Receptor Generalitat, Conversie Directa

GENERALITĂŢI Rolul unei instalaţii de recepţie radio este de a transforma energia undelor electromagnetice din mediul de propagare într-o formă de energie care poate fi asimilată de către utilizatorul acesteia. Pentru aceasta, orice instalaţie de recepţie necesită trei blocuri funcţionale distincte: antena de recepţie AR, receptorul radio R şi dispozitivul final DF. Antena de recepţie captează câmpul electromagnetic radiat de emiţătorul corespondentului împreună cu alte semnale şi perturbaţii externe, pe care le transformă în tensiuni sau curenţi de radiofrecvenţă ce se aplică la intrarea receptorului. Receptorul separă semnalul util din multitudinea de semnale şi perturbaţii de la intrarea sa şi îl prelucrează astfel încât să dispozitivul final să poată traduce informaţia transmisă de corespondent către destinatar. În funcţie de tipul legăturii radio, dispozitivul final poate fi un difuzor, un tub catodic, un calculator electronic etc. În cele ce urmează vom face referiri numai la receptorul radio propriu-zis. Pentru a-şi putea realiza rolul său funcţional, un receptor radio trebuie să îndeplinească anumite sarcini, dintre care următoarele sunt esenţiale: 1. adaptarea cu interfaţa cu mediul de propagare (antena); 2. selecţia semnalelor de interes; 3. rejecţia (atenuarea) semnalelor nedorite; 4. amplificarea cu un factor suficient de mare; 5. demodularea; 6. detecţia şi corecţia erorilor; 7. asigurarea condiţiilor necesare transferului informaţiei la ieşire. Adaptarea cu antena permite realizarea unui transfer maxim de putere între cele două elemente ale instalaţiei de recepţie. O sarcină importantă a unui receptor radio este aceea de a selecta semnalele dorite din multitudinea de semnale prezente la intrarea sa şi de a le rejecta pe cele nedorite. Metodele de bază folosite de receptor pentru diferenţierea semnalelor constau în selecţia după frecvenţă, selecţia în timp şi selecţia după cod. Tipul de modulaţie poate constitui, de asemenea, o modalitate de diferenţiere a semnalelor, dar capacitatea receptoarelor de a face diferenţa doar pe baza tipului de modulaţie folosit este, de obicei, insuficientă. Dacă luăm în considerare şi antena de recepţie, la cele de mai sus putem adăuga selecţia spaţială şi cea după tipul de polarizare a undelor electromagnetice. Selecţia după frecvenţă se face cu ajutorul unor filtre trece bandă şi a unor generatoare de semnale cu frecvenţă foarte stabilă. În general, într-un receptor avem două tipuri de filtre, unele reglabile, ce se acordează pe

frecvenţa purtătoare utilizată în mediul de propagare şi unele fixe, acordate pe frecvenţa intermediară a receptorului. Când într-o anumită gamă de frecvenţe există mai multe emiţătoare care operează pe frecvenţe diferite, un receptor performant poate asigura o atenuare a semnalelor de pe canalele alăturate cu 80 dB sau chiar mai mult, folosind filtre trece bandă. Din punct de vedere istoric, selecţia şi rejecţia semnalelor după frecvenţa acestora a fost prima şi, mult timp, singura metodă folosită pentru diferenţierea semnalelor. Recent, din cauza nevoilor de separare a tot mai mulţi utilizatori între ei, această metodă generală de diferenţiere după frecvenţa de emisie a căpătat denumirea de acces multiplu cu diviziune în frecvenţă – FDMA. Când cele mai solicitate frecvenţe au fost alocate, diviziunea în frecvenţă a fost lărgită folosind şi separarea spaţială între utilizatorii aceleiaşi frecvenţe. Dar, mobilitatea celor mai mulţi dintre utilizatorii actuali a determinat utilizarea unor noi metode de selecţie şi diferenţiere a semnalelor, cu toate că frecvenţa este şi va rămâne întotdeauna o caracteristică importantă a semnalului (fără frecvenţă nu se poate face o separaţie între semnale).

