Radio de la Nueva Onda

Transcripción

1 Radio de la Nueva Onda y K. Wu. L as radio comunicaciones del siglo pasado dependieron primariamente de los dispositivos no-lineales para modular y demodular señales para transmisiones inalámbricas. Este artículo revisa resultados de laboratorio iniciales, los cuales fueron obtenidos utilizando interferómetros lineales para modular y demodular señales de banda ultra ancha (UWB, por sus siglas en inglés). Las industrias automotriz y de fabricación de circuitos integrados aplican dichos interferómetros en nuevos radios comerciales para comunicaciones UWB. Seis-Puertos De 1972 a 1994 el seis-puertos fue utilizado para medir coeficientes de reflexión y parámetros S de componentes y dispositivos a frecuencias de microondas. El seis-puertos fue utilizado por Engen et al. [1]-[3] en el Buró Nacional de Estándares (NBS, por sus siglas en inglés) en Colorado, para aplicaciones de instrumentación y mediciones. Durante el mismo período ( ) otros laboratorios hicieron trabajos similares en instrumentación y mediciones con seispuertos, incluyendo el Centre de Recherche Poly-Grames (CRP) [4]-[6]. Febrero 2008 IEEE microwave magazine 89

2 Los radios SPI usan funciones del interferómetro para modular y demodular directamente datos digitales. Interferómetro de Seis Puertos (SPI) En la École Polytechnique (en 1994) se utilizó un seispuertos por primera vez, en un radio receptor SPI operado a frecuencias de ondas milimétricas [7], [8]. Las modificaciones que se requerían para transformar la función de instrumento seis-puertos en una función útil de radio no eran obvias en 1994, y fue necesario introducir diferentes acercamientos a diseños previos de seis-puertos. Los primeros cambios reportados fueron en la demodulación de datos digitales en banda angosta y portadora única. Estos cambios fueron reportados en publicaciones de 1994/1995, así como en publicaciones subsecuentes con los nuevos esquemas de modulación/demodulación de espectro de fase (PSMS/PSDS, respectivamente, por sus siglas en inglés). El nombre del nuevo radio proviene de las funciones fundamentales de modulación y demodulación del interferómetro. El radio SPI modulador realiza el procesamiento de señales analógicas (sumas y divisiones de vectores) del espectro de fase reflejado de ondas pulsantes utilizando el espectro de la fase de ondas pulsantes de referencia. El radio SPI demodulador hace el procesamiento inverso de las señales analógicas, para obtener directamente datos con un decodificador (analógico o digital) de las señales de salida del interferómetro. Los cambios realizados en el seis-puertos para operar en el radio SPI se resumen así: La señal de referencia y la señal modulada (o señal desconocida) se alimentan a puertos separados de entrada del dispositivo seis-puertos en el modulador y demodulador del radio SPI. La señal de referencia puede ser una frecuencia de portadora única, múltiples portadoras, o un pulso UWB (en ancho de banda de canal de al menos 500 MHz) de 3.1 GHz a 10.6 GHz. Se introduce el nuevo PSMS. La fase del PSMS modula los datos digitales sobre el espectro completo de fase del pulso monociclo, sobre una portadora de frecuencia única, o sobre múltiples frecuencias. Esta modulación permite la singular utilización del hardware del radio SPI en comunicaciones de banda angosta y UWB. Se desarrolla un nuevo circuito modulador para realizar Figura 1. Diagrama a bloques de un interferómetro de seis puertos con una señal de entrada de referencia (puerto 1), una señal digital de entrada modulada o desconocida (puerto 2), y cuatro señales de potencia de salida (P3, P4, P5, P6). el PSMS. Se desarrolla un simple y rápido decodificador (analógico o digital) en el receptor, para obtener las señales de salida del interferómetro de demodulación de los datos digitales transmitidos por medios alámbricos o inalámbricos. Se desarrollan algoritmos de procesamiento digital de señales (DSP) para PSMS (demodulación) y PSDS (demodulación). Se demuestra la transmisión de datos digitales en forma alámbrica e inalámbrica (con antenas de fase lineal), en un ambiente de laboratorio. Se usa el singular radio SPI (hardware y software) para