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A Metrologia nos Sistemas Não-Lineares de Radiofrequência

Nuno Borges Carvalho

A aula de síntese das provas de agregação de Nuno Borges Carvalho centra‐se na metrologia de rádio frequência, mais especificamente nas técnicas de medida e instrumentação para componentes não lineares.

Esta área de conhecimento é bastante alargada, abrangendo áreas tão distintas como a electrónica, processamento de sinal, instrumentação e sistemas de controlo.

Nesta apresentação iniciar‐se‐á a exposição da área por uma breve resenha histórica dos sistemas de medida e da necessidade de utilização desses mesmos sistemas em componentes rádio, para depois se apresentarem e discutirem os principais sistemas de instrumentação rádio, caso do analisador de espectros, analisador de quadripólos e medidores de potência.

O passo seguinte consistirá na apresentação e discussão dos sinais de excitação para a correcta caracterização e modelação desses mesmos sistemas. Esta secção versa principalmente a correcta compreensão da necessidade de utilização de sinais diferentes do usualmente aplicado em laboratório como seja a sinusóide simples. Apresentar‐se‐ão os sinais de dois tons, multi‐seno e seus factores de mérito e capacidades associadas.

Com o advento dos novos sistemas digitais ao rádio e subsequente utilização de domínios mistos (analógicos e digitais), introduzir‐se‐á a seguir os conceitos básicos de rádio definido por software, SDR, e ainda de rádios cognitivos, CR.

Esta introdução a estes sistemas, permitirá ao ouvinte integrar e compreender as necessidades futuras de instrumentação e medidas para SDR. Apresentam‐se assim algumas quantidades digitais e analógicas a medir em rádio e diversos sistemas ou combinação de sistemas para a medida de front‐ends de SDR e CR.

Finalmente termina‐se a aula com a apresentação de medidas reais e caracterização de um front‐end de SDR para aplicações futuras de rádio cognitivo.

1

A Metrologia nos Sistemas Não-Lineares de

RadiofrequênciaRadiofrequênciaNuno Borges Carvalho

[email protected]/nbcarvalhoUniversidade de Aveiro

A Metrologia nos Sistem

as Não-Line

1. Introdução

2 Instrumentação Usual para Sistemas de RF

Índice

earesde R

adiofrequência

2. Instrumentação Usual para Sistemas de RF

3. A Importância do Sinal de Excitação

4. Novos Paradigmas – SDR

5. Instrumentação para SDR

2

Nuno Borges C

arvalho

2


6. Cenários de Medida Reais

2


as Não-Line

1. Introduçãoeares

de Radiofrequência

Os sistemas rádio iniciam-se com Tesla, Maxwell, Henry, Marconi,Armstrong…Com o nascimento desta nova tecnologia, a metrologia a si associada surgiuimediatamente pois a medida de alguns parâmetros era fundamental para a

3

Nuno Borges C

arvalho

3

imediatamente, pois a medida de alguns parâmetros era fundamental para aavaliação da experiência.

Metrologia é definida no International Bureau of Weights and Measures (BIPM) "the science of measurement, embracing both experimental and theoretical

determinations at any level of uncertainty in any field of science and technology."


as Não-Line

Os sistemas rádio iniciam depois o seupercurso e evolução tecnológica massificadacom a difusão de rádio, radiofonia.

1. Introdução

earesde R

adiofrequência

Nesse tempo a metrologia aplicada ao rádioendereçava tipicamente a medida de potênciaemitida e recebida.

– Potência transmitida;– Qualidade do sinal medido por recurso

à audição;

4

Nuno Borges C

arvalho

4

à audição;

3


as Não-Line

A necessidade de medidas mais específicassurgiu com a segunda guerra mundial e com ainvenção do radar Por exemplo a medida de


de Radiofrequência

invenção do radar. Por exemplo, a medida deatrasos utilizando pulsos de RF, caso típico deum radar. Outro tipo de medidas considerava amedida de potência reflectida na carga, ou sejao coeficiente de reflexão, este parâmetropassou a ser muito importante devido à elevadapotência transmitida.

5

Nuno Borges C

arvalho

5


as Não-Line

Com o aumento exponencial das transmissões rádio, o espectro radioeléctricocomeçou a estar super povoado, o que aumentou significativamente anecessidade de sistemas de medida fiáveis e robustos, de modo a suportar oslucros das entidades reguladoras do espectro.

1. Introdução

earesde R

adiofrequência

6

Nuno Borges C

arvalho

6

Medidas como:

• Largura de banda rádio• SNR, SIR, etc….

4


as Não-Line

Medidas de campo começam a ser fundamentais, SNR, SIR,SAR.1. Introdução

earesde R

adiofrequência

7

Nuno Borges C

arvalho

7


as Não-Line

Com o advento das comunicaçõesmóveis, a metrologia impôs novosparadigmas:

• Efeito de Doppler

1. Introdução

earesde R

adiofrequência

• Efeito de Doppler• SNR• Intermodulação

8

Nuno Borges C

arvalho

8

5


as Não-Line

O próximo passo em rádio comunicações e consequentemente na metrologiaassociada, foi o inicio das comunicações digitais.

• Error Vector Magnitude• Bit Error Rate


de Radiofrequência

• Bit Error Rate• Intermodulação

9

Nuno Borges C

arvalho

9


as Não-Line

Os procedimentos de medida foram então transpostos para níveis deabstracção mais elevados, por exemplo com medidas de QoS em redes decomunicação.

1. Introdução

earesde R

adiofrequência

Medida de QoSMedida de parâmetros de rede

QoS na Perspectiva do UtilizadorC

10

Nuno Borges C

arvalho

10

Corresponde à percepção de qualidade sentida por um utilizador quando utiliza o serviço.

Indica o grau de satisfação do utilizador em termos de, por exemplo, acessibilidade, retenção e integridade do serviço.

