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Agenda Considerações no projeto de circuitos RF Casamento de impedância Parâmetros S e Carta de Smith Dispositivos/blocos comumente usados Arquiteturas de transceptores Modulação e detecção

Considerações no projeto de circuitos RF Não-linearidade Característica de transferência de um circuito linear Os circuitos utilizados em RF são não-lineares Característica de transferência de circuitos não-lineares pode ser descrita por series de potência.

Considerações no projeto de circuitos RF Alguns problemas associados a não-linearidade Harmônicos Introduzem sinais que não existiam no sinal de entrada Harmônicos

Considerações no projeto de circuitos RF Compressão de ganho Amplitude de entrada em que a potência de saída é 1 dB menor do que deveria ser no circuito linear

Considerações no projeto de circuitos RF Intermodulação Acontece quando há multiplas frequências presentes no sinal de entrada. Intermodulação

Considerações no projeto de circuitos RF Intermodulação Adiciona outras componentes de frequência próximas aos sinais de entrada São mais difíceis de filtrar do que os harmônicos

Métricas Distorção harmônica Distorção harmônica total Comparação entre a amplitude da frequência do sinal de entrada e um dos harmônicos (m) Distorção harmônica total

Métricas Intermodulação Relaciona o produto da intermodulação com o com amplitude de saída do sinal de entrada.

Métricas Pontos de interceptação (IP) IP harmônico ou IPnh: valor de amplitude para o qual a resposta linear e a distorção harmônica n têm a mesma magnitude. Amplitude da resposta linear Amplitude da distorção hormônica (2ª) ‘

Métricas Ponto de interceptação IP2h: ponto de interceptação harmônico em relação ao segundo harmônico. IP3h

Métricas Ponto de interceptação da intermodulação IP harmônico ou IPni: valor de amplitude para o qual a resposta linear e a distorção por intermodulação n têm a mesma magnitude.

Ruído Ruído térmico Proveniente do movimento aleatório dos eletrons Característico de componentes resistivos

Ruído Ruído flick ou ruído 1/f Ocorre na maioria dos dispositivos eletrônicos É mais problemático em baixas frequências Interfere na demodulação (downconversion) de sinais

Ruído Ruído Shot Proveniente do fluxo de eletrons na junção pn dos componentes eletrônicos É problemático para sistemas que operam em baixa corrente (<1uA)

Ruído Potência de ruído disponível a partir de uma antena É possível modelar uma antena a partir de um resistor Se a Carga for casada com a antena, então tem-se máxima transferência de potência

Ruído Potência de ruído disponível a partir de uma antena Para impedâncias casadas

Ruído Chão de ruído (Noise Floor – NF) Potência de ruído disponivel em determinada banda

Ruído Relação sinal ruído (RSR) Relação entre a potência do sinal e potência do ruído Para o exemplo anterior, se não houver nenhuma outra fonte de ruído, então:

Ruído Relação sinal ruído (RSR) Cada sistema de comunicação define a mínima RSR necessária para a recuperação da informação Sensibilidade do receptor: RSR mínima para haver recuperação da informação. Exemplo: Dois sistema um que requer 0 e outro 7 dB. Logo, se não houver outra fonte de ruído, então para o sistema anterior sinais de -121 dBm e -114 dBm poderão ser detectados com sucesso, respectivamente.

Ruído Fator de ruído (F) Figura de ruído (Noise Figure – NF) Ruído adicionado por componentes eletrônicos ao sinal Relação entre RSR de entrada e de saída Figura de ruído (Noise Figure – NF) G -> Ganho

Ruído Figura de ruído de componentes em série

Ruído Exemplo

Ruído Exemplo Sensibilidade para um sistema que requer 7dB de RSR

Modelos dos componentes passivos Os componentes passivos operando em altas frequências podem apresentar variação de suas características Um capacitor pode se comportar como um indutor e vice-versa. Bem com os resistores podem ter efeitos indesejados

Modelos de componentes passivos Capacitor Resistor

Modelos dos componentes passivos Indutor

Parametros S Sistemas lineares podem ser caracterizados por parâmetros medidos em seus terminais Com os parâmetros, o comportamento pode ser modelado “Scattering parameters” ou Parâmetros de espalhamento ou Parâmetros S São mais fáceis de medir que outros parâmetros Facilitam o trabalho em altas frequências São relacionados a ondas propagando que são refletidas quando encontram a entrada de um sistema Ou não lineares operando com sinais suficientemente pequenos de modo que que o sistema reponde linearmente Sem necessidade de conhecer seu conteúdo interno

