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1 INFO-COM Dpt. Dipartimento di Scienza e Tecnica dell’Informazione e della Comunicazione Università degli Studi di Roma La Sapienza

•  Definizioni Generali, Requisiti, Approccio Espositivo

•  PARTE 1: Il Ricevitore

•  PARTE 2: Il Trasmettitore

2

Proff. Roberto Cusani e Mauro Biagi, Ing. Manlio Proia

•  Modulazione numerica: bit simbolo segnale trasmesso •  Demodulazione numerica: segnale ricevuto simbolo bit deciso •  Ricetrasmettitore analogico: tutto il processo di mo-demodulazione viene eseguito su forme d’onda analogiche

•  Ricetrasmettitore numerico: il processo di mo-demodulazione viene effettuata (almeno in parte) sulla forma d’onda numerica.

•  Forma d’onda numerica: i processi di amplificazione / attenuazione, estrazione /associazione della informazione al

segnale vengono effettuati sul segnale campionato e quantizzato in ampiezza (digitalizzato), con

approssimazione pari a:

2 - num_bit

DEFINIZIONI GENERALI


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Elenco di “richieste del cliente” che le caratteristiche della radio devono soddisfare.

I requisiti devono essere:

-  singoli, atomici: devono esprimere una singola richiesta; ad esempio, “basso e largo” costituisce 2 requisiti che si possono esprimere come:

Req. X …”basso e largo”: Req. X.1…”basso”… Req. X.2…”largo”…

-  misurabili: devono esistere metodi di misura e di confronto ad esempio, “colore chiaro” non è misurabile, e neppure “più o meno.

Devono essere convertiti in “più chiaro di XY”, esprimendo il colore in scala

cromatica; oppure occorre misurare X, Y ± ΔX, ΔY.

REQUISITI


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IL PROGETTO

Il criterio di progetto più diffuso considera l’approccio a “cipolla”: ogni strato ha una “interfaccia” con lo strato più esterno e contiene “funzioni”.

Gli apparati radio sono costituiti da assiemi che a loro volta possono essere costituiti da sotto-assiemi o da componenti elementari.

Per ogni assieme/sotto-assieme si definisce Interfaccia e funzioni.

USO DEI REQUISITI


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I requisiti devono essere suddivisi ed assegnati alle “funzioni”. Ad esempio in una radio ricetrasmittente si inizia dal requisito di “contemporaneità delle funzioni ricevente e trasmittente”.

ASSEGNAZIONE DEI REQUISITI

RICEVITORE

TRASMETTITORE

ALIMENTATORE

RADIO FREQUENZA

INFORMAZIONE

RETE

INFORMAZIONE

RADIO FREQUENZA

In modo da caratterizzare le funzioni contenute all’interno del “Blocco Radio” che comunica con lo “strato interno” attraverso le interfaccia; nell’esempio informazioni, radio frequenza, rete.


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Poiché i requisiti devono essere misurabili è bene stabilire subito: cosa e come misurarlo.

Le procedure di collaudo si applicano alle interfaccia, ma rappresentano la verifica delle funzioni.

In generale si verifica ciò che si aveva intenzione di ottenere, è bene, almeno prima di ritenere conclusa una parte o la totalità del progetto, verificare le uscite agli “stimoli” non previsti.

VERIFICHE


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APPROCCIO ESPOSITIVO

Requisito Parametri di progetto connessi

Scelte di sistema


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Parte 1: Il Ricevitore


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REQUISITI DEL RICEVITORE

INDICE

•  Gamma di frequenza

•  Canalizzazione •  Tipo di collegamento •  Tipo di servizio

•  Modalità di trasmissione (modulazione) •  Sensibilità

•  Controllo Automatico del Guadagno (AGC) •  Intermodulazione in banda e fuori banda (IMD)


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REQUISITI DEL RICEVITORE

INDICE (cont.)

•  Modulazione incrociata (cross-modulation)

•  De-sensibilizzazione •  Spurie Rx •  Tempo di cambio Frequenze

•  Accuratezza delle Frequenze •  Selettività di IF e di banda-base

•  Squelch •  Output banda-base


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REQUISITO : GAMMA DI FREQUENZA

Parametri di progetto connessi:

•  Elaborazione a media Frequenza

•  Sintetizzatore

•  Il front-end

•  Figura di rumore, dinamica, linearità


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Parametri di Progetto connessi: ELABORAZIONE A MEDIA FREQUENZA •  Nel progetto del Ricetrasmettitore (R/T) la parte ricevente è la più critica. •  Ricevere un segnale vuol dire estrarne l’informazione associata ad una

portante a RF. •  Il metodo teorico, valido in AM, consiste nel rivelare e filtrare la forma d’onda:

non è possibile adottarlo se non si ha un segnale assolutamente “pulito”, ovvero privo di interferenze.

•  Il criterio generale da adottare è il “super eterodina(1)”, che consiste nel “traslare” il segnale ricevuto (RF) ad una frequenza fissa detta Media Frequenza (IF) mediante “battimento” con un oscillatore locale (OL).

(1) (Eterodina: processo di traslazione diretta da RF a banda-base Supereterodina: processo di traslazione da RF ad IF)

REQUISITO: Gamma di frequenza nella quale la radio permette le comunicazioni


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Parametri di Progetto connessi : SINTETIZZATORE

è il modulo cui è affidata la generazione della frequenza (OL) necessaria a “traslare” la radio frequenza a media frequenza.

• Una volta scelta la media frequenza si deve progettare la gamma dell’oscillatore locale OL. Mediante il processo di mescolazione: RF (segnale desiderato) + OL = IF+, RF-OL = IF-

• Tramite un dispositivo del 2° ordine si ottiene: (RF + OL)2 = RF2 + OL2 + 2RF OL ⇒ 2RF, 2OL = IF+ ± IF- che fornisce un segnale IF con frequenza somma o sottrazione delle due frequenze (RF e OL), ottenendo la IF+ e la IF- rispettivamente.

• Se si sceglie: IF+ = OL+RF, ne consegue la gamma del sintetizzatore: OL max = IF + RFmax , OL min = IF + RFmin



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Parametri di Progetto connessi : IL FRONT-END

e’ la sezione di ingresso del ricevitore, cui arriva il segnale di antenna.

Può essere “selettivo” oppure “a larga banda”.

Front-end selettivo:

un filtro (in generale con frequenza centrale variabile) riduce la gamma di

ricezione a sotto-bande più piccole, la cui dimensione è legata alla complessità

ed alla perdita di inserzione (attenuazione nella banda passante) del

filtro.



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Parametri di Progetto connessi : IL FRONT-END Front-end a larga banda:

•  Il filtro è largo quanto la gamma di ricezione. •  Tutti i segnali che non sono attenuati dal filtro “colpiscono” il front-end. •  E’ l’elemento chiave di tutto il ricevitore e viene caratterizzato, come tutti gli elementi analogici della rete, tramite:

figura di rumore

dinamica

linearità



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Figura di rumore (Noise Factor, NF)

e’ il rumore aggiunto dalla rete due-porte al segnale in transito

•  Viene definito come il rapporto S/N (segnale/rumore) in uscita diviso il rapporto S/N in ingresso alla rete.

•  Nei dispositivi a guadagno minore di uno (filtri passivi o attenuatori) la NF coincide con la “perdita di inserzione” o “attenuazione” propria dei filtri.

•  Più è bassa la figura di rumore più il dispositivo è idoneo per segnali deboli; purtroppo, quanto più il dispositivo è buono riguardo la NF, tanto peggio si comporta per la dinamica.

•  Condizioni di “limitazione” esistono sempre nel progetto, e se non sono esplicite è bene cercarle.



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Dinamica

•  La dinamica di una rete due porte è costituita dal dominio di valori dell’ingresso per i quali la funzione di trasferimento non cambia, oppure si

mantiene entro i limiti di variazione stabiliti dal progetto.

•  Ad esempio, un amplificatore si dice in dinamica fintanto che la sua funzione di trasferimento si mantiene lineare.

•  La saturazione è un tipico fenomeno di fine dinamica.



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Linearità

E’ definita in modo semplice come:

se: X1(t) Y1(t) X2(t) Y2(t) allora: aX1(t) + bX2(t) aY1(t) + bY2(t)

•  In condizioni di linearita’ viene mantenuto il controllo dei segnali ricevuti, senza che vengano generati segnali “spuri”.

•  Le non-linearita’ presenti nelle reti due-porte usate nel progetto di R/T generalmente sono approssimabili tramite uno sviluppo in serie di potenze.



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REQUISITO : CANALIZZAZIONE

Parametri di Progetto connessi :

•  Step del sintetizzatore •  Filtro IF con banda 3 e 60 dB •  Canale adiacente

•  Dinamica istantanea •  Banda di Frequenza per l’elaboratore numerico

•  Reciprocal mixing •  Spurie del sintetizzatore


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E’ la distanza in frequenza tra canali di comunicazione contigui

•  Viene stabilita da norme internazionali. •  Nella banda da 30 a 500 MHz la canalizzazione e’ generalmente pari a

25kHz, mentre in HF (1.5-30 MHz) si limita a 3 kHz.

