Consideraciones de Diseño para Receptores Móviles

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
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IEEE Communications Magazine, pp. 72-85,
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[4] M. D. McDonald, A 2.5 GHz BiCMOS
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Papers, pp. 144-145, February 1993.
[5] Liu, C.L., Feher, K.,‘Noncoherent detection
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Combined Interference Environment’, Proc. Veh.
Tech. Conf. 1989.
[6] TIA/EIA IS-137-A, “TDMA Cellular/PCS –
Radio
[7] Gonzalez, J., Predicción e Impacto del ruido
de fase del oscilador local en receptors móviles.,
a ser publicado.