Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Sklep HeluKabel
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Detekcja kwadraturowa

paluszasty 03 Maj 2008 22:35 6259 6
  • #1 03 Maj 2008 22:35
    paluszasty
    Poziom 24  

    NA czym dokładnie polega detekcja kwadraturowa i czum różni sie od normalnej?? Jakie są konsekwencje?? Szukałem w necie ale nie znalazłam nic co by całkowicie zaspokoiło moją ciekawość. Stosuje sie ja np w spektrometrach NMR (akurat zajmuje się tą tematyką, wiec podałem taki przykład) gdzie potrzeba mierzyć różnice rzędu ułamków ppm przy częstotliwościach rzędy setem Mhz (obecnie do ok 950MHz). Z tego co wiem polega to na mieszaniu sygnału odbiornika i nadajnika w dwóch rożnych fazach, dzięki czemu otrzymującemu dwa zestawy próbek, które następnie obrabiamy, ale nie do końca rozumiem konsekwencje takiego procesingu. Może zna sie ktoś na tym i opisze to dokładniej na forum (i tu nei znalazłem specjalnie nic na ten temat).
    Pozdrawiam

    0 6
  • Sklep HeluKabel
  • Sklep HeluKabel
  • #3 04 Maj 2008 01:32
    paluszasty
    Poziom 24  

    Czyżbyś również zajmował sie NMRem??? W sumie większość książek omija całą tematykę związaną z samą techniczna stroną, pisząc po prostu o używaniu detekcji kwadraturowej. Zastanawiam sie czemu wybrano właśnie taką metodę, z barku alternatyw czy po prostu jest najlepsza z możliwych ? Ten pierwszy link całkiem niezły, chodź nie do końca mnie zaspokaja nadal.
    Pozdrawiam

    0
  • #4 04 Maj 2008 10:27
    Rzuuf
    Poziom 43  

    O wyborze metody decyduje stosunek sygnału do szumu, tu akurat "wyłowienie" sygnału jest obarczone mniejszymi błędami.
    NMR-em się nie zajmuję, czasem dorywczo coś tłumaczę, a jak wiadomo, nie da się tłumaczyć tekstu, którego się nie rozumie, więc ciągle się czegoś uczę ...

    0
  • #5 13 Maj 2008 13:08
    Fyszo
    Spec od GSM

    paluszasty napisał:
    Czyżbyś również zajmował sie NMRem???


    Witam, a czy kolega również montuje/konserwuje czy tylko obsługuje jako chemik? Parę informacji bym potrzebował, bo zastanawiamy się nad wpływem zakłóceń na instalacje automatyki i sieci które u nas biegną w pobliżu. A urządzenia jeszcze nie ma (ale ma być).

    0
  • #6 14 Maj 2008 01:50
    shg
    Specjalista techniki cyfrowej

    Chyba użycie terminu "detektor" jest tu niepoprawne, demodulator to już owszem.

    Ogólnie działa to tak, jak odbiornik superheterodynowy. Sygnał "radiowy" mieszany jest z sygnałem heterodyny (mieszanie = mnożenie), i teraz iloczyn sinusów o dwóch częstotliwościach daje w efekcie dwa sinusy, jeden o częstotliwości równej sumie, a drugi różnicy częstotliwości sygnałów wejściowych, (najczęściej) ten o wyższej się tłumi za pomocą filtru dolnoprzepustowego. W efekcie otrzymujemy sygnał o częstotliwości przesuniętej w dół o częstotliwość heterodyny.
    Stąd bierze się dokładność:
    600,000001MHz zmieszane z 600MHz da 1Hz
    600,000002MHz zmieszane z 600MHz da 2Hz
    Z różnicy 1,6ppb zrobiła się różnica 100% (albo 50%, zależy jak na to spojrzeć)

    Demodulacja kwadraturowa działa w podobny sposób, ale wprowadza dodatkowy koncept "ujemnej częstotliwości".
    Zacznę może od tego, co by było, gdyby...
    Suma sygnałów 80MHz + 100MHz, do tego heterodyna 90MHz, podajemy to na odpowiednie wrota wejściowe mieszacza, dostajemy dwie sumy i dwie różnice, 80+90, 80-90 (90-80), 100+90 i 100-90 (90-100), z sumami nie ma problemu, 170 i 190MHz wytłumimy filtrem dolnoprzepustowym.
    100-90MHz - ok, nie ma problemu daje 10MHz, bez wątpienia.
    Ujemna częstotliwość (-10MHz), to już trochę nie bardzo. W takim odbiorniku pojawi się ona na wyjściu jako 10MHz, czyli w efekcie dostaniemy po prostu 10MHz o amplitudzie zależnej od faz sygnałów wejściowych, nie jesteśmy w stanie odróżnić jednego od drugiego. Nazywa się to częstotliwościami lustrzanymi, odbiorniki radiowe UKF mają na tę okoliczność filtr na wejściu, przestrajany współbieżnie z heterodyną. Trochę sprawę uprościłem (bo w zasadzie to 80-90, 90-80, 100-90, czy 90-100?), ale to akurat nie ma znaczenia, jeżeli chodzi o samą ideę.

