10. mérés 900 MHz-es FSK adatátviteli berendezés mérése Bevezetés Számos esetben szükség van arra, hogy egy adott helyen rendelkezésre álló információt egy másik pontba rádióhullámok segítségével továbbítsuk. Az átvinni kívánt analóg jelet ill. digitális üzenetet a moduláció művelete során rádióhullámra képezzük le. A digitális technika robbanásszerű fejlődése miatt az analóg rádiórendszerek egyre inkább háttérbe szorulnak, és napjainkra a műsorszóró rendszerek kivételével a digitális rádió rendszerek szinte egyeduralkodóvá váltak a híradástechnikában. A rádió csatornák analóg csatornák, amelyeken csak analóg jeleket lehet továbbítani. A digitális modulációs eljárások a hullámforma kommunikáció elvén alapulnak, amelynek lényege, hogy az átvinni kívánt digitális üzenetet egy analóg hullámformára képezzük le. Digitális modulációk esetén a legkedvezőbb hibaarány a koherens vevőkkel érhető el. Azonban rossz terjedési viszonyok esetén a koherens vevők nem használhatók. A legelterjedtebb nemkoherens vevővel is demodulálható digitális modulációs eljárás a frekvenciabillentyűzés, azaz az FSK moduláció. Az FSK jel igen egyszerű felépítésű, a csatorna terjedési viszonyaira igen robosztus, ugyanakkor viszonylag kedvező zajjellemzőkkel rendelkező frekvenciadiszkriminátoros vevővel is demodulálható. Jelen mérés tárgya egy frekvenciadiszkriminátoros vevőn alapuló FSK adó-vevő mérése. A mérés célja A mérés a Híradástechnika tárgy keretében az FSK rendszer és a szuperheterodin vevő terén megszerzett elméleti ismeretek gyakorlati alkalmazását mutatja be egy, a System-on-a- Chip (SoC) koncepció jegyében kialakított, a 900 MHz-es ISM (industrial, scientific and medical) sávban működő, szimplex FSK összeköttetést biztosító digitális rádió berendezés mérésén keresztül. A mérés során a hallgatók megismerkednek a 900 MHz-es ISM sávban működő FSK rádió berendezések rendszertechnikai felépítésével, az egyes blokkok feladatával és működésével, a blokkok legfontosabb paramétereivel. A TRF6900A IC dokumentációjának tanulmányozásával a hallgatók szembesülnek a rendszeranalízis és tervezés kérdéseivel, az SoC koncepció alapelveivel. A TRF6900A 900 MHz-es adó-vevő IC és a TRF6900EVM fejlesztőrendszer dokumentációjának tanulmányozása révén a hallgatók jártasságot szereznek a komplex IC-k angol nyelvű adatlapjainak és tervezési segédleteinek kiértékelésében ill. megértésében. A hallgatók betekintést nyernek a nagyfrekvenciás mérések gyakorlatába. A mérés fejleszti a hallgatók berendezés- és méréstervezési készségét. A hallgatók a gyakorlatban is megismerkednek az FSK modulációs eljárással, az FSK berendezésekben mérhető jelalakokkal, és megtanulják a berendezések rendszertechnikai mérésének alapjait. 147
Labor 2. Hallgatói segédlet A mérés elméleti alapjai Ez a mérés alapvetően a Híradástechnika c. tantárgyban megszerzett ismeretekre épít. Az alábbi rövid összefoglalás nem helyettesíti, csak feleleveníti az ott tanultakat. Modulációt a gyakorlatban több célból is alkalmazunk. A megfelelő modulációs paramétereknek és magának az eljárásnak a helyes megválasztásával akár egyidejűleg biztosítható a műszakilag könnyebb (hatékonyabb) kisugározhatóság, a nyalábolás, az eszközök és a továbbító csatorna sávkorlátainak leküzdése, a független adók közti frekvenciakiosztás, illetve a zaj és interferencia elnyomás. A szinuszos vivőhullámú modulációs rendszerek modulátorának kimenetén megjelenő jel általánosan az s(t) = A(t) cos(φ(t)) formában írható le, ahol A(t) a vivő t időpillanatban felvett amplitúdója, Φ(t) pedig a vivő ugyanebben a pillanatban felvett fázisszöge. A továbbítandó információt tartalmazó jel értékkészletétől függően megkülönböztetünk analóg és digitális modulációt; további csoportosításokat pedig az alapján teszünk, hogy a moduláló jel A(t)-t vagy Φ(t)-t (esetleg mindkettőt) befolyásolja. Vezessük be f p (t)-t, a vivőhullám pillanatnyi frekvenciáját, a vivő pillanatnyi fázisszögének idő szerint vett differenciálhányadosa 2π-ed részeként! Ha f p (t) = konstans (azaz A(t) időfüggő értéke hordozza a továbbítani kívánt információt), akkor analóg moduláló jel esetében amplitúdómodulációról (Amplitude Modulation, AM), bináris digitális moduláló jel esetében pedig amplitúdóbillentyűzésről (Amplitude Shift Keying, ASK) beszélünk. Egy lehetséges szabály az ASK moduláció megvalósítására, hogy amikor a továbbítandó (bináris) jel értéke 1, akkor A(t) = A 1, amikor pedig a továbbítandó jel értéke 0, akkor A(t) = A 2, ahol A 1 és A 2 két, egymástól eltérő értékű konstans. Az ASK egy speciális esete a mérés során is előforduló ún. On/Off Keying (OOK), amikor is A 2 értékét 0-nak választjuk. Ha a modulátor kimenetén megjelenő s(t) jelben A(t) = konstans (azaz Φ(t) időfüggő értéke hordozza a továbbítani kívánt információt), akkor tiszta szögmodulációról beszélünk; analóg moduláló jel esetében, attól függően, hogy a moduláló jel a vivőhullám pillanatnyi fázisával vagy pillanatnyi frekvenciájával van lineáris kapcsolatban, fázis- avagy frekvenciamodulációról (Phase Modulation, PM illetve Frequency Modulation, FM), bináris digitális moduláló jel esetében pedig fázis- avagy frekvenciabillentyűzésről (Phase Shift Keying, PSK illetve Frequency Shift Keying, FSK) beszélünk. Megjegyezzük, hogy fentieken túl is tovább elemezhetjük és csoportosíthatjuk a modulációkat (AM-DSB, AM-DSB/SC, AM-SSB, AM-VSB, QAM, AM-ISB, stb.), az alábbi rövid összefoglalóban már csak a mérés során is előforduló FM és FSK esetekkel foglalkozunk. Frekvenciamoduláció esetén a vivőhullám pillanatnyi frekvenciája f p (t) = f v + k FM x(t), ahol f v a modulálatlan vivőhullám frekvenciája, k FM egy dimenziós állandó, x(t) pedig a továbbítandó jel. Ebből és a vivőhullám pillanatnyi frekvenciájának definíciójából adódik az FM jel általános összefüggése (0 kezdőfázis választása esetére): s FM = t v FM 0 () t Acos 2π f t + k x( τ ) dτ Az általános x(t) moduláló jel helyett a vizsgálatokat egy U m cos(2π f m t) szinuszos jellel végezve, az FM jelre 148
