Beatriz Amante García (p), Sara Abou Chackra

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1 XI CONGRESO INTERNACIONAL DE INGENIERIA DE PROYECTOS LUGO, Septembre, 2007 DEMODULADOR FIVE-PORT DE BANDA ANCHA PARA SISTEMAS DE COMUNICACIÓN Beatrz Amante García (p), Sara Abou Chackra Abstract Ths paper descrbes a new demodulator sutable for a large spectrum of wreless systems. Ths crcut s useful for several applcatons, as determnng the Drecton of Arrval (DOA) of multple Rado Frequency (RF) sgnals n the ISM band or as a broadband recever n the Ka band. Theory and expermental results for these applcatons n presence of the fve-port reflectometer are then presented. Keywords: wreless communcaton systems, drect demodulator, dgtal sgnal processng, fve-port, DOA, wreless local loop. Resumen El crcuto Fve-port (FPR) se puede ntroducr como un dscrmnador de frecuenca y fase en sstemas radar o para una bucle local rado, o como demodulador drecto en un receptor homodno. En este artículo, este crcuto será presentado como un nuevo receptor de banda ancha de onda mlmétrca deal para un sstema de bucle local rado y como un dscrmnador de frecuencas rado que nos permtrá la deteccón de la dreccón de dferentes señales rado (DOA). Palabras clave: Banda ancha, Demodulador, Dreccón de llegada, wreless. 1. Introduccón La prolferacón de los nuevos servcos sn hlos que son ofrecdos a través de los satéltes, las redes de telefonía móvl, WLAN, WMax o la bucle local rado están saturando la banda generando una preocupacón por cómo asgnar (o reasgnar) el espectro de frecuenca rado (RF). La comundad y la ndustra de nvestgacón han responddo a este desafío desarrollando un conjunto de nuevas tecnologías para permtr que el espectro sea utlzado más flexblemente y efcentemente. Los mayores avances se han realzado en la fabrcacón de mnaturzacón de antenas, la modulacón o la desmodulacón, el tratamento de señal, la deteccón de mult-usuaros, ad hoc networkng, convertdores analógcos dgtales y en la gestón de la potenca de los sstemas de comuncacón. Para todos estos sstemas puede ser partcularmente nteresante el receptor que presentamos en este artículo, por su autonomía, su ntegrabldad y bajo coste. Las arqutecturas que corresponden a estas característcas son los receptores homodnos. Pero por supuestos, estos receptores homodnos presentan algunos defectos en altasfrecuencas y para justamente solventar estos problemas, proponemos un crcuto reflectómetro "Cnco-Puerto" o fve-port (FPR). El FPR se puede ntroducr como dscrmnador de frecuenca y fase en sstemas radar o para una bucle local rado, o como demodulador drecto en un receptor homodno (Neveux et al.2004)(amante et al.2002)(abou Chakra S. and Huyart 2004). En este artículo, este crcuto será presentado como un nuevo 1426

2 receptor de banda ancha de onda mlmétrca deal para un sstema de bucle local rado y como un dscrmnador de frecuencas rado que nos permtrá la deteccón de la dreccón de dferentes señales rado (DOA). 2. Prncpos Teórcos En la Fgura 1 podemos observar el esquema general del crcuto FPR. Es un dspostvo lnear y pasvo, consttudo de dos entradas y tres saldas. El FPR consste en un crcuto de cnco accesos nterferométrcos, segudo de 3 detectores de potenca que nos permtrán pasar de una señal de alta frecuenca a una señal DC. V IN (t) a 2 b 2 5 accesos RF crcuto Interferométrco b 3 a 3 b 4 a 4 b 5 v o v o v o5 ADC DSP a(t) (t) a 5 Detectores de potenca b 1 a 1 v LO (t) Fgura 1. Esquema general del crcuto FPR La fuente de referenca vlo(t) se conectara en el acceso uno del dspostvo y la señal que queremos medr vn(t) la conectaremos en el acceso dos. Suponendo que el espectro de las dos señales vlo(t) y vn(t) está centrado a una frecuenca alrededor de fc, Esto sería representado en banda-base por: v LO (t) =Real[V LO e j2fct ] (1) vn(t) =Real[z(t)e j2fct ] (2) donde VLO es la ampltud de vlo(t) y z(t) = a(t) ej(t) es el equvalente en banda-base de vn(t) (complex envelope) o el equvalente de la nformacón útl obtenda. El crcuto nterferométrco hace adcones vectorales de vlo(t) y vn(t). Esto nos permte ser capaces de detectar la dferenca de fase entre dos señales a la salda del crcuto FPR. Estas adcones podemos escrbrlas como: vrf(t) =Real[ V LO e j2fct + z(t)e j2fct ] (3) j donde Ae j y Be son constantes complejas que representan las característcas del crcuto nterferométrco, en =3,4 y 5. Cada detector de potenca consste en un dodo zero bas Schottky segudo de un fltro paso bajo. En la salda del detector, la señal en banda base la podemos escrbr como: A V B a(t) v (t) K K K A BV a(t)cos (t) LO ' '' o LO (4) 1427

