etlc2a0l - polito

ETLC2 - A0 02/05/2005

© 2005 DDC 1

02/05/2005 - 1 ETLC2 - A0 - © 2005 DDC

Politecnico di TorinoFacoltà dell’Informazione

Modulo

Elettronica delle telecomunicazioni II

Presentazione

A0 - Organizzazione del moduloe sistema di riferimento

» obiettivi e contenuti» organizzazione

» sistema radio» richiami

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Obiettividi questo corso

• Progettare l’elettronica di sistemi di comunicazione wireless (e wireline)

• Utilizzare strumenti di progettazione– Esperienze su sistema TIM (funzioni semplici, analogico)– Realizzazione di funzioni analoghe con tecniche digitali– per logiche programmabili– per coprogettazione– Confrontare diverse soluzioni realizzative– Verificare sperimentalmente il comportamento dei circuiti

• Protocolli e standard per comunicazioni wireless/line– Spreading, sincronizzazione, …

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Prerequisiti

• Nozioni di elettronica delle telecomunicazioni– struttura di un sistema RX-TX– caratteristiche dei moduli di un sistema RX-TX– PLL, demodulatori, sintetizzatori

• Per le esercitazioni di laboratorio:– progetto logico con VHDL– uso di logiche programmabili

• Corsi propedeutici:– Elettronica delle telecomunicazioni– Strumenti di coprogettazione– Elettronica analogica, ELN delle interconnessioni

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Contenuti

• Quattro gruppi di lezioni

• A: Logiche programmabili– 2 laboratori

• B: Protocolli e modulazioni– 1 laboratorio

• C: Codesign– 2 laboratori

• D: Integrità di segnali

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Struttura del modulo

• Lezioni, esercitazioni– ogni settimana:

» 2+2+2+ 4 h di laboratorio» Laboratorio libero e tesine

• Complessivamente– 14 lezioni 28 + 56– 8 esercitazioni 16 + 16– 5 laboratori 20 + 10– totale 64 82

– 64 ore aula + 82 ore autonome = 146/30 = 5 crediti

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Materiale didattico

• Testo:– D. Del Corso: ELETTRONICA PER TELECOMUNICAZIONI

McGraw Hill, 2002

• Siti web– http://ulisse.polito.it/matdid/

3ing_eln_L1740_TO_0/ETLC2/index.htm» informazioni pubbliche: avvisi, orari, …» lucidi, manuali e guide, esercizi ed esami, SW, simulatori, …» errata corrige e aggiornamenti al CD

– Portale didattica: » Link a Ulisse

– Altro materiale indicato di volta in volta a lezione

ETLC2 - A0 02/05/2005

© 2005 DDC 2

02/05/2005 - 7 ETLC2 - A0 - © 2005 DDC

Organizzazione

• Laboratorio– Specifiche e progetto– Simulazione – Montaggio e misure sui circuiti– Relazione di gruppo

• Tesine– Parte integrante dell’esame – Approfondimenti su argomenti correlati– Accesso a laboratorio libero– Presentazione in aula o laboratorio– Relazione scritta

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Modalità di esame

• Voto finale F– F = 0,4*orale+ 0,4*tesina/progetto+ 0,2*laboratorio

+ [premioquaderno (max 3 punti)]

• Tesina/progetto– Scelta o assegnata entro Maggio, gruppi di 2 persone– valutazioneunica per la relazione– Valutazione individualeper la presentazione

• Laboratorio– Valutazione di gruppo (- 20% per assenze non recuperate)

• Quaderni da concorso– Appunti di lezione (a mano o eln)

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Sistema di riferimento

• Applicazione di riferimento:sistema radio ricevente e trasmittente

– Software radio (UMTS)– Sistema complesso, con consistente parte digitale– Esempio di coprogettazione HW/SW

• Altra applicazione di riferimento:collegamenti wireline (LAN, …)

– Protocolli– Esempi– Funzioni comuni– Integrità di segnali

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Ricevitore elementare

Filtro, Amplificatore e Demodulatorea frequenzavariabile.

La sintonia si esegue spostandola frequenza di risonanza del filtro fA.

Vu

ANT.

DEMOD.Va

f

fA

02/05/2005 - 11 ETLC2 - A0 - © 2005 DDC

Principio del ricevitore eterodina

Il segnale di ingresso vienetraslato a una frequenza fissafi = fa - fo.