    Demodulacja kwadraturowa pozwala na rozróżnienie, czy sygnał wejściowy był powyżej, czy poniżej częstotliwości heterodyny.
    Można to sobie wyobrazić tak, że dla zwykłego radioodbiornika za mieszaczem dostajemy sinus, gdy osią odciętych jest czas, a osią rzędnych napięcie z wyjścia mieszacza.

    Nie mogłem niestety spreparować ładnych wykresów, ale rzecz sprowadza się do tego, że dla sinusa o częstotliwości większej od częstotliwości generatora w demodulatorze kwadraturowym na wyjściach dostaniemy dwa sinusy przesunięte w fazie o 90 stopni, albo lepiej cosinus i +/- sinus.
    Teraz zamiast dwóch wykresów jak wyżej, dla każdego z wyjść demodulatora złożymy je w jeden:
    Czas mamy poziomo, powiedzmy w prawo.
    Jedną oś, niech będzie I (In phase) mamy pionowo i dorzucamy kolejną oś, prostopadłą do pozostałych (poziomo w głąb wyimaginowanej tablicy ;]) i na niej będziemy oznaczać napięcie z drugiego wyjścia demodulatora (Q - Quadrature).
    Otrzymujemy w efekcie wykres trójwymiarowy - zależność napięcia na wyjściach I i Q od czasu.
    No i teraz sedno sprawy, dla sinusoidy o częstotliwości większej od częstotliwości heterodyny będzie to śruba lewoskrętna - fazor sygnału wejściowego wiruje szybciej niż fazor sygnału heterodyny, to co obserwujemy to różnica, czyli szybkość wirowania fazora jest związana bezpośrednio z różnicą częstotliwości.




    Dla sinusoidy o częstotliwości mniejszej o częstotliwości heterodyny będzie to śruba prawoskrętna, fazor sygnału wejściowego wiruje wolniej niż fazor heterodyny. Faza sygnału wejściowego jest opóźniona względem sygnału heterodyny i opóźnienie to widzimy w postaci różnicy położenia fazorów, czyli tego co na wyjściu mieszacza.
    Mnożąc przez siebie dwa fazory (sygnał wejściowy i heterodyna) dostajemy na wyjściu iloczyn amplitud i sumę faz.

    Detekcja kwadraturowa
    Obrazek: Na górze fazor o pulsacji ω, w środku fazor o pulsacji -ω, na dole suma. Niestety nie za bardzo widzę możliwość zrobienia z tego wykresów 3D, w każdym razie powstały by dwie spirale jedna lewo- a druga prawoskrętna, które po nałożeniu dały by sinusoidę o dwukrotnie większej amplitudzie, jeżeli między sygnałami będzie jakieś przesunięcie fazowe, to sinusoida obraca się wokół osi czasu.
    To co dostajemy na wyjściu mieszacza zwykłego odbiornika z przykładu wyżej było by wtedy częścią rzeczywistą tej sumy, czyli w zależności od przesunięcia fazowego między sygnałami wejściowymi, amplituda sygnały na wyjściu zmieniała by się od 0 do iloczynu amplitud sygnałów wejściowych razy dwa. Mało użyteczne.
    W wypadku demodulacji kwadraturowej od razu widzimy obie częstotliwości, bo mamy informację zarówno o części rzeczywistej, jak i urojonej.

    Wszystko to oczywiście jest jeszcze trochę uproszczone, bo jak już operujemy na fazorach, to pamiętać należy, że rzeczywiste sinusy i cosinusy to suma dwóch fazorów. Może i to trochę pogmatwane, bo to tak, jakby to co opisałem wyżej zastosować jeszcze raz do samego siebie, tak że trochę od drugiej strony podszedłem (na wejściu są fazory od razu, a nie sinusy i cosinusy), idea zostaje zachowana, ale idea zostaje zachowana, bo to się potem z punktu widzenia matematyki ładnie upraszcza.

