1. Wymień i scharakteryzuj najważniejsze parametry prowadnicy falowej

Prowadnica falowa jest strukturą, której zadaniem jest przesyłanie fali z możliwie małymi stratami, więc w jej konstrukcji stosowane są dielektryki o małych stratach. Dla małostratnych linii transmisyjnych część urojona impedancji charakterystycznej jest na tyle mała, że często się ją zaniedbuje.

Prowadnicę falową charakteryzują dwa parametry:

• współczynnik propagacji jest wielkością polową, której obliczenie wiąże się w ogólności z rozwiązaniem równań Maxwella. Współczynnik ten jest funkcją parametrów ośrodka i pulsacji
  

• impedancja charakterystyczna jest wielkością obwodową, wyznaczaną z zastosowaniem jednej z podanych definicji, przydatną przy analizie obwodów mikrofalowych. Impedancja charakterystyczna prowadnicy falowej (Z_c), w której rozchodzi się fala w jednym kierunku, może być zdefiniowana jedną z zależności:

w których: U, I - amplitudy napięcia i prądu (w ogólności wielkości zespolone); P - średnia w czasie moc przenoszona przez falę elektromagnetyczną w linii (wielkość rzeczywista).

2. Przeanalizuj przyczyny powstawania strat przy transmisji mocy prowadnicami falowymi

Rzeczywiste przewodniki, o dużej ale skończonej konduktywności, są źródłem strat mocy. Wiemy już, że w wyniku istnienia strat dielektrycznych następuje tłumienie fali elektromagnetycznej prowadzonej w linii transmisyjnej. Kolejnym źródłem strat mocy fali jest zjawisko promieniowania. Występuje ono w strukturach otwartych, którymi są wśród omawianych prowadnic linia mikropaskowa i falowód koplanarny. Intensywność promieniowania rośnie ze wzrostem częstotliwości. Straty wywołane promieniowaniem są trudne do oszacowania.

Tłumienie fali w prowadnicy wywołują:

• straty w przewodnikach linii

• straty w dielektryku

• wypromieniowanie energii pola z linii

Straty występujące w przewodnikach i dielektryku sumują się i współczynnik tłumienia fali w prowadnicy możemy wyrazić jako superpozycję współczynników tłumienia wynikających z obydwu źródeł strat.

3. Linia współosiowa jest prowadnicą TEM, co to znaczy ? Opisz jej właściwości

Fala typu TEM (poprzeczna elektryczna-magnetyczna, z ang. Transverse Electric-Magnetic):

- pole elektryczne leży w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji fali (wektor natężenia pola elektrycznego ma co najwyżej dwie składowe),

- pole magnetyczne leży w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji fali(wektor natężenia pola magnetycznego ma co najwyżej dwie składowe);

Prowadnice falowe, w których mogą rozchodzić się rodzaje TEM nazywamy liniami TEM lub prowadnicami TEM. Struktura prowadnicy TEM musi zawierać co najmniej dwa przewody. Przykładem linii TEM jest linia współosiowa, tzw. kabel koncentryczny.

Linia współosiowa jest strukturą osiowo symetryczną i dogodnie jest zastosować cylindryczny układ współrzędnych, w którym pola fali zależą tylko od dwóch zmiennych ρ, z.

Poszukiwanie pola elektromagnetycznego w linii rozpoczynamy od znalezienia potencjału elektrycznego w przekroju poprzecznym prowadnicy, który spełnia jednowymiarowe równanie Laplace'a w układzie współrzędnych cylindrycznych (potencjał jest rzeczywistą funkcją tylko zmiennej ρ). Impedancja falowa, czyli stosunek wartości natężeń pól elektrycznego i magnetycznego w każdym punkcie dielektryka w przekroju poprzecznym linii współosiowej ma tę samą wartość równą impedancji właściwej ośrodka.

Wektory rzeczywiste natężeń pól elektrycznego i magnetycznego uzyskujemy mnożąc odpowiednie wektory zespolone przez e^(jωt) i wyznaczając części rzeczywiste tych nowo-powstałych wektorów. Dla fali TEM w linii współosiowej wektor Poyntinga ma tylko składową równoległą do kierunku propagacji i zmienia się w czasie i wzdłuż osi z tak jak to miało miejsce dla fali płaskiej. Natomiast wartość wektora w przekroju poprzecznym maleje z kwadratem zmiennej ρ.

4. Jak zbudowany jest światłowód kwarcowy i jakiej długości fali promieniowanie można nim transmitować

Światłowód zbudowany jest ze specjalnego rodzaju szkła kwarcowego. Główną jego częścią jest rdzeń, który okrywa płaszcz i warstwa ochronna. Czasami rdzeń składa się z wielu włókien.Zasada działania światłowodu polega na użyciu dwóch materiałów przewodzących światło o różnych współczynnikach załamania. Współczynnik załamania w rdzeniu jest nieco wyższy niż w płaszczu. Promień świetlny przemieszcza się cały czas w rdzeniu, ponieważ następuje całkowite wewnętrzne odbicie promień odbija się od płaszczyzny przejścia rdzenia do płaszcza. Wokół płaszcza znajduje się izolacja ochronna

Transmisja światłowodowa polega na przekazaniu wiązki światła, którego źródłem może być laser lub dioda LED. Po drugiej stronie światłowodu jest ona odbierana przez element światłoczuły np. fotodiodę. Aby zapewnić prawidłową i szybką transmisję, wiązka światła jest modulowana. Zapobiega to mogącym pojawiać się zniekształceniom sygnału.
Światłowody dzieli się na jedno i wielo modowe oraz na wewnętrzne i zewnętrzne. Pierwszy podział wynika z ilości przesyłanych modów (fal).