Parâmetros S Considere o sistema com duas portas Pode ser modelado por:

Parâmetros S Os parâmetros y podem ser determinados Considerando o modelo de ondas refletidas: Artigo: “Power Waves and the Scattering Matrix”, K. Kurokawa

Parâmetros S Considerando Zi positivo e real: Coeficientes de reflexão na entrada e saída Ganhos da entrada para a saída

Parâmetros S Coeficiente de reflexão Mede o quanto de uma onde incidente no terminal de um sistema é refletida Usado para casamento de impedância

Carta de Smith Permite se ache como as impedâncias são transformadas ao longo de uma linha de transmissão Relaciona a impedância com o coeficiente de reflexão É baseada na equação: Normalizada pela impedância característica

Carta de Smith Fazendo as devidas manipulações matemáticas: r e x são as partes real e imaginária de Zin

Carta de Smith Analisando separadamente u=1 Círculos de resistências normalizadas no plano dos coeficientes de reflexão

Carta de Smith Analisando separadamente u=1

Carta de Smith Juntando os gráficos

Carta de Smith Através da carta de Smith é possível Determinar o coeficiente de reflexão de uma linha de transmissão Projetar uma carga casada com a impedância característica Tendo a carga normalizada e a impedância característica da linha de transmissão Para o coeficiente de reflexão desejado

Dispositivos comumente usados Mixer É um disposivo com três portas que utiliza um elemento não-linear para produzir conversão de frequências.

Dispositvos comumente usados Mixer Idealmente é um circuito que multiplica dois sinais Base Matemática Sinal em alta frequência Elemento filtrado

Dispositivos comumente usados Oscilador Gera um sinal períodico Usado para conversão de frequências Idealmente seria obtido através de um circuito LC Devido as perdas necessita de um “repositor de energia” Resistências parasitas dos componentes Compensação das perdas Resistência parasita Frequência de oscilação

Dispositivos comumente usados Oscilador Colpitts Baseado no princípio da realimentação Obtém a resistência negativa (repositor de energia Gera o sinal a partir do ruído interno dos componentes

Dispositivos comumente usados Oscilador controlado por tensão (Voltage controlled oscilator – VCO) Gera um sinal periódico que é proporcional a tensão aplicada em um de seus terminais

Dispositivos comumente usados PLL – Phase locked loop É um dispositivo que gera um sinal de fase relacionada com um sinal de entrada É composto por um VCO e um detector de fase É utilizado para: Sintetizar frequências Manter a frequência de um sistema em fase com a frequência de um sinal de entrada Demodulador FM

Dispositivos comumente usados Amplificadores de baixo ruído É o primeiro bloco depois da antena de um receptor Tem o objetivo de amplificar sinais introduzindo o mínimo possível de ruído Deve ser composto por elementos com baixa figura de ruído

Dispositivos comumente usados Amplificadores de potência Compõem o último estágio de um transmissor antes da antena Tem o objetivo de entrega a maior potência possível do sinal para a antena É classificado em três tipos básicos Classes A, B e C Eficência: relação da energia entregue a carga e energia consumida

Dispositivos comumente usados Amplificadores de potência classe A Amplifica toda a amplitude do sinal O Amplificador conduz durante todo o tempo O nível dc do sinal fica acima do limiar de condução do amplificador Nível DC Limiar de condução Eficiência Máxima: 50%

Dispositivos comumente usados Amplificador de potência classe B Amplifica somente a parte positiva do sinal O amplificador está ligado somente em parte do tempo O sinal fica exatamente no limiar de condução Nível DC Limiar de condução Eficiência Máxima: 78.5%

Dispositivos comumente usados Amplificador de potência classe C Amplifica somente a parte positiva do sinal O amplificador está ligado somente em parte do tempo O sinal fica abaixo do limiar de condução Nível DC Limiar de condução Eficiência Máxima: 78.5 ~100 %

Arquiteturas de transceptores Receptor heterodino Filtragem de sinais de banda estreita em altas frequência é difícil Converte o sinal para uma frequência intermediária onde é filtrado Muito usado quando os dispositivos disponíveis não têm a precisão suficiente para construir filtro e outros componentes.

Arquiteturas de transceptores Receptor heterodino Frequência intermediária Banda base Alta Frequência Filtragem

Arquiteturas de transceptores Receptor homodino Converte o sinal diretamente para a banda base A frequência do oscilador local é a mesma do sinal em RF É mais simples e consome menos energia Tornou-se mais facilmete realizável devido aos componentes mais precisos Pode haver transmissão reversa