Sistemi di Radio-ricezione

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1 Sistemi di Radio-ricezione

2 Segnale RF B f 0 f B f 0 1 Formulazione analitica: cos sin cos s t V t t V t t V t t t RF I 0 Q 0 M 0 Inviluppo complesso (banda base): sbb t VI t jvq tvm texp jt

3 Schema generale di un ricevitore a conversione di frequenza Antenna LNA Mixer IFA Filtro RF A Filtro IF A Demodulatore Oscillatore Locale Front end radio Frequenza Intermedia Banda Base

4 Principio della conversione di frequenza Frequenza Intermedia (fissa) Conversione di frequenza (da f RF a f I ) Banda RF di ricezione Canali radio f I.. f I f OL f RF f f f f RF OL I La sintonia del canale RF avviene variando la frequenza f OL dell oscillatore locale

5 Come si realizza la traslazione in frequenza? Mixer ideale = Moltiplicatore di un segnale modulato per un tono cos ( ) S V t t t RF M RF S D (t) Filtro S U (t) RF RF OL RF + OL V V cos t OL o OL OL 0 cos ( ) cos M S S V V t V t t t S t S t OUT RF OL M RF OL U D V0VM t V0 V t cos RF OL t( t) VM t cos RF OL t( t) 2 2

6 Frequenza immagine Segnale Immagine IF Segnale RF Mixer im OL RF Filtro RF Oscillatore Locale ( OL ) Il filtro RF serve ad eliminare il segnale immagine La banda di sintonia B s dista dalla frequenza immagine il doppio della frequenza intermedia. Il filtro RF (con banda pari a quella di sintonia) deve attenuare sufficientemente la banda immagine Banda immagine f OLn Banda di sintonia B s n n f IF f IF f

7 Definizioni di Guadagno di Potenza z S i 1 i 2 v in v 1 Doppio Bipolo v 2 z L P disp P in P out Guadagno di Potenza G p = P out /P in Guadagno Disponibile di Potenza G a = (P out ) disp /P disp Guadagno Trasduttivo di Potenza G p = P out /P disp

8 Filtro RF Ha la duplice funzione di eliminare i disturbi (frequenza immagine) e limitare il rumore d antenna (attenuazione in banda arrestata) La banda passante ha un estensione pari a circa la banda di sintonia del ricevitore. In tale banda bisogna limitare il più possibile l attenuazione perchè degrada il rapporto S/N Poichè opera tipicamente nella gamma delle microonde è realizzato mediante elementi distribuiti (cavità risonanti) e quindi le dimensioni possono risultare rilevanti (confrontate con il resto del front-end RF)

9 Parametri caratteristici del Filtro RF Selettività (definita dalla maschera di attenuazione trasduttiva) Attenuazione in banda passante (db) (Riduce S/N del ricevitore!) Parametri fisici (dimensioni, peso, ecc) Banda Up-link GSM 1900 MHz Frequency (MHz) -2 Attenuazione in banda passante

10 Amplificatore a basso rumore (LNA) La funzione dell LNA è di portare il livello di potenza del segnale proviente dall antenna al valore richiesto dal mixer per un funzionamento ottimale. Oltre al guadagno, le specifiche dell LNA riguardano la degradazione introdotta sul rapporto segnale/rumore tra ingresso e uscita In certi casi se ne può evitare l uso (dipende dal tipo di mixer) Antenna LNA Mixer IFA Filtro RF A Filtro IF A Demodulatore Oscillatore Locale Front end radio Frequenza Intermedia Banda Base

11 Parametri caratteristici LNA Guadagno di potenza (trasduttivo) in db Figura di rumore (degradazione del rapporto S/N tra ingresso e uscita) Livello di segnale max in ingresso (linearità) Livello di adattamento in ingresso e uscita Tensione e corrente di polarizzazione Range di temperatura ammissibile (importante se collocato in esterno)

12 Mixer La funzione del mixer è di traslare la frequenza del segnale RF al valore della frequenza intermedia Nei sistemi a microonde non viene in generale realizzato mediante moltiplicazione analogica ma si sfruttano le non linearità di opportuni componenti (diodi o transistori) Il comportamento è influenzato dal livello di potenza dell oscillatore locale Pur essendo un dispositivo intrinsecamente non lineare, si richiede che la traslazione conservi il più possibile lo spettro del segnale RF (controllo della distorsione non lineare) Nel passaggio da RF a IF si introduce in generale un attenuazione del segnale (detta attenuazione di conversione) e un peggioramento del rapporto S/N dovuto al rumore introdotto e a quello convertito.