La sintonia si ottiene variando fo

Filtro di ingresso(F variabile)

XO

DEMOD.Va

Vu

Filtro e Amplificatore(F fissa fi)

f

fa fOfi = fa - fo

fa

fO

canale FIfi = fa - fo

02/05/2005 - 12 ETLC2 - A0 - © 2005 DDC

Frequenza immagine

Vengono traslatesul canale FI le frequenzeche distano fi dalla fo

Occorrecomunque filtrare prima del mixer.


XO

DEMOD.Va

Vu

Filtro e Amplificatore(F fissa fi)

f

fa1 fOfi = fa - fo

fa1 + fa2

fO

canale FIsegnale fi = fa1 + fa2

fa2

fi fi

ETLC2 - A0 02/05/2005

© 2005 DDC 3

02/05/2005 - 13 ETLC2 - A0 - © 2005 DDC

Supereterodina doppia conversione

La doppia traslazione semplifica i filtri sul canale IFGeneralmente O2 è fisso,la sintonia si ottiene variandoO1

Amplifi. di ingressoLNA

X

O1

DEM.Va

Amplif. IF 1

f

fa fO1fi1 = fa - fO2

X

O2Amplif. IF 2

f

fO2fi1fi202/05/2005 - 14 ETLC2 - A0 - © 2005 DDC

Ricevitore zero- IF (low -IF)

La frequenza fa viene traslatadirettamente in banda base

Il canaleFI è di tipo passa basso


XO

DEMOD.Va

Vu

Filtro passa basso

f

fO = fa1fi = 0

fa

fO

02/05/2005 - 15 ETLC2 - A0 - © 2005 DDC

Introduciamo il digitale - 1

Molte applicazioni utilizzano datiespressi in forma numerica.

XO

Va

Vu

AmplificatoreFi (F fissa)

Demodulatoreanalogico

DEMOD. A/D


canale FI

02/05/2005 - 16 ETLC2 - A0 - © 2005 DDC

Introduciamo il digitale - 2

Il demodulatore numerico può usare algoritmi complessiE’ possibilecambiare facilmente modulazione

Il convertitore A/D deve operarea frequenza relativamente alta.

XO

Va

Vu

AmplificatoreFi (F fissa)

A/D

Demodulatorenumerico

DEMOD.


canale FI

02/05/2005 - 17 ETLC2 - A0 - © 2005 DDC

Anticipiamo il digitale

Il filtro FI numerico aumenta le richieste computazionali, ma permette di cambiare a SW le caratteristiche del canale FI.

E’ possibile dividere il segnale FI in due rami: fase/quadratura

Filtro e Amplificatore di ingressobasso rumore, ampiadinamica: LNA

XO

canale FI

Vu

A/D

Filtro FI e Demodulatorenumerici

DEMOD.Va

02/05/2005 - 18 ETLC2 - A0 - © 2005 DDC

Prima conversione

RF spectrum:

f

Band of interest

GHz

f

mult. by local oscillator no. 1

(fixed for band of interest)

fLO1

FIF = FRF – FLO1

Signal of interest

IF spectrum:

f

ETLC2 - A0 02/05/2005

© 2005 DDC 4

02/05/2005 - 19 ETLC2 - A0 - © 2005 DDC

Seconda conversione

IF spectrum:

f

FIF = FRF – FLO1

f

multiply by sinusoidal local oscillator no. 2(tuned to signal of

interest)

X

fLO2

Signal of interest

f

Baseband spectrum: FBB = F IF – FLO2

02/05/2005 - 20 ETLC2 - A0 - © 2005 DDC

Baseband demodulation

AM

demodulator

AM

demodulatorFM

demodulator

FM

demodulatorQPSK

demodulator

QPSK

demodulator

Audio signal Audio signal Digital data Other signal

Other ...Other ...

AMFM

QPSK

f

Baseband spectrum:

02/05/2005 - 21 ETLC2 - A0 - © 2005 DDC

Digital baseband processing

Initial digital algorithms:– Error correction– Compression– Encryption– Equalization

Digital

2nd IF 2nd IF conversionconversion

BasebandBasebanddemodulationdemodulation

Antenna

1st IF 1st IF conversionconversion

Audio

(kHz)RF

(GHz)IF

(MHz)

baseband(kHz)

Analog

02/05/2005 - 22 ETLC2 - A0 - © 2005 DDC

Digital demodulation

Additional advantages:– Can implement proprietary and emerging modulation schemes in

software– Improved noise immunity and robustness to channel impairments– Easier multiplexing of various forms of information (e.g., voice,

data, video)

Digital



Antenna


Audio

(kHz)RF

(GHz)IF

(MHz)

baseband(kHz)