É normalmente expressa em termos de sensações humanas, do tipo, “Excelente”, “Boa”, “Aceitável”, “Pobre” e “Má”

6


as Não-Line

Com a massificação de novos sistemas, RFID, WLAN, GSM, 3G, a medida dainterferência devida a fenómenos não lineares é fundamental para a gestãomoderna do espectro.


de Radiofrequência

11

Nuno Borges C

arvalho

11


as Não-Line

A metrologia de sistemas rádio temum impacto muito importante paramúltiplos sectores associados aoádi

1. Introdução

earesde R

adiofrequência

rádio:

• Investigadores• Operadores de Rede• Entidades Regulamentadoras• Dispositivos não humanos• …

12

Nuno Borges C

arvalho

12

7


as Não-Line

1. Introdução


Índiceeares

de Radiofrequência





13

Nuno Borges C

arvalho

13




as Não-Line

Instrumentação típica em sistemas de RF inclui:

• Medidores de Potência


earesde R

adiofrequência

ed do es de otê c a• Analisadores de Espectros• Analisadores de Redes• Osciloscópios• Medidores de Factor de ruído• Analisadores Vectoriais• Analisadores Lógicos• …

14

Nuno Borges C

arvalho

14

8


as Não-Line

2. Instrumentação Usual para Sistemas de RFeares

de Radiofrequência

15

Nuno Borges C

arvalho

15

VSA – Vector Signal Analyzer, SA – Spectrum Analyzer, VNA – Vector Network Analyzer, TG/SA –Tracking Generator, SA, SNA – Scalar NA, NF Mtr. – Noise Figure Meter, Imp. An. – ImpedanceAnalyzer, Power Mtr. - Power Meter, Det. Scope – Diode Detector, Oscilloscope

Copyright: Agilent


as Não-Line


Medidor de Potência de RF

earesde R

adiofrequência

16

Nuno Borges C

arvalho

16Copyright: Agilent

9


as Não-Line

A potência pode ser obtida de:

∫=2/

2)(1limT

dttvp


de Radiofrequência

∫−

∞→2/

)(limT

Tdttv

Tp

Podemos considerar a potência medida num período, se o sinal for periódico,ou então numa janela de tempo.

Sensor de Potência

17

Nuno Borges C

arvalho

17

Medidorde Potência

TermistoresAcopladores Térmicos

Detectores a Diodos Transmissão a DC ou a uma frequência baixa

por PWM

Display

Potência de RF absorvida pelo

sensor


as Não-Line

Um detector a díodos pode ser representado por:

2.5x 10

4


earesde R

adiofrequência

( ) ( ) L++≈⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= 2

211)( tvktvkeIty TVV

s

A corrente de saída pode ser modelada por:

0 0 2 0 4 0 6 0 8 10

0.5

1

1.5

2

18

Nuno Borges C

arvalho

18

⎠⎝

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ]12sin2

sinsinsin)(2

212

21 ++=+≈ tAktAktAktAkty ωωωω

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

10


as Não-Line


de RadiofrequênciaA corrente de saída será assim:

2A

19

Nuno Borges C

arvalho

19

2)( 2

AktyDC ≈


as Não-Line

De um ponto de vista prático, a curva DC é uma função não linear, por issodeverá ser calibrada de acordo com essa não idealidade.

1.4x 10-3


earesde R

adiofrequência

0.6

0.8

1

1.2

squarehigher order

20

Nuno Borges C

arvalho

20

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

x 10-3

0

0.2

0.4

11


as Não-Line

Calibração “is the process of establishing the relationship between a measuring

device and the units of measure.”


de Radiofrequência

)(*)()( incorrecçãoinmedidainreal PFPPPP =

21

Nuno Borges C

arvalho

21

)()()( incorrecçãoinmedidainreal


as Não-Line


Analisador de Redes

earesde R

adiofrequência

22

Nuno Borges C

arvalho


12


as Não-Line

Analisador de Redes

Power and FrequencyControl


de Radiofrequência

- Parâmetros S

- VSWR

- Ganho (Amplitude e Fase)

- Largura de Banda

- Ponto de compressão de 1dB

2.400 GHzdBm

23

Nuno Borges C

arvalho

23

- AM/AM e AM/PM DC

DUT

Sinal de Teste – Sinusoidal


as Não-Line

Incidente Transmitido

DUT


earesde R

adiofrequência

REFLETIDO(A)

TRANSMITIDO(B)

INCIDENTE (R)

Separaçãodo Sinal

FonteReflectido

24

Nuno Borges C

arvalho

24

RECEPTOR / DETECTOR

PROCESSADOR/ DISPLAY

Copyright: Agilent

13


as Não-Line

Escalar(sem informação de fase)

Diodo


Separaçãodo Sinal

Fonte

Incidente

Reflectido

Transmitido

DUT

earesde R

adiofrequênciaReceptor Sintonizado

Vectorial

DC

ACRF

IF = F LO F RF±RF

RECEPTOR / DETECTOR

PROCESSADOR/ DISPLAY

REFLETIDO(A)

TRANSMITIDO(B)

INCIDENTE (R)

25

Nuno Borges C

arvalho

25

Vectorial(magnitude e fase)

Filtro de IF

LO

ADC / DSP

Copyright: Agilent


as Não-Line


Analisador de Espectros

earesde R

adiofrequência

26

Nuno Borges C

arvalho


14


as Não-Line


2.400 GHzdBm

DC + 15.00- 05.00


de Radiofrequência

DUT- Ganho (Amplitude)- IMD- Largura de Banda

IP3

27

Nuno Borges C

arvalho

27

- IP3- AM/AM- ACPR-Compressão a 1dB-NPR

Sinais de Teste:• Sinusoidais• Dois-tons• Multiseno• Arbitrários


as Não-Line

SA



earesde R

adiofrequência

VSA

28

Nuno Borges C

arvalho

28

RTSA

Copyright: Tektronix

15


as Não-Line

5. Analisadores de Espectro II5.1. Tipos de Analisadores

Analógicos

• Analisador de Espectro de Varrimento (SA) (Devido àsua arquitectura)

- Surgiu no comércio no início dos anos 60


de Radiofrequência

g- Desenvolvido para a análise de sinais

analógicos

Digitais

• Analisadores FFT (Devido ao facto de efectuar a passagemdos sinais no domínio do tempo para o domínio da frequênciacom base na computação das FFT’s (Fast Fourier Transform)

