Qarqet komunikuese analoge

Zhvillimi i hovshëm i telekomunikimeve nëpërmjet sistemeve pa tela ka nxitur kërkesën për një trajtim të ndarë të qarqeve elektronike analoge komunikuese, përshkak të natyrës analoge të sinjalit në pika të ndryshme të këtyre sistemeve. Konsiderohet që deri në vitin 2010, gjysma e komunikimeve personale dhe në fushën e biznesit, do të zhvillohen nëpërmjet sistemeve të kominikimeve pa tela. Gjithashtu, zhvillim i madh është vërejtur edhe në sistemet komunikuese pa tela, në lëmin e komunikimeve satelitore, sistemeve të pozicionimit satelitor^[1] , rrjeteve lokale pa tela^[2] dhe sistemeve për identifikim me radio frekuenca^[3].

Në vazhdim do të trajtohet funksionimi dhe projektimi i sistemeve pa tela nëpërmjet nënsisteve të radio frekuencave^[4] dhe atyre mikrovalore. Kjo përfshin modulatorët, qarqet për ngritjen e frekuencës^[5] dhe antenat, në rastin e transmetuesve, si dhe demodulatorët , qarqet për uljen e frekuencës^[6] dhe antenat marrëse, në marrës. Në procesin e funksionimit të këtyre nënsistemeve, do të marrin pjesë: filtrat, amplifikatorët, mikserët, oscilatorët dhe sintetizuesit e frekuencave, etj. Qarqet e modulatorëve, demodulatorëve janë trajtuar në kursin e përgjithshëm të telekomunikacioneve ndërsa përshkak të hapësirës së kufizuar të këtij kursi, antenat nuk do të jenë objekt trajtimi. Në përgjithësi nënsistemet e tilla janë analoge, për nga natyra, edhe në rastet kur sistemet e tilla shfrytëzojnë modulimet digjitale.

Komponentët e sistemeve pa tela

Në këtë pjesë do të trajtohen komponentët themelore analoge të sistemeve të radio-frekuencave dhe atyre mikrovalore, në një këndvështrim të përgjithshëm, ndërsa në pjesën vijuese do të trajtohen në mënyrë të ndarë dhe në detaje. Në figurën 1. 1 janë treguar simbolet e këtyre komponenteve, të cilat shfrytëzohen në bllok – diagramet e sistemeve RF dhe atyre mikrovalore, ndërsa në figurën 1. 2 janë treguar simbolet e filtrave.

Fig. 1. 1. Simbolet e elementeve themelore

Fig. 1. 2. Simbolet e filtrave

Fig. 1. 3. (a) Bllok-skema e një transmetuesi pa tela (b) Bllok-skema e një marrësi pa tela

Në përgjithësi, sistemet pa tela karakterizohen me një skemë gjenerale, pavarësisht nga variacionet e shumta në përdorime praktike. Bllok skemat tipike të një transmetuesi dhe një marrësi pa tela, janë treguar në figurën 1.3a dhe 1.3b. Në hyrje të një transmetuesi pa tela, zakonisht vie sinjali i zërit, videos, të dhënave ose të një informacioni tjetër dhe i cili do të transmetohet deri të një ose më shumë marrësa potencial. Sinjali i informacionit në hyrje të transmetuesit është në brezin themelor^[7]. Detyrë kryesore e sistemit transmetues është çvendosja e tij në një brez më të lartë të frekuencave, duke moduluar një sinjal sinusoidal të frekuencës së lartë, i cili tutje do të emitohet nga antena e transmetuesit.