W światłowodzie jednomodowym, przenosi się tylko jeden mod. Oznacza to, że wszystkie promienie odbijane są pod tym samym kątem do powierzchni płaszcza.

W wielomodowym światłowodzie, jest możliwość występowania różnych kątów odbicia i w związku z tym następuje rozmycie krawędzi przesyłanego sygnału, czyli dyspersja

Pasmo transmisji światłowodem kwarcowym jest stosunkowo wąskie, odpowiadające długościom fali 1.2..1.6 μm.

5. Naszkicuj charakterystykę tłumienia falowodu i wymień charakterystyczne zakresy (okna) wykorzystywane do transmisji sygnałów

Tłumienie powoduje zmniejszenie mocy sygnału nie wpływa natomiast na jego kształt impulsów. Tłumienie światłowodów w głównej mierze zależy od długości fali świetlnej, jak i od rodzaju i czystości szkła.

Z wykresu przedstawionym na rysunku a) widać, że w paśmie 900-1700 nm tłumienie osiąga wartości minimalne. W tym też obszarze wyróżnia się następujące użyteczne pasma światłowodu:

Okno 1, historyczne w bliskiej podczerwieni, wokół 850 nm
.

Okno 2, bardzo popularne, wokół 1300 nm
.

Okno 3, wokół 1550 nm, o najmniejszym tłumieniu
.

6. Napisz rozwiązanie równania telegrafistów i opisz występujące w nim wielkości

Rozwiązania równań telegrafistów mają postać:

Równania telegrafistów są równaniami różniczkowymi. Ta postać równań różniczkowych ma znaną i prostą postać rozwiązań.

Rozwiązanie jest dwuczłonowe, składniki z indeksem „1” reprezentują falę rozchodzącą się wzdłuż osi z, składniki z indeksem „2” reprezentują falę rozchodzącą się w przeciwną stronę, niż kierunek osi z.

Interpretacja rozwiązań:

• 
  - stałe całkowania - zespolone amplitudy napięcia i prądu fali rozchodzącej się w kierunku z, jest to fala postępująca.

• 
  - stałe całkowania - zespolone amplitudy napięcia i prądu fali rozchodzącej się w kierunku przeciwnym do z, nazywamy ją falą odbitą, albo wtórną.

7. Zdefiniuj współczynnik fali stojącej i zdefiniuj współczynnik odbicia i opisz sposób jego transformacji wzdłuż linii długiej

Ważnym parametrem opisującym rozkład napięcia na linii i tym samym stan dopasowania obciążenia do impedancji charakterystycznej
jest współczynnik fali stojącej. Zgodnie z definicją współczynnik fali stojącej
jest stosunkiem maksymalnej i minimalnej wartości modułu napięcia na linii.

Współczynnik fali stojącej, często oznaczany jako WFS, jest liczbą rzeczywistą, co oznacza, iż daje nam tylko jedną informację o jednowrotniku/obciążeniu.

Współczynnik odbicia - określa związek między falą padającą i odbitą. Jest to stosunek zespolonych amplitud fali odbitej do padającej.

Współczynnik odbicia Γ jest miarą stosunku zespolonych amplitud fali odbitej do padającej. Definiujemy go następująco:

Współczynnik odbicia Γ_L- podobnie jak Z_L lub Y_L - jest parametrem charakteryzującym jednowrotnik / obciążenie umieszczone na końcu linii, inaczej mówiąc, jest on zespoloną miarą niedopasowania obciążenia do impedancji charakterystycznej Z₀.

Współczynnik odbicia Γ(l) zależy od wartości Γ_L na końcu linii oraz od odległości l od końca linii. Zależność ta ma przedstawioną postać, nazywaną równaniem transformacji współczynnika odbicia.

Ilustracja procesu transformacji współczynnika Γ pokazana jest na rysunku. Wskaz Γ wiruje zgodnie ze wskazówkami zegara. Dla linii ze stratami długość wskazu
maleje wykładniczo z odległością, dla linii bezstratnej
.

8. Jakie wartości impedancji możesz zrealizować za pomocą odcinka linii długiej zwartej na końcu?

Przypadek 1: Mówimy, że umieszczony na końcu prowadnicy jednowrotnik, nazywany też obciążeniem, jest dopasowany do impedancji charakterystycznej tej prowadnicy jeżeli Γ_L=0. Stan dopasowania powstanie, gdy Z_L=Z₀.

Przypadek 2: Stan pełnego odbicia mocy powstaje wtedy, gdy
i amplitudy obu fal: padającej i odbitej są sobie równe. Pełne odbicie mocy ma miejsce, gdy obciążenie jest czystą reaktancją Z_L = jX_L. Wartość reaktancji X_L ma wpływ na argument współczynnika odbicia, jego moduł równy jest 1.