29

Nuno Borges C

arvalho

29

a) Vector Signal Analyser (VSA)Surgiu no início dos anos 90Desenvolvido para a análise de sinais complexos

(Digitais)b) Real Time Spectrum Analyser (RTSA)Surgiu recentemente no mercadoDesenvolvido para a análise de sinais dinâmicos


as Não-Line

5. Analisadores de Espectro II5.1. Tipos de Analisadores

Real Time Spectrum Analyser (RTSA)


Analisadores emTempo Real

Analisadores deVarrimento

earesde R

adiofrequência

TEMPO

30

Nuno Borges C

arvalho

30

FREQUÊNCIA FREQUÊNCIA


16


as Não-Line0

Traditional SweptArchitecture


Real Time Spectrum Analyser (RTSA)eares

de Radiofrequência10

dB/Div

0dBm

31

Nuno Borges C

arvalho

31

Centro 1 GHz Span 1MHz

-100dBm



as Não-Line


RF Sinal Amostado Espectro Digital Histograma Pixel Temp. Grading

Real Time Spectrum Analyser (RTSA)

earesde R

adiofrequência

DiscreteFourier

Transform

ConversorAnalógico

RFpara

Digital

DisplayColor

Grading

PixelBuffer

Memory

9 kHz—

14 GHz

100 Mspsor

300 Msps(Opt. 110)

48,828 DFT/s 1464 DFT/Frame 33 Frame/s

Real-Time Spectrum Analysis(DFT Computation is Completed Before Next Sample Set)

32

Nuno Borges C

arvalho

32

Micro-Processor

ADC Corrections DDC/Decimation

DPX™ Memory

DPX™


17


as Não-Line

Osciloscópios – para o domínio analógico

2 400Oscilloscope


de Radiofrequência

2.400- 00.53 + 15.00

Permite simultaneidade de medida dos sinais de

33

Nuno Borges C

arvalho

33

Permite simultaneidade de medida dos sinais de entrada e saída


as Não-Line

Analisadores LógicosLogic Analyzer


earesde R

adiofrequência

0.400+ 1GHz

ADC

34

Nuno Borges C

arvalho

34

Analisa a sequência de bits num sistema digital

18


as Não-Line

1. Introdução


Índiceeares

de Radiofrequência





35

Nuno Borges C

arvalho

35




as Não-Line


Um sistema não linear não goza da propriedade da sobreposição, por isso aresposta de um sistema não linear a uma certa excitação de entrada, nãopode ser obtida da sobreposição de qualquer outra.

earesde R

adiofrequência|Y(ω)|Non Linear

Systemx(t) y(t)

ωω1

|X(ω)|

36

Nuno Borges C

arvalho

36

2ω1 ω3ω1ω1ωω1

19


as Não-Line

3. A Importância do Sinal de ExcitaçãoUm sistema não linear não goza da propriedade da sobreposição, por isso aresposta de um sistema não linear a uma certa excitação de entrada, nãopode ser obtida da sobreposição de qualquer outra.

earesde R

adiofrequência

Non LinearSystem

x(t) y(t)ωω1

|X(ω)|

|X(ω)|

2ω1 ω3ω1ω1

|Y(ω)|

|Y(ω)|

ωω1

|X(ω)|

ω2

37

Nuno Borges C

arvalho

37

ωω2

| ( )|

ω2 2ω1 ω3ω1

|Y(ω)|ωω1 ω2ω2-ω1

2ω1-ω2 2ω2-ω1

2ω1 2ω2

ω2+ω1

3ω1 3ω2

2ω1+ω2 2ω2+ω1

1 2


as Não-Line

O melhor sinal para utilizar como excitação de um sistema não linear é o sinal para o qual o sistema foi projectado para operar numa situação real.


earesde R

adiofrequência

38

Nuno Borges C

arvalho

38

20


as Não-Line

-10

0

DEP SimilarPotência Média Similar

3. A Importância do Sinal de Excitaçãoeares

de Radiofrequência

-70

-60

-50

-40

-30

-20

Out

put P

ower

[dB

m]

Potência Média Similar

Regeneração de Espectro Diferente???

AWGN Saída

W-CDMA Saída

39

Nuno Borges C

arvalho

39

-90

-80

-10000 -7500 -5000 -2500 0 2500 5000 7500 10000

Frequency-900MHz [KHz]

AWGN Entrada

AWGN SaídaW-CDMA Entrada


as Não-Line

Qual deverá ser então o sinal de excitação a utilizar num laboratório paracaracterização de sistemas rádio genéricos?


earesde R

adiofrequência

• Uma única sinusóide (Um tom ?)

• Duas sinusóides (Dois tons ?)

• Ruído Gaussiano ?

• Sinais Multi-seno ?

• Outros sinais ?

40

Nuno Borges C

arvalho

40

21


as Não-Line

Um seno, normalmente referido como um tom

( )tA ωcos


de Radiofrequência|Y(ω)|

( )tA ωcos

41

Nuno Borges C

arvalho

41

2ω1 ω3ω1ω1


as Não-Line

Num sistema linear, um tom é suficiente para a sua completa caracterização

)()()( ωφωω jjejHjH =


earesde R

adiofrequência

0.6

0.7

0.8

0.9

1

tude

|H(jω)| ( )

0

50

100

150180

se

H(jω) (º)

Linear System

H(jω)x(t) y(t)

42

Nuno Borges C

arvalho

42

4 5 6 7 8 9 10 11 120

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Frequencyf (GHz)

Am

plit

-180-150

-100

-50

0

4 5 6 7 8 9 10 11 12Frequency

f (GHz)

Phas

22


as Não-Line

Num sistema não linear, pode-se seguir a mesma estratégia para um nível depotência constante. Quando o nível de potência varia, então a funçãotransferência também variará, a esta nova função de transferência chama-seFunção Descritiva Sinusoidal de Entrada


de Radiofrequência

),( ωjAHEsta função é agora dependente da frequência e da potência de entrada.

