TRATAMENTO E ANÁLISE DE SINAIS DE BAIXA FREQUÊNCIA PARA EMULAÇÃO DE CANAL RÁDIO

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1 TRATAMENTO E ANÁLISE DE SINAIS DE BAIXA FREQUÊNCIA PARA EMULAÇÃO DE CANAL RÁDIO Davi Schmutzler Valim Faculdade de Engenharia Elétrica CEATEC davi_valim@puccampinas.edu.br Resumo: O trabalho trata de fazer uma automação/atualização da bancada de emulação de canal de rádio-frequência. Os trabalhos do grupo foram divididos entre: desenvolvimento de um software, desenvolvimento de um hardware e análise dos resultados/estatística. Nessa pesquisa foi desenvolvido um hardware, onde sua função é fazer a conversão do controle digital do atenuador, para o controle físico (analógico). O desenvolvimento do hardware foi previamente estudado e teorizado, para poder ser atribuído ao estudo estatístico da bancada de emulação, da mesma maneira adequado e devidamente pensado para ser compatível também com o software. Dessa maneira, sendo planejado de acordo com os valores de atenuação e a faixa necessária para a emulação de uma rede de sensores. Palavras-chave: Rádio-frequência, DAC 12-bits, Atenuador. Área do Conhecimento: Ciências Exatas - Engenharia Elétrica Telecomunicações. 1. INTRODUÇÃO Toda área de wireless tem sido muito pesquisada e desenvolvida, tendo em vista o grande numero de aplicações e possíveis áreas de atuação, mas para a melhoria nos estudo das transmissões wireless, como no caso das ondas de rádio-frequência, se faz necessário um ambiente capaz de reproduzir as situações reais de uma transmissão. A reprodução em laboratório, das condições adversas e outros efeitos sofridos em uma transmissão, não é tão simples de ser feita, e requer também um grande estudo para que os efeitos reais sejam reproduzidos fielmente. Faz-se necessário um estudo completo das distribuições estatísticas que envolvem todos os fenômenos físicos, um grande estudo na parte de hardware, que são responsáveis por modificar Prof. Dr. Omar Carvalho Branquinho Sistemas de Telecomunicações e Informática Gestão de Redes e Serviços CEATEC branquinho@puc-campinas.edu.br (atenuar) o sinal da mesma maneira que os efeitos fariam e também um estudo do comportamento do ambiente criado, em comparação com o ambiente real, para avaliar e calibrar a bancada com os valores reais. Uma reprodução em laboratório, de experimentos reais, que são de grande porte, ou de grande dificuldade de serem realizados em laboratório, quando feitos em computadores, através de software, é chamada de simulação. Mas no nosso caso, uma reprodução física, através de cabos e hardwares, é chamada de emulação. A bancada de emulação permite reproduzir qualquer sistema de comunicação de rádio-frequência, até 3GHz, com a possibilidade de atenuação, ou seja, de se modificar diretamente o sinal transmitido, de acordo com o desejado. 2. DESCRIÇÃO DO TRABALHO O projeto se iniciou com um estudo da bancada antiga, já presente no laboratório, e depois de familiarizados com a bancada e com o ambiente de uma transmissão de rádio-frequência, passamos para o estudo e planejamento das modificações da bancada. Foram feitas duas modificações na estrutura da bancada, a primeira em novembro, e a outra em março. As modificações foram feitas devido a novos fins de pesquisas no laboratório de rádio-frequência. A última, e atual formação da bancada, conta com os seguintes componentes: Um transmissor controlado por Laptop, um receptor, um atenuador, um conversor digital-analógico, um PC para controlar o atenuador e um PC para fazer a analise dos dados no receptor.

2 dados do PIC e transforma em um controle analógico da tensão que alimenta o atenuador, dessa forma controlando a intensidade que o atenuador modificará o sinal Montagem da placa de circuito impresso O Hardware foi montado em protoboard para testes, e após a conclusão dos testes foi montada a placa de circuito impresso. Figura 1. Diagrama da nova disposição da bancada. O transmissor é programado e controlado através do Laptop, ele é ligado diretamente ao atenuador, que fará as atenuações de acordo com o seu terminal de controle, e na saída do atenuador temos o receptor, que transmite suas informações para o PC2, onde serão feitas as análises. O atenuador é controlado pelo computador, através de um software completo de emulação, desenvolvido em Python por outro membro do grupo de pesquisa, onde esse software se comunica com o conversor digital analógico, responsável por fazer a comunicação com o atenuador O Conversor digital analógico 12-bits Foi feito até o primeiro semestre da pesquisa um estudo das possibilidades de hardware a serem usados para a nova bancada. Devido à necessidade de valores precisos, optamos pelo uso de um conversor digital-analógico de alta precisão, escolhendo assim um DAC 12-bits. Outra necessidade do conversor procurado era uma boa compatibilidade com o controle através do computador. O conversor escolhido foi o MAX532 juntamente com o conversor, foram pesquisados os devidos meios para fazer a comunicação com o computador e a conversão elétrica do hardware. Para a comunicação com o computador foi escolhido o PIC 16F887 e para a conversão elétrica o MAX232. Depois de encontrado e encomendado o conversor, demos inicio a parte de programação do PIC, para fazer a comunicação com o computador, através da porta serial. O programa do PIC foi feito em C, e é responsável por transformar e transmitir os dados recebidos através da porta serial para o DAC, através da comunicação SPI. O DAC recebe os Figura 2. Montagem para testes, na protoboard. Foi desenvolvido através do software Eagle, um esquemático do hardware, através desse esquemático, o programa traça automaticamente as trilhas. Figura 3. Esquemático do hardware.