10. mérés FSK adatátviteli berendezés mérése s FM () FM m t = Acos 2π f t + sin( 2π f t) adódik, azaz a továbbítandó x(t) moduláló jelet az A amplitúdójú szinuszos vivőhullám úgy hordozza, hogy a vivő pillanatnyi frekvenciája f v -t lengi körül, épp a moduláló jel ütemében. Az f v -től számított maximális frekvencia-eltérést (amit pedig, láthatóan, a moduláló jel amplitúdója határoz meg) hívjuk frekvencialöketnek (f D ). Fentiek alapján a frekvencialöket FM jelnél szinuszos moduláló jel esetén: f D = k FM U m. A frekvenciamoduláció két kellemetlen, de fontos tulajdonsága, hogy egyrészt nem lineáris moduláció, másrészt az elméleti sávszélessége végtelen. Az előbbi tény csak az elvi megfontolásokat nehezíti, az utóbbi viszont azt jelenti, hogy sávkorlátozott csatornában ez a jel hibamentesen nem továbbítható! Szerencsére az FM jel kellemesen viselkedik: belátható, hogy spektrális összetevőinek zöme f v köré csoportosul, mégpedig a frekvencialöket (f D ) és a szinuszos moduláló jel frekvenciájának (f m ) hányadosától függő arányban. Ezt a hányadost nevezzük frekvenciamodulációs tényezőnek (m f ). Amennyiben m f < 0,1, akkor ún. kislöketű vagy keskenysávú FM (Narrow Band, NBFM), ha m f > 10, akkor ún. nagylöketű vagy szélessávú FM (Wide Band, WBFM) jelről beszélünk. Az FM jel gyakorlati sávszélességének tekintve azt a sávhatárt, amit alkalmazva a moduláló jel 1%-nál kisebb lineáris torzulást szenved, az előbbi (NBFM) esetben B = 2f m, az utóbbi (WBFM) esetben B = 2 f D, míg az átmeneti (0,1 < m f < 10) tartományban a B = 2(1+(m f ) 1/2 +m f )f m képlet ad jó becslést a gyakorlati sávszélességre. Mindezt egy képletben szokás összefoglalni: B = 2αf m, ahol: α = 1, ha m f < 0,1, α = m f, v k ha m f > 10, és α = 1+(m f ) 1/2 +m f egyébként. Ugyanezen gyakorlati sávszélességre nem szinuszos (hanem általános) moduláló jel esetén durva becslésként az ún. Carson-szabály használatos, ami szerint: B = 2(f D +B m ), ahol B m a moduláló jel sávszélessége. A frekvenciamoduláció egy speciális esetének tekinthető az a rendszer, melyben a moduláló jel egy kétállapotú (bináris) adatjel; ilyenkor FM jel helyett bináris FSK jelről beszélünk. A modulált vivőhullám két lehetséges állapota s FSK (t) = A cos(2π(f v ±f D ) t) formában írható, a vivőhullám pillanatnyi frekvenciája pedig így f p (t) = f v ±f D alakban adódik. Az FSK jel elvi sávszélessége az FM jeléhez hasonlóan végtelen, a gyakorlati sávszélessége pedig szintén jelentős mértékben függ f D és a továbbított adatjel (változási) sebességének arányától. A Carson-szabály itt a következőképp alkalmazható: amennyiben T a bináris adatjel bitidőtartama, azaz 1/T a forrás jelzési sebessége, akkor az FSK jel gyakorlati sávszélessége B = 2(f D +1/T) formában becsülhető. Érdekes és érdemes még megjegyezni, hogy ha 2f D T értéke egész számra adódik, akkor a teljesítménysűrűség-spektrum két diszkrét szinuszos frekvenciát is tartalmaz. Az FSK és az FM jel demodulálására a mérés során fázistolós szorzó elvű demodulátort használunk, melynek működési elve a vevőberendezés leírásánál található. A fent említett modulációs eljárásokról, a modulált jelek előállításáról, az előállított jelek spektrumáról, zajérzékenységéről, demodulálási lehetőségéről további ismereteket a Híradástechnika című tantárgy tankönyvének [1] kapcsolódó (11., 12. és 19.) fejezetei, illetve az ott jelölt irodalmak is tartalmaznak. A mérés során alkalmazott ún. szuperrendszerű (szuperheterodin) vevőkészülékek működési elve az említett tankönyv 19.1.4-es fejezetében található. A fáziszárt hurkok (PLL) ismertetése az Elektronikus áramkörök [2] című könyv vonatkozó fejezetében található. U f m m 149
Labor 2. Hallgatói segédlet Az ehhez a méréshez tartozó anyagokban - és általában a mérnöki gyakorlatban is - sokszor találkozhatunk a dbm, dbμ és dbc jelölésekkel. Ezek jelentése rendre: dbm: az 1 mw-ra vonatkoztatott teljesítményviszony db-ben mérve; dbμ: az 1 μv-ra vonatkoztatott feszültségviszony db-ben mérve; dbc: a vivőhullámra vonatkoztatott jelszintviszony db-ben mérve. Hivatkozások, felkészüléshez ajánlott irodalom 0 [1] Dr. Géher Károly: Híradástechnika, Műszaki Könyvkiadó, Budapest. 11., 12. és 19. fejezetek. [2] Dr. Hainzmann János Dr. Varga Sándor Dr. Zoltai József: Elektronikus áramkörök, Műegyetemi Kiadó, 44570, Bp., 1992 25.4. Fáziszárt hurkok, 558-572. old. Feladatok a felkészüléshez 0. A mérést megelőző otthoni felkészülésként végezze el az alábbiakat önállóan. Az írásbeli feladatokat (kézzel írottan) be kell mutatni a mérésvezetőnek. Elfogadásuk előfeltétele a mérés megkezdésének. A szóbeli felkészülést a mérésvezető szúrópróbaszerűen ellenőrizheti. 1. Olvassa át alaposan A mérés elméleti alapjai és a Tesztpanel c. szakaszokban foglaltakat! 2. Tanulmányozza a TRF6900A IC adatlapját, amely a Laboratórium 2. c. tárgy webes adatlapjáról tölthető le (állománynév: trf6900a.pdf) ill. megtalálható a mérőhelyen. 3. Tanulmányozza a TRF6900EVM fejlesztőkártya angol nyelvű leírását, és a fejlesztőkártyához tartozó szoftver használatát a Laboratórium 2. c. tárgy webes adatlapjáról letölthető ill. a mérőhelyen megtalálható dokumentum (állománynév: swru001c.pdf) alapján. 4. A Laboratórium 2. c. tárgy webes adatlapja alatt töltse le és válaszolja meg írásban az Ön számára kijelölt feladatot! 5. Olvassa el és gondolja végig a Mérési feladatokat! 6. Válaszolja meg a (mérési leírás végén található) Ellenőrző kérdéseket! Alkalmazandó műszerek Oszcilloszkóp Spektrumanalizátor Modulálható RF szignálgenerátor Tápegység Függvénygenerátor Digitális multiméter (3½ digit) Agilent 54622A Agilent E4411B ESA-L Agilent E4430B ESG-D Agilent E3630 Agilent 33220A Metex ME-22T 150
10. mérés FSK adatátviteli berendezés mérése Tesztpanel A gyártási költségek csökkentése érdekében egy korszerű integrált áramkör már nem egy jelfeldolgozási feladatot, hanem egy teljes berendezést valósít meg. Ezeknek az egy lapkán megvalósított rendszereknek (System-on-a-Chip, SoC) a bonyolultsága olyan nagy, hogy a tervezés megkönnyítése végett az IC gyártó cégek ún. fejlesztőkártyákat bocsátanak a felhasználók rendelkezésére. A 10. mérés feladata az SoC koncepció szerint megvalósított, a TRF6900EVM fejlesztőkártyában tesztelhető, 900 MHz-es adó-vevő berendezés mérése. A mérés egyik igen fontos célkitűzése az angol nyelvű IC adatlap és a fejlesztőkártya angol nyelvű kezelési útmutatójának tanulmányozása és megértése. Ezért ezeket a dokumentumokat, amelyek a Laboratórium 2. c. tárgy webes adatlapjáról letölthetők, ill. a mérőhelyen is hozzáférhetők, a mérésre való felkészülés során alaposan tanulmányozni kell, az azokban foglaltakat meg kell érteni. Jelen magyar nyelvű ismertető összefoglalja a mérés elvégzéséhez szükséges ismereteket, az itt meg nem található információk az angol nyelvű IC adatlapon és a fejlesztőkártya angol nyelvű kezelési útmutatójában találhatók meg. A mérések egyértelmű leírása végett a tesztpanel ki- és bemeneteit, valamint az egyes mérőpontokat a TRF6900EVM fejlesztőkártya angol nyelvű leírásában (állománynév: swru001c.pdf) megadott módon jelöljük. 