UE
RJ
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ircui
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icaç
ão
Pro
f. G
il P
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Rev
. 11/
10/2
011
Comunicações e Rádios Digitais
Gil Pinheiro
UERJ-FEN-DETEL
UE
RJ
-C
ircui
tos
de C
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Pro
f. G
il P
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2Rev
. 11/
10/2
011
Conteúdo
• Comunicação Digital x Transmissão Digital
• Os SDR (Software Defined Radios)
• Arquiteturas de SDR
UE
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ircui
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Pro
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3Rev
. 11/
10/2
011
Modalidades de Comunicação e de Rádios
Dado Analógico
Rádio Analógico
Rádio Analógico
DadoAnalógico
1º. Tipo - Comunicação e Transmissão Analógicas
Dado Analógico
Rádio Digital
Rádio Digital
DadoAnalógico
2º. Tipo - Comunicação Analógica e Transmissão Digital
Dado Digital
Rádio Analógico
Rádio Analógico
DadoDigital
3º. Tipo - Comunicação Digital e Transmissão Analógica
DadoDigital
Rádio Digital
Rádio Digital
DadoDigital
4º. Tipo - Comunicação e Transmissão Digitais
CODEC CODEC
MODEM MODEM
Transmissão
Transmissão
Transmissão
Transmissão
UE
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ircui
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Pro
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4Rev
. 11/
10/2
011
Dado Analógico
• É a representação analógica da informação, um sinal no formato analógico
• A informação é representada por uma série de valores analógicos compreendidos dentro de um intervalo determinado
• Características básicas: magnitude e faixa de freqüência
• Exemplos: sinal oriundo de um microfone (voz humana, música), sinal oriundo de um sensor analógico (temperatura, pressão, etc.), sinal injetado num alto-falante
UE
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Pro
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5Rev
. 11/
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011
Dado Digital
• É a representação digital da informação, um sinal no formato digital
• A informação é representada por uma seqüência de valores digitais que podem assumir valores finitos
• Características básicas: formato dos dados e taxa de transmissão
• Exemplos: dados gerados num computador digital, saída de um conversor A/D, sinal de um sensor digital (exemplo: chave)
UE
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6Rev
. 11/
10/2
011
Rádios Definidos por Software (SDR –Software Defined Radios)
• Os SDR são rádios receptores, transmissores ou transceptores cuja funcionalidade de processamento do sinal, que inclui filtragem, demodulação / modulação, decodificação / codificação, FFT, conversão, etc, é quase toda, ou em grande parte, desempenhada via software
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7Rev
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011
Rádios Definidos por Software (SDR –Software Defined Radios)
• Funções de um receptor: – Interface de sinal de RF (antena)
– Filtragem de banda e amplificação
– 1ª Conversão e sintonia (oscilador local)
– Amplificação e filtragem de FI (filtro de canal)
– 2ª Conversão para a freqüência de banda base
– Demodulação e circuito de CAG
– Amplificação de sinal banda base e interface de saída
Nota: nos receptores de conversão direta, a 2ª. Conversão pode não existir
UE
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Pro
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8Rev
. 11/
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011
Rádios Definidos por Software (SDR –Software Defined Radios)
• Nos receptores SDR, há três blocos principais:– Estágio de entrada (Front End) de RF– Estágio conversor A/D – responsável pela
amostragem e conversão do sinal analógico para digital, através de um conversor A/D
– Estágio de processamento- responsável pelo processamento do sinal digitalizado, usando processadores especiais (DSP) ou softwares específicos
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9Rev
. 11/
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011
Conversores A/D
• Antes de ser processado digitalmente (DSP), um sinal analógico contínuo deve ser passado para o formato digital
• Um conversor A/D desempenha duas funções básicas:– A amostragem e retenção (S/H) do sinal de entrada– A conversão do sinal amostrado para o formato digital
• A amostragem e a conversão A/D é feita periodicamente numa freqüência fs
• Para que as amostras digitais do sinal de entrada sejam representativas, a freqüência de amostragem deve atender ao mínimo (Nyquist): fs > 2.fmax(in)
• Freqüências de amostragem típicas em áudio: 22.050, 44.100, 48.000, 96.000 e 19.2000 KHz.
