Consideraciones de Diseño para Receptores Móviles J. Gonzalez Villarruel, IEEE Member C. Carbajal, C. Rodriguez ITESM-CEM Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica División de Profesional y Graduados Carretera Lago de Guadalupe Km. 3.5 Col. Margarita Maza de Juárez Atizapan de Zaragoza, México. I. INTRODUCCION Con un crecimiento anual de 40% las comunicaciones móviles continúan su desarrollo exponencial comparado con un 1% en el caso de las comunicaciones fijas [1]. Estas condiciones del mercado han impulsado el florecimiento de múltiples dispositivos y sistemas móviles para responder a la demanda. La disponibilidad de la información en todo lugar y en todo momento, paradigma de la plataforma móvil, traerá como consecuencia una complejidad superior de los sistemas móviles incrementado los problemas inherentes a la plataforma, tales como las como interferencias, la eficiencia espectral, el compromiso entre la capacidad y la calidad, la cobertura y otros factores. Todas estas consideraciones son el objeto de investigaciones de múltiples organismos gubernamentales y /o industriales de normalización y de concepción a fin de lograr una plataforma móvil universal. Parte esencial de la plataforma son los dispositivos transceptores móviles los cuales requieren transmisores y receptores compactos y novedosos, en el caso particular de los receptores los compromisos de diseño son cada vez más complejos de resolver dadas las condiciones excesivamente hostiles de los medios de comunicación móvil. Tal vez la mayor restricción del diseño es la limitación del espectro asignado a cada usuario combinado con la presencia de otros múltiples. La tarea principal del receptor será entonces la selección del canal deseado al mismo tiempo que el rechazo de las interferencias dentro y fuera de la banda. Dada la complejidad del diseño de un receptor móvil las técnicas de diseño se encuentran dispersas en múltiples publicaciones, algunas de ellas presentan en gran detalle solo partes del diseño, otras por el contrario presentan el problema del diseño de forma general sin responder a consideraciones teórico-prácticas. Este articulo, busca entonces responder a esta carencia proponiendo una estrategia de diseño aplicada a los sistemas receptores móviles. Las arquitecturas de recepción serán presentadas en la segunda sección después de esta introducción, los cálculos relativos a los principales requerimientos como son la sensibilidad y la selectividad serán presentados en la tercera sección, y finalmente en la ultima sección será presentada una discusión relativa a la implementación del receptor. II. ARQUITECTURA La etapa más importante para el diseño de un receptor móvil es la selección de la arquitectura, para esto diferentes parámetros técnicos y no técnicos como el costo y la factibilidad del diseño son a considerar. La recuperación de un canal móvil centrado a altas frecuencias como es el caso de los sistemas móviles requiere de una arquitectura capaz de seleccionar el canal deseado y rechazar las fuertes interferencias vecinas. Diferentes arquitecturas de recepción tales como las heterodinas, homodinas, rechazo de imagen, y digitales han sido estudiadas en la literatura [2,3,4], cada una de ellas presenta ventajas e inconvenientes con respecto al costo y la factibilidad de implementación. En el caso de la arquitectura heterodina gracias a su robustez y madurez, y a la gran disponibilidad de tecnologías para su realización, colocan a la arquitectura heterodina como una solución de primer plano. En este caso el canal deseado es trasladado a frecuencias más bajas para su recuperación por medio de filtros cuyo factor de calidad Q es físicamente realizable. Sin embargo la arquitectura heterodina al trasladar el canal deseado genera el problema de la imagen. Así el diseño de un receptor heterodino, es el resultado de un compromiso entre la adecuada recuperación del canal deseado a un nivel de potencia (sensibilidad) y el rechazo de las interferencias dentro y fuera de la banda de operación (selectividad). 2.1 Consideraciones para el traslado del canal deseado. Como ya ha sido mencionado, en la arquitectura heterodina el canal deseado RF es trasladado a frecuencias más bajas para su adecuada recuperación. Para trasladar el canal a una frecuencia mas baja, el canal es mezclado con una señal senoidal definida como el oscilador local, produciendo como resultado dos bandas del canal deseado a la frecuencia intermedia FI y a la frecuencia (2ω RF − 2ω FI ) . La principal CIDCSVER2003 Siendo el compromiso entre el rechazo de las interferencias (p.e. imagen) y la selección del canal muy critico por el elevado factor Q de los filtros, se requiriere entonces una selección progresiva del canal por medio de múltiples etapas de conversión de bajada y filtrado. El numero de conversiones de bajada dependerá entonces de los requerimientos de selectividad