3 donde, y =3,4 y 5. a(t) y (t) pueden ser obtendas después de despejar las ecuacones lneares presentadas a contnuacón (Sousa et al.2003): a(t) = c0 + c1vo1 + c2vo2 + c3vo3 (t) = qc0 + qc1vo1 + qc2vo2 + qc3vo3 5 6 los valores c0, c1, c2, c3, qc0, qc1, qc2 y qc3 corresponden a los coefcente transferdos por el crcuto FPR. Un procedmento de calbracón ha sdo propuesto en (Neveux et al.2004)( De Sousa et al.2002), que nos permte la obtencón de estos coefcentes, que nos darán los valores necesaros para la regeneracón de la señal equvalente en banda base de los tres voltajes a la salda del crcuto FPR. El procedmento de calbracón se puede hacer cuando el producto está en manos del fabrcante para consderar las tolerancas debdas a la tecnología, pero en realdad podría realzarse en cualquer momento. Por tanto, puede tambén ser realzado después de la mplementacón del crcuto en el sstema de comuncacón donde se tendría en cuenta en la calbracón, las mperfeccones del receptor. En esta opcón es muy nteresante ya que nos permtría utlzar para la realzacón del crcuto RF elementos de bajo coste y de baja caldad cuyo error sería corregdo por la calbracón (Yem et al.2004). 3. Aplcacones 3.1 Receptor de ondas mlmétrcas en banda ancha Según se ha menconado prevamente, el FPR podemos utlzarlo como receptor de ondas mlmétrcas en banda ancha. En los sguentes párrafos mostraremos una aplcacón del msmo y algunos resultados de medda. En la Fgura 2 y 3 podemos ver la plataforma de prueba del sstema de transmsón en banda Ka. I-Q modulator Mxer BPF Fgura 2. Dagrama de bloques del trasmsor. BPF LNA FPR Acquston Card Fgura 3. Dagrama de bloques del receptor. En la Fgura 2 se puede observar el transmsor formado por un generador de onda arbtraro que nos entregaría las señales de banda base I-Q, ellas nos modulan una portadora a 2GHz 1428

4 Q en un I-Q modulador, segudamente encontramos un mezclador con convertdor y transposcón de señal a las frecuencas mlmétrcas y un fltro paso banda. En este prototpo el canal de la propagacón es por ahora un acoplamento coaxal. La undad de la recepcón mostrada en la Fgura 3 consste en un fltro paso banda, un amplfcador de bajo rudo y el FPR. Para la dgtalzacón de la señal en banda base, se utlza una tarjeta de adquscón comercal localzada en un PC. Para la valdacón de esta plataforma test, se realza una modulacón en banda base de 10Msymbol/s con un modulador I-Q de la señal generada por un osclador local a 2GHz y una potenca de 0dBm, las modulacones probadas han sdo QPSK(20Mbt/s ) y 16QAM (40Mbt/s ). Esta señal modulada será transpuesta a una señal RF de 26 GHz, utlzando una señal procedente de un osclador local a 24GHz con una potenca de 0dBm Q I Fgura 4. dagrama de constelacón de fase para una modulacón QPSK y 16QAM. La señal RF en la recepcón será fltrada, amplfcada con un LNA (con factor de rudo 4dB y una gananca máxma de 40dB), y fnalmente demodulada con el FPR. Gracas a la tarjeta de adquscón utlzada para muestrear y los convertdores analógco dgtales exstentes en la msma, convertremos las saldas análogas del FPR en señales dgtales, en razón de cuatro muestras por símbolo, aplcando posterormente una demodulacón de dcha señal. En la Fgura 4 se muestra el dagrama de la constelacón de fase obtenda con este prototpo. Posterormente, se realzaron meddas de la tasa de error bnaro, cuya sensbldad obtenda BER= 10-3 por el receptor en gual a dbm, sendo mejor al valor de -84 dbm marcado por la norma IEEE802.16c estándar para una bucle local rado (Wreless Local Loop)(2001). 1429

