SISTEMA DE TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO DE DADOS VIA RF
PARA O SKYGU@RDIAN
André Serafim∆, Pedro Pinto∆, Luís MendesΨ, Luís Nero AlvesΨ
∆ΨEscola Superior de Tecnologia e Gestão de Leiria
Departamento de Engenharia Electrotécnica
Morro do Lena - Alto do Vieiro, 2401-951 Leiria, Apart. 3063 Tel. 244 820 300, Fax. 244 820 310, http:\\www.estg.ipleiria.pt
Ψlmendes@estg.ipleiria.pt,Ψnero@estg.ipleiria.pt
Resumo: neste artigo descreve-se um sistema de transmissão/recepção que permite a comunicação de dados, entre uma estação de controlo e um veículo aéreo não tripulado (UAV). Este transmissor/receptor emprega técnicas de translação na frequência, normalmente utilizadas em sistemas de modulação SSB (Single Side Band), podendo servir para transmitir e receber qualquer tipo de modulação. O sistema opera na banda de frequências dos 456MHz aos 459MHz, possibilitando a selecção da frequência de operação com um passo de 100kHz, através da reprogramação em tempo real de um sintetizador de frequência. O sinal transmitido tem uma potência de 6dBm, onde a banda lateral indesejável está atenuada pelo menos 35dB em relação ao sinal e os harmónicos e produtos de intermodulação têm potências inferiores a -50dBm. O receptor é caracterizado por uma sensibilidade de -110dBm e por uma rejeição da frequência imagem superior a 28dB. ©2003
Palavras chave: transmissores, receptores, rádio-frequência.
1. INTRODUÇÃO
Este artigo descreve o desenvolvimento de um transmissor/receptor de rádio-frequência utilizado numa aeronave não tripulada a ser desenvolvida por um consórcio formado pela Universidade da Beira Interior (UBI), Escola Superior de Tecnologia e Gestão de Leiria (ESTG - Leiria) e a empresa Plasdan (Faria, 2003). O sistema de comunicação do SkyGu@rdian, onde está inserido o transmissor/receptor, tem como função estabelecer a comunicação bidireccional entre a aeronave e uma estação de solo, em Half-Duplex, num raio máximo de 50km. Este sistema funciona na gama de frequências dos 456MHz aos 459MHz, com uma largura de banda e potência de transmissão máximas de 12kHz e 20dBm, respectivamente (ANACOM, 2002). O sistema implementado é caracterizado pelos seguintes parâmetros: o transmissor opera com um nível de potência de saída na banda pretendida de 6dBm, rejeição de harmónicos e produtos de intermodulação superior a 60dB e atenuação da banda lateral indesejável em cerca de 35dB; o receptor possui a sensibilidade de -110dBm, gama dinâmica de 80dB e rejeição de frequência imagem superior a 28dB. Estas características permitem a operação em perfeitas condições num raio máximo de 50km. O sistema global apresentou um consumo final de 500mA, usando uma fonte de alimentação de ±12V. O protótipo implementado possui um peso de 350g sendo as suas dimensões de 280x170x25mm. Na secção 2 deste artigo descreve-se a concepção geral do sistema de transmissão/recepção, sendo justificadas as opções tomadas durante o seu projecto. Na secção 3, são discutidos os detalhes de implementação mais relevantes. Na secção 4 são apresentados os resultados obtidos e, finalmente, na secção 5, são tiradas conclusões finais sobre o sistema implementado.
2. DESCRIÇÃO DO SISTEMA
O sistema de transmissão/recepção pode ser subdividido, consoante as suas funcionalidades, em quatro subsistemas: up-converter, down-converter, gerador de portadoras e comutação, tal como representado na figura 1. Antena Sinal de RF (entrada/saída) Sinais de controlo Sinal IF de entrada Sinal IF de saída Up-converter 90º 90º + 90º 90º + Down-converter Gerador de Portadoras x2 VCO N PD Comutação TX-RX
Fig. 1. Diagrama geral do transmissor/receptor.
O up-converter transfere o sinal de frequência intermédia (IF), centrada nos 15kHz (proveniente de um DSP – Digital Signal Processor – inserido no avião), para uma frequência central de rádio-frequência (RF) localizada entre os 456MHz e os 459MHz. A arquitectura usada no
up-converter baseou-se no método do desfasamento, permitindo realizar de forma directa a conversão
de frequência IF para RF.