4º

5º

φ (º)

1 dB

GP (dB)

6

8

10

43

Nuno Borges C

arvalho

43

-1º-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

0

1º

2º

3º

Input PowerPin (dBm)

Phas

e

Pin (dBm)

Pin1dB

Pow

er G

ain

-15-2

0

2

4

6

-10 -5 0 5 10 15 20 25Input Power

AM/PMAM/AM


as Não-Line

No entanto o método de sinusóide simples, apenas excita a portadora a RFvariando a potência e a frequência.O Sistema não linear vai criar distorção harmónica que pode ser caracterizadapor:


earesde R

adiofrequência

2ω 3ωω

|Y(ω)|Total Harmonic Distortion - THD

44

Nuno Borges C

arvalho

44

2ω1 ω3ω1ω1

( ) ( )[ ]

( ) ( )( )[ ]∫

∫ ∑

+

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡+

=

∞

=T

ioio

T

riroiro

dtAtAAT

dtAtrAAT

THD

0

211

0

2

2

,cos,1

,cos,1

ωφωω

ωφωω

23


as Não-Line

No entanto o método de sinusóide simples, apenas excita a portadora a RF variando a potência e a frequência.


de Radiofrequência

|Y(ω)|

45

Nuno Borges C

arvalho

45

2ω1 ω3ω1ω1Não há excitação

de banda base Não há regeneração de espectrodentro da banda


as Não-Line

Em sumário um teste de um tom pode:

Caracterizar a compressão de ganho e o desvio de fase(Função Descritiva Sinusoidal)


earesde R

adiofrequência

Caracterizar o grau da distorção harmónica

Mas não consegue:

Apresentar nenhuma regeneração de espectro dentro da banda

46

Nuno Borges C

arvalho

46

Excitar componentes de banda base

24


as Não-Line

)cos()cos()( 2211 tAtAtx ii ωω +=

A saída será :

No caso de dois tons, o sinal de entrada consiste em:3. A Importância do Sinal de Excitação

earesde R

adiofrequência

A saída será :

( ) Ζ∈+=+= ∑∞

= , and wherecos)( 21

1nmnmtAty r

rrorroNL ωωωφω

Permite assim caracterizar as grandezas que um tom já permitia e além disso todas as componentes dentro da banda.

|Y(ω)|

47

Nuno Borges C

arvalho

47

ωω1

|Y(ω)|

ω2ω2-ω1

2ω1-ω2 2ω2-ω1

2ω1 2ω2

ω2+ω1

3ω1 3ω2

2ω1+ω2 2ω2+ω1


as Não-Line

A caracterização com variação de potência é extremamente importante numteste a dois tons, pois permitem obter informação detalhada sobre adistorção de intermodulação, IMD. Especialmente para sinal fraco, pode-seobter por exemplo o ponto de intercepção de 3ª ordem.


earesde R

adiofrequência

-10 20

-40

-20

0

20

40

PFund(ω2)1dB/dB

3dB/dB

Pout(dBm)

Pin(dBm)0 IP3i10 30

IP3

Out

put P

ower

-10 20

-20

0

20

40

PFund(ω2)1dB/dB

2dB/dB

Pout(dBm)

0

IP2i

10 30

IP2

Pin(dBm

Out

put P

ower

48

Nuno Borges C

arvalho

48

-100

-80

-60

PIMD(2ω2-ω1)-60

-402dB/dB

P(ω2-ω1)

( )( )

( )( )12

221

122 ωω

ωωω

ω−

=−

=≡P

PP

PPP

IMRIMD

fund

25


as Não-Line

Neste cenário apenas se excita uma única frequência de banda base porcada teste de dois tons. Se o sistema for dinâmico, pode-se tentar estudá-lofazendo uma variação da frequência de separação dos dois tons, esperandoque o teorema da sobreposição funcione…


de Radiofrequência

|Y(ω)|

49

Nuno Borges C

arvalho

49

ωω1 ω2ω2-ω1

2ω1-ω2 2ω2-ω1

2ω1 2ω2

ω2+ω1

3ω1 3ω2

2ω1+ω2 2ω2+ω1Apenas uma única frequência

é excitada ou harmónicas desta


as Não-Line

Em sumário um teste de dois tons pode:

Além do que já se tinha com um tomMedir os a Função Descritiva de Dois Tons


earesde R

adiofrequência

Medir os a Função Descritiva de Dois TonsObter informação de dentro da bandaExcitar os efeitos de memória lenta a uma frequência determinada

Mas não consegue:

Excitar toda a memória lentaApresentar valores de pico da envelope diferentes

50

Nuno Borges C

arvalho

50

26


as Não-Line

( )∑=

+=Q

qqqq tAtx

1cos)( θω

Um teste muito popular para sistemas dinâmicos é a excitação multi-seno.

ωωω Δqq )1(0 −+=em que


de Radiofrequência

=q 1Neste caso não só a amplitude e a separação entre tons na frequência éimportante, mas também a relação de amplitude e fase de cada tom conta.

mpl

itude

mpl

itude

10

8

6

4

2

0

2

10

8

6

4

2

0

51

Nuno Borges C

arvalho

51

Am

time

Am

time

-2

-4

-6

-8

-10

-2

-4

-6

-8

-100 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

10 Tons de Fases Aleatórias 10 Tons de Fases Iguais


as Não-Line

Neste caso a saída será uma combinação de todos os tons de entrada:

( )∑=

+=R

rrrr tAty

1

cos)( φω


earesde R

adiofrequência

onde MaxQqQQqqr Ordemmmmmmm ≤++++++++= −−− 101100 , LLLL ωωωω

plitu

de [U

]

Um sinal típico de saída será:

52

Nuno Borges C

arvalho

52

BaseBan

d ω RF

Δω

ω2ω RF

3ω RF

Am

p

27


as Não-Line

O sinal dentro da banda, permitir-nos-á caracterizar a regeneração deespectro e por isso medir factores como Adjacent Channel Power Ratio,ACPR, ou Noise Power Ratio, NPR.


