης) και μεταφορά του σήματος στη ραδιοσυχνότητα εκπομπής (RF) Φιλτράρισμα του σήματος μέσω αναλογικού ζωνοπερατού φίλτρου στη συχνότητα IF (ενδιάμεση συχνότητα) Μίξη σημάτων (1η βαθμίδα μίξης) και μεταφορά του σήματος στην ενδιάμεση συχνότητα (IF) Φιλτράρισμα σημάτων από κατωπερατα φίλτρα Μετατροπείς ψηφιακού σήματος σε αναλογικό σήμα

Υπερετερόδυνος Δέκτης Ίδια η λειτουργία του με τον ετερόδυνο δέκτη, αλλά αντί για μία ενδιάμεση συχνότητα χρησιμοποιεί δύο ή τρείς Ενίσχυση χαμηλού θορύβου Φιλτράρισμα του σήματος μέσω αναλογικού ζωνοπερατού φίλτρου στη συχνότητα RF (ραδιοσυχνότητα εκπομπής) Μίξη σήματος (2η βαθμίδα μίξης) και μεταφορά του σήματος στη ραδιοσυχνότητα εκπομπής (RF) Φιλτράρισμα του σήματος μέσω αναλογικού ζωνοπερατού φίλτρου στη συχνότητα IF (ενδιάμεση συχνότητα) Μίξη σημάτων (1η βαθμίδα μίξης) και μεταφορά του σήματος στην ενδιάμεση συχνότητα (IF) Φιλτράρισμα σημάτων από κατωπερατα φίλτρα Μετατροπείς ψηφιακού σήματος σε αναλογικό σήμα

2. Αναλογικά Φίλτρα

Αναλογικά Φίλτρα Τα αναλογικά φίλτρα, χωρίζονται σε παθητικά και ενεργά. Δέχονται σήμα συνεχούς χρόνου και υλοποιούνται με κλασσικά ηλεκτρικά κυκλώματα (πηνία, πυκνωτές). Τα σήματα εισόδου και εξόδου είναι συναρτήσεις συνεχούς μεταβλητής t και μπορούν να έχουν έναν άπειρο αριθμό τιμών.

Παθητικά Φίλτρα 1/2 Low pass(χαμηλοπερατά) -> αποκοπή υψηλών συχνοτήτων Χωρητικά φίλτρα Επαγωγικά φίλτρα High pass(υψηπερατά)->αποκοπή χαμηλών συχνοτήτων

Παθητικά Φίλτρα 2/2 Band pass (ζωνοδιαβατά) Χωρητικά φίλτρα Επαγωγικά φίλτρα Τα band-pass παθητικά φίλτρα είναι κυκλώματα που επιτρέπουν να περάσουν σήματα ανάμεσα σε δύο διαφορετικές συχνότητες, ενώ αποκόπτουν όλες τις υπόλοιπες. Μπορούν να σχεδιαστούν συνδυάζοντας τις ιδιότητες των low-pass και high-pass φίλτρων σε ένα ενιαίο φίλτρο.

Τύποι Αναλογικών Φίλτρων Butterworth Chebyshev I Chebyshev ΙI Elliptic Bessel

3. Ψηφιακά Φίλτρα

Ψηφιακά Φίλτρα Ένα ψηφιακό φίλτρο λειτουργεί ως εξής: δέχεται στην είσοδο του ένα σήμα διακριτού χρόνου, εκτελεί την προκαθορισμένη επεξεργασία η οποία βασίζεται στη χρήση αλγορίθμων, και στην έξοδο του δίνει ένα νέο σήμα διακριτού χρόνου (ψηφιακό). Τα φίλτρα μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο βασικές κατηγορίες: - Στα φίλτρα πεπερασμένης κρουστικής απόκρισης (FIR) -Στα φίλτρα άπειρης κρουστικής απόκρισης (IIR).

Πεπερασμένης Κρουστικής Απόκρισης Φίλτρα (FIR) Στα FIR φίλτρα η ταλάντωση (κρουστική απόκριση) από τη στιγμιαία κρούση έχει συγκεκριμένη διάρκεια και φτάνει στο σημείο που φθίνει εντελώς δηλαδή μηδενίζεται. Πολύ γενικά η τάξη ενός FIR ψηφιακού φίλτρου προκύπτει από τον αριθμό των προηγούμενων τιμών που χρησιμοποιού- νται.