O down-converter opera de forma análoga ao up-converter, deslocando o sinal de entrada RF para a frequência IF do DSP (centrada em 15kHz). A arquitectura do down-converter baseia-se num conversor de frequência com rejeição de imagem. Esta arquitectura permite igualmente, a conversão directa do sinal, com rejeição da frequência imagem, sem a necessidade de empregar filtros selectivos.
O gerador de portadoras é responsável por gerar as portadoras necessárias para o up-converter e para o down-converter. Este módulo é constituído por um oscilador e por um sintetizador de frequência, controlado digitalmente. A escolha de arquitecturas baseadas em sintetizadores de frequência na geração de portadoras, justifica-se por duas razões: 1) aumento da estabilidade de frequência, diminuindo assim a ocorrência de possíveis desvios; 2) controlo digital da frequência de operação do sistema, possibilitando a sua reconfiguração. O sistema de comutação é responsável pela selecção do modo de funcionamento, isto é, transmissão ou recepção. O seu controlo é efectuado pelo DSP.
2.1 Up/Down-Converter
Para efectuar o processo de conversão na frequência de IF para RF foi utilizado o método do desfasamento (figura 2a). Este sistema é constituído por uma malha de desfasamento e por um modulador em quadratura. A escolha deste tipo de sistema para gerar sinais SSB justifica-se pela sua simplicidade relativamente a outras soluções e pela ausência de filtros selectivos. Um processo mais imediato para gerar o sinal SSB seria usar um modulador DSB comum, seguido de um filtro com
selectividade suficiente para atenuar a banda lateral não desejada. Contudo a concepção de filtros com elevado factor de qualidade (isto é, selectivos) é difícil de conseguir, especialmente nos casos em que a separação entre as bandas laterais é reduzida. O processo utilizado para gerar o sinal SSB baseia-se num transformador de Hilbert (Schwartz, 1998). Este processo baseia-se na geração de sinais modulados em quadratura, de forma a que quando combinados, por uma operação de soma ou subtracção, resulte na supressão de uma banda lateral, sem a necessidade de empregar estágios de filtragem.
No caso do down-converter (figura 2b) a translação do sinal recebido RF para a banda original (IF) é conseguida através de um primeiro estágio de conversão de frequência. Este processo é realizado, tal como no up-converter, com duas portadoras em quadratura. O processo é concluído depois do estágio de filtragem, de desfasamento e de soma. Esta topologia garante uma rejeição moderada da frequência imagem. 90º ∆t ) cos(ω0t + -fLO+fx fLO-fx -fLO+fx -fLO-fx fx -fx fx -fx fLO+fx fLO-fx -fLO+fx -fLO-fx 90º j -j fl -fl -fu fu fx -fx 90º IF L.O Mixer Mixer 90º Atraso + LPF LPF fLO-fu fLO+fu -fLO-fu -fLO+fu fLO-fu fLO+fu -fLO-fu -fLO+fu -fLO-fu
-fLO+fu -fLO+fufLO-fu
fLO-fu -fLO+fu fLO-fu -fLO+fu fx -fx j j -j -j j -j fu -fu a) b)
Fig. 2. Concepção do sistema: a) up-converter, b) down-converter.
2.2 Gerador de Portadoras
Este sistema (figura 1) é responsável por gerar as portadoras para o up-converter e para o
down-converter. A arquitectura adoptada permite controlar digitalmente a frequência de operação
do sistema. A arquitectura do gerador de portadoras baseia-se num sintetizador de frequências, que não é mais que uma malha de fase presa – phase locked loop (Vizmuller, 1995; Rhea, 1995). Assim a geração estável da portadora de 456MHz (usada no up-converter), é conseguida usando: 1) um oscilador controlado por tensão; 2) dois divisores de frequências programáveis; 3) um detector de fase; 4) um filtro passa-baixo e 5) um oscilador de referência. A acção deste conjunto é tal que a frequência de saída do oscilador controlado por tensão é obrigada, a seguir a frequência do sinal de referência. Deste modo a precisão com que a portadora é gerada fica definida pela precisão do oscilador de referência (a cristal), multiplicada pelo factor de divisão programado. Devido a detalhes de implementação, que serão abordados na secção 3, houve necessidade de utilizar uma portadora com o dobro da frequência, para implementar o down-converter. Para atingir este fim usou-se um misturador como duplicador de frequência, sendo necessário após a duplicação, filtrar as componentes não desejadas do sinal gerado.