de Radiofrequência

ut P

ower

[dBm

] input spectrum

output spectrum

53

Nuno Borges C

arvalho

53

ω

Out

pu

L U

ω0 ωU2ωU1ωL2ωL1


as Não-Line

Á banda base, uma selecção cuidada da separação entre tons deve serrealizada de forma a excitar as características mais importantes do sistema.


earesde R

adiofrequência

Am

plitu

de [U

]

54

Nuno Borges C

arvalho

54

BaseBan

d ω RF

Δω

ω2ω RF

3ω RF

28


as Não-Line

Em sumário um teste multi-seno pode:

Além do que já se conseguia com dois-tonsExcitar efeitos de memória lenta de forma mais eficiente


de Radiofrequência

Excitar efeitos de memória lenta de forma mais eficienteCriar sinais com relações de pico diferentes

Deveremos ter cuidado com:

A definição do número de tons e da separação entre elesA definição da relação de fase entre os tons

55

Nuno Borges C

arvalho

55


as Não-Line

Nem só sinais com amostragem discreta na frequência foram utilizados, sinaiscom espectro continuo também, um desses exemplos é o Ruído Branco comDistribuição Gaussiana, (White Gaussian Noise, WGN). Estes testes permitiramconcluir:


earesde R

adiofrequência2 – A não periodicidade dos estímulos de ruído colocam diversosproblemas ao uso de técnicas de processamento digital do sinal. Porisso prefere-se os sinais periódicos.

1 – Um teste com WGN é suficiente para obter toda a informaçãocomportamental que permite extrair um modelo não linear dinâmicocompleto. [Schetzen, 1980].

3 Felizmente provou se que a resposta a sinais ruidosos é comparável à

56

Nuno Borges C

arvalho

56

3 – Felizmente provou-se que a resposta a sinais ruidosos é comparável àresposta do sistemas a diversas realizações de excitações multiseno,nas quais as fases são aleatoriamente alteradas de realização pararealização [Schouckens & Pintelon, 2001].

4 – No entanto a excitação Gaussiana pode por vezes não ser a soluçãoóptima para a excitação de alguns sistemas [Apparin, 2001].

29


as Não-Line

A função densidade de probabilidade, pdfx(x)

Como as medidas típicas no laboratório são valores médios, exemplo dapotência de saída, espectro de potência etc. :


de Radiofrequência

{ } ∫∞

∞−== dxxpdfxsxEP xin )()( 22

{ } ∫∫∞

∞−

∞

∞−=== dxxpdfxfdyypdfysyEP xNLyout )()()()( 222

57

Nuno Borges C

arvalho

57

É intuitivo pensar que mais importante do que a media, será a trajectóriaque esses mesmos sinais de excitação realizam e a sua distribuiçãoestatística, ou seja a probabilidade com que cada valor é atingido, i.e., afunção pdfx(x) ou ccdfx(x).


as Não-Line

A conclusão anterior levou a que muitos engenheiros abandonassem amedida de Peak-to-Average Ratio como uma métrica fiável para distorçãonão linear;


earesde R

adiofrequência

e levou a que os fabricantes de equipamento fornecessem informaçãosobre a estatística dos sinais gerados, tipicamente a função de distribuiçãocumulativa complementar, ccdfx(x).

58

Nuno Borges C

arvalho

58

CCDF PLOT

30


as Não-Line-10

Two-tone Distribution

Impacto da estatística numa não linearidade


de Radiofrequência

Am

plitu

de

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20 IMR=31dB

59

Nuno Borges C

arvalho

59

Frequency (x100MHz)9 9.5 10 10.5 11 11.5 12

-100

-90


as Não-Line-10-10

Uniform Distribution Gaussian Distribution

Impacto da estatística numa não linearidade


earesde R

adiofrequência

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

Am

plitu

de

Am

plitu

de

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20 ACPR=38dB ACPR=31dB

60

Nuno Borges C

arvalho

60

9 9.5 10 10.5 11 11.5 12-100

-90

Frequency (x100MHz)Frequency (x100MHz)9 9.5 10 10.5 11 11.5 12

-100

-90

Densidade espectral de potência de um sinal multi-seno quando atravessauma não linearidade, (a) sinal multi-seno de distribuição uniforme e (b)sinal multi-seno de distribuição normal.

(a) (b)

31


as Não-Line

Diferentes sinais de excitação apresentam diferentes comportamentosestatísticos.

0.07


de Radiofrequência

0.03

0.04

0.05

0.06

Gaussian

Uniform

Prob

abili

ty D

ensi

ty

61

Nuno Borges C

arvalho

61

-30 -20 -10 0 10 20 300

0.01

0.02Two-Tone

Amplitude


as Não-Line

O mesmo acontece para sinais reais de telecomunicações sem fios.


earesde R

adiofrequência

10-4

10-3

10-2

10-1

100

Pro

babi

lity

[%]

Single Mode Wi-FiSingle Mode WiMAXWi-Fi + WiMAXSingle Mode W-CDMAW-CDMA + 4xGSM1800

4

6

8

10

12

Pro

babi

lity

[%]

Single Mode Wi-FiSingle Mode WiMAXWi-Fi + WiMAXSingle Mode W-CDMAW-CDMA + 4xGSM1800

62

Nuno Borges C

arvalho

62

0 2 4 6 8 10 1210-6

10-5

PAPR [dB]

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

2

Amplitude [U]

32


as Não-Line

Se considerarmos um multi-seno como:

Padrões estatísticos de multi-senos


de Radiofrequência

( ) kAAtAtx k

K

kkkk ∀=+= ∑

=:;cos)(

1φω

63

Nuno Borges C

arvalho

63

As fases podem ser escolhidas de forma a obter um sinal multi-seno comuma pdf pré-determinada.


as Não-Line

Criação de multi-senos com pdfs específicas

1 – Sintetize-se um sinal ruidoso com uma estatística pré-determinada,pdf, e reordene-se os valores de amplitude instantâneos por ordemcrescente. Este vector representa um sinal com uma estatística pré-


earesde R

adiofrequência

crescente. Este vector representa um sinal com uma estatística prédeterminada [J. Schouckens and T. Dobrowiecki, 1998]

-50

0

50

100

150

200

Ampl

itude

[U

]

-50

0

50

100

150

200

Ampl

itude

[U

]

64

Nuno Borges C

arvalho

64

-250 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

-200

-150

-100

time [s]

A

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-250

-200

-150

-100

time [s]

A

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

33


as Não-Line

2 – Sintetize-se um sinal multi-seno com valores de amplitude por tomiguais e com um número de tons pré-determinado.



de Radiofrequência

0

20

40

60

80

100

tude

[U

]

0

20

40

60

80

100

tude

[U

]

3 – Reordene-se a sua amplitude por ordem crescente, guardando asposições temporais de onde vieram. Este é o vector das amplitudes damulti-seno.