•  I canali sono numerati convenzionalmente come 00, 01, 02, … •  Nelle comunicazioni HF normalmente le frequenze assegnate non sono

multipli di 3 kHz.

•  Nella gamma ICAO (comunicazioni tra aerei civili ed aeroporti, nella banda da 118 a 137 MHz) a partire da ottobre 1999 e’ stato standardizzata la divisione in 3 canali, ciascuno da 8.33 kHz, con step a 25 kHz.

REQUISITO: Canalizzazione (in banda) delle comunicazioni simultanee


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Parametri di Progetto connessi : STEP DEL SINTETIZZATORE

E’ il minimo spostamento di frequenza che si richiede all’oscillatore locale per passare da un canale all’altro

• Il sintetizzatore (OL) trasferisce (trasla) la RF a IF. Al variare della RF deve variare OL, per mantenere costante la IF.

• Quando la canalizzazione e’ fissata, allora lo step di sintesi è direttamente determinato.

• In altri casi, ad esempio in HF, lo step di sintesi può essere estremamente più piccolo dei 3 kHz: i moderni ricevitori scendono ad 1 Hz.

• Il progetto dell’OL viene generalmente ottenuto da un processo di sintesi, tramite un loop a controllo di frequenza/fase (PPL - phase locked loop), ed è estremamente “sensibile” allo step.



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Principali elementi coinvolti nel progetto dell’OL:

•  I loop di controllo hanno un “filtro di loop” la cui banda è condizionata dallo step. •  La banda (BW) del filtro limita il tempo di agganciamento (necessario a passare, in modo stabile, da una frequenza ad un’altra) secondo la formula

approssimata della risposta al gradino di un filtro:



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Parametri di Progetto connessi : FILTRO IF CON BANDA 3 E 60 dB

•  Parametri critici per gli elementi analogici di un ricevitore: NF, dinamica, linearità.

•  Per ridurre la incidenza sugli stadi successivi della catena ricevente occorre ottimizzare la larghezza di banda del filtro IF.

•  La condizione ideale è un filtro che fa passare esclusivamente il canale desiderato, e cosi’ le interferenze non incidono più sul progetto degli stadi

successivi.



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Parametri di Progetto connessi : FILTRO IF CON BANDA 3 E 60 dB (cont.)

•  I filtri che maggiormente si avvicinano alla condizione ideale sono realizzati a quarzo; un fattore di merito Q intorno a 10000 permette di realizzare filtri con rapporto Banda Passante (BW o B3) su Banda Attenuata (B60) anche pari a 2 per frequenze di decine di MHz, con perdita di inserzione (IL, Insertion Loss) di 4 ÷ 5 dB (la IL peggiora la figura di rumore).

•  Il problema tuttavia non è “risolto”: in genere si deve progettare il filtro per il massimo della banda richiesta dalle comunicazioni (BW+stabilità+accuratezza…) , penalizzando le trasmissioni a banda stretta. Si tratta nuovamente di trovare un compromesso tra esigenze contrastanti.



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Parametri di Progetto connessi : CANALE ADIACENTE

•  Nei sistemi di comunicazione uno dei problemi consiste nel ricevere correttamente il segnale desiderato anche in presenza di un segnale “molto forte” situato nel canale immediatamente adiacente in frequenza.

•  Quanto sia “forte” il “molto forte” è una delle caratteristiche primarie di un ricevitore.

•  Con un “filtro di canale” ideale situato nella prima media frequenza non si avrebbero problemi. Con filtri reali in pratica non si riesce ad attenuare il canale adiacente (0 dB di attenuazione).

•  Tale funzione viene pertanto demandata al circuito di mo-demodulazione digitale, che deve avere una elevata “dinamica istantanea”, cosi’ da rappresentare correttamente la somma dei due segnali.



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Parametri di Progetto connessi : DINAMICA ISTANTANEA

E’ la capacità di distinguere 2 segnali, di cui uno alla soglia di sensibilità e l’altro

X dB più ampio.

A tale scopo il de-modulatore digitale dovra’ avere:

•  Un convertitore (Analogue-to-Digital Converter, ADC) con un numero n di bit (n = X/6) tali da “distinguere” la differenza di X dB.

•  Un elaboratore del segnale campionato in grado di ridurre ulteriormente l’interferenza tra i due segnali (tipicamente un filtro numerico).

•  La posizione dell’ADC nella catena di ricezione dipende dal processo di ricezione scelto e dal tipo di demodulazione impiegata (diretta, a IF, …).



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Parametri di Progetto connessi : BANDA DI FREQUENZA PER L’ELABORATORE NUMERICO

•  Il convertitore A/D opera su un segnale analogico la cui ampiezza è determinata dal guadagno degli stati analogici. Per il contenuto spettrale di tale segnale occorre considerare la banda attenuata, e non quella passante.

•  Esempio: segnale in banda passante 60 dB sopra la soglia minima ed entro la dinamica istantanea; segnale indesiderato, nella banda attenuata, 60 dB attenuato rispetto al desiderato: il convertitore A/D li “legge” entrambi.



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Parametri di Progetto connessi : BANDA DI FREQUENZA PER L’ELABORATORE NUMERICO (Cont.)


•  La banda attenuata deve essere considerata fino ai “limiti” del processo. Si deve infatti estendere l’analisi a tutti i possibili segnali/rumori che durante il

processo digitale possono avere importanza sebbene apparentemente non ne abbiano. Ad esempio nel caso di sovracampionamento tale limite può

estendersi oltre la dinamica. Il rapporto tra la velocità di campionamento ed il doppio della banda del segnale fornisce il “Guadagno di processo” della

dinamica. •  La banda totale viene considerata nei calcoli della media frequenza del circuito numerico, oltre che nel calcolo delle “aliasing” (sovrapposizione degli “spettri campionati”).


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Parametri di Progetto connessi : BANDA DI FREQUENZA PER L’ELABORATORE NUMERICO (cont.)

•  Il campionamento può essere visto come il battimento tra un segnale analogico limitato in banda ed un segnale ideale impulsivo con frequenza di ripetizione pari alla “larghezza” dello spettro del segnale analogico.

•  Il “mixing” del segnale analogico con la serie di armoniche produce repliche del segnale analogico ad intervalli pari al campionamento, da cui l’eventuale aliasing.

HOLD CONV

FC

t

SEG ANAL

f

SAMPLE

. . . . . .

f SPETTRO TOTALE

ST

fRF BANDA PASSANTE

FC 2FC FC ST

ALIASING

2FC FC < ST

FC 2FC 3FC . . . . hFc



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Parametri di Progetto connessi : Reciprocal Mixing E’ il rumore che, associato all’OL, viene riportato in IF da un segnale interferente. •  Viene raramente considerato, ma crea notevoli problemi alla capacità di ricevere segnali deboli in presenza di segnali interferenti di potenza superiore ad essi. •  L’oscillatore locale non è un segnale spettralmente puro, ma è affetto da rumore e di distorsione armonica (che possono essere eliminate mediante filtraggio). •  Il rumore è l’elemento chiave di questo processo, e si genera sia per fenomeni fisici (dovuto alla “temperatura” dei dispositivi) che per instabilità:

-  l’oscillatore inserito nel PLL “tende a spostarsi”: (rumore di fase), contrastato dal loop di controllo -  lo “standard”, ovvero il riferimento per il PLL, è a sua volta affetto da rumore di fase, che si esprime in dBc/Hz ad una certa distanza dalla frequenza di OL -  valori “buoni” sono 90 ÷ 100 dBc/Hz alla distanza in frequenza pari alla distanza del canale adiacente



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Parametri di Progetto connessi : RECIPROCAL MIXING (cont.)

Front-End:

fd fi

f

f

OL

dBc/Hz

fd

fi

Sd

Si

FLT

IF

fd fi

IF

Sd RUMORE

OL

f

RUMORE

[ RUMORE (OL + ) ] - fi OL - fd

f



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•  La frequenza ƒi determina la conversione della banda di rumore, distante Δ da OL, alla Frequenza Intermedia.

-  Il mixer è in conversione per effetto di OL ; - OL “polarizza” il segnale sulla funzione di trasferimento del mixer stesso; - ƒi “batte” con OL e con il rumore; -  il prodotto (ƒi, OL) è situato a IF + Δ; -  il prodotto (ƒi, NOISE) è allocato su IF. - nel “battimento” il rapporto S/N di OL rimane inalterato.



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•  Il rapporto S/N di ƒi è almeno uguale a quello di OL quindi: -  Se ƒi > ƒd di 60 dB e SOL/NOL = 100 dBc/Hz ovvero ~ 60 dB/25 kHz, allora la

energia del rumore è uguale a quelle del segnale.