Przypadek 3: Najczęściej impedancja obciążenia obok części urojonej ma część rzeczywistą, przy czym R_L>0. Wtedy część mocy (
) fali padającej zostaje pochłonięta przez obciążenie i amplituda fali odbitej jest zawsze mniejsza od amplitudy fali padającej, a moduł współczynnika odbicia
.

Przypadek 4: Gdy amplituda fali odbitej jest większa od amplitudy fali padającej, mamy do czynienia ze wzmocnieniem mocy, z obciążeniem aktywnym. W modelu impedancyjnym obciążenie takie reprezentowane jest przez impedancję z ujemną rezystancją. Gdy
, wtedy R_L<0.

9. Zdefiniuj macierz rozproszenia [S] dwuwrotnika

Typową dla techniki mikrofalowej formą opisu własności wielowrotników są macierze rozproszenia. Wynika to z następujących przyczyn:

• współczynniki macierzy rozproszenia mają prostą interpretację fizyczną, są bezpośrednio związane z takimi parametrami, jak rozkłady napięć i prądów czy też moce fal rozchodzących się w prowadnicach dołączonych do dwuwrotnika,

• współczynniki macierzy rozproszenia można łatwo i bezpośrednio (w przeciwieństwie np. do impedancji) zmierzyć.

Macierz rozproszenia zostanie zdefiniowana dla dwuwrotnika, analogicznie definiowana jest dla wielowrotnika.

Nowe wielkości
,
,
i
nazywane są znormalizowanymi amplitudami fal

Definiujemy macierz rozproszenia [S]:

Amplitudy
i
związane są z amplitudami
i
równaniami definicyjnymi, opisującymi macierz rozproszenia. Równania można zapisać w postaci macierzowej

Cztery współczynniki
tworzą macierz rozproszenia [S]. Współczynniki macierzy [S] nazywane są współczynnikami rozproszenia.

• 
  i
  nazywane są reflektancjami, bo opisują efekty odbić,

• 
  i
  nazywane są transmitancje, bo opisują transmisję sygnału przez dwuwrotnik.

10 Zdefiniuj unilateralne wzmocnienie mocy wzmacniacza tranzystorowego

Wzmocnienie mocy dwuwrotnika/wzmacniacza G definiowane jest jako stosunek mocy
wydzielonej w obciążeniu do mocy
dostarczonej z generatora do obwodu:

Po uwzględnieniu `otoczenia' wzmacniacza:

Wzmocnienie unilateralne (jednostronne) Gu - wzmocnienie obliczone w warunkach

S21 = 0

Wyrażenie na wzmocnienie unilateralne Gu można zapisać jako iloczyn 3 czynników:

gdzie:

• 
  reprezentuje wpływ dopasowania wrót wejściowych,
  osiąga wartość maksymalną dla
  ,

• 
  reprezentuje wpływ dopasowania wrót wyjściowych.
  osiąga wartość maksymalną dla
  .

G1 i G2 osiągaja maksymalne wartości gdy:

11. Narysuj podstawową strukturę jednostopniowego wzmacniacza tranzystorowego i opisz rolę wejściowego i wyjściowego obwodów wzmacniacza

Zasadniczymi elementami układu są:

• wejściowy obwód dopasowujący D1 ma za zadanie uzyskać bezodbiciową pracę wzmacniacza, bez niego o odbiciu decyduje S11 tranzystora,

• tranzystor wzmacniający w konfiguracji wspólnego emitera/źródła, w podstawowej dla wzmacniacza konfiguracji,

• wyjściowy obwód dopasowujący D2, ma za zadanie uzyskać bezodbiciową pracę wzmacniacza od strony wrót wyjściowych, bez niego o odbiciu decyduje S22 tranzystora.

Analizując proces wzmocnienia w takim układzie przyjmujemy następujące założenia:

• generator jest będący źródłem wzmacnianego sygnału jest bezodbiciowy
  ,

• obciążenie dołączone do obwodu wyjściowego jest dopasowane
  

• obwody D1 D2 są bezstratne,

• tranzystor jest bezwarunkowo stabilny i unilateralny, czyli
  .

W ogólnym sensie generatorem jest obwód znajdujący się przed tranzystorem, a obciążeniem obwód umieszczony za tranzystorem. Obwód D1 transformuje współczynnik odbicia właściwego generatora od wartości 0 do wartości
. Obwód wyjściowy D2 transformuje współczynnik odbicia właściwego obciążenia równy 0 do wartości
. W ten sposób właściwości bezstratnych dwuwrotników dopasowujących zostały opisane dwiema liczbami zespolonymi
i
.

Inaczej mówiąc obwód D1 transformuje reflektancję
tranzystora do wartości
na wejściu wzmacniacza, a obwód D2 transformuje reflektancję
do wartości
na wyjściu wzmacniacza.

W wąskopasmowych wzmacniaczach tranzystorowych należy tak zaprojektować obwody D1 i D2, aby dla wybranej częstotliwości spełnione były oba warunki równocześnie.

12 Wymień i zdefiniuj podstawowe parametry wzmacniacza tranzystorowego

Najważniejsze parametry wzmacniaczy.:

Wzmocnienie
wzmacniacza; typowa wartość to 6 - 8 dB/stopień, budowane są wzmacniacze wielostopniowe. Zwykle wymaga się, aby wzmocnienie było stałe w pasmie pracy, lub zmieniało się w niewielkich granicach.

