Elettronica dei Sistemi Wireless LM Ingegneria Elettronica a.a. 2011/2012

1. Elettronica dei Sistemi WirelessLM Ingegneria Elettronicaa.a. 2011/2012

2. Sommario • Introduzione al corso • Applicazioni wireless e standard • Tecnologie abilitanti • Architetture di front end RF • Dimensionamento (link budget)

3. Presentazione del Corso Obiettivi Panoramica applicazioni wireless e relative specifiche Acquisizione strumenti CAD dal livello circuitale a quello di sistema Metodologie di progetto blocchi base Prerequisiti Elettronica, Telecomunicazioni, El. Radiofrequenze/ El.Telecom. Materiale didattico Fornito dal docente Reperibile in rete

4. …..presentazione del Corso • Aspettiorganizzativi • Orario • MartedìLezione 3 h • Mercoledìesercitazione 3 h • GiovedìLezione 2 h • Lezioniedesercitazioni (Prof. B.Neri) • Laboratorio (Ing. F. Baronti) • Seminari (Ing. S.Saponara + Agilent Technologies) • Modalitàd’esame • Provapratica (progetto CAD) a fine corso + Orale • Docente: • Prof.Bruno Neri • Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione : • Elettronica, Informatica, Telecomunicazioni, Università di Pisa, • Via Caruso 16, I-56122 Pisa, Italy; email : b.neri@iet.unipi.it

5. Obiettivi del Corso Gli obiettivi formativi del Corso sono: illustrare i principi della progettazione di sistemi integrati per le comunicazioni mobili; descrivere le metodologie di progetto e gli strumenti CAD specifici; descrivere alcuni standard relativi a reti e sistemi wireless (Bluetooth, Wi-Fi, RFID, DVB-T, Short Range RADAR, ecc.); presentare, tra questi, almeno un esempio di flusso completo di progetto dalle specifiche di sistema a quelle circuitali. Sono previste 24 ore di laboratorio CAD assistito dedicate alla progettazione di celle funzionali su un design kit commerciale.

6. Programma 1 • PROGETTO DI TRANSCEIVER INTEGRATI: CAD per la simulazione di circuiti integrati a radiofrequenza: (CADENCE, ADS, ecc.). Componenti attivi (transistori Bipolari e MOS) e loro modellizazione. Progetto di LNA, VCO, MIXER, PLL e loro caratterizzazione (guadagni, distorsioni, rumore, effetti delle tolleranze ecc.). Amplificatori di potenza: classi di funzionamento, calcolo dell’efficienza teorica, limiti all’integrazione. Simulazione e testing a livello di componente, di cella e di sistema. (L: 30; E: 6; LAB: 24)

7. Programma 2 • Architetture E REALIZZAZIONE DI FRONT END WIRELESS: peculiarità dei transceiver integrati e loro conseguenze sulle scelte architetturali; Ricevitori eterodina a singola e doppia conversione; Ricevitori omodina e low-IF. Trasmettitori a conversione diretta e multipla. Esempi di chip set commerciali. Blocchi costituenti e relative specifiche (LNA, Mixer, VCO, PLL, filtri integrati e discreti). Realizzazione su board e componentistica esterna passiva. Esempio di studio di fattibilità e breakdown delle specifiche per una applicazione short range wireless (Single Chip Radar). (L: 6; E: 6)

8. Programma 3 • APPLICAZIONI WIRELESS: Richiami sulle modulazioni numeriche e sui metodi di accesso al canale; hardware dedicato. Link Budget: esempi di dimensionamento. Telefonia cellulare: Sistemi di prima (1G), seconda (2G) e terza (3G) generazione; Wi-Fi; Bluetooth, DVB-T; Sistemi RFID (Radiofrequencyidentification); Single Chip Radar; Applicazioni Biomediche. Strumentazione dedicata con dimostrazione in Aula a cura di Agilent Technologies. Seminari. (L:10;E: 8)

9. dopo il corso… • Tesi di progettazione di un blocco (LNA, Mixer, PLL) su una piattaforma tecnologica avanzata (CMOS 65 nm, SOI 130 nm ecc.) • Contratto di ricerca (post Laurea) • Dottorato Scuola Leonardo da Vinci • Trend in RFIC Design (JSSC July Issue) Domande???

10. I Sistemi Wireless (da Wikipedia) • In informatica e telecomunicazioni il termine wireless (dall'inglesesenza fili) indica una comunicazione tra dispositivi elettronici che non fa uso di cavi. Per estensione sono detti wireless i rispettivi sistemi o dispositivi di comunicazione che implementano tale modalità di comunicazione. I sistemi tradizionali basati su connessioni cablate sono invece detti wired. Il motto del wireless: “in qualunque momento da ogni posto”. • Generalmente il wireless utilizza onde radio a bassa potenza; tuttavia la definizione si estende anche ai dispositivi, meno diffusi, che sfruttano la radiazione infrarossa o il laser. • La comunicazione e i sistemi wireless trovano diretta applicazione nelle reti wireless di telecomunicazioni, fisse e mobili e più in generale nelle radiocomunicazioni.