-  Il rapporto S/N del segnale ricevuto è 3 dB, per effetto del segnale interferente. -  I front-end a banda larga sono peggiori per queste caratteristiche. “Fortunatamente” il rumore di OL non è “piatto” ma si riduce all’aumentare delle distanze da OL.



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Parametri di Progetto connessi : SPURIE DEL SINTETIZZATORE

•  Precedentemente sono stati considerati gli effetti del “rumore” del sintetizzatore sul segnale ricevuto; in modo analogo è possibile considerare gli effetti

(deleteri) di segnali spuri associati all’oscillatore locale.

•  Le spurie si riportano sul segnale utile desiderato per diversi motivi (generalmente non prevedibili, almeno per quanto riguarda la loro entita’)

dovuti a:

-  capacità parassita (conduzione) -  accoppiamenti elettromagnetici (radiazione)

e sono in generale gli stessi segnali (ed i loro battimenti) che vengono utilizzati

per produrre l’OL nel sintetizzatore.



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REQUISITO : TIPO DI COLLEGAMENTO


•  Front-end

•  Banda del Filtro IF

•  La frequenza IF

•  IP3 - Intercept Point 3rd order

•  Dinamica


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REQUISITO: Tipo di Collegamento Si riferisce alle condizioni elettromagnetiche in cui si trova la radio

•  Nei collegamenti punto-punto (PTP, Point-To-Point) a frequenza fissa il ricevitore radio deve generalmente trattare segnali ad inviluppo costante, con variazioni dovute a “fading” (modulazioni in ampiezza lenta) entro ± 10 dB. Queste possono arrivare anche a -40 dB nel caso di auto-interferenze tra raggio diretto e riflesso. •  Nel caso si operi su frequenze diverse, le variazioni possono aumentare anche di 6 dB per ogni raddoppio della frequenza (nei collegamenti in spazio libero). •  Nei collegamenti punto-multipunto (PTMP, Point-To-MultiPoint) le variazioni possono anche eccedere i 60 dB:

-  per variazioni della distanza “vicino-lontano” -  per variazioni di frequenza nella gamma.

•  Un altro tipo di collegamento attualmente molto “popolare”, a frequenza fissa ma a banda molto larga e’ quello di tipo SS-PN (Spread-Spectrum Pseudo Noise) per il CDMA (Code Division Multiple Access).


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Parametri di Progetto connessi : FRONT-END Il circuito di “ingresso” è legato ai tipi di collegamento:

•  Nei collegamenti PTP e PTMP a banda stretta e frequenza fissa il F-E (Front- End) selettivo è indubbiamente quello che garantisce le migliori caratteristiche (compatibilmente con le IL del filtro di pre-selezione).

•  Nei collegamenti a frequenza variabile (sempre a banda stretta) si deve ricorrere al compromesso dovuto alla “velocità di variazione della frequenza”.

•  Questa caratteristica inficia il progetto del filtro di pre-selezione, che deve essere tanto piu’ “blando” quanto più è alta la suddetta velocità.

REQUISITO: Tipo di Collegamento


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Parametri di Progetto connessi : FRONT-END (cont.)

•  Nei collegamenti SSPN la banda RF del F-E deve contenere almeno il primo “lobo” del segnale.

•  Si tratta di un segnale a modulazione numerica con impulsi di banda base rettangolari (nel tempo), e con il tipico andamento in frequenza del tipo

sen(f)/f.



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Parametri di Progetto connessi : BANDA DEL FILTRO IF

•  Per la banda del filtro IF si possono fare considerazioni analoghe a quelle per il F-E , con la sola eccezione delle comunicazioni SSPN.

•  Nelle SSPN il processo di de-spreading (che consiste nel battimento con un OL , modulato con la “stessa sequenza” che ha provocato lo ”allargamento di

banda”) porta ad avere in media frequenza un segnale nuovamente a banda

stretta.



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Parametri di Progetto connessi : LA FREQUENZA IF

•  Nei collegamenti PTMP con accessi multipli (sia di frequenza che di codice) si ha spesso la contemporaneità di più segnali.

•  Nei collegamenti o negli apparati, dove è previsto usare una gamma di frequenza che si estende su più di una ottava, la scelta della frequenza

“ottimale” per la IF è leggermente più complessa.



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Parametri di Progetto connessi : LA FREQUENZA IF (cont.)

•  Supponiamo la gamma di funzionamento sia estesa oltre ƒi ÷ 2ƒi e di voler ricevere 2 ƒi .

•  Qualunque sia la IF scelta, il primo mixer si comporta come una rete due porte con funzione di trasferimento (almeno) quadratica:

IF: (Σ segnali + OL)2

•  Normalmente esiste una considerevole componente del terzo ordine. •  Dopo il quadrato la ƒi presenta la stessa frequenza di 2ƒi e quindi si sovrappone

ad essa, generando distorsione.

•  Il Front-End selettivo minimiza questo problema, riducendo il numero dei segnali che entrano nel mixer.



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Un ulteriore accorgimento per impedire che l’apparato possa ricevere un

segnale allocato proprio alla frequenza intermedia (IF):

•  la reiezione della IF si esprime in dB rispetto la soglia di sensibilità (valori “buoni” devono eccedere i 100 dB);

•  la IF non deve essere allocata nella gamma di funzionamento poiché solo filtri “non variabili” possono garantirne l’attenuazione;

•  le armoniche del segnale, generate dal mixer, devono trovarsi al di fuori della banda passante e/o attenuata del filtro di IF.



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Parametri di Progetto connessi : LA FREQUENZA IF (cont.) •  Il valore della IF deve essere tale da non includere la “Frequenza Immagine” nella gamma di funzionamento.

•  La IF deriva da una non linearità del 2°/3° ordine e si ottiene dalla somma e differenza dell’oscillatore locale con il segnale desiderato.

•  Una volta scelto il battimento sopra (OL + RF) oppure sotto (OL - RF), si può calcolare la frequenza del segnale che provoca l’IMMAGINE (Rfim).

•  Esempio: da IF = OL - RF segue che si puo’ avere: Rfim - OL = IF = OL - RF

da cui: Rfim - = 2OL - RF



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•  Tanto maggiore è il valore di OL, e quindi di IF, tanto più è facile aumentare la reiezione alla frequenza immagine (normalmente espressa in dB rispetto

alla soglia di sensibilità: un valore “buono” è intorno a 100 dB).

•  E’ quindi “buona regola” negli apparati a larga banda scegliere la IF in un campo che ecceda la 3° armonica della massima frequenza da ricevere (IF

> 3 RF max).



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Parametri di Progetto connessi : IP3 - Intercept Point 3rd order

E’ un parametro che caratterizza la linearità di una rete due porte:

•  Permette di calcolare i prodotti di intermodulazione del 3° ordine che sono generati dalla funzione di trasferimento della rete due porte.

•  Si esprime in dBm (valore in decibel di potenza rispetto 1 mW). •  Valori “buoni” per un ricevitore sono superiori a 30 dBm.



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Parametri di Progetto connessi : IP3 - Intercept Point 3rd order (cont)

La caratteristica di trasferimento In/Out di una rete due porte può essere

rappresentata tramite un diagramma cartesiano Vo/Vi con assi logaritmici;

del tipo:

Vo

Vi

LIVELLO RUMORE



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Parametri di Progetto connessi : IP3 - Intercept Point 3rd order (cont)

•  Il valore di Vo per Vi =0, ovvero Vo(0) rappresenta il rumore della rete due porte.

•  Considerando la rete due porte a guadagno unitario e trascinando il valore di Vo(0) sullo zero (annullo il rumore interno) la caratteristica di trasferimento è

costituita dalla bisettrice del 1° e 3° quadrante (tangente pari a 1).

•  Sullo stesso piano cartesiano la componente del 3° ordine della funzione di trasferimento è rappresentata da una retta la cui pendenza è 3(*). Essa incontra l’altra in un punto che è proprio IP3, e che rappresenta il punto ideale in cui la funzione di trasferimento ha componenti del 1° e 3° ordine uguali.

(*) (Il piano è logaritmico)



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Vo

IP3

o

Vo

T

Vi

IM

I

Parametri di Progetto connessi : IP3 - Intercept Point 3rd order (cont) •  Dalla figura si trova il valore della attenuazione dei prodotti del 3° ordine rispetto quelli del 1°, rappresentato dal segmento Vo, IM che si chiama IMD (Intermodulation Distortion).

•  I triangoli IP3, I, O e IP3, I, T sono simili:

-  hanno il lato IP3, I in comune -  il lato IP3, O è 1/3 di IP3, T


Espresso in dB

dB

dB


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Parametri di Progetto connessi : DINAMICA

E’ il valore massimo del segnale di ingresso per il quale non varia la funzione

ingresso/uscita della rete 2-porte

•  Si caratterizza valutando l’uscita in funzione dell’ingresso. •  Per un amplificatore si fa variare l’ingresso di X dB e l’uscita deve variare dello stesso valore.