Pasmo pracy
wzmacniacza; dla wzmacniaczy wąskopasmowych
, dla szerokopasmowych
. W pasmie pracy wymagane jest dobre, obustronne dopasowanie.

Współczynnik stabilności
; powinien być w całym pasmie częstotliwości większy od
. Bezwarunkowo stabilny wzmacniacz zapobiega wzbudzeniu układu/systemu.

Współczynnik szumów
wzmacniacza definiowany jest zależnością (7-41). Procesowi wzmocnienia towarzyszy zmniejszanie stosunku mocy sygnału
do mocy szumu
.

W łańcuchu wzmacniaczy o wzmocnieniach G1, G2i współczynnikach szumów F1, F2, pierwszy stopień decyduje o zachowaniu się całości i on powinien wnosić jak najmniejsze szumy.

13. Co to znaczy, że wzmacniacz tranzystorowy jest przyrządem nieliniowym i co z tego wynika?

Wzmacniacz tranzystorowy jest przyrządem nieliniowym, ponieważ tranzystory są elementami nieliniowymi. Co oznacza, że prąd |I_a| tylko do pewnej granicy jest proporcjonalny do |U_a|. W rezultacie moc |P_a| jest proporcjonalna do U² jedynie dla małych amplitud i przechodzi ze wzrostem |U| przez swoje maksimum. Z tego faktu wynika, że tranzystory wprowadzają do wzmacnianych sygnałów zniekształcenia. Wzmacniacz staje się - przy dużym poziomie mocy wejściowej - dwuwrotnikiem nieliniowym- rysunek. Powoduje to bardzo niepożądane efekty, zniekształcania przebiegu sinusoidalnego i generację harmonicznych. W przypadku, gdy wzmacniane są sygnały złożone z kilku przebiegów sinusoidalnych f₁, f₂, generowane są sygnały o częstotliwościach mf₁±nf₂ 

14. Warunek admitancyjny generacji, jak do niego dochodzimy, jak go graficznie interpretujemy?

Między rezonatorem a elementem aktywnym wybrano parę zacisków. W stanie ustalonym sinusoidalnych oscylacji między zaciskami panuje napięcie o amplitudzie zespolonej U, oraz płyną prądy o zespolonych amplitudach I_a - w stronę obwodu aktywnego - i I_c w stronę rezonatora. Wymienione prądy łączy oczywisty związek I_a+I_c=0. Na jego podstawie można zdefiniować dwie admitancje: obwodu aktywnego Y_a=I_a/U  i obwodu strojenia z rezonatorem Y_c=I_c/U. Prowadzi to do admitancyjnego warunku generacji Y_a+Y_c=0.

Ilustracja admitancyjnego warunku generacji: Y_a - admiracja obwodu aktywnego, Y_c - suma admitacji obwodów stratnych.

Na rysunku pokazano graficzną interpretację admitancyjnego warunku generacji. Linia niebieska to admitancja obwodowa, silnie zależna od częstotliwości. Linia czerwona opisuje zachowanie admitancji obwodu aktywnego. Ze wzrostem amplitudy wartość Y_a zmienia się od Y_a0 do wartości odpowiadającej punktowi przecięcia. Tak więc położenie punktu przecięcia na linii Y_a określa amplitudę oscylacji, a na linii Y_c częstotliwość oscylacji.

Ilustracja do admitancyjnego warunku generacji: podstawowe elementy generatora oraz jego układ zastępczy

15. Warunek reflektancyjny generacji, jak do niego dochodzimy, jak go graficznie interpretujemy?

Oscylator można przedstawić w ogólnej postaci obwodu zastępczego z rysunku. Wybieramy wrota w prowadnicy łączącej obwód strojenia z obwodem aktywnym. W ustalonym stanie generacji rozchodzą się fale o amplitudach U_i i U_r. W tej wybranej płaszczyźnie określane są Γ_a współczynnik odbicia obwodu aktywnego i Γ_c współczynnik odbicia obwodu strojenia.

Reflektancyjny warunek generacji jest zapisem oczywistego faktu, że jeden współczynnik jest odwrotnością drugiego: Γ_a∙Γ_c=1.

Graficzna ilustracja reflektancyjnego warunku generacji: Γ_a=U_i/U_r - współczynnik odbicia obwodu aktywnego, Γ_c=U_r/U_i - współczynnik odbicia obwodu strojenia. Współczynnik odbicia obwodu aktywnego Γ_a= Γ_a0(U0, I0, ω)S(|Ur|) jest funkcją kilku zmiennych, podobnie jak admitancja Y_a. Natomiast współczynnik odbicia obwodu strojenia Γ_s(ω)  jest funkcją częstotliwości. Ilustracja warunku generacji na płaszczyźnie zespolonej wymaga wykreślenia zależności Γ_s(ω) i odwrotności 1/Γ_a(P), co pokazano na rysunku. Punkt przecięcia wskazuje stan ustalony generacji. Położenie tego punktu na linii Γ_s(ω)  wyznacza częstotliwość oscylacji, a na linii 1/Γ_a(P) wyznacza moc oscylacji.

