Comunicações e Rádios Digitais

UERJ - Circuitos de Comunicação Prof. Gil Pinheiro Comunicações e Rádios Digitais Gil Pinheiro UERJ-FEN-DETEL

Conteúdo Comunicação Digital x Transmissão Digital Os SDR (Software Defined Radios) Arquiteturas de SDR 2

Modalidades de Comunicação e de Rádios 1º. Tipo - Comunicação e Transmissão Analógicas Dado Analógico Rádio Analógico Rádio Analógico 2º. Tipo - Comunicação Analógica e Transmissão Digital Dado Analógico Rádio Digital Rádio Digital 3º. Tipo - Comunicação Digital e Transmissão Analógica Dado Digital Dado Digital CODEC MODEM Rádio Analógico Rádio Digital Transmissão Transmissão Transmissão 4º. Tipo - Comunicação e Transmissão Digitais Transmissão Rádio Analógico Rádio Digital CODEC MODEM Dado Analógico Dado Analógico Dado Digital Dado Digital 3 UERJ - Circuitos de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

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 4 UERJ - Circuitos de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

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) 5 UERJ - Circuitos de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

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 6 UERJ - Circuitos de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

Rádios Definidos por Software (SDR Software Defined Radios) 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 7 UERJ - Circuitos de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

Rádios Definidos por Software (SDR Software Defined Radios) 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 8 UERJ - Circuitos de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

Sinal de Entrada (analógico) Conversores A/D V in f S A/D V REF 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 f s Para que as amostras digitais do sinal de entrada sejam representativas, a freqüência de amostragem deve atender ao mínimo (Nyquist): f s > 2.f max (in) Freqüências de amostragem típicas em áudio: 22.050, 44.100, 48.000, 96.000 e 19.2000 KHz. b N-1 b 0 N bits 9 UERJ - Circuitos de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

Conversores A/D Conversor A/D por aproximações sucessivas com estágio de S&H 10

Circuito de Amostragem e Retenção (Sample & Hold) Intervalo de amostragem 11

Circuito 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 12 UERJ - Circuitos de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

Amostragem com f s > f imax f imax f s = freqüência de amostragem (a) Espectro do sinal de amostragem (b) Espectro do sinal de entrada, limitado aproximadamente em f imax (c) Espectro do sinal após a amostragem O espectro do sinal amostrado contem uma amostra do sinal abaixo de f s e várias amostras repetidas do sinal de entrada em 2f s, 3f s,... Essas repetições são denominadas aliases. Cada alias é uma cópia do sinal de entrada original, cujo espectro está abaixo de f s. Como f s é bem superior ao sinal de entrada, cada amostra é uma cópia com boa fidelidade. 13 UERJ - Circuitos de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

Amostragem com f s < f imax f imax f s = 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 f s isto pode ser uma situação problemática. Porém, se o espectro do sinal for exatamente compreendido (filtrado) entre f s e 2f s 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. 14 UERJ - Circuitos de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

Amostragem de um Sinal 15

Amostragem O alias de um sinal digitalizado é uma versão ambígua deste sinal, é um sinal de freqüência diferente, porém que produz a mesma amostra O aliasing é decorrente da sub-amostragem de um sinal, levando a uma amostra ambígua, que não representa o sinal na sua essência Exemplo de aliasing 16 UERJ - Circuitos de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

Amostragem - Aliasing 17

f c < f s /2 Filtragem Anti Alias f s Filtro de interpolação do sinal de saída 18

Conversores A/D O sinal de entrada do conversor A/D é um sinal analógico, que deve estar compreendido entre V min e V max (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 (b 0 a b N-1 ) e o conversor pode converter valores na faixa de 0 a 2 N 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: V in = V REF, a saída (b 0 a b N-1 ) será 111...1 (todos os bits = 1) Quando: V in = 0, a saída (b 0 a b N-1 ) será 000...0 (todos os bits = 0) Onde: V REF é uma fonte de tensão fixa de referência (geralmente, de 0.1V a 5V) b 0 a b N-1 FFFF 0000 V min V max V in Visão ampliada Resposta de um conversor A/D de 16 bits 19 UERJ - Circuitos de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

Conversores D/A (Digital / Analógico) Sinal Digital de Entrada (12, 14, 16,... bits) D/A Sinal de Saída (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 f s 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) 20 UERJ - Circuitos de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

Conversores D/A Conversor D/A do tipo escada 21

Sistema de S/H e Conversores A/D, D/A Simulação de S/H e conversores A/D e D/A 22

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 CODECs comerciais agregam diversas funções úteis ao processamento de sinais, tais como: ajuste de ganho, filtragem digital, compressão 23 UERJ - Circuitos de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

Exemplo de CODEC: TLV320 24

Diagrama em Blocos de um CODEC (TLV32) 25

Características de um CODEC (TLV32) 26

Rádios Definidos por Software (SDR Software Defined Radios) Dependendo do ponto de amostragem do sinal, os receptores SDR podem ser: Amostragem Direta Amostragem em FI Amostragem em Banda Base 27

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) 28

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 29 UERJ - Circuitos de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

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 O sinal de saída é a informação a ser recebida (digital ou analógica) 30 UERJ - Circuitos de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

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 31 UERJ - Circuitos de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

SDR com Amostragem em Banda Base O sinal do conversor A/D é retirado logo após o 2º conversor 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 O sinal de saída é a informação a ser recebida (digital ou analógica) 32 UERJ - Circuitos de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

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 33 UERJ - Circuitos de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

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 34

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) 35 UERJ - Circuitos de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