Άπειρης Κρουστικής Απόκρισης Φίλτρα (ΙΙR) Ονομάζονται άπειρης κρουστικής απόκρισης γιατί η ταλάντωση από τη στιγμιαία κρούση δεν αποσβένει ποτέ. Μειώνεται συνεχώς και φθίνει προς το άπειρο. Τα IIR φίλτρα πέραν του τρέχοντος σήματος x[n], δέχονται στην είσοδο τους και σήμα από προηγούμενη χρονική στιγμή y[n-1], y[n-2], κ.λ.π. Δηλαδή χρησιμοποιούν τις προηγούμενες τιμές εξόδου του συστήματος y[n-1], y[n-2] κ.λ.π

Block διάγραμμα ενός IIR φίλτρου

4. Σχεδίαση και προσομοίωση IIR ζωνοδιαβατών φίλτρων για την RF βαθμίδα ενός δέκτη

Σχεδίαση φίλτρων IIR και προσομοίωση Σχεδίαση τριών ζωνοδιαβατών φίλτρων: Butterworth Chebyshev I Elliptic Είσοδος: σήμα με δύο φορείς με εύρος ζώνης 5 MHz και ψηφιακή διαμόρφωση QPSK. Παρουσιάζεται η σχεδίαση των φίλτρων με συχνότητα δειγματοληψίας 6.144 GHz και ζώνη διέλευσης 2.1GHz - 2.2 GHz, η οποία χρησιμοποιείται στην καθοδική ζεύξη (downlink) συστημάτων 3G και LTE-FDD

Ζωνοδιαβατό φίλτρο τύπου Butterworth

Ζωνοδιαβατό φίλτρο τύπου Chebyshev I

Ζωνοδιαβατό φίλτρο τύπου Elliptic

Προσομοίωση και Ανάλυση αποτελεσμάτων Με βάση τη σχεδίαση των φίλτρων με το λογισμικό εργαλείο fdatool στο Matlab, πήρα τους συντελεστές a,b,gain των φίλτρων και τους χρησιμοποιήσαμε σε ένα Matlab κώδικα για να προσομοιώσουμε την λειτουργία ενός RF ζωνοδιαβατού φίλτρου. Ως μέτρο ποιότητας των φίλτρων που σχεδιάσαμε, χρησιμοποιήσαμε το CCDF των σημάτων στην είσοδο και στην έξοδο των φίλτρων.

Καμπύλη της συμπληρωματικής Αθροιστικής Συνάρτησης Πιθανότητας (Complementary Cumulative Distribution Function-CCDF) Συμπληρωματική Αθροιστική Συνάρτηση Κατανομής (CCDF) είναι μια μέθοδος που χρησιμοποιείται για τον στατιστικό χαρακτηρισμό των κορυφών της ισχύος ενός ψηφιακά διαμορφωμένου σήματος Η τιμή peak to average power ratio συνήθως διακρίνεται μέσα από την Συμπληρωματική της Αθροιστικής Συνάρτησης Κατανομής (CCDF) του σήματος, μια καμπύλη που περιγράφει την πιθανότητα να υπερβεί το σήμα μας μια συγκεκριμένη τιμή ισχύος μια καμπύλη CCDF μας δείχνει πόση ώρα περνάει το σήμα σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο ισχύος ή πάνω από αυτό. Το επίπεδο ισχύος εκφράζεται σε dB ως προς τη μέση ισχύ

Προσομοίωση 1 Οι συχνότητες των φορέων είναι fc1=2. 175 Προσομοίωση 1 Οι συχνότητες των φορέων είναι fc1=2.175*109 Hz και fc2=2.120*109 Hz (1/6) Φίλτρο Βutterworth Στον κατακόρυφο άξονα, έχουμε το πλάτος του σήματος (magnitude) σε dB και στον οριζόντιο τη συχνότητα (frequency) σε GHz

Προσομοίωση 1 Το διάγραμμα CCDF του σήματος στην είσοδο και έξοδο του RF ζωνοδιαβατού φίλτρου (2/6) Ο οριζόντιος άξονας είναι ο λόγος των στιγμιαίων κορυφών του πλάτους του σήματος προς την μέση τιμή του πλάτους του σήματος (Peak to Average Ratio) PAR (dB) και ο κατακόρυφος άξονας είναι πιθανότητα (probability).  