Modulatori në skemën 1.3a e ka për detyrë të bëjë modulimin analog ose digjital të një sinjali sinusoidal nëpërmjet sinjalit të informacionit duke ia ndryshuar amplitudën, frekuencën ose fazën. Në dalje të modulatorit do të fitohet një sinjal i cili shtrihet në një brez më të lartë të frekuencave, i njohur si brezi i mesfrekuencave^[8] dhe në vazhdim do të shënohet me shkurtesën e njohur IF. Brezi IF zakonisht shtrihet ndërmjet 10 dhe 100 MHz. Nëpërmjet qarkut për përzierje të frekuencës^[9], sinjali IF do të zhvendoset në brezin e nevojshëm të radio frekuencave. Mikseri do të prodhojë në dalje të tij sinjalin e shumës dhe diferencës së sekuencave të dy sinjaleve në hyrje^[10]. Filtri brez lëshues do të veçojë shumën e frekuencave të sinjaleve të hyrjes. Sipas nevojës, sinjali në dalje të mikserit përforcohet në amplifikatorin e fuqisë dhe i përcillet më tutje antenës, e cila e emiton në formë të valëve elektromagnetike. Në anën e marrësit, antena pranon sinjalin me brez shumë të gjerë frekuencor. Filtri brez lëshues do të ndajë vetëm brezin e kërkuar dhe do t’ia përcjell amplifikatorit me zhurmë të nivelit të ulët, i cili do ta përforcojë fuqinë e tij për aq sa është e nevojshme të ngacmojë stadin e mikserit. Mikseri në dalje të tij do të kthejë sinjalin në brezin IF. Sinjali IF do të përforcohet në amplifikatorin e fuqishëm IF dhe do të përcillet më tutje në demodulator për të rikthyer sinjalin në brezin themelor.

Antenat

Element i pandarë dhe shumë i rëndësishëm në sistemet pa tela është antena. Detyrë e saj është shëndrrimi i sinjalit RF në valë elektromagnetike dhe anasjelltas. Në rastet kur sistemi pa tela funksionon në lidhje duplekse^[11], do të shfrytëzohet e njëjta antenë për emitim dhe për pranim. Njëra prej karakteristikave kryesore të antenave është diagrami i rrezatimit, që paraqet një vështrim grafik të nivelit të sinjalit të emituar ose të pranuar në raport me pozitën përkatëse rreth e përqark antenës. Sistemet e komunikimeve pa tela për transmetim difuziv, siç janë: televisioni, AM/FM kërkojnë antena që të rrezatojnë në të gjitha drejtimet e mundshme. Antenat e tilla njihen si antena omnidirekcionale^[12] dhe mund të jenë si dipole simetrike, monopol antenë ose edhe të tjera. Llojet tjera të sistemeve pa tela që kryesisht sigurojnë lidhjet pikë – pikë^[13], kërkojnë antena te të cilat diagrami i rrezatimit tregon veti të drejtueshmërisë, pra, pjesën kryesore të energjisë së sinjalit të rrezatuar e ka të drejtuar në një kënd të caktuar. Në raste të këtilla flitet për drejtueshmërinë ose amplifikimin e antenës. Tre parametrat themelorë të antenave, frekuenca e punës, dimenzionet fizike dhe amplifikimi janë në lidhshmëri të drejtëpërdrejtë ndërmjet vehtes. Nëse do të kërkojmë që antena të ketë efikasitet të lartë të rrezatimit, do të kërkohen dimenzione fizike më të mëdha. Gjithashtu, nëse frekuenca në të cilën do të emitoj një antenë është e ulët, kjo do të imponojë dimenzione fizike më të mëdha. Le të ilustrojmë këtë me një shembull të dipolit simetrik gjysëm – valor^[14]. Nëse dipoli do të përdoret në frekuencën 300 kHz, atëherë:

λ/2=c/2f=(3*10^8 m/s)/(2*3*10^2*10^3 1/s)=(1000/2)m=500m

Pra, do të na duhet një dipol gjysëm – valor me gjatësi 500m. Nëse dipoli do të përdoret në 900 MHz, atëherë:

λ/2=c/2f=(3*10^8 m/s)/(2*9*10^8 1/s)=(1/6)m≈17m

Në kohë të fundit, kanë filluar të përdoren antena shumë të avancuara, në formë të vargjeve të antenave me çvendosje të fazës. Këto antena njihen si vargje adaptive e ndonjëherë edhe si smart antena^[15], sepse janë në gjendje që të orientojnë diagramin e rrezatimit në drejtim të pranimit maksimal, meqërast rritet kapaciteti i sistemeve dhe zvoglohet inteferenca e sinjaleve në zonat urbane.

