Faz Farkı

Bu yazıya ne başlık verilir!

Aşağıdaki parçaya en uygun başlığı yorum bölümüne yazınız, yazarı kurtarınız!
Merhaba arkadaşlar, analog elektroniği daha zorlayıcı daha ustalık gerektiren bir konu olarak düşünürdüm, hâlâ da öyle ama artık işler daha çok dijital dünyada dönüyor. Zamanla, analog devre tasarımı için uğraşma gereği azalıyor çünkü eskilerin analog devreleriyle görülen işler hazır entegrelerle görülmeye başlandı. Bu söylediklerim/söyleyeceklerim daha çok radyo mühendisliği konularıyla ilgili.
Eskiden 1 GHz de çalışabilen 10dB kazançlı bir yükselteç için kutuplama devresi, giriş çıkış empedans uyum devresi, kararlılık analizleri… alır giderdi, şimdi ise DC-4 GHz arasında 20dB kazançlı giriş çıkış 50 ohm empedanslı ve kararlılık sorunu olmayan entegreler dünyada çeşitli firmalar tarafından 1$ civarında fiyatlara satılıyor. Alın kullanın, düşünmeyin gibi bir mesaj verme niyetim yok ancak analog tasarıma saplanıp vakit kaybetmek gereksiz olabilir. Bir mühendis asgari düzeyde analog bilgisine sahip olmalıdır, filtreleri bilmeli, RC-RLC devresini analiz edebilmeli, transistörleri en azından temel düzeyde bilmelidir ancak günümüzde tasarım gerektiren, ustalıkla ve akıllıca yapılacak işler analog dünyadan dijital dünyaya kaymaktadır. Radyo alıcılarında, örneğin 10MHz-1GHz lik bir alıcıda, analog işlemler yapılır ve hedef işaret bir ara frekansa indirilir, ara frekans örneklenir ve dijital dünyada işler başlar. FFT alıp spektrum gösterebilir, işareti demodüle edebilir, daha sonra incelemek için kaydedebilir veya ihtiyaca göre başka başka işlemler yapabilirsiniz. Bunları yapmak için paralel işlem kabiliyeti dolayısıyla FPGA ler kullanılmaktadır. FPGA ler öyle esnek yapılar ki içerisinde mikrodenetleyici veya DSP çekirdekleri yazılımla gerçeklenebiliyor. Şu sıralar benim en gözde konum “yüksek hızlı dijital devre tasarımı”, hızlı bir ADC ve bu ADC den örnekleri alıp işleyen bir FPGA bulunduran kartın donanım ve yazılımı ile geliştirilmesi benim için çok değerli, güzel bir çalışmadır. Yüksek hızda gelen örneklerin mümkünse bilgisayara hiç bulaşmadan FPGA lerde işlenmesi, bilgisayar bağımsız kendi başına çalışan ve işlem kabiliyeti yüksek gömülü bir sistem daha temiz, daha güzel bir olay ancak gerekiyorsa bu kart bilgisayara PCIe arayüzü ile bağlanabilmeli ve yüksek hızda veri akışı sağlayabilmelidir.
Geçtiğimiz aylarda araç kumandasının 433 MHz ASK sinyalini kaydetmek istedim, fark ettim ki her basmamda farklı bir kod gönderiyor, bu işleme rolling codes veya hopping codes deniyor, gönderilen veriyi kolayca görebilsek de anlamsız, kriptoyu çözebilmek lazım, benim konum değil. Araçtan uzakta kumandaya çok bastığımdan olsa gerek senkronizasyon bozuldu, kumanda çalışmadı, yedek anahtara geçtim, şimdi eski anahtarı yeniden senkronize edebildim. ASK verisi bildiğimiz basit ASK alıcılar ile alınabilir, bu konuda güzel bir çalışma ve sunum şu adreste. Bu yazıyı yeni okudum, çok beğendim, bu konuda kem küm etmektense link vermeye karar verdim.
Geçen hafta elime bir VCO-voltage controlled oscillator- geçti, minicircuits firmasının ZX95 kodlu 485-520 MHz arasında ayarlanabilen konnektörlü bir VCO. Böyle konnektör bağlandı diye fiyatı şişen modülleri pek sevmem ama birkaç deneme yaptım.

