Elettronica dei Sistemi
Wireless
LM Ingegneria Elettronica
a.a. 2011/2012
Sommario
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Introduzione al corso
Applicazioni wireless e standard
Tecnologie abilitanti
Architetture di front end RF
Dimensionamento (link budget)
Presentazione del Corso
•Obiettivi
•Panoramica applicazioni wireless e relative specifiche
•Acquisizione strumenti CAD dal livello circuitale a quello di sistema
•Metodologie di progetto blocchi base
•Prerequisiti
•Elettronica, Telecomunicazioni, El. Radiofrequenze/ El.Telecom.
•Materiale didattico
•Fornito dal docente
•Reperibile in rete
…..presentazione del Corso
•Aspetti organizzativi
•Orario
•Martedì Lezione 3 h
•Mercoledì esercitazione 3 h
•Giovedì Lezione 2 h
•Lezioni ed esercitazioni (Prof. B.Neri)
•Laboratorio (Ing. F. Baronti)
•Seminari (Ing. S.Saponara + Agilent Technologies)
•Modalità d’esame
• Prova pratica (progetto CAD) a fine corso + Orale
•Docente:
•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, DVBT, 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 lowIF. 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 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
wireless 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 radiomobili come GSM, GPRS, EDGE, UMTS,
HSPA.
• 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
2G - GSM
• 2005
3G – UMTS
• Trend
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 Eb/N0 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 (FT= 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
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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.
fT > 10, 100 GHz
Nuove tecnologie, nuove
applicazioni …..
• Vedi Glossario e Lista degli Acronimi
Quali tecnologie?
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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
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BJT
CMOS
HBT (SiGe BjT)
Silicon on Insulator (SOI)
Tecnologie a confronto
Architetture a confronto
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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
locale
– DC Offset
• Soluzioni
oscillatore
– 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 fOL vicina alla banda di ricezione
+ semplicità, consumo ridotto
Architecture evolution TX
Architecture evolution RX
Verso la Software Defined Radio (SDR)
Link budget
• Standard Analogici
• Standard Digitali
• ……….continua
S/N
BER