de los filtros y la sensibilidad del canal, lo cual es detallado en la siguiente sección. III. ANALISIS DEL RECEPTOR MOVIL En esta sección se aborda el análisis básico del receptor heterodino considerando los parámetros principales de diseño con relación a la sensibilidad y la selectividad especificadas por las normas de los sistemas móviles. En el caso de la sensibilidad son a considerar el tipo de modulación, la banda del canal deseado y la mínima potencia de recepción, en el caso de la selectividad se considera los niveles de las interferencias dentro y fuera de la banda de operación y su contribución a la degradación de la relación de señal a ruido requerida por el receptor. receptores el ancho de banda de la recepción deberá estar definido, así la mínima potencia de recepción esta relacionada con el ruido en el canal y se define como la mínima relación señal a ruido, la minima potencia de recepción se expresa de la siguiente forma: Pmin = KTBF ⋅ SNR min (1) donde: Pmin = mínima potencia de recepción K = 1.3806 x10 −23 constante de Boltzman (J/K) T = temperatura del sistema (en grados Kelvin) B = ancho de banda del canal (en Hz) F = figura de ruido del receptor (en dB) SNR min = mínima relación señal a ruido (en dB) En el caso de un receptor a modulación digital, la mínima relación señal a ruido SNRmin dependerá del tipo de modulación, el ancho de banda del canal y la velocidad de transmisión, lo cual se calcula fácilmente a partir de la siguiente expresión: E m ⋅ Rbit (2) SNR min = b + 10 log N B o donde: Eb es la relación entre la energía de bits y el N o ruido del canal para una taza de errores (en dB) Rbit es la velocidad de transmisión (en bits/s) m =2 (depende de la eficiencia de modulación) B es el ancho del canal deseado (en Hz) En el caso de la una detección no coherente π/4-DQPSK la probabilidad de errores en función de Eb se N o obtiene de la siguiente gráfica [5]: Probabilidad de Error para la Modulación pi/4-DQPSK a Detección no Coherente 1e+0 1e-1 1e-2 BER consideración para la adecuada selección de las frecuencias FI y OL es la posición de la frecuencia imagen ya que en una función heterodina las bandas localizadas simétricamente arriba y abajo de la frecuencia del oscilador local OL (RF e imagen) serán trasladadas a la misma frecuencia FI . El problema de la imagen es serio ya que la potencia de la imagen puede ser mas elevada que la de la señal deseada, requiriendo por lo tanto un filtro con un rechazo adecuado. La forma más común de suprimir la imagen es por medio del filtro de rechazo de la señal imagen, colocado delante el dispositivo de para la función heterodina. En cuanto a la posición de traslado podemos notar que si la banda deseada es traslada a una frecuencia FI elevada la imagen podría ser fácilmente suprimida pero la recuperación del canal sería compleja, en el caso contrario si la banda deseada es trasladada a una frecuencia FI baja la selección del canal sería más fácil pero el rechazo de la imagen sería más difícil. 1e-3 1e-4 1e-5 3.1 Sensibilidad. La sensibilidad del receptor móvil determina su capacidad para responder a señales débiles, donde la mínima potencia de la señal deseada que el receptor puede detectar se define como la sensibilidad. Generalmente en el lenguaje de los 1e-6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Eb/No (dB) Fig. 2 BER para la desmodulación Pi/4 DQPSK no coherente. De la grafica observamos que una relación Eb igual a 5 dB permite obtener un BER igual a N o 3%, probabilidad de errores mínima requerida por un modem de voz, sustituyendo este resultado en (2) y considerando un margen de implementación, 1 dB para las secciones digital y RF, la relación señal a ruido para la implementación del receptor será: SNRimp = SNR min + 2dB = 10dB (3) Considerando la norma móvil [6], la siguiente tabla resume los requerimientos de la norma y los requerimientos del receptor relacionados con la sensibilidad, esto es la figura de ruido del receptor. Norma Movil IS-136 Pmin B Ancho de (sensibilidad) banda -110 dBm 23 KHz Rbit Velocidad de transmision 23 Kbits BER 3% Figura de Ruido del Receptor 9.82 dB Tabla 1 Requerimientos de sensibilidad del receptor 3.2 Selectividad La selectividad del receptor móvil es su habilidad para rechazar las interferencias vecinas dentro y fuera de la banda de recepción. En la arquitectura heterodina, la señal imagen es la principal interferencia a considerar, otras interferencias importantes son dentro de la banda, las interferencias en el canal adyacente, en el canal alterno, y la intermodulación producida por dos interferencias en banda, y fuera de la banda, las interferencias de alto nivel que eventualmente pudieran desensibilizar al receptor. Todo estas condiciones son función del tipo de arquitectura de recepción, la selectividad de los filtros, y el nivel de las interferencias tal y como lo analizaremos a continuación. Cuando