Comunicações e Rádios Digitais - UERJgil/circom/RadiosDigitais.pdf · • Exemplos: dados...

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Comunicações e Rádios Digitais

Gil Pinheiro

UERJ-FEN-DETEL

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Conteúdo

• Comunicação Digital x Transmissão Digital

• Os SDR (Software Defined Radios)

• Arquiteturas de SDR

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Modalidades de Comunicação e de Rádios

Dado Analógico

Rádio Analógico

Rádio Analógico

DadoAnalógico

1º. Tipo - Comunicação e Transmissão Analógicas

Dado Analógico

Rádio Digital

Rádio Digital

DadoAnalógico

2º. Tipo - Comunicação Analógica e Transmissão Digital

Dado Digital

Rádio Analógico

Rádio Analógico

DadoDigital

3º. Tipo - Comunicação Digital e Transmissão Analógica

DadoDigital

Rádio Digital

Rádio Digital

DadoDigital

4º. Tipo - Comunicação e Transmissão Digitais

CODEC CODEC

MODEM MODEM

Transmissão

Transmissão

Transmissão

Transmissão

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Dado Analógico

• É a representação analógica da informação, um sinal no formato analógico

• A informação é representada por uma série de valores analógicos compreendidos dentro de um intervalo determinado

• Características básicas: magnitude e faixa de freqüência

• Exemplos: sinal oriundo de um microfone (voz humana, música), sinal oriundo de um sensor analógico (temperatura, pressão, etc.), sinal injetado num alto-falante

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Dado Digital

• É a representação digital da informação, um sinal no formato digital

• A informação é representada por uma seqüência de valores digitais que podem assumir valores finitos

• Características básicas: formato dos dados e taxa de transmissão

• Exemplos: dados gerados num computador digital, saída de um conversor A/D, sinal de um sensor digital (exemplo: chave)

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Rádios Definidos por Software (SDR –Software Defined Radios)

• Os SDR são rádios receptores, transmissores ou transceptores cuja funcionalidade de processamento do sinal, que inclui filtragem, demodulação / modulação, decodificação / codificação, FFT, conversão, etc, é quase toda, ou em grande parte, desempenhada via software

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• Funções de um receptor: – Interface de sinal de RF (antena)

– Filtragem de banda e amplificação

– 1ª Conversão e sintonia (oscilador local)

– Amplificação e filtragem de FI (filtro de canal)

– 2ª Conversão para a freqüência de banda base

– Demodulação e circuito de CAG

– Amplificação de sinal banda base e interface de saída

Nota: nos receptores de conversão direta, a 2ª. Conversão pode não existir

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• Nos receptores SDR, há três blocos principais:– Estágio de entrada (Front End) de RF– Estágio conversor A/D – responsável pela

amostragem e conversão do sinal analógico para digital, através de um conversor A/D

– Estágio de processamento- responsável pelo processamento do sinal digitalizado, usando processadores especiais (DSP) ou softwares específicos

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Conversores A/D

• Antes de ser processado digitalmente (DSP), um sinal analógico contínuo deve ser passado para o formato digital

• Um conversor A/D desempenha duas funções básicas:– A amostragem e retenção (S/H) do sinal de entrada– A conversão do sinal amostrado para o formato digital

• A amostragem e a conversão A/D é feita periodicamente numa freqüência fs

• Para que as amostras digitais do sinal de entrada sejam representativas, a freqüência de amostragem deve atender ao mínimo (Nyquist): fs > 2.fmax(in)

• Freqüências de amostragem típicas em áudio: 22.050, 44.100, 48.000, 96.000 e 19.2000 KHz.

A/DSinal de Entrada(analógico)

Vin

VREF

N bits

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bN-1

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Conversores A/D

Conversor A/D por aproximações sucessivas com estágio de S&H

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011Circuito de Amostragem e Retenção

(Sample & Hold)

Intervalo de amostragem

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011Circuito de Amostragem e Retenção

(Sample & Hold)

• O objetivo da amostragem é obter uma amostra que seja representativa do sinal original, de modo que o mesmo seja reconstruído digitalmente

• O circuito de amostragem e retenção é empregado em conversores A/D antes de efetuar a conversão propriamente dita

• O circuito geralmente é composto de uma chave rápida (um ou mais transistores FET), um capacitor e um gerador de pulsos de amostragem