16. Narysuj podstawową strukturę oscylatora tranzystorowego i wyjaśnij rolę i działanie jego elementów?

W układzie oddzielono część aktywną umożliwiającą spełnienie warunku amplitudy, od części określającej częstotliwość generacji, zwaną obwodem strojenia. Część mocy wyprowadzana na zewnątrz oscylatora reprezentowana jest przez impedancję obciążenia. Dla układu dwójnikowego najwygodniej oprzeć analizę warunków pracy oscylatora tranzystorowego o reflektancyjny warunek generacji. Określmy przez Γ_a0 - współczynnik odbicia dla małych sygnałów, aby napisać warunek samodzielnego startu oscylacji. Rolą obwodu aktywnego jest uczynić odpowiednio dużym moduł współczynnika odbicia |Γ_a0| w żądanym paśmie częstotliwości, aby mimo strat obwodu strojenia, spełnić warunek amplitudy. Decydująca rolę gra obwód sprzężenia, zwykle indukcyjność lub odcinek linii zwartej. Obwód strojenia zapewnia spełnienie warunku fazy, ewentualnie umożliwia przestrajanie, przy możliwie dużej dobroci, aby sygnał był „czysty”. Obwód wyjściowy nie gra zwykle istotnej roli, czasami potrzebny jest do spełnienia warunku szerokopasmowych oscylacji.

17. Wymień podstawowe rodzaje modulacji i opisz ich składniki widma

Informację zapisaną w postaci sygnału elektrycznego przesyłamy używając falę nośną, którą modulujemy sygnałem zawierającym informację.

Fala nośna jest sygnałem elektrycznym, najczęściej sinusoidalnym, poddawanym procesowi modulacji.

Fala modulująca jest sygnałem zawierającym informację, użytym do kontroli/modulacji fali nośnej.

Fala zmodulowana to końcowy efekt procesu modulacji fali nośnej przez falę modulującą. Fala zmodulowana przesyłana jest następnie od nadajnika do odbiornika.

Podstawowe rodzaje modulacji stosowane przy „zapisywaniu” informacji na falę nośną to:

• modulacja amplitudy,

• modulacja kąta,

• modulacja częstotliwości,

• modulacja fazy,

• modulacja impulsowa

Ze względu na sposób zapisu informacji mówimy ponadto o:

• modulacji analogowej

• modulacji cyfrowej.

Efektem modulacji jest fala
o amplitudzie zmieniającej się z częstotliwością
, współczynnik
jest nazywany wskaźnikiem modulacji. Otrzymana zależność jest sumą trzech składników, które rozpoznajemy jako:

• falę nośną-
  

• wstęgę górną,
  ,

• wstęgę dolną,
  .

Na rysunku pokazano charakterystykę widmową sygnału o zmodulowanej amplitudzie. Wysokość wstęg bocznych, dolnej i górnej zależy od głębokości modulacji
.

18. Opisz charakterystykę i obwód zastępczy diody Schottky'ego

Dioda Schottky'ego - dioda półprzewodnikowa, w której zastosowano złącze metal-półprzewodnik. Metale półprzewodniki pokryte są metalem płytki z półprzewodnika i posiadają dwie charakterystyki prądowo - napięciowe. Stosowana w przypadku diody Schottkyego nieliniowa ma charakter prostujący.

Dioda Schottky'ego charakteryzuje się małą pojemnością złącza, dzięki czemu typowy czas przełączania wynosi tylko około 100 ps. Diody te znajdują zastosowanie w układach działających przy dużej częstotliwości.

Charakterystyka
diody Schottky'go jest silnie nieliniowa.

W zależności
,
jest prądem nasycenia diody zależnym od wysokości bariery złącza metal-półprzewodnik,
jest rezystancją szeregową diody, a współczynnik
jest zależny od temperatury, w pokojowej temperaturze
. Wartość prądu
zmienia wraz z wysokością bariery złącza w granicach kilku rzędów wielkości.

Zakres częstotliwości, w którym stosowane są diody Schottky'ego jest bardzo szeroki od kilku megaherców do teraherców. Z łatwością można je także stosować w mikrofalowych układach monolitycznych.

Obwód zastępczy diody Schotky'ego:

Złącze jest reprezentowane przez rezystancję szeregową
, rezystancję bariery
i pojemność bariery
. Pojemność
jest funkcją napięcia
, ale fakt ten nie odgrywa istotnej roli w procesach detekcji i przemiany częstotliwości. Elementy doprowadzeń i oprawki reprezentowane są w sposób typowy, przez indukcyjność
i pojemność
.

19. Jak powstają produkty przemiany częstotliwości ?

Przemiana częstotliwości - proces, w którym w rezultacie doprowadzenia dwóch sygnałów o różnych częstotliwościach pojawia się w obwodzie wiele składników o częstotliwościach kombinowanych.

Produkty przemiany częstotliwości dla dwóch sygnałów sinusoidalnych:

Produkty przemiany częstotliwości powstają w różnych procesach:

• Proces przemiany nazywany jest detekcją, gdy użytecznym jest przyrost składowej stałej w rezultacie pojawienia się sygnału zmiennego.