una interferencia de alto nivel se presenta a la entrada del receptor junto con la señal deseada, la interferencia podría degradar la sensibilidad del receptor si la selectividad del receptor (rechazo de la interferencia) no es adecuada, esto se manifiesta por una potencia de ruido residual que se adiciona al ruido de fondo en el canal deseado degradando la relación señal a ruido mínima requerida, esto se expresa de la siguiente forma: Prx = [KTBF + Pi ]⋅ SNRimp (4) Donde Prx en dBm es la contribución del ruido de fondo en el canal y la potencia de ruido residual generada por la interferencia, KTBF es la potencia del ruido de fondo en el canal en dBm, SNRimp es la relación señal a ruido mínima en dB y Pi es la potencia residual producida por la interferencia en dBm, de acuerdo al lenguaje de los receptores esta ecuación esta referida a la entrada del receptor. Veamos ahora los casos particulares de las interferencias arriba mencionados. 3.2.1 Selectividad de los canales adyacente y alterno Una señal modulada e interferente de gran nivel en el canal adyacente o alterno puede impactar el funcionamiento del receptor si la potencia de la interferencia residual degrada significativamente la relación señal a ruido. En el caso de una interferencia en el canal adyacente las contribuciones a esta degradación pueden ser de cuatro fuentes, la primera es el resultado de una rechazo inadecuado del filtro del canal adyacente para la trayectoria directa, la segunda es el resultado del efecto de mezclado reciproco entre la interferencia y el ruido de fase del oscilador local, la tercera es el resultado del efecto de mezclado reciproco entre la interferencia y los espurios del oscilador local y la cuarta es el resultado de la ínter modulación de tercer orden de la señal interferente modulada. Considerando que las cuatro contribuciones presentan la misma ponderación. La selectividad requerida por el filtro del canal adyacente se obtienen a partir de la siguiente expresión: SelC adj = S − I − SNRimp − FI − 10 log(4) (5) donde: S potencia de la señal deseada (dBm) I potencia de la interferencia (dBm) SNRimp = 10 dB FI es el factor de interferencia (dBm) FI = KTBF − Prx En el caso de una interferencia en el canal alterno, la potencia residual podría tener como origen la contribución de tres fuentes, la primera es el resultado de un rechazo inadecuado para la interferencia por el filtro del canal alterno en la trayectoria directa, la segunda es el resultado del efecto de mezclado recíproco entre la interferencia y el ruido de fase del oscilador local, la tercera es el resultado del efecto de mezclado recíproco entre la interferencia y los espurios del oscilador local. Considerando que las tres contribuciones presentan la misma ponderación a la degradación, la selectividad requerida por el filtro del canal alterno se obtiene de la siguiente expresión: SelC alt = S − I − SNRimp − FI − 10 log(3) (6) 3.2.2 Selectividad de interferencias a ínter modulación de Tercer orden Dos interferencias de alto nivel junto con la señal deseada a la entrada del receptor pueden producir una ínter modulación de tercer orden en el canal deseado. En este caso la potencia residual es una contribución desigual de al menos 5 fuentes: la primera y segunda es por el rechazo inadecuado de la interferencia por el filtro de la trayectoria directa, la tercera es por el mezclado reciproco entre la primera interferencia y el ruido de fase del oscilador local, la cuarta es por el mezclado reciproco entre la segunda interferencia y el ruido de fase del oscilador local y la quinta es la ínter modulación producida por las dos señales de interferencia. En este caso el parámetro buscado es el nivel de intermodulacion a la entrada por en primer lugar es indispensable definir el nivel máximo de la ínter modulación permitida, expresado de la siguiente forma: Interm3 = S − SNRimp − FI − 10 log(5) (7) y para el nivel máximo de inter-modulación IP3in a la entrada tenemos, Interm3 IP3in = I + I − (8) 2 3.2.3 Selectividad de interferencias bloqueadoras. Dos tipos de interferencias son a considerar, dentro y fuera de la banda. Las grandes interferencias tienden a reducir la ganancia del receptor por el efecto de compresión de la ganancia, cuando una señal de interferencia de alto nivel se presenta junto con la señal deseada a la entrada del receptor, la señal deseada experimenta una reducción de ganancia produciendo la desensibilizacion del receptor. La interferencia residual en este caso es una contribución doble, la primera es el resultado de filtrado inadecuado de la interferencia en la trayectoria directa y la segunda es el resultado del mezclado reciproco entre la interferencia y el ruido de fase del oscilador local. SelC bloq = S − I − SNRimp − FI − 10 log(2) (9) Los resultados de selectividad requeridos por un receptor móvil operando de acuerdo a la norma de comunicaciones