Sistemas de Medida em Radiofrequência MEDIDAS EM RECEPTORES DE. Prof. Francisco Alegria. Dezembro de 2003

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1 Sistemas de Medida em Radiofrequência MEDIDAS EM RECEPTORES DE RÁDIOFREQUÊNCIA Prof. Francisco Alegria Dezembro de 2003 Modulação Digital Maior eficiência no uso da limitada largura de banda disponível. Maior imunidade ao ruído (interferência de outros sinais). Baixo consumo. Privacidade. Compatibilidade com sistemas digitais. 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 2

2 Receptor Digital Tem de extrair sinais de RF altamente variáveis veis e afectados por interferências. Dentro do canal. Sensibilidade. Imunidade entre canais. Fora do canal. Sinais espúrios. Intermodulação. Selectividade (canal adjacente e alternado). 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 3 Sistema de Comunicação Digital Agilent 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 4

3 Emissor/Receptor Possuem basicamente os mesmos componentes. São ensaiados em condições diferentes: Nos receptores o nível n do sinal é muito baixo. Nos emissores é ensaiada a interferência que produzem noutros sistemas. 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 5 Ensaio de Receptores O ensaio mais abrangente consiste em analisar o sinal na banda de base. É utilizado um instrumento para simular o sinal recebido pela antena. Podem ser simuladas ou acrescentadas propositadamente interferências no sinal transmitido. Os parâmetros do sinal gerado podem também ser alterados. Permite o ensaio do receptor em condições que não as ideais. 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 6

4 Determinção da Qualidade do Sinal As estações de base fornecem medidas que permitem avaliar a qualidade do sinal. BER. FER. RBER. Por exemplo, em CDMA, está disponível o FER. 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 7 Ensaio de Receptores Digitais Taxa de Erro de Bit (BER - Bit Error Rate). Selectividade. Sensibilidade.... Em receptores digitais pode-se ensaiar sós a parte analógica. Nível de ruído. Relação Sinal/Ruído óptima para o funcionamento do conversor analógico/digital. 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 8

5 BER - Bit Error Rate Em geral os instrumentos de medida do BER usam um gerador de sequência pseudo aleatórias. O BER é determinado por comparação da sequência gerada com a sequência recebida. 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 9 FER - Frame Erasure Rate Os dados digitais transmitidos são organizados de uma forma hierárquica. rquica. Por exemplo, na transmissão de voz, os quadros de voz são os blocos de mais baixo nível. n Devido à codificação existem bits que são mais importantes que outros. Se estiverem errados, todo o quadro é descartado. FER (Frame( Erasure Rate) ) traduz a percentagem de quadros descartados. Utilizado, por exemplo, em CDMA. 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 10

6 RBER- Residual Bit Error Rate Quando os quadros são apagados, sós os bits dos quadros restantes são contabilizados para a determinação do BER. Define-se assim o parâmetro RBER (Residual Bit Error Rate). 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 11 Ensaio de Telefones MóveisM Ensaio na banda de base. Ensaio de reenvio (loopback( loopback). 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 12

7 Ensaio na Banda de Base Consiste na comparação entre a sequência digital criada e a recebida pelo receptor. Utilizado em PDC (Personal Digital Communications). Utilizado no Japão. Seis canais TDMA. PHS (Personal Handyphone System). Utilizado no Japão. Agilent 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 13 Ensaio de Reenvio O sinal em banda de base, no receptor, é codificado, modulado e transmitido de novo em RF. O equipamento de teste extrai a sequência de códigos e compara com a sequência original. Utilizado em GSM. Agilent 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 14

8 Sensibilidade Teste dentro do canal mais importante. Especifica o nível n mínimo m do sinal para uma determinada percentagem de erros na informação transmitida. Há medida que a distância e a atenuação aumenta, o nível n do sinal torna-se cada vez mais próximo do patamar de ruído. 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 15 Sensibilidade Ensaio Passa/Falha. É utilizado um sinal com baixa amplitude. É verificado se o resultado à saído do receptor é aceitável. Ensaio paramétrico. É determinado o nível n de sinal à entrada de modo a obter-se um determinado valor para um parâmetro: SNR, SINAD, BER, FER, de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 16

9 Sensibilidade em Receptores Analógicos (FM) É utilizada a SINAD (Signal to Noise and Distortion Ratio). Tipicamente 12 db. Há medida que o nível n do sinal à entrada diminui: O sinal à saída começa a a diminuir. O nível n de ruído começa a a aumentar (devido a um maior ganho). A sensibilidade é o valor do sinal à entrada para uma SINAD de 12 db. Agilent 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 17 Sensibilidade de Receptores Digitais Em receptores digitais utiliza-se o BER ou FER para determinar a sensibilidade. É preciso ter em conta a atenuação do cabo. 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 18