1. A TRF6900A integrált áramkör ismertetése 1.1. A TRF6900A IC felépítése Az SoC koncepció jegyében kidolgozott chipset segítségével félduplex FSK összeköttetés valósítható meg az európai (868-870 MHz) és észak-amerikai (902-928 MHz) ISM sávokban. A chipset két integrált áramkörből áll, az MSP430 mikrokontroller az alapsávi áramköröket, míg a TRF6900A az FSK adó-vevőt valósítja meg. Jelen mérés tárgya a TRF6900A áramkör vizsgálata. Az ISM frekvenciasávok előnye, hogy használatukhoz nincs szükség előzetes hatósági engedélyre. A korlátozott adóteljesítmény miatt az ISM sávokat rövid távolságú, sokszor épületen belüli összeköttetések megvalósítására használják. A mérés tárgyát képező TRF6900EVM fejlesztőkártya az észak-amerikai 915 MHz-es sávközépi frekvenciájú ISM sávban üzemel. A TRF6900A IC blokkvázlata az 10-1. ábrán látható. Funkció szerint az IC áramkörei négy csoportba sorolhatók: frekvenciaszintetizátor és FSK modulátor, adó, vevő és soros interface. 151
Labor 2. Hallgatói segédlet 10-1. ábra. A TRF6900A integrált áramkör blokkvázlata Frekvenciaszintetizátor és FSK modulátor Adás üzemmódban a frekvenciaszintetizátor egyidejűleg két feladatot lát el, egyrészt előállítja a végerősítőt meghajtó RF jelet, másrészt mint FSK modulátor üzemel. Vétel üzemmódban a frekvenciaszintetizátor modulálatlan lokáljelet állít elő a keverő áramkör számára. Az 10-1. ábrán bemutatott, a frekvenciaszintetizátorhoz és az FSK modulátorhoz tartozó áramkörök angol és magyar megnevezése, továbbá az azonosításukra használt rövidítések az alábbiak: Direct Digital Synthesizer Direkt digitális szintetizátor DDS Power-Down Logic Teljesítményt lekapcsoló logika Buffers Regiszterek Voltage Controlled Oscillator Feszültségvezérelt oszcillátor VCO Phase-Locked Loop Fáziszárt hurok PLL Adó Mivel a frekvenciaszintetizátor közvetlenül az adási frekvencián állítja elő az FSK modulált 152
10. mérés FSK adatátviteli berendezés mérése jelet, az adó mindössze egy többfokozatú teljesítményerősítőt tartalmaz (lásd 10-1. ábra): Power Amplifier Teljesítményerősítő amelynek erősítése három különböző érték között állítható be. A +4,5 dbm-es kimenő teljesítmény számos alkalmazásban elégséges, azaz nincs szükség további külső teljesítményerősítő alkalmazására. Vevő A TRF6900A IC egy egyszeres transzponálású, szuperheterodin rendszerű vevőt valósít meg, ahol a KF frekvencia értéke 10 MHz és 21,4 MHz között választható meg. A keverő lokáljelét a frekvenciaszintetizátor szolgáltatja. Az 10-1. ábra jelöléseit használva a vevő áramkörei az alábbiak: Low Noise Amplifier RF kiszajú előerősítő LNA RF Buffer Amplifier RF leválasztó erősítő RF Mixer RF keverő LO Buffer Amplifier Lokáljel leválasztó erősítő 1 st IF Amplifier KF előerősítő 2 nd IF Amplifier/Limiter KF főerősítő és limiter FM/FSK Demodulator Frekvenciadiszkriminátor Received Signal Strength Indicator Vett jelszint indikátor RSSI BufferAmplifier Leválasztó erősítő Data Switch Adatkapcsoló LPF Amplifier/Post-Detection Amplifier Aluláteresztő szűrő LPF Data Slicer Döntő áramkör A vett jelszinttől függően, az RF kiszajú előerősítő erősítése két érték között (2 db és 13 db) állítható. FSK moduláció esetén a vett jel szintje tipikusan 101 dbm és 24 dbm közé esik. A frekvenciadiszkriminátor lehetővé teszi digitális FSK és analóg FM jelek vételét. A vevő tartalmaz egy széles bemenő szinttartományban lineáris vett jelszint indikátort, amely lehetővé teszi a bemenő jelszint mérését, vagy digitális OOK és analóg AM jelek vételét is. A vevőben egy automatikus frekvenciaszabályozó (Automatic Frequency Control, AFC) áramkör is található, amely egyrészt a frekvenciadiszkriminátor sávközépi frekvenciáját utána húzza a vett jel sávközépi frekvenciájának, másrészt digitális modulációk vétele esetén optimális értékre állítja be a döntő áramkör döntési küszöbszintjét. Soros interface A TRF6900A IC paraméterei és a frekvenciaszintetizátor adatai két ( 0 és 1 ) üzemmódban (Mode0 és Mode1), összesen 4 kódszóval állíthatók be. Az 10-1. ábrán látható Serial Interface Soros interface feladata a soros kódszavaknak az IC regisztereibe való beléptetése. 153
Labor 2. Hallgatói segédlet A két üzemmód lehetővé teszi azt, hogy a frekvenciaszintetizátor frekvenciáját újabb kódszó időigényes beléptetése nélkül mindössze egy parancsjellel megváltoztassuk. Így lehetővé válik, hogy pl. az adás üzemmódból igen gyorsan vételi üzemmódba váltsunk. Illesztés A maximális teljesítményátvitel, azaz legkedvezőbb zajjellemzők elérése végett a TRF6900A áramköreit illeszteni kell egymáshoz, illetve az antennához. Az adó kimente és a vevő bemenete 50 Ω-ra van illesztve. A disszipáció minimalizálása érdekében az integrált áramkörön belüli áramkörök be- ill. kimenő impedanciája 330 Ω. 1.2. A TRF6900A IC működése A mérés tárgyát képező TRF6900EVM fejlesztőkártya az észak-amerikai ISM sávban üzemel. A TRF6900A FSK adó-vevő berendezés kapcsolási rajza a 10-2. ábrán látható. 10-2. ábra. A TRF6900A FSK adó-vevő kapcsolási rajza. A KF frekvencia értéke 10,7 MHz 154