•  Quando lo step di uscita si riduce di 1 dB (1 dB compression point) si può dire che “non c’è più dinamica”. Nella grafica precedente il punto in cui

inizia la curva tratteggiata è “1 dB compression point”.

•  E’ correlato al punto IP3; di solito è 10 dB inferiore ad esso.



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REQUISITO : TIPO DI SERVIZIO


•  Fonia, Dati, Video •  Cifratura •  Vocoder

•  Ritardo nei processi digitali •  Errori di ricezione

•  Codici •  Interallacciamento


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REQUISITO: Tipi di Servizio (Fonia-Dati-Video)

Nei canali radio si inviano informazioni tipo:

•  Fonia: -  voce in chiaro: è permesso a chiunque di riceverle e comprenderle -  voce cifrata: tutti possono riceverla, ma solo chi conosce la “chiave” può comprenderla

•  Dati: -  Le informazioni sono di tipo numerico. -  La radio rappresenta il “livello fisico” (nel senso OSI-Open System Interface dell’ISO-International Standard Organization) del sistema di comunicazioni, e l’applicativo (che riporta i dati ad informazioni) è sempre esterno al vettore radio.


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Video:

•  Le immagini sono inviate in forma analogica o digitale. •  Il tipo di immagine - ferma (foto) o in movimento (full motion) - che e’

possibile trasmettere e’ legato alla larghezza di banda del canale.

REQUISITO: Tipi di Servizio (Fonia-Dati-Video)


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CIFRATURA (KRIPTO, CRIPTAZIONE)

•  Analogica: il segnale vocale viene elaborato in trasmissione “spezzettando” la banda audio e “mischiando” le sotto-bande secondo una logica nota solo al

ricevente, che puo’ cosi’ ricostruire la banda originale.

•  Digitale (vocoder attuali): la voce viene digitalizzata, ed alla sequenza binaria di informazione viene sommata (modulo 2) una sequenza binaria pseudo casuale (PN), con le caratteristiche (tipiche di una sequenza casuale):

-  ha il 50% di “1” e “0”

-  ha un periodo di ripetizione “estremamente lungo” rispetto al periodo della comunicazione.

Per ricostruire i dati originari il ricevitore somma (modulo 2) alla sequenza binaria ricevuta una “replica” della sequenza PN.

REQUISITO: Tipo di Servizio (Fonia/Dati Cifrato)


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REQUISITO: Tipo di Servizio (Fonia Digitalizzata)

VOCODER

E’ un processo di digitalizzazione della voce che “non segue” il teorema del campionamento.

•  Il numero dei bit per secondo inviati è estremamente più basso del minimo richiesto dal teorema del campionamento applicato a 4 kHz.

•  La voce ha una risposta in frequenza praticamente piatta fino a ~ 500 Hz (indipendentemente dal sesso o dalla lingua del parlatore, almeno in occidente).

•  Le componenti oltre i 500 Hz hanno ampiezza attenuata circa 12 dB/ oct (40 dB per decade).

•  Nella parte inferiore dello spettro risiede il contenuto informativo mentre nella parte superiore c’è il timbro (identifica il parlatore).

•  Rinunciando al timbro la banda può essere ridotta rispetto al massimo.


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VOCODER (cont.)

• Per la banda 4 kHz si possono considerare: -  8 k campioni al secondo -  8 bit per campione (errore ~ 0,4%)

ovvero 64 kbit per secondo.

• Altri metodi sono stati sviluppati basandosi sulla ridondanza intrinseca della voce, e sono i Vocoder che fanno una “analisi” del contenuto informativo della voce per individuarne delle caratteristiche o parametri preponderati (tipo LPC, Linear Predicting Coder).

• Queste tecniche già da tempo hanno ridotto il BR (Bit Rate) da 64 kbps a 2400 bps e tendono a riduzioni ulteriori (800 bps).



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VOCODER (cont.)

•  Il processo di riduzione del BR per la fonia è legato a due importanti requisiti:

-  la banda del canale (in gamma HF è soltanto 3 kHz);

-  la possibilità di diminuire il BER (Bit Error Rate) a parità di banda del canale.



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RITARDO NEI PROCESSI DIGITALI

•  I processi di conversione analogico/digitale ed i successivi processi numerici (la elaborazione) richiedono un tempo di elaborazione.

• Ad esempio i Vocoder a banda stretta non “lavorano in tempo reale” poiche’ eseguono una analisi del segnale e tale processo richiede 100 ÷ 200 ms.

• Anche la codifica, ed in particolare il processo di interleaving, creano ritardi. • Questi ritardi non sono problematici se non nel servizio voce, dove già 300

ms di ritardo creano fastidio all’ascoltatore ed al parlatore (che sente l’eco).

• Nelle operazioni militari con aerei “l’attimo” di ritardo nella trasmissione vocale può essere fatale.


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ERRORI DI RICEZIONE

•  Il canale radio è un “canale rumoroso” per definizione: -  il rapporto S/N previsto nei progetti è in generale pari a 10 dB; -  le interferenze “involontarie” sono molteplici (armoniche e spurie “di altri”); -  nelle comunicazioni militari le interferenze sono anche “volontarie”, come ad esempio il “jamming”, nelle ECM (Electronic Counter Measures).

•  Il “rumore” comporta errori di riconoscimento dei dati.

REQUISITO: Tipo di Servizio (Dati)


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ERRORI DI RICEZIONE (Cont.)

•  I tipi di rumore piu’ comuni sono: -  Rumore Bianco (AWGN Additive White Gaussian Noise), che produce “casualmente” un errore sul simbolo.

-  Rumore impulsivo, che insorge improvvisamente fino a “coprire” uno o pochi simboli consecutivi.

-  Rumore a pacchetto (burst), che cancella un numero considerevole di simboli consecutivi.



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ERRORI DI RICEZIONE (cont.)

•  Le interferenze volontarie o involontarie si comportano come i rumori impulsivi oppure a burst, poiche’ cancellano un gruppo di simboli.

•  Per recuperare gli errori “casualmente distribuiti” si impiega la codificazione di canale.



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CODICI

Un codice è un algoritmo matematico che:

•  Ad una parola binaria (elemento, o simbolo, appartenente all’insieme sorgente) fanno corrispondere una “parola di codice”.

•  La parola di codice (binaria) ha dimensioni (cioe’, lunghezza) superiori alla parola di sorgente;

•  La “distanza” (definita come il numero di bit differenti) tra le parole di codice è superiore alla distanza che avevano le due parole di sorgente che le hanno generate

•  Nel processo di “decodifica” a più parole ricevute si fa corrispondere una sola parola di sorgente, quella a distanza minima. In altri termini, ad un punto si fa corrispondere un “insieme di punti”.

REQUISITO: Tipo di Servizio (Dati con codificazione di canale)


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CODICI (Cont.)

•  In senso figurato si puo’ pensare che trasmettere e ricevere un simbolo di informazione è come “lanciare una pallina e farla cadere in un bicchiere”; il bicchiere è tanto più grande quanto più “potente” è il codice, ovvero il bicchiere “occupa più spazio” della pallina.

•  Problema associato alla codificazione: -  a parità di banda si riduce la velocità di sorgente -  a parità di velocità di sorgente si allarga la banda

•  Quindi siamo di nuovo al compromesso!

REQUISITO: Tipo di Servizio (Dati con codificazione di canale)


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INTERALLACCIAMENTO (Interleaving)

•  Sono algoritmi che distribuiscono gli errori lungo la sequenza ricevuta, convertendo errori “a pacchetto” in errori casuali.

•  L’interallacciamento viene effettuato subito dopo la codifica di canale, prima della trasmissione:

-  si prendono parole di codice composte, in generale, da bit; -  si “mischiano” i bit in modo che le nuove parole contengano un solo bit per ognuna delle parole di partenza; -  durante la trasmissione attraverso il canale di comunicazione può succedere che venga a mancare anche una parola completa; -  dopo il processo di de-interallacciamento tale mancanza si tramuta in un errore per ognuna delle n parole di codifica, con possibilità di correzione da parte del decodificatore.

REQUISITO: Tipo di Servizio (Dati in ambiente con rumori a burst)


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INTERALLACCIAMENTO (Interleaving) (Cont.)

•  In presenza di interallacciamento, a parita’ di prestazioni il codice puo’ avere una dimensione inferiore.

•  In tal modo si evita che il processo di codifica si “mangi” tutta la banda disponibile.

•  Esistono Interleaving del tipo “a blocchi” oppure “convoluzionali”.