Προσομοίωση 1 Οι συχνότητες των φορέων είναι fc1=2. 175 Προσομοίωση 1 Οι συχνότητες των φορέων είναι fc1=2.175*109 Hz και fc2=2.120*109 Hz (3/6) Φίλτρο Chebyshev Στον κατακόρυφο άξονα, έχουμε το πλάτος του σήματος (magnitude) σε dB και στον οριζόντιο τη συχνότητα (frequency) σε GHz

Προσομοίωση 1 Το διάγραμμα CCDF του σήματος στην είσοδο και έξοδο του RF ζωνοδιαβατού φίλτρου (4/6) Ο οριζόντιος άξονας είναι ο λόγος των στιγμιαίων κορυφών του πλάτους του σήματος προς την μέση τιμή του πλάτους του σήματος (Peak to Average Ratio) PAR (dB) και ο κατακόρυφος άξονας είναι πιθανότητα (probability).  

Προσομοίωση 1 Οι συχνότητες των φορέων είναι fc1=2. 175 Προσομοίωση 1 Οι συχνότητες των φορέων είναι fc1=2.175*109 Hz και fc2=2.120*109 Hz (5/6) Ελλειπτικό Φίλτρο (Elliptic) Στον κατακόρυφο άξονα, έχουμε το πλάτος του σήματος (magnitude) σε dB και στον οριζόντιο τη συχνότητα (frequency) σε GHz

Προσομοίωση 1 Το διάγραμμα CCDF του σήματος στην είσοδο και έξοδο του RF ζωνοδιαβατού φίλτρου (6/6) Ο οριζόντιος άξονας είναι ο λόγος των στιγμιαίων κορυφών του πλάτους του σήματος προς την μέση τιμή του πλάτους του σήματος (Peak to Average Ratio) PAR (dB) και ο κατακόρυφος άξονας είναι πιθανότητα (probability).  

Προσομοίωση 2 Οι συχνότητες των φορέων είναι fc1=1. 680 Προσομοίωση 2 Οι συχνότητες των φορέων είναι fc1=1.680*109 Hz και fc2=1.550*109 Hz (1/6) Φίλτρο Βutterworth Στον κατακόρυφο άξονα, έχουμε το πλάτος του σήματος (magnitude) σε dB και στον οριζόντιο τη συχνότητα (frequency) σε GHz

Προσομοίωση 2 Το διάγραμμα CCDF του σήματος στην είσοδο και έξοδο του RF ζωνοδιαβατού φίλτρου (2/6) Ο οριζόντιος άξονας είναι ο λόγος των στιγμιαίων κορυφών του πλάτους του σήματος προς την μέση τιμή του πλάτους του σήματος (Peak to Average Ratio) PAR (dB) και ο κατακόρυφος άξονας είναι πιθανότητα (probability).  

Προσομοίωση 2 Οι συχνότητες των φορέων είναι fc1=1. 680 Προσομοίωση 2 Οι συχνότητες των φορέων είναι fc1=1.680*109 Hz και fc2=1.550*109 Hz (3/6) Φίλτρο Chebyshev Στον κατακόρυφο άξονα, έχουμε το πλάτος του σήματος (magnitude) σε dB και στον οριζόντιο τη συχνότητα (frequency) σε GHz

Προσομοίωση 2 Το διάγραμμα CCDF του σήματος στην είσοδο και έξοδο του RF ζωνοδιαβατού φίλτρου (2/6) Ο οριζόντιος άξονας είναι ο λόγος των στιγμιαίων κορυφών του πλάτους του σήματος προς την μέση τιμή του πλάτους του σήματος (Peak to Average Ratio) PAR (dB) και ο κατακόρυφος άξονας είναι πιθανότητα (probability).  

Προσομοίωση 2 Οι συχνότητες των φορέων είναι fc1=1. 680 Προσομοίωση 2 Οι συχνότητες των φορέων είναι fc1=1.680*109 Hz και fc2=1.550*109 Hz (5/6) Ελλειπτικό Φίλτρο (Elliptic) Στον κατακόρυφο άξονα, έχουμε το πλάτος του σήματος (magnitude) σε dB και στον οριζόντιο τη συχνότητα (frequency) σε GHz

Προσομοίωση 2 Το διάγραμμα CCDF του σήματος στην είσοδο και έξοδο του RF ζωνοδιαβατού φίλτρου (6/6) Ο οριζόντιος άξονας είναι ο λόγος των στιγμιαίων κορυφών του πλάτους του σήματος προς την μέση τιμή του πλάτους του σήματος (Peak to Average Ratio) PAR (dB) και ο κατακόρυφος άξονας είναι πιθανότητα (probability).  