Analog

02/05/2005 - 23 ETLC2 - A0 - © 2005 DDC

Additional advantages:– Precision, configurable tuning – Lower cost– Smaller size

Digital



Antenna


Audio

(kHz)RF

(GHz)

baseband(kHz)

Analog

State of the art: digital IF processing

Facilitated by:

a) Fast A/D’s (up to 100 Msamples/sec)

b) Hardware digital IF down converters

c) Fast DSP’s for baseband processing

Facilitated by:

a) Fast A/D’s (up to 100 Msamples/sec)

b) Hardware digital IF down converters

c) Fast DSP’s for baseband processing

IF (MHz)

Tratto da: Spectrum digital radio products

02/05/2005 - 24 ETLC2 - A0 - © 2005 DDC

Digitization

f

signal of interest other signals

noise

IF:

f

IF (anti-aliased):

Digitized IF:

ffs-fs 0 2fs-2fs

sampling rate

ETLC2 - A0 02/05/2005

© 2005 DDC 5

02/05/2005 - 25 ETLC2 - A0 - © 2005 DDC

Down conversion

Digitized IF:

ffs-fs 0 2fs-2fs

sampling rate

Digital NCO:

ffNCO2fs

Baseband In-phase component

ffNCO

other spectral components

Isignal of interest

f

other spectral componentsBasebandquadrature component

Q

fNCO

02/05/2005 - 26 ETLC2 - A0 - © 2005 DDC

This may be more familiar ...

90°

NCO (centered on signal of interest)

Digitized IF

f

fs-fs 0 2fs-2fs

Baseband (in -phase)

ffs

I

Baseband (quadrature)

ffs

Q

Digitized IF

fNCO

02/05/2005 - 27 ETLC2 - A0 - © 2005 DDC

We still need to demodulate / decode our signal…

Baseband (In-phase component):

ffs


I signal of interest

In theory a DSP could demodulate / decode this directly but ...

…not at 65 MSPS!

02/05/2005 - 28 ETLC2 - A0 - © 2005 DDC

Filtering and decimation

Solution:

ffs

I

Baseband (In-phase component):

ffs


I signal of interest

filter...

f ’

Nyquist rate

2f ’

f

I… and decimate (get rid of redundant samples)

fs f ’

02/05/2005 - 29 ETLC2 - A0 - © 2005 DDC

Hardware & software split

Digitized IF(from A/D)

down converter chip (e.g. Harris HSP50214)

• IF down conversion• filtering• decimation• baseband demodulation

DSP processor(e.g. TI C6000)

• baseband demodulation• decoding / decryption• app-specific processing

Output (application-

specific)

implemented in hardware implemented in software

02/05/2005 - 30 ETLC2 - A0 - © 2005 DDC

Digital RF processing

1999:This will require an increase is A/D & DSP speed of several orders of magnitude

2005:Commercial SOC available (2.5 GHz)

Digital



Antenna


Audio

(kHz)RF

(GHz)

IF (MHz)

baseband

(kHz)

Analog

ETLC2 - A0 02/05/2005

© 2005 DDC 6

02/05/2005 - 31 ETLC2 - A0 - © 2005 DDC

Da mixer a campionamento

Il campionamentoè il prodottodel segnale con una serie di ?.La serie di ? è la somma di varie armoniche.

Il prodottodella fondamentalecon la Va equivaleall’operazioneeseguita dalmixer.

Il mixer trasla in frequenzail segnale di ingresso

O

DEMOD.A/DVa

XO

02/05/2005 - 32 ETLC2 - A0 - © 2005 DDC

SDR: Software Defined Radio

Le funzionalità numerichesono realizzate da componentiprogrammabili (DSP, logicheprogrammabili, ….)

DSP O

DEMOD.A/D

A/D critico per:- velocità- rumore- dinamica- linearità

Componente analogico:LNA (+ filtro)

Va

02/05/2005 - 33 ETLC2 - A0 - © 2005 DDC

:

Demodulazione I/Q

• Catena di demodulazione I/Q:

-:

cos

sentsenVV

tcosVV

S

C

???

????

?

Operazioni eseguitegeneralmente in analogica(moltiplicatori e filtri ) -

Operazioni eseguite in digitale, dai circuiti logicidopo i convertitori A/D

C

S

2S

2C

VV

arctgV

VVV

??

???

?

Vc

Vs

V

02/05/2005 - 34 ETLC2 - A0 - © 2005 DDC

Canali I/Q

Il segnale viene scomposto nelle componenti in fase e in quadratura.