REQUISITO: Tipo di Servizio (Dati in ambiente con rumori a burst)


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REQUISITO : MODALITA’ DI TRASMISSIONE (Modulazione)


•  Salto della modulazione

•  AM portante intera/ridotta/soppressa

•  Modulazione Frequenza/Fase

•  Modulazione per trasmissioni numeriche


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REQUISITO - Modalità di trasmissione (modulazione)

Si riferisce al tipo di modulazione mediante la quale le informazioni sono associate alla “portante”

Parametri di Progetto connessi : SCELTA DELLA MODULAZIONE

•  Conoscere la modalità di trasmissione del segnale condiziona molti aspetti di un ricevitore.

•  Esistono 3 tipi di modulazione: -  modulazione di ampiezza (AM) -  modulazione di frequenza (FM) -  modulazione di fase (PM)

•  Si possono avere combinazioni di modulazioni ampiezza e fase/frequenza (intenzionali e non).


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Le modulazioni di ampiezza possono essere del tipo a portante “intera”, “ridotta” oppure “soppressa”.

AM - portante intera

•  E’ la più “facile” da ricevere (infatti era adottata dai primi broadcasting). -  La portante “stabilizza” il guadagno della catena ricevente. -  Si demodula con semplice diodo e condensatore. -  Non è suscettibile alla “instabilità” degli oscillatori locali. -  Permette, ove necessario, di sincronizzare gli oscillatori locali con il segnale ricevuto

•  Però: -  E’ bassa la efficienza in termini di potenza del segnale / potenza portante. -  Il livello del segnale varia con la profondità di modulazione.



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AM portante ridotta, o “vestigiale”

E’ praticamente abbandonata. Presenta le caratteristiche della AM portante intera,

con qualche vantaggio:

-  ha un migliore rapporto potenza segnale / potenza portante , ma anche degli svantaggi come:

-  necessita la ricostruzione della portante in ricezione per demodulare “AM”,oppure deve essere demodulato per “prodotto”.



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AM portante soppressa

•  Ci sono due tipi fondamentali di AM: la DSB (Dual Side Band) e la SSB (Single Side Band).

•  Entrambi devono essere demodulati per “prodotto” con il netto vantaggio della SSB nel rapporto potenza segnale / potenza portante: non esiste portante e tutta la potenza è associata al segnale.

•  Infatti un segnale AM a portante intera è definito come:

dove è il segnale utile. Nella parentesi quadra si nota la “variazione” della ampiezza a pulsazione Ω, con “m” indice di modulazione.



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AM portante soppressa (cont.)

•  Il segnale AM puo’ anche essere esplicitato come:

dove è facile osservare che:

-  esiste una notevole parte della potenza associata alla portante -  le due bande laterali portano m2 / 2 della potenza (massimo 50%, per m = 1)

-  l’informazione è anche in una sola delle bande laterali. •  Dalla formula è quindi facile verificare i casi citati precedentemente.



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•  Si osserva che il solo segnale in banda laterale ha il vantaggio di “portare la massima potenza”, ma per estrarre la informazione serve effettuare un

“battimento in banda base” ovvero:

•  Proprio in questo prodotto risiede la sensibilità del segnale SSB alla stabilità dell’oscillatore locale.



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•  Una ulteriore “utile” osservazione è relativa allo sviluppo matematico del segnale SSB, che mostra come, in realta’, il segnale risulta modulato sia in

ampiezza che in frequenza.

•  Cio’ risulta valido per segnali modulati sia di tipo analogico che di tipo digitale.

•  Attualmente tale circostanza impedisce l’effettuazione di una sintesi diretta del segnale SSB a partire dalla sequenza numerica, ma si richiede la generazione del segnale in banda base e la successiva traslazione a RF, in SSB.



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Modulazione frequenza / fase

•  I segnali modulati in frequenza/fase sono generalmente detti “ad inviluppo costante”.

•  In passato tale caratteristica ha dato luogo a notevoli vantaggi per quanto attiene il controllo del guadagno della catena ricevente: il segnale veniva

lasciato inalterato fino a superare una determinata soglia (la dinamica

istantanea), dopo la quale veniva “tagliato” mantenendone costante il livello.



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Modulazione frequenza / fase (cont.)

•  Nei moderni sistemi di comunicazione dati in cui vengono trasmessi “burst” di simboli, al fine di evitare indesiderati allargamenti di banda ogni singolo burst viene fatto “crescere e decrescere” con inviluppo controllato (ad esempio, con andamento temporale del tipo a coseno rialzato).

•  Tale “pre-formazione” in trasmissione da un lato riduce la banda ma dall’altro puo’ provocare un aumento indesiderato del BER (minore energia per i primi e gli ultimi simboli del burst).

•  Inoltre, in ricezione un eventuale taglio della ampiezza del segnale ricevuto crea interferenza intersimbolica e quindi possibili errori di decisione.



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Modulazioni per trasmissioni numeriche

•  Nelle comunicazioni numeriche per ogni tipo di modulazione (BPSK, QPSK, 16QAM, etc.) si hanno corrispondenti curve del BER vs EB/No (Bit Error Rate versus - (in funzione di) Energia di Bit sulla densità di energia di Rumore per Hz di banda).

dove: EB = energia del Bit: la potenza S del segnale divisa per il bit rate

BR (numero di Bit nell’unità di tempo) No= potenza N del rumore misurato nella banda , diviso per la banda stessa



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Modulazioni per trasmissioni numeriche (cont.)

Quindi si ha:

I collegamenti più efficienti tendono ad avere:

dove l’efficienza (spettrale) viene espressa in bit (trasmessi) per unità di frequenza (Bit/Hz).



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ALTRI REQUISITI

•  Sensibilità

•  Controllo Automatico di Guadagno (AGC)

•  Intermodulazione in banda e fuori banda (IMD)

•  Modulazione incrociata (cross-modulation)

•  De-sensibilizzazione

•  Spurie Rx


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ALTRI REQUISITI (Cont.)

•  Tempo cambio frequenza

•  Accuratezza delle frequenze

•  Selettività di IF e di banda-base

•  Squelch

•  Output banda-base

•  Spurie Rx


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REQUISITO - Sensibilità

•  E’ definita, per convenzione, come la potenza del segnale ricevuto (a RF) che assicura per il segnale in banda-base un rapporto S/N di almeno 10 dB

•  In generale l’ordine di grandezza di questo segnale è intorno ad 1µV, pari a -107 dBm su 50 Ω [infatti (1µV)2/50Ω = 2 x 10-11 mW; 3-110 = -107 dBm]

•  E’ un parametro praticamente condizionato dal Front-End, o meglio dalla

sua figura di rumore (NF).

•  Esiste una relazione tra la figura di rumore (NF) di un ricevitore e la sensibilità nelle modulazioni lineari.


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•  La soglia di rumore minimo per effetto Johnson è KT0 (K = 1.37.10-23 Joule/°K; T0 è la temperatura ambiente in gradi Kelvin, con 27°C = 300°K),

ovvero:

-174 dBm/Hz (a 27°C).

•  Ad esempio, volendo ricevere un segnale SSB di -107 dBm con una

sensibilità di 10 dB su una banda di 3000 Hz (34 dB/Hz), il rumore che puo’

essere aggiunto dal ricevitore (NF) perché la sensibilità sia effettivamente

quella richiesta e’ pari a:

NF = -174+107+34+10 = 23 dB



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•  Nel caso delle modulazioni non lineari (es., di frequenza) si deve tener conto dell’effetto “soglia” che cambia il rapporto S/N rispetto a C/N (carrier to noise ratio).

•  Ricordando i criteri legati alla NF di una cascata di reti due porte:

-  maggiore è il guadagno dei primi stadi, minore è l’influenza degli stadi successivi alla figura di rumore totale

-  sembrerebbe che il cosiddetto “preamplificatore di antenna” risolva tutti i problemi, ma purtroppo c’è il limite della dinamica (AGC).

•  Nel Front-End selettivo, con un mixer quale primo stadio è l’OL che limita la NF (oltre la perdita di inserzione del mixer stesso).



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REQUISITO - Controllo Automatico del Guadagno (AGC)

E’ definito come la variazione del livello di uscita audio (in generale non più di 3 ÷ 4 dB) al variare della RF in ingresso in tutta la dinamica (circa 100 ÷ 120 dB)

Parametri di Progetto connessi •  Nei ricevitori è difficile venga richiesta una dinamica superiore ai 120 dB (1µV ÷ 1V).

•  E’ comunque un valore che durante il progetto risulterà “molto alto”.

•  Un F/E in grado di “incassare” queste dinamiche è difficile da realizzare: -  Gli amplificatori con buona figura di rumore (NF) non hanno una dinamica

molto “ampia”.

-  I mixer che lavorano fino a +13 dBm necessitano di un OL la cui potenza arriva quasi ad 1 W (cioe’, 30 dBm) con i conseguenti problemi legati

alla sua figura di rumore.


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Parametri di Progetto connessi (cont.)

•  Come regola generale, l’OL deve avere una potenza di circa 10 dB maggiore di quella del segnale ricevuto (con cui “batte”).

