Elettronica delle telecomunicazioni - Politecnico di Torino · Si tratta di un corso di elettronica applicata, con approccio top-down. Si inizia individuando i principali moduli funzionali

ETLCT - A0 24-Feb-03

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24-Feb-03 - 1 ETLCT - A0 - © 2002 DDC

Politecnico di TorinoFacoltà dell’Informazione

Modulo

Elettronica delle telecomunicazioni

Presentazione

A0 - Organizzazione del modulo, sistema di riferimento

» obiettivi e contenuti» organizzazione» sistema radio» progetto di amplificatori


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24-Feb-03 - 2 ETLCT - A0 - © 2002 DDC

Obiettivi di questa lezione

• Descrivere organizzazione, contenuti e caratteristichedel modulo “Elettronica delle telecomunicazioni”

• Utilizzo del materiale didattico– Testo su carta– CD ROM– sito web

• Descrivere l’applicazione di riferimento– strutture di RX e RTX– collegamenti con il modulo

• Primo argomento: amplificatori

Questa presentazione descrive l’organizzazione del corso “Elettronica delleTelecomunicazioni” materia a scelta per il corso di Ingegneria Elettronicadel Politecnico di Torino, e le sue particolari caratteristiche. Il corso èfocalizzato su sistemi e circuiti per telecomunicazioni e sui sistemi per iltrattamento dell’informazione in generale.Il testo di riferimento comprende anche un CD-ROM; in questaintroduzione vengono presentate anche le sue caratteristiche, le modalitàdi impiego e i collegamenti con il testo cartaceo e vari siti web contenentimateriale didattico.Il corso utilizza come applicazione di riferimento un sistemaricetrasmittente mobile (telefono cellulare, o interfaccia per LAN wireless).In questa lezione viene anche presentata brevemente l’evoluzionedell’architettura di un ricevitore radio, i cui moduli funzionali sono descrittinelle lezioni successive.Il primo gruppo di slide presenta i contenuti e l’organizzazione per ilvolume cartaceo e il CD; le successive presentano alcuni aspetti didattico-organizzativi, e l’ultimo gruppo il sistema di riferimento.


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24-Feb-03 - 3 ETLCT - A0 - © 2002 DDC

Obiettivi di questo corso

• Sviluppare le capacità di:

– Tradurre in specifiche le richieste di una applicazione,» come la applicazione può essere realizzata da un sistema

– Progettare a livello sistema» caratteristiche funzionali, comportamento esterno dei moduli» interfaccia tra moduli

– Progettare a livello circuiti» struttura interna dei moduli» flusso di progetto dei moduli» analisi degli errori

– Verificare sperimentalmente il comportamento dei circuiti

Si tratta di un corso di elettronica applicata, con approccio top-down.

Si inizia individuando i principali moduli funzionali presenti in un sistema ditelecomunicazione, descrivendone i parametri significativi.Ciascun modulo viene poi esaminato in dettaglio, con attenzione ai criteri diprogetto e alla relazione tra prestazioni, errori, e struttura.


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24-Feb-03 - 4 ETLCT - A0 - © 2002 DDC

Prerequisiti

• Nozioni di elettronica applicata, comunicazioni,calcolatori:

– amplificatori operazionali, transistori bipolari e MOS– circuiti digitali (porte, flip-flop, registri, contatori, …)– analisi di segnali, spettri in frequenza, modulazioni.

• Per le esercitazioni di laboratorio:– semplici montaggi, uso della strumentazione base– trattamento di dati sperimentali.

• Corsi propedeutici:– Elettronica Analogica– Comunicazioni Elettriche

Questo corso presuppone familiarità con le nozioni di base di elettronicaapplicata: transistori bipolari e MOS, amplificatori operazionali e circuiti conreazione, semplici circuiti logici, tecnologie base di integrazione.Sono dati per acquisiti anche i concetti e metodi forniti nei corsi di teoria deisegnali: analisi spettrale, distribuzioni, modulazioni analogiche enumeriche.La “guida didattica” introduttiva di ciascun capitolo del testo indica di voltain volta i prerequisiti più importanti, richiesti per affrontare gli argomenti delcapitolo stesso.Nelle esercitazioni di laboratorio si richiedono semplici montaggi el’esecuzione di misure tramite l’utilizzazione degli strumenti base, qualigeneratori di segnale, multimetri, oscilloscopio.L’Appendice fornisce indicazioni generali sull’esecuzione delle esperienzee sulla stesura delle relazioni, ma è opportuno aver seguito un precedentecorso di elettronica applicata o di misure, per l’acquisizione dei primielementi e l’addestramento di base sull’uso della strumentazione.


