Electrónica para Sistemas de Comunicación

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1 Electrónica para Sistemas de Comunicación Profesor: Dr. Hildeberto Jardón Aguilar OBJETIVOS Los objetivos del curso son capacitar a los estudiantes de maestría para resolver una serie de tareas que se presentan al diseñar y construir bloques de RF y de alta frecuencia de los sistemas de comunicaciones, así cuando se operan simultáneamente sistemas de radiocomunicación, sistemas electrónicos y sistemas de comunicaciones. Los cuales están principalmente relacionados con los siguientes problemas: a) La gran mayoría de los sistemas modernos de comunicaciones operan en la región de las altas frecuencias: Cuando las frecuencias de operación son altas, en los elementos y circuitos que constituyen a los sistemas de comunicaciones se manifiestan una serie de efectos parásitos (que alejan el comportamiento descrito por sus modelos de primer orden) que normalmente se desprecian a bajas frecuencias. b) Generalmente en la parte receptora de los sistemas de comunicaciones se reciben señales de amplitud pequeña y ruidos, tanto los inherentes a los elementos de los receptores como los externos (los cuales son despreciables cuando las señales tienen amplitud grande) que degradan la calidad de la recepción de la señal. c) Cuando los sistemas de comunicaciones reciben señales útiles (una o varias simultáneamente), o cuando la señal útil se recibe en presencia de oscilaciones interferentes, aparece todo un conjunto de efectos indeseables que degradan o hacen imposible la recepción de la señal, a causa de la interacción no lineal entre los diferentes componentes de la señal o entre la señal y las oscilaciones interferentes. Los efectos de estas interacciones son insignificantes cuando se considera a las amplitudes pequeñas de las señales y oscilaciones interferentes. d) Cuando se diseñan y construyen sistemas de comunicaciones, un mal desacoplamiento del subsistema de tierras, o del subsistema de alimentación degrada significativamente el funcionamiento del sistema o de los bloques que lo constituyen. e) En los circuitos analógicos de radiofrecuencia o circuitos digitales rápidos, un mal acoplamiento de impedancias induce reflexiones que degradan severamente el funcionamiento de los circuitos o incluso se puede llegar a su destrucción. f) La operación simultánea de sistemas de radiocomunicación y de equipos que emplean para su funcionamiento energía eléctrica, generan un ambiente electromagnético complejo y cambiante, que puede interferir a los sistemas de comunicaciones y a los equipos electrónicos. Este problema se vuelve más crítico conforme crece el número de sistemas de radiocomunicación tanto fijo como móvil, también conforme se incrementa la velocidad del reloj de los sistemas digitales y la escala de integración se hace mayor.

2 g) Al propagarse la señal entre el transmisor y el receptor, ésta experimenta un conjunto de degradaciones, y en función del medio de transmisión pueden ser más severas. En los sistemas de radiocomunicación, y en particular los móviles, se presentan las condiciones más adversas, y para incrementar la capacidad de trasmitir información y/o incrementar la confiabilidad del enlace, es necesario emplear diferentes medios, como antenas inteligentes, diferentes tipos de diversidad, configuraciones MIMO, para mitigar dichas degradaciones. Para alcanzar estos objetivos planteados, el curso tiene el siguiente contenido: CONTENIDO I. MODELOS DE ELEMENTOS FÍSICOS E INTERACCIONES DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES 1.1 Limitaciones de los modelos de elementos físicos, empleados en la sección de RF o de alta frecuencia de transmisores y receptores. 1.2 Elementos semiconductores en circuitos de alta frecuencia para sistemas de comunicaciones: características y limitaciones. 1.3 Interacción entre sistemas de comunicaciones que operan simultáneamente. 1.4 Interacción interferente entre sistemas electrónicos y sistemas de comunicación. II. INTRODUCCIÓN A LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA 2.1 Qué es la compatibilidad electromagnética y su importancia en los sistemas de comunicaciones. 2.2 Fuentes de oscilaciones interferentes y emisiones espurias como manifestación de fenómenos de segundo orden: en componentes, circuitos, y bloques de los sistemas de comunicación. 2.3 Susceptibilidad a oscilaciones interferentes en radiorreceptores como manifestación de efectos de segundo orden de los componentes y circuitos que los constituyen. 2.4 Análisis funcional de un enlace de radiocomunicación, con énfasis en fenómenos de segundo orden de los bloques que los constituyen, así como del medio de transmisión.

