Post on 31-Jan-2021
transcript
Elettronica per le Telecomunicazioni – Ingegneria delle Telecomunicazioni - A.A. 2008/2009 - L1
Elettronica per le Telecomunicazioni
Docente: Marco Consales (consales@unisannio.it)
Testi di riferimento:– Elettronica per telecomunicazioni,
Dante Del Corso, McGraw-Hill
– Circuiti per la Microelettronica 3a Ed. (5a Ed. inglese)A. Sedra ,K.C. Smith
– Trasparenze delle lezioni sul sito: http://www.ing.unisannio.it/elettronica/didatticahttp://www.ing.unisannio.it/elettronica/didattica
– Eventuali appunti e dispense integrativesul sito
Elettronica per le Telecomunicazioni – Ingegneria delle Telecomunicazioni - A.A. 2008/2009 - L1
Finalità del corso
Studio dei circuiti elettronici fondamentali per la trasmissione, ricezione e l’elaborazione dei segnali.
Esplorazione di un sistema radiomobile di generazione intermedia, corrispondente alla maggior parte degli apparati in uso ed in produzione.
Elettronica per le Telecomunicazioni – Ingegneria delle Telecomunicazioni - A.A. 2008/2009 - L1
Architettura di un ricetrasmettitore RF
Elettronica per le Telecomunicazioni – Ingegneria delle Telecomunicazioni - A.A. 2008/2009 - L1
Schema di un ricetrasmettitore
Un ricevitore wireless a radiofrequenza (RF) si trova tipicamente immerso in un mare di segnali diversi, potenzialmente interferenti (telefonia cellulare, trasmettitori televisivi, segnali radar etc…), ed è capace di prelevare un singolo segnale (di interesse), di amplificarlo e di riprodurlo fedelmente.
Elettronica per le Telecomunicazioni – Ingegneria delle Telecomunicazioni - A.A. 2008/2009 - L1
Un po’ di storia - 1
• Nel 1864 James Clark Maxwell predisse l’esistenza di “onde” Elettro-Magnetiche che potevano essere trasmesse nell’ “etere” e viaggiare alla velocità della luce.
• Nel 1873 Maxwell, come risultato di esperimenti, per primo descrisse la base teoretica della propagazione di ondeelettromagnetiche.
• Nel 1888 Heinrich provò la teoria di Maxwell e generò le prime onde radio.
Elettronica per le Telecomunicazioni – Ingegneria delle Telecomunicazioni - A.A. 2008/2009 - L1
Un po’ di storia - 2
Nel 1897 Guglielmo Marconi realizzò la prima comunicazione radio.
Nel 1901 Marconi trasmise il primo messaggio radio su distanza oceanica.
Elettronica per le Telecomunicazioni – Ingegneria delle Telecomunicazioni - A.A. 2008/2009 - L1
Un pò di storia - 3
• Nel 1918 E.H. Armstrong inventò il circuito supereterodina che ha incrementato le prestazioni dei ricevitori radio.
• Nel 1933 Armstrong inventò la modulazione di frequenza nota come FM.
• Nel 1931 Blumelein inventò il sistema di ricetrasmissione stereofonica.
• Nel 1982 questo sistema fu applicato alle trasmissioni radio negli USA
Elettronica per le Telecomunicazioni – Ingegneria delle Telecomunicazioni - A.A. 2008/2009 - L1
Un pò di storia - 4
Da allora ci sono stati notevoli progressi nel campo delle trasmissioni radio, grazie ai miglioramenti nella tecnologia dei circuiti digitali e di quelli a radiofrequenza e alle tecniche sempre più spinte di miniaturizzazione nei circuiti integrati a larghissima scala di integrazione (VLSI).
Negli anni 90 il telefono cellulare ha avuto un’incredibile diffusione di massa, facilitata dalle suddette migliorie.
Tecniche di modulazione digitaleTecniche di modulazione digitale
• nuovi servizi disponibili
• comunicazioni più sicure
• capacità di servire un numero maggiore di utenti nello spettro a radiofrequenza disponibile
Elettronica per le Telecomunicazioni – Ingegneria delle Telecomunicazioni - A.A. 2008/2009 - L1
Perché la modulazione?
Permette di trasmettere sullo stesso canale (l’etere) differenti segnali.