•  I moderni sistemi di conversione A/D permettono dinamiche istantanee reali non superiori ai 60 ÷ 70 dB.

•  Il compromesso è pertanto di attenuare o “ridurre” il segnale subito dopo l’antenna non appena esso comincia a superare i primi 60 dB, per i quali possiamo tenere la situazione del rumore “sotto controllo”.


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Parametri di Progetto connessi(cont.)

•  Questo processo di attenuazione, normalmente governato dal circuito di conversione A/D (quando eccede la sua dinamica) viene chiamato AGC.

•  La sua risposta non è istantanea e pertanto può essere caratterizzato da una “risposta al gradino” per una ampiezza che varia rapidamente (generalmente

si considera un salto di 90 dB).

•  L’AGC opera sui segnali che “arrivano” al convertitore A/D e quindi opera a “banda stretta”.

•  E’ pertanto necessario caratterizzare la “resistenza” del ricevitore (o almeno del F/E) ai “forti segnali” sia in banda che fuori banda.



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REQUISITO - Intermodulazione in banda e fuori banda (IMD)

E’ la potenza, rispetto alla soglia di sensibilità, che hanno due segnali quando il prodotto di inter-modulazione da essi generato presenta in uscita un rapporto S/N pari alla minima sensibilità. (La banda su cui si definiscono i prodotti di inter-modulazione è quella della frequenza intermedia).

Parametri di Progetto connessi •  Misurando la IMD si può definire il grado di linearità del F/E. •  I due segnali a frequenza f1 ed f2 entrano nel F/E, la cui non-linearita’ può essere espressa con lo sviluppo in serie di potenze:

F/E = K1 (f1 + f2 )+ K2 (f1 + f2 )2+ K3 (f1 + f2 )3

avendo trascurato le approssimazioni superiori al 3° ordine.


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F/E = K1 (f1 + f2 )+ K2 (f1 + f2 )2+ K3 (f1 + f2 )3

•  Il primo termine è quello di amplificazione lineare. I termini di potenza 2 e 3 generano i prodotti di inter-modulazione. •  Dal secondo ordine escono termini il cui valore in frequenza e’: f1 + f2 ed f1 - f2 o f2 - f1

•  Dal terzo ordine si ottengono: f1 ± 2f2 ed f2 ± 2f1

•  Scegliendo opportunamente f1 ed f2 si fa in modo che i prodotti abbiano la frequenza f0 di ricezione. Quindi si incrementa il livello sia del segnale a frequenza f1 che quello a frequenza f2 fintanto che in uscita non si ottiene un S/N pari alla soglia di sensibilità.

•  Il valore che ricorre in molti “requisiti” è pari a circa 90 dB.


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•  In pratica la prova si effettua mettendo “anche” il segnale desiderato e vedendo quando, al crescere di f1 ed f2, la sensibilità che esso ha prodotto si riduce di 3 dB, ovvero si ottiene la condizione che il segnale ha potenza pari alla potenza del rumore (three-signal test method).

•  Come visto in precedenza, mediante IP3 si possono definire in modo analogo gli effetti del 3° ordine nei front-end.

•  Esiste anche IP2, ma è impiegato piu’ raramente.



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REQUISITO - Modulazione incrociata (cross-modulation)

E’ il livello di un segnale modulato AM (alla frequenza F) con portante alla frequenza f (in banda oppure fuori banda) che produce sul segnale desiderato (avente frequenza f0) una modulazione (a frequenza F) attenuata X dB rispetto al segnale desiderato.

X viene tipicamente fissato pari a 20 dB.

Parametri di Progetto connessi

•  E’ ancora un parametro che caratterizza la linearità dei Front-End: in particolare può essere visto come l’indice della linearità della dinamica del primo stadio.


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Esempio (transistor): ICC corrente di collettore, VCE tensione collettore-emettitore

ICC

VCE

P


•  Il segnale AM infatti fa muovere il punto di lavoro P lungo la retta di carico “portandosi sopra” il segnale desiderato


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•  Se il “guadagno” fosse uguale lungo tutta la retta di carico allora non ci

sarebbero “effetti”.

•  Poiche’ in realta’ il guadagno varia, verso gli estremi della dinamica

queste “variazioni” si presentano sul segnale desiderato con una frequenza di

ripetizione pari alla frequenza F del segnale modulato AM.

•  Da cio’ si ottiene la modulazione in ampiezza (indesiderata) a

frequenza F.



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REQUISITO - De-sensibilizzazione

E’ definito come il livello di segnale con frequenza f, distante Δƒ dalla frequenza ƒ0 (su cui è sintonizzato il ricevitore) almeno più della banda IF 60 dB , che riduce la sensibilità di un segnale a frequenza ƒ0 di 3 dB rispetto al valore minimo richiesto. Alcune specifiche richiedono un Δƒ minimo pari al 10% di ƒ0.


•  Il primo elemento “incriminato” con questo requisito sarà l’OL, o meglio il rumore ad esso associato ed eventuali spurie. •  Il “reciprocal mixing” è il primo effetto che contribuisce alla riduzione della sensibilità. Le spurie vengono considerate alla stregua del rumore.


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Parametri di Progetto connessi (cont.) •  Un front-end selettivo “aiuta” molto a ridurre il problema della desensibilizzazione.

•  Per discriminare il segnale desiderato rispetto a qualsiasi altro “contributo” si usa una particolare misura della uscita in banda base, detta SINAD (Signal- Noise-And-Distortion):

dove : S è la potenza del segnale N è la potenza del rumore D è la potenza associata alle armoniche del segnale S.



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•  La misura a numeratore viene eseguita con metodo bolometrico,

misurando il calore generato dal segnale all’interno di un opportuno

dispositivo.

•  La misura a denominatore viene eseguita con lo stesso procedimento,

ma dopo aver filtrato il segnale con un filtro “a notch” che attenua di

almeno 20 dB la frequenza del segnale.

•  La distorsione (d) in banda base si definisce come:



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•  Il segnale fuori banda “attiva” le non linearità del front-end, generando

armoniche che potrebbero produrre segnali indesiderati come la frequenza

immagine oppure la IF.

•  Questi effetti possono essere matematicamente discriminabili, ed in generale è meglio farlo, poiché i valori di reiezione di detti segnali, sono minori

del valore di desensibilizzazione.

•  Piu’ in dettaglio: conoscendo il valore della frequenza o dellle frequenze intermedie che sono nel ricevitore, e conoscendo il valore della frequenza degli

OL che producono dette IF, e’ possibile calcolare la frequenza disturbante.



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REQUISITO - Spurie Rx

Sono segnali generati internamente al ricevitore che provocano un segnale in uscita in assenza di segnale di ingresso, ovvero con ingresso chiuso su un carico artificiale (50 Ohm).

•  Si aggiungono alle spurie che si possono generare per battimento con un segnale esterno (dette appunto “esterne”).

•  Le spurie interne “non sono gradite”. Qualche specifica ne accetta un numero minimo, tali che non riducano la sensibilità di un segnale desiderato oltre i 3 dB.

•  Per la frequenza di riferimento e le sue armoniche si fanno deroghe fino a 10 dB.


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REQUISITO - Spurie Rx

•  Generalmente le spurie Rx sono originate dai circuiti digitali, e radiate in corrispondenza dei punti a più alta impedenza della catena ricevente (trasformatori e/o induttanze sono il bersaglio preferito) provocando gli effetti

“più strani”, ovvero poco predicibili.

•  Le spurie “condotte” sono generalmente trasportate dal circuito di alimentazione.

I circuiti a µProcessore generano molte spurie, in particolare a causa di processi di elaborazione di tipo ripetitivo, come l’esecuzione di “loop” di istruzioni.

•  Una elaborazione meno strutturata provoca spurie con livelli estremamente inferiori: a parità di energia irradiata sono presenti più componenti armoniche.


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REQUISITO - Tempo cambio frequenze

E’ il tempo necessario a passare da una frequenza “stabile” ad un’altra, con una accuratezza tipica di almeno 100 Hz.


•  Nei PLL questo parametro è strettamente legato al filtro di loop.

•  Un PLL puo’ essere impiegato per “moltiplicare” la frequenza prodotta da un DDS (Direct Digital Synthesizer), ovvero un dispositivo numerico che produce i campioni di una qualsiasi frequenza comunque scelta al disotto di 1/2 ÷ 1/5 della frequenza di riferimento ad esso fornita. •  In tal caso il parametro “Tempo cambio frequenze” e’ ancora strettamente legato al filtro di loop, poiché il “gradino” in frequenza da parte del “riferimento” presenta la stessa risposta da parte del “loop”.


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REQUISITO - Accuratezza delle frequenze

Indica quanto deve essere accurato il valore della frequenza ricevuta e/o trasmessa. •  Lo si riferisce

-  al tempo: “aging” (invecchiamento) in parti per milione (ppm), per mese o per anno

-  oppure alla temperatura di lavoro (in ppm per °C).