A/DSinal de Entrada(analógico)
Vin
VREF
N bits
b0
bN-1
fS
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10Rev
. 11/
10/2
011
Conversores A/D
Conversor A/D por aproximações sucessivas com estágio de S&H
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11Rev
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10/2
011Circuito de Amostragem e Retenção
(Sample & Hold)
Intervalo de amostragem
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12Rev
. 11/
10/2
011Circuito de Amostragem e Retenção
(Sample & Hold)
• O objetivo da amostragem é obter uma amostra que seja representativa do sinal original, de modo que o mesmo seja reconstruído digitalmente
• O circuito de amostragem e retenção é empregado em conversores A/D antes de efetuar a conversão propriamente dita
• O circuito geralmente é composto de uma chave rápida (um ou mais transistores FET), um capacitor e um gerador de pulsos de amostragem
• Uma amostra do sinal de entrada é gerada a cada pulso de amostragem
• A largura do pulso de amostragem é muito menor que o período de amostragem
• O valor amostrado é armazenado num capacitor, que atua como uma memória analógica
• O valor amostrado é em seguida convertido para o formato digital
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011
Amostragem com fs > fimaxfs = freqüência de amostragem (a) Espectro do sinal de amostragem(b) Espectro do sinal de entrada,
limitado aproximadamente em fimax
(c) Espectro do sinal após a amostragem
O espectro do sinal amostrado contem uma amostra do sinal abaixo de fs e várias amostras repetidas do sinal de entrada em 2fs, 3fs, ... Essas repetições são denominadas “aliases”. Cada alias éuma cópia do sinal de entrada original, cujo espectro está abaixo de fs. Como fs é bem superior ao sinal de entrada, cada amostra éuma cópia com boa fidelidade.
fimax
UE
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011
Amostragem com fs < fimaxfs = freqüência de amostragem
(a) Espectro do sinal de amostragem
(b) Espectro do sinal de entrada
(c) Espectro do sinal após a amostragem
Quando o sinal a ser amostrado está acima de fs isto pode ser uma situação problemática. Porém, se o espectro do sinal for exatamente compreendido (filtrado) entre fs e 2fs denomina-se amostragem harmônica . Sendo empregada quando é necessário maior tempo de processamento de sinal (DSP) ou quando a banda passante do hardware for menor.
fimax
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011
Amostragem de um Sinal
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16Rev
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011
Amostragem
• O aliasde um sinal digitalizado é uma versão ambígua deste sinal, é um sinal de freqüência diferente, porém que produz a mesma amostra
• O aliasingé decorrente da sub-amostragem de um sinal, levando a uma amostra ambígua, que não representa o sinal na sua essência
• Exemplo de aliasing
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011
Amostragem - Aliasing
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18Rev
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10/2
011
Filtragem Anti Alias
fsfc < fs/2Filtro de interpolação
do sinal de saída
UE
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011
Conversores A/D
• O sinal de entrada do conversor A/D é um sinal analógico, que deve estar compreendido entre Vmin e Vmax (tensão mínima e máxima do conversor A/D) para que a conversão seja feita sem erros (overflow, underflow).