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24-Feb-03 - 5 ETLCT - A0 - © 2002 DDC

Contenuti

• Argomenti raccolti in gruppi di lezioni [rif. al testo]

– 0: presentazione e sistema di riferimento (questa lezione)

– A: amplificatori, oscillatori, circuiti nonlineari [Capitoli 1 e 2]» amplificatori lineari e non, oscillatori» mixer, amplificatori logaritmici

– B: circuiti ad aggancio di fase (PLL) [Cap 3]» comportamento esterno, circuiti analogici e numerici» esempi di applicazione

– C: sistemi di conversione A/D/A [Capitolo 4]» parametri, circuiti» esempi di applicazione

Questo corso è organizzato in gruppi di lezioni, che corrispondono ai varicapitoli del testo, legati da un unico filo conduttore: l’esplorazione di unsistema radiomobile di generazione intermedia.Questo sistema di riferimento offre una visuale più ampia rispetto aimoderni SDR (Software Defined Radio) e corrisponde alla maggior partedegli apparati in uso e in produzione.I capitoli 1 e 2 descrivono i vari tièi di amplificatori, oscillatori, mixer, e altricircuiti nonlineari.Il Capitolo 3 descrive principi, circuiti e applicazioni per gli anelli adaggancio di fase (PLL).Il Capitolo 4 riguarda i sistemi di conversione A/D e D/A, con particolareattenzione alle tecniche usate per la codifica numerica della voce neisistemi di telecomunicazione e ai convertitori ad alta velocità e dinamicarichiesti nei sistemi “software defined radio”.Il Capitolo 5 tratta le tecniche di interconnessione, sia per gli aspetti diintegrità dei segnali sia di protocolli, argomenti legati alle comunicazioni“wireline” e comunque fondamentali per il progetto di sistemi elettroniciveloci e complessi. Gli argomenti del Cap. 5 non sono trattati in questocorso.


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24-Feb-03 - 6 ETLCT - A0 - © 2002 DDC

Elementi caratterizzanti

• Approccio top-down:Ogni argomento viene affrontato nella sequenza:

– descrizione e identificazione funzionale,– analisi circuitale– criteri di progetto– cause di errore.

• Per ogni argomento:– Guida didattica (prerequisiti, materiale didattico).

» Teoria» Esempi di applicazione» Esercizi di analisi e di progetto» Esercitazioni di laboratorio

Tutti gli argomenti iniziano con la descrizione e identificazione funzionale(cosa fa un modulo, quali sono i parametri che ne definiscono ilcomportamento esterno); successivamente si passa all’analisi circuitale(come è fatto il modulo, con la presentazione delle diverse possibilità), perconcludere con una discussione delle cause di errore e dei loro legami congli elementi circuitali.Questo metodo è stato scelto deliberatamente per riflettere una proceduradi progetto, a livello di sistema e di modulo, di tipo top-down. Un sistemaelettronico complesso non può essere progettato (o anche solo analizzato)come unico oggetto: è necessario appoggiarsi a una gerarchia di livelli. Illivello più alto è una descrizione comportamentale (cosa fa il sistema);questa viene poi suddivisa in una serie di funzioni di minore complessità(realizzate da moduli, per ciascuno dei quali devono essere indicate lemodalità operative e di scambio delle informazioni con gli altri). Si ripete viavia lo stesso procedimento fino a giungere a oggetti già disponibili oprogettabili, realizzabili con i mezzi a disposizione.Separando la descrizione del “cosa fa” il sistema dal “come lo fa” possiamomeglio valutare e confrontare le varie scelte di progetto.


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24-Feb-03 - 7 ETLCT - A0 - © 2002 DDC

Struttura del modulo

• Lezioni, esercitazioni– ogni settimana: 2+2+2+2 h di lezioni/esercitazioni, oppure

2+2+2+ 4 h di laboratorio

• Complessivamente– 16 lezioni 32 + 64– 6 esercitazioni 12 + 12– 4 laboratori 20 + 10

– 64 oreaula + 86 ore autonome = 150/30 = 5 crediti


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24-Feb-03 - 8 ETLCT - A0 - © 2002 DDC

Materiale didattico

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

McGraw Hill, 2002» CD-ROM» materiale complementare (simulatori, note applicative, …)

• Siti web» http://webservices.polito.it/matdid/

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

» portale didattica: informazioni personali• risultati scritti, voti, ...