• Proces przemiany nazywany jest powielaniem częstotliwości, gdy użytecznymi w procesie przemiany są składniki
  ,
  ,
  .... .

• Proces przemiany nazywamy mieszaniem częstotliwości, gdy wykorzystujemy składnik o częstotliwości różnicowej
  lub sumacyjnej
  .

• Proces przemiany nazywamy modulacją, gdy wykorzystujemy dwa składniki o częstotliwościach
  i
  

20. Przedstaw uproszczony schemat łącza radiowego

Każdy systemu radiokomunikacyjny składa się z nadajnika i odbiornika informacji oraz układu dwóch anten przedzielonych przestrzenią. Za pomocą fal radiowych przesyłane są informacje na odległości od pojedynczych centymetrów do wielu milionów kilometrów ( łączność z sondami kosmicznymi).

Ideowy chemat blokowy łącza radiowego:

3 podstawowe procesy realizowane w łączu radiowym:

• Generacja sygnału

• Wzmacnianie sygnału

• Przetwarzanie częstotliwości

21. Wymień podstawowe parametry anten

22. Jak propagowana jest fala EM w wolnej przestrzeni

23. Wymień dwa znane Ci systemy radiokomunikacji satelitarnej

24. Budowa, zasada działania i chrakterystyki diody LED

25. Budowa, zasada działania i charakterystyki lasera półprzewodnikowego

Laser półprzewodnikowy zwany inaczej laserem diodowym lub diodą laserową zbudowany jest z wielowarstwowej struktury półprzewodników n (nadmiar elektronów w paśmie przewodzenia) i p (więcej dziur w paśmie walencyjnym). Zewnętrzne ścianki falowodu tworzą rezonatory Fabry'ego-Perota. W celu zapobieżenia nadmiernym kątom rozbieżności wiązki stosuje się dodatkowe układy optyczne (pryzmatyczne lub cylindryczne). Wady laserów można wyeliminować układem zasilającym z ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Obecnie lasery tego typu mają dodatkowo wbudowaną fotodiodę do pomiaru natężenia emitowanego światła.

Działanie : Przejście elektronu do pasma przewodzenia na skutek zasilania prądem połączone jest z odwrotnym procesem spontanicznym, zwanym radiacyjnym procesem rekombinacji. Proces ten prowadzi do uwolnienia fotonu. Przy dostatecznie dużym prądzie może powstać inwersja obsadzeń, pozwalająca wywołać akcję laserową.

Lasery półprzewodnikowe dzielimy na złączowe (diodowe) oraz bezzłączowe (zbudowane z jednolitego materiału).

Podstawowe parametry lasera:

• Długość fali (
  ) - jest to długość fali świetlnej generowanej przez laser.

• Prąd progowy
  - czyli prąd przy którym emisja wymuszona przeważa nad emisją spontaniczną.

• Maksymalna moc wyjściowa
  - maksymalna wartość mocy optycznej generowanej przez laser. Prąd wymagany do uzyskania większej mocy optycznej uszkadza laser.

• 3-dB pasmo pracy -
  - przy modulacji bezpośredniej parametr ten określa zakres częstotliwości, w jakim efektywność modulacji określona przez współczynnik głębokości modulacji, spada o 3 dB od wartości maksymalnej.

26. Opisz zasadę modulacji natężenia promieniowania diody laserowej

Modulację dzielimy ze względu na typ kodowanej informacji i ze względu na sposób realizacji. Pierwszy typ wyróżnia modulację analogową i cyfrową.

Modulacja analogowa służy do przesłania informacji w postaci sygnału analogowego.

Modulacja cyfrowa jest najbardziej rozpowszechniona. W przypadku cyfrowej modulacji intensywności zwykle wymagamy jedynie tego, aby przy przesyłaniu logicznego „0” przesyłana była jak najmniejsza moc optyczna (najlepiej 0 mW) a przy przesyłaniu logicznej „1” przesyłana moc była jak największa.

Innym podziałem modulacji jest podział na bezpośrednią i zewnętrzną.

Modulacja bezpośrednia polega na zmianie mocy wyjściowej samego źródła światła. Wykorzystuje się tu zależność mocy wyjściowej lasera od prądu. Zmiana prądu płynącego przez laser przekłada się niemal proporcjonalnie na zmianę mocy optycznej.

W przypadku modulacji zewnętrznej laser stanowi tylko i wyłącznie źródło światła o stałej mocy. Modulacja mocy odbywa się poza laserem w elementach o regulowanym tłumieniu. Takie elementy nazywamy modulatorami. Na dzień dzisiejszy dwie najbardziej rozpowszechnione konstrukcje modulatorów to modulator elektrooptyczny Mach-Zendera i modulator elektroabsorpcyjny.

27. Opisz budowę i zasadę działania modulatora Mach-Zender'a

Jednym ze sposobów realizacji procesu modulacji mocy optycznej jest modulacja zewnętrzna. Laser staje się wtedy źródłem światła o stałej mocy. Proces modulacji odbywa się poza laserem w zewnętrznym przyrządzie o regulowanej transmisji - modulatorze zewnętrznym.

