Principio di funzionamento del PLL. Schema a blocchi, ordine, parametri, errore di fase Caratteristica a farfalla

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1 Elettronica per telecomunicazioni 1 Contenuto dell unità B Principio di funzionamento del PLL Schema a blocchi, ordine, parametri, errore di fase Caratteristica a farfalla Circuiti per PLL Demodulatori di fase, pompa di carica, VCO. Applicazioni Demodulatori AM, FM, FSK, PSK Sintetizzatori interi e frazionari, sintesi diretta (DDS) Data recovery e sincronizzazione clock 2

2 Lezione B3 Banda equivalente il PLL come filtro passa banda Oscillatori a frequenza variabile: VCO e CCO esempi di VCO/CCO L-C e I-C Demodulatori con PLL demodulatori AM e FM coerent, PAM-FSK Riferimenti neltesto Banda equivalente 3.3 Oscillatori a frequenza variabile Demodulatore FM e AM 3.7.1, Elettronica per telecomunicazioni 4

3 Indice della lezione B3 Banda equivalente del PLL PLL come filtro passa banda Circuiti per VCO circuiti VCO I-C circuiti VCO LC Demodulatori AM, FM demodulatore FM demodulatore AM coerente tone decoder integrato 5 Analisi del PLL con rumore all ingresso Elementi noti di un sistema di comunicazione caratteristiche del rumore sul canale (banda, potenza, ) caratteristiche del canale e del PLL 6

4 Analisi del PLL con rumore all ingresso Elementi noti di un sistema di comunicazione caratteristiche del rumore sul canale (banda, potenza, ) caratteristiche del canale e del PLL Obiettivo: determinare il rumore in uscita dal PLL (Vo) 7 Analisi del PLL con rumore all ingresso Elementi noti di un sistema di comunicazione caratteristiche del rumore sul canale (banda, potenza, ) caratteristiche del canale e del PLL Obiettivo: determinare il rumore in uscita dal PLL (Vo) Risultato viene definita una banda equivalente dalla densità spettrale di ingresso è possibile calcolare la potenza di rumore in uscita 8

5 Procedimento di calcolo Canale (o filtro di ingresso) con banda Bi PLL con DF analogico, operante in linearità VCO con segnale sinusoidale 9 Procedimento di calcolo Canale (o filtro di ingresso) con banda Bi PLL con DF analogico, operante in linearità VCO con segnale sinusoidale Segnale di ingresso: solo rumore si ricava la potenza della Vd 10

6 Procedimento di calcolo Canale (o filtro di ingresso) con banda Bi PLL con DF analogico, operante in linearità VCO con segnale sinusoidale Segnale di ingresso: solo rumore si 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 11 Rumore di fase equivalente Eguagliando le due potenze si ottiene il rumore di fase equivalente n(t) 2 : potenza del rumore all ingresso θ in 2 : potenza del rumore di fase equivalente V i : valore di picco del segnale di ingresso passaggio da rumore additivo a rumore di fase la funzione di trasferimento del PLL è tra fasi 12

7 Densità di potenza del rumore di fase Densità spettrale di potenza del rumore sul canale (banda Bi) 13 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): 14

8 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 15 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 16

9 Rumore in uscita Il rumore in uscita può essere calcolato dalla funzione di trasferimento H(s) La potenza di rumore in uscita è 17 Banda equivalente Se Φ è costante Se H(jω) = 0 al di fuori di Bi/2 Possiamo definire una banda equivalente (B L ) del PLL 18

10 Caratteristiche della banda equivalente B L dipende solo da H(s) è un parametro del PLL 19 Caratteristiche della banda equivalente Se H(s) ha banda stretta (polo di F(s) a frequenze basse) banda B L stretta B L dipende solo da H(s) è un parametro del PLL maggiore effetto filtrante, risposta lenta Se H(s) ha banda larga (polo F(s) più alto) banda B L larga maggiore rumore residuo in uscita risposta rapida 20

11 PLL come filtro Nel PLL entra segnale V i affetto da rumore e indeterminazioni di ampiezza e di fase Il segnale di uscita (V o ) ha ampiezza nota e costante, e fase stabile (il segnale di controllo è filtrato dalla F(s) 21 PLL come filtro Nel PLL entra segnale V i affetto da rumore e indeterminazioni di ampiezza e di fase Il segnale di uscita (V o ) ha ampiezza nota e costante, e fase stabile (il segnale di controllo è filtrato dalla F(s) È come se tra V i e V o fosse inserito un filtro passa banda, con larghezza B L 22