aplicaciones de banda angosta y UWB. Todas las características listadas arriba fueron probadas exitosamente en un radio SPI para codificación deslizada en cuadratura de fase (quadrature phase shift keying, QPSK) y para codificación deslizada en fase binaria (binary phase shift keying, BPSK) de datos digitales transmitidos a velocidades de transmisión de 20 Mb/s. La velocidad de transmisión de prueba está limitada por el generador de pulsos rectangulares disponible, y no por las funciones del radio SPI. Los decodificadores analógicos o digitales en el demodulador, la velocidad de conmutación matricial en el modulador, y la velocidad del DSP en la plataforma del radio, son los factores que finalmente limitan la velocidad de transmisión de datos digitales en un canal ideal de propagación. Velocidades de transmisión de al menos 200 Mb/s se pueden obtener en un radio SPI mediante la mejoría de la tecnología actual utilizando meta-materiales, usando conmutadores matriciales de rápida actuación, y mediante algoritmos rápidos de procesamiento digital y de codificación. Las siete características del radio SPI listadas arriba fueron probadas y se encontraron satisfactorias para datos QPSK/BPSK. Por otro lado, para datos QAM/MPSK, se necesita más investigación para desarrollar algoritmos avanzados, nuevos diseños de interferómetros, e implementaciones en DSP del software relacionado [9]. Las plataformas de radio SPI ahora están siendo desarrolladas en radios definidos por software (SDRs, por sus siglas en inglés) para modelos de automóviles del 2010, propuestos para ser fabricados en Alemania [10], [11]. Recientemente, chips CMOS de transreceptores [12] con moduladores y demoduladores SPI fueron fabricados a 60 GHz para aplicaciones comerciales. Radio SPI Este artículo presenta conceptos de diseño del radio SPI, incluyendo resultados de laboratorio medidos y simulados. Los resultados de laboratorio han sido recientemente obtenidos para comunicaciones UWB [13] usando datos digitales QPSK/BPSK. Las diferencias entre los radios SPI y otros radios UWB radican en los esquemas de modulación y de demodulación [13], incluyendo la circuitería asociada, el solftware y los algoritmos de procesamiento de señales. La investigación y el desarrollo en radios SPI está evolucionando para incluir transmisión de datos QAM/MPSK, adicionalmente a las transmisiones QPSK/BPSK. Los radios SPI usan modulación PSMS, 90 IEEE microwave magazine Febrero 2008

3 mientras que otros radios UWB usan principalmente modulación de amplitud de pulso o de posición de pulso (PPM). Los radios SPI utilizan funciones del interferómetro [7], [8] para directamente modular y demodular datos digitales. Otros radios UWB usan mezclado nolineal (heterodino o super-heterodino) para bajar la frecuencia de la portadora modulada a una frecuencia intermedia o a frecuencia cero, antes de recuperar los datos digitales. Se ha comprobado que los radios SPI transmiten datos digitales PSMS/PSDS, en canales de propagación inalámbrica en el laboratorio vía antenas de Tx/Rx con características de fase lineal [14]. Los radios SPI con circuitos planos, integrados con antenas planas de fase lineal, pueden ser realizados con chips de radio SPI de bajo costo para computadoras personales, computadoras portátiles, sensores, etc. Una plataforma de radio SPI montada con componentes comercialmente disponibles y antenas de fase lineal fue utilizada en pruebas de radio en un ambiente de laboratorio. La plataforma de demostración del radio SPI contenía dos interferómetros de seis puertos (uno para la modulación y el otro para la Figura 2. Arquitectura de un radio SPI interferómetro basada en: (a) demodulación), un procesador digital de señales cuatro acopladores híbridos (Q); (b) dos divisores de potencia (D), dos de cuatro canales, cuatro interruptores de un polo acopladores híbridos (Q), y una línea de retardo; (c) divisores de potencia y dos tiros (SPDT, por sus siglas en inglés), dos (PD), combinadores de potencia (PC), y líneas de retardo de 180 y 90. antenas (Rx/Tx), y varios componentes menores tales como terminaciones en cortos circuito y circuito abierto de banda ancha. Resultados de laboratorio indican