Elettronica dei Sistemi Wireless LM Ingegneria Elettronica a. a

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

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

…..presentazione del Corso Aspetti organizzativi Orario Martedì Lezione 3 h Mercoledì esercitazione 3 h Giovedì Lezione 2 h Lezioni ed esercitazioni (Prof. B.Neri) Laboratorio (Ing. F. Baronti) Seminari (Ing. S.Saponara + Agilent Technologies) Modalità d’esame Prova pratica (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

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.

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)

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)

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 (Radiofrequency identification); Single Chip Radar; Applicazioni Biomediche. Strumentazione dedicata con dimostrazione in Aula a cura di Agilent Technologies. Seminari. (L:10;E: 8)

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???

I Sistemi Wireless (da Wikipedia) In informatica e telecomunicazioni il termine wireless (dall'inglese senza 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.

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)

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)

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

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

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”.

Le cause dell’esplosione del mercato del 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)

Trade off Spettro/Complessità

Modulazioni numeriche Applicazioni

QAM per migliorare l’efficienza spettrale

…risultato

Il Multiplexing

Trasmettitore digitale

Ricevitore Digitale

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

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

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

Trend micro e nanotecnologie

Device Scaling Down

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

Tecnologie a confronto

Architetture a confronto Supereterodina Omodina Low IF Sottocampionamento

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

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’

Il problema della frequenza immagine: ricevitore a doppia conversione

Ricevitore eterodina Vantaggi Svantaggi Buona selettività Buona sensitività Svantaggi Dissipazione Ingombro

Ricevitore Omodina

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

Ricevitore Low-IF

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

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)

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

Architecture evolution TX

Architecture evolution RX Verso la Software Defined Radio (SDR)

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