10. mérés FSK adatátviteli berendezés mérése Frekvenciaszintetizátor és FSK modulátor A 10-2. ábrán bemutatott kapcsolási rajz áramkörei közül a direkt digitális szintetizátor, a VCO és a PLL áramkörök tartoznak a frekvenciaszintetizátor és FSK modulátor áramkörhöz. A híradástechnikai berendezésekben a frekvenciaszintetizátort gyakran lokáloszcillátornak (Local Oscillator Block) hívják. A TRF6900A lokáloszcillátora a 10-3. ábrán látható, a szaggatott vonalon kívüli áramköröket mint diszkrét áramköri elemeket kívülről kell az integrált áramkörhöz csatlakoztatni. A lokálblokk egy DDS és egy PLL áramkört foglal magába. A 10-3. ábrán látható áramkörök magyar megnevezése: Phase Frequency Detector Charge Pump Loop Filter Varactor LC Tank Oscillator Digital Interface Fázis-frekvencia detektor Töltéspumpa áramkör Hurokszűrő Varikap dióda LC rezonátor Oszcillátor Digitális interface Xtal Oscillator Kristály oszcillátor CLOCK Clock, Data, Strobe Órajel, adatjel, vezérlő jel 10-3. ábra. A TRF6900A IC frekvenciaszintetizátor és FSK modulátor áramkörének blokkvázlata. Az integrált áramkörben a szaggatott vonallal jelölt dobozon belüli áramkörök kerültek megvalósításra, a többi áramköri elemet kívülről kell az IC-hez csatlakoztatni. A TRF6900A IC-ben a modulálatlan ill. az FSK modulált jelet a DDS áramkör állítja elő. Mivel a DDS áramkör által előállított jel frekvenciája 3,5 MHz körül van, ezt a frekvenciát egy PLL áramkör sokszorozza fel az ISM frekvenciasávba. A 10-3. ábrán N-nel jelölt, a PLL visszacsatoló ágában lévő frekvenciaosztó osztási száma két érték, 256 és 512, között változtatható. FSK jel adása esetén a PLL-nek torzítás nélkül át kell vinnie a modulált FSK jelet. Ehhez az szükséges, hogy a PLL zárthurkú sávszélessége a forrás jelzési sebességnek K-szorosa legyen, ahol 1,3 K 2. 155
Labor 2. Hallgatói segédlet A lokálzaj spektrumát általában a lokálfrekvenciától való elhangolás függvényében adjuk meg. A PLL zárthurkú sávszélességének alkalmas megválasztásával optimalizálni lehet a lokálzaj spektrumát. A PLL zárthurkú huroksávszélességén belül a lokálzaj spektruma állandó értékű, és azt a DDS áramkör N 2 arányban felsokszorozott zaja határozza meg. A zárthurkú sávszélességnél nagyobb elhangolások esetén a lokálzaj spektruma megegyezik a VCO zajával, azaz az elhangolás függvényében egy 20 db/d meredekségű egyenes szerint csökken. A frekvenciaváltási idő csökkentése végett a frekvenciaváltási tranziens alatt a TRF6900A IC megnöveli a PLL zárthurkú sávszélességét oly módon, hogy egy második, csak a tranziens alatt működő fázisdetektorral járulékos töltőáramot szolgáltat a hurokszűrő kondenzátora számára. A direkt digitális szintetizátorok a kimenő jelet az idő függvényében folytonosan és digitálisan szintetizálják. A DDS áramkör előnyei: képes a kimenő jel frekvenciájának és fázisának igen gyors és fázisfolytonos megváltoztatására, alkalmas a kimenő frekvencia igen kis lépésekben való megváltoztatására (nagyfelbontású frekvenciaraszter), és egy aluláteresztő szűrő kivételével megvalósítható tisztán digitális áramkörök alkalmazásával. A direkt digitális szintézis használhatóságát korlátozza, hogy csak viszonylag alacsony frekvenciás jelek előállítására alkalmas, mivel a kimenő frekvencia nem haladhatja meg az órajel-frekvencia negyedét, és a digitális jelszintézisből eredően a kimenő jelben számos zavarjel (spurious signal) található, amely zavarjelek szintje az óra- és kimenő frekvenciák viszonyának növelésével csökkenthető. A TRF6900A integrált áramkörben található DDS áramkör blokkvázlata a 10-4. ábrán található, ahol f CLK az órajel-frekvencia és f DDS a DDS kimenő frekvenciájának értékét jelöli. A DDS kimenő jele a PLL referencia jelével egyezik meg (lásd 10-3. ábra). 10-4. ábra. A TRF6900A IC direkt digitális szintetizátorának a blokkvázlata 156
10. mérés FSK adatátviteli berendezés mérése A 10-4. ábrán használt angol kifejezések magyar megfelelői a következők: Clock Frequency Órajel frekvencia f CLK 24-Bit Register 24-bites regiszter 11-Bit DAC 11-bites digitál-analóg konverter DAC Sine Shaper Low-Pass Filter Szinuszos jelalak-formáló Aluláteresztő szűrő to PLL PLL referencia jele f DDS DDS Frequency Register Modulation Control Logic DDS frekvenciaregiszter Modulációt vezérlő logika DDS Mode 0/1 0 / 1 üzemmódváltás DDS_x Frequency Setting Mode 0/1 Select Logic Frekvenciabeállítás regiszter 0 / 1 üzemmódkapcsoló FSK Frequency Deviation Register FSK frekvencialöket regisztere DEV A direkt digitális szintetizátor működését a 10-4. ábrán bemutatott blokkdiagram alapján kísérjük nyomon. A DDS kimenő frekvenciáját a 24-bites regiszter határozza meg, amelynek tartalma az órajel minden ütemére a DDS frekvenciaregiszterében tárolt számmal nő egészen addig, amíg a 24-bites regiszter túlcsordul, és a számolási ciklus újrakezdődik. A 24-bites regiszter kimenete az analóg kimenő jel pillanatnyi fázisával egyezik meg, azaz a digitális jel az idő függvényében egy fűrészjel szerint változik. A DDS ezt a fűrészjel szerint változó digitális jelet konvertálja egy digitális háromszögfüggvénybe, majd azt egy 11-bites DAC analóg háromszögjellé konvertálja. Az analóg háromszögjelet egy nemlineáris áramkör szinuszos jellé konvertálja. A DAC miatt a szinuszos jelalak-formáló kimenetén megjelenő jel a szinuszos jelet lépcsőfüggvénnyel közelíti. A lépcsőfüggvény miatt fellépő zavarjeleket a 4 MHz-es határfrekvenciájú aluláteresztő szűrő távolítja el. Ez a szűrő egyúttal 4 MHz-ben korlátozza a DDS áramkörrel szintetizálható legnagyobb f DDS frekvencia értékét. A DDS pillanatnyi f DDS kimenő frekvenciáját a DDS frekvenciaregiszterben levő szám határozza meg, amelynek értéke három paraméterrel befolyásolható: 0 üzemmód esetén az A kódszó és 1 üzemmódban a B kódszó segítségével, valamint FSK moduláció esetén a D kódszó által hordozott FSK frekvencialökettel. A DDS kimenő frekvenciájának két érték közötti igen gyors átkapcsolását a két frekvenciabeállítás regiszterben tárolt A és B kódszó (A-Word és B-Word) teszi lehetővé. Az érvényes kódszót az üzemmódkapcsoló választja ki, amely kapcsoló az IC 17- es lábára vezetett üzemmód parancsjellel (MODE) vezérelhető. A kimenő frekvencia értékét 0 üzemmód mellett az A, míg 1 üzemmódban a B kódszó határozza meg. Jelölje DDS_x az A ill. B kódszavak aktuális értékét. Modulálatlan esetben a frekvenciaszintetizátor kimenő frekvenciája, 157