Arquitetura de um processador do tipo DSP 36

Processamento Genérico x Processamento Matemático Aplicações Típicas Principais Operações Processamento Genérico Processamento de texto, gerenciamento de banco de dados, planilhas eletrônicas, sistemas operacionais, etc Movimentação de dados: (A=>B), teste de condição: Se (A=B) Então Faça... Processamento Matemático Processamento digital de sinais, controle de movimentação, simulação científica e de engenharia, etc. Adição: C=A+B Multiplicação: C =A*B 37 UERJ - Circuitos de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

Processamento de Sinal Além do processamento matemático especializado, o processamento de sinais requer: Processamento determinístico e 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),... 38 UERJ - Circuitos de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

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 39 UERJ - Circuitos de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

Filtro de Média Móvel 40

Filtro de Média Móvel 41

Filtro de Média Móvel 42

Filtro de Média Móvel 43

Filtro de Média Móvel 44

Filtros Digitais x Analógicos Filtros Analógicos 1. Precisão dependente da tolerância dos componentes eletrônicos 2. Resposta em fase não linear 3. Sujeito a desvios dos componentes 4. Filtragem adaptativa difícil 5. Projeto e simulação são difíceis 6. Aplicações: Filtros analógicos em altas freqüências e antialiasing 7. Não requer conversores A/D, D/A e processadores (DSP) Filtros Digitais 1. Alta precisão, não usa componentes na implementação de filtros 2. Resposta em fase linear 3. Não sujeito a desvios 4. Filtragem adaptativa e flexível é possível 5. Projeto e simulação são fáceis 6. Processamento deve ser completado em tempo de amostragem, limita a operação 7. Requer conversores A/D, D/A e processadores (DSP) de alta velocidade 45 UERJ - Circuitos de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

Filtros Digitais x Analógicos Respostas em freqüência de filtros analógicos e digitais 46

Rede Defasadora de 90 Graus Defasagem entre v(i) e v(q) constante: 90 Graus 47

Rede Defasadora de 90 Graus Componentes discretos sujeitos a desvios em seus parâmetros!! (implementação analógica) 48

Processamento de Sinal (DSP) Ex.: modulação / demodulação SSB Filtro passa tudo (digital) DSP Filtros 49

Processamento de Sinal (DSP) Ex.: demodulação FM 50

Filtro Oscilador Local Programável Diagrama de um Transceptor SSB completo do tipo SDR Misturadores CODEC DSP 51

Receptor Digital FM 52

Arquitetura de um PC CPU Pentium Software (diversos) Computador PC Placa de Som D/A D/A A/D A/D Saída direita Saída esquerda Entrada direita Entrada esquerda 53

Receptor SDR baseado em PC DSP Genérico CPU Pentium Software DSP Computador PC Placa de Som (CODEC) D/A D/A A/D A/D I Q Conversor Chaveado 54

Receptor SDR baseado em PC Conversor I/Q Computador PC DSP Genérico Informação recuperada (som, dados) A placa de som possui duas entradas, cada uma com seu conversor A/D, associados aos sinais I t e Q t respectivamente Os sinais I e Q são processados pelo DSP Genérico (CPU Genérica + Software SDR) 55 UERJ - Circuitos de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

Transceptor SDR baseado em PC DSP Genérico CPU Pentium Software DSP Computador PC Placa de Som (CODEC) D/A D/A A/D A/D I Q I Q Modulador Chaveado (transmissor) Misturador Chaveado (receptor) Chave T/R 56

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 57 UERJ - Circuitos de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

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/ 58 UERJ - Circuitos de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

O Software SDRadio Áudio - In I Q SDRadio Áudio - Dir Áudio - Esq 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 59 UERJ - Circuitos de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

O Software SDRadio A tela do SDRadio possibilita ajustar a freqüência de recepção e a largura do canal através do mouse do PC Telas do SDRadio recebendo: Sinal AM Sinal AM-USB Sinal AM-LSB 60

O Software IQTx Áudio - In IQtx Áudio - Out 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 ou diretamente 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). 61 I Q UERJ - Circuitos de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

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 só permitem conexões à esta placa. Porém, há situações em que é necessário 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 62 UERJ - Circuitos de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

O Software VAC (Virtual Audio Cable) Painel de controle do VAC, com dois cabos virtuais de áudio 63

Uso conjunto dos softwares Computador PC (Desktop, Notebook) Audacity VAC 1 IQ Tx VAC 2 SDRadio Arquivo de Áudio Áudio em Formato Digital (wav) Simulação de Transmissor e Receptor SDR Sinal de áudio (analógico) Modulação (AM, USB, LSB, FM) Sinais analógicos, de -1 a +1 V I Q Sinais I/Q (analógico) Demodulação (AM, USB, LSB, FM) Sinal para Alto Falantes 64 UERJ - Circuitos de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

Uso conjunto dos softwares Arquivo wav sendo reproduzido (sinal de áudio) Modulador AM Sinais I/Q (AM) 65

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 66 UERJ - Circuitos de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

Transceptor SSB DSP 67

Q t Q I t I Sinais I/Q Onde: m = I + Q Um sinal modulante (AM, SSB, DSB, PSK, QPSK, QAM,...) pode ser convertido num vetor variável no tempo m(t): m(t) = I t + jq t onde: I = In Phase, Q = Quadrature O sinal I/Q também pode ser representado como um fasor t φ = tan t 2 t 1 Q It 2 t t 68 UERJ - Circuitos de Comunicação Prof. Gil Pinheiro

Bibliografia Lyons, Richard G. Understanding Digital Signal Processing Prentice Hall, 2004. 69