que el radio SPI tiene la capacidad de satisfacer a los sistemas de comunicación UWB a un bajo costo y con desempeño superior. La tecnología actual de radio SPI provee a un bajo costo el hardware y software de un radio cognitivo, con desempeño de banda ancha/banda angosta, y chips integrados para transmisión de datos QPSK/BPSK. Algunos medios prometedores están disponibles para extender el radio SPI actual, para incluir datos QAM/MPSK, así como otros formatos digitales. Los radios SPI tienen la capacidad de operar en ambientes de usuario mutimedia con un proveedor de radio central para servir a las necesidades militares, comerciales, y del software de consumo. La calibración se realiza periódicamente en línea, para evitar procedimientos de sintonización y para reducir los costos del control de calidad. Los radios SPI están diseñados para operar en canales de banda ancha (sobre los 500 MHz por canal), como se requiere en los sistemas de comunicación UWB, así como en los sistemas de comunicación de banda ancha de portadora única (o múltiple); e.g., división ortogonal en frecuencia multiplexada (OFDM, por sus siglas en inglés). Demodulador El SPI se describe mejor mediante un interferómetro demodulador de seis puertos contenido en una caja negra (Figura 1) con una señal de entrada de referencia en el puerto 1, y una segunda entrada por el puerto 2 para una señal recibida desconocida o modulada. Figura 3. Fotografía de un circuito interferómetro plano fabricado con microcintas sobre un substrato suave. Febrero 2008 IEEE microwave magazine 91

4 Figura 4. Fotografía de un circuito interferómetro fabricado con una línea microcinta sobre substrato de alúmina. Figura 5. Diagrama a bloques del radio SPI de prueba. El canal ( Channel ) representa una conexión alámbrica, transmisión inalámbrica, o transmisiones multitrayectoria. El SPI realiza sumas y divisiones lineales de vectores analógicos de dos ondas de entrada (señales). La señal de entrada puede ser de onda continua (CW, por sus siglas en inglés) (o pulsada), con un amplio ancho de banda de operación, determinado por las limitaciones de forma de pulso y ancho de banda de los componentes pasivos lineales de los circuitos del interferómetro. Estos circuitos realizan simples funciones analógicas, tales como la adición y la división vectorial de dos ondas de entrada (CW o pulsadas). Los resultados de las anteriores operaciones vectoriales son enrutadas a los cuatro puertos de salida del interferómetro demodulador. Es fácil entender que la adición de vectores puede ser tal que uno de los puertos de salida tenga un vector con amplitud cero. Al mismo tiempo, los tres puertos restantes del interferómetro tendrían vectores de señal con amplitudes no cero. Esta característica del diseño de los interferómetros es muy útil para realizar demodulación rápida digital o analógica QPSK/BPSK cuando los puertos de salida del interferómetro modulador están terminados con cuatro sensores de amplitud o potencia de señal. Si la fase de la señal de entrada desconocida cambia en 90 grados, el diseño del interferómetro es tal que el siguiente puerto vecino de los cuatro puertos de salida del interferómetro tiene amplitud cero mientras que los restantes tres puertos tienen amplitudes diferente de cero. Por lo tanto, si las cuatro señales de salida del interferómetro demodulador son simultáneamente alimentadas a las cuatro entradas del DSP, un algoritmo simple de procesamiento digital de señales puede rápidamente determinar el estado de modulación de los datos QPSK o BPSK. Más sencillamente, si las cuatro señales de salida son alimentadas simultáneamente a un comparador de amplitudes analógico de cuatro canales, el estado de modulación de los datos QPSK o BPSK es detectado muy rápidamente (al menos 200 Mb/s). Es posible calcular el estado de modulación QAM/MPSK con circuitería DSP usando cuatro niveles de potencia no cero, suponiendo que el DSP es programado con algoritmos de demodulación QAM/MPSK. Los circuitos SPI planos integrados con antenas planas permiten la fabricación masiva de chips de radio miniatura de bajo costo [12]. La sincronización de señales de referencia CW (o pulsada) con las señales recibidas presenta los mismos retos en el nuevo radio como en cualquier otro radio. 92 IEEE microwave magazine Febrero 2008