Il testo comprende un CD Rom, in cui è possibile reperire materialeaggiuntivo e puntatori a materiale di vario tipo su siti web esterni.Sul sito Ulisse verranno via via inseriti informazioni, aggiornamenti e altromateriale.


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24-Feb-03 - 9 ETLCT - A0 - © 2002 DDC

Organizzazione

• Laboratorio– labetiquette– manuale e guida per le esercitazioni– circuiti da montare– relazioni e lavoro di gruppo

• Tesine– approfondimenti su argomenti correlati– presentazione in aula e relazione scritta

• Quaderni da concorso– appunti di lezione

Le esercitazioni sperimentali di laboratorio sono parte integrante di questocorso. Comprendono una parte progettuale (con specifiche indicate alezione), il montaggio dei circuiti, l’esecuzione di misure, e la stesura di unarelazione.Sono disponibili manuali con le istruzioni generali per l’uso del materiale dilaboratorio, la stesura delle relazioni, e lo svolgimento di ciascunaesercitazione.

Perchè il laboratorio sia considerato valido il gruppo deve aver svoltoalmeno il 75% delle esercitazioni previste. Il voto di laboratorio vieneassegnato al termine del modulo.

Durante il corso è possibile svolgere tesine, su argomenti collegati aicontenuti del corso, concordati con il docente. Lo svolgimento completo diuna tesina (con presentazione in aula e relazione scritta), oltre al punteggioaggiuntivo determina l'esonero dallo scritto.


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24-Feb-03 - 10 ETLCT - A0 - © 2002 DDC

Modalità di esame

• Voto finale F– F = 0,8 S + 0,2 L + [orale], + [tesine], + [premi quaderno]

• S: Esame scritto– esercizi numerici

• L: Relazioni di laboratorio– valutazione unica per il gruppo, (a pari presenze)– diversa ripartizione a richiesta

• Orale– circa 15’– necessario per 30 e 30L

Il voto finale viene ottenuto da una valutazione dello scritto, delle relazionidi laboratorio, e da eventuali orale, tesine, premi quaderno.

All'allievo che redige il miglior quaderno di appunti (di lezione) vieneattribuito un incremento di 3 punti nel voto d'esame (parte [Q] nel computodel voto). Il quaderno deve seguire specifici criteri di redazione, e deveessere consegnato in corrispondenza del primo appello, o alla data indicatadal docente. Per ciascun AA viene attribuito un solo "premio quaderno".


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24-Feb-03 - 11 ETLCT - A0 - © 2002 DDC

Laboratorio

• Costituisce parte essenziale di un corso progettuale

• Obiettivi:– verificare la corrispondenza tra modelli e casi reali– verificare la correttezza dei progetti– abituare al lavoro di gruppo coordinato

• L’efficacia didattica richiede– manuali e guide per le esercitazioni e le relazioni (sul CD)– attività di preparazione (homework):

» progetti, simulazioni precedenti le misure– definire e seguire una labetiquette

» regole di comportamento locali

Le esercitazioni di laboratorio costituiscono parte integrante dei corsi acarattere progettuale come questo, e hanno come obiettivi principali:• verificare la corrispondenza dei circuiti reali con quanto presentato nelle lezioni;• preparare alla stesura di relazioni di attività sperimentali;• abituare al lavoro di gruppo.La verifica va intesa in senso positivo e negativo: con le misure effettuatein laboratorio è possibile sia controllare che quanto si verifica in un circuitoreale corrisponde a quanto presentato nella parte “teorica” delle lezioni, siaevidenziare i limiti dei modelli matematici e circuitali, e quelle situazioni incui le analisi semplificate effettuate nelle lezioni non sono valide.Ogni esercitazione comprende una serie di misure sul circuito stesso, e lastesura della relazione, con analisi critica dei risultati.


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24-Feb-03 - 12 ETLCT - A0 - © 2002 DDC

Collaborazione e lavoro di gruppo

• L’ingegnere lavora raramente da solo;organizzazione e collaborazione sono partiimportanti del lavoro reale.

– Le esercitazioni di laboratorio puntano anche ad abituare allavoro coordinato; esecuzione dell'esperienza e stesura dellarelazione sono compiti collettivi del gruppo di allievi.

– Solo organizzando preventivamente il lavoro esuddividendolo tra i componenti del gruppo l’esercitazionepuò essere completasta nel tempo previsto.

– Occorre imparare a collaborare in modo efficace;– Occorre imparare a organizzare il proprio lavoro

• Di solito questo principio non vale per gli esami !