Elettronica per le Telecomunicazioni – Ingegneria delle Telecomunicazioni - A.A. 2008/2009 - L1
Modulazione di frequenza (FM)
La FM è la modulazione analogica più utilizzata nei sistemi di comunicazione di tipo mobile, perché offre molti vantaggi rispetto alle altre tecniche di modulazione:
•immunità al rumore
•compromesso tra banda e SNR
•permette l’uso di amplificatori di potenza efficienti
( ) ( ) ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+= ∫
t
dtmtfAtu0
fcc k22cos τππAmpiezza Portante
Frequenza Portante Segnale modulante
Constante di Modulazione
Elettronica per le Telecomunicazioni – Ingegneria delle Telecomunicazioni - A.A. 2008/2009 - L1
Modulazioni di tipo digitale
I più recenti sistemi di comunicazione di tipo mobile usano tecniche di modulazione di tipo digitale, rese molto più convenienti economicamente dagli sviluppi tecnologici nel campo dei circuiti integrati VLSI e nell’elaborazione digitale dei segnali (DSP).
La modulazione digitale offre molti altri vantaggi rispetto a quella analogica, ad esempio una migliore immunità al rumore, una più facile multiplazione di varie forme di informazione (voce, dati, immagini), assicura un più alto livello di sicurezza nelle comunicazioni con l’impiego di tecniche di crittografia.
Elettronica per le Telecomunicazioni – Ingegneria delle Telecomunicazioni - A.A. 2008/2009 - L1
Sistemi di comunicazione wireless
I sistemi di trasmissione radio possono essere:I sistemi di trasmissione radio possono essere:
• Simplex: consentono la comunicazione in un solo verso (cercapersone)
• Half-duplex: consentono la comunicazione alternata nei due versi (walkie-talkie)
• Full-duplex: la comunicazione può avvenire contemporaneamente nei due sensi (cordless, cellulari)
Elettronica per le Telecomunicazioni – Ingegneria delle Telecomunicazioni - A.A. 2008/2009 - L1
Tecniche di multiplazione
Per consentire l’accesso a un numero più elevato possibile d’utenti in uno spettro di estensione limitata, sono state sviluppate varie tecniche.
Innanzitutto, per avere un sistema full-duplex ho bisogno di due canali (Rx, Tx)
Si adottano principalmente due approcci:
• Frequency Division Duplexing (FDD): si utilizzano due distinte bande di frequenza
• Time Division Duplexing (TDD): si utilizzano slot temporali distinti per ottenere i due canali
TDD: comunicazione in un’unica banda di frequenza
realizzazione del terminale mobile più semplice non serve il duplexer, ma solo un dispositivo che attivi alternativamente il Tx ed il Rx
Elettronica per le Telecomunicazioni – Ingegneria delle Telecomunicazioni - A.A. 2008/2009 - L1
Tecniche di accesso
Come si assegnano i canali ai vari utenti?
Esistono tre tecniche fondamentali:Esistono tre tecniche fondamentali:
FDMA: I canali vengono ottenuti suddividendo lo spettro disponibile in piccole porzioni (ognuno consiste in una banda di frequenza distinta)
• TDMA: Si usa un’unica banda di frequenza per più utenti, impiegando brevi slot temporali in ognuno dei quali un solo utente può trasmettere o ricevere.
• CDMA:si associa un codice all'informazione trasmessa da ciascun utente che la identifichi univocamente rispetto a tutte le altre. Il Rx è poi in grado di separare, sulla base dei loro codici, le informazioni dei vari utenti anche se occupano la stessa banda e sono sovrapposti nel tempo.
Elettronica per le Telecomunicazioni – Ingegneria delle Telecomunicazioni - A.A. 2008/2009 - L1
Caratteristiche in frequenza dei moderni sistemi di comunicazione
GMSK: Gaussian Minimum Shift Keying
QPSK: Quadrature Phase Shift Keying
125, 250, 500 mW, 2 W
3840QPSK5000 kH1920-1980 (Tx)2110-2170 (Rx)
W-CDMA/ TD-CDMA
WCDMA(UMTS)
1, 4, 100 mW1000GFSK1000 kH2400-2483CDMA/ FDMA/ FH
Bluetooth
250 mW1152GMSK1728 kHz1880-1900 TDMA/ FDMA/ TDD
DECT
0.8, 2, 5, 8 W270.8GMSK200 kHz1710-1785 (Tx)1805-1850 (Rx)
TDMA/ FDMA/ TDD
DCS-1800 (GSM)
0.8, 2, 5, 8 W270.8GMSK200 kHz890-915 (Tx)935-960 (Rx)
TDMA/ FDMA/ TDD
GSM
Peak PowerData Rate (kb/s)
Modulation Technique
Channel Spacing
Frequency band (MHz)
Access Scheme
Standard
Elettronica per le Telecomunicazioni – Ingegneria delle Telecomunicazioni - A.A. 2008/2009 - L1
Architettura di un ricetrasmettitore RF
RicevitoreRicevitore supereterodinasupereterodina
Elettronica per le Telecomunicazioni – Ingegneria delle Telecomunicazioni - A.A. 2008/2009 - L1
Ricevitore supereterodina
Nell’ambito delle comunicazioni wireless, tipicamente, un numero elevato di utenti deve ripartirsi lo spettro a disposizione, e segnali molto forti possono coesistere vicino ad altri molto deboli. Il ricevitore deve perciò essere in grado di selezionare il segnale di interesse e reiettare tutti gli altri.