• Uma amostra do sinal de entrada é gerada a cada pulso de amostragem

• A largura do pulso de amostragem é muito menor que o período de amostragem

• O valor amostrado é armazenado num capacitor, que atua como uma memória analógica

• O valor amostrado é em seguida convertido para o formato digital

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Amostragem com fs > fimaxfs = freqüência de amostragem (a) Espectro do sinal de amostragem(b) Espectro do sinal de entrada,

limitado aproximadamente em fimax

(c) Espectro do sinal após a amostragem

O espectro do sinal amostrado contem uma amostra do sinal abaixo de fs e várias amostras repetidas do sinal de entrada em 2fs, 3fs, ... Essas repetições são denominadas “aliases”. Cada alias éuma cópia do sinal de entrada original, cujo espectro está abaixo de fs. Como fs é bem superior ao sinal de entrada, cada amostra éuma cópia com boa fidelidade.

fimax

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Amostragem com fs < fimaxfs = freqüência de amostragem

(a) Espectro do sinal de amostragem

(b) Espectro do sinal de entrada

(c) Espectro do sinal após a amostragem

Quando o sinal a ser amostrado está acima de fs isto pode ser uma situação problemática. Porém, se o espectro do sinal for exatamente compreendido (filtrado) entre fs e 2fs denomina-se amostragem harmônica . Sendo empregada quando é necessário maior tempo de processamento de sinal (DSP) ou quando a banda passante do hardware for menor.

fimax

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Amostragem de um Sinal

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Amostragem

• O aliasde um sinal digitalizado é uma versão ambígua deste sinal, é um sinal de freqüência diferente, porém que produz a mesma amostra

• O aliasingé decorrente da sub-amostragem de um sinal, levando a uma amostra ambígua, que não representa o sinal na sua essência

• Exemplo de aliasing

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Amostragem - Aliasing

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Filtragem Anti Alias

fsfc < fs/2Filtro de interpolação

do sinal de saída

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Conversores A/D

• O sinal de entrada do conversor A/D é um sinal analógico, que deve estar compreendido entre Vmin e Vmax (tensão mínima e máxima do conversor A/D) para que a conversão seja feita sem erros (overflow, underflow).

• A saída do conversor A/D, é composta por um conjunto de N bits (b0 a bN-1) e o conversor pode converter valores na faixa de 0 a 2N

• Em sistemas de comunicação, os conversores A/D normalmente possuem 14 a 24 bits. A quantidade de bits define a faixa dinâmica do conversor A/D

• Determinação da saída do conversor, em função da tensão de entrada: – Quando: Vin = VREF, a saída (b0 a bN-1) será 111....1 (todos os bits = 1)– Quando: Vin = 0, a saída (b0 a bN-1) será 000...0 (todos os bits = 0)– Onde: VREF é uma fonte de tensão fixa de referência (geralmente, de 0.1V a 5V)

0000

FFFF

Vmin Vmax

Vin

b0 a bN-1

Resposta de um conversor A/D de 16 bits

Visão ampliada

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Conversores D/A (Digital / Analógico)

• Após o processamento digital, se for necessária a conversão analógica do sinal, emprega-se o conversor D/A

• O conversor D/A desempenha a conversão do sinal digital para o formato analógico, segundo um sinal de relógio, similar ao utilizada na conversão A/D

• A conversão é feita periodicamente na freqüência de amostragem – fs

• O conversor D/A também possui uma certa quantidade de bits (14 a 24 bits), que define a faixa dinâmica do mesmo. Para que o sinal analógico obtido seja efetivo, a freqüência de conversão deve ser maior que o dobro da freqüência do sinal a ser gerado (Nyquist)

D/ASinal de Saída

(analógico)Sinal Digital de Entrada

(12, 14, 16, ... bits)

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Conversores D/A

Conversor D/A do tipo escada

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Sistema de S/H e Conversores A/D, D/A

• Simulação de S/H e conversores A/D e D/A

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CODEC

• Nos equipamentos de comunicação dotados de entradas e saídas analógicas, é comum a montagem dos conversores A/D e D/A num mesmo módulo especializado, denominado CODEC

• O termo CODEC, é oriundo de CODER-DECODER (codificador-decodificador)

• Além da conversão A/D e D/A, os CODECscomerciais agregam diversas funções úteis ao processamento de sinais, tais como: ajuste de ganho, filtragem digital, compressão

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Exemplo de CODEC: TLV320

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Diagrama em Blocos de um CODEC (TLV32)

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Características de um CODEC (TLV32)