•  E’ poco importante nei sistemi di comunicazione con modulazione di ampiezza. •  Si nota la sua importanza nelle modulazioni a portante soppressa (SSB, single side band) di segnali vocali, dove uno scarto di 30 Hz e’ sufficiente ad alterare il timbro della voce riprodotta dopo demodulazione.


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•  E’ un parametro strettamente legato all’oscillatore locale ed a tutti gli altri oscillatori presenti, qualora ci siano più traslazioni in frequenza.

•  Nel caso si usi il criterio dei PLL, il requisito si riferisce al solo standard di frequenza.

•  Per questa funzione si usano oscillatori al quarzo: -  non compensati: stabilità 10 ÷ 30 ppm/-30 ÷ 50°C -  TCXO (Thermal Compensated Xtal Oscillator): stabilità ∼ 1 ppm / -30 ÷ 50°C -  OVEN: stabilità ∼ 0.05 ÷ 0.1 ppm/-30 ÷ 50°C -  CCXO (Computer Controlled Xtal Oscillator): stabilità ∼ 0.5 ppm/-30 ÷ 50°C



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•  In un oscillatore a quarzo la curva dell’andamento della frequenza in funzione della temperatura è dovuta al “tipo di taglio” che si effettua sul quarzo (ci si riferisce agli assi del cristallo). •  Andamento tipico:

•  Negli XO compensati la curva viene “compressa” al fine di ridurre il Δƒ mentre per gli OVEN si tende a portare il quarzo nella zona A-B.

°C

A B

~- 30°C ~+ 20°C

+70

-70

ppm Δƒ

~+ 60°C



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Piu’ in dettaglio:

•  Negli XO compensati la compensazione si effettua “leggendo” la temperatura con un termistore e conseguentemente variando di conseguenza la frequenza

emessa (tramite una variazione della capacita’ di un varicap connesso al

circuito oscillante cui e’ collegato il quarzo).

•  Negli OVEN si mantiene il circuito oscillante ad una temperatura di almeno 10°

superiore a quella massima di esercizio (da cui il termine “oven”, cioe’ “forno”).

Per avere la migliore stabilita’ e’ bene comunque allocare la temperatura

dell’OVEN nella zona A-B del grafico.



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REQUISITO - Selettività di IF e di banda-base

Selettività IF: viene definita dalla caratteristiche del filtro IF Selettività in banda base: viene definita dalla banda base del segnale audio in uscita e viene realizzata dal circuito DSP (ovvero, dai filtri numerici).


•  La selettività IF “misura” il comportamento del ricevitore rispetto ai segnali indesiderati.

•  La selettività di banda base permette di valutare gli effetti che il segnale audio può avere su dispositivi/circuiti connessi al ricevitore.

•  La banda base è generalmente 3000 Hz a 3 dB e 4000 ÷ 5000 Hz a 40 ÷ 60 dB.

•  Il valore fuori banda è in generale limitato dal rapporto segnale/rumore in uscita.


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REQUISITO - Selettività di IF e di banda-base


•  Anche con segnali puri e forti, a causa del rumore di sintesi e di quello associato al processo numerico la sensibilità del ricevitore non supera,

generalmente, i 40 dB.

•  Nel caso di modulazione di frequenza la banda IF è legata alla “deviazione “ (D) oltre che alla banda base (B). Secondo la regola di Carson la banda IF

deve essere almeno maggiore di 2 (D+B).

Ricevere segnali FM con banda IF “stretta” provoca distorsioni.

La “pendenza” del filtro infatti demodula la parte del segnale che, in

frequenza, eccede la banda passante producendo una modulazione AM

indesiderata.


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REQUISITO - Squelch

Esprime la capacità del ricevitore a non fornire uscite audio se il rapporto S/N scende sotto una determinata soglia (~ 5÷6 dB)


•  In generale non e’ facile determinare il rapporto segnale rumore all’ingresso del ricevitore, in quanto sarebbe necessario “conoscere” il segnale utile per poterne determinare l’energia associata.

•  Per l’audio è possibile realizzare un circuito mediante il quale con un filtro passa basso (intorno ai 1000 Hz) si “pesa” il contenuto di fonia, e con un filtro passa alto (a 2000 Hz circa) si ottiene il rumore.

•  Per le informazioni che occupano tutta la banda (tipo “dati” o peggio ancora “cifra”) è possibile avere la funzione squelch solo dopo aver “letto” le informazioni e verificato che siano indirizzate all’utente giusto.


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REQUISITO - Output banda-base

E’ dato dal livello di uscita su di una impedenza caratteristica ( ~ 600 Ohm bilanciati) con assegnata tolleranza Δ (generalmente scelta pari a ± 3 dB)

Parametri di Progetto connessi •  E’ un parametro che stabilisce la necessità di un AGC al variare del segnale RF di ingresso. •  Deve essere sufficientemente rapido da rispondere prontamente al “gradino” in ingresso senza “assordare” l’utente (nei loop il guadagno iniziale è sempre massimo), ma anche abbastanza lento da non “livellare” le tonalità del parlato.

•  Strategia in 2 passi: il primo passo (ad integrazione “veloce”) porta ad un livello entro i ± 10 dB,

il secondo passo (ad integrazione “lenta”) affina tale valore.

•  “Lento” e “veloce” sono relativi al tempo di variazione delle informazioni: nel caso della fonia il tempo di riferimento è il fonema (intorno 10 ÷ 50 ms).


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Parte 2: Il Trasmettitore


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Requisiti del Trasmettitore - Indice

•  Potenza di uscita

•  Tipo di modulazione •  Intermodulazione 3° ordine (IMD) in banda •  Back-door IMD

•  Attenuazione armoniche •  Spurie in trasmissione

•  Rumore a banda larga


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Requisiti del Trasmettitore - Indice (Cont.)

•  Antenna

•  Duty Cycle

•  Alimentazione

•  Grounding-bonding

•  Affidabilità

•  Disponibilità della funzione


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•  La parte trasmittente di una radio ha minore impatto (rispetto al ricevitore) nel trattamento dei segnali, specialmente dopo l’avvento dei sintetizzatori a DDS. Con i DDS (Direct Digital Synthesys) si puo’ generare direttamente in forma

numerica il segnale modulato FM o PM, senza passare attraverso il mixing analogico.

•  Tuttavia il trasmettitore crea problemi al progettista per molti altri aspetti, tra i quali:

-  Controllo della potenza di uscita -  Stabilità degli alimentatori -  Adattamento della impedenza di antenna -  Dissipazione del calore

IL TRASMETTITORE


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REQUISITO - Potenza di uscita

E’ il livello di potenza RF richiesto dalle specifiche di sistema.

Viene espresso in Watt, con la tolleranza in dB (generalmente uguale o inferiore a ± 1 dB)

Parametri di Progetto connessi •  Indipendentemente dalla classe di funzionamento, la potenza di uscita di un amplificatore varia in funzione della frequenza e della temperatura.

•  L’impedenza di uscita di uno stadio amplificatore è composta da una parte resistiva ed una capacitiva. •  Mantenere le condizioni di massimo trasferimento di energia (impedenza di carico complessa e coniugata) al variare della frequenza è praticamente una “impresa disperata”. •  Normalmente si ipotizza che il carico sia resistivo puro (è praticamente tutto normalizzato a 50 Ohm, strumenti inclusi) e poi si “controlla” il valore della potenza in uscita.


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Controllo della potenza di uscita mediante feed-back:

-  E’ il metodo classico, che presenta il grosso inconveniente di dover “partire” sempre dal guadagno massimo.

Se la variazione del guadagno è dell’ordine di 3 ÷ 6 dB nei punti “peggiori”,

potrebbe partire con potenze oltre le 10 volte superiori al valore nominale, con

conseguenti problemi di saturazione e rottura dello stadio finale.


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-  Controllo della potenza mediante feed-forward.

E’ più sicuro del feed-back.

Si stabilisce il guadagno sulla base di elementi noti pre-acquisiti, oppure si

aumenta il guadagno in modo graduale fino a raggiungere il valore nominale.

Ha l’inconveniente di dover essere “istruito” ed e’ meno facile da tenere sotto

controllo, principalmente a causa di fenomeni termici.

E’ attualmente il più usato, essendo ben supportato dai sistemi a µProcessore.


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•  Il progetto per il carico da dare ad un amplificatore fa riferimento alla potenza di

picco (PEP, Peak Envelope Power) mentre la “dissipazione” è più influenzata

dalla potenza media (Mean power).

•  Potenza di picco e media sono determinate dal tipo di modulazione impiegata.



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REQUISITO - Tipo di modulazione

Modulazioni di ampiezza, frequenza e fase.

Parametri di Progetto connessi : POTENZA DI TRASMISSIONE

•  Nei trasmettitori le modulazioni ad “inviluppo costante” sono quelle con minori problemi.