E’ difficile realizzare praticamente un filtro passa banda accordabile con un valore elevato di Q=f0/B.
Filtro passa banda che preselezioni un certo numero di canali tra cui vi è quello di interesse. I canali vengono traslati ad una frequenza piùbassa (fIF) dove è più facile realizzare un filtro molto selettivo (Q elevato).
Elettronica per le Telecomunicazioni – Ingegneria delle Telecomunicazioni - A.A. 2008/2009 - L1
Ricevitore supereterodina
I canali preselezionati dal filtro RF vengono inviati in ingresso ad un mixer. L’altro ingresso del mixer è un oscillatore locale (LO) accordato ad una frequenza che distafIF da quella del canale desiderato.
Mediante un altro filtro (IF) in uscita si selezionerà la somma o la differenza delle due frequenze, ottenendo la cosiddetta frequenza intermedia.
Il canale selezionato dal filtro IF verrà poi traslato in banda base tramite un altro mixer ed un oscillatore locale a frequenza fissa.
tAtv OLOLOL ωcos)( =
tAtv RFRFRF ωcos)( =
[ ]ttAKA RFOLRFOLOLRF )cos()cos(2 ωωωω −++=
=⋅= ttAKAtv OLRFOLRFU ωω coscos)(
[ ]ttAKA RFOLRFOLOLRF )cos()cos(2 ωωωω −++=
=⋅= ttAKAtv OLRFOLRFU ωω coscos)(
Elettronica per le Telecomunicazioni – Ingegneria delle Telecomunicazioni - A.A. 2008/2009 - L1
Antenna
Interfaccia tra spazio esterno e l’ingresso del ricevitore (l’uscita del trasmettitore)
Elettronica per le Telecomunicazioni – Ingegneria delle Telecomunicazioni - A.A. 2008/2009 - L1
Duplexer/Switchplexer
Duplexer (FDD)
Switchplexer (TDD)
Duplexer
Switchplexer
Elettronica per le Telecomunicazioni – Ingegneria delle Telecomunicazioni - A.A. 2008/2009 - L1
Amplificatori LNA e PA
LNA (low noise amplifier)
amplificatori di ingresso RX:
- basso rumore
- ampia dinamica
PA (power amplifier)
amplificatori di potenza TX:
- alto rendimento
- basso contenuto di armoniche
Elettronica per le Telecomunicazioni – Ingegneria delle Telecomunicazioni - A.A. 2008/2009 - L1
Circuiti per la moltiplicazione
Mixer
I Mixer sono realizzati sfruttando le non linearità dei dispositivi
Elettronica per le Telecomunicazioni – Ingegneria delle Telecomunicazioni - A.A. 2008/2009 - L1
Oscillatori (controllati e locali) e circuiti con PLL
Nel sistema Rx/Tx sono necessari segnali con frequenza precisa e stabile, oppure in relazione di fase/frequenza nota con il segnale di ingresso. Tali segnali sono ottenuti mediante anelli ad aggancio di fase (PLL) e sistemi a sintesi diretta.
Sintetizzatori.
Oscillatori di riferimento, VCO e PLL
Elettronica per le Telecomunicazioni – Ingegneria delle Telecomunicazioni - A.A. 2008/2009 - L1
Filtri e amplificatori intermedi
Filtri
Elettronica per le Telecomunicazioni – Ingegneria delle Telecomunicazioni - A.A. 2008/2009 - L1
La conversione del segnale
Convertitori
A/D e D/A
Elettronica per le Telecomunicazioni – Ingegneria delle Telecomunicazioni - A.A. 2008/2009 - L1
Contenuti del Corso
• Amplificatori con transistori• Rumore nei sistemi elettronici• Oscillatori• Mixer
• Filtri Attivi
• PLL• Conversione A/D