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• Dependendo do ponto de amostragem do sinal, os receptores SDR podem ser:– Amostragem Direta

– Amostragem em FI

– Amostragem em Banda Base

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SDR com Amostragem Direta

• O sinal do conversor A/D é retirado logo após a antena ou ao estágio amplificador e filtro de banda

• O sinal de saída é a informação a ser recebida (digital ou analógica)

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SDR com Amostragem Direta• É feita a amostragem do sinal na freqüência de RF do sinal

captado pela antena receptora, podendo haver apenas estágios amplificadores ou filtros antes da amostragem

• Por não usar estágios intermediários, permite maior flexibilidade, tal como a filtragem e a sintonia das estações através do processamento DSP. Como não há filtros de FI físicos, a banda do canal de RF pode ser definida por software

• A eletrônica de RF é a mais simples, não requerendo conversores, filtros de FI, oscilador local

• O ciclo de conversão A/D e do processamento de sinal digital (DSP) devem ser muito velozes, dependendo da freqüência de RF, as velocidades devem ser da ordem de 10-6 a 10-9 segundos

• Apesar de menos componentes de RF, devido aos circuitos de maior desempenho (A/D e DSP), são os SDR mais caros

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SDR com Amostragem em FI

• O sinal do conversor A/D é retirado logo após o conversor de freqüência, que gera a FI

• O comando do oscilador local é feito através de circuito de sintonia por software, que é uma outra função do software do SDR


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SDR com Amostragem em FI

• É feita amostragem do sinal na freqüência de FI do receptor, após os estágios amplificadores e de conversão de freqüência

• Requer circuitos de RF para a geração de freqüência do oscilador local (LO) e primeiro conversor, para a sintonia do sinal a ser recebido

• Pode implementar a filtragem de FI por software (DSP) ou por filtros físicos

• O ciclo de conversão A/D e do processamento de digital de sinal (DSP) pode ser menos veloz, que os SDR de amostragem direta

• O circuito de RF possui média complexidade• Devido aos circuito de menor desempenho, são os SDR de

preço intermediário

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SDR com Amostragem em Banda Base

• O sinal do conversor A/D é retirado logo após o 2ºconversor de freqüência (se houver) para a freqüência do sinal em banda base

• O comando do oscilador local é feito através de circuito de sintonia por software, que é uma outra função do software do SDR


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SDR com Amostragem em Banda Base

• É feita amostragem do sinal em Banda Base, após estágios amplificadores, filtros, amplificadores de FI e conversões de freqüência

• Requer circuitos de geração de freqüência do oscilador local (LO), para a sintonia do sinal a ser recebido, amplificadores e filtros de FI físico

• O ciclo de conversão A/D e do processamento de digital de sinal (DSP) são os menos exigentes em termos de velocidade, que os SDR de amostragem em FI

• É o SDR com circuitos de RF mais complexos• Devido aos circuito de conversão A/D e DSP

menos exigentes em velocidade, são os SDR mais baratos

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Vantagens de um SDR

• Hardware simples

• Operação com qualquer tipo de modulação analógica e digital (AM, LSB, USB, FM, modos digitais), bastando carregar o software adequado

• A “complexidade” do rádio está no software

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Processamento Digital de Sinais -DSP

• A seguir serão mostrados algoritmos para demodulação e modulação– Modulação/demodulação AM (com portadora,

SSB, DSB)

– Modulação/demodulação em fase (freqüência e fase)

– Modulação/demodulação digitais (ASK, FSK, PSK)

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Arquitetura de um processador do tipo DSP

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Processamento Genérico x Processamento Matemático

Adição: C=A+B

Multiplicação: C =A*B

Movimentação de dados: (A=>B), teste de condição: Se (A=B) Então Faça....

Principais Operações

Processamento digital de sinais, controle de movimentação, simulação científica e de engenharia, etc.

Processamento de texto, gerenciamento de banco de dados, planilhas eletrônicas, sistemas operacionais, etc

Aplicações Típicas

Processamento Matemático

Processamento Genérico

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Processamento de Sinal

• Além do processamento matemático especializado, o processamento de sinais requer:– Processamento determinísticoe previsível.

Computadores de uso geral não são determinísticos, pois o tempo de processamento não necessita ser previsível, no cálculo de uma planilha por exemplo, ou na edição de um documento. O processamento determinístico implica em jitter baixo ou desprezível.