• A saída do conversor A/D, é composta por um conjunto de N bits (b0 a bN-1) e o conversor pode converter valores na faixa de 0 a 2N
• Em sistemas de comunicação, os conversores A/D normalmente possuem 14 a 24 bits. A quantidade de bits define a faixa dinâmica do conversor A/D
• Determinação da saída do conversor, em função da tensão de entrada: – Quando: Vin = VREF, a saída (b0 a bN-1) será 111....1 (todos os bits = 1)– Quando: Vin = 0, a saída (b0 a bN-1) será 000...0 (todos os bits = 0)– Onde: VREF é uma fonte de tensão fixa de referência (geralmente, de 0.1V a 5V)
0000
FFFF
Vmin Vmax
Vin
b0 a bN-1
Resposta de um conversor A/D de 16 bits
Visão ampliada
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20Rev
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10/2
011
Conversores D/A (Digital / Analógico)
• Após o processamento digital, se for necessária a conversão analógica do sinal, emprega-se o conversor D/A
• O conversor D/A desempenha a conversão do sinal digital para o formato analógico, segundo um sinal de relógio, similar ao utilizada na conversão A/D
• A conversão é feita periodicamente na freqüência de amostragem – fs
• O conversor D/A também possui uma certa quantidade de bits (14 a 24 bits), que define a faixa dinâmica do mesmo. Para que o sinal analógico obtido seja efetivo, a freqüência de conversão deve ser maior que o dobro da freqüência do sinal a ser gerado (Nyquist)
D/ASinal de Saída
(analógico)Sinal Digital de Entrada
(12, 14, 16, ... bits)
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011
Conversores D/A
Conversor D/A do tipo escada
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22Rev
. 11/
10/2
011
Sistema de S/H e Conversores A/D, D/A
• Simulação de S/H e conversores A/D e D/A
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011
CODEC
• Nos equipamentos de comunicação dotados de entradas e saídas analógicas, é comum a montagem dos conversores A/D e D/A num mesmo módulo especializado, denominado CODEC
• O termo CODEC, é oriundo de CODER-DECODER (codificador-decodificador)
• Além da conversão A/D e D/A, os CODECscomerciais agregam diversas funções úteis ao processamento de sinais, tais como: ajuste de ganho, filtragem digital, compressão
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011
Exemplo de CODEC: TLV320
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10/2
011
Diagrama em Blocos de um CODEC (TLV32)
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. 11/
10/2
011
Características de um CODEC (TLV32)
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10/2
011
Rádios Definidos por Software (SDR –Software Defined Radios)
• Dependendo do ponto de amostragem do sinal, os receptores SDR podem ser:– Amostragem Direta
– Amostragem em FI
– Amostragem em Banda Base
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. 11/
10/2
011
SDR com Amostragem Direta
• O sinal do conversor A/D é retirado logo após a antena ou ao estágio amplificador e filtro de banda
• O sinal de saída é a informação a ser recebida (digital ou analógica)
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. 11/
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011
SDR com Amostragem Direta• É feita a amostragem do sinal na freqüência de RF do sinal
captado pela antena receptora, podendo haver apenas estágios amplificadores ou filtros antes da amostragem
• Por não usar estágios intermediários, permite maior flexibilidade, tal como a filtragem e a sintonia das estações através do processamento DSP. Como não há filtros de FI físicos, a banda do canal de RF pode ser definida por software
• A eletrônica de RF é a mais simples, não requerendo conversores, filtros de FI, oscilador local
• O ciclo de conversão A/D e do processamento de sinal digital (DSP) devem ser muito velozes, dependendo da freqüência de RF, as velocidades devem ser da ordem de 10-6 a 10-9 segundos
• Apesar de menos componentes de RF, devido aos circuitos de maior desempenho (A/D e DSP), são os SDR mais caros
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011
SDR com Amostragem em FI
• O sinal do conversor A/D é retirado logo após o conversor de freqüência, que gera a FI
• O comando do oscilador local é feito através de circuito de sintonia por software, que é uma outra função do software do SDR
• O sinal de saída é a informação a ser recebida (digital ou analógica)
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011
SDR com Amostragem em FI
• É feita amostragem do sinal na freqüência de FI do receptor, após os estágios amplificadores e de conversão de freqüência
• Requer circuitos de RF para a geração de freqüência do oscilador local (LO) e primeiro conversor, para a sintonia do sinal a ser recebido
• Pode implementar a filtragem de FI por software (DSP) ou por filtros físicos
• O ciclo de conversão A/D e do processamento de digital de sinal (DSP) pode ser menos veloz, que os SDR de amostragem direta
• O circuito de RF possui média complexidade• Devido aos circuito de menor desempenho, são os SDR de
preço intermediário
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011
SDR com Amostragem em Banda Base
• O sinal do conversor A/D é retirado logo após o 2ºconversor de freqüência (se houver) para a freqüência do sinal em banda base