Filtrat

Filtrat janë rrjete dypolëshe, të cilat veprojnë në mënyrë selektive në sinjale të ndryshme, mbështetur në frekuencën e tyre. Pra, filtri do të lëshojë tutje sinjalin me brez frekuencor që i përgjigjet brezit të kërkimit të tij dhe do të ndalojë të gjitha sinjalet jashtë këtij brezi. Bazuar në këtë përkufizim, dallojmë filtrin poshtë lëshues^[16]^[17], i cili do ti lëshoj të gjitha komponentet frekuencore nën një frekuencë kufitare fc , ndërsa do të ndalojë të tjerat. Në mënyrë analoge do të definohen edhe filtri sipërlëshues^[18]^[19], i cili lëshon të gjitha komponentet frekuencore mbi një frekuencë kufitare fc dhe ndalon të tjerat. Ndërsa filtri brez lëshues ^[20]^[21] do të lëshoj sinjalin me brez frekuencor që shtrihet brenda dy frekuencave kufitare fc1 përkatësisht fc2. Filtrat janë komponentet kyçe të të gjitha sistemeve të komunikimeve pa tela. Parametrat kryesor të tyre janë: frekuenca kufitare, humbjet e insertuara, raporti i dobësimit në brezin jolëshues. Humbjet e insertuara^[22] tregojnë nivelin e dobësimit të sinjalit të informacionit brenda brezit lëshues të filtrit dhe zakonisht jepet në dB për dekadë. Mundësitë e ndërlidhjes së filtrit me pjesët tjera të sistemit, gjithashtu paraqesin sfidë të veçantë. Aktualisht pjesa më e madhe e qarqeve komunikuese me përbërje të sistemeve të komunikimeve pa tela, që punojnë në brezin 800 MHz deri 2 GHz, ndërtohen si pjesë të qarqeve të integruara monolitike. Megjithatë, FBL me kualitet të lartë akoma mbetet pjesë e ndarë nga qarqet e integruara monolite (figura 1. 4).

Fig. 1. 4 Bllok diagrami i sistemit celular GSM 900MHz

Në brezin 800 MHz deri 4 GHz, shumica e FBL – ve ndërtohen prej rezonatorëve dielektrik, të cilët karakterizohen me dimensione të vogla dhe kualitet të lartë. Në brezin e IF (nën 100 MHz) shfrytëzohen filtrat me kristal të kuarcit ose filtrat me valë akustike sipërfaqësore. Në pjesët e epërme të brezit mikrovalor, shfrytëzohen kryesisht rezonatorët e ndërtuar nga valëpërcjellësit. FPL kryesiht karakterizohen me kërkesa të vogla dhe ndërtohen zakonisht me qarqe LC ose linja transmetuese.

Amplifikatorët

Amplifikatorët përdoren për amplifikimin e sinjaleve. Ekzistojnë tre lloje të amplifikatorëve që përdoren në sistemet pa tela: amplifikatorët me nivel të ulët të zhurmës^[23], të cilët shfrytëzohen në stadin e hyrjes së një marrësi pa tela, amplifikatori i fuqisë^[24] i cili përdoret në stadin e daljes së një dhënësi dhe amplifikatori IF^[25] i cili përdoret në stadet IF edhe të dhënësit edhe të marrësit. Parametri kryesor i amplifikatorëve është përforcimi^[26] i tij, por nuk është e pa rëndësishme karakteristika e zhurmës vetiake të amplifikatorit, sidomos në rastet kur ky përdoret në hyrje të një marrësi dhe te i cili niveli i sinjalit në hyrje është shumë i vogël. Meqenëse tranzistori është element jolinear, në dalje të amplifikatorëve na paraqiten harmoniqet e larta, të cilat shkaktojnë deformimin e sinjalit të informacionit. Në rastet kur në hyrje të tij vijnë më tepër sinjale, në dalje do të paraqiten edhe produktet intermodulare, disa nga të cilat mund të jenë në brezin e lëshimit të filtrave dhe të shkaktojnë deformime të pa evitueshme. Dukuria e ngopjes së elementit aktiv është një dukuri tjetër e cila mund të paraqitet, por kryesisht në amplifikatorët e fuqisë. Në aspektin teknologjik, sot shfrytëzohen kryesisht tranzistorët e Silicit (Si), për brezin e frekuencave deri në disa GHz. Në frekuenca më të larta se ato që i theksuam përdoret teknologjia SiGe, sepse është më e lirë se ajo GaAs^[27].