5 La solución correcta en cada caso se determina mejor por la aplicación en cuestión. Varias arquitecturas de circuitos interferómetros son mostradas en la Figura 2(a), Figura 2(b) y Figura 2(c). El radio SPI interferómetro contiene simples componentes planos pasivos y lineales, tales como divisores de potencia (D), acopladores híbridos (Q), y líneas de transmisión (φ), para proporcionar las adiciones deseadas de vectores de ondas de referencia y ondas desconocidas de datos BPSK/QPSK. Actualmente se presta atención al desarrollo de algoritmos DSP para la decodificación rápida de señales digitales QAM/MPSK basada en hardware SPI existente. Inevitablemente se deben tomar decisiones sobre los méritos relativos de las diferentes arquitecturas SPI disponibles para satisfacer los requerimientos de un sistema de comunicación dado. Los circuitos pasivos del interferómetro de la Figura 2 son planos, y utilizan líneas microcinta o en guía de onda coplanar. En algunas aplicaciones de ondas milimétricas, es preferible usar guías de onda rectangulares, guías de onda integradas en substrato (SIWs, por sus siglas en inglés), o guías de onda dieléctricas. A frecuencias extremadamente bajas (menores a 500 MHz), es posible utilizar componentes discretos, y a frecuencias extremadamente altas se utilizan guías de onda ópticas integradas para realizar radios SPI. Fotografías de prototipos fabricados de interferómetros se muestran en las Figuras 3 y 4, aunque se pueden usar otras tecnologías para fabricar circuitos de radio SPI, incluyendo substratos suaves, substratos de alúmina, substratos semiconductores, SIWs, y guías de onda maquinadas con precisión numérica. Figura 6. Fotografía del radio SPI modulador, con interruptores y terminaciones en circuito abierto y en corto circuito. Modulador El diagrama a bloques de la Figura 5 utiliza una arquitectura de interferómetro relacionada con la Figura 2. La Figura 6 muestra la fotografía de un modulador con interruptores y terminaciones de salida (cortos circuitos o circuitos abiertos) para modulación BPSK/QPSK como se muestra en la Tabla 1 [20]. La activación de los interruptores se hace directamente mediante las señales de salida del DSP. Los cortos circuitos terminales proveen coeficientes de reflexión Γ = 1, y las terminales a circuito abierto proveen coeficientes de reflexión Γ = +1. Para los datos QAM/MPSK es necesario proporcionar terminaciones pasivas de los interruptores, con coeficientes de reflexión menores a la unidad. En tales casos, el coeficiente de reflexión Γ tiene un ángulo entre 0 y 360. Circuitos pasivos sin pérdidas, con los coeficientes de reflexión requeridos, se Figura 7. Mediciones y simulaciones en QPSK del radio SPI demodulador, de 3 GHz a 4 GHz. Febrero 2008 IEEE microwave magazine 93

6 pueden diseñar como terminaciones para actuar con interruptores rápidos y así operar el modulador a la velocidad de transmisión deseada para datos QPSK/BPSK. Altas velocidades de transmisión (de al menos 200 Mb/s) se pueden lograr utilizando interruptores de calidad, aunque decisiones importantes relacionadas con costos y desempeño habrán de ser tomadas en cualquier aplicación dada. Para la modulación QPSK los cambios de fase (Figura 7) entre dos antenas de fase lineal son medidos sobre una banda ancha de operación. Lo mismo es válido para los resultados de la modulación BPSK mostrados en la Figura 8. Interferómetro Demodulador El radio SPI demodulador, mostrado en la fotografía Figura 8. Mediciones y simulaciones en BPSK del radio SPI de la Figura 9, usa una arquitectura que es idéntica a demodulador, de 3 GHz a 4 GHz. la de los interferómetros mostrados en la Figura 2. Los puertos de salida del interferómetro demodulador son terminados mediante detectores de potencia, como se muestra en la Figura 9. El estado de la modulación de fase (el símbolo) es identificado por el detector usando un mínimo nivel de voltaje (cero volts) dentro del tiempo de duración del pulso. Los datos QPSK pueden entonces ser demodulados utilizando un simple algoritmo en la tarjeta del DSP, o