Labor 2. Hallgatói segédlet DDS _ x 2 fs = Nf DDS = N 24 ahol figyelembe vettük a PLL-ben levő frekvenciaosztó N osztási számát. A mérés tárgyát képező TRF6900EVM fejlesztőkártyán az f CLK órajelfrekvencia értéke 26,000 MHz. A frekvenciaszintetizátorok egyik legfontosabb jellemzője a két szomszédos beállítható kimenő frekvencia különbsége, amit frekvenciaraszternek vagy csatornatávolságnak szoktak nevezni Δf = N FSK moduláció esetén az átvinni kívánt digitális jelsorozat a DDS kimenő frekvenciáját két érték között, f S1 és f S2, kapcsolgatja. A digitális jelsorozatot a TX_DATA (az IC 19-es lába) bemenetre kell kapcsolni. Alacsony szintű ( 0 bit) moduláció esetén a frekvenciaszintetizátor kimenő frekvenciája megegyezik a modulálatlan esetben mért kimenő frekvenciával Magas szintű ( 1 bit) TX_DATA esetén a modulációt vezérlő logika helyértékben eltolva hozzáadja a D kódszóban lévő DEV számot a DDS frekvenciaregiszter tartalmához, és így a frekvenciaszintetizátor kimenő frekvenciája az alábbi értéket veszi fel f CLK 2 24 A fenti egyenletekből az FSK modulált jel sávközépi frekvenciája S f. f CLK DDS _ x f S : TX _ DATA= Low = N f 24 2 1 CLK DDS _ x + 4DEV = N f 24 2 S 2: TX _ DATA= High CLK.. f FSK = f S1: TX _ DATA= Low + f S 2: TX _ DATA= High 2 és lökete f S 2: TX _ DATA= High f S1: TX _ DATA= Low DEV Δf FSK = = N 23 2 2 Adó A TRF6900A IC adója mindössze egy háromfokozatú teljesítményerősítőt tartalmaz, amelyet egy LC tag illeszt az 50 Ω-os lezáró impedanciához (lásd 10-2. ábra). A C és D kódszavakban levő PA vezérlő bitekkel a kimenő teljesítmény +4,5 dbm, 0,5 dbm és 8 dbm között kapcsolható át, illetve lehetőség van a kimenő teljesítmény lekapcsolására. Vevő A vevő működését a 10-2. ábrán bemutatott kapcsolási rajz alapján tárgyaljuk. A vett jel egy kiszajú (NF=3,3 db) előerősítőre jut, amelynek erősítése a C és D kódszavakban található LNAM bitekkel 2 db és 13 db között kapcsolható át. A vett jel KF-sávba való transzponálása egy kétszeresen kiegyenlített keverővel, azaz az integrált áramkörökben igen gyakran használt Gilbert-cellával megy végbe. A keverő előtt a vevőágban tükörfrekvenciás szűrő nem található, így a vevő hasznos jelre vonatkoztatott és tükörfrekvenciás érzékenysége megegyezik egymással. f CLK. 158
10. mérés FSK adatátviteli berendezés mérése A KF előerősítő a BPF2 jelű, 150 khz RF sávszélességű, kerámia szűrő csillapítását kompenzálja. A vevő szelektivitását a BPF2 csatornaszűrő határozza meg. A csatornaszűrő kimenete a kb. 80 db-es erősítésű, differenciál erősítőfokozatokból kialakított KF főerősítő és limiter áramkörre jut. A digitális FSK és analóg FM modulációk nagy előnye, hogy nemlineáris vevőkkel is vehetők, azaz nincs szükség lineáris erősítő és AGC (automatikus erősítésszabályozás, Automatic Gain Control) áramkörök alkalmazására. A limiter áramkör működéséhez kb. 32 μv-ra van szükség az IC IF2_IN pontján. A limiter kimenete a digitális FSK és analóg FM jelek demodulációjára egyaránt alkalmas frekvenciadiszkriminátorra jut. Az RLC fázistolón (Phase-Shift Network With 90 Phase Shift at f C ) alapuló kvadratúra-demodulátor blokkvázlata az 10-5. ábrán látható. 10-5. ábra. A frekvenciadiszkriminátor blokkvázlata A frekvenciában modulált s FM (t) jel egy RLC-rezgőkörrel megvalósított fázistolóra jut, amelynek fázistolása arányos az s FM (t) jel pillanatnyi frekvenciájával. A fázistoló sávközépi frekvencián mért fázistolása -90. A fázistoló miatt a modulációt a v θ (t) jel mind frekvencia-, mind fázismodulációként hordozza. Az 10-5. ábrán látható szorzó és aluláteresztő szűrő egy kvadratúra demodulátort alkot, amelynek kimenete 0 V, ha az s FM (t) jel és v θ (t) jelek kvadratúrában vannak egymással. A fázistoló v θ (t) kimenetét a kvadratúra demodulátor összeszorozza a bemeneti s FM (t) jellel, és az aluláteresztő szűrő (Low-Pass Filter) kimenetén megjelenik a fáziskülönbséggel, azaz az s FM (t) jel pillanatnyi frekvenciájával arányos, demodulált v o (t) jel. FSK ill. FM modulált jelek vétele esetén az adatkapcsoló a frekvenciadiszkriminátor kimenetét a 45 khz-es határfrekvenciájú, másodrendű aluláteresztő szűrő bemenetére kapcsolja. A demodulált analóg FM jel az aluláteresztő szűrő AMP_OUT kimenetéről vehető le. FSK jel vétele esetén az aluláteresztő szűrő AMP_OUT kimenete a döntő áramkör bemenetére jut. A TRF6900A vevőben órajel-visszaállító áramkör nem található, helyette a demodulált digitális jelfolyamot az aluláteresztő szűrő kimenetéből egy komparátorral megvalósított döntő áramkör állítja elő. A demodulált jel a döntő áramkör DATA_OUT kimenetén jelenik meg. A vett jelszint indikátor a KF főerősítő és limiter bemenetén fellépő RF jel szintjével arányos egyenfeszültséget állít elő az RSSI_OUT kimeneten. Mivel a vevő lineáris a vett jelre nézve az LNA bemenete és a KF főerősítő és limiter bemenete között, az RSSI_OUT feszültség 159
Labor 2. Hallgatói segédlet arányos a pillanatnyi bemenő jelszinttel, az RSSI áramkör érzékenysége 19 mv/db. A vett jelszint indikátor elsődleges feladata a vett jelszint mérése. Linearitása és gyors működése (1 μs-os késleltetés) miatt a vett jelszint indikátor felhasználható analóg AM, továbbá digitális ASK és OOK jelek demodulációjára. Amplitúdómodulált jelek vétele esetén az adatkapcsolót át kell kapcsolni úgy, hogy az RSSI áramkör kimenete az aluláteresztő szűrő bemenetére jusson. A demodulált analóg AM jel az aluláteresztő szűrő AMP_OUT kimenetén, míg a demodulált digitális ASK és OOK jelek a döntő áramkör DATA_OUT kimenetén jelennek meg. Mivel az RSSI áramkör a vett jel teljesítményével arányos feszültséget szolgáltat, az AM jelek vétele esetén torzítás lép fel. Egy FSK vevő hibaaránya ill. egy analóg FM vevő torzítása nagymértékben függ a vett jel és a frekvenciadiszkriminátor sávközépi frekvenciáinak különbségétől, továbbá FSK jel vétele esetén a döntő áramkör döntési küszöbszintjétől. A TRF6900A vevőben az optimális paramétereket egy, az adó által kisugárzott, az átvinni kívánt adatsorozatot megelőző, alternáló 0 1 tanítási bitsorozattal állíthatjuk be. A tanítási bitsorozat vétele alatt a vevőnek tanulás üzemmódban kell lennie, amely üzemmódot a C kódszó SLCTL bitjével kell beállítani. Tanulás üzemmódban egy AFC áramkör a frekvenciadiszkriminátor sávközépi frekvenciáját hozzáhúzza a vett jel sávközépi frekvenciájához, továbbá digitális moduláció esetén a vevő a döntési küszöbszintjét optimális értékre állítja be. Az információt hordozó adatsorozat vétele alatt a vevőt a C kódszó SLCTL bitjével tartás üzemmódba kell kapcsolni, amikor is a vevő tárolja a frekvenciadiszkriminátor sávközépi frekvenciáját és a döntő áramkör döntési küszöbszintjét. Analóg FM ill. nulla átlagú digitális FSK jelek vételekor célszerű a vevőt állandóan tanulás üzemmódban használni. Azonban ha a digitális moduláló jel átlaga különbözik nullától, ill. burst üzemmód valamint csomagkommunikáció esetén mindenképpen tanítási jelsorozatot kell alkalmazni. Soros interface A TRF6900A IC vezérlése a 10-6. ábrán bemutatott 4 kódszóval megy végbe. A kódszavak bitjeinek pontos jelentése a TRF6900A IC mérőhelyen megtalálható adatlapjának (fájlnév: trf6900a.pdf) 24-26., a kódszavak beléptetésének ütemdiagramja az adatlap 28. oldalán található meg. A fekvenciaszintetizátor kimeneti frekvenciáját 0 üzemmód esetén az A, míg 1 üzemmódban a B kódszó határozza meg. A TRF6900A egyes áramköreinek ki-/ bekapcsolását és vezérlését a 0 üzemmód esetén a D kódszó 0-12 bitjei, míg 1 üzemmódnál a C kódszó 0-12 bitjei végzik el. A PLL paramétereit ill. az adatkapcsoló állapotát a C kódszó 15-20 bitjei határozzák meg. FSK jel adása esetén a moduláció lökete a D kódszó 13-20 bitjeivel választható meg. A kódszavak elején található ADDR bitek a soros interface-ben lévő 4 regiszter címét hordozzák. 160