    Trochę o tym pisałem też tutaj:
    https://www.elektroda.pl/rtvforum/viewtopic.php?t=822821

    Po takiej demodulacji wysokie częstotliwości się tłumi. Filtry analogowe działają również dla częstotliwości "ujemnych". Tak na prawdę, to po prostu jeden filtr w kanale I i jeden w kanale Q, czyli oba pracujące z sygnałami rzeczywistymi, zresztą w poście z linka to widać. Ważne jest, żeby charakterystyki filtrów były jak najbardziej zbliżone do siebie.

    Dalej takie dwa odfiltrowane sygnały próbkuje się - dwie sztuki przetwornika, albo jeden z podwójnym układem sample & hold, a potem obrabia cyfrowo.
    Obróbka cyfrowa w najprostszym wypadku oznacza wstawienie kolejnych próbek do tablic, jednej dla I (rzeczywiste) i jednaj dla Q (urojone) i policzenia z tego zespolonej transformaty Fouriera. W wyniku dostaniemy widmo dla dodatnich i ujemnych częstotliwości, czyli odpowiednio większych i mniejszych od częstotliwości heterodyny.

    A dlaczego w ogóle tak?
    1. Arcyważne: Częstotliwość pośrednia, a zarazem końcowa (baseband po angielsku, a po polsku to nie wiem, czy się tłumaczy jakoś) leży w okolicy 0Hz - nie trzeba stosować drogich / kłopotliwych filtrów p.cz., można to zrobić nawet na filtrach aktywnych na wzmacniaczach operacyjnych.
    2. Czasem ważne: Szerokość pasma można w banalnie prosty sposób dostosować do potrzeb, nawet "w locie", na przykład stosując filtry cyfrowe, albo jeszcze na etapie "analogowym" za pomocą filtrów z przełączanymi pojemnościami.
    3. Przydatne: Brak częstotliwości lustrzanych - odpada stosowanie cudacznych przestrajanych filtrów jeżeli planuje się przestrajanie w szerszym zakresie. To co było do tej pory częstotliwościami lustrzanymi teraz możemy rozróżnić bez problemu.
    4. Też ważne: Tanie. Jeżeli sygnał będzie dalej przetwarzany cyfrowo, to może się okazać, że zastosowanie demodulacji kwadraturowej da układ tańszy / o większych możliwościach niż zwykła demodulacja.
    5. Niektóre rodzaje modulacji łatwiej zdemodulować, szczególnie te, które mają w nazwie "Q" na początku.
    6. Szczegół: Częstotliwość heterodyny = częstotliwość środka pasma.
    7. Nie wiem co jeszcze. "Przyszłość", "fajne", "wszyscy teraz tak robią" ;]

    Fyszo napisał:
    Parę informacji bym potrzebował, bo zastanawiamy się nad wpływem zakłóceń na instalacje automatyki i sieci które u nas biegną w pobliżu. A urządzenia jeszcze nie ma (ale ma być).

    Raczej niewielki, solidna obudowa z "antymagnetycznej" nierdzewnej stali. Ze względu na stabilność pola elektromagnesu nadprzewodnikowego musi być dobrze izolowany od czynników zewnętrznych, co oczywiście działa również w drugą stronę.

    0
  • #7 14 Maj 2008 21:07
    paluszasty
    Poziom 24  

    Obsługuje jako chemik, ale w moim zespole dość dożo majstrujemy przy tym sprzęcie. Napisz jaki sprzęt ma być-Bruker czy Varian. Jeśli chodzi o tą pierwszą markę to mam doświadczenie bo z takimi stykam sie. Generalnie to Bruker ma znacznie przyjaźniejsze środowisko pracy, ale to zasadniczo kwestia przyzwyczajenia ("Varianowiec" będzie mówił ze jego zabawka jest lepsza). Po za tym tego co sie orientuje w Europie "pałeczkę" trzyma Bruker , co jest zresztą oczywiste, w końcu to europejska firma. Co do zakłóceń konsole jak i przewody są bardzo dobrze ekranowane, na dodatek sygnał zaraz za sondą jest wzmacniany na preampie (HPPR), w celu skrócenia do minimum transmisji sygnału na niskim poziomie. . Natomiast pole stabilizowane jest przez dodatkowe cewki (shimholder i system locku). Jeśli kolego Fyszo chcesz wiedzieć więcej to niech napisze do mnie na priva bo nie będę tu robił niepotrzebnego wykładu na temat zagadnień w zasadzie nie związanych z elektroniką chyba ze znajdą sie na forum osoby które zainteresuje technika NMR , ale to raczej nie to forum.
    Pozdrawiam

    0