• O comando do oscilador local é feito através de circuito de sintonia por software, que é uma outra função do software do SDR
• O sinal de saída é a informação a ser recebida (digital ou analógica)
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011
SDR com Amostragem em Banda Base
• É feita amostragem do sinal em Banda Base, após estágios amplificadores, filtros, amplificadores de FI e conversões de freqüência
• Requer circuitos de geração de freqüência do oscilador local (LO), para a sintonia do sinal a ser recebido, amplificadores e filtros de FI físico
• O ciclo de conversão A/D e do processamento de digital de sinal (DSP) são os menos exigentes em termos de velocidade, que os SDR de amostragem em FI
• É o SDR com circuitos de RF mais complexos• Devido aos circuito de conversão A/D e DSP
menos exigentes em velocidade, são os SDR mais baratos
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011
Vantagens de um SDR
• Hardware simples
• Operação com qualquer tipo de modulação analógica e digital (AM, LSB, USB, FM, modos digitais), bastando carregar o software adequado
• A “complexidade” do rádio está no software
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. 11/
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011
Processamento Digital de Sinais -DSP
• A seguir serão mostrados algoritmos para demodulação e modulação– Modulação/demodulação AM (com portadora,
SSB, DSB)
– Modulação/demodulação em fase (freqüência e fase)
– Modulação/demodulação digitais (ASK, FSK, PSK)
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011
Arquitetura de um processador do tipo DSP
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011
Processamento Genérico x Processamento Matemático
Adição: C=A+B
Multiplicação: C =A*B
Movimentação de dados: (A=>B), teste de condição: Se (A=B) Então Faça....
Principais Operações
Processamento digital de sinais, controle de movimentação, simulação científica e de engenharia, etc.
Processamento de texto, gerenciamento de banco de dados, planilhas eletrônicas, sistemas operacionais, etc
Aplicações Típicas
Processamento Matemático
Processamento Genérico
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10/2
011
Processamento de Sinal
• Além do processamento matemático especializado, o processamento de sinais requer:– Processamento determinísticoe previsível.
Computadores de uso geral não são determinísticos, pois o tempo de processamento não necessita ser previsível, no cálculo de uma planilha por exemplo, ou na edição de um documento. O processamento determinístico implica em jitter baixo ou desprezível.
– Processamento em tempo real, por exemplo, para processar um sinal com 20.000 amostras/s, todas as operações (DSP) entre amostras devem ser executadas em até 1/20.000 segundos = 50 us.
– Processamento contínuo e repetitivo: (1) ler entrada, (2) processar sinal, (3) gerar saída, (1), (2), (3), .....
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. 11/
10/2
011
Processamento de Sinal
Exemplo: Cálculo de Filtro Digital do tipo FIR (Finite Input Response )
Por ser especializado em processamento de sinais, um DSP efetua o cálculo de um filtro (tarefa específica do processamento de um sinal) eficientemente, com alta velocidade, com baixo consumo de energia e com poucas instruções
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011
Filtro de Média Móvel
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011
Filtro de Média Móvel
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011
Filtro de Média Móvel
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011
Filtro de Média Móvel
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Filtro de Média Móvel
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Pro
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011
Filtros Digitais x Analógicos
• Filtros Digitais1. Alta precisão, não usa
componentes na implementação de filtros
2. Resposta em fase linear3. Não sujeito a desvios 4. Filtragem adaptativa e flexível
é possível5. Projeto e simulação são fáceis6. Processamento deve ser
completado em tempo de amostragem, limita a operação
7. Requer conversores A/D, D/A e processadores (DSP) de alta velocidade
• Filtros Analógicos1. Precisão dependente da
tolerância dos componentes eletrônicos
2. Resposta em fase não linear3. Sujeito a desvios dos
componentes4. Filtragem adaptativa difícil5. Projeto e simulação são
difíceis6. Aplicações: Filtros
analógicos em altas freqüências e antialiasing
7. Não requer conversores A/D, D/A e processadores (DSP)
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Pro
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46Rev
. 11/
10/2
011
Filtros Digitais x Analógicos
Respostas em freqüência de filtros analógicos e digi tais
UE
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Pro
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47Rev
. 11/
10/2
011
Rede Defasadora de 90 Graus
Defasagem entre v(i) e v(q)constante: 90 Graus
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Pro
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48Rev
. 11/
10/2
011
Rede Defasadora de 90 Graus (implementação analógica)
Componentes discretos sujeitos a desvios em seus parâmetros!!