13 Parametri caratteristici di un mixer a microonde Potenza richiesta dall oscillatore locale Perdita di conversione (db) (valori tipici tra 5 15 db) Linearità (relativa al segnale traslato) Rumore generato e convertito Soppressione intrinseca dei prodotti spuri indesiderati Adattamento alle bocche Isolamento intrinseco tra le bocche V RF Circuito Non lineare (MIXER) V IF OL

14 Temperatura equivalente di rumore Potenza disponibile di rumore generata da un resistore: P N =K. T. F K: Costante di Boltzman, T temperatura in K, F Banda Rumore all uscita di un DB rumoroso (P DB potenza generata alluscita): P N G AV P disp,out P disp,out = G AV P N + P DB =K. T. F. G AV +P DB =K. (T+T eq ). F. G AV P DB =K. T eq. F/GAV G AV =Guadagno disponibile di potenza T eq : Temperatura equivalente di rumore del DB riportata in ingresso P N DB Rumoroso G AV = T + DB Senza rumore G AV T eq

15 T eq di un attenuatore P in P out A= P A in /P out (>1) A db =10. log 10 (P in /P out ) (>0) Se l attenuazione è prodotta da dissipazione: T eq =(A-1)T 0 con T 0 temperatura fisica in K del circuito A = + A T eq

16 Legame tra T eq e Figura di Rumore NF Definizione di NF: K. T 0. F G P disp,out AV Potenza di rumore in uscita NF= Potenza di rumore in uscita con DB ideale Sorgente di rumore a T 0 Rumore aggiunto in uscita: N A NF GAV KT0 F NA N A 1 G KT F G KT F AV 0 AV 0 Se poniamo NA GAVKTeqF si ottiene: NF 1 T eq T 0 T 0 si assume convenzionalmente pari a 290 K

17 Il rumore nella conversione di frequenza Rumore IF Rumore RF F F F Frequenza Intermedia f IM f OL f RF f Il mixer può essere visto come un attenuatore a 3 porte: T Canale RF A U T E =T(1-1/A U -1/A L ) =T(1-2/A C ) T = A U A L =A C + Canale IM A L Con T si intende la temperatura equivalente interna del mixer (include I contributi di rumore generati internamente)

18 Modelli di rumore per il mixer completo T DSB Modello DSB (Double Side Band) AC TDSB T 1 2 T + T + T DSB Modello SSB (Single Side Band) T SSB T SSB T A C 2 T + T

19 Rumore all uscita del mixer in un ricevitore a conversione di frequenza Front-end RF Frequenza Intermedia T A A 0 G RF A C G IF T F T RF T SSB T IF T T T F T RF T SSB T A + A 0 + G RF + A C T IF T RF + T out T A A(f IM ) + G RF A C

20 Calcolo del rumore equivalente in ingresso di un ricevitore Detto Tout il rumore all uscita, quello riportato all ingresso di antenna si ottiene dividendo Tout per il guadagno totale tra IF e antenna: T RIC G RF Tout 1 1 A A Dallo schema precedente, assumendo che A(f IF ), si ottiene: C 0 Quindi: T out TA T F TRF GRF TSSB T A RF GRF 0 T A A C A T TRIC TRF A0 TA TF AT 0 RF G A0 T AT TA T0A0 12AT 0 RF G C IF 0 SSB C 0 IF RF SSB c IF RF A AT G RF

21 Considerazioni sul ricevitore a conversione Consente di realizzare un elevata amplificazione del segnale modulato a frequenza fissa (molto inferiore a f RF ) Il filtraggio di canale è a frequenza IF (filtri più compatti e selettivi) Flessibilità nella scelta dei componenti (LNA, Mixer, FIltri) in modo da soddisfare i requisiti di S/N e guadagno Complessità elevata e non completa integrabilità (filtro RF)

22 Ricevitore a conversione diretta (zero IF) Mixer Antenna LNA Filtro LP sin k V t t q M Filtro RF A 0 V t cos t t M Mixer Sfasatore 90 Filtro LP i M cos k V t t Oscillatore Locale ( 0 ) Front end radio Banda Base

