Docente: Marco Consales (consales@unisannio · 2009. 3. 17. · Elettronica per le...

Elettronica per le Telecomunicazioni – Ingegneria delle Telecomunicazioni - A.A. 2008/2009 - L1

Elettronica per le Telecomunicazioni

Docente: Marco Consales ([email protected])

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


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.


Architettura di un ricetrasmettitore RF


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.


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.


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.


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


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


Perché la modulazione?

Permette di trasmettere sullo stesso canale (l’etere) differenti segnali.


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


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.


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)


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


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.


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


Architettura di un ricetrasmettitore RF

RicevitoreRicevitore supereterodinasupereterodina


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).


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)(


Antenna

Interfaccia tra spazio esterno e l’ingresso del ricevitore (l’uscita del trasmettitore)


Duplexer/Switchplexer

Duplexer (FDD)

Switchplexer (TDD)

Duplexer

Switchplexer


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


Circuiti per la moltiplicazione

Mixer

I Mixer sono realizzati sfruttando le non linearità dei dispositivi


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


Filtri e amplificatori intermedi

Filtri


La conversione del segnale

Convertitori

A/D e D/A


Contenuti del Corso

• Amplificatori con transistori• Rumore nei sistemi elettronici• Oscillatori• Mixer

• Filtri Attivi

• PLL• Conversione A/D

Docente: Marco Consales (consales@unisannio · 2009. 3. 17. · Elettronica per le...

Documents

Transcript of Docente: Marco Consales (consales@unisannio · 2009. 3. 17. · Elettronica per le...