Per qualunque ingegnere è importante saper collaborare in modo efficace.Uno degli obbiettivi delle attività di laboratorio è abituare al lavorocoordinato: l'esecuzione dell'esperienza e la stesura della relazione sonocompiti collettivi di un gruppo di allievi.L’esercitazione è calibrata in modo tale che i punti proposti possono esserecompletati nel tempo assegnato solo suddividendo il lavoro tra icomponenti del gruppo, e organizzandolo in modo opportuno.Nel caso sia richiesto un progetto, questo deve essere sviluppato primadell’esercitazione.


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24-Feb-03 - 13 ETLCT - A0 - © 2002 DDC

Materiale su CD-ROM - 1

• Introduzione, Indice sequenziale, Indice analitico• Indice grafico• Glossario• Figure attive e Simulatori• Esercizi risolti• Guide di Laboratorio• Note applicative• Data sheet• Link esterni

(le parti in nero sono presenti anche nel testo su carta)

Il materiale aggiuntivo su CD-ROM comprende simulatori e “smartdrawings”: simulatori interattivi in tempo reale che permettono di osservaregli effetti di variazioni dei parametri in moduli e circuiti. Gli smart drawingssono utilizzabili dal docente per dimostrazioni visuali in aula e dagli studentiper condurre in modo autonomo esperimenti virtuali (che possono integrarema non sostituire del tutto le reali attività di laboratorio).Altri riferimenti sono ai siti di fabbricanti di circuiti integrati, che mettono adisposizione data sheet, note applicative e “tutorial” per approfondimenti suargomenti specifici.


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24-Feb-03 - 14 ETLCT - A0 - © 2002 DDC


• Indice grafico:– Schema a blocchi di un sistema radio con collegamenti ai

contenuti di ciascun capitolo.

• Glossario– Acronimi, sigle e termini specifici, con breve spiegazione e

rimando alla spiegazione dettagliata nel testo.

• Figure attive e Simulatori– Simulatori interattivi legati agli argomenti del testo e

programmi di simulazione di pubblico dominio.

• Esercizi risolti– Esempi di esercizi di analisi e progetto (oltre quelli presenti

nel testo) completamente risolti.

Uso e navigazione nel CD:

Inserire il CD e lanciare index.htmIl CD-ROM può essere esplorato attraverso- collegamenti dalla pagina base (indice),- collegamenti dalle pagine indice tematiche (figure attive, note applicative, data sheet, laboratori, …),- collegamenti dalla mappa testuale.I documenti terminali sono generalmente .pdf; nel sistema deve esserepresente Acrobat Reader.Da ogni pagina (tranne i documenti terminali) si può saltare direttamente:- al sito McGraw-Hill (logo in alto a destra)- alla pagina iniziale (secondo logo da destra,o freccia rossa)- alla mappa testuale (freccia verde)


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24-Feb-03 - 15 ETLCT - A0 - © 2002 DDC


• Laboratorio– Guide, manuali e altro materiale per l'esecuzione delle

esercitazioni sperimentali descritte nel testo.

• Note applicative– Monografie su argomenti e componenti collegati al testo, utili

per approfondimenti ed esercitazioni su temi specifici.

• Data sheet– Data sheet dei componenti usati nei laboratori o descritti nel

testo (da siti di fabbricanti di componenti e sottosistemi).

• Link esterni– Collegamenti a siti di fabbricanti con note applicative e data

sheet. (richiede connessione a Internet).

Note applicative e data sheets provengono dai siti dei fabbricanti dicomponenti e moduli funzionali.Altri documenti analoghi sono reperibili nei siti esterni indicati.


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24-Feb-03 - 16 ETLCT - A0 - © 2002 DDC

Indice grafico - 1

• Schema a blocchi di un sistema radio di ricezione-trasmissione.• Immediato riscontro applicativo per la maggior parte degli

argomentitrattati.

• Il testo copreanche altriargomenti.

• Alcuni modulisono trattatiin altri corsi.

Il sistema di riferimento è un ricetrasmettitore, corrispondente (con qualcheapprossimazione) a un telefono cellulare o all’interfaccia radio di una retewireless.Permette un immediato riscontro applicativo per i moduli funzionali e icircuiti presentati nel testo.La corrispondenza tra questo testo e il sistema scelto come applicazione diriferimento non è totale: -Il testo copre le funzionalità individuabili in questo sistema, ma anche altri argomenti, principalmente legati alle comunicazioni wireline.- Alcune parti del sistema (ad esempio l’antenna, o il controllo digitale) sono trattate in altri corsi e in altri testi.