23 Pro e contro del ricevitore a conversione diretta Complessità ridotta (meno costoso e minori ingombri) Più facilmente integrabile (escluso il filtro RF) Più esposto ai disturbi e alla distorsione Presenza di offset in continua all uscita dei mixer dovuti a interferenze e spurie dall antenna Gli offset si sovrappongono al segnale demodulato e sono molto difficili da eliminare

24 Trasferimento di potenza dal generatore al carico z S i 1 i 2 v 1 Doppio Bipolo v in v 2 z L Potenza dal generatore Potenza sul carico P carico 1 * 1 v2 Re v2i2 2 2Re Z P generatore =? 2 L

25 Possibili scelte di P generatore 1 * P generatore Pin Re v1i1 Potenza Entrante nel D.B. 2 Guadagno G P P P carico MA: P in può diventare molto piccola indipendentemente da V in. Infatti: in z S i 1 Z v v v tende a 0 per Z Z Z Z v in v 1 z in in 1 1 vin i1 tende a 0 per Zin Z Z Z in S in in S in S G p tende all infinito quando il D.B. ha un impedenza di ingresso molto più piccola (o molto più grande) di Zs! S

26 P generatore Potenza disponibile dal generatore = P disp 2 1 vin 8Re Z P disp è la massima potenza che il generatore con impedenza interna Z S può erogare su un carico passivo (che risulta pari a Z S* ) S Guadagno Trasduttivo P Re Z carico S v GT 4 P Re Z v disp L in 2 2 Significato di G T : Rappresenta la potenza sul carico normalizzata a quella che può al massimo erogare il generatore. Si noti che un D.B. passivo (cioè privo di generatori al suo interno) può al massimo trasferire tutta la potenza disponibile dal generatore (in tal caso G T =1) G T è il parametro di guadagno più utilizzato nei sistemi RF e microonde

27 Altra definizione del Guadagno di potenza z out i 2 z S i 1 i 2 v out v 2 v 1 Doppio Bipolo v in v 2 z L Potenza in ingresso = P disp Guadagno Disponibile di Potenza Potenza sul carico= Potenza disponibile in uscita= 2 1 vout P2, disp 8Re Z P Z v GA P Re Z v 2, disp Re S out disp out in 2 out In questo caso la potenza erogata effettivamente sul carico risulta molto piccola se Z out >> (<<)Z L. Anche con G A molto grande si può avere poca potenza sul carico!

28 Proprietà dei guadagni di potenza 1. Il valore del guadagno trasduttivo G T è sempre minore o uguale a quello degli altri guadagni (per valori arbitrari di Z L e Z S ) 2. Solo in una condizione particolare le tre definizioni di guadagno danno luogo allo stesso valore numerico; tale condizione è quella di adattamento coniugato all ingresso e all uscita: z S v in Doppio Bipolo z L z in Adattamento coniugato in ingresso: Adattamento coniugato in uscita: Z out Z in Z Z * L * S z out G T =G A G T =G P se sono verificate entrambe le condizioni: G G G T P A

29 Amplificatori a microonde V in Z g P disp A P l Z l Funzione Funzione dell amplificatore: Trasferire Trasferire sul sul carico carico una una potenza potenza di di segnale segnale maggiore maggiore di di quella quella che che si si avrebbe avrebbe collegando collegando direttamente direttamente il il generatore generatore al al carico carico Principale parametro di merito dell amplificatore: Guadagno trasduttivo di potenza G T, definito come il rapporto tra la potenza sul carico e quella disponibile dal generatore Altri parametri di merito: dipendono dall applicazione specifica dell amplificatore; possono essere: Condizioni di adattamento in ingresso e uscita (cioé capacitá di non riflettere la potenza in ingresso e in uscita) Livello di rumore aggiunto all uscita Livello di potenza effettivamente trasferita sul carico Distorioni da non linearitá prodotte (P 1dB, IP 3 )