Fig. 7.1 Acces multiplu cu diviziune în frecvenţă – FDMA O tehnică foarte folosită pentru a face diferenţa între semnale constă în desemnarea unor intervale de timp diferite sau ”slots”, aşa-zişilor utilizatori. Aceasta reprezintă tehnica de acces multiplu cu diviziune în timp – TDMA. În aplicaţiile telefonice, un semnal vocal analogic este discretizat folosind 8000 de eşantioane pe secundă şi un număr de 8 biţi pentru fiecare eşantion. Rezultă, de aici, o viteză de transmisie a semnalului vocal de 8 × 8000 = 64 kbps. Multiplexând 24 de astfel semnale vocale digitale de 64kbps rezultă un semnal multiplex cu viteza de transmisie de

24 × 64 = 1536 kbps, la care se adaugă 8kbps pentru evidenţa cadrului în care se află fiecare utilizator, rezultând în final 1544kbps. La ora actuală există multe aplicaţii ce folosesc diviziunea în timp ca instrument pentru a asigura selectivitatea. Performanţele sistemelor cu diviziune în timp, ca şi a celor cu diviziune în frecvenţă, depind de stabilitatea oscilatoarelor receptorului şi de abilitatea acestuia de a sincroniza cu cadrul dorit din semnalul multiplex. Cu toate acestea, încă mai este necesară existenţa filtrelor pentru selecţie şi rejecţie.

Fig. 7.2 Acces multiplu cu diviziune în timp – TDMA O altă metodă, destul de viabilă la ora actuală, constă în folosirea codurilor pentru diferenţierea semnalelor. Această tehnică este folosită, de obicei, în sistemele cu spectru împrăştiat, unde procesul de modulare cu un anumit cod implică o lărgire a spectrului de frecvenţe ocupat, cu mult peste lărgimea de bandă necesară transmiterii informaţiei propriu-zise. Aceste sisteme asigură accesul multiplu cu diviziune în cod – CDMA. Principala limitare a acestei tehnici este determinată de greutatea de obţinere a unor coduri ortogonale, fapt ce permit receptorului să facă diferenţierea clară între coduri. O altă limitare este determinată de faptul că, rejecţia unui semnal nedorit depinde de raportul dintre lărgimea de bandă şi viteza de transmitere a informaţiei. De aceea, abilitatea receptorului de a rejecta semnalele nedorite este adesea limitată de lipsa unei lărgimi suficiente de bandă disponibilă. Sistemele cu selecţie după cod arareori (sau poate niciodată) pot asigura o selectivitate la fel de bună ca un receptor cu selecţie în frecvenţă cu filtre trece bandă. După cum am mai menţionat, un filtru trece bandă poate asigura o atenuare de 80 dB a semnalului nedorit, în timp ce codurile pot asigura o atenuare de numai 40 dB.

Cel mai important subansamblu al receptorului este demodulatorul deoarece nivelul semnalului şi raportul semnal/zgomot la intrarea acestuia determină calitatea informaţiei prezentate destinatarului. El asigură extragerea informaţiei din semnalul recepţionat, fiecare tip de modulaţie necesitând un demodulator specific, indiferent dacă informaţia transmisă este în formă analogică sau discretă. Tehnicile de detecţie şi corecţie a erorilor îmbunătăţesc performanţele unui sistem de comunicaţii din punct de vedere al ratei erorilor de bit. Rolul receptorului este de a decodifica informaţia primită în formă discretă, folosindu-se de redundanţa semnalului codificat recepţionat. În practică, un simbol poate fi corect identificat chir dacă 15% din biţi sunt eronaţi. Din cauza redundanţei, viteza necesară pentru transmiterea semnalului codificat este mult mai mare decât cea necesară pentru transmiterea semnalului necodificat, ceea ce va necesita ca banda alocată să fie mai mare. Ca o regulă, înrăutăţirea raportului semnal/zgomot datorată lărgirii corespunzătoare a benzii de trecere a receptorului trebuie să fie compensată de îmbunătăţirea calităţii legăturii prin introducerea codificării. Cerinţele impuse la ieşirea receptorului sunt dependente în mare măsură de destinaţia acestuia. Receptoarelor radio analogice pentru semnale cu modulaţie liniară li se impune să asigure un raport (semnal+zgomot)/zgomot la ieşire de cel puţin 10 dB, în condiţiile în care semnalul la intrarea receptorului are nivelul minim admis. Acest raport a fost determinat în mod subiectiv, pe baza capacităţii de recunoaştere a informaţiei de către ascultători neantrenaţi, în condiţii tipice de operare. De obicei, calitatea recepţiei semnalului util la ieşire se apreciază folosind rata erorii de bit, raportul (semnal+zgomot)/zgomot sau raportul dintre energia pe bit şi densitatea puterii de zgomot - Eb N 0 . Nivelul semnalului de ieşire şi impedanţa de ieşire a receptorului variază mult în funcţie de destinaţia receptorului. 7.2