3 Figura 4. Layout do circuito. Figura 6. Placa soldada. Após a montagem da placa, e dos devidos testes de funcionamento do circuito impresso, foi dado um acabamento final ao projeto, com a inserção da placa de circuito impresso à uma caixa mais resistente, com entradas e saídas práticas e com cabos bem fixados. Figura 5. Placa corroída. Figura 7. Acabamento no projeto.

4 software, que controla o atenuador, tornando precisos os cálculos de distribuições estatísticas e as ferramentas de atenuação que o programa contém. A equação [1] mostra a fórmula da curva característica do atenuador obtida. Y = -0,494x3 + 39,51x2-1033x [1] Figura 8. Resultado final. 3. CONSIDERAÇÕES FINAIS A nova composição da bancada torna possível a análise de uma grande gama de frequências de transmissões de rádio. Os estudos feitos pelo grupo foram com sinais de rádio de baixa frequência, em 915MHz, uma das frequências utilizadas em redes de sensores. Foram realizados testes pelo grupo, através do programa Smart RF Studio, e outros membros do grupo fizeram a análise completa dos resultados obtidos, e das distribuições estatísticas A caracterização do atenuador com o Conversor Digital-Analógico 12-bits Antes de iniciarmos os testes na bancada de emulação, já modificada com o programa e com o novo conversor analógico digital de 12-bits, foi necessário fazer uma caracterização da curva característica do atenuador com o novo DAC. Como o conversor possui 12 bits, são possíveis 4096 pontos de medida. A caracterização foi feita utilizando um gerador de RF, com um sinal de 915MHz à -30dBm, foram tomadas 2049 medidas, através do analisador de espectro. O Gráfico 1 apresenta a curva característica do atenuador, obtida pela medida dos 4096 pontos, ou seja, a atenuação equivalente à cada valor digital. Figura 9. Bancada em funcionamento. Gráfico1. Curva característica do atenuador, para um DAC de 12-bits. Através da curva de caracterização obtivemos a fórmula da atenuação correspondente ao valor digital, e através dessa formula é possível calibrar o

5 Figura 10. Teste no programa Smart RF Studio. A Figura 10 mostra um teste realizado na bancada, que emula uma transmissão de sensores, em 915 MHz, como se estivessem a 10m de distância. O teste teve 25 horas de duração, no total foram mais de 260 mil pacotes transmitidos. A porcentagem de erro foi de apenas 12,6%, como mostra a Figura 11. de pesquisa, e por outros pesquisadores do LP-Sira. A bancada na nova disposição é um meio mais simples e preciso, fácil de ser usada, através do programa de controle de atenuação de fácil manuseio e do hardware de alta precisão é possível fazer estudos e análises avançados do comportamento de sinais de rádio frequência. AGRADECIMENTOS Gostaria de agradecer aos professores Dra. Norma Reggiani e Dr. Omar Carvalho Branquinho, pela orientação e direcionamento na pesquisa e a FINEP por financiar o laboratório de pesquisa LP-Sira da PUC-Campinas, onde foi desenvolvida a pesquisa. Figura 11. Teste com pacotes. Foram feitos no total 8 testes de longa duração, emulando diferentes situações, portanto com diferentes atenuações nas transmissões. Além desses testes há previsão de mais testes pelo grupo REFERÊNCIAS [1] SMITH, Steven W. The Scientist & Engineer's Guide to Digital Signal Processing. California: California Technical Pub, [2] KRISHNAMOORTHY, K. Handbook of Statistical Distributions with Applications. Chapman & Hall/CRC, [3] BURY, Karl. Statistical Distributions in Engineering. Cambridge University Press, [4] ULOTT, Andre. Emulação de canal de rádio freqüência f.. Tese de conclusão de curso (graduação em Engenharia Elétrica) Facudade de Engenharia Eletrica Puc-campinas.