2.3 Comutação Transmissor/Receptor
O sistema de comutação representado na figura 3, é responsável pela selecção do modo de funcionamento: transmissão ou recepção. Paralelamente, este sistema faz também o reencaminhamento das portadoras para o up-converter (quando em modo de transmissão) ou para o
down-converter (quando em modo de recepção). A sua concepção consiste de dois comutadores de
sinais RF controlados digitalmente pelo DSP (consoante as necessidades de transmitir ou receber dados).
Mixer BPF 457 MHz Amp + BPF 914 MHz Up-Converter Down-Converter Comutador Tx-Rx DSP RF Portadora Entrada Saída
Fig. 3. Diagrama de blocos do comutador Transmissor/Receptor.
3. IMPLEMENTAÇÃO DO SISTEMA
No desenvolvimento do protótipo final foram tomadas em consideração várias medidas para a minimização de ruído e interferência entre os vários componentes do sistema. Assim, o processo de implementação consistiu em duas fases distintas: no desenvolvimento e caracterização dos componentes do sistema e na integração dos diversos componentes do sistema no protótipo final. Nas subsecções que se seguem, descreve-se o protótipo final desenvolvido.
3.1 Up/Down-Converter
O up-converter é formado por uma malha de desfasamento, por um modulador em quadratura e por um andar de amplificação, tal como representado na figura 4. O modulador em quadratura utilizado consistiu no circuito integrado (CI), AD 8345 da Analog Devices. Este circuito possibilita a geração de sinais SSB nas bandas especificadas utilizando o método exposto anteriormente, contudo requer a colocação prévia de malhas de desfasamento para a geração dos sinais I e Q (I – em fase, Q – em quadratura) a partir do sinal IF de entrada. A malha de desfasamento implementada consistiu num filtro passa-tudo, com a resposta de fase constante e igual a 90º em toda a banda útil do sinal IF. O andar final do up-converter consiste num amplificador sintonizado, utilizado para elevar a potência para os níveis necessários à transmissão a 50km do receptor.
Sint. Freq. IF in RF I/0 DSP RSW-2-25P RSW-2-25P FNS-450 VCO Atten+Amp Up-Converter LMX2306 IF out Down-Converter fc = 914MHz RF2721 FNS-450 VAM-6 RMS-5L IQ LNA VGA RAM-6 ERA1-SM 90º ∆t Σ Gerador de Portadoras 15dB VAM-6 AD8345 IQ 90º ∆t FNS-450 15dB VAM-6 FNS-450 AGV
Fig. 4. Diagrama de blocos anotado do transmissor/receptor.
O down-converter implementado é formado por um amplificador de entrada, um andar de atenuação/ganho variáveis e por um desmodulador em quadratura. No estágio de amplificação de entrada foi utilizado o amplificador integrado RAM-6 da Mini-Circuits, conseguindo-se garantir um factor de ruído de 2.8dB com um ganho constante de 30dB na banda de 456MHz a 459MHz. O segundo estágio consistiu num atenuador/amplificador de atenuação/ganho variável, capaz de introduzir mais ganho caso o nível do sinal detectado seja baixo ou atenuação caso o nível do sinal
detectado seja elevado, ou seja, consegue manter um nível de potência de -30dBm à entrada do desmodulador em quadratura. Este módulo foi implementado com componentes discretos, nomeadamente com transístores bipolares e com díodos PIN, tendo-se conseguido uma gama de variação de atenuação/ganho de 80dB na banda de interesse do sistema. O conversor de frequência implementado é baseado no CI RF 2721 da RF Micro Devices, que é um desmodulador em quadratura. Para recuperar o sinal teve-se ainda de utilizar uma malha de desfasamento semelhante à utilizada no up-converter. O receptor apresentou uma sensibilidade de -110dBm para uma relação sinal-ruído de 10dB à entrada do conversor de frequência e uma rejeição da frequência imagem de pelo menos 28dB.
