Comunicações e Rádios Digitais

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E R J -C ir c u it o s d e C o m u n ic a ç ã o P ro f. G il P R e v . 1 1 /1 0 /2 0 1 1

Comunicações e Rádios Digitais

Gil Pinheiro

(2)

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Conteúdo

• Comunicação Digital x Transmissão Digital

• Os SDR (Software Defined Radios)

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R e v . 1 1 /1 0 /2 0 1 1

Modalidades de Comunicação

e de Rádios

Dado

Analógico

Rádio

Analógico

Rádio

Analógico

Dado

Analógico

1º. Tipo - Comunicação e Transmissão Analógicas

Dado

Analógico

Rádio

Digital

Rádio

Digital

Dado

Analógico

2º. Tipo -

Comunicação Analógica e Transmissão Digital

Dado

Digital

Rádio

Analógico

Rádio

Analógico

Dado

Digital

3º. Tipo -

Comunicação Digital e Transmissão Analógica

Dado

Digital

Rádio

Digital

Rádio

Digital

Dado

Digital

4º. Tipo -

Comunicação e Transmissão Digitais

CODEC CODEC MODEM MODEM Transmissão Transmissão Transmissão Transmissão

(4)

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

(5)

5

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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

(6)

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

(7)

7

R e v . 1 1 /1 0 /2 0 1 1

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

(8)

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

(9)

9

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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 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.

A/D

Sinal de Entrada

(analógico)

V

in

V

_REF

N bits

b

₀

b

_N-1

f

_S

(10)

Conversores A/D

Conversor A/D por aproximações sucessivas

com estágio de S&H

(11)

11

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Circuito de Amostragem e Retenção

(

Sample & Hold

)

(12)

(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

(13)

13

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Amostragem com f

_s

> 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.

(14)

Amostragem com f

_s

< 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.

(15)

15

R e v . 1 1 /1 0 /2 0 1 1

Amostragem de um Sinal

(16)

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

(17)

17

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Amostragem - Aliasing

(18)

Filtragem Anti Alias

f

_s

(19)

19

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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)

0000 FFFF

V_min V_max

V_in

b₀a b_N-1

Resposta de um conversor A/D de 16 bits

Visão ampliada

(20)

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 – 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)

D/A

Sinal de Saída

_(analógico)

Sinal Digital

de Entrada

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

(21)

21

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Conversores D/A

(22)

Sistema de S/H e

Conversores A/D, D/A

(23)

23

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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 CODECs

comerciais agregam diversas funções úteis ao

processamento de sinais, tais como: ajuste de

ganho, filtragem digital, compressão

(24)

Exemplo de CODEC: TLV320

(25)

25

R e v . 1 1 /1 0 /2 0 1 1

Diagrama em Blocos de

um CODEC (TLV32)

(26)

Características de

um CODEC (TLV32)

(27)

27

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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

(28)

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)

(29)

29

R e v . 1 1 /1 0 /2 0 1 1

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

(30)

• 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)

(31)

31

R e v . 1 1 /1 0 /2 0 1 1

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

(32)

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)

(33)

33

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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

(34)

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

(35)

35

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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)

(36)

Arquitetura de um processador do

tipo DSP

(37)

37

R e v . 1 1 /1 0 /2 0 1 1

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

(38)

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), ...

(39)

39

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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

(40)

(41)

41

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(42)

(43)

43

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(44)

(45)

45

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Filtros Digitais x Analógicos

• 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

• 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)

(46)

Filtros Digitais x Analógicos

(47)

47

R e v . 1 1 /1 0 /2 0 1 1

Rede Defasadora de 90 Graus

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

(48)

Rede Defasadora de 90 Graus

(implementação analógica)

Componentes discretos sujeitos

a desvios em seus parâmetros!!

(49)

49

R e v . 1 1 /1 0 /2 0 1 1

Processamento de Sinal (DSP) –

Ex.: modulação / demodulação SSB

DSP

Filtro passa tudo (digital)

(50)

Processamento de Sinal (DSP) –

Ex.: demodulação FM

(51)

51

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Diagrama de um Transceptor SSB

completo do tipo SDR

DSP

CODEC

Misturadores

Oscilador Local

Programável

Filtro

(52)

Receptor Digital FM

(53)

53

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Arquitetura de um PC

Saída direita

Saída esquerda

Entrada direita

Entrada esquerda

Placa de Som

D/A

A/D

CPU

Pentium

Software

(diversos)

Computador PC

(54)

Receptor SDR baseado em PC

Placa de Som

(CODEC)

D/A

A/D

CPU

Pentium

Software

DSP

Computador PC

DSP Genérico

Conversor

Chaveado

I

Q

(55)

55

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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 I

_t

e Q

_t

respectivamente

• Os sinais I e Q são processados pelo DSP Genérico (CPU

Genérica + Software SDR)

DSP Genérico

Informação

recuperada

(som, dados)

Computador PC

Conversor I/Q

(56)

Transceptor SDR baseado em PC

Placa de Som

(CODEC)

D/A

A/D

CPU

Pentium

Software

DSP

Computador PC

DSP Genérico

Misturador

Chaveado

(receptor)

I

Q

Modulador

Chaveado

(transmissor)

I

Q

Chave T/R

(57)

57

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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

(58)

• 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/

(59)

59

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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

SDRadio

Áudio - In

I

Q

Áudio - Dir

Áudio - Esq

(60)

• 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

(61)

61

R e v . 1 1 /1 0 /2 0 1 1

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 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).

IQtx

I

Q

Áudio - In

(62)

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

(63)

63

R e v . 1 1 /1 0 /2 0 1 1

O Software VAC

(Virtual Audio Cable)

(64)

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

I Q Arquivo de Áudio Áudio em Formato Digital (wav) Modulação (AM, USB, LSB, FM) Demodulação (AM, USB, LSB, FM)