65

Nuno Borges C

arvalho

65

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-100-80

-60

-40

-20

0

time [s]

Ampl

it

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-100-80

-60

-40

-20

0

time [s]

Ampl

it

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50


as Não-Line

4 – Substitua-se agora as amplitudes do sinal multi-seno pelas do sinalestatístico pretendido, mantendo o padrão temporal anteriormente



earesde R

adiofrequência

p , p pguardado. Este é o sinal com a estatística pretendida.

-50

0

50

100

150

200

mpl

itude

[U

]

66

Nuno Borges C

arvalho

66

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-250-200

-150

-100

time [s]

A

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

34


as Não-Line

5 – Calcule-se a DFT deste sinal, e restaure-se as amplitudes do sinalmulti-seno guardando as fases que se obtiveram. A potênciai t d é i i l à t did E t i l lti



de Radiofrequência

integrada é assim igual à pretendida. Este passa a ser o sinal multi-seno pretendido.

20

-10

0

10

20

30

Amp l

itude

[U

]

67

Nuno Borges C

arvalho

67

6 – Repita-se o processo até um erro aceitável da estatística pretendida.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-30

-20

time [s]-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50


as Não-Line

1. Introdução


Índice

earesde R

adiofrequência





68

Nuno Borges C

arvalho

68



35


as Não-Line

RADIO CONVENCIONAL

SOFTWARE DEFINED RADIO

COGNITIVE RADIO

4. Novos Paradigmas – SDReares

de Radiofrequência

CONVENCIONAL• Suportam um número

fixo de sistemas.• A capacidade de

reconfiguração é decidida no projecto inicial.

• Podem suportar múltiplos serviços, mas estes são escolhidos no design

DEFINED RADIO• Suportam

dinamicamente vários sistema, protocolos e interfaces.

• Capacidade de interface com diversos sistemas.

• Arquitectura de RF convencional e de Software

• Podem criar as suas próprias formas de onda.

• Pode negociar novos interfaces.

• Ajusta-se de modo a garantir a QoSrequerida pelo serviço.

• Arquitectura Software.• Inteligente• Atento

69

Nuno Borges C

arvalho

69

escolhidos no design.• Arquitectura de RF e

Banda base tradicional.

• Não são actualizáveis

Software.• Reconfiguráveis.• Mecanismos de

actualização (Up-grade)

Atento• Aprende• Observa• Mecanismos de

actualização


as Não-Line

SOFTWARE DEFINED RADIORádio no qual o processamento dos sinais é totalmente digital.Rádio no qual uma série de parâmetros de transmissão são definidos


earesde R

adiofrequência

Definição original de Joseph Mitola1:“A software radio whose channel modulation waveforms are defined in software. That is,

f t d l d di it l i l t d f di it l t l i

Rádio no qual uma série de parâmetros de transmissão são definidospor software

Rádio que tem capacidade para operar em multi-banda e multinormaRádio reconfigurável por software.

70

Nuno Borges C

arvalho

70

waveforms are generated as sampled digital signals, converted from digital to analog via awideband DAC and then possibly upconverted from IF to RF. The receiver, similarly, employsa wideband Analog to Digital Converter (ADC) that captures all of the channels of thesoftware radio node. The receiver then extracts, downconverts and demodulates the channelwaveform using software on a general purpose processor.”1 Joe Mitola, “The software radio arquitecture,” IEEE Communications Magazine, vol.33, nº5, pp. 26-38,May 1995

36


as Não-LineSOFTWAREDigital

Sistemas Software Defined Radio Actuais

HARDWARE HARDWARE

Futuros Sistemas Software Defined Radio

Digital


de Radiofrequência

g

FiltroPassa Banda

ADC/DACDSP

Rádio Frequência

(R.F)

FrequênciaIntermédia

(I.F)

BandaBase

Antena

LNA

g

71

Nuno Borges C

arvalho

71

Banda DSP

ADC – Conversor Analógico/DigitalDAC – Conversor Digital/AnalógicoDSP – Processador de Sinal Digital

LNA – Amplificador de baixo ruído


as Não-Line

Rádio que tem capacidade de “sentir” o ambiente espectral.Tem capacidade de se adaptar às alterações do canal de format áti di â i

CONCEITO COGNITIVE RADIO

4. O Cognitive Radio - CR

earesde R

adiofrequência

automática e dinâmica.

Para isso deve:SENTIR o ambiente espectral.

DETECTAR a presença/inexistência de utilizadores.

ADAPTAR-SE aos níveis de potência, banda de frequência e esquemade modulação de modo a evitar interferir noutros sistemas e garantir aqualidade de serviço (QoS) pretendida.

72

Nuno Borges C

arvalho

72

qualidade de serviço (QoS) pretendida.

Definição original de Joseph Mitola (1999):“A radio that employs model based resoning to achieve speciefied level of competence in radio-related domains”

37


as Não-Line

OPORTUNISTA NA UTILIZAÇÃO DO ESPECTROUTILIZAÇÃO MAIS EFICIENTE DO ESPECTRO

4. O Cognitive Radio - CReares

de Radiofrequência

73

Nuno Borges C

arvalho

73


as Não-Line

Identificação de fontes de sinalInterferentes

Não autorizadas

4. O Cognitive Radio - CR

earesde R

adiofrequência

Verificação de conformidades

??74

Nuno Borges C

arvalho

74

??