3 III. CARACTERÍSTICAS DE LOS ELEMENTOS PASIVOS EN RADIOFRECUENCIA 3.1 Conductores: efecto superficial, autoinductancia, dimisiones finitas, inducción. 3.2 Resistores: ruido, efectos inerciales, dimensiones finitas, inducción. 3.3 Condensadores: efectos inerciales parásitos, inducción, otros fenómenos de segundo orden. 3.4 Microcintas: dimensiones finitas, inducción, otros fenómenos de segundo orden. 3.5 Inductores y transformadores: efectos inerciales parásitos, inducción. 3.6 Transformadores y acopladores direccionales: efectos inerciales parásitos, inducción. 3.7 Líneas de transmisión: introducción a elementos de parámetros distribuidos. IV. DESACOPLAMIENTO DE FUENTES DE ALIMENTACIÓN 4.1 Problemática general que se presenta cuando no se consideran fuentes de alimentación ideales. 4.2 Acoplamiento de ruido a través de una impedancia común. 4.3 Clasificación de las tierras de señal. 4.4 Desacoplamiento de las fuentes de alimentación. 4.5 Filtros de desacoplamiento. 4.6 Desacoplamiento de amplificadores y de otros circuitos activos. 4.7 Características particulares del desacoplamiento del sistemas de alimentación para circuitos digitales de alta velocidad. V. MODELAMIENTO DE ELEMENTOS ACTIVOS PARA EL DISEÑO ASISTIDO POR COMPUTADORA DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS 5.1 Modelamiento de transistores bipolares: fenómenos de segundo orden. 5.2 Técnica de medición de los parámetros de modelo de Ebers-Moll. 5.3 Transistores de efecto de campo. 5.4 FETs de arseniuro de galio. 5.5 Amplificadores con HBT y HFET. 5.6 Elementos activos de dos terminales para amplificar y/o generar señales de microondas.

4 VI. ELEMENTOS DE DISEÑO DE CIRCUITOS DE ALTA FRECUENCIA 6.1 Importancia del acoplamiento de impedancias Introducción al coeficiente de reflexión. 6.2 Acoplamiento de resistencias reales. 6.3 Acoplamiento de impedancias complejas. 6.4 Diagramas de SMITH Construcción de diagramas de Smith. 6.5 Ejemplos del empleo del diagrama de Smith Graficación de impedancias Manipulación de impedancias en el diagrama de Smith Conversión de impedancias a admitancias Diseño de redes de acoplamiento de impedancias con ayuda del diagrama de Smith Diseño de redes de acoplamiento tipo L con la ayuda del diagrama de Smith. 6.6 Parámetros Y y parámetros S Parámetros de dispersión de redes de N puertos Ejemplo del empleo de ecuaciones de parámetros de dispersión: Matriz de parámetros de dispersión de corriente Limitaciones de los parámetros Y, h, z, d Parámetros de dispersión de redes de dos puertos.

5 VII. RUIDO EN AMPLIFICADORES Y RADIORRECEPTORES 7.1 Introducción Definición del ruido Factores que determinan la sensibilidad de los receptores. 7.2 Ruido en elementos electrónicos. 7.3 Ancho de banda de ruido. 7.4 Circuitos equivalentes del ruido térmico de elementos concentrados Adición de fuentes de ruido. 7.5 Ruido de exceso. 7.6 Ruido de disparo. 7.7 Circuitos equivalentes de redes de dos puertos con ruido y de parámetros concentrados Obtención de los parámetros del modelo de una red ruidosa. 7.8 Figura de ruido y temperatura de ruido. 7.9 Resistencia óptima de la fuente Ruido de redes conectadas en cascada Ruido en transistores bipolares Ruido equivalente de los transistores bipolares Figura de ruido óptima de los transistores bipolares Ruido en transistores de efecto de campo Ruido en amplificadores operacionales Medios para diseñar receptores de alta sensibilidad Otros tipos de ruido