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24-Feb-03 - 17 ETLCT - A0 - © 2002 DDC

Indice grafico - 2

Portando il cursore suun modulo compareuna descrizionesintetica dellafunzione

(con Internet Explorer)

L’indice grafico è una mappa attiva.

I colori identificano le varie categorie di moduli funzionali.

Portando il cursore su un gruppo di moduli compare una descrizionesintetica della funzione (utilizzando Internet Explorer o altri browser chesupportano layer).


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24-Feb-03 - 18 ETLCT - A0 - © 2002 DDC

Indice grafico - 3

Cliccando sui modulicompare una nuovafinestra conspiegazione e guidadidattica del capitolocorrispondente

L’indice grafico è una mappa attiva.

Cliccando su un gruppo di moduli viene aperta una descrizioni piùdettagliata, comprendente le guide didattiche dei capitoli in cui sono trattatiargomenti attinenti.


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24-Feb-03 - 19 ETLCT - A0 - © 2002 DDC

Figure attive e simulatori - 1

• Simulatore– Permette di calcolare il comportamento di un circuito o

sottosistema in diverse condizioni di funzionamento.Generalmente non è possibile l'interazione in tempo reale.

• Figura attiva (smart drawing)– simulatore grafico interattivo, che permette di osservare in

tempo reale l'effetto di variazioni dei parametri di unsottosistema.

– effetto analogo all'interazione con strumenti in un laboratorio:variando ampiezza e frequenza di un segnale di ingresso siosservano su un oscilloscopio gli effetti sull'uscita

– A ogni simulatore è abbinata una breve spiegazione, conindicazioni sulle combinazioni di parametri più significative

Un normale simulatore permette di calcolare il comportamento di uncircuito o sottosistema in diverse condizioni di funzionamento.Generalmente non è possibile l'interazione in tempo reale.Nel CD è presente un simulatore (FilterCAD della Linear Technology) chepermette di progettare e simulare il comportamento di vari tipi di filtri.Altri simulatori possono essere scaricati dai collegamenti esterni indicati.


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24-Feb-03 - 20 ETLCT - A0 - © 2002 DDC

Figure attive e simulatori - 2

• Esempio: risposta del II ordine

La figura attiva (smart drawing) è un simulatore grafico interattivo, chepermette di osservare in tempo reale l'effetto di variazioni dei parametri diun sottosistema.Visivamente si presenta con effetto analogo all'interazione con strumenti inun laboratorio: ad esempio variando ampiezza e frequenza di un segnale diingresso si osservano su un oscilloscopio gli effetti sull'uscitaA ogni figura attiva è abbinata una breve spiegazione, con indicazioni sullecombinazioni di parametri più significative (bottone “spiegazione” in alto adestra).Nel CD sono presenti figure attive realizzate come applet java, e unsimulatore interattivo per linee di trasmissione realizzato in MatLab. Questosimulatore è stato preparato al Politecnico di Torino, nel corso diElettronica delle Telecomunicazioni, con il supporto del Programma per ilmiglioramento di qualità della didattica - Facoltà dell’Informazione. Ilsimulatore è disponibile come eseguibile, quindi non richiede installazioneo licenza dell’ambiente MatLab.


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24-Feb-03 - 21 ETLCT - A0 - © 2002 DDC

Obiettivi della presentazione

• Descrivere organizzazione, contenuti e caratteristichedel testo “Elettronica per telecomunicazioni”

• Indicare gli elementi caratterizzanti del testo

• Fornire informazioni sull’utilizzo del materiale su CD– simulatori interattivi– note applicative e data sheet

• Individuare una applicazione di riferimento

• Descrivere i collegamenti del testo con questaapplicazione

A questo punto inizia la descrizione di una applicazione di riferimento o, piùin generale, delle architetture di sistemi di ricetrasmissione, in cui sonopresenti buona parte degli argomenti trattati nel testo.