móviles [6] se resumen en las siguientes tablas. Sensibilidad [dBm] Canal Adyacente Canal Alterno Intermodula cion Bloque en la banda Bloque fuera de banda Interferencia Posicion Selectividad [dBm] [KHz] [dB] -107 -94 +/- 30 30.8 dB -107 -65 65 dB -107 -45 -102 -45 +/- 60 +/- 120 +/- 240 +/- 90 < f < +/-3000 67.7 dB -102 -65 f > +/3MHz 82 dB 82 dB Tabla 2. Requerimientos de selectividad del receptor Intermodula cion Sensibilidad [dBm] Interferencia [dBm] -107 -45 Posicion Intermod3 [KHz] [dBm] +/- 120 +/240 -123 dBm Tabla 3 Requerimientos de ínter modulación del receptor En esta sección hemos considerado todas las fuentes de degradación posibles, con igual ponderación a la degradación. Sin embargo, cada una de estas fuentes deberá ser analizada en detalle para evaluar sa ponderación en cada implementación. En el caso del ruido de fase del oscilador local, dada la complejidad del análisis, su estudio esta referido a la publicación [7]. IV IMPLEMENTACION En base a los requerimientos de sensibilidad y selectividad obtenidos en las tablas 1-3, la implementación se llevó a cabo en base a un compromiso entre los requerimientos y los componentes disponibles. 5.1 Consideraciones de la Sensibilidad. Considerando la ecuación de Friis para un sistema receptor, sabemos que la ganancia y la figura de ruido de las primeras etapas tienen una contribución mayor a la figura de ruido; al aumentar la ganancia disminuye la figura de ruido, sin embargo al aumentar la ganancia la IP3 [dBm] -6dBm ínter modulación del receptor disminuye. Los parámetros mas importantes a considerar para la sensibilidad e inter-modulación del receptor (F=9.86 dB y IP3in=-6 dBm) son la ganancia y la figura de ruido de la primera etapa de amplificación, el amplificador de bajo ruido LNA, la pérdida de inserción del primer filtro de banda, y el nivel de inter-modulacion del mezclador. En nuestro caso el requerimiento de inter-modulación se obtuvo con una ganancia máxima de 17 dB para el LNA combinada con una inter.-modulación minima del mezlador de 6 dBm. Por otro lado, la figura de ruido se obtuvo con una figura de ruido máxima de 2 dB para el LNA combinada con una perdida de inserción máxima de 2 dB para el filtro. En este papel se ha presentado un método de diseño y análisis aplicado a los receptores móviles, los resultados obtenidos del análisis fueron implementados y medidos en el laboratorio. Los resultados obtenidos en el laboratorio concuerdan con los resultados del análisis. Diagrama a Bloques del Receptor Selectividad Imagen Bloqueo Selectividad C. Adyacente C. Alterno 90 Selectividad Intermod Selectividad Imagen Bloqueo 2 OL 5.2 Consideraciones de la Selectividad. La tabla 2 muestra los requerimientos para rechazo de interferencias a la entrada del receptor en funcion de su nivel y su posición con respecto al canal deseado,. Las interferencias alejadas del canal deseado pueden rechazarse por medio de filtros a altas frecuencias, las interferencias cercanas al canal deseado requieren filtros a bajas frecuencias. En el caso de una interferencia en el canal adyacente, un rechazo de 30 dB a +/- 30 KHz será necesario. Un filtro con esta respuesta solo se puede realizar por medio de técnicas digitales a baja frecuencia. Por su parte para las interferencias de ínter modulación a +/- 120 KHz y superiores, el rechazo puede ser implementado por medio de filtros de tipo SAW y cerámicos. La señal interferente más cercana al canal deseado determina el numero de etapas de conversión del receptor heterodino. En este caso de acuerdo con la tabla 2, se requieren tres etapas de bajada. VI. RESULTADOS. La figura 3 muestra el diagrama a bloques del receptor heterodino implementado de acuerdo a la norma [6]. Observamos en la figura la posición de los filtros requeridos para la selectividad con respecto a las tres etapas de conversión. Con respecto a la sensibilidad, con una figura de ruido de 2 dB y una ganancia inferior a 17 dB para el primer amplificador combinada con una pérdida de inserción del primer filtro de 2 dB permitieron obtener un márgen superior a 4 dB para las etapas subsecuentes en cascada. La figura de ruido obtenida fue inferior a 8 dB. Para la intermodulacion, una ganacia máxima de 17 dB para el LNA y un IP3 minimo de 6 dBm para el mezclador fueron requeridos. Filtro Saw Filtro Ceramico Filtro Digital Fig. 2 Diagrama a bloques del receptor móvil. Bibliografía [1] Kucar, A.D., Mobile Radio- An Overview, IEEE Communications Magazine, pp. 72-85, November 1991. [2] A.A. Abidi, Direct-Conversion Radio Transceivers for Digital Communications, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 30, pp.13991410, December 1995. [3] J.F. Wilson et Al., A Single Chip VHF and UHF Receiver for Radio Paging, IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol. 26, pp. 1944-1950, December 1981. [4] M. D. 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