Projektowanie układów scalonych do systemów komunikacji bezprzewodowej Część 1 Dr hab. inż. Grzegorz Blakiewicz Katedra Systemów Mikroelektronicznych Politechnika Gdańska
Ogólna charakterystyka Zalety: Brak okablowania Duża mobilność Elastyczność Wady: Ograniczona przepustowość wynikająca z szerokości dostępnego kanału Wpływ zakłóceń i interferencji sygnałów radiowych Wpływ warunków atmosferycznych na jakość transmisji Częsta konieczność współdzielenia pasma z innymi urządzeniami zakłócającymi (Bluetooth, WiFi, kuchenki mikrofalowe) Niebezpieczeństwo przechwycenia danych, podsłuch 2
Uwarunkowania prawne Użytkowanie fal radiowych jest kontrolowane przez regulacje prawne: Międzynarodowe akty prawne (wybrane przykłady): Konstytucja i Konferencja Międzynarodowego Związku Telekomunikacyjnego (Genewa 1992r.); Regulamin Telekomunikacyjny z 1992r. Krajowe akty prawne (wybrane przykłady): Prawo Telekomunikacyjne 2000r.; Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z 2002r.; Rozporządzenie Rady ministrów z 2003r. Są wyznaczone szczególne zakresy częstotliwości ISM (Industrial, Scientific, Medical). Użytkowanie tego pasma nie wymaga licencji i nie wiąże się z opłatami, jednakże muszą być spełnione określone wymagania sprecyzowane przepisami. 3
Pasma częstotliwości zakresu ISM 4
Często wykorzystywane pasmo ISM 2.4 GHz jest współdzielone przez wiele urządzeń Telefony bezprzewodowe DECT, Sieci komputerowe WiFi, Standard Bluetooth, Standard ZigBee, Bezprzewodowe czujniki ruchu w systemach alarmowych, Domowe kuchenki mikrofalowe, Bezprzewodowe kamery, klawiatury, myszy komputerowe, itp. 5
Przykładowe ograniczenia dotyczące użytkowania pasm ISM: 2.4 GHz - mogą być użytkowane bez zezwolenia urządzenia promieniujące fale radiowe o zastępczej mocy izotropowej EIRP poniżej 100 mw (20 dbm) 5 GHz (5,15 5,35 GHz) - mogą być użytkowane bez zezwolenia urządzenia promieniujące fale radiowe o zastępczej mocy izotropowej EIRP poniżej 200 mw (23 dbm) 5 GHz (5,47 5,72 GHz) - mogą być użytkowane bez zezwolenia urządzenia promieniujące fale radiowe o zastępczej mocy izotropowej EIRP poniżej 1 W (30 dbm) 6
Techniki wielodostępu umożliwiają wykorzystanie tego samego kanału transmisyjnego (pasma częstotliwości) przez wielu użytkowników Techniki wielodostępu: Podział czasowy TDMA (Time Division Multiple Access) kanał jest udostępniany na ściśle określony czas (szczelina czasowa) Podział częstotliwości FDMA (Frequency Division Multiple Access) dostępne pasmo dzielone jest na kanały o ustalonych szerokościach Rozpraszanie widma CDMA (Code Division Multiple Access) widmo częstotliwościowe nadajnika jest celowo rozszerzane za pomocą unikatowych sekwencji rozpraszających 7
Podział czasowy TDMA 8
Rozpraszanie widma CDMA 9
Porównanie ważniejszych parametrów wybranych standardów GSM 900 GSM 1800 DECT WiFi, (802.11a/b/g) Bluetooth, (802.15.1) Pasmo od terminala do stacji bazowej 935 MHz 960 MHz 1710 MHz 1785 MHz 1.88 GHz - 1.9 GHz 2.4 2.485 GHz lub 4.915 5.825 GHz 2.4 GHz Pasmo od stacji bazowej do terminala 890 MHz 915 MHz 1805 MHz 1880 MHz 1.88 GHz - 1.9 GHz 2.4 2.485 GHz lub 4.915 5.825 GHz 2.4 GHz Zwielokrotnianie TDMA TDMA TDMA/TDD Adaptacyjny wybór częstotliwości Adaptacyjny wybór częstotliwości Rodzaj modulacji GMSK GMSK GMSK BPSK, QPSK,... GFSK Przepustowość dla mowy Moc nadawcza terminala Przepustowość dla modulacji 13 kb/s 13 kb/s 32 kb/s ------ ----- 3.7 mw 1 W 3.7 mw 1 W 250 mw 32-100 mw 1 10 mw 271 kb/s 271 kb/s 32 kb/s 54 Mb/s 21 kb/s - 40 Mb/s Odstęp kanałów 200 khz 200 khz 1.762 MHz 22 MHz częściowo zachodzą Długość pakietu 156 b 156 b 424 b 1 MHz 10
Ogólna architektura bezprzewodowego toru nadawczo-odbiorczego (ang. transceiver) 11
Przegląd architektur odbiorników Główne rodzaje architektur torów odbiorczych: a) z bezpośrednią przemianą częstotliwości, b) z pojedynczą (podwójną) przemianą częstotliwości, c) z szerokopasmową przemianą częstotliwości. Odbiornik z bezpośrednią przemianą częstotliwości (z zerową częstotliwością pośrednią) najprostsza konfiguracja może być całkowicie scalony (wykonany w postaci jednego układu scalonego) najmniejszy pobór mocy ze źródła zasilania możliwa jest względnie wygodna praca wielosystemowa niekorzystne właściwości sygnałowe (wysoki poziom szumu typu 1/f) trudna do osiągnięcia stabilizacja składowej stałoprądowej sygnału wyjściowego 12
Przegląd architektur odbiorników Odbiornik z pojedynczą (podwójną) przemianą częstotliwości najlepsze właściwości sygnałowe (duża czułość i odporność na zakłócenia) trudno jest zaprojektować konfigurację wielosystemową duży pobór mocy ze źródła zasilania wymaga stosowania filtrów IF na wielkie częstotliwości, których nie da się scalić konfiguracja o największej złożoności 13
Przegląd architektur odbiorników Odbiornik z podwójną szerokopasmową przemianą częstotliwości bardzo dobre właściwości sygnałowe (duża czułość i odporność na zakłócenia) konfiguracja będąca kompromisem dwóch poprzednich łatwiej jest zaprojektować konfigurację wielosystemowa zredukowany pobór mocy ze źródła zasilania możliwe jest użycie prostych pasywnych filtrów na wysoką częstotliwość dających się zintegrować w strukturze układu scalonego 14