Il demodulatore calcola modulo e fase.

Amplificatoredi ingresso(LNA)

Ramo segnale I

VIX A/D

DEMOD.

XO

A/D

?/2

VQRamo segnale Q

|V|, ? V

Va

02/05/2005 - 35 ETLC2 - A0 - © 2005 DDC

SDR con canali I/Q

DSP

Componenti analogici:- filtro- LNAIl filtro alleggerisce le specifichesu LNA (riduce i segnali fuoribanda)

Va

DEMOD.

A/D

A/D

O?/2

HW radio universale:Può cambiare frequenze, modulazioni , applicazioni (GSM, GPS, UMTS, …)

02/05/2005 - 36 ETLC2 - A0 - © 2005 DDC

PLLDDS

PLLDDS

XX

ANTENNA

DEM.DEM.

XXXX

XX

D/AD/A

CONTROLLOCONTROLLO

A/DA/D

D/AD/A

Microf. Auric. Display, TastiMicrof. Auric. Display, Tasti

D/AD/A

O O I/Q I/Q

XX

A/DA/D

A/DA/D

XX

MOD.MOD.

RF: 0,9/2GHz

MISTI A/DIF: 100 MHz

BANDA BASE DIGITALE

TRASDUTTORI

Low Noise Amplifier900MHz/1GHz

Power Amplifier900MHz/1GHz

Canale FI RX

Canale FI TX

Canale RX - I/Q

Oscillatori e sintetizzatori

Canale TX - I/Q

microP, DSP, memoria , ..

Interfacciautente

Schema a blocchi “classico”

ETLC2 - A0 02/05/2005

© 2005 DDC 7

02/05/2005 - 37 ETLC2 - A0 - © 2005 DDC

Schema a blocchi quasi-SDR

02/05/2005 - 38 ETLC2 - A0 - © 2005 DDC

Funzioni richieste: cosa in digitale?

• Amplificazione– Linearizzazione digitale

• Filtraggio– Filtri numerici

• Operazioni aritmetiche– Mo-demodulazionee codifiche di vario tipo

» Prodotto, Somma, Shift, …

• Funzioni digitali: come ?– Componenti custom– Logica programmabile– Microprocessori o DSP

02/05/2005 - 39 ETLC2 - A0 - © 2005 DDC

Richiami su A/D e D/A

• Errori– Aliasing– Jitter di campionamento– Quantizzazione– Nonlinearità

• Strutture– Residui– Pipeline

• Parametri– N, SFDR, SINAD, THD, .. – ENOB

02/05/2005 - 40 ETLC2 - A0 - © 2005 DDC

Tecniche di accessomultiplo

• Canalizzazione in frequenza: FDMA– TACS

• Multiplex in tempo: TDMA– + F = GSM

• Divisione di codice: CDMA

– + t, + F– UMTS code

02/05/2005 - 41 ETLC2 - A0 - © 2005 DDC

Segnali complessi

• Segnale reale– V(t) = A sen(? t+? )

• Segnale complesso– V(t) = a(t) + jb(t)– Parte in fase e parte in quadratura

• Operazioni tra segnali complessi– Operazioni su parte reale e parte immaginaria– Z(t) = V(t) x U(t) = e(t) + jf(t)– Z(t) = [a(t) + jb(t)] x [c(t) + jd(t)]– e(t) = a(t) x c(t) - b(t) x d(t)– f(t) = a(t) x d(t) + b(t) x c(t)

02/05/2005 - 42 ETLC2 - A0 - © 2005 DDC

Parte di trasmettitore UMTS

PRACH Data

PRACH Control

Cd

Cc

bd

bc

Im[Sr-msg,n]

Re[Sr-msg,n]

Re[S]

Im[S]

+

-

ETLC2 - A0 02/05/2005

© 2005 DDC 8

02/05/2005 - 43 ETLC2 - A0 - © 2005 DDC

Parte di ricevitore UMTS

PRACH Data

PRACH Control

Cd

Cc

Re[S]

Im[S]

Im[Sr - msg,n* ]

Re[Sr- msg,n* ]

+

-

?

?

02/05/2005 - 44 ETLC2 - A0 - © 2005 DDC

Prossime lezioni

• Logiche programmabili

• Piastra UPS1

• Design entry, simulazione, compilazione

• Esercitazioni 1 e 2– Moduli TIM– Interfaccia con A/D (voltmetro a 1 canale)– Interfaccia con 2 A/D e 1 D/A (moltiplicatore, sommatore)

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