mediante circuitos de decodificación analógica, actuando como comparadores rápidos de voltaje. En el caso de señales QAM/MPSK, se necesita un algoritmo más general para operar con las cuatro señales DSP alimentadas por los niveles de potencia de los cuatro sensores. Figura 9. Fotografía del radio SPI demodulador con cuatro puertos de salida de potencia, un puerto de entrada de señal de referencia, y un puerto de entrada de señal modulada. Interferómetro Modulador El interferómetro modulador tiene la misma arquitectura (Figura 2) que la del interferómetro demodulador, pero sus cuatro terminales de salida son ajustadas con los interruptores SPDT, generando así las terminaciones requeridas en corto circuito o en circuito abierto, como se muestra en la Tabla 1. Los interruptores SPDT son operados directamente con las señales de salida del DSP. Las pruebas fueron realizadas con datos QPSK/BPSK. Para la transmisión de datos QAM/MPSK, se necesitan interruptores SPMT junto con otros algoritmos DSP apropiados, así como terminaciones de bajas pérdidas. Figura 10. Resultados de la prueba del radio SPI demodulador, mostrando los voltajes de salida normalizados de los detectores contra la diferencia de fase entre las dos señales de entrada, tomados a cualquier frecuencia dentro del rango de operación del canal (3 GHz a 4 GHz). Resultados de Prueba del Radio SPI Demodulador Las pruebas de la Figura 10 muestran los voltajes de salida medidos en los detectores de potencia (diodos Schottky) contra la diferencia de fase entre las dos entradas de RF al demodulador. Las mediciones fueron tomadas a cualquier frecuencia dentro del ancho de banda del canal (3GHz-4GHz). El rango dinámico del sensor de potencia está determinado por la región de respuesta cuadrática de los diodos Schottky (alrededor de 40 db). Se requiere de mayor investigación sobre circuitos sensores de potencia RF para incrementar el rango dinámico del radio 94 IEEE microwave magazine Febrero 2008

7 SPI. Por otro lado, los sensores de potencia con rangos dinámicos de 80 db son fácilmente accesibles a un bajo costo. A partir de estos resultados se observa que los radios SPI operan igualmente bien en una banda ancha con portadora única/múltiple, como en canales UWB de banda ancha para datos QPSK/BPSK [16], [17]. La Figura 11 muestra una fotografía de dos tarjetas DSP, con dos arreglos de compuertas programables en campo (FPGAs, por sus siglas en inglés), necesarias para aceptar los cuatro canales de entrada provenientes del interferómetro demodulador. El diagrama a bloques de la Figura 12 muestra la configuración de prueba utilizada para evaluar el demodulador en el radio SPI. Esto se hace mediante la medición de la tasa de error de bit (BER, por sus siglas en inglés) de datos QPSK/BPSK generados aleatoriamente del instrumento de la señal modulada. El radio SPI demodulador fue probado como se muestra en el diagrama a bloques de la Figura 12, mediante la medición del BER con una secuencia seudo-aleatoria de bits (1 Mb/s) generada usando un analizador de BER modelo MP1630B de Anritsu. Los datos de salida del analizador de BER son alimentados a un instrumento de modulación vectorial de señal, y se genera una señal modulada QPSK/BPSK a 250 MHz con una portadora de señal de referencia de 250 MHz usando un modulador vectorial de señal modelo HP-8782B. Ambas señales de RF, la modulada y la de referencia, están disponibles en el generador de señal Anritsu MG3694A. Ambas señales son convertidas a transmisión (up converted) en banda lateral única usando dos convertidores de transmisión (up-converters) SU26A21D. El nivel de potencia de la señal de RF modulada al interferómetro demodulador de seis puertos es de 20 dbm. Las señales de salida de los cuatro detectores de potencia del interferómetro son enviadas a dos tarjetas DSP FPGA sincronizadas, de Altera. Resultados de laboratorio indican que el radio SPI tiene la capacidad de satisfacer los sistemas de comunicación UWB a bajo costo y desempeño elevado. Figura 11. Fotografía del DSP para decodificar las señales provenientes de las salidas del interferómetro demodulador. Figura 12. Diagrama a bloques de las pruebas BER para el demodulador. Febrero 2008 IEEE microwave magazine 95

