Elettronica dei Sistemi Wireless

LM Ingegneria Elettronicaa.a. 2011/2012

Sommario

• Introduzione al corso

• Applicazioni wireless e standard

• Tecnologie abilitanti

• Architetture di front end RF

• Dimensionamento (link budget)

Presentazione del CorsoPresentazione 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..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 : b.neri@iet.unipi.it

Obiettivi del CorsoObiettivi del CorsoGli 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 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 mercatodel 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

• 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?

• 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

• Vantaggi– Buona selettività

– Buona sensitività

• Svantaggi– Dissipazione

– Ingombro

Ricevitore eterodina

Ricevitore Omodina

• Vantaggi– Minore dissipazione

– Minore ingombro

– Assenza immagine

• Svantaggi– Emissioni oscillatore

locale

– DC Offset

• Soluzioni– Schermatura

– Compensazione tramite DSP

Ricevitore Omodina

Ricevitore Low-IF

• Vantaggi– Minore dissipazione

– Minore ingombro

• Svantaggio

Bassa reiezione del canale immagine

Ricevitore Low-IF

• SoluzioneAccurata 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 S/N

• Standard Digitali BER

• ……….continua