11. Reti wireless • Le tipologie di rete wireless sono: • PAN (Personal Area Network), a livello domestico • WLAN (Wireless Local Area Network) propriamente dette come il Wi-fi. • WAN (Wide Area Network) wireless • BWA (Broadband Wireless Access), che sta conoscendo grande diffusione grazie alla tecnologia WiMAX • a queste si aggiungono: • Reti Cellulari radiomobili come GSM, GPRS, EDGE, UMTS, HSPA. • Reti satellitari (GPS)

12. Altre Applicazioni Wireless • Radio Frequency Indentification Devices (RFID) • Applicazioni Biomedicali • Monitoraggio non invasivo di funzioni vitali • Interfacce per strumentazione e sensoristica • Biotermia • RADAR (low cost – low power – uso civile) • Short range radar (d= 3 cm - 30 m) • Long range radar (d= 3 m - 300m)

13. Altre applicazioni • Sicurezza • Allarmi volumetrici • Body scanner • Reti di sensori wireless • Monitoraggio ambientale • Controllo di processo • Logistica (con RFID) • Radiometria

14. Breve storia delle Comunicazioni Mobili • 1948 - S.Louis - Mobile Telephone System (MTS) con switching manuale • 1956 MTS con switching automatico • 1960 prende piede il concetto di Radio cellulare • 1978 1G – AMPS FM Analogico • 1991 2G - GSM • 2005 3G – UMTS • Trend 4G - Banda larga > 10 Mbs

15. Penetrazione nel mercato • Dicembre 2010 “… reports that the number of wireless accounts in the country has reached 95 percent penetration — but excluding those younger than 5 years old, it exceeds 100 percent”.

16. Le cause dell’esplosione del mercatodel wireless • Maggiore efficienza spettrale delle modulazioni numeriche che rendono, inoltre, possibile un minore Eb/N0 a parità di BER (ovvero: Low Power) • Trade off complessità/costi/banda disponibile reso possibile dai sistemi VLSI a basso costo • Prestazioni ad alta frequenza delle nuove Tecnologie Microelettroniche (FT= 800 MHz entro 2020)

17. Trade off Spettro/Complessità

18. Modulazioni numeriche Applicazioni

19. QAM per migliorare l’efficienza spettrale

20. …risultato

21. Il Multiplexing

22. Trasmettitore digitale

23. Ricevitore Digitale

24. Le applicazioni wireless a confronto • Vedi tabelle • In sintesi • f= 0.8 – 6 GHz (Cellulare, WLAN, Bluetooth ecc) • f = 10 GHz Radiometria • f_ 24 GHz SRRadar • f= 77 GHz LRRadar • f= 95 GHz Body scanner ecc. ecc. fT > 10, 100 GHz

25. Nuove tecnologie, nuove applicazioni ….. • Vedi Glossario e Lista degli Acronimi

26. Quali tecnologie? • High speed (f <100GHz) • Low Noise • Low power • Componenti attivi (Gm?) • Componenti passivi (C, L, M, TL, Antenne)

27. Trend micro e nanotecnologie

28. Device Scaling Down

29. Tecnologie a confronto • BJT • CMOS • HBT (SiGe BjT) • Silicon on Insulator (SOI)

36. Tecnologie a confronto

37. Architetture a confronto • Supereterodina • Omodina • Low IF • Sottocampionamento

38. Figura 4.1: Selezione del canale in un ricevitore eterodina Figura 4.2: Front-End Supereterodina

39. Vantaggi e Svantaggi • Filtro esterno per la reiezione dell’immagine • Alta corrente di polarizzazione per gli stadi che pilotano componenti esterni • Necessita di una doppia conversione con ulteriori eventuali componenti esterni • Elevata selettivita’ e sensitivita’

40. Il problema della frequenza immagine: ricevitore a doppia conversione

41. Vantaggi Buona selettività Buona sensitività Svantaggi Dissipazione Ingombro Ricevitore eterodina

42. Ricevitore Omodina

43. Ricevitore Omodina • Vantaggi • Minore dissipazione • Minore ingombro • Assenza immagine • Svantaggi • Emissioni oscillatore locale • DC Offset • Soluzioni • Schermatura • Compensazione tramite DSP

44. Ricevitore Low-IF

45. Vantaggi Minore dissipazione Minore ingombro Svantaggio Bassa reiezione del canale immagine Ricevitore Low-IF • Soluzione • Accurata progettazione del mixer a reiezione dell’immagine

46. Low IF • Frequenza intermedia di poche centinaia di KHz • Reiezione della frequenza immagine con filtro d’antenna + mixer a reiez. freq. imm. • Filtro di canale: filtro attivo integrato (es Chebichev 5 ordine integrato)

47. In trasmissione • Conversione diretta • Interferenza in RX dovuta a OL in TX: un imperfetto isolamento del mixer produce una riga a fOL vicina alla banda di ricezione • semplicità, consumo ridotto

48. Architecture evolution TX

49. Architecture evolution RX Verso la Software Defined Radio (SDR)

50. Link budget • Standard Analogici S/N • Standard Digitali BER • ……….continua