– Processamento em tempo real, por exemplo, para processar um sinal com 20.000 amostras/s, todas as operações (DSP) entre amostras devem ser executadas em até 1/20.000 segundos = 50 us.

– Processamento contínuo e repetitivo: (1) ler entrada, (2) processar sinal, (3) gerar saída, (1), (2), (3), .....

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Processamento de Sinal

Exemplo: Cálculo de Filtro Digital do tipo FIR (Finite Input Response )

Por ser especializado em processamento de sinais, um DSP efetua o cálculo de um filtro (tarefa específica do processamento de um sinal) eficientemente, com alta velocidade, com baixo consumo de energia e com poucas instruções

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Filtro de Média Móvel

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Filtros Digitais x Analógicos

• Filtros Digitais1. Alta precisão, não usa

componentes na implementação de filtros

2. Resposta em fase linear3. Não sujeito a desvios 4. Filtragem adaptativa e flexível

é possível5. Projeto e simulação são fáceis6. Processamento deve ser

completado em tempo de amostragem, limita a operação

7. Requer conversores A/D, D/A e processadores (DSP) de alta velocidade

• Filtros Analógicos1. Precisão dependente da

tolerância dos componentes eletrônicos

2. Resposta em fase não linear3. Sujeito a desvios dos

componentes4. Filtragem adaptativa difícil5. Projeto e simulação são

difíceis6. Aplicações: Filtros

analógicos em altas freqüências e antialiasing

7. Não requer conversores A/D, D/A e processadores (DSP)

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Filtros Digitais x Analógicos

Respostas em freqüência de filtros analógicos e digi tais

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Rede Defasadora de 90 Graus

Defasagem entre v(i) e v(q)constante: 90 Graus

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Rede Defasadora de 90 Graus (implementação analógica)

Componentes discretos sujeitos a desvios em seus parâmetros!!

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Processamento de Sinal (DSP) –Ex.: modulação / demodulação SSB

DSP

Filtro passa tudo (digital)

Filtros

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Processamento de Sinal (DSP) –Ex.: demodulação FM

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Diagrama de um Transceptor SSB completo do tipo SDR

DSP

CODECMisturadores

Oscilador Local Programável

Filtro

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Pro

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Receptor Digital FM

UE

RJ

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Pro

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Arquitetura de um PC

Saída direita

Saída esquerda

Entrada direita

Entrada esquerda

Placa de Som

D/A

D/A

A/D

A/D

CPUPentium

Software(diversos)

Computador PC

UE

RJ

-C

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Pro

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Receptor SDR baseado em PC

Placa de Som (CODEC)

D/A

D/A

A/D

A/D

CPUPentium

Software DSP

Computador PC

DSP Genérico

ConversorChaveado

I

Q

UE

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Receptor SDR baseado em PC

• A placa de som possui duas entradas, cada uma com seu conversor A/D, associados aos sinais It e Qtrespectivamente

• Os sinais I e Q são processados pelo DSP Genérico (CPU Genérica + Software SDR)

DSP GenéricoInformação recuperada (som, dados)

Computador PCConversor I/Q

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Transceptor SDR baseado em PC

Placa de Som (CODEC)

D/A

D/A

A/D

A/D

CPUPentium

Software DSP

Computador PC

DSP Genérico

MisturadorChaveado (receptor)

I

Q

ModuladorChaveado

(transmissor)

I

Q

Chave T/R

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Softwares Utilizados

• Para auxiliar as práticas de rádios digitais, serão utilizados alguns softwares:– SDRadio– receptor do tipo SDR que suporta AM,

USB, LSB e FM– IQ TX – transmissor IQ do tipo SDR, que suporta AM,

USB, LSB e FM– VAC – “virtual audio cable”, software que permite

interligar sinais de áudio entre softwares num mesmo PC

– Audacity – software de áudio, que permite reproduzir, gravar e análises simples de sinais

• Todos são gratuitos e obtidos pela Internet

UE

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O Software SDRadio

• É um radio receptor definido por software voltado basicamente para radioamadores e ensino. Suporta as modalidades AM, USB, LSB, FM, ECSS

• ECSS significa "Exalted Carrier Selectable Sideband“e é um modo de recepção de sinais de baixa intensidade utilizando demodulação AM síncrona

• O SDRadio utiliza como processador (DSP) um PC rodando MS-Windows. Usa o processador do PC, que implementa um processador DSP de uso geral.