8 El radio SPI, con modulador/demodulador y decodificador digital, está trabajando como se esperaba a 20 Mb/s (límite de velocidad del generador de pulsos rectangulares disponible). Los algoritmos de DSP son diseñados usando el software Quartus II de Altera, y los códigos ejecutables son cargados e implementados en dos procesadores FPGA en la plataforma DSP. El analizador de BER recibe los datos del decodificador y evalúa los datos del radio SPI con datos generados aleatoriamente para obtener la BER. Un generador de ruido blanco adicional es aplicado para variar la relación señal a ruido (SNR, por sus siglas en inglés) y por lo tanto verificar así la funcionalidad del demodulador. Figura 13. Fotografía de las pruebas del radio SPI para conexión directa coaxial entre el modulador y del demodulador. Transmisión Directa Alámbrica (Coaxial) y Validación del SPI En la Figura 13 se muestra una fotografía del equipo utilizado para la prueba de conexión directa (coaxial) entre el radio SPI modulador y el demodulador. Se observa (Figura 14) que los resultados de la prueba de BER concuerdan bien con la teoría. Por lo tanto, el radio SPI, con modulador/demodulador y decodificador digital, está trabajando como se esperaba a 20 Mb/s (límite de velocidad del generador de pulsos rectangulares disponible). Se espera que los decodificadores analógicos sean más rápidos que el decodificador digital usado en el DSP. Transmisión Inalámbrica Los resultados de la prueba de BER se proporcionan en la Figura 15, para pruebas de transmisión entre dos antenas de fase lineal (Rx/Tx) colocadas a un metro de separación Figura 14. Resultados de la prueba de BER para la conexión directa entre el modulador y el demodulador. Figura 15. Resultados de la prueba de BER comparando las mediciones con antenas (Rx/Tx) y con conexión directa. 96 IEEE microwave magazine Febrero 2008

9 encima de una mesa de laboratorio. Estos resultados muestran una calidad disminuida en la recepción de la señal para transmisión inalámbrica en comparación con la transmisión alámbrica (cable coaxial). Esta degradación se atribuye al incremento de las reflexiones en el canal de propagación, entre el canal ideal (líneas coaxiales de 50 Ω) y el improvisado canal de propagación inalámbrica sobre la mesa de laboratorio (espacio entre las antenas Rx y Tx). Transmisión con Dos Trayectorias Dos trayectorias ideales son simuladas mediante longitudes de líneas de transmisión diferentes (cables coaxiales). Las dos señales con datos idénticos son combinadas, mediante un mezclador de potencia, a la entrada del demodulador, y los resultados de la prueba de BER se muestran en la Figura 16. El observado desempeño degradado de la BER para dos trayectorias de transmisión no se atribuye a la presencia de la segunda señal porque la diferencia en tiempo entre las dos señales (17.27 ns) es más corta que la separación en tiempo entre pulso y pulso (50 ns), y mayor que el ancho del pulso de 2 ns. No existe interferencia intersimbólica, y la degradación observada en la BER se atribuye a los acoplamientos no ideales de los mezcladores de potencia. Figura 16. Resultados de la prueba de BER comparando las mediciones en conexión multi-trayectoria y directa. Antenas de Fase Lineal (Rx/Tx) [14] En la Figura 17 se observan los resultados de transmisión de fase lineal contra la frecuencia entre dos antenas (Rx/Tx), obtenidos mediante la medición de S21 con el analizador de redes. Se observa que la respuesta a la fase es lineal con la frecuencia operando sobre el canal de prueba UWB (3 GHz-4 GHz) Interferencia de Radio La Figura 18 muestra una portadora de banda angosta (transportando una señal QPSK) aproximadamente 30 db arriba del nivel de la señal UWB. La Figura 19 muestra las constelaciones QPSK medidas de una señal de banda angosta y de alta potencia, con su nivel de señal disminuido a 20 db arriba del nivel de la señal UWB. El efecto de la señal de interferencia de banda angosta y alta potencia se observa en la Figura 20. La BER de los datos recibidos es cuando mucho 1 E2 s (1%) cuando el nivel de la señal de banda angosta es 15 dbm/mhz y el nivel de la señal UWB está dentro del nivel de regulación (menor que 41.3 dbm/mhz). Figura 17. Resultados de prueba sobre las mediciones de fase contra la frecuencia entre las antenas Tx y Rx. Figura 18. Diferencia de 30 db entre el nivel de la señal de banda angosta y el de la señal UWB. Febrero 2008 IEEE microwave magazine 97

