Yazılım Tabanlı Radyo - Frekans Dönüşümü / RF Mixer
Bu yazıda radyo cihazlarının olmazsa olmazı bir alt sistem olan RF mixer yapılarından bahsedeceğiz. Ancak yazıda iki farklı kısımda anlatılacak bu yapı. Öncelikle bu işlemin geleneksel ve analog devre yapısından bahsedilecek [1]. İkinci kısımda ise dijital kısım olarak adlandıracağımız ve özellikle SDR ile ilişkilendirilen kısımdan bahsedilecek. İkinci kısımda [2] daha çok modern haberleşme teknikler göz önünde bulundurulacağı için yalnızca güncel frekans dönüşümünden değil aynı zamanda bu dönüşüme giren matematiğin kompleks sayı teorisini barındıran iletim mekanizmalarından bahsedilecek (bkz. I/Q modülasyonu).
1- Superheterodyne Alıcı Yapısı
 |
| Figure 1. Superheterdoyne Alıcı yapısı |
Figure 1'de görülen yapıda kırmızı olan bölüm RF sinyal seviyesini, yeşil olan bölüm IF yani orta frekans mertebesini ve son olarak mor olan bölüm ise temel bant frekansı ve istenen verinin elde edildiği süreçleri temsil ederler.
Birinci bölümde öncelikle antenden istenen frekansın yakalanması ve Mixer elemanına yani RF-IF dönüşümü noktasına kadar doğru şekilde iletilmesi sağlanır. Antenden gelen sinyalin iki adet düzeltilmesi gereken yapısı vardır.
a. Düşük gücün yükseltilmesi
b. İstenmeyen yan bant frekanslardan kurtulunması
Kabaca 'a' da belirtilen istek için güç yükselticileri, 'b' de belirtilen istek için ise filtre elemanları kullanılır. Figure 1'de yalnızca temsilen gösterim olduğundan birer adet filtre ve yükseltici gösterilmiş ancak bu iş pratikte çok daha karmaşık tasarımlar gerektirmektedir. Biz burada prensibi oturtabilmek amacıyla tabii ki basit gösterimler üzerinden temel bilgiyi anlamaya çalışacağız. Öncelikle yakalanan ilk RF sinyalinin yukarıda bahsedildiği gibi yan bant frekansları (frekans spektrumunda anlaşılır bunlar) elimine edilmelidir. Bunun için de 'bant geçiren filtre' kullanılarak yalnızca istenen frekans bölgesi ya da noktasının elde edilmesi sağlanır. Daha sonra bir güç yükselteci ile sinyalin gücü artırılarak sinyal dönüşüm işlemine iletilir. Kritik kavramlardan biri de yan bant dediğimiz istenmeyen frekanslardan biri de Image Frequency (Görüntü Frekansı) olarak adlandırılan bileşendir. Buna detaylı değineceğiz.
Özetle ilk aşama olarak nitelendirilen Analog Front End aşamasında istenen frekansdaki sinyalin tek başına ve güçlü bir şekilde gürültüden ve yan bant sinyallerden mümkün mertebede arındırılmış olarak Frekans dönüşüm işlemine girmesi idealde istenen şeydir.
İkinci aşama için de Analog Front End olarak düşünebiliriz. Çünkü genelde Digital Front End aşaması adı üzerinde dijital düzeyde olduğundan ADC işleminden sonraki aşama olarak bilinir. Biz henüz sinyalin örneklenmesi aşamasına gelmedik. Gelmeme sebebimiz de sinyali henüz işlenebilecek yeterince düşük veya uygun bir frekansa dönüştürememiş olmamızdır. Orta frekans (IF) düzeyine geçmek için Mixer komponentine girmesi lazım RF sinyalimizin. Figure 2'de Mixer işlemi sonucu oluşan frekansları görebiliriz. Aslında bu görsel bu süreci net bir şekilde anlatmaktadır.
 |
| Figure 2. RF Mixer işlemi ve oluşan sinyallerin frekans spektrum gösterimi |
Biz bu görselde ikinci kısım ile ilgileniyoruz şuan. Çünkü bir alıcı devresinde RF sinyali IF sinyaline dönüştürülür. Burada RF osilatör bir gösterimdir. Bir jeneratör elemanı olarak gösterilmiştir biz buradaki RF sinyalini antenden gelen ve çeşitli filtreleme , güç yükseltme süreçlerinden geçmiş sinyal olarak düşüneceğiz. Frekans spektrumunda da görüleceği üzere RF mixer elemanı çıkışında temel olarak 4 adet heterodine üretecektir. Bunlar:
- f_RF - f_LO
- f_LO
- f_RF
- f_RF + f_LO
Bunlar dışında da bazı istenmeyen yan bant ürünler üretebilmektedir. Aslında buna sebep olan şey önceki aşamada tam olarak istenildiği şekilde filtrelenememiş sinyallerin varlığıdır. Çünkü RF mixer komponenti bunları da ayırt etmeden işleme sokacak ve onları da LO sinyali ile karıştıracaktır. Ancak asıl istenmeyen en kritik sinyal yine Image Frequency denilen görüntü frekansı sinyalidir. Tabi yine önemli ve kesinlikle gerekli olan filtreleme aşaması tıpkı RF katmanında olduğu gibi IF katmanında da gerçekleştirilir. RF mixer çıkışında biz yalnızca IF frekansı ile ilgileneceğimiz için diğer tüm frekans bileşenlerinden kurtulabilmek için dar bantlı bir Bant Geçiren Filtre kullanılır. Böylece yalnızca istenen IF frekansındaki sinyal elde edilmiş olur. Figure 3'te son aşamada IF filtresi kullanılarak diğer RF mixer üretimi sinyallerden kurtulunduğunu görüyoruz.
 |
| Figure 3. RF - IF dönüşümü ve frekans spektrumu hareketliliği |
Özetle RF mixer aşamasında basitçe sinyallerin zaman domeninde çarpılması frekans domeninde çıkartılması ve toplanması işlemi gerçekleşir. Oluşan sinyal ürünlerinin frekans spektrumunda hangi noktalarda olduğu iyi bilinmeli ve bunun hesabı önceden yapılarak bu bileşenlerin öngörülmesi kritiktir. Bu sayede amaçlanan frekans dönüşüm işleminin öncesi ve sonrasında ihtiyacımız olan filtrelerin doğru şekilde seçilmesi sağlanır.
Ortalamasi 0 olan sinyal AC , ortalaması pozitif olan sinyaller DC olarak adlandırılır.
Baseband sinyali 0 frekansli olmak zorunda midir (DC) yoksa frekansi olan bir sinysl olbilir mi?
Mixerlerdeki işlemin matematigi asagidaki gorselde verilmistir.
Mixer'de bir osilatör kullanilir. Bu donanim yapisinda VCO-voltage controlled(analog step) türündedir genelde. Yazilimssl olarak genelde DSP ve FPGA yapilari iceridinde NCO-numerically controlled(digital step) türünde olur.
Referanslar
[1] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Superheterodyne_receiver
[2] https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/complex-mixers-zif-architecture-advanced-algorithms-black-magic-next-generation-sdr-transceivers.html
[3]
Yorumlar
Yorum Gönder