6 VIII. DISTORSIONES NO LINEALES EN SISTEMAS CUASILINEALES E INTRODUCCIÓN A LOS RADIORRECEPTORES 8.1 Introducción Intervalo dinámico de receptores; selectividad a varias señales de radiorreceptores. 8.2 Distorsiones e interferencias en los radiorreceptores de comunicaciones Circuitos y sistemas con nolinealidades pequeñas y con nolinealidades grandes. 8.3 Representación en serie de potencias de las distorsiones no lineales en sistemas con no linealidades pequeñas. 8.4 Generación de armónicas. 8.5 Compresión de ganancia. 8.6 Bloqueamiento (desensibilización). 8.7 Intermodulación. 8.8 Modulación cruzada. 8.9 Generación AM-PM en sistemas con linealidades pequeñas Series de Volterra Método estructural de análisis para circuitos y sistemas no lineales Balance armónico modificado Métodos de compensación de las no linealidades en amplificadores Retroalimentación negativa Análisis del amplificador con retroalimentación negativa no lineal Carga no lineal Amplificadores con transmisión de error hacia adelante.

7 IX. ELEMENTOS AVANZADOS DE LA ELECTRÓNICA PARA SISTEMAS DE RADIOCOMUNICACIÓN MÓVIL Y DIGITAL 9.1 Técnicas para diseñar radiorreceptores de gran intervalo dinámico. 9.2 Técnicas para mitigar el efecto de oscilaciones interferentes. 9.3 Técnicas para mitigar el efecto de las dejaciones que introduce el medio de transmisión: Medios modernos empleados en los bloques de RF de transmisores y receptores. TEMAS COMPLEMENTARIOS A.- Repaso de filtros de RF. B.- Repaso de osciladores para la sección de RF de receptores y transmisores de radiocomunicación. C.- Repaso de mezcladores. D.- Repaso de antenas activas y pasivas. E.- Introducción a las antenas inteligentes y para sistemas MIMO.

8 BIBLIOGRAFÍA INTRODUCTORIA - Nota del curso, partes 1 y 2 - "Compatibilidad Electromagnética de los Sistemas de Radiocomunicación", Alfa-Omega - "Receptores para Sistemas de Radicomunicación", Alfa-Omega - "Fundamentos de los Sistemas Modernos de Comunicación", Alfa-Omega BIBLIOGRAFÍA GENERAL PARA EL CURSO - Libros sobre Compatibilidad Electromagnética. - Libros Sobre Sistemas de Microondas y Sistemas de Radiocomunicación. - Libros sobre Amplificadores de Microondas. - Libros sobre Diseño de Circuitos de Bajo Nivel de Ruido. - Libros sobre Diseño de Circuitos de RF y Microondas para Sistemas Inalámbricos de Comunicación. - Libros sobre antenas.

9 BIBLIOGRAFÍA PARTICULAR PARA EL CURSO - Matchenbacher "Low-Noise Electronic System Desing", John Wiley - OTT "Noise Reduction Techniques in Electronic Systems", John Wiley, first and second edition - Pettai "Noise in Receiver Systems", Wiley-Interscience - Ferril "RF Systems, Components and Circuits Hand Book", Artech House, Second Edition - Carr "Secrets of RF circuit Desing", Mc Graw Hill - Carlson "Radio Comunication Concepts", John Wiley - González "Microwave Transitor Amplifiers: Analysis and Design", Prentice Hall - Paul Claynton "Introduction to Electromagnetic Compatibility", John Wiley, Second Edition - Vladimiresku "The Spice Book", John Wiley - Kai Chang "Encyclopedia of RF and Microwave Engineering", John Wiley - Duff "Fundamentals of Electromagnetic Compatibility", Interference Control Technology - OTT "Electromagnetic Compatibility Engineering" John Wiley - Duff "A Handbook for EMC Testing and Measurements" IET Electrical Measurement Series - Pozar "Microwave and RF Design of Wireless Systems" - Itoh "RF TEchnologies for Low Power Wireless Communications", Wiley- IEEE press - Kenington "High Linearity RF Amplifier Design", Artech House - Razavi "RF Miroelectronics", Prentice Hall, first and second Edition. - Kai Chang "RF and Microwave Wireless Systems", John Wiley. - Balanis "Antenna Theory: Analysis and Design" 3rd Edition, John Wiley. - E. H. Lim, K. W. Leung "Multifuntional Antennas for Microwave Wireless Systems", John Wiley.