10 La intensidad de las señales de banda angosta y alta potencia debe ser medida en cualquier área dada, especialmente cerca de una antena emisora de alta potencia si el radio SPI va a ser utilizado en su vecindad. Los resultados indican que las señales UWB de baja potencia, así como las señales de banda angosta y alta potencia, tienen relativamente poco efecto entre sí dentro de los rangos dados del nivel de señal. La intensidad de las señales de banda angosta y alta potencia debe ser medida en cualquier área dada, especialmente cerca de una antena emisora de alta potencia si el radio SPI va a ser utilizado en su vecindad. Formas del Pulso La Figura 21 muestra un diagrama para generar pulsos de prueba del canal con un espectro de 3 GHz a 4 GHz. Un filtro pasa-bajas de 500 MHz se coloca a la salida del generador de pulsos cuadrados para eliminar los picos del pulso. Un convertidor de transmisión (up-converter) con la frecuencia del oscilador local (LO, por sus siglas en inglés) puesta en 3.5 GHz y el filtro pasa-bajas (3 GHz a 4 GHz) aseguran que el espectro del pulso alimentado a la entrada del modulador esté dentro del canal de prueba UWB (3 GHz a 4 GHz). La Figura 22 muestra las formas de los pulsos a la Figura 19. Constelación I-Q medida de los datos en alta potencia para una diferencia de 20 db en los niveles de la señal. Figura 20. Resultados sobre la prueba de BER del radio SPI mediante el nivel de la señal de bloqueo QPSK. Figura 21. Diagrama a bloques para la generación de la señal de canal UWB de 3 GHz a 4 GHz. 98 IEEE microwave magazine Febrero 2008

11 salida del generador de pulsos rectangulares (tren superior de pulsos) y a la salida del filtro pasa-bajas a 500 MHz (tren inferior de pulsos). La Figura 23 muestra la forma del pulso monociclo después del filtro pasabanda de 3GHz-4GHz; realmente tiene una forma monociclo con un espectro entre 3 GHz y 4 GHz en el puerto de entrada del modulador. La Figura 24 muestra las formas del pulso simulado en las cuatro salidas del interferómetro demodulador tal y como se obtienen en Matlab/Simulink. Se observa que las simulaciones muestran una amplitud cero en uno de los puertos (en el puerto 3 para un estado de modulación) y amplitudes de pulso no cero para los puertos restantes. La Figura 25 valida, mediante mediciones, los resultados de simulación anteriores (el puerto 4 tiene amplitud cero para otro estado de modulación) y amplitudes de pulso no cero para los puertos restantes. Conclusiones Este artículo presentó los antecedentes y las diferencias entre un seis puertos usado para instrumentación y un radio SPI usado para la transmisión de datos QPSK/BPSK a altas velocidades de transmisión. Las velocidades de transmisión usadas estuvieron limitadas por el equipo de prueba disponible a 20 Mb/s. Se estima que los radios SPI pueden efectuar velocidades de transmisión de al menos 200 Mb/s. La tecnología SPI ofrece singulares radios hardware/ software para la transmisión alámbrica/inalámbrica de datos digitales para señales UWB, de portadora de frecuencia única, y de portadora multi-frecuencia, para varios sistemas de comunicación, incluyendo UWB, multiportadora, y OFDM. Se esperan resultados de investigación avanzada en áreas de continuo crecimiento tales como metamateriales, procesadores de señales rápidos, calibración en tiempo real [18], dispositivos ópticos [19], y codificación. Tales resultados serán presentados en publicaciones posteriores, pero más detalles sobre el presente estado del arte sobre radios SPI están disponibles en [20]. Figura 22. El tren de pulsos superior fue medido a la salida del generador de pulsos. El tren de pulsos inferior fue medido a la salida del filtro pasa-bajas (sin componente de alta frecuencia). La frecuencia de repetición del pulso es de 20 MHz. Figura 23. Monopulso generado. Figura 24. Formas de pulso simuladas en las cuatro salidas del demodulador SPI. Estado de modulación 0. La salida del puerto 3 tiene una amplitud de pulso cero. Todas las demás salidas tienen amplitudes de pulso no cero. Febrero 2008 IEEE microwave magazine 99

