Elettronica dei Sistemi Wireless

LM Ingegneria Elettronica a.a. 2011/2012

Sommario

• Introduzione al corso • Applicazioni wireless e standard • Tecnologie abilitanti • Architetture di front end RF • Dimensionamento (link budget)

Presentazione del Corso

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Obiettivi

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Panoramica applicazioni wireless e relative specifiche

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Acquisizione strumenti CAD dal livello circuitale a quello di sistema

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Metodologie di progetto blocchi base

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Prerequisiti

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Elettronica, Telecomunicazioni, El. Radiofrequenze/ El.Telecom.

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Materiale didattico

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Fornito dal docente

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Reperibile in rete

…..presentazione del Corso

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Aspetti organizzativi

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Orario

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Martedì Lezione 3 h

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Mercoledì esercitazione 3 h

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Giovedì Lezione 2 h

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Lezioni ed esercitazioni (Prof. B.Neri)

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Laboratorio (Ing. F. Baronti)

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Seminari (Ing. S.Saponara + Agilent Technologies)

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Modalità d’esame

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Prova pratica (progetto CAD) a fine corso + Orale

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Docente:

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Prof.Bruno Neri Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione : Elettronica, Informatica, Telecomunicazioni, Università di Pisa, Via Caruso 16, I-56122 Pisa, Italy; email : [email protected]

Obiettivi del Corso

Gli obiettivi formativi del Corso sono: illustrare i principi della progettazione di sistemi integrati per le comunicazioni mobili; descrivere le metodologie di progetto e gli strumenti CAD specifici; descrivere alcuni standard relativi a reti e sistemi wireless (Bluetooth, Wi-Fi, RFID, DVB T, Short Range RADAR, ecc.); presentare, tra questi, almeno un esempio di flusso completo di progetto dalle specifiche di sistema a quelle circuitali. Sono previste 24 ore di laboratorio CAD assistito dedicate alla progettazione di celle funzionali su un design kit commerciale .

Programma 1

• PROGETTO DI TRANSCEIVER INTEGRATI: CAD per la simulazione di circuiti integrati a radiofrequenza: (CADENCE, ADS, ecc.). Componenti attivi (transistori Bipolari e MOS) e loro modellizazione. Progetto di LNA, VCO, MIXER, PLL e loro caratterizzazione (guadagni, distorsioni, rumore, effetti delle tolleranze ecc.).

Amplificatori di potenza: classi di funzionamento, calcolo dell’efficienza teorica, limiti all’integrazione. Simulazione e testing a livello di componente, di cella e di sistema.

(L: 30; E: 6; LAB: 24)

Programma 2

• ARCHITETTURE E REALIZZAZIONE DI FRONT END WIRELESS: peculiarità dei transceiver integrati e loro conseguenze sulle scelte architetturali; Ricevitori eterodina a singola e doppia conversione; Ricevitori omodina e low IF. Trasmettitori a conversione diretta e multipla. Esempi di chip set commerciali. Blocchi costituenti e relative specifiche (LNA, Mixer, VCO, PLL, filtri integrati e discreti). Realizzazione su board e componentistica esterna passiva. Esempio di studio di fattibilità e breakdown delle specifiche per una applicazione short range wireless (Single Chip Radar).

(L: 6; E: 6)

Programma 3

• APPLICAZIONI WIRELESS: Richiami sulle modulazioni numeriche e sui metodi di accesso al canale; hardware dedicato. Link Budget: esempi di dimensionamento.

Telefonia cellulare: Sistemi di prima (1G), seconda (2G) e terza (3G) generazione; Wi-Fi; Bluetooth, DVB-T; Sistemi RFID (Radiofrequency identification); Single Chip Radar; Applicazioni Biomediche. Strumentazione dedicata con dimostrazione in Aula a cura di Agilent Technologies.

Seminari.

(L:10;E: 8)

dopo il corso…

• Tesi di progettazione di un blocco (LNA, Mixer, PLL) su una piattaforma tecnologica avanzata (CMOS 65 nm, SOI 130 nm ecc.) • Contratto di ricerca (post Laurea) • Dottorato Scuola Leonardo da Vinci • Trend in RFIC Design (JSSC July Issue) Domande???

I Sistemi Wireless

(da Wikipedia) • In informatica

wireless

e telecomunicazioni il termine

wireless

(dall' inglese

senza fili

) indica una comunicazione tra dispositivi elettronici che non fa uso di cavi . Per estensione sono detti i rispettivi sistemi o dispositivi di comunicazione che implementano tale modalità di comunicazione. I sistemi tradizionali basati su connessioni cablate sono invece detti

wired

. Il motto del wireless: “in qualunque momento da ogni posto”.

• Generalmente il wireless utilizza onde radio a bassa potenza; tuttavia la definizione si estende anche ai dispositivi, meno diffusi, che sfruttano la radiazione infrarossa o il laser .

• La comunicazione e i sistemi wireless trovano diretta applicazione nelle reti wireless di telecomunicazioni , fisse e mobili e più in generale nelle radiocomunicazioni .