10 Rejeição co-canal canal Meda a imunidade a interferências no canal. Semelhante ao ensaio de Sensibilidade. É introduzido, juntamente com o sinal de entrada, um sinal de interferência. O sinal de interferência é colocado na mesma banda do sinal desejado. O sinal de interferência pode ser: Sinusoidal (CW). De banda estreita. Do mesmo tipo do sinal desejado. 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 19 Rejeição co-canal canal Os somadores possuem em geral perdas de inserção na ordem dos 6dB. A frequência do sinal desejado é ajustada para o centro do canal. A potência do sinal desejado é ajustada para 3dB acima da sensibilidade do receptor. 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 20

11 Rejeição co-canal canal A frequência do sinal interferente é ajustada para um valor dentro do canal. A sua amplitude é ajustada a um nível n máximo de modo a que o BER não exceda o valor especificado. A diferença a entre os valores de potência dos dois sinais é a Rejeição co-canal. canal. 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 21 Rejeição co-canal canal (Exemplo) Pager a funcionar nos 931,4375 MHz. Sensibilidade de -105dBm para um BER de 3%. O sinal desejado é ajustado para essa frequência e com uma potência de -102 dbm de modo a que o BER é inferior a 3%. A potência do sinal de interferência é ajustada inicialmente para -105dB. Esse valor é aumentado até o BER atingir os 3% (obtém-se, por exemplo, -97dBm). A rejeição co-canal canal é portanto 5 db ( ). 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 22

12 Ensaios Fora do Canal Medem a susceptibilidade do receptor a sinais fora da banda do canal. Ensaios utilizados: Dessensibilização. Imunidade espúria. Imunidade a intermodulação ão. Selectividade entre canais adjacentes e alternados. 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 23 Dessensibilização A introdução de uma sinal sinusoidal a uma frequência próxima do sinal desejado provoca uma diminuição na sensibilidade do receptor. 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 24

13 Imunidade Espúria Sinais espúrias fora do canal podem provocar respostas indesejadas na saída do receptor. Semelhante à rejeição co-canal canal mas com sinais de interferência fora do canal. Os sinais espúrios podem surgir no Interior do receptor. Devido a sinais externos ao receptor. 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 25 Imunidade Espúria (internas) Colocando-se uma carga adaptada à entrada do receptor (em vez da antena). Liga-se a saída do receptor a um analisador de espectros e observam-se as componentes espúrias (de origem interna): Harmónica da alimentação. Harmónica do sinal de relógio do sistema. Harmónica do oscilador local. 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 26

14 Imunidade Espúria (externa) Utiliza-se um gerador para produzir um sinal modulado num determinado canal com uma potência acima da sensibilidade do receptor ( 3dB). Soma-se um sinal espúrio com diferentes frequências (CW ou modulado) à entrada do receptor. A sua potência é ajustada até o BER atingir o valor especificado. A diferença a entre esta potência e a potência do sinal desejado é a Imunidade Espúria (SI). 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 27 Imunidade a Intermodulação Quando mais do que um sinal está presente na entrada do receptor podem surgir produtos de intermodulação ão. São devidos a não linearidade do receptor. É utilizado um sinal desejado e outros dois sinais com frequências diferentes. 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 28

15 Imunidade a Intermodulação As frequências são de modo a que os produtos de 3ª 3 ordem estejam na banda passante do receptor. Com a mesma amplitude de modo a ter-se o BER especificado (geralmente o mesmo para que é especificada a sensibilidade). 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 29 Selectividade entre Canais Adjacentes e Alternados Traduz a capacidade do receptor rejeitar sinais fortes em canais adjacentes ou alternados (em geral a dois canais de distância). É importante quando os canais estão muito juntos e quando é difícil controlar a potência dos canais. Por exemplo, SMR (Specialized( Mobile Radio). 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 30

16 Selectividade entre Canais Adjacentes e Alternados É utilizado um sinal com uma amplitude 3dB superior à sensibilidade e com a frequência do canal em ensaio. É utilizado um sinal de interferência com uma frequência de um outro canal e a sua amplitude é ajustada até se ter o BER especificado. 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 31 Selectividade entre Canais Adjacentes e Alternados (Exemplo) Sensibilidade do receptor de uma estação de base é -110 dbm para um BER de 0,1%. Utiliza-se um sinal de ensaio com uma amplitude de -107dBm (+3dB do que a sensibilidade). O sinal adjacente tem que ser inferior -94 dbm para se ter um BER inferior a 0,1%. Isto implica que o sinal do canal adjacente não aumentou o nível n de ruído dentro do canal em mais do que 3dB. Para o canal alternado isso acontece com uma potência de -65dBm. 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 32