12 Figura 25. Formas de pulso medidas en las cuatro salidas del demodulador SPI para una modulación en estado 1. El puerto de salida 4 tiene una amplitud de pulso cero (mínima). Todos los demás puertos tienen amplitudes de pulso no cero. Agradecimientos Los autores están agradecidos con el personal pasado y presente del Centre de Recherche Poly-Grames (CRP) por las contribuciones técnicas, y con el Consejo Nacional de Investigación en Ciencia e Ingeniería de Canadá (NSERC, por sus siglas en inglés) por los fondos de investigación. Referencias [1] G. F. Engen, The six-port reflectometer an alternative network analyzer, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT-25, pp , Dec [2] G. F. Engen, Calibration of arbitrary six-port junction for measurement of active and passive circuit parameters, IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. IM-22, no. 4, pp , Dec [3] C. A. Hoer, The six-ort coupler a new approach to measuring voltage, current, power, impedance and phase, IEEE Trans. Instrum Meas., vol. IM-21, pp , Dec [4] S. H. Li and R. G. Bosisio, The automatic measurement of N- Port microwave junctions by means of the six-port technique, IEEE Trans. Instrum Meas., vol. 31, no. 1, pp , [5] F. M. Ghannouchi and R. G. Bosisio, Automated millimeter wave active load-pull measurement system on six-port techniques, IEEE Trans. Instrum Meas., vol. 41, no. 6, pp , [6] Marconi Instruments, Design of a six-port microwave instrument, Marconi Instruments Tech. J., no. 93/2, pp. 6 7, [7] J. Lim, R. G. Bosisio, and K. Wu, A six-port direct digital millimeter-wave receiver, in IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., San Diego, CA, pp , May [8] J. Li, R. G. Bosisio, and K. Wu, Computer and measurement simulation of a new digital receiver operating directly at millimeterwave frequencies, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 43, no. 12, pp , Dec [9] X.-Y. Xu, R. G. Bosisio, and K. Wu, Analysis and design implementation of six-port software defined radio, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 54, no. 7, pp , July [10] R. Shrum, SDR regulatory issues, presented at Software Defined Radio Forum, IMS 2005 Workshop, Long Beach, CA, Jun [11] J. F. Luy, Software configurable receiver, in Proc. 32nd EuropeanMicrowave Conf., Milan, Italy, Oct. 2002, pp [12] C.-H. Wang, H.-Y. Chang, P.-S. Wu, K.-Y. Lin, T.-W. Huang, H. Wang, and C.-H. Chen, A 60GHz low-power six-port transceiver for gigabit software-defined transceiver applications, in Proc. IEEE Int. Solid-State Circuits Conf., San Francisco, Feb. 2007, pp [13] Y. Y. Zhao, J.F. Frigon, K. Wu, and R. G. Bosisio, Multi sixport impulse radio for ultra-wideband, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 54, no. 4, pp , Apr [14] S.-Y. Suh, W. Stutzman, W. Davis, A. Waltho, and J. Schiffer, A novel CPW-fed disc antenna, in Proc. IEEE Antennas Propagation Soc. Int. Symp., June 2004, pp [15] X. Xu, K. Wu, and R. G. Bosisio, Six-port networks, in Wiley Encyclopedia of RF and Microwave Engineering. Hoboken, NJ: Wiley, pp , [16] S. O. Tatu, E. Moldovan, G. Brehm, K. Wu, and R. G. Bosisio, Kaband direct digital receiver, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 50, no. 11, pp , [17] S. O. Tatu, E. Moldovan, K. Wu, and R. G. Bosisio, A new direct millimeter-wave six-port receiver, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 49, no. 12, pp , Dec [18] Y. Xu and R. G. Bosisio, On the real time calibration of sixport receivers (SPR) by averaging the received QPSK signals, Microwave Opt. Technol. Lett., vol. 21, no. 5, pp , Apr [19] I. Molina, J. G. Wangüemert, A. Ortega, R. G. Bosisio, and K. Wu, Planar light-wave circuit six-port technique for optical measurements and characterization, IEEE J. Lightwave Technol., vol. 23, no. 6, pp , June [20] Y. Zhao, Multi (six)-port impulse ultra-wideband radio system, Ph.D. Thesis, Dept. of Electrical Engineering, École Polytechnique, University of Montreal, Canada, Jan IEEE microwave magazine Febrero 2008