10. mérés FSK adatátviteli berendezés mérése 10-6. ábra. A TRF6900A integrált áramkört vezérlő kódszavak felépítése 2. A TRF6900EVM fejlesztőkártya és szoftver használata 2.1. A TRF6900EVM fejlesztőkártya A TRF6900EVM fejlesztőkártya egyrészt a 10-2. ábra kapcsolási rajza szerint az északamerikai ISM sávban (902-928 MHz) üzemelő TRF6900A adó-vevőt, másrészt az adó-vevőt vezérlő kódszavak beléptetésére szolgáló digitális és a tápellátó áramköröket tartalmazza. A fejlesztőkártya a vezérlő PC párhuzamos kapujához csatlakoztatandó, és a TRF6900A IC tesztelése Windows operációs rendszer alatt futtatható kezelői program segítségével végezhető el. A fejlesztőkártya lehetővé teszi a TRF6900A adó-vevő teljes körű tesztelését. Az egyes mérések kiválasztása rövidzárakkal és szoftveres úton megy végbe. Jelen használati útmutató csak azon tudnivalókra tér ki, amelyek később szükségesek a mérési feladatok elvégzéséhez. Az általunk végzendő mérésekben használt tesztpanelen a rövidzárak a 10-7. ábrán látható 161
Labor 2. Hallgatói segédlet módon vannak bekötve. A 10-2. ábrán és a tesztpanelen használt rövidítések megegyeznek egymással. 10-7. ábra. A rövidzárak helyzete a mérés tárgyát képező tesztpanelen A mérések során használt csatlakozók és mérőpontok megnevezéseit és funkcióit az alábbiakban a 10-7. ábra alapján adjuk meg: Csatlakozók: P1, a 10-7. ábrán nincs feltüntetve A P1 csatlakozót a PC párhuzamos kapujához kell csatlakoztatni. A TRF6900 kezelői program a PC1 csatlakozón keresztül vezéreli a TRF6900EVM fejlesztőkártyát. J4: RX_IN SMA csatlakozó, amelyhez a vevő bemenete csatlakozik. J5: TX_OUT SMA csatlakozó, amelyhez az adó kimenete csatlakozik. J6: RXDATA_OUT SMA csatlakozó, amelyen a demodulált digitális jelfolyam jelenik meg. 162
10. mérés FSK adatátviteli berendezés mérése Mérőpontok: AMP_OUT (IC 30. kivezetése) A demodulátort követő aluláteresztő szűrő kimenete. Analóg modulációk esetén erről a pontról vehetjük le a demodulált jelet. RSSI_OUT A vett jelszint indikátor áramkör kimenete. TXDATA A TXDATA mérőpont két feladatot lát el: egyrészt FSK jel adása esetén ezen a ponton figyelhető meg a kisugárzott digitális jelfolyam, másrészt a külső generátorból származó digitális jelet (átvinni kívánt moduláció) erre a pontra kell csatlakoztatni. Led kijelzők: (a 10-7. ábrán nincsenek feltüntetve): VCC A tápfeszültség bekapcsolása esetén a VCC LED világít. LDET A PLL fáziszárt állapota esetén a LDET LED világít. ENABLE Az ENABLE LED világít, ha a PC által küldött STBY jel magas szinten van. 2.2. A TRF6900 szoftver használata A TRF6900EVM fejlesztőkártya vezérlése három ablak segítségével megy végbe: Main Program Screen Chip Layout Screen PLL/Modulation Options Screen Vezérlő ablak Blokkdiagram ablak PLL/FSK moduláció ablak Az alábbiakban összefoglaljuk a három ablakkal kapcsolatos tudnivalókat. Az egyes adatok egyértelmű azonosíthatósága végett az összefoglalóban az ablakokban olvasható angol nyelvű megnevezéseket használjuk. Csak azon paraméterek jelentését adjuk meg, amelyeket a mérés során be kell állítani. A szoftver használatával kapcsolatos további részletek a TRF6900EVM fejlesztőkártya használati utasításában (fájlnév: swrn001c.pdf) találhatók. A használati utasítás a mérőhelyeken elérhető. Vezérlő ablak A 10-8. ábrán bemutatott vezérlő ablak részei: SYNTHESIZER A program a DDS órajel-frekvenciájából (CLK), a PLL-ben lévő frekvenciaosztó osztási számából (PreScaler) és a beállítani kívánt frekvenciaszintetizátor frekvenciából (Desired Freq.) kiszámítja az A és B kódszavakat. A frekvenciaszintetizátor csak a diszkrét frekvenciaraszter szerint tud frekvenciákat előállítani, a tényleges frekvencia az Actual Freq. ablakban jelenik meg. 163
Labor 2. Hallgatói segédlet 10-8. ábra. A monitoron megjelenő vezérlő ablak Mivel az órajel tényleges frekvenciája rendszerint eltér a névleges értéktől, a frekvenciaszintetizátor által előállított frekvencia különbözik az Actual Freq.-től. A frekvencia kompenzálására szolgál a Freq. Error ablak és az Update CLK, a frekvenciahiba kompenzálását a fejezet végén tárgyaljuk. A frekvenciák beléptetése során sohase feledkezzen meg arról, hogy a TRF6900 szoftverben tizedespontot kell használni. A tizedesvessző használata esetén a szoftver is not valid floating point value hibaüzenetet ad. MODE OPTIONS A zárójelben megadott áramkörök ki- és bekapcsolására az alábbi rövidítésekkel azonosított ablakok szolgálnak: PLL (PLL), VCO (VCO), Slice (döntő áramkör), LPF (aluláteresztő szűrő), RSSI (vett jelszint indikátor), LIM (KF főerősítő és limiter), IF (KF előerősítő), MIX (keverő) és LNA (RF kiszajú előerősítő). A Pwr Amp ablak az RF kimenő teljesítmény szintjének beállítására ill. lekapcsolására szolgál. Ha a döntő áramkör be van kapcsolva, akkor a tanulás/tartás üzemmódokat az SLCTL ablakban tudjuk váltani. Az adatkapcsoló a DSW ablakban kapcsolható át. OUTPUT PARAMETERS A Enable ablakban a TRF6900A IC állapotát átkapcsolhatjuk készenléti Off és bekapcsolt On állapotok között. FSK moduláció esetén a TXData segítségével a modulációt kézzel átkapcsolhatjuk 0 és 1 bit között. Külső moduláció esetén a TXData paraméternek Off állásban kell lennie. A mérések során a TRF6900A IC mindig Mode 0 üzemmódban működjön. LPT PORT A PC az LPT_x = 1 párhuzamos kapun keresztül vezérli a tesztpanelt. 164