17 Selectividade entre Canais Adjacentes e Alternados A característica espectral do sinal de interferência é importante. Pode provocar a rejeição do receptor quando de facto ele cumpre a especificação desejada. 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 33 Ruído de Fase do Gerador P ac e B e são fixos. P mar representa a potência que o ruído de fase do gerador do sinal de interferência pode contribuir para a potência do sinal no canal. Quanto maior a margem, maior confiança a háh nos resultados. 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 34

18 Ruído de Fase do Gerador (Exemplo) Receptor de FM: Banda equivalente de ruído de 14 khz. Selectividade no canal adjacente de 70dB. Margem de 10 db. Espaçamento amento entre canais de 25kHz. É necessário um ruído de fase inferior a -122dBc/Hz para um desvio de 25kHz. Receptor digital: Selectividade em geral menor do que 15dB. 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 35 Valor Máximo M Tolerável para o Ruído de Fase. 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 36

19 Procedimentos Realizar o ensaio numa câmara blindada reduz a interferência de fonte externas. Desadaptação de impedância entre o gerador e o receptor da origem a reflexões que reduzem a exactidão do ensaio. Escolha apropriada do equipamento de ensaio. 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 37 Escolha do Equipamento de Ensaio Na medida da sensibilidade a exactidão do nível do sinal é o factor mais importante. Também m deve possuir uma boa modulação. Na medida da selectividade entre canais próximos, em receptores analógicos, o ruído de fase é muito importante. Em receptores digitais não é tão importante pois a potência da própria pria modulação é grande. 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 38

20 Medida de Ruído De modo a aumentar a sensibilidade é necessário: Aumentar a amplitude do sinal transmitido. Provoca um aumento da dissipação de calor. Maior custo. Interferência com outros canais. Aumentar o ganho das antenas. Aumento do tamanho das antenas. Pode causar problemas com o vento e a carga nas torres onde são montadas. Aumenta o tamanho dos dispositivos (ex( ex: : telefones móveis, m pager,...). Reduzir o nível n de ruído. 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 39 Fontes de Ruído Térmico. Impulsivo (shot( noise). Recombinação de pares electrão/lacuna (G-( R noise). Divisão da corrente do emissor pela base e colector em transístores stores (partition( noise). Associado com díodos de avalanche. 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 40

21 Potência Disponível É a potência que uma fonte é capaz de colocar numa carga adaptada. PL=V 2 s /(4R s ). 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 41 Ruído TérmicoT Gerado pela vibração dos electrões de condução. É proporcional à temperatura ambiente. Tem um conteúdo espectral de banda larga. A potência disponível numa resistência é a potência que seria possível transmitir a uma outra resistência ideal de igual valor. P=kTB. 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 42

22 Ruído Térmico. T A constante de Boltzman traduz a quantidade de energia eléctrica associada com a energia mecânica média m por grau de temperatura. A potência do ruído depende da largura de banda. 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 43 Largura de Banda Equivalente de Ruído 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 44

23 Ruído Térmico T à Temperatura Ambiente P=kTB. k=1,39e-23 J/ºK. Utiliza-se em geral T=290ºK. Largura de banda de ruído equivalente de 1Hz. P=-174dBm. 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 45 Ruído Impulsivo Devido à natureza discreta da corrente. A corrente eléctrica é a carga que atravessa uma determinada secção de um condutor por unidade de tempo. A carga eléctrica varia de forma discreta: 1 electrão. O electrões não se deslocam igualmente espaçados ados (movimento aleatório). O valor médio m de electrões que atravessam a secção num determinado instante é o valor da corrente DC. 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 46

24 Carga do electrão: e=1,6e coulomb. Corrente DC: I 0. Largura de banda: B. Ruído Impulsivo 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 47 Ganho Disponível É a razão entre a potência de saída e a potência de entrada. Depende da adaptação de impedãncias. 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 48

25 Temperatura de Ruído 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 49 Ruído no Sistema 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 50

26 Factor de Ruído Traduz quão amplificado é o ruído. Devido à amplificação do ruído da fonte. Devido à introdução de ruído pelo dispositivo. 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 51 Factor de Ruído O factor de ruído também m pode ser expresso em db. 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 52

27 Factor de Ruído É independente da largura de banda. 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 53 Exemplo 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 54

28 Utilização O factor de ruído é mais usado em aplicações terrestres pois a temperatura é próxima dos 290ºK. Valores típicos: t 1bB a 15dB. A temperatura de ruído é mais utilizada em aplicações espaciais pois a temperatura é muito diferente dos 290ºK K ( ( 4ºK). 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 55 Cadeia de Dispositivos 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 56

29 Outras Medidas Os componentes do recptor também necessitam de ser ensaiados individualmente. Misturador. Oscilador local. Filtro RF. Filtro IF. Conversor analógico/digital (ADC). 26 de julho de 2005 Medidas em Receptores de RF 57