ARHITECTURI DE RADIORECEPTOARE

Un deziderat în proiectarea receptoarelor radio software este plasarea convertorului analog digital cât mai aproape posibil de antenă. Un aspect important al utilizării CAD într-un sistem de mare viteză constă în înţelegerea procesului de eşantioane. Ideal, lărgimea de bandă a semnalului informaţional, ce poate fi supusă unei conversii analog-digitale, poate conţine toate frecvenţele de la curent continuu la jumătate din frecvenţa de eşantionare. Procesorul poate realiza filtrarea digitală, decimarea semnalului

şi alte procesări suplimentare pentru extragerea informaţiei dintr-o transmisiune particulară de radiofrecvenţă. O singură configuraţie hardware poate asigura operarea ca receptor multimod prin simpla schimbare a programului de prelucrare software. Singura problemă care apare este lipsa de putere de procesare în timp real la frecvenţe mari. De exemplu, pentru o frecvenţă maximă de interes de 1,6 GHz avem nevoie de o frecvenţă de eşantionare mai mare de 3,2 GHz. Cu tehnologia actuală este imposibil de imaginat un sistem discret care să prelucreze eşantioanele primite la o rată aşa de mare. În acest caz trebuie avute în vedere şi alte alternative. O variantă constă în introducerea unuia sau mai multor etaje de schimbare de frecvenţă. Oricum, aceasta presupune introducerea de componente hardware între convertorul analog digital şi antenă, ceea ce este contrar filozofiei de proiectare a receptorului radio software. O altă opţiune constă în eşantionarea unei anumite benzii de frecvenţe de interes, direct la ieşirea preselectorului, ceea ce se încadrează în linia de obiective de urmat în proiectarea unui receptor radio software. Eşantionarea benzii de trecere a preselectorului este strâns legată de lărgimea de bandă a semnalului informaţional, frecvenţa de eşantionare necesară fiind determinată de lărgimea de bandă a semnalului informaţional şi nu de frecvenţa purtătoare. Rezultă că rata de procesare poate fi redusă semnificativ. 7.2.1 Receptor radio cu conversie directă Cea mai recomandată interfaţă analogică pentru un receptor radio cu prelucrare digitală a semnalelor, în cazul în care se impune un traseu de radiofrecvenţă de bandă largă, o reprezintă arhitectura cu conversie directă sau frecvenţă intermediară zero. În acest caz, semnalul de radiofrecvenţă recepţionat este mai întâi amplificat într-u amplificator cu zgomot redus – LNA, apoi este translatat direct în banda de bază cu ajutorul unui mixer şi a unui oscilator în cuadratură, ca în fig. 7.3. Semnalele I şi Q sunt prefiltrate cu ajutorul unor filtre antialiere trece jos, cu frecvenţa de tăiere variabilă, apoi sunt convertite în digital cu ajutorul celor două CAD. Pentru a se adapta la gama dinamică a semnalelor de la intrare, pe fiecare canal în parte avem amplificatoare prevăzute cu posibilitatea de reglare automată a amplificării. Traseul digital va selecta canalul dorit în vederea extragerii informaţiei originale.