La presentazione tratta:- Struttura di RX e TX (telefono cellulare GSM)- strutture di ricevitori radio (dal ricevitore a diodo alla SW radio)- identificazione dei moduli funzionali- loro corrispondenza con i capitoli del testo


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24-Feb-03 - 22 ETLCT - A0 - © 2002 DDC

Sistema di riferimento

• Principale applicazione di riferimento:• sistema radio ricevente e trasmittente

– telefono cellulare, interfaccia wireless LAN» sistema complesso (anche 100.000.000 transistori),» contiene quasi tutti i moduli descritti nel testo» utilizza tecnologie diversificate» forte integrazione» buon esempio di elettronica “moderna”

• altra applicazione di riferimento– connessioni/reti su filo

» problemi simili» canale e parametri diversi

Gli argomenti trattati nel testo sono legati da un unico filo conduttore:l’esplorazione di un sistema radiomobile di generazione intermedia(telefono cellulare GSM: un “telefono con l’antenna”, ormai quasi“vecchio”).Si tratta di un sistema complesso, che comprende una ampia varietà dimoduli funzionali, e offre una visuale più ampia rispetto alle architetture piùmoderne tipo SDR (Software Defined Radio). Inoltre corrisponde allamaggior parte degli apparati in uso e in produzione.Questo sistema non esaurisce il contenuto del testo, che descrive eanalizza anche elementi presenti nei sistemi di comunicazioni wireline:tecniche e circuiti per trasferimento di segnali digitali ad elevata velocità,separazione dati-clock, sincronizzazione, controllo di flusso.Per iniziare una analisi della struttura verrà costruita passo passo la catenadi ricezione.


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24-Feb-03 - 23 ETLCT - A0 - © 2002 DDC

Ricevitore elementare

Filtro, Amplificatore eDemodulatore a frequenzavariabile.

La sintonia si esegue spostandola frequenza di risonanza delfiltro fA.

Vu

ANT.

DEMOD.Va

f

fA

Questo è lo schema a blocchi della forma più semplice di ricevitore: unfiltro isola il segnale a radiofrequenza desiderato, un amplificatore lo portaal livello opportuno, il demodulatore recupera l’informazione.Per selezionare i vari segnali occorre cambiare le caratteristiche del filtro.Amplificatore e demodulatore devono operare su tutto il campo difrequenza richiesto


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24-Feb-03 - 24 ETLCT - A0 - © 2002 DDC

Principio del ricevitore eterodina

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

La sintonia si ottiene variando fo

Filtro diingresso(F variabile)

XO

DEMOD.VaVu

Filtro e Amplificatore(F fissa fi)

f

fa fOfi = fa - fo

fa

fO

canale FIfi = fa - fo

La maggior parte dei ricevitori attuali utilizza la tecnica eterodina.Il segnale di ingresso viene traslato in frequenza moltiplicandolo con ilsegnale generato da un oscillatore locale. L’uscita (Frequenza IntermediaFI) ulteriormente filtrata e amplificata va al demodulatore. La sintonia vieneeseguita cambiando la frequenza dell’oscillatore locale.Il principale vantaggio di questa struttura è che la catena filtro-amplificatore-demodulatore opera a frequenza fissa.Gli unici elementi a frequenza variabile sono il filtro di ingresso el’oscillatore.


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24-Feb-03 - 25 ETLCT - A0 - © 2002 DDC

Introduciamo il digitale - 1

Molte applicazioni utilizzano datiespressi in forma numerica.

XO

VaVu

Amplificatore Fi(F fissa)

Demodulatoreanalogico

DEMOD. A/D


canale FI

I circuiti digitali presentano consistenti vantaggi rispetto a quelli analogici.Il primo passo per introdurre strutture digitali nel ricevitore radio consistenell’inserire un convertitore A/D in coda alla catena: il segnale demodulatoviene convertito in forma numerica.


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24-Feb-03 - 26 ETLCT - A0 - © 2002 DDC

Introduciamo il digitale - 2

Il demodulatore numerico può usare algoritmi complessiE’ possibile cambiare facilmente modulazione

Il convertitore A/D deve operare a frequenza relativamente alta.

XO

VaVu

Amplificatore Fi(F fissa)

A/D

Demodulatorenumerico

DEMOD.


canale FI

Per incrementare le funzioni svolte in forma numerica, il convertitore A/Ddeve essere spostato verso la parte iniziale della catena.Il demodulatore diventa così numerico.Il convertitore A/D deve operare sul segnale a frequenza intermedia.

Le caratteristiche dell’amplificatore FI dipendono dal tipo di modulazione;


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24-Feb-03 - 27 ETLCT - A0 - © 2002 DDC

Anticipiamo il digitale

E’ possibile cambiare a SW le caratteristiche del canale FI

Ia presenza del filtro FI numerico aumenta le richieste computazionali

Filtro e Amplificatore di ingressobasso rumore, ampia dinamica:LNA

XO

canale FIVu

A/D

Filtro FI e Demodulatorenumerici

DEMOD.Va

Un ulteriore passo consiste nel portare nella parte numerica anche lefunzioni del filtro a Frequenza Intermedia.La frequenza operativa del convertitore A/D rimane invariata; aumenta lacomplessità computazionale richiesta alla parte numerica.