38


as Não-Line

Sinais tipicamente digitais

• A sua configuração varia de acordo com o esquema de modulação


de Radiofrequência

• Problemas graves de relação potência pico valor médio

75

Nuno Borges C

arvalho

75


as Não-Line

Transmitido Recebido

Conversão I/Q-Tensão


earesde R

adiofrequência

76

Nuno Borges C

arvalho

76

39


as Não-Line

ERROR VECTOR MAGNITUDE (EVM)


de Radiofrequência

0011 0010

0111 0110

77

Nuno Borges C

arvalho

77


as Não-Line

TRANSMISSÃO RECEPÇÃO

DigitalAnalógico

Digital


earesde R

adiofrequência

)

78

Nuno Borges C

arvalho

78

Classificação

Pré-processamento do sinal:•Estimar Largura de Banda•Estimar Frequência da portadora•Nível de sinal/Nível de ruído

40


as Não-Line

4. Classificação da Modulação X4.5. Estudos Desenvolvidos

4.5.4. Cicloestacionariedade4. Novos Paradigmas – SDR

Cicloestacionariedade

earesde R

adiofrequência

M it d d fí i d l ã t l

79

Nuno Borges C

arvalho

79

Magnitude da superfície da correlação espectral para:

A) BPSK com código Manchester.

B) MSK


as Não-Line

1. Introdução


Índice

earesde R

adiofrequência





80

Nuno Borges C

arvalho

80



41


as Não-Line

As propostas para SDR implicam o uso de conversores Analógico-Digitais eDigitais-Analógicos para a conversão entre domínios..

Por isso no novos rádios deve-se medir não só no domínio analógico, mastambém no domínio digital

5. Instrumentação para SDReares

de Radiofrequência

também no domínio digital.

Num receptor de SDR ideal teremos:

Antena

ANALÓGICO DIGITAL

81

Nuno Borges C

arvalho

81

ADC/DACDSP


as Não-Line

A parte analógica inclui um amplificador epor vezes um filtro sintonizável.

Por isso factores de mérito tradicionaiscontinuam a ser importantes exemplo:

Antena

ANALÓGICO

ADC/DACDSP

DIGITAL


earesde R

adiofrequência

continuam a ser importantes, exemplo:

Factor de Ruído

Largura de Banda

VSWR d E t d16dB

15dB14dB

1.1dB

1.6dB

2.1dB

2.6dB

3.1dB

ISC

82

Nuno Borges C

arvalho

82

VSWR de Entrada

Ganho

IMD, IP3

14dB

13dB

42


as Não-Line

Conversores tipo ADC’s e DAC’s impõemfactores de mérito diferentes como:

Antenna

ANALOG

ADC/DACDSP

DIGITAL


de Radiofrequência

Ganho estático e Offset

Não linearidade diferencial e integral

Histerese,

Distorção harmónica

83

Nuno Borges C

arvalho

83

Distorção harmónica

Espúrias

SFDR, SINAD, IMD


as Não-Line

Receptor de sub-amostragem passa banda


earesde R

adiofrequência

Utiliza o circuito de amostragem para transladar o sinal para a 1ª zona

84

Nuno Borges C

arvalho

84

g p pde Nyquist ;

Maximização das capacidades de processamento de sinal → Recepçãomulti-banda;

Utilização obrigatória para sistemas passa-banda → banco de filtrossintonizáveis;

Largura de banda analógica do amostrador deve incluir a portadora de RF.

43


as Não-Line

Soluções visionárias apontam para a utilização de PWM para a construção de um transmissor completamente digital

Idealmente não consome DC, obtendo uma eficiência de 100%.


de Radiofrequência

Actualmente não é possível implementar um transmissor a frequências elevadas.

No entanto tem sido utilizado em versões de transmissores EER,

85

Nuno Borges C

arvalho

85

transmissores EER, conhecidos como transmissores polares;


as Não-Line

A indústria de metrologia para SDR criou algumas soluções de medida às quais chamou Mixed Signal Oscilloscopes (MSOs):

Operam como um osciloscópio com a vantagem de ter canais digitais;


earesde R

adiofrequência

Permitem a correlação temporal dos sinais analógicos e digitais num mesmo instrumento;

Neste momento apenas permitem amostragem assíncrona e utilizam um relógio interno para amostragem.

86

Nuno Borges C

arvalho

86• Agilent Technologies Inc., www.home.agilent.com

• Tektronix Inc., www.tek.com

44


as Não-Line

Grande parte dos factores de mérito podem ser medidos utilizando combinações de instrumentação digital e analógica.


de Radiofrequência

( ) reftntn VNi .22 )()( +⋅⋅⋅+

87

Nuno Borges C

arvalho

87ANALÓGICO DIGITAL


as Não-Line

Alguma soluções passam pela combinação de equipamento


earesde R

adiofrequência

88

Nuno Borges C

arvalho

88

• Tektronix Inc., www.tek.com

45


as Não-Line


Alguma soluções passam pela combinação de equipamentoeares

de Radiofrequência

89

Nuno Borges C

arvalho

89

• Agilent Technologies Inc., www.home.agilent.com


as Não-Line

5. Instrumentação para SDRNo entanto é ainda possível de utilizar sistemas de domínio mistoanalógico-digital.

earesde R

adiofrequência

Canal Analógico

(Analisador de Redes)

CanalDigital

(Analisador Lógico)

90

Nuno Borges C

arvalho

90

• P. Cruz, N.B. Carvalho, K.A. Remley, and K.G. Gard, “Mixed Analog-Digital Instrumentation forSoftware Defined Radio Characterization”, IEEE Intl. Microwave Symp., Atlanta, June 2008