• As entradas do SDR podem ser as entradas da placa de som ou cabos de entradas virtuais do software VAC

• Software desenvolvido por Alberto di Bene, (I2PHD), página: http://www.sdradio.eu/sdradio/

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O Software SDRadio

• O SDRadio recebe as suas entradas I e Q através:– Das entradas da placa de som do PC– De cabos de áudio virtuais, oriundos do software VAC (Virtual

Audio Cable). Possibilita receber os sinais I e Q de outro software no PC

• A saída do SDRadio (áudio) pode ser enviada para: – Saídas da placa de som do PC– Cabos de áudio virtuais, oriundos do software VAC (Virtual Audio

Cable). Possibilita enviar sinal de áudio a outro software no PC

SDRadioÁudio - In

I

Q

Áudio - Dir

Áudio - Esq

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O Software SDRadio

• A tela do SDRadiopossibilita ajustar a freqüência de recepção e a largura do canal através do mouse do PC

• Telas do SDRadiorecebendo:– Sinal AM– Sinal AM-USB– Sinal AM-LSB

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O Software IQTx

• Similarmente à recepção digital pelo SDRadio, o IQ Tx efetua o processo inverso, de gerar os sinais I e Q a partir de uma informação de entrada analógica (voz, som)

• Incorpora as funções necessárias para implementar um transmissor I/Q, usando a CPU do PC

• Os sinais I e Q são gerados de acordo com a modulação escolhida (AM, LSB, USB ou FM)

• Os sinais I e Q gerados podem ser injetados num modulador I/Q oudiretamente num receptor SDR (SDRadio) para testes do mesmo

• As entradas e saídas do IQ Tx podem ser da placa de som ou de cabos virtuais (software VAC).

IQtx

I

QÁudio - In

Áudio - Out

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O Software VAC (Virtual Audio Cable)

• Softwares de processamento de sinais (ex.: SDR, SDRadio, IQ Tx, ...) usam normalmente canais de entrada e saída da placa de áudio e sópermitem conexões à esta placa. Porém, há situações em que énecessário o uso de softwares em seqüência

• O software VAC possibilita que sinais de áudio sejam conectados entre softwares num PC (saída SW 1 => entrada SW 2) sem consumir canais da placa de áudio. Desse modo, a placa de áudio é usada apenas quando é necessário que o PC envie ou receba um sinal de dispositivo externo (conversor SDR, modulador SDR, microfone, caixas de som)

• A idéia é conectar o sinal de saída de um software à entrada do seguinte

• O VAC só suporta sinais de áudio analógicos. Os sinais de áudio analógicos podem ter um ou mais canais (geralmente 1 – mono ou 2 canais - estéreo). A possibilidade de suportar sinais estéreo é usada na implementação dos sinais I e Q

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O Software VAC (Virtual Audio Cable)

Painel de controle do VAC, com dois cabos virtuais de áudio

UE

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Uso conjunto dos softwares

Audacity VAC 1 IQ Tx SDRadio

Sinal de áudio (analógico) Sinais I/Q

(analógico)

VAC 2

Computador PC (Desktop, Notebook)

Sinal para Alto Falantes

Simulação de Transmissor e Receptor SDR

IQ

Arquivo de Áudio

Áudio em Formato Digital (wav)

Modulação(AM, USB, LSB, FM)

Demodulação(AM, USB, LSB, FM)

Sinais analógicos, de -1 a +1 V

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Uso conjunto dos softwares

Arquivo wav sendo reproduzido (sinal de áudio)

Sinais I/Q (AM)Modulador AM

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Transmissores SDR

• Até este ponto, vimos a implementação de receptores SDR

• Também é possível a implementação de transmissores SDR

• Um exemplo de implementação seria o seguinte:

1. Os sinais I/Q são calculados e gerados através de um DSP e enviados a um conversor D/A

2. Os sinais analógicos de I/Q são injetados num modulador I/Q

UE

RJ

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Transceptor SSB

DSP

UE

RJ

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Sinais I/Q

• Um sinal modulante (AM, SSB, DSB, PSK, QPSK, QAM, ...) pode ser convertido num vetor variável no tempo m(t):– m(t) = It + jQ t

– onde: I = In Phase, Q = Quadrature• O sinal I/Q também pode ser representado como

um fasor

It

Qt

I

Q

22ttt QIm +=

= −

t

tt I

Q1tanφOnde:

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Bibliografia

• Lyons, Richard G. Understanding Digital Signal ProcessingPrentice Hall, 2004.

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