•  Nel caso di “inviluppi controllati” (tipo a coseno rialzato nel tempo, nella trasmissione di pacchetti di informazione) si hanno problemi usando circuiti di

stabilizzazione della potenza a feed-back. •  Le modulazioni AM, ed in particolare la SSB, hanno rapporto picco/media diverso da 1. •  Nelle trasmissioni di voce in SSB tale rapporto può arrivare a 12 ÷ 15 dB, con problemi sia nel progetto dell’amplificatore sia nella affidabilità del collegamento.


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Parametri di Progetto connessi : POTENZA DI TRASMISSIONE (cont.)

•  Nei trasmettitori SSB si cerca di “migliorare” il rapporto picco/media principalmente per ottenere un migliore rapporto S/N in ricezione, a parità di potenza di picco del trasmettitore.

•  L’andamento del segnale RF è lo stesso di quello del segnale in banda base, poiche’ in SSB il segnale fonico è solo “traslato” a RF.

•  I picchi del segnale sono dati dalle componenti di frequenza più alta, mentre le componenti di bassa frequenza formano la “base” del segnale.

•  Il segnale audio, convertito a IF o RF, viene amplificato e “CIMATO” con un amplificatore con risposta logaritmica in modo da mantenerne i picchi entro la dinamica della catena di amplificazione a radio frequenza.


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Parametri di Progetto connessi : POTENZA DI TRASMISSIONE (cont.)

•  Tagliando i picchi fino a ridurre il rapporto PEP/Mean a 5 ÷ 6 dB si ottengono miglioramenti “di tratta” anche del 50%.

Rumore

Segnale a RF

Segnale Audio

•  Il segnale “tagliato” nel percorso dal trasmettitore al ricevitore si attenua

come quello non tagliato, salvo rimanere sopra una eventuale soglia di rumore presente al lato ricevitore.


INVILUPPO DEL SEGNALE

TEMPO


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Parametri di Progetto connessi : CIRCUITO DI MODULAZIONE

•  I moderni dispositivi DDS permettono di generare digitalmente il segnale modulato di frequenza o di fase.

•  Si tratta quindi di generare il segnale direttamente nel sintetizzatore alla frequenza RF desiderata, e quindi amplificare.

•  Nella modulazione AM la RF viene generata con ampiezza costante, e la modulazione viene successivamente “impressa” sull’alimentazione dello stadio finale.

•  La modulazione SSB richiede ancora una IF in trasmissione, sebbene attualmente possa essere realizzata con un processo numerico (nei DSP).



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Parametri di Progetto connessi : INCIDENTAL MODULATION

E’ l’indice di modulazione non desiderata (“incidental”) su quella voluta.

•  Nei trasmettitori a modulazione di ampiezza gli alimentatori sono soggetti a forti variazioni dell’assorbimento legati alla forma d’onda da inviare.

•  Conseguentemente al valore finito della impedenza di uscita dell’alimentatore, le tensioni fornite dall’alimentatore stesso possono avere una variazione in ampiezza (ripple) funzione del segnale stesso.

•  Se ciò si ripercuote sulla alimentazione dell’oscillatore che genera la RF, si crea una modulazione di frequenza non voluta (incidental) che si associa al segnale trasmesso.



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REQUISITO - Intermodulazione 3° ordine (IMD) in banda

•  L’Inter-Modulation Distortion (IMD) in banda e’ il valore della attenuazione che i prodotti di inter-modulazione del 3° ordine hanno rispetto a due segnali uguali in banda.

•  Per trasmettitori SSB valori buoni sono oltre i 32 ÷ 36 dB •  E’ definita sugli amplificatori/trasmettitori in classe A o AB, e permette di valutarne la linearità.

•  Permette di “individuare” fenomeni di saturazione o di distorsione di cross-over negli stadi in classe AB (la polarizzazione in classe A serve a compensare la non linearità che si avrebbe con la polarizzazione a “zero” dei transistori finali).

•  E’ in generale di ordine “dispari”, poiché gli “effetti” sono simmetrici rispetto l’asse dei tempi.

•  Eventuali dissimetrie delle componenti armoniche (del 3o e 5o ordine) negli amplificatori in push-pull sono dovute a differenze nei “percorsi” del segnale.


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REQUISITO - Back-door IMD

E’ un parametro di linearità definito come i prodotti di intermodulazione generati da un amplificatore che, mentre trasmette, si trova sullo stadio finale un segnale proveniente da un altro trasmettitore co-locato. I valori richiesti sono intorno a 100 dB.


•  Un amplificatore a banda stretta è generalmente favorito. •  La caratteristica di IMD è analoga a quella precedentemente illustrata. •  La risposta sarà non simmetrica. I prodotti IMD sono sempre soggetti alla formula introdotta nei ricevitori:

•  Normalmente ƒr presenta ampiezza inferiore a ƒo, ed allora nella forma quadratica è maggiormente ridotta.


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REQUISITO - Attenuazione armoniche

E’ il valore di attenuazione delle armoniche del segnale RF rispetto il segnale RF stesso.

In generale per la seconda e terza armonica vengono richiesti valori più bassi rispetto alle armoniche di ordine superiore.


•  Gli amplificatori a transistors sono in generale a banda larga. Non hanno dispositivi meccanici (come negli amplificatori a valvole) o elettronici per l’adattamento del carico allo stadio finale, e quindi sono più “vulnerabili” a questo requisito.

•  Negli amplificatori in classe AB o B si usano filtri di armonica di tipo passa basso, con banda inferiore alla “ottava”.


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REQUISITO - Attenuazione armoniche


•  La “commutazione” dei filtri può creare problemi nei sistemi operanti a “salti di frequenza” (hopping).

•  Ci sono diversi studi (non ancora riportati negli apparati prodotti in serie) per

applicare i criteri feed-forward all’amplificatore allo scopo di pre-compensare le

armoniche con una “distorsione controllata” del segnale RF.


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REQUISITO - Spurie in trasmissione

E’ il livello con cui eventuali segnali diversi da quello desiderato si presentano in antenna.

La loro attenuazione deve in generale superare i 60 dB.


•  Le sorgenti classiche di queste spurie sono il sintetizzatore e l’alimentatore.

•  Per il sintetizzatore e’ stata già illustrata la genesi di questi segnali indesiderati. •  Gli alimentatori sono normalmente di due tipi: direttamente “dalla rete” oppure “switching”.

•  Negli alimentatori dalla rete un trasformatore cambia la tensione di rete; segue poi il raddrizzamento ed il filtraggio.


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REQUISITO - Spurie in trasmissione


Negli switching dapprima si raddrizza direttamente la rete. Poi, dopo aver “blandamente” filtrato (la corrente è estremamente bassa e quindi l’impedenza e’ alta), si “choppera” il segnale ad alta frequenza (anche a 1 ÷ 2 MHz, attualmente) per poi inviarlo ad un trasformatore/raddrizzatore.

•  Chopper: circuito che interrompe periodicamente il contatto, cosi’ trasformando un segnale continuo in un segnale periodico (onda quadra con opportuno “duty cycle”). Il controllo del valore di tensione al variare del carico si effettua alternando il periodo ON/OFF del “chopper”.

•  Le spurie usualmente presenti sono proprio quelle dovute alla frequenza di chopper ed alle sue armoniche (sviluppo in serie di Fourier).


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REQUISITO - Rumore a banda larga

E’ definito come il livello di potenza che si trova in una banda (generalmente pari a quella IF dei ricevitori) situata ad un certo Δƒ dalla frequenza di trasmissione.

Viene espresso in dBc/Hz (dB “carrier” per Hz) ovvero decibel per unità di frequenza misurati rispetto ad un segnale (carrier) di riferimento.


•  Caratterizza la possibilità di un trasmettitore ad essere co-locato (sia per distanza fisica che per separazione di frequenza Δƒ) con uno o più ricevitori.

•  E’ un parametro essenziale nei sistemi di comunicazione molto “affollati”, quali ad esempio le unita’ navali. A titolo di esempio, 1 kW RF che si

propaga per onda di terra nel campo di frequenze HF, ad un km di distanza

subisce una attenuazione tale da produrre un campo di 300 mV/m.


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REQUISITO - Rumore a banda larga


•  Salvo che per la figura di rumore dell’amplificatore, tutto il rumore viene

prodotto dagli stadi a basso livello.

•  Per il rumore “vicino al picco” si parla in generale di “hum”, che è un rumore

tipico di bassa frequenza ed è generato dagli alimentatori (sia quelli che usano

la rete sia quelli a “chopper”).


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REQUISITO - Antenna

•  E’ l’elemento critico (ma indispensabile!) dei trasmettitori radio.

•  Se ne devono stabilire le caratteristiche di impedenza al variare della

frequenza di utilizzo.

•  In generale risulta difficile misurare l’impedenza di una antenna, che costituisce dunque un requisito “vago” cui il progettista deve contribuire molto.

•  Le antenne per trasmettitore

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