5 3.2 Dreccón de llegada Otra de las aplcacones de este sstema de recepcón homodno es la deteccón de dreccón de llegada (DOA). En las sguentes líneas explcaremos el sstema y veremos resultados de medda. Para la medda de deteccón de dreccón de llegada (DoA) se pueden utlzar tanto señales coherentes como ncoherentes. Esto es gracas a la utlzacón de dos algortmos en paralelo, uno Spatal Smoothng Pre-processng (SSP) que permte tener sempre señales ncoherentes antes de aplcar el segundo algortmo llamado Musc, que nos proporconará las dreccones de llegada de dchas señales. El porque de la necesdad de los dos algortmos, es porque Musc solo funcona con señales ncoherentes. Para la realzacón del banco de meddas, se han utlzado una rede de reflectometros FPR y se ha probado con dversos tpos de antenas, tales como parches o quas-yags. Estas meddas han sdo presentadas en dversos trabajos (Amante et al. 2002) (Yem et al. 2005). Fgura 5. Prototpo para la deteccón de una dreccón de llegada El receptor, que funcona a 2 o 2.4 GHz, en funcón de banco de test utlzado, está formado por cuatro u ocho reflectómetros fve-port y un array de antenas lnear unforme (ULA) consttudo por cuatro u ocho antenas de 2 o 2.4 GHz. La DOA es estmada mdendo la dferenca de fase de las señales de recepcón captadas por el array de antenas y usando el algortmo llamado Musc asocado a Spatal Smoothng Pre-processng (SSP). Se determna la dferenca de fase usando la técnca del fve-port, presentado precedentemente. Los resultados de medda demuestran que el error máxmo cometdo para la obtencón de la DOA tanto de señales coherentes como ncoherentes es de 2 (Amante et al. 2002) (Yem et al. 2005). En las fguras sguentes podemos observar algunos de los resultados de meddas de DOA. La Fgura 5 nos muestra cómo el sstema es capaz de detectar y segur un blanco en movmento. Para esta medda se utlzó una señal de 2GHz RF y un array lnear unforme de cuatro antenas. Con esta dsposcón, la calbracón se hace en un plano stuado frente al array de antena (Fg. 5b), consderando en esta calbracón el factor de acoplo entre las antenas. 1430

6 P -1 MUS Degrees Fgura 6. P MUS -1 en funcón de las dferentes poscones de dreccón de llegada(doa) a detectar expresada en grados Esta medda (Fgura 5a), se realzó con una dstanca de 1.5m y 3m entre la antena utlzada como fuente (1) y el array de antenas de recepcón (2), donde la potenca del generador era de 1µW. La Fgura 6 nos muestra dversas poscones de la antena de la fuente (DOAs) (1) con respecto al receptor (2). Fgura 7. a) Prototpo de deteccón de dos señales b) P -1 MUS en funcón de las dos DOAs Fnalmente, realzamos meddas con dferentes DOAs smultáneamente y en la Fgura 7b se ve el resultado de meddas de dos blancos o dos dreccones de la llegada generadas por 2 fuentes puntuales. En la Fgura 7a podemos ver estos dos formados por dos generadores y dos antenas (array de parches (3) y antena coaxal (4)). 4. Conclusones En el presente artículo se ha mostrado un nuevo demodulador drecto y dferentes aplcacones posbles del msmo. Por medo de resultados de la medda, se demuestra que este reflectómetro del "cnco-puerto" o fve-port sendo muy barato, es de banda ancha, es un dscrmnador mult-modo y puede ser utlzado en un amplo espectro de aplcacones dentro del campo de las comuncacones tanto analógcas como dgtales. 1431

7 Referencas Neveux, G. Huyart, B. Rodrguez, J. 2004, Wdeband RF recever usng the «fve-port» technology, IEEE Trans. Vehcular Technology, Vol. 53, No. 5, September. Amante García, B. Kerneves, D. Huyart. B. 2002, Measurement of Drecton of Arrval for Radar Applcaton, European Mcrowave EUMC, September Abou Chakra S. and Huyart, B Auto Calbraton wth Tranng Sequences for Wreless Local Loop at 26GHz, IEEE Mcrowave and Wreless Components Letters, Volume: 14, Issue: 8, Pages: , August. Sousa, F.R. Neveux, G. Amante Garca, B.and Huyart, B. 2002, Fve-port juncton n the way of general publc applcatons, 32nd European Mcrowave Conference, Mlan. De Sousa, F. R.; Huyart, B.; de Lma, R. N. 2003, A new method for automatc calbraton of 5-port reflectometers, IEEE MTT-S / SBMO Internatonal Mcrowave and Opto-electroncs Conference, IMOC'2003. Conference proceedngs - Foz de Iguaçu -Brazl, September. Yem VU, V. Braga, J. Huyart, B. Begaud, X. de Sousa, F.R. Huyen Nguyen, B Calbraton of frequency propagaton channel sounder based on fve-port reflectometer, ICEIC 2004 (The 2004 Internatonal Conference on Electroncs, Informaton, and Communcatons), Hano, Vetnam, August 16-18,. 2001,Interface for Fxed Broadband Wreless Access Systems, IEEE Standard for Local and metropoltan area networks, Part 16. Yem VU, V. Braga, J. Begaud, X. and Huyart, B Measurement of Drecton-of-Arrval of Coherent Sgnals Usng Fve-Port Reflectometers and Quas-Yag Antennas, IEEE mcrowave and wreless components letters, vol. 15, no. 9, September. Agradecmentos Un agradecmento muy especal al Profesor Bernard Huyart de la École Supéreur de Télécommuncatons de Pars, que fue nuestro drector de tess y nos apoyó y aportó muchísmos consejos. Así como al grupo de doctores y becaros que trabajaron conjuntamente con nosotras. Correspondenca Beatrz.amante@upc.edu, Dpto. de Proyectos de Ingenería. Unversdad Poltécnca de Cataluña. ETSEIA Terrassa, C\Colom 11, Terrassa. s.abouchakra@esee.fr Department of Sgnal and Telecommuncaton, ESYCOM-ESIEE- 2, boulevard Blase Pascal, Nosy le Grand, France. 1432