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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
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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.
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Architettura di un ricetrasmettitore RF
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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.
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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.
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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.
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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
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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
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Perché la modulazione?
Permette di trasmettere sullo stesso canale (l’etere) differenti
segnali.
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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
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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.
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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)
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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
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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.
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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
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Architettura di un ricetrasmettitore RF
RicevitoreRicevitore supereterodinasupereterodina
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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).
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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)(
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Antenna
Interfaccia tra spazio esterno e l’ingresso del ricevitore
(l’uscita del trasmettitore)
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Duplexer/Switchplexer
Duplexer (FDD)
Switchplexer (TDD)
Duplexer
Switchplexer
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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
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Circuiti per la moltiplicazione
Mixer
I Mixer sono realizzati sfruttando le non linearità dei
dispositivi
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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
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Filtri e amplificatori intermedi
Filtri
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La conversione del segnale
Convertitori
A/D e D/A
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Contenuti del Corso
• Amplificatori con transistori• Rumore nei sistemi elettronici•
Oscillatori• Mixer
• Filtri Attivi
• PLL• Conversione A/D