30 Classificazione degli Amplificatori Amplificatori per piccoli segnali Servono ad incrementare il livello del segnale in ingresso senza uscire dall regione di linearitá dei dispositivi attivi. Parametri caratteristici sono tipicamente il Guadagno e I livelli di adattamento in ingresso e uscita Amplificatori a basso rumore Devono amplificare segnali a bassissimo livello; si realizzano in modo da rendere piú piccolo possibile il contributo di rumore aggiunto in uscita dai dispositivi attivi impiegati. Riveste particolare importanza per questi dispositivi la figura di rumore (oltre ai parametri del punto precedente). Amplificatori di potenza Devono incrementare in modo significativo il livello di potenza in uscita; bisogna rappresentare anche gli effetti non lineari prodotti nei dispositivi attivi dall ampiezza finita dei segnali. Parametri specifici per questa classe di amplificatori sono: La Potenza in uscita e il Guadagno a 1 db di compressione, La potenza al punto di intercetta

31 Polarizzazione in classe A Id V GSQ V CC 2I Q V GS I Q V GSQ V out V in 0 V DS 2VQ Vin 0 V Q =V cc V out +V Q Potenza in continua assorbita: I 0. V cc

32 Classi di funzionamento degli Amplificatori RF Classe A: I dispositivi attivi sono polarizzati al centro della zona lineare, consentendo, per tutta l escursione del segnale in ingresso, la sua riproduzione fedele in uscita. In questa modalità operativa si ha la massima linearità, mentre l efficienza è molto bassa (inferiore al 50%). Classe B: I dispositivi attivi sono polarizzati al limite dell interdizione; solo durante l escursione positiva (o negativa) il segnale viene riprodotto fedelmente. Aumenta il rendimento (limite teorico del 78%) ma aumenta anche la distorsione. Si può utilizzare con un dispositivo singolo per segnali ad inviluppo costante (modulazione d angolo) o in configurazioni push pull per segnali ad inviluppo variabile. Classe C: Il dispositivo è polarizzato sotto l interdizione. L efficienza può superare l 80%, a spese di un ulteriore crescita della distorsione. Si utilizza solo con segnali ad inviluppo costante

33 Specifiche sulla banda passante negli amplificatori a microonde Gli amplificatori a microonde trattano segnali modulati, il cui spettro ha in genere una estensione B molto minore della frequenza centrale f 0 (portante). Di conseguenza gli amplificatori a microonde richiedono una banda normalizzata molto piccola (B/f 0 << 1). Il progetto di amplificatori a microonde é quindi generalmente realizzato alla frequenza di centro banda, assumendo che le variazioni con la frequenza dei componenti utilizzati provochino, nella banda passante, variazioni trascurabili di G T e degli altri parametri di interesse. Ció semplifica le procedure di progetto e consente di utilizzare i parametri misurati dei dispositivi attivi (tipicamente i parametri S) invece dei modelli, molto piú critici e imprecisi a frequenze elevate. E comunque indispendabile verificare, mediante simulazioni, che il progetto realizzato soddisfi le specifiche nell effettiva banda di frequenza richiesta; quando ció non si verifica bisogna ricorrere a tecniche numeriche di ottimizzazione del progetto.

34 Schema generale di un trasmettitore (segnale modulato in ampiezza e fase) VQ t Mixer V t cos t t M 0 VF t Mixer Predistorter RF (facoltativo) PA Amplificatore di potenza Sfasatore 90 Oscillatore Locale ( 0 ) Banda Base Banda RF

35 Amplificatore di Potenza Compito: portare il segnale modulato al livello di potenza richiesto per la trasmissione Problematica principale: distorsione da non linearità introdotta (aumenta con il livello di potenza) Potenza in uscita (dbm) Potenza in ingresso (dbm)

36 Effetti della distorsione non lineare Spettro in Ingresso AC (l) Spettri Uscita MC AC (u) Frequency (GHz) Frequency (GHz) ingresso uscita 1. Deformazione dello spettro del segnale (modifica la forma, peggiora S/N) 2. Generazione di spurie a frequenze fuori dalla banda del segnale (disturbi su canali adiacenti)

37 Correzione della distorsione non lineare La distorsione non lineare può essere fortemente ridotta modificando opportunamente il segnale di ingresso al PA (pre-distorsione). Si cerca di far sì che la distorsione del segnale predistorto riproduca il segnale originale. La pre-distorsione può essere realizzata sia sul segnale in banda base, che sul segnale RF (più efficace nel primo caso). + = Predistorter Power Amplifier Antenna