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Pro
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49Rev
. 11/
10/2
011
Processamento de Sinal (DSP) –Ex.: modulação / demodulação SSB
DSP
Filtro passa tudo (digital)
Filtros
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50Rev
. 11/
10/2
011
Processamento de Sinal (DSP) –Ex.: demodulação FM
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Diagrama de um Transceptor SSB completo do tipo SDR
DSP
CODECMisturadores
Oscilador Local Programável
Filtro
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Receptor Digital FM
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Arquitetura de um PC
Saída direita
Saída esquerda
Entrada direita
Entrada esquerda
Placa de Som
D/A
D/A
A/D
A/D
CPUPentium
Software(diversos)
Computador PC
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Receptor SDR baseado em PC
Placa de Som (CODEC)
D/A
D/A
A/D
A/D
CPUPentium
Software DSP
Computador PC
DSP Genérico
ConversorChaveado
I
Q
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Receptor SDR baseado em PC
• A placa de som possui duas entradas, cada uma com seu conversor A/D, associados aos sinais It e Qtrespectivamente
• Os sinais I e Q são processados pelo DSP Genérico (CPU Genérica + Software SDR)
DSP GenéricoInformação recuperada (som, dados)
Computador PCConversor I/Q
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Transceptor SDR baseado em PC
Placa de Som (CODEC)
D/A
D/A
A/D
A/D
CPUPentium
Software DSP
Computador PC
DSP Genérico
MisturadorChaveado (receptor)
I
Q
ModuladorChaveado
(transmissor)
I
Q
Chave T/R
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Softwares Utilizados
• Para auxiliar as práticas de rádios digitais, serão utilizados alguns softwares:– SDRadio– receptor do tipo SDR que suporta AM,
USB, LSB e FM– IQ TX – transmissor IQ do tipo SDR, que suporta AM,
USB, LSB e FM– VAC – “virtual audio cable”, software que permite
interligar sinais de áudio entre softwares num mesmo PC
– Audacity – software de áudio, que permite reproduzir, gravar e análises simples de sinais
• Todos são gratuitos e obtidos pela Internet
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O Software SDRadio
• É um radio receptor definido por software voltado basicamente para radioamadores e ensino. Suporta as modalidades AM, USB, LSB, FM, ECSS
• ECSS significa "Exalted Carrier Selectable Sideband“e é um modo de recepção de sinais de baixa intensidade utilizando demodulação AM síncrona
• O SDRadio utiliza como processador (DSP) um PC rodando MS-Windows. Usa o processador do PC, que implementa um processador DSP de uso geral.