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24-Feb-03 - 28 ETLCT - A0 - © 2002 DDC

:

Demodulazione I/Q

• Catena di demodulazione I/Q:

-:

cos

sentsenVV

tcosVV

S

C

ω×=

ω×=!

!

Operazioni eseguitegeneralmente in analogica(moltiplicatori e filtri) -

Operazioni eseguite indigitale, dai circuiti logicidopo i convertitori A/D

C

S

2S

2C

VVarctgV

VVV

=∠

+=!

!

Vc

Vs

V

Le operazioni sul segnale possono essere condotte scomponendolo nellecomponenti in fase e in quadratura (I/Q). L’operazione richiede il prodottocon due segnali di riferimento I/Q (seno e coseno).Dalle due componenti I/Q (Vc e Vs) possono essere ricavate facilmente leinformazioni di fase e ampiezza, quindi la tecnica è particolarmente adattaper modulazioni numeriche che operano su ampiezza e fase del segnale.


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24-Feb-03 - 29 ETLCT - A0 - © 2002 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

π/2

VQRamo segnale Q

|V|, ∠ V

Va

Schema a blocchi di un ricevitore con conversione A/D a FrequenzaIntermedia, su due rami I/Q.Filtro a FI e demodulatore sono numerici.In questa struttura la maggior parte delle funzioni sono eseguite sulsegnale numerico, ma sono ancora presenti alcuni moduli analogici:l’oscillatore locale e i mixer.

Questo è lo schema base di riferimento per gli oggetti descritti in questocorso.


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24-Feb-03 - 30 ETLCT - A0 - © 2002 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

Il passo successivo consiste nello spostare la conversione A/Dulteriormente verso l’inzio della catena, in pratica unificando il battimentoche produce il segnale FI con il campionamento necessario per laconversioneIn questo modo gli unici componenti analogici rimasti sono il filtro el’amplificatore di ingresso.Il convertitore A/D opera direttamente sul segnale RF, e deve avere ottimecaratteristiche di velocità, dinamica, linearità.L’oscillatore locale è direttamente comandato dalla parte numerica.Le funzioni digitali possono essere svolte da circuiti dedicati (generalmenterealizzati con logiche programmabili), o con un processore (DSP: DigitalSignal Processor) controllato da un opportuno programma.Tutti i parametri di funzionamento (frequenza del segnale ricevuto,caratteristiche del filtro FI, tipo di demodulazione) sono quindi controllabiliattraverso il programma del DSP.Questa struttura è un esempio di SDR: Software Defined Radio.


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24-Feb-03 - 31 ETLCT - A0 - © 2002 DDC

SDR con canali I/Q

DSP

Componenti analogici:- filtro- LNAIl filtro alleggerisce lespecifiche su LNA(riduce i segnali fuoribanda)

Va

DEMOD.

A/D

A/D

Oπ/2

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

La struttura precedente può essere realizzata con canali sdoppiati I/Q.Questo schema è una piattaforma HW per ricevitore universale (entro ilimiti di banda del filtro e dell’amplificatore di ingresso, e le capacità dielaborazione della parte numerica).A seconda del programma del DSP (sempre che questo disponga dellapotenza di elaborazione richiesta), il sistema può operare su segnali confrequenza e tipi di modulazione differenti.

Le strutture SDR sono descritte e analizzate in dettaglio nel corso diElettronica delle Telecomunicazioni II (Laurea Specialistica).


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24-Feb-03 - 32 ETLCT - A0 - © 2002 DDC

Esempio di Struttura reale di RTX

Questo è uno schema a blocchi che comprende anche la parte ditrasmissione.Lo schema rappresenta un telefono cellulare bibanda, realizzato concomponenti commerciali.La struttura è con canali I/Q, e conversione A/D o D/A dopo la frequenzaintermedia.Da notare la presenza di segnali differenziali in diverse parti, e la strutturaeterodina a doppia conversione sia in ricezione che in trasmissione.