Działanie modulatora Mach-Zender'a opiera się o efekt elektrooptyczny, czyli o zależność parametru optycznego, jakim jest współczynnik załamania światła „n” w materiale, od natężenia pola elektrycznego E - n(E). Zależność, która znalazła zastosowanie w modulatorach to zależność liniowa zwana efektem Pockels'a .

Efekt Pockels'a występuje w wielu materiałach, jednak najczęściej wykorzystywany jest niobian litu
.

Wykorzystując fakt zależności współczynnika załamania światła w materiale od natężenia pola elektrycznego można zbudować komórkę Pockelsa - modulator fazy sygnału elektrycznego. Budując rodzaj kondensatora wypełnionego materiałem elektrooptycznym możemy, przy pomocy przyłożonego do okładek napięcia, regulować natężenie pola elektrycznego wewnątrz materiału. W ten sposób sterujemy wartością współczynnika załamania w materiale. Zmiana współczynnika załamania w materiale powoduje zmianę drogi optycznej w tym materiale. Przy stałej długości próbki powoduje to zmianę fazy sygnału optycznego na wyjściu zgodnie z dolnym wzorem.

Praktyczną realizacją modulatora Mach-Zender'a jest konstrukcja pokazana na rys. Wykorzystuje ona światłowód planarny zrealizowany na podłożu z niobianu litu.

28. Opisz strukturę, mechanizm fotodetekcji i charakterystyki fotodiody p-i-n

W fotodiodzie p-i-n między obszarem p i n umieszczony jest obszar i słabo domieszkowany - rys.4.9a. Obszar i jest przy polaryzacji zaporowej silnie zubożony. Obszar i wraz z obszarami dyfuzji po obu stronach zajmują znaczną długość W, znaczna część generowanych przez fotony nośników bierze udział w prądzie, rośnie
.

Fotodetektor dokonuje zamiany strumienia świetlnego na prąd elektryczny. Ta zamiana, czyli proces fotodetekcji, polega na optycznej absorpcji fotonów w materiale półprzewodnikowym.

Charakterystyki statyczne fotodiody p-i-n są typowymi charakterystykami diody półprzewodnikowej, przy czym kierunek przewodzenia nie jest wykorzystywany. Charakterystyki w kierunku zaporowym, mierzone dla różnych poziomów oświetlenia, pokazano na rysunku. Prąd „ciemny”, mierzony dla
, powinien być jak najmniejszy.

Na podstawie charakterystyk statycznych można wyznaczyć wartości czułości
fotodetektora. Doprowadzając do fotodiody sygnał zmodulowany można wyznaczyć wpływ częstotliwości modulacji na wartość czułości. Czułość, jak można oczekiwać - maleje ze wzrostem częstotliwości modulacji.

Gdy napięcie polaryzacji zbliża się do 0 pojawiają się efekty nieliniowe, wartość czułości jest zależna od napięcia polaryzacji, a także pojemność diody staje się nieliniowa. Dla napięć polaryzacji mniejszych od -3 V proces fotodetekcji jest w szerokim zakresie mocy optycznych liniowy.

Fotodiody p-i-n są w ostatnich latach powszechnie uznane za najlepsze rozwiązanie problemu fotodetekcji sygnałów telekomunikacji optycznej. Ich atuty to:

• duża wydajność kwantowa,

• odbiór sygnałów optycznych o modulacji do 60...100 GHz,

• niski poziom szumów śrutowych,

• stabilne parametry w szerokim pasmie częstotliwości i łatwość dopasowania do wzmacniaczy odbiornika optycznego.

29. Opisz układ ideowy swiatłowodowego łącza analogowego

Sygnał analogowy dostarczony do nadajnika kierowany jest przez wzmacniacz
do lasera. Którego moc optyczna modulowana jest w takt tego sygnału. Po transmisji światłowodem sygnał dociera do fotodetektora i po wzmocnieniu wzmacniaczem
pojawia się na wyjściu odbiornika. Sygnał wyjściowy powinien być możliwie wierną kopią wejściowego.

Łącze światłowodowe z modulacją bezpośrednią mocy optycznej generowanej przez laser:

Proces modulacji oparty na zamianie modulacji prądu diody laserowej na generowaną przez nią moc optyczną odbywa się z pewną sprawnością. Decydującym parametrem jest nachylenie charakterystyki diody laserowej
.

Proces konwersji mocy optycznej na prąd wyjściowy dokonujący się w odbiorniku optycznym dokonuje się także ze sprawnością określoną czułością detektora
. W oparciu o te wielkości można proces modulacji i demodulacji ocenić z energetycznego punktu widzenia.

Łącze światłowodowe z modulacją zewnętrzną mocy optycznej przez modulator elektrooptyczny:

Sygnał optyczny kierowany jest do modulatora elektrooptycznego typu Mach-Zehnder'a. Charakterystyka tego modulatora ma kształt sinusoidalny, natomiast praca łącza analogowego wymaga liniowej charakterystyki modulacji. Dlatego przyjmuje się punkt polaryzacji modulatora w punkcie przegięcia charakterystyki - co pokazano na rysunku. Nachylenie charakterystyki w tym punkcie oznaczono przez
.

Odbiornik sygnałów optycznych jest identyczny, jak poprzednio. Parametrem określającym sprawność procesu zamiany sygnału optycznego na elektryczny jest czułość fotodetektora diodowego
.