3.2 Gerador de Portadoras
O sistema de geração de portadoras consistiu num oscilador controlado por tensão (OCT), cuja frequência de operação é controlada através de um sintetizador de frequência, tal como foi descrito na secção 2.2. O OCT é baseado num amplificador sintonizado discreto, com sintonia controlada por um varicap, capaz de oscilar na gama de frequências entre os 400MHz e os 500MHz, quando a tensão de controlo varia entre 0 e 5V, respectivamente. Como sintetizador de frequência, foi usado o CI LMX2306 da National Semiconductors, que integra as funcionalidades de divisão programada de frequências e comparação de fase. A programação da frequência de operação é efectuada a partir da unidade de processamento presente na aeronave. De forma a reduzir a amplitude dos harmónicos gerados, foi necessário recorrer a filtragem passa-banda. Foi também necessário gerar uma portadora com o dobro da frequência para o down-converter imposta pelas características de funcionamento do CI RF 2721. Para esse efeito usou-se o misturador RMS-5L da Mini-Circuits, configurado como duplicador de frequência (entradas comuns).
3.3 Comutação Transmissão/Recepção
O circuito de comutação de transmissão/recepção é constituído por dois comutadores integrados, localizados em dois locais distintos: 1) no módulo de geração de portadoras e 2) no front-end para comutar entre o sinal a receber e a transmitir. O comutador foi implementado através da montagem típica do switch, RSW-2-25P da Mini-circuits. Este garante uma perda de inserção típica de 0.7dB e um isolamento entre portos de 49dB. O seu controlo é efectuado pelo DSP.
4. RESULTADOS
Nos testes do sistema de transmissão concebido, utilizou-se um sinal FM com largura de banda de 12kHz, capaz de simular todo o espectro dos sinais provenientes do DSP. O espectro obtido à saída do transmissor, que se encontra representado na figura 5a, mostra a rejeição da banda lateral inferior, podendo-se constatar que esta sofre uma atenuação mínima de 35dB. Na figura 5b está representado o espectro do sinal IF, obtido pelo deslocamento de frequência realizado pelo
down-converter, sendo evidente a similitude do espectro do sinal IF em relação ao de RF. Para
comprovar o correcto funcionamento do receptor, utilizou-se um desmodulador de FM na saída IF, tendo-se verificado a correcta recuperação da informação transmitida. Os testes efectuados com sinais modulados em FM, foram repetidos mas utilizando outros tipos de modulação (e.g. BPSK), permitindo concluir que o sistema pode ser utilizado como transmissor/receptor de sinais com qualquer tipo de modulação, desde que se respeite a frequência central e largura de banda do andar
IF. Foram ainda efectuados testes que permitiram verificar a rejeição da frequência imagem. O
saída de 6dBm, sensibilidade superior a -110dBm, gama dinâmica de 80dB, rejeição da frequência imagem de 28dB e consumo de 12W. As características mecânicas do protótipo são: 350g de peso e volume inferior a 1200 cm3.
a) b)
Fig. 5. Espectro do sinal FM: a) transmitido (457MHz), b) deslocado na frequência (15kHz). Quadro 1. Características gerais do transmissor/receptor implementado.
Sinal IF Tx/Rx Amplitude=500mV; Banda=12kHz; fcentral=15kHz
Sinal RF Tx Ptransmitida=6dBm; Banda=12kHz
Sintonia 456 - 459MHz; Passo=100kHz
Sensibilidade -110dBm
Gama dinâmica 80dB
Rejeição frequência imagem >28dB; espúrias >60dB; banda lateral >35dB
Alimentação 500mA; ±12V
Mecânicas 350g; 280x170x25mm
5. CONCLUSÕES
Neste artigo descreveu-se um sistema de transmissão/recepção de RF baseado em
up/down-converters de quadratura, os quais permitiram realizar conversões directas de frequência. Este
sistema foi concebido tendo em vista a sua integração numa aeronave não tripulada, sendo de extrema importância, o seu peso, autonomia e dimensão. Foram realizados testes exaustivos que permitiram concluir que o sistema funciona como o pretendido.
6. REFERÊNCIAS
Faria, S., P. Assunção, N. Rodrigues, L. Mendes, C. Ribeiro, P. Ventura, S. Silva, C. Lopes, C. Silva, J. Pereira, L. Nero (2003), Sistema de Controlo e Comunicações de uma Aeronave não Tripulada – SkyGu@rdian, Actas da Conferência Engenharia 2003-Inovação e Desenvolvimento, Covilhã.
ANACOM, (2002). Quadro Nacional de Atribuição de Frequências.
Schwartz, M., (1998). In: Information, Transmission, Modulation and Noise, McGraw-Hill. Rhea, R.W., (1995). In: Oscillator and Computer Simulation - 2Ed., Noble Publishing Corp.. Vizmuller, P., (1995). In: RF Design Guide, Artech House.