Fig. 7.3 Receptor radio cu conversie directă cu eşantionare în banda de bază O astfel de structură nu este caracterizată de prezenţa canalului imagine, specific altor structuri, astfel încât problema atenuării acestuia nu se impune. Totuşi, orice imperfecţiune legată de dezechilibrul de fază sau amplitudine în prelucrarea semnalelor pe cele două canale, poate provoca un răspuns imagine rezidual sau latent faţă de frecvenţa de zero hertzi (curent continuu), iar semnalele mari, cu modulaţie liniară, determină distorsiuni de neliniaritate de ordinul doi în jurul componentei de curent continuu, în special în aplicaţii multicanal. În cazul unei astfel de arhitecturi eşantionarea semnalului se face în banda de bază. Pentru a înţelege particularităţile eşantionării semnalului în banda de bază vom considera, mai întâi, un semnal sinusoidal, monotonal, de frecvenţă f a , eşantionat cu o frecvenţă f s ( f s > 2 f a ) de către un circuit ideal de eşantioane (fig. 7.4 a). Spectrul la ieşirea circuitului de eşantionare va reprezenta imaginile semnalului original în jurul multiplilor lui f s , adică la frecvenţele: ± kf s ± f a cu k = 1, 2, 3, 4, ........

(7.1)

Definim lărgimea de bandă Nyquist ca spectrul de frecvenţe cuprins între 0 şi f s 2 . Spectrul de frecvenţe este împărţit într-un număr infinit de zone Nyquist, fiecare având lăţimea egală cu 0,5 f s . În practică, circuitul de eşantionare ideal este înlocuit cu un CAD urmat de un procesor FFT, care

furnizează la ieşire spectrul de la 0 la f s 2 , adică semnalele sau imaginile care apar în prima zonă Nyquist.

Fig. 7.4 Eşantionarea semnalelor radio Vom considera, în continuare, cazul unui semnal ce se găseşte în afara primei zone Nyquist (fig. 7.4 b). Se observă că, deşi semnalul este în afara primei zone Nyquist, imaginea sa f s − f a (sau componenta de aliere) cade în interiorul acesteia. Revenind la fig. 7.4 a, rezultă că, dacă un semnal nedorit apare pe una din frecvenţele imagine ale lui f a , se va manifesta şi pe f a , producând astfel o componentă falsă (spurious) în prima zonă Nyquist. Acest fenomen este similar procesului de mixare analogică şi impune o filtrare prealabilă la intrarea circuitului de eşantionare (sau CAD) pentru a elimina componentele ce se găsesc în afara benzii Nyquist, dar ale căror imagini ajung în interiorul ei. Performanţele filtrului vor depinde de locul de dispunere a semnalului din afara benzii în raport cu f s 2 şi de atenuarea impusă. Eşantionarea în banda de bază necesită ca semnalul de eşantionat să se găsească în prima zonă Nyquist. Trebuie menţionat că, fără nici o filtrare prealabilă la intrarea circuitului de eşantionare ideal, orice componentă (semnal perturbator sau zgomot) ce se află în afara benzii Nyquist, în orice zonă Nyquist, va produce o imagine în prima zonă Nyquist. Din acest motiv, în aproape orice aplicaţie de eşantioane şi conversie analog-digitală se va folosi un filtru antialiere pentru a elimina semnalele nedorite. Alegerea corectă a filtrului antialiere reprezintă o problemă foarte importantă. Primul pas constă în cunoaşterea caracteristicilor semnalului ce

trebuie eşantionat. Să presupunem că cea mai mare frecvenţă de interes este f a . Filtrul antialiere atenuează semnalele cu frecvenţă mai mare de f a , lăsând să treacă semnalele între 0 şi f a . Efectul tranziţiei finite de la atenuarea minimă la cea maximă asupra gamei dinamice a sistemului este ilustrat în fig. 7.5.