30. Opisz układ ideowy swiatłowodowego łącza cyfrowego

Najpopularniejszym typem łącza optycznego jest łącze cyfrowe. Celem transmisji jest przesłanie - możliwie bezbłędnie - od nadajnika do odbiornika ciągu liczb.

Najprostsze rozwiązanie łącza cyfrowego wykorzystuje technikę IM-DD (ang. Intensity Modulation - Direct Detection). Tak jak pokazano to na rysunku, łącze optyczne składa się z nadajnika, światłowodu i odbiornika. Przygotowany odpowiednio przez układy multipleksacji i kodowania sygnał trafia do nadajnika optycznego. Sygnał optyczny generowany przez nadajnik jest następnie transmitowany światłowodem kwarcowym do odbiornika. Sygnał optyczny, osłabiony tłumieniem światłowodu, z impulsami zniekształconymi efektami dyspersji, dopływa do odbiornika. W odbiorniku odbywa się detekcja bezpośrednia (Direct Detection), na diodzie PIN. Specjalne układy regenaracyjne przywracają kształt impulsom. Nastepnie odpowiednie uklady elektroniczne rozprowadzają sygnał do innych elementów sieci telekomunikacyjnej.

Cyfrowe łącze światłowodowe z modulacją bezpośrednią mocy optycznej generowanej przez laser:

Wynikiem modulacji impulsy mocy optycznej, czyli grupy, paczki fotonów, które rozpoczynają podróż swiatłowodem. Przy modulacji impulsami odpowiadajacymi prędkości transmisji 10 Gb/s czas przepływu takiego impulsu wynosi niecałe 100 ps, a „paczka” fotonów zajmuje długość około 3 cm. Oczywiście gęstość fotonów nie jest jednakowa na całej długości „paczki” i nie jest czystym prostokatem, a raczej impulsem o kształcie zblżonym do krzywej Gaussa.

Cyfrowe łącze światłowodowe z modulacją zewnętrzną mocy optycznej przez modulator elektrooptyczny:

Dwustanowa modulacja amplitudy (modulacja mocy optycznej) typu „on-off keying” OOK jest także możliwa gdy zastosujemy modulator zenetrzny Mach-Zehndera. Aby wykorzystać w pełni możliwości modulatora powinniśmy modulować jego transmisję od stany maksymalnej transmisji do minimalnej. Niestety nie jest to transmisja równa zeru, w dobrych modulatorach moc minimalna spada do 1/40 mocy maksymalnej.

31. Jak działa system transmisyjny z multipleksacją w dziedzinie długości fali

Multipleksacja w dziedzinie długości fali WDM, albo w dziedzinie częstotliwości polega na tym, że jednym światłowodem propagowane są sygnały pochodzące z kilku nadajników optycznych. Każdy laser emituje inną długość fali, sygnały po połączeniu transmitowane są światłowodem. Każdy z laserów modulowany jest też oddzielnie, zwykle z. wykorzystaniem techniki OTDM.

Po stronie odbiorczej sygnały są kierowane do fotodetektorów. Przed detekcją sygnały są filtrowane przez optyczne filtry.

Sieć optyczna WDM może zawierać wzmacniacze optyczne, wzmacniające wszystkie lub tylko niektóre długości fali.

Multipleksacja WDM; podstawowa struktura układu z transmisją z punktu do punktu ( point to point )

32. Idea multipleksacji na podnośnych

Modulacja na mikrofalowych częstotliwościach podnośnych SCM- SubCarrier Multiplexing jest modulacją analogową.

Sygnał niosący informację moduluje podnośną o częstotliwości radiowej RF. Sam transmitowany sygnał może mieć charakter analogowy i cyfrowy. Sygnałem takim można zmodulować bezpośrednio laser, lub też wprowadzić do modulatora zewnętrznego.

Modulacja tego typu wykorzystywana jest do transmisji analogowych sygnałów czujników i w sieciach CATV.

Schemat ideowy układu z multipleksacją na podnośnych SCM:

Sygnały z N kanałów, zawierające n zmodulowanych sygnałów nośnych, są sumowane przez multiplekser i kierowane do nadajnika laserowego.

Sygnał wyjściowy multipleksera ma bardzo złożoną naturę i modulacja mocy optycznej lasera ma charakter analogowy.

Zalety systemów z multipleksacją na podnośnych SCM:

• Obróbka sygnałów odbywa się na drodze elektrycznej, zarówno po stronie nadawczej, jak i odbiorczej; techniki te są dobrze rozwinięte i znane, a elementy tanie.

• Wiele kanałów transmisji, co w połączeniu z małą tłumiennością światłowodów umożliwia wykorzystanie w sieciach CATV.

• W rozmaitych kanałach można stosować rozmaite techniki modulacji podnośnych: analogowe i cyfrowe, binarne i wielostanowe.

Wady systemów z multipleksacją na podnośnych SCM:

• Ograniczone pasmo kanału ogranicza szybkość transmisji w kanale.

• Stałe problemy z przesłuchami między kanałami i zniekształceniami intermodulacyjnymi.

• Konieczność ograniczenia efektów intermodulacji zmusza do:

• zmniejszenia indeksu modulacji;

• zmniejszenia mocy wyjściowej nadajników laserowych.

---