Προσομοίωση 3 Οι συχνότητες των φορέων είναι fc1=3. 100 Προσομοίωση 3 Οι συχνότητες των φορέων είναι fc1=3.100*109 Hz και fc2=2.650*109 Hz (1/6) Φίλτρο Butterworth Στον κατακόρυφο άξονα, έχουμε το πλάτος του σήματος (magnitude) σε dB και στον οριζόντιο τη συχνότητα (frequency) σε GHz

Προσομοίωση 3 Το διάγραμμα CCDF του σήματος στην είσοδο και έξοδο του RF ζωνοδιαβατού φίλτρου (2/6) Ο οριζόντιος άξονας είναι ο λόγος των στιγμιαίων κορυφών του πλάτους του σήματος προς την μέση τιμή του πλάτους του σήματος (Peak to Average Ratio) PAR (dB) και ο κατακόρυφος άξονας είναι πιθανότητα (probability).  

Προσομοίωση 3 Οι συχνότητες των φορέων είναι fc1=3. 100 Προσομοίωση 3 Οι συχνότητες των φορέων είναι fc1=3.100*109 Hz και fc2=2.650*109 Hz(3/6) Φίλτρο Chebyshev Στον κατακόρυφο άξονα, έχουμε το πλάτος του σήματος (magnitude) σε dB και στον οριζόντιο τη συχνότητα (frequency) σε GHz

Προσομοίωση 3 Το διάγραμμα CCDF του σήματος στην είσοδο και έξοδο του RF ζωνοδιαβατού φίλτρου (4/6) Ο οριζόντιος άξονας είναι ο λόγος των στιγμιαίων κορυφών του πλάτους του σήματος προς την μέση τιμή του πλάτους του σήματος (Peak to Average Ratio) PAR (dB) και ο κατακόρυφος άξονας είναι πιθανότητα (probability).  

Προσομοίωση 3 Οι συχνότητες των φορέων είναι fc1=3. 100 Προσομοίωση 3 Οι συχνότητες των φορέων είναι fc1=3.100*109 Hz και fc2=2.650*109 Hz (5/6) Ελλειπτικό Φίλτρο (Elliptic) Στον κατακόρυφο άξονα, έχουμε το πλάτος του σήματος (magnitude) σε dB και στον οριζόντιο τη συχνότητα (frequency) σε GHz

Προσομοίωση 3 Το διάγραμμα CCDF του σήματος στην είσοδο και έξοδο του RF ζωνοδιαβατού φίλτρου (6/6) Ο οριζόντιος άξονας είναι ο λόγος των στιγμιαίων κορυφών του πλάτους του σήματος προς την μέση τιμή του πλάτους του σήματος (Peak to Average Ratio) PAR (dB) και ο κατακόρυφος άξονας είναι πιθανότητα (probability).  

Περίληψη Σκοπός της πτυχιακής εργασίας ήταν η μελέτη των αναλογικών πομποδεκτών, η ανάλυση των αναλογικών/ψηφιακών φίλτρων, καθώς και η κατασκευή RF ζωνοδιαβατών φίλτρων ώστε να κατανοήσουμε πως λειτουργεί το φίλτρο στην έξοδο του ανάλογα με το σήμα που θα δεχθεί στην είσοδο.

Συμπεράσματα της πτυχιακής εργασίας Με τα δεδομένα που αναλύσαμε παρατηρούμε ότι από τα τρία φίλτρα που σχεδιάσαμε καλύτερα λειτούργησε το φίλτρο Butterworth, που όπως είδαμε και στα διαγράμματα παρουσιάζει καλύτερη απόδοση και για τις τρεις προσομοιώσεις. Σαν μελλοντική εργασία θα προτείνουμε να χρησιμοποιηθεί η συγκεκριμένη πτυχιακή εργασία ως βάση και να μελετηθούν και σχεδιαστούν τα αντίστοιχα φίλτρα πεπερασμένης κρουστικής απόκρισης (FIR). Μετά να γίνει σύγκριση των αποτελεσμάτων ανάμεσα στις δύο πτυχιακές εργασίες. Επίσης, θα μπορούσε να γίνει σύγκριση της μη γραμμικής φάσης των φίλτρων άπειρης κρουστικής απόκρισης (IIR) με την γραμμική φάση των φίλτρων πεπερασμένης κρουστικής απόκρισης (FIR).

Ευχαριστώ για την προσοχή σας!