10. mérés FSK adatátviteli berendezés mérése PLL AND MM OPTIONS Az APLL paraméter a PLL befogás alatti zárthurkú sávszélességét határozza meg. Nagyobb szám, nagyobb sávszélességet eredményez. Az NPLL paraméter a PLL áramkörben levő frekvenciaosztó osztási számát határozza meg. Az MM paraméternek FSK állásban kell lennie. WORDS A Words ablakban a 10-6. ábrán látható A - D kódszavak találhatók. A megváltoztatott, de még nem hatásos bitek piros színűek, a kódszavak a Send Words Now gombbal írhatók be a TRF6900A regisztereibe. VEZÉRLŐ ABLAK HASZNÁLATA Az egyes paraméterek vagy a bal egérgombbal való kétszeri kattintással, vagy az ablak melletti legördülő ablakok nyilaira kattintva változtathatók meg. A blokkdiagram ablak a Help ablakra való kétszeres kattintással hozható fel. Blokkdiagram ablak A 10-9. ábrán bemutatott blokkdiagram ablakban a TRF6900A IC blokkvázlata látható, ahol az egyes blokkokra egyszer kattintva állítható be az adott blokk paramétere ill. állapota. A Mode 0, TXData, Enable és Send Words nyomógombok funkciója azonos a vezérlő ablakban található azonos nevű ablakok funkciójával. 10-9. ábra. A TRF6900 szoftver blokkdiagram ablaka Az FSK Test gombra kattintva a TRF6900 szoftver egy kb. 200 bit/s-os forrás jelzési sebességű, alternáló 0 1 bites jelfolyamot küld az FSK modulátor bemenetére. Az FSK jel generálásának időtartama percekben állítható be. A blokkdiagram ablak a Close gombbal zárható be. Az FSK moduláció paramétereinek beállítására szolgáló PLL/FSK moduláció ablakot a PLL/Modulation Options gombra kattintva hozhatjuk fel. 165
Labor 2. Hallgatói segédlet PLL/Modulation Option A 10-10. ábrán bemutatott, PLL/FSK moduláció ablak bal oldala a PLL áramkörre vonatkozó, és a vezérlő ablak kapcsán már ismertetett paraméterek beállítására szolgál. 10-10. ábra. A TRF6900 szoftver PLL/FSK moduláció ablaka Az FSK moduláció löketét meghatározó DEV szám a DV0 DV7 ablakokra való kétszeres kattintással állítható be. A DV0 DV7 bitek beállítása után a Send Bits gombra kattintva a program kiszámolja és megjeleníti az FSK moduláció paramétereit és a D kódszóban beállítja a DEV biteket. Vegyük észre, hogy a Delta Fout ablakban az FSK moduláció löketének kétszerese jelenik meg. Az FSK moduláció paraméterei csak akkor kerülnek át a TRF6900A IC regiszterébe, ha a vezérlő ablakon megnyomjuk a Send Words Now gombot. Az órajel frekvenciahibájának korrigálása A TRF6900 szoftver használatának illusztrálására az órajel frekvenciahibájának korrekcióját mutatjuk be. A rezgőkvarc véges pontossága miatt az órajel valóságos frekvenciája eltér a vezérlő ablakban beállított értéktől. Ez az eltérés hibát okoz a frekvenciaszintetizátor kimenő frekvenciájában. A TRF6900 szoftver ezt a frekvenciahibát úgy korrigálja, hogy megkeresi azt a szintetizátor frekvenciát, amely legközelebb áll a beállítani kívánt szintetizátor frekvenciához. A frekvenciahiba korrekciójának lépései: 1. A vezérlő ablakban léptesse be a beállítani kívánt frekvenciát, pl. 915.199921 MHz-et a Desired Freq. ablakban. 2. Mérje meg a szintetizátor tényleges kimenő frekvenciáját. 3. A Freq. Error ablakba léptesse be a Desired Freq. és a mért tényleges kimenő frekvenciák különbségét MHz-ben. Negatív frekvenciahiba esetén a beléptetett szám előjellel kezdődjön (pl. 0.004). 4. Az Update CLK gomb megnyomásával léptesse be a korrigált órajel frekvencia értékét. 166
10. mérés FSK adatátviteli berendezés mérése 3. A tesztpanel A TRF6900EVM fejlesztőkártya a 10-11. ábrán látható tesztpanelba került beépítésre. A vevő RX_IN bemenetén egy 30 db-es, az adó TX_OUT kimenetén egy 20 db-es csillapító található. A mérési jegyzőkönyvben mindig A TRF6900EVM kártya ki- és bemenő szintjei kerüljenek rögzítésre. 10-11. ábra. A TRF69EVM fejlesztőkártyát tartalmazó tesztpanel A tesztpanelen található, jelen mérés során használandó ki- és bemenetek listája: Tápfeszültség: +8,5 V (max. felvett áram = 200 ma). RX_IN (J4, 30 db) A vevő 30 db-es csillapítóval leválasztott bemenete. TX_OUT (J5, 20 db) Az adó 20 db-es csillapítóval leválasztott kimenete. RXDATA_OUT (J6) A döntő áramkör kimenete. P1 Vezérlő bemenet, csatlakozás a PC párhuzamos kapuja számára. TX_DATA (Z in =50 Ω) Bemenet a külső FSK moduláció számára. Bemenő impedancia 50 Ω! 167
Labor 2. Hallgatói segédlet RSSI_OUT Vett jelszint indikátor kimenete (RSSI feszültség). AMP_OUT A demodulátort követő aluláteresztő szűrő kimenete. Mérési feladatok0. Az 1 4. sorszámú mérési feladatok elvégzése kötelező a mérési gyakorlat közepes - jó eredménnyel való elvégzéséhez. A jó jeles eredményhez az 1 5 sorszámú feladatokat teljesen, a 6. feladat közül pedig egy, a mérésvezető által kijelölt mérési feladatot kell elvégezni. Az alábbiakban ismertetjük a mérési feladatokat és útmutatást adunk az egyes feladatok elvégzéséhez. A feladatokhoz tartozó, 9-es betűnagysággal szedett útmutatókat csak a mérési gyakorlaton kell elolvasni ill. tanulmányozni. A mérések elvégzése során ügyeljen az alábbiak betartására: A spektrumanalizátor bemenetére tilos a megengedettnél (+15 dbm) nagyobb bemenő szintet kapcsolni. A spektrumanalizátor bemenetére csak RF jel kapcsolható. Az AMP_OUT mérőponton fellépő jelalakot az oszcilloszkóp kiskapacitású mérőfejével mérje. Az amerikai számábrázolásnak megfelelően, a TRF6900EVM tesztpanelt vezérlő szoftverben a számok egész és törtrészét nem tizedesvesszővel hanem tizedesponttal kell elválasztani egymástól. A számábrázolásra vonatkozó is not a valid floating point value hibaüzenet esetén a Vezérlőpult->Helyi beállítások ablakában a tizedesvesszőt tizedespontra kell átállítani. A TRF6900A adó- és vevőáramkörei egyidejűleg nem lehetnek bekapcsolva. Ennek oka, hogy az egy lapkán megvalósított adó és vevőáramkörök egymással csatolásban vannak, és ennek következtében zavarják egymás működését. A mérések elvégzésénél ügyeljen arra, hogy az adó (vevő) mérésekor a vevő (adó) valamennyi blokkja ki legyen kapcsolva. A TRF6900A IC RLC fázistolón és kvadratúra detektoron alapuló frekvenciadiszkriminátorának elhangolódása, ill. a döntő áramkör döntési küszöbszintjének az ideális értéktől való eltérése a vevőág paramétereinek romlásához vezet. A TRF6900A IC vevője a tanulás (learning) üzemmódban kompenzálni képes a hőmérsékletváltozás és az öregedés miatt fellépő elhangolódásokat. Az elhangolódásból eredő hibák kiküszöbölése végett ahol csak lehet a vevőt mindig tanulás üzemmódban mérje. A TRF6900EVM tesztpanelen az adó kimenete egy 20 db-es, míg a vevő bemenete egy 30 db-es csillapítóval van leválasztva. A mérési eredmények kiértékelése és rögzítése során mindig a TRF6900A IC tényleges be- és kimeneti szintjei kerüljenek rögzítésre. Sohase feledkezzen meg a csillapítók csillapításának figyelembe vételéről. A TRF6900A IC két üzemmóddal (Mode 0 és Mode 1) rendelkezik. A frekvenciaszintetizátor frekvenciáját Mode 0 esetén az A kódszó, míg Mode 1 esetén a B kódszó határozza meg. A két üzemmód lehetővé teszi azt, hogy a frekvenciaszintetizátor frekvenciáját a két előre programozott érték között igen rövid idő alatt, egyetlen parancsjellel megváltoztassuk. A mérések során ezt a funkciót nem használjuk ki, a Vezérlő ablakban található üzemmód kapcsolónak mindig Mode 0 állásban kell lennie. A hamis mérések elkerülése végett, egyenfeszültség multiméterrel való mérésekor a fellépő feszültség alakját minden alkalommal oszcilloszkóppal ellenőrizze. 1. Az új műszerek birtokba vétele A mérési pont célja az RF szignálgenerátor és a spektrumanalizátor kezelésének begyakorlása. 1.1. Az RF szignálgenerátorról adjon 1 MHz-es, 0 dbm szintű, AM (modulációs frekvencia = 10 khz, modulációs index=10%) jelet a spektrumanalizátorra. 168