12 PLL come filtro Nel PLL entra segnale V i affetto da rumore e indeterminazioni di ampiezza e di fase Il segnale di uscita (V o ) ha ampiezza nota e costante, e fase stabile (il segnale di controllo è filtrato dalla F(s) È come se tra V i e V o fosse inserito un filtro passa banda, con larghezza B L la larghezza di banda B L dipende da F(s), che è un passa-basso spostando verso ω = 0 il polo di F(s) si stringe B L 23 Filtro a PLL e filtro convenzionale Rispetto a un filtro passa-banda convenzionale, nel filtro a PLL la banda è controllata da un passa basso massima libertà di progetto il 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 frequenza non sono richiesti componenti precisi 24

13 Elettronica per telecomunicazioni 25 Indice della lezione B3 Banda equivalente del PLL PLL come filtro passa banda Circuiti per VCO circuiti VCO I-C circuiti VCO LC Demodulatori AM, FM demodulatore FM demodulatore AM coerente tone decoder integrato 26

14 Classificazione dei VCO In base alla frequenza operativa bassa ( MHz): circuiti I-C alta ( GHz ): circuiti LC 27 Classificazione dei VCO In base alla frequenza operativa bassa ( MHz): circuiti I-C alta ( GHz ): circuiti LC In base alla dinamica di variazione ω < ω or circuiti LC o IC piccola: ω confrontabile con ω or circuiti IC o LC con battimento grande: 28

15 VCO a corrente-condensatore (I-C) Richiedono A.O., SW, componenti analogici Esempio 1: corrente fissa, soglie variabili il condensatore viene caricato verso Val quando viene raggiunta la soglia di T1, Q va a 0 e il condensatore si scarica verso massa quando viene raggiunta la soglia di T2, Q torna a 1 e il condensatore riprende a caricarsi verso Val le soglie sono ottenute dalla tensione Vc variando Vc varia il tempo richiesto per raggiungere le soglie, e quindi la frequenza 29 Esempio di VCO I-C (4046) Esempio 2: soglie fisse, corrente variabile lo specchio di corrente S riporta sul condensatore una corrente Vc/R la 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 condensatore la corrente iniettata in B fa crescere Vb (Va = 0) quando Vb = soglia(t2) il condensatore si inverte variando la corrente varia il tempo richiesto per raggiungere le soglie, e quindi la frequenza 30

16 Elettronica per telecomunicazioni 31 Indice della lezione B3 Banda equivalente del PLL PLL come filtro passa banda Circuiti per VCO circuiti VCO I-C circuiti VCO LC Demodulatori AM, FM demodulatore FM demodulatore AM coerente tone decoder integrato 32

17 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 dinamica battimento con riferimento fisso ω O = ω OR - ω OC fisso variabile 33 Rumore di fase Piccole variazioni casuali (rumore) sulla Vc determinano variazioni di frequenza rumore di fase allarga lo spettro della Vo f 34

18 Rumore di fase Piccole variazioni casuali (rumore) sulla Vc determinano variazioni di frequenza rumore di fase allarga lo spettro della Vo Variazioni periodiche della Vc determinano spostamenti sistematici nello spettro spurie (modulazione di frequenza della portante) f 35 Riduzione del rumore Per ridurre rumore e spurie: banda di anello larga la reazione compensa i disturbi iniettati entro l anello correzione diretta delle variazioni periodiche sintetizzatori frazionari 36

19 Elettronica per telecomunicazioni 37 Indice della lezione B3 Banda equivalente del PLL PLL come filtro passa banda Circuiti per VCO circuiti VCO I-C circuiti VCO LC Demodulatori AM, FM demodulatore FM demodulatore AM coerente tone decoder integrato 38

20 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 PLL Fp deve rientrare nel campo di mantenimento M(t) proporzionale a Vc(t) esempi con simulatore 39 Demodulazione FM con PLL 40

21 Elettronica per telecomunicazioni 41 Indice della lezione B3 Banda equivalente del PLL PLL come filtro passa banda Circuiti per VCO circuiti VCO I-C circuiti VCO LC Demodulatori AM, FM demodulatore FM demodulatore AM coerente tone decoder integrato 42