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24-Feb-03 - 33 ETLCT - A0 - © 2002 DDC

Dettaglio parte ricezione I/Q

Parte della catena di ricezione:- filtri, amplificatori, PLL, mixer- convertitori A/D- demodulatore numerico

Dettaglio della catena di ricezione; si notano:

- due ingressi a FI, provenienti da canali FI con bande diverse- generatore del secondo oscillatore locale realizzato con PLL- sfasatore per generare i segnali locali per i mixer I/Q

In questa sezione i segnali sono tutti differenziali.


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24-Feb-03 - 34 ETLCT - A0 - © 2002 DDC

Struttura di trasmettitore I/Q

Parte della catena di trasmissione:- convertitori D/A, amplificatori, filtri- PLL, mixer,

Dettaglio della catena di trasmissione; si notano (da destra verso sinistra):

- due ingressi di segnale modulato I/Q- generatore dell’oscillatore locale realizzato con sistema PLL, seguito dallo sfasatore I/Q- secondo mixer e parte del relativo PLL.


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24-Feb-03 - 35 ETLCT - A0 - © 2002 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

XXMOD.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 esintetizzatori

Canale TX - I/Q

microP, DSP, memoria,..

Interfacciautente

Schema a blocchi di riferimento

Lo schema a blocchi è quello utilizzato per l’indice grafico; i modulipresentati in questo corso sono:

Parte RF (RX e TX)- LNA, PA, oscillatori, PLL, DDS, mixer, filtri

IF e banda base- amplificatori FI, filtri demodulatori,

Interfaccia tra parte analogica e parte digitale- codifica della voce- convertitori A/D e D/A veloci


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24-Feb-03 - 36 ETLCT - A0 - © 2002 DDC

Gruppo di lezioni A

• Informazioni logistiche e organizzative• Applicazione di riferimento

– caratteristiche e tipologie di moduli• Circuiti con operazionali reazionati

– noti dai corsi precedenti (Sistemi ELN, Elettronica Analogica)• Amplificatori con transistori

– rete di polarizzazione– analisi con modello lineare e nonlineare BJT e MOS– applicazioni della nonlinearità

• Oscillatori• Mixer

I primi due punti, di carattere informativo e organizzativo, sono statipresentati nei cartelli precedenti. Iniziano ora i contenuti tecnici veri epropri.

Come primo passo identifichiamo le varie tipologie di amplificatori presentinel sistema di riferiemento.


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24-Feb-03 - 37 ETLCT - A0 - © 2002 DDC

Amplificatori con A.O.: dove ?

Interfaccia segnali audio(microfono e altoparlante).

Amplificatori canale IF

Amplificatori e filtri diingresso dei convertitori A/D.

Il primo gruppo di argomenti (A) riguarda amplificatori di vario tipo,oscillatori, mixer, e fa riferimento ai Capitoli 1 e 2 del testo.

Possiamo identificare due categorie di amplificatori. La prima comprende icircuiti realizzati con A.O. reazionati, che nel sistema di riferimento sonopresenti nella parte di condizionamento dei segnali adiacente ai convertitoriA/D e D/A (parte a frequenza intermedia e parte audio). Questi circuiti sonodescritti nel capitolo 2 del testo.

Gli amplificatori e i filtri di condizionamento per i convertitori A/D sonorealizzati con amplificatori operazionali reazionati, e sono stati descritti nelcorso di Elettronica Analogica.


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24-Feb-03 - 38 ETLCT - A0 - © 2002 DDC

Amplificatori con transistori: dove ?

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

La seconda tipologia di amplificatori è rappresentata da amplificatori adampio segnale e accordati realizzati a componenti discreti; circuiti di questotipo sono presenti nel front-end a RF di ricezione e trasmissione, e sonodescritti nel capitolo 1 del testo.


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24-Feb-03 - 39 ETLCT - A0 - © 2002 DDC

Prossima lezione (A1)

• Amplificatori con transistori– circuito di riferimento– analisi in linearità– comportamento fuori linearità

» distorsione e spettro di uscita» variazione di guadagno

• Laboratorio 1– specifiche e guida per il progetto

• Riferimenti nel testo– Circuiti con transistori 1.1, 1.2


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24-Feb-03 - 40 ETLCT - A0 - © 2002 DDC

Prerequisiti lezioni gruppo A

• Transistori bipolari e MOS– circuiti di polarizzazione– modelli per piccolo segnale– modelli per ampio segnale

• Modelli di giunzione pn– equazione logaritmica

• Circuiti risonanti– parametri– risposta infrequenza

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Elettronica delle telecomunicazioni - Politecnico di Torino · Si tratta di un corso di elettronica applicata, con approccio top-down. Si inizia individuando i principali moduli funzionali