Receptores SDR Transmissores SDR

a óg co

46


as Não-Line

Os factores de mérito usuais podem ser medidos como usualmente

)(ωV


de Radiofrequência

)()()(

)( 11 ωωω

ωρ Dinc

ref SVV

==

∫ −+⋅⋅⋅+2/

)()( .].22[1)(

Ttj

reftntn dteV

TVNi ω

ω

91

Nuno Borges C

arvalho

91

∫−

−

−== 2/

2/

2/

).(1)()(

)( T

T

tjinc

T

inc

digL

dtetvT

TVV

Hωω

ωω


as Não-Line

1. Introdução


Índice

earesde R

adiofrequência





92

Nuno Borges C

arvalho

92



47


as Não-Line

Logic Analyzer

10MHz

Implementação Laboratorial

5. Medidas Reaiseares

de Radiofrequência

0.400

+ 1GHz

Logic Analyzer

Oscilloscope

9 00

Rx -

Base

Ban

d P

roce

ssin

g U

nit

A GCCo nt rol

P ow erD e te c to r

... ...101011

... ...110101

Trigger

Trig

ger

93

Nuno Borges C

arvalho

93

Control ComputerGPIBGPIB


as Não-Line

Solução para sincronização (Trigger):

O sinal de trigger sofre de arrastamento (drift) temporalErros costumam surgir pela utilização de sinais não síncronos

5. Medidas Reais

earesde R

adiofrequência

Solução: Utilização de um trigger embebido no sinal deexcitação

94

Nuno Borges C

arvalho

94

48


as Não-Line

0 350 0 350

Sinal CW


de Radiofrequência

200 300 400 500 600 700 800 900 1000

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

Gai

n [d

B]

Input Frequency [kHz]200 300 400 500 600 700 800 900 1000

150

200

250

300

Ang

le [º

]

-10 -5 0 5 10 15

-3

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

Gai

n [d

B]

Input Power [dBm]-10 -5 0 5 10 15

50

100

150

200

250

300

Ang

le [º

]

95

Nuno Borges C

arvalho

95

Input Frequency [kHz] Input Power [dBm]

Ganho é constante com a frequência

Fase decresce de forma contínuaPode-se representar curvas AM-AM (azul) e

curvas AM-PM (verde)


as Não-Line

Função de Transferência de dois-tons

0 5 250 250Amplitude Fase

5. Medidas Reais

earesde R

adiofrequência

-10 -5 0 5 10 15

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

Gai

n [d

B]

Input Power [dBm]-10 -5 0 5 10 15

-20

-15

-10

-5

0

|H3(W

2,W2,-W

1)| [d

B]

-10 -5 0 5 10 15

50

100

150

200

Ang

le [º

]

Input Power [dBm]-10 -5 0 5 10 15

50

100

150

200

H3(W

2,W2,-W

1) [º]

96

Nuno Borges C

arvalho

96

p [ ]

A FT de primeira ordem é equivalente às curvas AM-AM / AM-PM

A FT de terceira ordem apresenta um aumento significativo da distorção na compressãoda ADC

49


as Não-Line

Medidas de dois tons

-10

0


de Radiofrequência

-50

-40

-30

-20

Pout

[dB

m]

Upper Fund. PowerUpper IMD Power

97

Nuno Borges C

arvalho

97

-45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10

-70

-60

Pin [dBm]

Upper IMD Power


as Não-Line

Utilização de multi-senos

Tipo de Sinal PAPR [dB]

Uniforme 2.1266

N l 8 5184

5. Medidas Reais

earesde R

adiofrequência

10-2

10-1

100

ility

[%]

UniformNormalConstant Phase

0.1

0.15

0.2

bilit

y [%

]


Normal 8.5184

Fase Constante 20.0000

98

Nuno Borges C

arvalho

98

0 5 10 15 2010-5

10-4

10-3

PAPR [dB]

Prob

ab

-100 -50 0 50 100-0.05

0

0.05

Amplitude [U]

Prob

ab

50


as Não-Line

Medidas Multi-seno

Potência Fundamental


de Radiofrequência

-10

-5

0

5

ut [d

B]

Normal

-10

-5

[dB

]

Fase Constante

99

Nuno Borges C

arvalho

99

-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10-25

-20

-15

Pin [dBu]

Pou

SimulatedMeasured

-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10-25

-20

-15

Pin [dBu]

Pout

[

SimulatedMeasured


as Não-Line

Potência de Canal

Adjacente

5. Medidas Reais

Medidas Multi-seno

earesde R

adiofrequência

-50

-40

-30

-20

-10

t [dB

]

Normal

-30

-20

-10

0

dB]

Fase Constante

100

Nuno Borges C

arvalho

100

-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10-100

-90

-80

-70

-60

Pin [dBu]

Pout

SimulatedMeasured

-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10-80

-70

-60

-50

-40

Pin [dBu]

Pout

[d

SimulatedMeasured

51


as Não-Line0

5

UniformNormal

20

-10

Medidas Multi-seno


de Radiofrequência

25

-20

-15

-10

-5

0

Pout

[dB

m]

Constant Phase

70

-60

-50

-40

-30

-20

AC

P [d

Bm

]


101

Nuno Borges C

arvalho

101

-45 -40 -35 -30 -25 -20 -15-25

Pin [dBm]

-45 -40 -35 -30 -25 -20 -15

-70

Pin [dBm]


as Não-Line

Medidas WiMax

• 64-QAM (¾)• BW = 3 MHz

Potência Canal Adjacente

Potência Fundamental

5. Medidas Reais

earesde R

adiofrequência

• PAPR = 9.5266 dB

-10

-5

0

5

ut [d

B]

-35

-30

-25

-20

-15

-10

t [dB

]

102

Nuno Borges C

arvalho

102

-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10-25

-20

-15

Pin [dBu]

Pou

SimulatedMeasured

-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10-60

-55

-50

-45

-40

35

Pin [dBu]

Pout

SimulatedMeasured

52


as Não-Line

0

Medidas WiMAX


de Radiofrequência

-40

-30

-20

-10

Pout

[dB

m]

103

Nuno Borges C

arvalho

103

-45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10

-50

Pin [dBm]

Fund. PowerAdj. Chan. Power


as Não-Line

Carlos Baptista – ANACOMHugo Gomes – IPLJoão Paulo Martins – ITJosé Carlos Pedro - UAJ é P d B ANACOM

Agradecimentos

earesde R

adiofrequência

José Pedro Borrego – ANACOMKate Remley – NISTKevin Gard – NCSUMichael Steer – NCSUPedro Cabral – UAPedro Cruz – ITPedro Lavrador – UA

104

Nuno Borges C

arvalho

104

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