A figura 3.1 apresenta o diagrama dos blocos constituintes de uma cadeia de comunicação bidirecional sem fios, onde se enquadra o bloco de RF e o processador de banda base.
Cadeia de emissão Cadeia de receção Combinador Banda Base Banda Base Canal Rádio Canal Rádio TX RX Bloco Rádio-Frequência Informação DAC ADC Q I Oscilador Local Discreto Analógico Processador de Banda Base
Figura 3.1: Cadeia de emissão e receção genérica partilhando o mesmo oscilador local.
O bloco de RF é composto pelas cadeias de emissão e de receção que partilham o mesmo oscilador local. Este é um método de implementação do referido bloco, conforme apresentado nos trabalhos [18][52][53], e em circuitos comerciais [11][54], relativos às normas IEEE802.11a/b/g [2][3][4].
Em modo emissão, o processador de banda base processa a informação digital a transmitir e converte-a num sinal analógico de banda base, que é aplicado à cadeia de emissão. O canal rádio é gerado e transmitido pela antena.
Em modo receção, os canais captados pela antena passam por um processo de conversão inverso. O canal rádio é convertido para banda base e aplicado ao processador de banda base, que realiza as operações necessárias para a recuperação da informação recebida. Para além de efetuar a necessária conversão de sinais de analógico para digital e vice-versa, o processador tem ainda a seu cargo funções de filtragem do sinal de banda base, bem como de controlo do sistema rádio.
De acordo com os tópicos apresentados na secção 1.2.2 para o estudo realizado a informação contida no canal não é importante, mas sim a forma como o canal é gerado, pois é com base no processo de conversão em frequência que se aferem as caraterísticas do oscilador local.
Sistemas Rádio para Comunicações sem Fios 23
3.1.1 Cadeia de Emissão
A figura 3.2 (a) representa a cadeia de emissão simplificada de um sistema rádio baseado num modulador IQ. Os conversores digital/analógico (DAC-Digital to Analog Converter) geram os sinais modulantes IQ em banda base, os quais são aplicados à cadeia de emissão nas entradas do misturador.
Banda Base Canal Rádio Cadeia de emissão I Q PA sRFt(t) Q I Q I mI(t) mQ(t) M( f ) sTX (t) (a) (b) DAC Canal Transmitido Canais Adjacentes f fo Proc. BB
Figura 3.2: (a) Cadeia de emissão; (b) Espetro do sinal transmitido e canais adjacentes.
Os sinais modulantes em fase e quadratura, descritos por mI(t) e mQ(t), respetivamente, vão modular a portadora IQ proveniente do oscilador local. O sinal modulado resultante, sRFt(t) é dado por
sRFt t=mIt⋅cos2 π fotmQt⋅sen 2 π f ot , (3.1) onde fo corresponde ao valor da frequência da portadora, ou seja, ao valor da frequência
central do canal modulado.
O sinal sRFt(t) dá entrada no amplificador de potência (PA-Power Amplifier),
obtendo-se o sinal sTX(t), que corresponde ao canal rádio centrado na frequência da
portadora, com a potência de emissão desejada.
De acordo com a figura 3.2 (b), é necessário ter em conta o desempenho não só dos filtros existentes no bloco de RF e de banda base (omissos para simplicidade da figura) bem como o desempenho do oscilador local. Este deverá apresentar uma portadora com a frequência desejada e precisão necessária para satisfazer as exigências espetrais, impostas pela norma a implementar.
Os canais rádio gerados devem cumprir as especificações indicadas nas normas, nomeadamente a potência transmitida, frequência central do canal e respetiva largura de banda.
A gestão do espetro, nomeadamente na banda ISM, leva a que a largura de banda disponível para cada utilizador seja da ordem das centenas de kHz às dezenas de MHz, centrada em frequências na gama dos GHz. Como exemplo, na norma IEEE802.11a/b/g, os canais rádio têm largura de banda de 20 MHz em torno dos 2,4 GHz e 5,2 GHz.
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3.1.2 Cadeia de Receção
A figura 3.3 (a) representa a cadeia de receção simplificada, baseada na topologia de conversão direta. Esta é composta pelo amplificador de baixo ruído (LNA-Low Noise
Amplifier), o misturador, o oscilador local e o conversor analógico/digital (ADC-Analog to Digital Converter). sRFr(t) LNA mIrx(t) mQrx(t) I Q Q I Q I ADC Cadeia de receção Banda Base sRX (t)
(a)
(b)
Canal Recebido Canais Adjacentes ff
o Proc. BBFigura 3.3: (a) Cadeia de receção; (b) Espetro do sinal recebido e canais adjacentes.
O LNA tem como principal função amplificar o sinal recebido pela antena. Simultaneamente esta amplificação tem de gerar ruído mínimo. Uma vez que este amplificador é o primeiro elemento da cadeia, este tem maior influência no fator de ruído total do recetor [17]. O LNA tem de apresentar uma gama dinâmica elevada devendo ser dimensionado de forma a amplificar sinais com potências muito distintas [17].
O sinal sRX(t), após ser captado pela antena, é amplificado pelo LNA, resultando no
sinal sRFr(t). Este sinal, contém a informação dos canais IQ, separados posteriormente pelo
processo de desmodulação.
Os sinais recuperados, designados por mIrx(t) e mQrx(t), são aplicados ao ADC do processador de banda base. Este realiza o processamento digital de sinal necessário para recuperar a informação recebida, com a mínima taxa de erros possível.
A figura 3.3 (b) representa o espetro do sinal recebido pela antena. Apresenta-se o canal a desmodular, bem como os canais adjacentes existentes em torno do canal desejado. Para que seja realizada a correta desmodulação do canal rádio, para além da filtragem do sinal em banda base se efetuar de uma forma seletiva, com processamento digital, o oscilador local tem de apresentar o mínimo de ruído de fase.
Conforme se verifica, o oscilador local tem um papel preponderante nos processos de conversão em frequência. Para facilitar a exposição, os blocos constituintes das cadeias de emissão e receção são apresentados em figuras diferentes. No entanto, dada a capacidade de integração, o oscilador é partilhado por ambas as cadeias. Desta forma, garante-se que um dado sistema de comunicação bidirecional tira partido do mesmo oscilador, com as mesmas caraterísticas de ruído.
Sistemas Rádio para Comunicações sem Fios 25 Os processos de modulação e desmodulação apresentados são efetuados exclusivamente de forma analógica. Os valores de frequência da portadora são elevados (GHz), definidos pelas normas a implementar. Ao longo dos últimos anos, a constante procura de circuitos parcial ou totalmente integrados e de baixo consumo, levou à pesquisa e consequente evolução dos sistemas rádio de emissão e receção [21][53][52][55][56]. Na secção seguinte apresentam-se as técnicas de codificação e modulação de sinais com conteúdo digital.