22 Modulazione e demodulazione AM Modulazione: prodotto di portante P (frequenza Fpo) con modulante M(t) in t: M è l inviluppo del segnale in uscita in F: traslazione dello spettro di M su Fpo Demodulazione estrarre l inviluppo raddrizzatore a 1 o 2 semionde e filtro riportare M in banda base (traslazione di spettro) demodulazione coerente serve un segnale di riferimento: PLL 43 Modulazione e demodulazione AM Modulazione AM segnale modulante: A sen ωt + B max: A+B, min: B-A indice 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) 44

23 Demodulatore di inviluppo Voltmetro di picco con perdite Il condensatore si carica sui picchi positivi e si scarica su R Problemi di soglia del diodo rumore 45 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 46

24 Effetto delle variazioni di frequenza Variando Finasce un errore di fase per spostare il VCO serve una Vc 0 per avere Vc 0 serve θe 0 errore di ampiezza proporzionale a cos θe demodulazione incrociata (da AM a FM) ω o 47 Effetto delle variazioni di frequenza Variando Finasce un errore di fase per spostare il VCO serve una Vc 0 per avere Vc 0 serve θe 0 errore di ampiezza proporzionale a cos θe demodulazione incrociata (da AM a FM) Per ridurla aumentare il guadagno di anello demodulatori I/Q ω o 48

25 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 49 Demodulatori FSK Modulazione a salto di frequenza Frequency Shift Keyed, FM su 2, N frequenze Demodulazione con: unico PLL sempre agganciato, variazione di Vc banda larga, risposta veloce ma sensibile al rumore banda stretta, risposta lenta un PLL per ogni frequenza demodulatori AM coerenti, confronto tra le uscite banda stretta, risposta lenta banco di filtri e demodulatori di inviluppo confronto uscite demodulatori (WTA) 50

26 Demodulatori PAM Modulazione di ampiezza discreta Pulse 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 51 Demodulatore PAM-PSK Modulazione in ampiezza e fase QAM Costellazione dei segnali Q Demodulazione I/Q dalle due componenti (ricavate con demodulazione coerente) si possono ricavare modulo (parte PAM) e fase (parte PSK) coordinate I,Q del simbolo I 52

27 Elettronica per telecomunicazioni 53 Indice della lezione B3 Banda equivalente del PLL PLL come filtro passa banda Circuiti per VCO circuiti VCO I-C circuiti VCO LC Demodulatori AM, FM demodulatore FM demodulatore AM coerente tone decoder integrato 54

28 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 567 PLL con DF analogico Demodulatore AM sincrono Accetta solo piccole variazioni di frequenza Demodulazione interna analogica Uscita esterna ON/OFF 55 Tone decoder: specifiche Campo di frequenza valori ammessi per il tono da riconoscere Larghezza di banda ampiezza della finestra antro cui si accetta il tono Campo di ampiezze ingresso massimo in banda non riconosciuto ingresso minimo in banda riconosciuto Rumore disturbi a banda stretta e larga ammessi 56

29 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 57 Tone decoder: demodulatori F e AM Demodulatore di fase e demodulatore di ampiezza: moltiplicatori con cella di Gilbert Uscita Iz (corrente) Ingresso Vx Ingresso Vy linearizzazione con Re 58

30 VCO a corrente-condensatore (I-C) VCO a corrente fissa, soglie variabili Piccola escursione di frequenza 59 VCO fase/quadratura VCO a corrente fissa, soglie variabili Piccola escursione di frequenza Terzo comparatore per l uscita sfasata (Va) T 3 Vo Va 60

31 NE caratteristica demod. AM Tensione di controllo del VCO (caratteristica a farfalla) Tensione di uscita del demodulatore di ampiezza (caratteristica a coseno) 61 Sommario lezione B3 Banda equivalente il PLL come filtro passa banda Oscillatori a frequenza variabile: VCO e CCO esempi di VCO/CCO L-C e I-C Demodulatori con PLL demodulatori AM e FM, demodulatori coerenti Tone decoder integrato Esercizio B3.1: Demodulatore coerente. 62

32 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? 63 Prossima lezione (B4) Sintetizzatori di frequenza sintetizzatori a interi e frazionari Sintesi digitale diretta (DDS) Sincronizzazione dati e clock Clock/data recovery Analisi di un PLL integrato Riferimenti nel testo sintetizzatori e DDS 3.7.4, sincronizzazione clock 3.7.3,