Fig. 7.5 Limitarea gamei dinamice de către componentele de aliere Să presupunem că semnalul de intrare are şi componente peste frecvenţa maximă de interes, f a . Din fig. 7.5 rezultă că toate componentele cu frecvenţe peste f s − f a produc imagini în banda (0, f a ). Aceste imagini nu pot fi deosebite de semnalele utilele şi, de aceea, limitează gama dinamică la o valoare care, în figură, este notată GD. În unele lucrări se recomandă alegerea filtrului antialiere cu frecvenţa de tăiere chiar frecvenţa Nyquist f s 2 , dar aceasta presupune că banda de interes a semnalului se extinde de la 0 la f s 2 , caz mai rar întâlnit în practică. În exemplul din fig. 7.5 componentele imagine între f a şi f s 2 nu prezintă interes, deci nu limitează gama dinamică. Prin urmare, banda de tranziţie a filtrului antialiere este determinată de frecvenţa de tăiere f a , lărgimea benzii de tranziţie, între f a şi f s − f a şi de atenuarea în banda de blocare, GD. Gama dinamică ce se impune sistemului este aleasă în funcţie de cerinţele privind fidelitatea acestuia.

Cu cât banda de tranziţie este mai îngustă, cu atât filtrele devin mai complexe. De exemplu, un filtru Butterworth are o atenuare de 6 dB/decadă pentru fiecare pol, [1]. Realizarea unei atenuări de 60 dB într-o regiune de tranziţie între 1 MHz şi 2 MHz (o octavă) necesită minim 10 poli. De aceea, pentru aplicaţiile de mare viteză, unde este necesară o bandă de tranziţie îngustă şi o bună neuniformitate în interiorul benzii, corelată cu o caracteristică de fază liniară, sunt mai potrivite filtrele eliptice, care pot asigura o atenuare de cel puţin 80 dB între f a şi 1,2 f a , la frecvenţe de tăiere de până la 100 MHz [1]. Din cele prezentate se poate constata că se poate ajunge la un compromis între îngustimea benzii de tranziţie şi frecvenţa de eşantionare a CAD. Alegerea unei rate de eşantioane mai mari (supraeşantionare) va reduce complexitatea filtrului cu preţul folosirii unui CAD mai rapid şi a prelucrării datelor la o rată mai mare. Algoritmul de proiectare a filtrului începe cu alegerea unei rate de eşantionare iniţiale de 2 până la 4 ori f a . Se determină parametrii filtrului pe baza gamei dinamice solicitate şi se verifică dacă realizarea unui astfel de filtru se încadrează în cerinţele de cost şi performanţă ale sistemului. Dacă nu, se consideră o rată de eşantionare mai mare, care poate necesita un CAD mai rapid.

Fig. 7.6 Receptor cu conversie directă şi eşantionare pe frecvenţa intermediară O altă configuraţie de receptor cu conversie directă, diferită de cea anterioară, prezentată în fig. 7.6, realizează mai întâi conversia directă în banda de bază, pentru o selecţie grosieră a benzii sistemului împotriva antialierii, apoi reconverteşte spectrul selectat pe o frecvenţă intermediară –

FI, programabilă. Semnalul de frecvenţă intermediară rezultat este un semnal de bandă limitată ce poate fi digitizat şi apoi convertit direct în banda de bază prin metode digitale, în vederea selectării canalului dorit. O astfel de arhitectură reprezintă un receptor cu conversie directă şi eşantionare pe frecvenţa intermediară. Valoarea frecvenţei intermediare se alege într-un mod convenabil, astfel încât CAD să aibă un consum minim de putere. Mai mult decât atât, semnalul de frecvenţă intermediară poate fi demodulat folosind un demodulator cu numărător de impulsuri de FI, un detector diferenţial de FI sau un discriminator digital de FI. Particularităţile eşantionării unui semnal de frecvenţă intermediară vor fi analizate în paragraful următor.