Reti wireless

• • • • Le tipologie di rete wireless sono: PAN (Personal Area Network), a livello domestico • WLAN (Wireless Local Area Network) propriamente dette come il Wi-fi . • WAN (Wide Area Network) wireless • BWA (Broadband Wireless Access), che sta conoscendo grande diffusione grazie alla tecnologia WiMAX • a queste si aggiungono: Reti Cellulari HSPA . radiomobili come GSM , GPRS , EDGE , UMTS , Reti satellitari (GPS)

Altre Applicazioni Wireless

• Radio Frequency Indentification Devices (RFID) • Applicazioni Biomedicali – Monitoraggio non invasivo di funzioni vitali – Interfacce per strumentazione e sensoristica – Biotermia • RADAR (low cost – low power – uso civile) – Short range radar (d= 3 cm - 30 m) – Long range radar (d= 3 m - 300m)

Altre applicazioni

• Sicurezza – Allarmi volumetrici – Body scanner • Reti di sensori wireless – Monitoraggio ambientale – Controllo di processo – Logistica (con RFID) • Radiometria

Breve storia delle Comunicazioni Mobili

• 1948 - S.Louis - Mobile Telephone System (MTS) con switching manuale • 1956 MTS con switching automatico • 1960 prende piede il concetto di Radio cellulare • 1978 1G – AMPS FM Analogico • 1991 • 2005 • Trend 2G - GSM 3G – UMTS 4G - Banda larga > 10 Mbs

Penetrazione nel mercato

• Dicembre 2010 “… reports that the number of wireless accounts in the country has reached 95 percent penetration — but excluding those younger than 5 years old, it exceeds 100 percent”.

Le cause dell’esplosione del mercato del wireless

• Maggiore efficienza spettrale delle modulazioni numeriche che rendono, inoltre, possibile un minore E b /N 0 a parità di BER (ovvero: Low Power) • Trade off complessità/costi/banda disponibile reso possibile dai sistemi VLSI a basso costo • Prestazioni ad alta frequenza delle nuove Tecnologie Microelettroniche (F T = 800 MHz entro 2020)

Trade off Spettro/Complessità

Modulazioni numeriche Applicazioni

QAM per migliorare l’efficienza spettrale

…risultato

Il Multiplexing

Trasmettitore digitale

Ricevitore Digitale

Le applicazioni wireless a confronto

• Vedi tabelle – In sintesi • f= 0.8 – 6 GHz (Cellulare, WLAN, Bluetooth ecc) • f = 10 GHz Radiometria • f_ 24 GHz SRRadar • f= 77 GHz LRRadar • f= 95 GHz Body scanner ecc. ecc.

f T > 10, 100 GHz

Nuove tecnologie, nuove applicazioni …..

• Vedi Glossario e Lista degli Acronimi

Quali tecnologie?

• High speed (f <100GHz) • Low Noise • Low power • Componenti attivi (Gm?) • Componenti passivi (C, L, M, TL, Antenne)

Trend micro e nanotecnologie

Device Scaling Down

Tecnologie a confronto

• BJT • CMOS • HBT (SiGe BjT) • Silicon on Insulator (SOI)

Tecnologie a confronto

Architetture a confronto

• Supereterodina • Omodina • Low IF • Sottocampionamento

Supereterodina

Figura 4.1: Selezione del canale in un ricevitore eterodina Figura 4.2: Front-End

Vantaggi e Svantaggi

– Filtro esterno per la reiezione dell’immagine – Alta corrente di polarizzazione per gli stadi che pilotano componenti esterni – Necessita di una doppia conversione con ulteriori eventuali componenti esterni + Elevata selettivita’ e sensitivita’

Il problema della frequenza immagine: ricevitore a doppia conversione

Ricevitore eterodina

• Vantaggi – – Buona selettività Buona sensitività • Svantaggi – – Dissipazione Ingombro

Ricevitore Omodina

Ricevitore Omodina

• Vantaggi – – – Minore dissipazione Minore ingombro Assenza immagine • Svantaggi – Emissioni oscillatore locale – DC Offset • Soluzioni – – Schermatura Compensazione tramite DSP

Ricevitore Low-IF

Ricevitore Low-IF

• Vantaggi – – Minore dissipazione Minore ingombro • Svantaggio Bassa reiezione del canale immagine • Soluzione Accurata progettazione del mixer a reiezione dell’immagine

Low IF

• Frequenza intermedia di poche centinaia di KHz • Reiezione della frequenza immagine con filtro d’antenna + mixer a reiez. freq. imm.

• Filtro di canale: filtro attivo integrato (es Chebichev 5 ordine integrato)

In trasmissione

• Conversione diretta – Interferenza in RX dovuta a OL in TX: un imperfetto isolamento del mixer produce una riga a f OL vicina alla banda di ricezione + semplicità, consumo ridotto

Architecture evolution TX

Architecture evolution RX

Verso la Software Defined Radio (SDR)

Link budget

• Standard Analogici S/N • Standard Digitali BER • ……….continua