Denemeden önce şunları söylemek istiyorum: VCO, girişine uygulanan voltaja göre frekans veren bir devre,  giriş voltajına göre osilasyon frekansını 485-520 MHz arasında veya farklı bir aralıkta ayarlayabilmek güzel bir şey ancak girişteki voltaj her ne kadar sabit/stabil de olsa zamanla/sıcaklık değişimiyle çıkış frekansı değişmektedir yani VCO lar ayarlanabilirlik açısından güzel ancak kararlılık olarak kötüler. Kararlı yapabilmek için başkaca tek frekansta ama çok kararlı frekans kaynaklarından yardım alıyoruz. Bu kaynaklar XO(kristal osilatör) veya TCXO, OCXO olarak gidiyor. Bize öyle bir yapı lazım ki örneğin çıkış frekansını 500 MHz istiyorsak VCO kontrol gerilimini sürekli ayarda tutsun, frekans 400 lere düşüyorsa gerilimi arttırsın, 500 ü geçiyorsa düşürsün… Bu işlem temel olarak şöyle yapılıyor: Çıkış frekansı ile güvenilir kaynak frekansı karşılaştırılıyor(faz/frekans karşılaştırıcı) ve çıkan işaret bir filtreden(loop filtre) geçiriliyor ve çıkışı istenen frekansta tutacak gerilim üretiliyor, kurulan döngü faz kilitlemeli döngü(phase locked loop-pll) olarak adlandırılıyor. Günümüzde oldukça geniş bir frekans bandında frekans sentezleyebilen integrated VCO+ PLL entegreleri makul fiyatlara satılmaktadır, bunlardan bir tanesi Analog Devices in 35MHz-4.4GHz arasında sentezleyebilen ADF4351 entegresi. Bu entegreyle kendi çalışmalarımda kullanabileceğim bir sentezleyici yapmaya çalıştım, DRF7020D27 modülü ile uzaktan kontrol etmem gereken bir uygulamaya ait fotosunu aşağıya ekliyorum.

Denemeye geri dönersek, bu VCO ile FM işareti üretmek istedim, R1/R2 dirençleri ile kontrol gerilimini(vtune) bir yerde sabitledim ve 500MHz ler civarında çıkışı gördüm, modüle edici işaret olarak bilgisayarımın ses çıkışını kullandım, çıkışın Vpp sini bilmiyordum ama bir pot üzerinden ve kapasite ile vtune e kuple etmek istedim. Taslak şema aşağıdadır.

Çıkışta FM işareti elde edildi, asıl yapmak istediğim frekans “deviation”ı 10KHz de tutup FMN(narrowband fm) işaret üretmek ve 2m amatör bandından telsizimle dinlemek. Bunun için 500MHz merkezli FM işaretini 145 MHz e indirmek gerekiyor, yapmamız gereken 355MHz lik LO(lokal osilatör) ile FM işaretini çarpmak, çarpım için yine geçen hafta elime geçen minicircuits firmasının ZEM 2B mixerini kullandım. LO olarak da yukarıda fotosunu verdiğim devreyi kullandım ve bilgisayarımdan çaldığım sesi amatör banttan, amatör arkadaşları rahatsız etmeyecek düşük bir güçte, telsizimle dinledim. Böylece üretilen bir FM işaretini istenen banda “downconvert” etmiş olduk.
Son olarak başka bir uygulamadan bahsetmek istiyorum, burada da amatör bantta telsizimden çıkan yaklaşık 10KHz bant genişlikli FMN işareti Matlab de demodüle ediyoruz. Bunun için hedef bandı(145MHz) 144.895KHz lik bir LO ile çarpıp 15KHz e “downconvert” ediyoruz(imaj bandın=144.880KHz temiz olduğunu varsayarak) ve örnekleme öncesi 30KHz antialiasing filtreden geçiriyoruz ve 100Ksps ile örnekliyoruz, örnekler wav formatında bilgisayara kaydediliyor ve işaret bilgisayarımıza geliyor. 100Ksps örnekleyici Creative Sound Blaster X-Fi 5.1 USB ses kartı. Çarpma ve süzme işlemini küçük bir devre ile yapıyorum, bu devre kendi üretimimiz sevimli küçük bir devre, fotosu ve sistemin blok diyagramı aşağıda.

Kaydı yaptıktan sonra matlab in demod fonksiyonunu kullanarak 96Ksps ile örneklenmiş 15KHz merkezli FM işaretini demodüle edip sesi elde edebiliyoruz, böylece çok basit bir SDR(software defined radio) uygulaması yapmış olduk. Kayıt ettiğim wav dosyası burada ve parametreler söylediğim gibi… demodüle edebilirsiniz.