10. mérés FSK adatátviteli berendezés mérése 1.1.1. Vizsgálja meg az AM jel spektrumát különböző RBW, VBW és SPAN beállítások mellett. 1.1.2. Jelenítse meg és vizsgálja meg az AM jelet az időtartományban is. 1.1.3. Jegyzőkönyvezze az AM jel időfüggvényét, és két különböző spektrumanalizátor beállításhoz tartozó spektrumát. Irja le röviden tapasztalatait. 2. Az FSK AÁB (adatátviteli berendezés) adóegységének vizsgálata A mérési pont célja az FSK AÁB üzembe helyezése, kezelői programja használatának elsajátítása, az adó paramétereinek modulálatlan esetben való megmérése. 2.1. Kapcsolja be a tesztpanelt, és indítsa el annak kezelői programját. A Vezérlő ablak Help mezőjére a bal egérgombbal kétszer kattintva indítsa el a Blokkdiagram ablakot, majd annak segítségével kapcsolja ki a vevő-, és kapcsolja be az adóegység valamennyi áramkörét. A vizsgálatok során a TRF6900A üzemmódkapcsolója Mode 0 állásban legyen, amikor is az A kódszó (Words) határozza meg a frekvenciaszintetizátor frekvenciáját. Ellenőrizze le az egyes áramkörök állapotát a Vezérlő ablak segítségével. 2.2. Modulálatlan jel generálása az FSK AÁB adóegységével. A tesztpanel adójának kimenetét csatlakoztassa a spektrumanalizátorhoz. 2.2.1. Mérje meg és jegyzőkönyvezze a a) tényleges kimenő frekvencia értékét, b) kimenő teljesítmény értékét Pwr Amp = 0 db beállítás mellett, c) kimenő jel spektrumát (Pwr Amp = 0 db). 2.2.2. A mért spektrum alapján becsülje meg és jegyzőkönyvezze a PLL zárthurkú sávszélességét. 2.2.3. Mérje meg és jegyzőkönyvezze a kimenő spektrumban fellépő periodikus zavarjelek (spurious signals) vivőtől való távolságát és vivőhöz viszonyított relatív szintjét dbc-ben. 2.3. Határozza meg a digitális frekvenciaszintetizátort vezérlő DDS kódszó értékét, és azt hasonlítsa össze az A kódszóval. Jegyezze fel az A, C és a D kódszavakat, majd a mérési útmutató 10-6. ábrája segítségével értelmezze azok jelentését. 2.4. A TRF6900EVM szoftver segítségével kompenzálja az órajel-frekvenciahibáját. Mi határozza meg a frekvenciahiba kompenzálásának pontosságát? A 2. mérési feladat elvégzéséhez ajánlott beállítások a tesztpanelen: Kapcsolja ki a vevő-, és kapcsolja be az adórész valamennyi áramkörét, a Vezérlő ablakban állítsa be az alább megadott paramétereket: CLK = 26.000 MHz (órajel-frekvencia), Desired frequency = 915.199921 MHz (beállítani kívánt kimenő frekvencia), NPLL = 256 (PLL-ben lévő frekvenciaosztó osztási száma.), APLL = 140 (befogás alatt a töltéspumpa áramát, azaz a zárthurkú sávszélességet megnövelő faktor), Pwr Amp = 0 db (a kimeneti teljesítmény beállítása), 169
Labor 2. Hallgatói segédlet majd a paraméterek beállítása után nyomja meg a Send Words Now (F12) gombot azért, hogy a TRF6900A IC állapotát vezérlő kódszavak beírásra kerüljenek az integrált áramkör regisztereibe. Az NPLL és APLL számokat a mérés során ne változtassa meg. A 2. mérési feladat elvégzéséhez ajánlott spektrumanalizátor beállítások: SPAN = 200 khz, RBW = 1 khz, VBW = 30 Hz. 3. Az FSK AÁB adóegységének vizsgálata nagylöketű FSK jel generálása esetén Állítson elő az adóval bináris adatjellel modulált nagylöketű FSK jelet. A tesztpanel adójának kimenetét csatlakoztassa a spektrumanalizátorhoz, majd mérje meg és jegyzőkönyvezze a a) bináris FSK jel 0 és 1 bitekhez tartozó kimenő frekvenciáit, b) FSK jel spektrumát, c) FSK jel sávszélességét. A 3. mérési feladat elvégzéséhez ajánlott beállítások a tesztpanelen: Az adó paraméterei egyezzenek meg a 2. mérési pontban beállítottakkal. A mérések során az üzemmódkapcsoló 0 állásban legyen. Az FSK moduláció löketét a D kódszó határozza meg (lásd a Mérési útmutató 10-6. ábráját). A Blokkdiagram ablak PLL/Modulation Options gombjára kattintva indítsa el a PLL/FSK moduláció ablakot, majd abban az alábbiak szerint állítsa be a FSK moduláció löketét meghatározó DEV, azaz DV7 DV0 számot: DV7=DV5=DV4=DV3=DV2=DV1=DV0=0, DV6=1. A Send Bits nyomógombra kattintással határozza meg az FSK moduláció adatait. A bináris FSK jel 0 és 1 bitekhez tartozó kimenő frekvenciáit Tx_Data Low és Tx_Data High, míg a frekvencialöket kétszeresét a Delta Fout adja meg. Határozza meg a DV7 DV0 számhoz tartozó Tx_Data Low, Tx_Data High és Delta Fout frekvenciák értékét. Lehetséges-e tetszőleges frekvencialöket beállítása? Indokolja válaszát. A Vezérlő ablakban a Send Words Now (F12) nyomógombbal léptesse be a beállított frekvencialöket értékét a TRF6900A integrált áramkörbe. A Vezérlő ablakban a TXData bemenetre kattintva statikus üzemmódban a spektrumanalizátor segítségével mérje meg a bináris FSK jel 0 és 1 bitekhez tartozó kimenő frekvenciáit. Az FSK Test gombra kattintva a kezelői program egy kb. 200 bit/s-os forrás jelzési sebességű, alternáló 0-1 bitsorozatot küld az FSK modulátor bemenetére. A 3. mérési feladat elvégzéséhez ajánlott spektrumanalizátor beállítások: SPAN = 1 MHz, RBW = VBW = 1 khz. 4. Az FSK AÁB vevőegységének vizsgálata A mérési pont célja az FSK AÁB vevőjének üzembe helyezése, és a frekvenciadiszkriminátor karakterisztika felvétele. A mérések során a kiszajú előerősítő (LNA) nagy (High) erősítésű állásba legyen kapcsolva. A 4.2. mérési pont kivételével (ahol a tanulás/követés üzemmódok használata explicit módon elő van írva), a vevő mindig tanulás üzemmódban legyen. 4.1. Csatlakoztassa az RF szignálgenerátor kimenetét a tesztpanel bemenetéhez, és adjon FSK jelet a vevő bemenetére. 170