Mikserët

Mikserët janë qarqe tre-portëshe, të cilat në dalje krijojnë shumën dhe diferencën e frekuencave të dy sinjaleve sinusoidale. Në këtë mënyrë mundësohet shndërrimin e frekuencës, ashtu që sinjali i informacionit në brezin themelor në qarkun e mikserit ngritet deri në frekuencën e dëshiruar, duke u përzier me një sinjal të frekuencës së lartë që vjen nga oscilatori lokal. Në anën e marrësit ndodh procesi i kundërt, i uljes së frekuencës së sinjalit RF, ashtu që në qarkun e mikserit krijohet diferenca e frekuencave të sinjalit të pranuar RF dhe të sinjalit të oscilatorit lokal. Konkretisht do të krijohet sinjali IF, duke eliminuar me filtër komponentët e shumës e cila në këtë rast është e padëshiruar. Parimisht, shndërrimi i frekuencës vazhdohet me elemente jolineare, dioda dhe transistorë. Edhe në njërin edhe në rastin tjetër, në dalje gjenerohen harmoniqet e larta si dhe produktet intermodulare të cilat përmbajnë shumën dhe diferencën e frekuencave të sinjaleve të hyrjes, në këtë mënyrë, mikserët modern realizohen me dioda ose transistorë, në bazë të principit të përshkruar më lart.

Oscilatorët

Oscilatorët janë qarqe që prodhojnë sinjalin e frekuencës së lartë, i cili në cilësi të sinjalit të oscilatorit lokal do të mundësoj shëndrrimin e frekuencës së sinjalit të informacionit dhe do të sigurojë burimin e sinjalit sinusoidal për modulim. Zakonishtë shtrihen në brezin frekuencor prej disa kiloherc e deri në disa gigaherc dhe duhet të ketë mundësinë e ndryshimit të frekuencës së sinjalit të gjeneruar në një brez të caktuar. Oscilatorët më të zakonshëm ndërtohen me tranzistor dhe një qark LC, për të kontrolluar frekuencën e oscilimit e që rëndomt është një diodë varikap. Oscilatorët e këtillë janë jo stabil sepse varen shumë nga tensioni i furnizimit, impedanca e shpenzuesit dhe ndryshimet temperaturore. Një zgjedhje më e mirë është treguar përdorimi i kristaleve të kuarcit në vend të qarqeve LC. Megjithatë, kontrollimi i frekuencës së oscilimit te këta oscilatorë është i vështirë dhe për këtë arsye janë zhvilluar qarqet PLL^[28], të cilat bazohen në përdorimin e qarqeve me riveprim dhe një burimi të frekuencës stabile (zakonisht oscilator i kontrolluar i kristalit), për të prodhuar një set të frekuencave dalëse, shumë stabile. Për këtë qëllim qarqet PLL kombinohen me një mori të qarqeve tjera (shumëzues të frekuencës, pjestues të frekuencës, etj.) dhe krijojnë frekuencat e dëshiruara në dalje, stabiliteti i të cilave kontrollohet duke krahasuar fazën e sinjalit të burimit stabil me atë të daljes (i cili kthehet në hyrje nëpërmjet degës për riveprim).

Shënime

^ GPS
^ WLAN
^ RFID
^ RF
^ up-conversion circuits
^ down-conversion
^ base band signal
^ intermediate frequency – IF
^ mikserit
^ sinjalit IF dhe atij nga oscilatori lokal
^ duplex
^ omnidirectional
^ point – to – point
^ dipoli simetrik me gjatësi λ/2
^ të mençura
^ FPL
^ low – pass filter LPF
^ FSL
^ high – pass filter HPF
^ FBL
^ bandpass filter BPF
^ Insertion loss
^ low – noise amplifier – LNA
^ power amplifier
^ IF amplifier
^ gain
^ Galium Arsenid
^ phase Locked Loop

[1] GPS

[2] WLAN

[3] RFID

[4] RF

[5] up-conversion circuits

[6] wn-conversion

[7] se band signal

[8] termediate frequency – IF

[9] serit

[10] sinjalit IF dhe atij nga oscilatori lokal

[11] uplex

[12] rectional

[13] t – to – point

[14] simetrik me gjatësi λ/2

[15] të mençura

[16] FPL

[17] w – pass filter LPF

[18] FSL

[19] – pass filter HPF

[20] FBL

[21] ss filter BPF

[22] Insertion loss

[23] w – noise amplifier – LNA

[24] wer amplifier

[25] IF amplifier

[26] ^ gain

[27] Galium Arsenid

[28] se Locked Loop

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]

[28]