• As entradas do SDR podem ser as entradas da placa de som ou cabos de entradas virtuais do software VAC
• Software desenvolvido por Alberto di Bene, (I2PHD), página: http://www.sdradio.eu/sdradio/
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O Software SDRadio
• O SDRadio recebe as suas entradas I e Q através:– Das entradas da placa de som do PC– De cabos de áudio virtuais, oriundos do software VAC (Virtual
Audio Cable). Possibilita receber os sinais I e Q de outro software no PC
• A saída do SDRadio (áudio) pode ser enviada para: – Saídas da placa de som do PC– Cabos de áudio virtuais, oriundos do software VAC (Virtual Audio
Cable). Possibilita enviar sinal de áudio a outro software no PC
SDRadioÁudio - In
I
Q
Áudio - Dir
Áudio - Esq
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O Software SDRadio
• A tela do SDRadiopossibilita ajustar a freqüência de recepção e a largura do canal através do mouse do PC
• Telas do SDRadiorecebendo:– Sinal AM– Sinal AM-USB– Sinal AM-LSB
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O Software IQTx
• Similarmente à recepção digital pelo SDRadio, o IQ Tx efetua o processo inverso, de gerar os sinais I e Q a partir de uma informação de entrada analógica (voz, som)
• Incorpora as funções necessárias para implementar um transmissor I/Q, usando a CPU do PC
• Os sinais I e Q são gerados de acordo com a modulação escolhida (AM, LSB, USB ou FM)
• Os sinais I e Q gerados podem ser injetados num modulador I/Q oudiretamente num receptor SDR (SDRadio) para testes do mesmo
• As entradas e saídas do IQ Tx podem ser da placa de som ou de cabos virtuais (software VAC).
IQtx
I
QÁudio - In
Áudio - Out
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O Software VAC (Virtual Audio Cable)
• Softwares de processamento de sinais (ex.: SDR, SDRadio, IQ Tx, ...) usam normalmente canais de entrada e saída da placa de áudio e sópermitem conexões à esta placa. Porém, há situações em que énecessário o uso de softwares em seqüência
• O software VAC possibilita que sinais de áudio sejam conectados entre softwares num PC (saída SW 1 => entrada SW 2) sem consumir canais da placa de áudio. Desse modo, a placa de áudio é usada apenas quando é necessário que o PC envie ou receba um sinal de dispositivo externo (conversor SDR, modulador SDR, microfone, caixas de som)
• A idéia é conectar o sinal de saída de um software à entrada do seguinte
• O VAC só suporta sinais de áudio analógicos. Os sinais de áudio analógicos podem ter um ou mais canais (geralmente 1 – mono ou 2 canais - estéreo). A possibilidade de suportar sinais estéreo é usada na implementação dos sinais I e Q
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O Software VAC (Virtual Audio Cable)
Painel de controle do VAC, com dois cabos virtuais de áudio
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Uso conjunto dos softwares
Audacity VAC 1 IQ Tx SDRadio
Sinal de áudio (analógico) Sinais I/Q
(analógico)
VAC 2
Computador PC (Desktop, Notebook)
Sinal para Alto Falantes
Simulação de Transmissor e Receptor SDR
IQ
Arquivo de Áudio
Áudio em Formato Digital (wav)
Modulação(AM, USB, LSB, FM)
Demodulação(AM, USB, LSB, FM)
Sinais analógicos, de -1 a +1 V
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Uso conjunto dos softwares
Arquivo wav sendo reproduzido (sinal de áudio)
Sinais I/Q (AM)Modulador AM
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Transmissores SDR
• Até este ponto, vimos a implementação de receptores SDR
• Também é possível a implementação de transmissores SDR
• Um exemplo de implementação seria o seguinte:
1. Os sinais I/Q são calculados e gerados através de um DSP e enviados a um conversor D/A
2. Os sinais analógicos de I/Q são injetados num modulador I/Q
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Transceptor SSB
DSP
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Sinais I/Q
• Um sinal modulante (AM, SSB, DSB, PSK, QPSK, QAM, ...) pode ser convertido num vetor variável no tempo m(t):– m(t) = It + jQ t
– onde: I = In Phase, Q = Quadrature• O sinal I/Q também pode ser representado como
um fasor
It
Qt
I
Q
22ttt QIm +=
= −
t
tt I
Q1tanφOnde:
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Bibliografia
• Lyons, Richard G. Understanding Digital Signal ProcessingPrentice Hall, 2004.